УДК 630*161.443.6 + 674.031.632.13
СОХРАНЕНИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ ЦЕННОГО ГЕНОФОНДА ЛИСТВЕННЫХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО БАНКА IN VITRO
О. С. МАШКИНА1, 2, Т. М. ТАБАЦКАЯ1
1 Всероссийский НИИ лесной генетики, селекции и биотехнологии, Воронеж, Россия
2 Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия АННОТАЦИЯ
В условиях in vitro создан и длительно поддерживается (свыше 10—22 лет) генетический банк (коллекция микрорастений) ценных генотипов быстрорастущих лиственных древесных растений (видов, гибридов и полиплоидов березы, тополя, осины и ивы). Хранение коллекции осуществляется путем: 1) редкого субкультивирования на питательных средах без гормонов, что способствует сохранению генетической и хозяйственной ценности исходных деревьев; 2) депонирования при пониженной температуре, что способствует удлинению периода между пересадками до года.
Создание генетического банка in vitro (живой коллекции целых пробирочных растений, их отдельных органов, тканей и даже клеток) — один из современных подходов сохранения ex situ (в искусственных условиях) представителей ценного генофонда древесных растений для их последующего воспроизводства, использования в научных и практических целях.
Известно, что способ долговременного хранения коллекции накладывает отпечаток на ее качество.
Так, частые пересадки культур (раз в 1—2 месяца) на питательные среды, обогащенные регуляторами роста, удорожают содержание коллекции и могут привести к изменению ее генетической стабильности, жизнеспособности и потере ценных признаков [1, 2]. Высокое содержание ретардантов или осмотически активных веществ (например, сахарозы) в питательной среде может привести к появлению мутаций [4].
Криосохранение в жидком азоте — довольно дорогостоящий и трудоемкий способ. К тому же методы криосохранения еще недостаточно разработаны для универсального применения, хотя и имеются положительные результаты для отдельных видов древесных растений [5, 7].
Ранее нами была создана коллекция из микрорастений ценных, но трудно размножаемых генотипов быстрорастущих лиственных древесных растений (по 10—15 пробирочных растений для каждого), которая регулярно пополняется новыми генотипами, видами и породами. Среди них — карельская береза с узорчатой текстурой древесины (Betula pendula Roth vаr. саrеliса Мerkl.); береза повислая (B. pendula Roth); декоративные рассеченнолистные формы березы далекарлийской (B. pendula
“dalekarlica” (L.f.); быстрорастущие, продуктивные и устойчивые разноплоидные гибриды тополя белого (Populus alba L.) и сереющего (P. canescens Sm.), осины (P. tremula L.); отселектированные формы и гибриды ивы (Salix L. spp.). Для сохранения коллекции используется два подхода: 1) длительное культивирование на питательных средах без гормонов в условиях нормального роста и 2) депонирование
— лимитирование ростовых процессов и увеличение времени между пересадками. Рассмотрим более подробно каждый из них.
1. Ранее нами был предложен метод [3], уменьшающий вероятность возникновения сомаклональной изменчивости при многолетнем культивировании, что может обеспечить генетическую стабильность коллекции и способствовать сохранению ценных признаков исходных генотипов. Метод заключается в редком субкультивировании микрорастений (с интервалом раз в 5—6 месяцев) на специально подобранных (с учетом генотипических особенностей клонов) безгормональных питательных средах, дополненных активированным углем при обычных условиях климатического режима (16-часовой фотопериод, освещенность 2—3 клк, 24—26 С). Таким способом коллекция клонов березы и тополя поддерживается нами свыше 10—22 лет с периодической высадкой растений в питомник. Установлено, что в процессе длительного культивирования все клоны сохраняли высокую жизнеспособность и регенерационную активность; плоидность, присущую исходным экземплярам:
диплоиды (2n = 2х = 28 — береза) или полиплоиды (2n = 3х = 42, 2n = 4х = 56 — карельская береза; 2n = 3х = 57 — тополь); не проявляли видимых признаков онтогенетического старения и сомаклональной изменчивости. Клоны березы и тополя, высаженные в питомник после длительного культивирования in vitro, проявили все признаки полноценного развития: характеризовались высокой жизнеспособностью и адаптивностью, хорошим ростом и относительной внутриклоновой однородностью, сохраняли фенотипические особенности исходных деревьев. Независимо от длительности культивирования in vitro (от года до 11 лет) деревья одних и тех же клонов карельской березы характеризовались полным (у всех деревьев) проявлением признаков узорчатости древесины. Таким же способом в коллекции
98
поддерживаются клоны березы с аномальным фенотипом, представляющие интерес для изучения генетики морфогенеза.
