Mnohé priemyselné odvetvia spracúvajú alebo používajú rôzne zlúčeniny ortuti, chrómu, kadmia, zinku, olova, medi, niklu, arzénu a iných látok, čo vedie k znečisťovaniu odpadových vôd. Na odstraňovanie týchto látok z odpadových vôd sú v súčasnosti najbežnejšie reagenčné spôsoby čistenia, ktorých podstatou je premena vo vode rozpustných látok na nerozpustné látky pridávaním rôznych činidiel s následnou ich separáciou z vody formou zrážania. Nevýhodou reagenčných metód čistenia je nenávratná strata cenných látok zrážaním.

Ako činidlá na odstraňovanie iónov ťažkých kovov z odpadových vôd sa používajú hydroxidy vápenaté a sodné, uhličitan sodný, sulfidy sodné a rôzne odpady, napríklad ferochrómová troska, ktorá obsahuje (v %):

Ca - 51,3; MgO - 9,2; Si02 - 27,4; Cr203 - 4,13; Al203 - 7,2, Fe02 - 0,73.

Najpoužívanejší je hydroxid vápenatý. Zrážanie kovov prebieha vo forme hydroxidov. Proces sa uskutočňuje pri rôznych hodnotách pH.

Hodnoty pH zodpovedajúce začiatku zrážania hydroxidov rôznych kovov a úplnému zrážaniu (tabuľka 1.10) závisia od povahy kovov, ich koncentrácie v roztoku, teploty a obsahu nečistôt. Napríklad pri spoločnom vyzrážaní dvoch alebo viacerých kovových iónov pri pH = konštantná; dosahujú sa lepšie výsledky ako pri nanášaní každého z kovov samostatne. V tomto prípade sa tvoria zmiešané kryštály a kovové ióny sa adsorbujú na povrchu tuhej fázy, čím sa dosiahne úplnejšie čistenie od niektorých kovov.

Tabuľka 1.10

Hodnoty pH počas zrážania hydroxidov kovov

* Pri počiatočnej koncentrácii uloženého iónu 0,01 mol/l.

**Hodnoty pH zodpovedajú zvyškovej koncentrácii kovu 10 mol/l.

Čistenie zlúčenín ortuti. Odpadová voda kontaminovaná ortuťou a jej zlúčeninami vzniká pri výrobe chlóru a lúhu sodného, ​​pri iných procesoch elektrolýzy s použitím ortuťových elektród, v závodoch na výrobu ortuti, v niektorých odvetviach galvanizácie, pri výrobe farbív, uhľovodíkov a v podnikoch využívajúcich ortuť ako katalyzátor.

Priemyselná odpadová voda môže obsahovať kovovú ortuť, anorganické a organické zlúčeniny ortuti. Anorganické zlúčeniny ortuti: oxid - HgO, chlorid (chlorid ortutnatý) - HgC12, síran - HgSO4, sulfid (cinnabar) - HgS, dusičnan - Hg (NO3) 2, kyanid - Hg (NCS) 2, tiokyanát - Hg (OCN) 2 , kyanát - Hg(OCN)2. V anorganických zlúčeninách sú toxické hlavne ióny Hg2+, preto sú najnebezpečnejšie vysoko rozpustné a ľahko disociovateľné soli.

Organické zlúčeniny ortuti sa používajú pri konzervácii dreva, pri syntéze organokovových zlúčenín, ako pesticídy, na ochranu plastových materiálov, papieroviny a textílií, kazeínových lepidiel pred plesňami. Organické zlúčeniny ortuti sú veľmi toxické a od anorganických solí sa líšia tým, že nereagujú na ióny Hg. V nádržiach sa ortuť pod vplyvom organických zlúčenín obsiahnutých v prírodných vodách mení na vysoko toxické zlúčeniny. Maximálna prípustná koncentrácia ortuti vo vodných útvaroch je 0,005 mg/l.

