Дослідження біотехнологічних процесів стимулювання S-живлення рослин продуктом утилізації фосфогіпсу в системах газоочищення

Автор(и)

  • Leonid Plyatsuk Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007, Україна https://orcid.org/0000-0001-7032-1721
  • Yelizaveta Chernysh Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007, Україна https://orcid.org/0000-0003-4103-4306
  • Iryna Ablieieva Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007, Україна https://orcid.org/0000-0002-2333-0024
  • Oksana Burla Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007, Україна https://orcid.org/0000-0001-5810-6164
  • Larysa Hurets Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007, Україна https://orcid.org/0000-0002-2318-4223

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.132240

Ключові слова:

біосірка, утилізація фосфогіпсу, біохімічне газоочищення, біотрансформація сульфурсполук, S-живлення рослин

Анотація

Встановлено раціональний якісний та кількісний склад гранул фосфогіпсу, що використовується у якості завантаження для систем біохімічного очищення газових викидів. Здійснено вивчення зон біотрансформації компонентів фосфогіпсу за допомогою растрової мікроскопії. Досліджено біоплівку, утворену сіркоокисними бактеріями на поверхні гранул, та елементарну сірку – метаболіт, відкладений у процесі окиснення сірководню. Визначено фізико-хімічні властивості біосірки, продукованої у результаті біохімічного газоочищення сульфурвмісних газових потоків у біофільтрах із завантаженням з фосфогіпсу. Проаналізовано моделі метаболічних шляхів сіркоокисних бактерій, що забезпечують окиснення сульфурвмісних сполук до легко доступних для рослин форм з використанням електронних баз даних KEGG database, MetaCyc та EzTaxon database. Визначено біохімічні механізми трансформацій біосірки при залученні її до процесу S-живлення рослин, що дозволить її утилізувати в агроекосистемах. Обґрунтовано комбіновану схему шляхів бактеріального окиснення сульфіду до сульфату. Оцінено видову структуру еколого-трофічних груп мікроорганізмів, що беруть учать в окисленні сірки, серед яких хемолітотрофні бактерії з роду Thiobacillus є домінантними. Розроблено загальну технологічну схему утилізації фосфогіпсу з продукуванням біосірки в системах біохімічного газоочищення. Отримано екологічні ефекти від впровадження запропонованої технологічної системи: видалено домішки (сірководню, вуглекислого газу) із газових викидів; утилізовано відхід хімічної промисловості – відвальний фосфогіпс; вироблено біосірку як продукт, що застосовується для покращення S-живлення в агроекосистемах

Біографії авторів

Leonid Plyatsuk, Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра прикладної екології

Yelizaveta Chernysh, Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007

Кандидат технічних наук

Кафедра прикладної екології

Iryna Ablieieva, Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007

Кандидат технічних наук

Кафедра прикладної екології

Oksana Burla, Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007

Асистент

Кафедра прикладної екології

Larysa Hurets, Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра прикладної екології