2. Депонирование клонов тополя и осины проводилось при пониженной положительной температуре (+4 С) на свету (1 клк) или в темноте на питательных средах без гормонов. Перед депонированием микропобеги с 2—3 пазушными почками культивировали на питательной среде ½ WPM [6] в течение 7— 10 дней до укоренения и начала роста, а затем помещали в условия пониженной температуры. В контрольном варианте микропобеги культивировали на той же среде при 24—26 С, освещенности 1 клк, длине светового дня 16 ч. Для замедления роста культур в питательную среду добавлялись осмотики: маннит (4 %), сорбит (60 мг/л), повышалась концентрация сахарозы (до 4 % и 6 % при 2 % в норме). Для каждого клона и варианта высаживали по 15—20 микрочеренков. Полученные результаты представлены в таблицах 1—3.
Таблица 1. Жизнеспособность культур (%) триплоидного тополя белого при депонировании на питательной среде
½WPM, дополненной осмотиками. Условия культивирования: температура — 24–26 С, интенсивность освещения
— 1 клк, 16-часовой фотопериод
Содержание осмотиков в питательной среде
№ клона
Длительность хранения
культур, мес. сахароза 2 % (контроль) сахароза 4 % сахароза 6% сахароза 2 %, маннит 4 %
сахароза 2 %, сорбит 60 мг/л
4 100,0 100,0 90,5 88,9 100,0
155/83
6 81,8 50,0 33,3 0,0 62,5
4 90,0 70,0 54,5 40,0 84,6
101/83
6 46,1 40,0 27,3 0,0 41,1
Таблица 2. Жизнеспособность культур (%) тополя белого (155/83 и 101/83) и сереющего (А и П) в зависимости от светового режима; депонирование при пониженной температуре (+4 С) на питательной среде ½ WPM + сахароза 2
%
Световой режим
№ клона Длительность хранения культур, мес.
Темнота Свет (1 клк, 16-часовой фотопериод)
2 100,0 67,0
155/83
4 86,6 0,0
2 100,0 70,0
101/83
4 100,0 0,0
2 100,0 33,3
А 4 93,3 0,0
2 100,0 25,0
П 4 73,3 0,0
Таблица 3. Жизнеспособность культур (%) триплоидного тополя белого в зависимости от содержания сахарозы в питательной среде ½ WPM. Условия культивирования: первые 5 месяцев депонирование при пониженной температуре (+4 С) с последующим культивированием на свету в обычных условиях (температура — 24—26 С, интенсивность освещения — 1 клк, 16-часовой фотопериод) еще 4—6 месяцев
Содержание сахарозы в питательной среде
№ клона Длительность хранения культур, мес.
2 % (контроль) 4 % 6 %
5 100,0 100,0 100,0
10 100,0 25,0 12,5
155/83
12 100,0 0,0 0,0
5 100,0 100,0 100,0
10 100,0 12,5 0,0
101/83
12 90,0 0,0 0,0
Из табл. 1 видно, что в условиях проведенного эксперимента добавление осмотиков в питательную среду не дало желаемого результата. Сильно ингибирующий эффект на рост и жизнеспособность (сохранность) культур оказал маннит в концентрации 4 %. Наблюдалось снижение укореняемости микропобегов (до 60—80 % против 100 % в контроле) и сильное замедление их роста. У растений быстро желтели и некротизировались листья, а к 6 месяцам хранения все растения засохли. С увеличением концентрации сахарозы в питательной среде наблюдалось замедление роста побегов, но одновременно уменьшалась жизнеспособность культур (в 2—3 раза по сравнению с контролем).