Kovovú ortuť možno z odpadových vôd odstrániť sedimentačnými alebo filtračnými procesmi. Častice, ktoré prešli s filtrátom alebo sa nestihli usadiť, sa oxidujú chlórom alebo NaOCl na HgCl2. Na vodu sa potom pôsobí redukčným činidlom (NaHS04 alebo Na2S03), aby sa odstránili a naviazali voľné zvyšky chlóru. Ortuť sa vyzráža sulfidom sodným, po čom nasleduje koagulácia výsledného sulfidu ortuti chloridom železitým. Čistenie sa môže uskutočniť pomocou zmiešanej soli - sulfidu železa a síranu bárnatého.

Na izoláciu ortuti z odpadových vôd sa používajú metódy získavania: sulfid železa, hydrosulfid sodný, hydrazín, železný prášok, plynný sírovodík atď. Sorpčné metódy na odstraňovanie ortuti sú široko študované. Veľmi účinná je iónová výmena vinylpyridínovými sorbentmi, ktorých kapacita dosahuje 40%. Najbežnejším spôsobom odstránenia vo vode rozpustných zlúčenín ortuti je ich premena na ťažko rozpustný sulfid ortuti a jeho vyzrážanie.

Súčin rozpustnosti HgS vo vode je 1,6-10-20, čo zodpovedá zvyškovej koncentrácii v roztoku 2,5-10-21 mg/l. Na vyzrážanie Hg v odpadovej vode sa najskôr pridá sulfid sodný, hydrosulfid sodný alebo sírovodík. Potom sa voda upraví sodíkom, draslíkom, horčíkom, chloridmi vápenatými alebo siričitanom horečnatým v množstve 0,1 g/l. Za týchto podmienok sa sulfid ortuťový vyzráža vo forme granúl. Na odstránenie jemne rozptýlených koloidných častíc sulfidu ortuťového je vhodné pridať koagulanty Al(SO4)3∙18H2O, FeSO4∙7H2O atď.

Zrazenina sulfidu ortutnatého sa oddeľuje z odpadovej vody na vákuových filtroch alebo kalolisoch. Separáciu HgS na zvyškovú koncentráciu 0,001 mg/l je možné dosiahnuť aj na uhlíkových filtroch. Vyhorené uhlie obsahujúce sulfid ortuti sa spaľuje v peci alebo sa spracuje na získanie ortuti. Na odstránenie zlúčenín ortuti z roztokov možno použiť aj čerstvo vyzrážaný sulfid železa, ktorý sa získa interakciou iónov S2– alebo FeSO4∙7H2O, FeCl3∙6H2O. Na čistenie možno použiť aj zmes sulfidu železa so síranom bárnatým s nadbytkom sulfidu železa. Rozpustené anorganické zlúčeniny ortuti možno redukovať na kovovú ortuť a následne izolovať z vody.

Na čistenie odpadových vôd z anorganických zlúčenín ortuti možno okrem sedimentačných metód použiť aj sorpčné metódy.

Bol študovaný proces tvorby ortuťového amalgámu v elektrickom poli. Spôsob je vhodný na čistenie odpadových vôd s obsahom od 0,01 do 100 mg/l zlúčenín ortuti. Pri tomto procese sa odpadová voda filtruje cez vrstvy sklenených guľôčok potiahnutých meďou alebo zinkom. Guľôčky sú katódou a vonkajším telom prístroja je anóda. Pri regenerácii filtračnej záťaže sú elektródy obrátené.

Organické zlúčeniny ortuti sa najskôr zničia oxidáciou, ako napríklad plynný chlór. Po odstránení prebytočného chlóru sa katióny ortuti redukujú na kovové alebo sa prenesú na ťažko rozpustné sulfidy, po čom nasleduje odstránenie zrazeniny.

Čistenie zlúčenín zinku, medi, niklu, olova, kadmia, kobaltu. Soli týchto kovov sú obsiahnuté v odpadových vodách banských a spracovateľských závodov, hutníckych, strojárskych, kovospracujúcich, chemických, chemicko-farmaceutických, náterových, textilných a iných závodov.