Посилання

  1. Lucheta, A. R., Lambais, M. R. (2012). Sulfur in agriculture. Revista Brasileira de Ciência Do Solo, 36 (5), 1369–1379. doi: 10.1590/s0100-06832012000500001
  2. The THIOPAQ O&G: the relabels desulphurization technology. Available at: http://www.paqell.com/thiopaq/aboutthiopaq-o-and-g/
  3. THIOPAQ® Bio-Desulfurization Process. Cameron. Printed in USA, 07/10 TC9814-047 (2010). 2.
  4. Janssen, A. J. H., Ma, S. C., Lens, P., Lettinga, G. (1997). Performance of a sulfide-oxidizing expanded-bed reactor supplied with dissolved oxygen. Biotechnology and Bioengineering, 53 (1), 32–40. doi: 10.1002/(sici)1097-0290(19970105)53:1<32::aid-bit6>3.0.co;2-#
  5. Environmental Technology Verification report. Katec, Inc. Aerosolv®. California Environmental Protection Agency Department of Toxic Substances Control Office of Pollution Prevention and Technology Development Sacramento (1999). California, 54.
  6. Żur, J., Wojcieszyńska, D., Guzik, U. (2016). Metabolic Responses of Bacterial Cells to Immobilization. Molecules, 21 (7), 958. doi: 10.3390/molecules21070958
  7. Park, B.-G., Shin, W.-S., Chung, J.-S. (2008). Simultaneous Biofiltration of H2S, NH3and Toluene using an Inorganic/Polymeric Composite Carrier. Environmental Engineering Research, 13 (1), 19–27. doi: 10.4491/eer.2008.13.1.019
  8. Thomson, T. (2018). Polyurethane immobilization of cells and biomolecules: medical and environmental applications. John Wiley & Sons. doi: 10.1002/9781119264958
  9. Tóth, G., Lövitusz, É., Nemestóthy, N., Bélafi-Bakó, K. (2017). Microbial hydrogen-sulphide elimination in continuous biotrickling reactor by immobilized Thiobacillus thioparus. Environment Protection Engineering, 43 (1), 19–30.
  10. Ishikawa, M., Shigemori, K., Hori, K. (2013). Application of the adhesive bacterionanofiber AtaA to a novel microbial immobilization method for the production of indigo as a model chemical. Biotechnology and Bioengineering, 111 (1), 16–24. doi: 10.1002/bit.25012
  11. Chernysh, Y. Y., Plyatsuk, L. D. (2015). Pat. No. 114664 UA. Method for obtaining a granulated carrier containing immobilized microorganisms. No. а201509035; declareted: 21.09.2015; published: 10.07.2017, Bul. No. 13.
  12. Plyatsuk, L. D., Chernysh, Y. Y. (2016). The Removal of Hydrogen Sulfide in the Biodesulfurization System Using Granulated Phosphogypsum. Eurasian Chemico-Technological Journal, 18 (1), 47. doi: 10.18321/ectj395
  13. Norton, R., Mikkelsen, R., Jensen, T. (2014). The value of sulfur in plant nutrition. Bulletin of the International Institute of Plant Nutrition: Plant nutrition, 3, 2–5.
  14. Beinart, R. A., Gartman, A., Sanders, J. G., Luther, G. W., Girguis, P. R. (2015). The uptake and excretion of partially oxidized sulfur expands the repertoire of energy resources metabolized by hydrothermal vent symbioses. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 282 (1806), 20142811–20142811. doi: 10.1098/rspb.2014.2811
  15. Guo, W., Zhang, H., Zhou, W., Wang, Y., Zhou, H., Chen, X. (2016). Sulfur Metabolism Pathways in Sulfobacillus acidophilus TPY, A Gram-Positive Moderate Thermoacidophile from a Hydrothermal Vent. Frontiers in Microbiology, 7. doi: 10.3389/fmicb.2016.01861
  16. Gregersen, L. H., Bryant, D. A., Frigaard, N.-U. (2011). Mechanisms and Evolution of Oxidative Sulfur Metabolism in Green Sulfur Bacteria. Frontiers in Microbiology, 2. doi: 10.3389/fmicb.2011.00116
  17. Holkenbrink, C., Barbas, S. O., Mellerup, A., Otaki, H., Frigaard, N.-U. (2011). Sulfur globule oxidation in green sulfur bacteria is dependent on the dissimilatory sulfite reductase system. Microbiology, 157 (4), 1229–1239. doi: 10.1099/mic.0.044669-0