Положительные результаты при обычных условиях культивирования получены лишь в контроле (содержание сахарозы в питательной среде 2 %). Тем не менее реакция различных генотипов тополя на
99
сходные условия культивирования была неоднозначной, и через 6 месяцев культивирования в зависимости от клоновой принадлежности жизнеспособность составила 81,8 % (155/83) и 46,1 % (101/83).
Депонирование культур при пониженной температуре (+4 С) выявило существенное влияние светового режима (хранение в темноте или на свету), а также генотипа на их жизнеспособность. Из табл.
2 видно, что в целом у всех четырех проанализированных клонов жизнеспособность культур после двух месяцев хранения была в 1,5—4 раза выше в темноте, чем на свету (соответственно 100 % и 25—70 %). В последующие два месяца хранения на свету отмечена гибель всех культур (потеря тургора, некроз и пожелтение листьев), тогда как в условиях первого варианта (темнота) сохранность была достаточно высокой и составила в зависимости от генотипа от 73,3 % (П) до 100 % (101/83).
Наилучшие результаты показало хранение культур при пониженной температуре (+4 С) в темноте на питательной среде ½ WPM (содержание сахарозы 2 %) в течение 5 месяцев с последующим культивированием на свету в обычных условиях климатического режима (температура — 24—26 С, интенсивность освещения — 1 клк, 16-часовой фотопериод) еще 5—6 месяцев (табл. 3). Это способствовало удлинению периода между пересадками до года. Через 10—12 месяцев хранения выживало 90—100 % культур, тогда как при обычных условиях культивирования уже через 8 месяцев выживало не более 20 %. Исследования по оптимизации условий депонирования продолжаются.
Использование такого генетического банка микрорастений in vitro в лесном хозяйстве позволит:
— обеспечить сохранение ex situ представителей ценного генофонда лиственных древесных растений;
— провести при необходимости селективное тиражирование хозяйственно ценных биотипов и получить в массовом количестве качественный посадочный материал для создания лесных культур целевого назначения, лесоразведения быстрорастущих лиственных пород после пожаров, засухи, вырубок, техногенного загрязнения и др.;
— обеспечить сохранение генетической и хозяйственной ценности материнских деревьев (исходных генотипов), внутриклоновую однородность (стандартность) посадочного материала, что в свою очередь приведет к экономии площадей, материальных затрат и времени при создании лесных культур;
— снизить себестоимость посадочного материала (за счет сокращения, упрощения и удешевления отдельных этапов культивирования);
— перейти на сортовую основу лесовыращивания, внедрение селекционных достижений (направленных на сокращение сроков выращивания больших объемов древесины) и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Высоцкий В. А. О генетической стабильности при клональном микроразмножении плодовых и ягодных культур //
Сельскохозяйственная биология. 1995. 5. С. 57—63.
2. Кузнецова О. И., Аш О. А., Гостимский С. А. Изучение влияния продолжительности культивирования каллусов на накопление генетических изменений у регенерантов гороха (Pisum sativum L.) // Генетика. 2006. 42 (5). С.
684—692.
3. Машкина О. С., Табацкая Т. М., Стародубцева Л. М. Длительное микрочеренкование для массового клонального размножения карельской березы и тополя // Физиология растений. 1999. 46 (6). С. 950—953.
4. Сафразбекян С. А., Урманцева В. В., Катаева Н. В. Роль сахарозы в регуляции морфогенеза каперса in vitro //
Биология культивируемых клеток и биотехнология растений. Сб. науч. тр. М.: Наука, 1991. С. 192—197.
5. Chmielarz P., Michalak M. Cryopreservation of genetic resources of forest tree species // Наука о лесе XXI века. Сб.
науч. тр. Гомель: Ин-т леса НАН Беларуси, 2010. С. 109—112.