Pri úprave kyslých vôd oxidom vápenatým a hydroxidom sodným sa ióny týchto ťažkých kovov obsiahnutých v odpadových vodách viažu do ťažko rozpustných zlúčenín. Zloženie solí závisí od pH média. Takže pri pH = 7 sa vyzráža hydroxid síran zinočnatý so zložením ZnSO4∙3Zn(OH)2 a so zvýšením pH na 8,8 zloženie zrazeniny zodpovedá vzorcu ZnSO4∙5Zn(OH)2. V silne alkalickom prostredí je tuhá fáza hlavne hydroxid.

Pri úprave odpadových vôd obsahujúcich soli zinku hydroxidom sodným sa musí dávkovanie činidla vykonávať pod prísnou kontrolou pH upravovaného odpadu, aby sa nevytvorili podmienky na rozpúšťanie amfotérnych hydroxidov. Izolácia katiónov Zn2+ alkáliami je založená na ich premene na ťažko rozpustný hydroxid zinočnatý:

Súčin rozpustnosti hydroxidu zinočnatého je 7,1

1018, začiatok zrážok zodpovedá pH = 5,4. Pri pH = 10,5 začína rozpúšťanie amfotérnych hydroxidov zinočnatých a po dosiahnutí pH = 12 sa vytvára komplex:

Na základe toho by sa čistenie malo vykonávať pri pH = 8-9. Za týchto podmienok dochádza k maximálnemu vyzrážaniu hydroxidu zinočnatého.

Pôsobením sódy na odpadovú vodu obsahujúcu soli zinku vznikajú hydroxokarbonáty:

Pri hodnotách pH od 7 do 9,5 sa tvorí zásaditý uhličitan kompozície, od pH = 10 sa zvyšuje podiel hydroxidu.

Aj keď zrážanie zásaditých uhličitanov začína pri nižších hodnotách pH ako zodpovedajúce hydroxidy, spotreba sódy na zrážanie je vyššia ako pri použití hydroxidu sodného alebo vápna. To sa vysvetľuje skutočnosťou, že počas zrážania ťažkých kovov pomocou sódy proces prechádza fázou tvorby uhľovodíkov a na dokončenie reakcie je potrebný nadbytok činidla.

Uvoľňovanie oxidu uhličitého v dôsledku zrážania sódy vedie k tomu, že plynové bubliny obklopujú častice sedimentu a zdvíhajú ich, čo prispieva k vzostupu časti sedimentu v usadzovacích nádržiach. Plyn sa musí odstrániť prepláchnutím vzduchom po dosiahnutí pH = 4,5.

Nevýhody hydroxidu sodného a sódy ako činidiel by tiež mali zahŕňať ich relatívne vysoké náklady a nedostatok.

Čistenie odpadových vôd z medi je spojené s jej vyzrážaním vo forme hydroxidu alebo hydroxidu uhličitanu:

K zrážaniu hydroxidu meďnatého dochádza pri pH = 5,3.

Rozpustnosť hydroxyuhličitanu meďnatého je zanedbateľná, preto je najvýhodnejšie zrážať meď ako zásaditý uhličitan. Na to je potrebné mať v roztoku neutralizačného činidla hydroxidové aj uhličitanové ióny. Preto je použitie iba alkálií alebo vápna najvyššej kvality, ktoré poskytuje hydroxidové ióny, na zrážanie medi nepraktické. Najlepším činidlom na čistenie odpadových vôd z katiónov medi je vápno triedy III obsahujúce „podhorenie“ (CaCO3).

Je možný proces extrakcie medi z odpadových vôd zrážaním ferokyanidom draselným. Toto činidlo sa môže použiť aj na zrážanie iných iónov ťažkých kovov.

Na odstránenie medi a kadmia z odpadových vôd bol vyvinutý proces ich kontaktovania s oxidom siričitým alebo siričitanmi a práškovým kovom, ako je zinok alebo železo. V tomto prípade kov redukuje siričitany na sulfidy, ktoré tvoria s ťažkými kovmi ťažko rozpustné sulfidy. Pri pH = 2 a teplote odpadovej vody 50 0C, pri ktorej proces prebieha, sa dosahuje vysoký stupeň čistenia.