  18. Grabarczyk, D. B., Chappell, P. E., Eisel, B., Johnson, S., Lea, S. M., Berks, B. C. (2015). Mechanism of Thiosulfate Oxidation in the SoxA Family of Cysteine-ligated Cytochromes. Journal of Biological Chemistry, 290 (14), 9209–9221. doi: 10.1074/jbc.m114.618025
  19. Mangold, S., Valdés, J., Holmes, D. S., Dopson, M. (2011). Sulfur Metabolism in the Extreme Acidophile Acidithiobacillus Caldus. Frontiers in Microbiology, 2. doi: 10.3389/fmicb.2011.00017
  20. Ghosh, W., Dam, B. (2009). Biochemistry and molecular biology of lithotrophic sulfur oxidation by taxonomically and ecologically diverse bacteria and archaea. FEMS Microbiology Reviews, 33 (6), 999–1043. doi: 10.1111/j.1574-6976.2009.00187.x
  21. Siefers, A. M. (2010). A novel and cost-effective hydrogen sulfide removal technology using tire derived rubber particles. Iowa State University, 93. Available at: https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2291&context=etd
  22. Ramírez, M., Gómez, J. M., Aroca, G., Cantero, D. (2009). Removal of hydrogen sulfide by immobilized Thiobacillus thioparus in a biotrickling filter packed with polyurethane foam. Bioresource Technology, 100 (21), 4989–4995. doi: 10.1016/j.biortech.2009.05.022
  23. Ravichandra, P., Mugeraya, G., Gangagni Rao, A., Ramakrishna, M., Jetty, A. (2007). Isolation of Thiobacillus sp from aerobic sludge of distillery and dairy effluent treatment plants and its sulfide oxidation activity at different concentrations. Journal of Environmental Biology, 28 (4), 819–823.
  24. Chernish, Y. (2016). Opportunity of Biochemical Process for Phosphogypsum Utilization. The Journal of Solid Waste Technology and Management, 42 (2), 108–115. doi: 10.5276/jswtm.2016.108
  25. Grabarczyk, D. B., Berks, B. C. (2017). Intermediates in the Sox sulfur oxidation pathway are bound to a sulfane conjugate of the carrier protein SoxYZ. PLOS ONE, 12 (3), e0173395. doi: 10.1371/journal.pone.0173395
  26. Valdés, J., Pedroso, I., Quatrini, R., Dodson, R. J., Tettelin, H., Blake, R. et. al. (2008). Acidithiobacillus ferrooxidans metabolism: from genome sequence to industrial applications. BMC Genomics, 9 (1), 597. doi: 10.1186/1471-2164-9-597
  27. Campodonico, M. A., Vaisman, D., Castro, J. F., Razmilic, V., Mercado, F., Andrews, B. A. et. al. (2016). Acidithiobacillus ferrooxidans's comprehensive model driven analysis of the electron transfer metabolism and synthetic strain design for biomining applications. Metabolic Engineering Communications, 3, 84–96. doi: 10.1016/j.meteno.2016.03.003
  28. Osorio, H., Mangold, S., Denis, Y., Ñancucheo, I., Esparza, M., Johnson, D. B. et. al. (2013). Anaerobic Sulfur Metabolism Coupled to Dissimilatory Iron Reduction in the Extremophile Acidithiobacillus ferrooxidans. Applied and Environmental Microbiology, 79 (7), 2172–2181. doi: 10.1128/aem.03057-12
  29. Valdés, J., Pedroso, I., Quatrini, R., Holmes, D. S. (2008). Comparative genome analysis of Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans and A. caldus: Insights into their metabolism and ecophysiology. Hydrometallurgy, 94 (1-4), 180–184. doi: 10.1016/j.hydromet.2008.05.039
  30. Saito, K. (2004). Sulfur Assimilatory Metabolism. The Long and Smelling Road. Plant Physiology, 136 (1), 2443–2450. doi: 10.1104/pp.104.046755

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-05-25

Як цитувати

Plyatsuk, L., Chernysh, Y., Ablieieva, I., Burla, O., & Hurets, L. (2018). Дослідження біотехнологічних процесів стимулювання S-живлення рослин продуктом утилізації фосфогіпсу в системах газоочищення. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(10 (93), 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.132240

Номер

Том 3 № 10 (93) (2018): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Leonid Plyatsuk, Yelizaveta Chernysh, Iryna Ablieieva, Oksana Burla, Larysa Hurets

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.