6. Lloyd G., McCown B. Commercially-feasible micropropagation of Mountain laurel, Kalmia latifolia, by use of shoot tip culture // International Plant Propagation Society Proceedings. 1980. 30: 421—427.
7. Ryynanen L., Aronen T. Genome fidelity during short- and long-term tissue culture and differentially cryostored meristems of silver birch (Betula pendula) // Plant Cell., Tissue and Organ Culture. 2005. 83: 21—32.
***
100 УДК 573.6.086.83.582.28
LENTINUS EDODES (BERK): МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ В ПОВЕРХНОСТНОЙ И ГЛУБИННОЙ КУЛЬТУРЕ
Е. А. МЕЛЬНИКОВА, Ю. А. ЛИТОВКА, О. В. КИСЕЛЕВА, П. В. МИРОНОВ Сибирский государственный технологический университет, Красноярск, Россия АННОТАЦИЯ
В статье представлены результаты изучения биологических особенностей штамма LT-2.2 Lentinus edodes и оценки перспективы его глубинного и твердофазного культивирования в биотехнологических целях.
В структуре лесных биоценозов дереворазрушающие грибы занимают важное место в первичной переработке растительного органического субстрата биомассы леса. Представители этой группы обладают развитым ферментативным аппаратом, позволяющим разрушать лигниноцеллюлозный комплекс древесины, используя в своем питании как целлюлозу, так и лигнин. Это свойство дает возможность использовать их в биодеструкции растительных отходов сельского хозяйства и деревоперерабатывающей промышленности. Одним из представителей ксилотрофных базидиомицетов является гриб L. edodes, шиитаке, который в процессе своей жизнедеятельности синтезирует биологически активные вещества и тем самым не только является ценным продуктом питания, но и представляет интерес как продуцент биологически активных соединений. В настоящее время установлено, что среди метаболитов, продуцируемых шиитаке, имеются вещества, обладающие радиопротекторным, противоопухолевым, антивирусным, фунгицидным, бактериостатическим и иммуномоделирующим действием, а также снижающие содержание холестерина в крови [2,4].
В настоящее время L. edodes является одним из наиболее перспективных для культивирования видов съедобных грибов, который синтезирует комплекс экстрацеллюлярных ферментов, разрушающих трудногидролизуемые растительные полимеры. Выращивание биомассы шиитаке возможно методами поверхностного и глубинного культивирования, при этом одним из основополагающих аспектов производства является соблюдение чистоты продуцента. Изучение морфологических признаков в производстве грибной биомассы необходимо не только при первичной идентификации, но и на каждой стадии культивирования, поэтому при использовании базидиомицетов в биотехнологических процессах особое внимание должно уделяться культурально-морфологическим свойствам [1]. В связи с этим целью данной работы являлось комплексное изучение морфологии макро- и микроструктур поверхностного и глубинного мицелия L. edodes.
Объектом настоящего исследования являлся штамм LT-2.2 базидиального гриба L. edodes, чистая культура которого была выделена из коммерческих плодовых тел и хранится в музее кафедры ХТДиБТ СибГТУ. Выделение чистой культуры и получение спор проводили с использованием общепринятых микологических методов [3, 6]. Плодовое тело L. edodes состояло из шляпки и ножки; диаметр шляпки 4 см, форма полусферическая, выпуклая, цвет темно-коричневый. На нижней стороне шляпки располагался гименофор пластинчатого строения; пластинки белые, сначала ровные, а при созревании гриба зубчатые; на нижней поверхности шляпки отмечено наличие покрывала — тонкой мембраны, которая распространяется от ножки до краев шляпки (рис. 1 а). Ножка L. edodes волокнистая, центральная, слегка отогнута (рис. 1 б).