Čistenie odpadovej vody od niklu je založené na jej oddelení od roztoku vo forme ťažko rozpustných zlúčenín:

Zrážanie hydroxidu nikelnatého začína pri pH = 6,7. Produkt rozpustnosti Ni(OH)2 je 2,0-10-18. Čo sa týka medi, koncentrácia katiónov niklu je extrémne závislá od pH: pri pH = 8,0 je to 23,5 mg/l a pri pH = 9,5 len 0,5 mg/l. Produkt rozpustnosti uhličitanu nikelnatého je vyšší ako produkt hydroxidu nikelnatého a rovná sa 6,6-10–9. Rozpustnosť hydroxidu uhličitanu nikelnatého je prakticky nulová, preto by sa na čo najkompletnejšie odstránenie niklu malo použiť vápno III. triedy obsahujúce CaCO3 (rovnako ako meď).

Katióny olova v roztoku sa vyzrážajú vo forme jednej z troch ťažko rozpustných zlúčenín:

Začiatok zrážania hydroxidu olovnatého zodpovedá pH = 6,0. Súčin jeho rozpustnosti je 1,1 10–20, uhličitanu olovnatého 1,0–10–13. Zásaditý uhličitan olovnatý je nerozpustný vo vode. Prezentované údaje ukazujú, že všetky tri metódy sú použiteľné na odstránenie elektródy. Najlacnejšou z nich je výroba uhličitanu olovnatého s použitím vápenca, kriedy a mramoru ako zrážadla. Vzhľadom na to, že ide o pevné minerálne horniny, môžu byť použité ako filtračná náplň, cez ktorú sa filtrujú čistené odpadové vody.

Hoci odpadová voda zvyčajne obsahuje niekoľko katiónov kovov, nie je možné použiť špecifickú zrážaciu metódu na odstránenie každého z nich. Preto sa odpadová voda zvyčajne upravuje hydroxidom vápenatým (vápenným mliekom), pripraveným z vápna III. v tomto prípade dochádza súčasne k vyzrážaniu katiónov ťažkých kovov vo forme hydroxolov, hydroxidov a uhličitanov. Zistilo sa, že pri spoločnom nanášaní viacerých kovov sa dosahujú lepšie výsledky ako pri nanášaní každého z kovov samostatne. Je to spôsobené tvorbou zmiešaných kryštálov a adsorpciou kovových iónov na povrchu tuhej fázy.

Na zvýšenie stupňa čistenia odpadových vôd s obsahom ťažkých kovov sa navrhuje po vyzrážaní ich hydroxidov vápnom pri pH - 8,5 a oddelení zrazeniny privádzať do vyčistenej odpadovej vody roztok v množstve 5-30x vyššom ako stechiometrická norma. Po oddelení kalu sa odpadová voda s nízkym obsahom iónov ťažkých kovov môže vrátiť do cirkulačného vodovodného systému.

Čistenie odpadových vôd alkalickými činidlami umožňuje znížiť obsah ťažkých kovov v roztoku na hodnoty porovnateľné s MPC pre sanitárne vodné útvary. Ak je však potrebné hlbšie čistenie, napríklad pri priamom vypúšťaní do rybárskych vôd, čistenie alkalickými činidlami neposkytuje požadovaný účinok.

Hlbšie čistenie od ťažkých kovov sa dosahuje úpravou odpadových vôd sulfidom sodným. Je to spôsobené tým, že rozpustnosť sulfidov ťažkých kovov je oveľa nižšia ako rozpustnosť akýchkoľvek iných ťažko rozpustných zlúčenín - hydroxidov a uhličitanov.

Pyrit sa môže použiť na odstránenie malých množstiev iónov ťažkých kovov. Proces sa môže uskutočniť filtráciou odpadovej vody cez granulovaný pyrit alebo priamym zavedením prášku do odpadovej vody. Okrem pyritu možno na tento účel použiť akýkoľvek iný netoxický sulfid kovu, ktorého súčin rozpustnosti je väčší ako súčin rozpustnosti sulfidu kovu extrahovaného z odpadovej vody.

Keďže hydroxidy a sulfidy ťažkých kovov tvoria stabilné koloidné systémy, pre zintenzívnenie procesu ich usadzovania v odpadových vodách je potrebné zaviesť koagulanty a flokulanty. Koloidné častice sulfidov majú záporný náboj, preto sa na koaguláciu sulfidov používajú elektrolyty s viacnásobne nabitými katiónmi - zvyčajne sírany hliníka alebo železitého. Pri koagulácii hydroxidov je potrebný elektrolyt s viacnásobne nabitými aniónmi, pretože koloidné častice sú kladne nabité. Síranové ióny sú dobré koagulanty hydroxidov. Okrem koagulácie elektrolytov sa v praxi často používa vzájomná koagulácia koloidných roztokov s opačným nábojom častíc. Na urýchlenie koagulačného procesu sa používajú flokulanty, hlavne polyakrylamid. Jeho pridanie v množstve 0,01 % hmotnosti sušiny zvyšuje rýchlosť zrážania hydroxidov kovov 2-3 krát.

Schéma chemického čistenia odpadových vôd od iónov ťažkých kovov so zrážacou separáciou je na obr. 1,59.

Nevýhodou tejto úpravy je tvorba veľkého množstva ťažko dehydratovateľného kalu. Okrem toho vyčistená voda obsahuje veľké množstvo vápenatých solí, takže je ťažké ju použiť v zásobovaní cirkulujúcou vodou. Na základe toho sa navrhuje upraviť odtok po usadzovaní postupne chloridom vápenatým a sódou. V tomto prípade dochádza k spoločnému zrážaniu uhličitanov kovov s uhličitanom vápenatým. Výsledné kryštalické zrazeniny uhličitanov kovov majú malý objem a ľahko sa dehydratujú. Zároveň dochádza k zmäkčovaniu vody, čo umožňuje jej využitie v obehovom vodovodnom systéme.

Čistenie zlúčenín arzénu. Maximálna prípustná koncentrácia arzénu vo vodných útvaroch je 0,05 mg/l. Na čistenie odpadových vôd z arzénu sa používajú reagenčné, sorpčné, elektrochemické, extrakčné a iné metódy. Výber metódy závisí od formy rozpusteného arzénu, zloženia, kyslosti a ďalších ukazovateľov vody.

Na čistenie veľkých objemov vody s vysokým obsahom arzénu našiel praktické uplatnenie spôsob jej chemického zrážania vo forme ťažko rozpustných zlúčenín (arzeničitany a arzenitany alkalických zemín a ťažkých kovov, sulfidy a oxid arzenitý).

Vápenné mlieko sa široko používa na odstránenie zlúčenín arzénu obsahujúcich kyslík. V tomto prípade sa v závislosti od zloženia odpadovej vody a podmienok čistenia (pH, teplota, spotreba činidla) zrážajú arzenáty a arzenitany rôzneho zloženia. Prítomnosť iónov ťažkých kovov v odpadových vodách zvyšuje stupeň čistenia od arzénu, pretože. dochádza k zrážaniu arzeničitanov a arzenitanov týchto kovov.

Zo silne kyslých roztokov sa arzén zráža sulfidom sodným, sírovodíkom. Čistenie sulfidovo-alkalickej odpadovej vody z arzénu, ktorý je súčasťou aniónov tiosolí, sa vykonáva síranom železnatým (síran železnatý).

Zlúčeniny päťmocného arzénu sa z odpadových vôd odstraňujú lepšie ako trojmocné. Skladovanie sedimentov s obsahom päťmocného arzénu je navyše lacnejšie, pretože je menej toxický a menej rozpustný. Na základe toho sa zlúčeniny trojmocného arzénu pred zrážaním oxidujú na päťmocný arzén. Ako oxidačné činidlá sa používajú bielidlá, chlór, chlórnanová buničina, peroxid vodíka, kyselina dusičná, ozón, pyroluzit atď.