а б
Рисунок 1. Плодовое тело L. Edodes, из которого была выделена чистая культура (а — внешний вид гриба; б — внешний вид гименофора)
Еще одним надежным критерием видовой идентификации гриба и важным диагностическим признаком является особенность строения базидиоспор. Из плодового тела были выделены споры белого
101
цвета, мелкие, размером 3 6 мкм; поверхность спор гладкая, форма яйцевидная или эллипсоидная.
Для изучения особенностей роста в различных биотехнологических системах и определения макро- и микроморфологических признаков L. edodes было проведено культивирование штамма в поверхностных и глубинных условиях. Поверхностное культивирование осуществляли на сусловом агаре в чашках Петри при температуре 27 ± 2 С. При поверхностном культивировании штамм формирует колонию воздушного мицелия, состоящую из плотного слоя прямых гиф. Форма колонии округлая, цвет белый, край ворсинчатый, профиль плоский, структура волокнистая, мицелий паутинистый, стелющийся, трудно отделяемый от субстрата (рис. 2 а). Микроскопические исследования показали, что воздушный мицелий изучаемого штамма LT 2.2. имеет гифальное строение; гифы разветвленные (рис. 2 в), септированные, имеют многочисленные пряжки; со временем гифы могут объединяться в тяжи. Для воздушного мицелия изучаемого штамма характерно образование коричневой мицелиальной пленки (рис. 3 в), что является признаком процесса созревания мицелиального блока перед формированием плодового тела.
а б в
Рисунок 2. Морфологические особенности воздушного мицелия штамма L. edodes при поверхностном культивировании в чашке Петри (а — на сусловом агаре; б — на лигнине; в — микроморфологические особенности штамма на сусловом агаре)
а б в
Рисунок 3. Плодовое тело L. edodes, выращенное в лабораторных условиях на сусловом агаре (а, б — плодовое тело, в — гипертрофированная примордия)
По типу используемого субстрата L. edodes принадлежит к группе дереворазрушаюших грибов, образующих коррозионную гниль. В состав ферментных систем грибов, вызывающих коррозионный ксилолиз древесины, входят наряду с целлюлазами активные оксидоредуктазы. При совместном действии этих ферментов активно расщепляется как целлюлоза, так и лигнин [7]. Поэтому представляло интерес изучить возможность твердофазной ферментации гидролизного лигнина исследуемым штаммом.
На рис. 2 б приведена фотография колонии воздушного мицелия L. edodes, выросшего на такой среде, как лигнин. Показано, что макроморфологические признаки штамма LT-2.2, культивируемого на лигниновом субстрате (рис. 2 б), существенно не отличаются от таковых на сусловом агаре (рис. 2 а).
В результате поверхностного культивирования на агаризованной среде в чашке Петри было получено плодовое тело L. edodes (рис. 3 а), макроморфологические особенности (рис. 3 б) которого соответствуют ранее описанным признакам. Также в процессе поверхностного культивирования на скошенной поверхности суслового агара после образования коричневой мицелиальной пленки наблюдали образование гипертрофированной бесформенной примордии (рис. 3 в), которая, вероятно, в связи с пространственной ограниченностью и недостатком кислорода не сформировала плодовое тело.
При дальнейших исследованиях было проведено культивирование L. edodes в глубинных условиях. Культивирование проводили в стационарном лабораторном биореакторе CeCa (Gallenkamp controlled environment culture apparatus Cx650, made in England BY) при температуре 27 ± 2 С в течение
102
96 часов при непрерывном перемешивании путем барботирования стерильным воздухом (расход воздуха 100 л/ч на 1 л среды). В качестве питательной среды использовали крахмало-аммонийную среду с содержанием крахмала 2 %. Используемая для культивирования среда содержала в своем составе источники азота (NH4+
), источник углерода (крахмал) и комплекс минеральных солей (KCl, NaCl, CaCl2, MgSO4, KH2PO4, K2HPO4). Посевным материалом служила глубинная культура L. edodes, выращенная на аналогичной среде на лабораторном шейкере в колбах объемом 250 мл, с объемом питательной среды 150 мл. В результате глубинного культивирования была получена биомасса молочно-белого цвета, состоящая из скопления многочисленных структур округлой формы. С помощью светового микроскопа Olimpus SZX 41 были исследованы микроморфологические особенности полученной биомассы.
Глубинный мицелий L. edodes имеет гифальную структуру, гифы разветвленные. На генеративных септированных гифах присутствуют регулярные одиночные пряжки (рис. 4).
Таким образом, были исследованы макро- и микроморфологические особенности поверхностного и глубинного мицелия L. edodes. Показано, что поверхностный и глубинный мицелий L. edodes имеет разветвленное гифальное строение; гифы септированы с одиночными пряжками.
Воздушный мицелий в процессе своего развития образует коричневую мицелиальную пленку. Все описанные морфологические признаки могут быть применены в процессе промышленного культивирования L. edodes для контроля чистоты как посевного материала, так и получаемых продуктов на всех стадиях биотехнологического процесса. В результате проведенного эксперимента показана потенциальная возможность роста L. edodes на гидролизном лигнине, что представляет несомненный практический интерес.
ЛИТЕРАТУРА
1. Высшие съедобные базидиомицеты в поверхностной и глубинной культуре / Н. А. Бисько, А. С. Бухало, С. П.
Вассер и др. Под общ. ред. И. А. Дудки. Киев: Наукова думка, 1983. 312 с.
2. Лекарственные грибы в традиционной китайской медицине и современных биотехнологиях / под общ. ред. В. А.
Сысуева. Киров: О-Краткое, 2009. 320 с.
3. Методы экспериментальной микологии. Справочник / отв. ред. В. И. Билай. Академия наук Украинской ССР, институт микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного. Киев: Наукова думка, 1982. 550 с.
4. Морфология грибов: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003. 215 с.
5. Морозов А. И. Разведение перспективных видов грибов. М.: Изд-во АСТ; Донецк: Сталкер, 2003. 78 с.
6. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / под ред. А. И. Нетрусова. М.:
Издательский центр «Академия», 2005. 608 с.
7. Ферментные системы высших базидиомицетов / Н. И. Даниляк, В. Д. Семичаевский, Л. Г. Дудченко, И.
А.Трутнева. Отв. ред. Е. Г. Судьина, И. А. Дудка. АН УССР. Ин-т ботаники им. Н. Г. Холодного. Киев: Наукова думка, 1989. 280 с.
***
УДК 630*865.1
КАТИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОЙ КОРЫ ХВОЙНЫХ ПОРОД СИБИРИ
А. В. СЕМЕНОВИЧ, С. Р. ЛОСКУТОВ
Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск, Россия АННОТАЦИЯ
Исследована сорбция катионов Cu2+, Co2+, Ca2+, Zn2+из индивидуальных растворов сорбентами, полученными путем химического модифицирования коры хвойных древесных пород в статическом и динамическом режимах.
Установлена зависимость сорбционной способности модифицированной коры от ряда факторов. Изучен механизм сорбции катионов металлов модифицированной корой.
Одной из важнейших проблем защиты окружающей среды является проблема утилизации отходов производства деревообрабатывающей отрасли, в частности, коры хвойных древесных пород.
Перспективным направлением утилизации коры является получение сорбентов, способных улавливать из сточных вод загрязняющие вещества. Из анализа около 500 литературных источников следует, что внимание исследователей из США, Франции, Японии, Индии и др. начиная с 1974 года и по настоящее Рисунок 4. Микроморфологические
особенности глубинной культуры L.
edodes
103
время обращено к разработке способов химического модифицирования коры. Ряд предложенных способов позволяет получать эффективные сорбенты. В России аналогичные исследования ранее не проводились.
Известно, что свойства модифицированной коры зависят от ряда факторов, которые связаны не только с принадлежностью к той или иной породе, но и с ботанико-географическими условиями произрастания деревьев.
Целью исследования было получение катионита путем химической модификации коры хвойных видов Larix sibirica Ledeb, Pinus sylvestris L., Abies sibirica L.