Pyroluzit, prírodný materiál pozostávajúci hlavne z oxidu manganičitého, sa široko používa na oxidáciu trojmocného arzénu. V kyslom prostredí proces prebieha nasledovne:

Optimálny oxidačný režim: spotreba MnO2 je štvornásobná oproti stechiometrickej, kyslosť roztoku 30-40 g/l kyseliny sírovej, teplota 70-80 0С, doba oxidácie 3 hodiny.

Po oxidácii arzénu sa vyzráža vo forme arzenitu mangánu neutralizáciou hydroxidom vápenatým (vápenným mliekom) na pH = 6-9. Sediment sa potom prefiltruje a pochová vo vodotesných priekopách.

Odtok s nízkou koncentráciou arzénu sa oxiduje filtráciou vody cez vrstvu pyrolusitu. Zrážanie sa uskutočňuje vápenným mliekom v prítomnosti fosforečnanových iónov.

Okrem oxidačnej schopnosti má pyrolusit aj sorpčné vlastnosti. Hodnota jeho sorpčnej kapacity pre trojmocný a päťmocný arzén je 12,6 a 29,9 mg/l. So zvyšovaním pH roztoku klesá množstvo sorbovaného arzénu na pyrolusite a jeho oxidačná schopnosť. V kyslom prostredí (pH< 1) сорбционная способность падает, а окислительная возрастает.

Ostatné katióny a anióny prítomné v odpadovej vode, sorbované na pyrolusite, zhoršujú jej oxidačnú schopnosť.

Oxidačná schopnosť oxidu manganičitého postupne klesá v dôsledku sorpcie a zanášania povrchu zŕn pyrolusitu. Na aktiváciu sa pyroluzit spracuje koncentrovanou kyselinou sírovou alebo hydroxidom sodným. Kyselina menej desorbuje arzén, ale úplnejšie rozpúšťa kal vytvorený na povrchu pyrolusitu.

Čistenie od solí železa. V prírodných vodách sa obsah železa pohybuje od 0,01 do 26 mg/l. Okrem toho sa železo nachádza v odpadových vodách z chemického, hutníckeho, strojárskeho, kovospracujúceho, petrochemického, textilného, ​​chemicko-farmaceutického priemyslu a iných odvetví. Keď je obsah železa vyšší ako 1 mg/l, voda zhnedne. Keď sa takáto voda pohybuje potrubím, na ich stenách sa ukladajú zlúčeniny železa a železných baktérií, čím sa zmenšuje prierez potrubia.

V nádržiach je MPC solí železa v prepočte na Pe2+ 0,5 mg/l. Zároveň v niektorých priemyselných odvetviach by technologická voda a voda v obehu nemala obsahovať viac ako 0,05 mg/l zlúčenín železa, napríklad pri výrobe kaprónu, nylonu, celofánu, prírodného a viskózového hodvábu, filmu, elektroniky, atď. polovodiče atď. Pre tieto priemyselné odvetvia je potrebné hlboké čistenie prírodných a odpadových vôd od zlúčenín železa.

Na odstránenie železa z vody sa používa prevzdušňovanie, reagenčné metódy, elektrodialýza, adsorpcia a reverzná osmóza.

V procese prevzdušňovania sa železité železo oxiduje na železité železo. Oxidačná reakcia vo vodnom roztoku prebieha podľa schémy:

Alebo celkovo:

V prítomnosti hydrokarbonátových iónov vo vode prebieha oxidácia železitého železa a hydrolýza železitého železa podľa reakcie:

Oxidáciou 1 mg železnatého železa sa spotrebuje 0,143 mg kyslíka. Aby sa zabezpečila vysoká rýchlosť chemickej reakcie, obsah kyslíka vo vode by mal byť 0,5-0,9 mg na 1 mg železa.