Кору названных пород высушивали на воздухе, измельчали, выделяли фракцию 0.5—1.0 мм.
Модифицирование осуществляли методом фенолформальдегидной конденсации. Способы модифицирования сырья различались продолжительностью обработки и типом катализатора (табл. 1).
Таблица 1. Способы модифицирования коры
Способ Особенности модифицирования коры
1 Продолжительность обработки 15 мин., катализатор 0.2 N H2SO4, температура 50 С 2 Продолжительность обработки 2 ч, катализатор 0.2 N H2SO4, температура 50 С 3 Продолжительность обработки 15 мин., катализатор 3 % HNO3, температура 50 С 4 Продолжительность обработки 2 ч, катализатор 3 % HNO3, температура 50 С
Полученные катиониты исследовали с помощью растровой электронной микроскопии, рентгено- флуоресцентной спектрометрии, инфракрасной спектроскопии, потенциометрического титрования.
В результате модифицирования коры получен твердый сыпучий сорбент, при контакте которого с растворами солей вторичного загрязнения очищаемого раствора не происходит. Из сравнения результатов потенциометрического титрования, ИК-спектроскопии натуральной и модифицированной коры установлено, что в процессе модифицирования в коре происходит образование полимера, цепь которого содержит фенольные остатки, соединенные между собой метиленовыми мостиками;
формируются дополнительные функциональные группы: гидроксильные, карбоксильные, карбонильные.
Адсорбция катионов наиболее эффективна в интервале величины рН от 6.13 до 10.55.
Сорбционная способность полученных сорбентов по отношению к катионам Cu2+, Co2+, Ca2+, Zn2+
в статических условиях эксперимента варьирует от 1.7 до 21.3 мгМе2+/г сухого сорбента; степень извлечения достигает 100 %.
Из анализа полученных данных следует:
1. Модифицированная кора пихты извлекает катионы металлов из водных растворов в больших количествах по сравнению с корой сосны и лиственницы.
2. На сорбционную способность сорбентов оказывает существенное влияние продолжительность воздействия модифицирующего раствора. По этому признаку сорбенты можно разделить на две группы. К первой относятся препараты, для которых с увеличением продолжительности обработки возрастает сорбционная способность. Ко второй группе относятся препараты, сорбционная способность которых, напротив, уменьшается.
3. Величина сорбции катионов металлов препаратами зависит от типа катализатора, примененного при обработке. Модифицирование коры в присутствии азотной кислоты может приводить как к повышению сорбционной емкости сорбентов до 27 %, так и к ее снижению до 57 % по сравнению с этим показателем для образцов, модифицированных при использовании в качестве катализатора
серной кислоты.
4. Сорбционная способность сорбентов зависит от типа катиона (Zn2+ сорбируются в несколько раз лучше, чем другие катионы всеми препаратами коры; хуже всего извлекаются из растворов катионы Ca2+). В присутствии конкурирующих катионов металлов в водном растворе модифицированная кора всех пород преимущественно поглощает катионы Zn2+, наименее эффективно — катионы Co2+.
Изотермы сорбции катионов Cu2+ из водных растворов модифицированной корой иллюстрирует рис.
1. К изотермам сорбции были применены уравнения Ленгмюра, Фрейндлиха, Темкина, Дубинина — Радушкевича (Д-Р). Анализ опытных и теоретических изотерм сорбции показал, что сорбция Cu2+
большинством сорбентов наилучшим образом описывается уравнением Фрейндлиха.
Механизм сорбции катионов металлов
0 60 120 180
0 150 300 450
Се, мг/дм3 Se, мг/г
МКЛ МКС МКП
Рисунок 1. Изотермы сорбции Cu2+ из водных растворов модифицированной корой лиственницы (МКЛ), сосны (МКС) и пихты (МКП), полученной 2-м способом модифицирования
104
модифицированной корой достаточно сложен. Снижение рН раствора с увеличением продолжительности контактирования сорбента с сорбатом свидетельствует о том, что доминирующим механизмом сорбции является ионный обмен. Качественная оценка параметров сорбции, рассчитанных по уравнениям, и результаты ИК-спектроскопии показали, что ионный обмен осложнен физической адсорбцией, специфическим взаимодействием за счет образования водородных и ионных связей.
Изучение сорбции катионов Cu2+ из водного раствора модифицированной корой в динамическом режиме показало, что при скорости потока 5 см3/мин. величины полной динамической обменной емкости, емкости до «проскока», а также объем очищенного раствора выше до 2 раз по сравнению с показателями, полученными при скорости потока 10 см3/мин. (табл. 2).
Таблица 2. Результаты сорбционного опыта в динамическом режиме
Объемная скорость потока раствора через колонку, см3/мин.
Параметры
5 10
Объем раствора, очищенного в колонке, дм3 9.00 4.50
Точка проскока, мин. 338.35 105.56
Величина рН в точке проскока 2.9 2.93
Точка насыщения, мин. 636.09 565.71
Полная динамическая обменная емкость, мг/г 22.50 11.25
Емкость до проскока, мг/г 4.01 2.50
С увеличением объема раствора, очищенного в колонке, рН фильтрата снижается, что свидетельствует об ионообменном механизме сорбции в динамических условиях. При скорости потока раствора 10 см3/мин. установлено, что содержание катионов Cu2+ в верхнем сечении слоя сорбента относительно высоты этого слоя в колонке выше (13.57 мг/г), чем в последующих секциях (от 10.68 до 5.94 мг/г).
Сравнение сорбционной способности полученных сорбентов с аналогичными применяемыми для очистки сточных вод от катионов металлов показало, что модифицированная кора основных лесообразующих пород Сибири обладает хорошими сорбционными свойствами по отношению к одному и тому же сорбату (табл. 3).
Таблица 3. Сорбционная способность некоторых сорбентов по отношению к катионам Cu2+
Сорбент Se,
мг/г Литература Сульфированная древесина ели (пиридинсульфотриоксидом в органической среде) 6.35 [1]
Кислотный гидролиз рисовой шелухи, 2-стадийный окислительный обжиг (300, 600 С) 6.13 [2]
Модифицированная кора Larix sibirica L., Pinus sylvestris L., Abies sibirica L. 1.7—
9.9
[данная работа]
Модифицированная кора, насыщенная катионами металлов, может подвергаться регенерации до 4 циклов с выделением коммерчески ценных металлов.
Основные выводы:
Перспективным направлением утилизации многотоннажного отхода окорки древесины является химическое модифицирование коры Larix sibirica Ledeb, Pinus sylvestris L. и Abies sibirica L. для получения сорбентов, обладающих катионообменными свойствами.
Из сравнения результатов ИК-спектроскопии и потенциометрического титрования натуральной и модифицированной коры установлено, что в процессе модифицирования в коре происходит увеличение концентрации кислородсодержащих функциональных групп: гидроксильных, карбоксильных, карбонильных.
Сорбционная способность модифицированной коры по отношению к катионам металлов (Cu2+, Zn2+, Co2+, Ca2+) варьирует от 1.70 до 21.30 мг/г в зависимости от типа исходного сырья, продолжительности модифицирования, типа катализатора, рН среды, природы катиона, исходной концентрации катионов в водном растворе. Наиболее эффективным сорбентом является модифицированная кора пихты сибирской. Катионы Zn2+ извлекаются сорбентами из водных растворов в большем количестве, чем катионы Cu2+, Co2+, Ca2+. В присутствии конкурирующих катионов модифицированная кора наиболее эффективно извлекает из водного раствора катионы Zn2+, в меньшей степени — Co2+. В динамическом режиме при скорости потока раствора через колонку 5 и 10 см3/мин. значение полной динамической обменной емкости составляет 22.50 и 11.25 мг/г, а емкости до проскока — 4.01 и 2.50 мг/г соответственно.
Межмолекулярное взаимодействие катионов металлов с активными центрами модифицированной