Proces prevzdušňovania prebieha vo ventilačnej chladiacej veži. V prípade, že je potrebné obohatiť vodu kyslíkom a odstrániť časť voľného oxidu uhoľnatého, používajú sa chladiace veže s akordovou tryskou, čo sú doskové štíty. Pre hrubý odhad veľkosti chladiacej veže možno vychádzať z nasledovného: spotreba vody na 1 m2 plochy chladiacej veže 40 mg, spotreba vzduchu 7 mg vody. Použitie inej trysky je nepraktické, pretože. môže dôjsť k upchatiu zlúčeninami železa.

Po prevzdušnení je potrebné oddeliť zrazeninu hydroxidu železitého. Na tento účel sa používajú sedimentačné a filtračné procesy. Zrazeninu hydroxidu železitého možno použiť na prípravu farieb alebo na čistenie plynov zo sírovodíka.

V procese zrážania hydroxidu železa sa zrazenina amfotérneho Fe(OH)3 zhutňuje na hematit Fe2O3: 2Fe(OH)3= Fe2O3+3H2O.

Pri vysokom obsahu železa vo vode sa nedá úplne odstrániť metódou prevzdušňovania, preto sa používajú reagenčné metódy. Na tento účel sa používa chlór, chlorečnan vápenatý (chlór), manganistan draselný, ozón, oxid vápenatý (vápno), uhličitan sodný (sóda) atď.. Činidlá sa dávkujú do vody pred odkalovačmi alebo usadzovacími nádržami.

Pri interakcii s chlórom dochádza k nasledujúcej reakcii:

Rýchlosť tejto reakcie sa zvyšuje so zvyšujúcim sa pH. Oxidáciou 1 mg železnatého železa sa spotrebuje 0,64 mg Cl;. V prípade použitia chlorečnanu vápenatého sa používa vo forme 1-2% roztoku, ktorý sa dávkuje priamo do odpadových vôd. Oxidácia dvojmocného železa manganistanom draselným prebieha podľa rovnice:

Ak je železo obsiahnuté vo vode vo forme organických zlúčenín alebo koloidných častíc, využíva sa ozonizácia. Na 1 hmotnostný diel železa je zároveň potrebný 1 hmotnostný diel ozónu.

Čistenie zlúčenín mangánu. Zlúčeniny mangánu sa nachádzajú v odpadových vodách z hutníckeho, strojárskeho a chemického priemyslu. Pri koncentrácii mangánu viac ako 0,05 mg / l voda stmavne. Niektoré priemyselné odvetvia kladú prísne požiadavky na obsah mangánu vo vode (papier, textil, kopírovanie filmov, syntetické vlákna, plasty).

Odstránenie mangánu z vody je možné dosiahnuť nasledujúcimi spôsobmi:

1. úprava vody manganistanom draselným;
2. prevzdušňovanie kombinované s vápnom;
3. filtrovanie vody cez mangánový piesok alebo mangánový katex;
4. oxidácia ozónom, chlórom alebo oxidom chloričitým.

Pri úprave vody manganistanom draselným sa dosiahne súčasné čistenie od mangánu a železa. Manganistan draselný sa oxiduje za vzniku mierne rozpustného oxidu manganičitého:

Pri tomto procese 1 mg KMnO4 oxiduje 0,53 mg Mn+. Najväčší účinok sa dosiahne pri úprave vody dávkou 2 mg KMnO4 na 1 mg. Zrazenina oxidu manganičitého sa odstráni filtráciou.

Využíva sa odstraňovanie mangánu prevzdušňovaním s alkalizáciou vody so súčasnou prítomnosťou mangánu a železa v nej. Pri prevzdušňovaní vody sa odstraňuje časť oxidu uhličitého a je nasýtená vzdušným kyslíkom. S odstraňovaním CO2 sa zvyšuje pH odpadovej vody, čo prispieva k urýchleniu procesov oxidácie a hydrolýzy železa a čiastočne mangánu za tvorby hydroxidov.

Dvojmocný mangán sa pomaly oxiduje na troj- a štvormocný kyslík rozpustený vo vode. K oxidácii mangánu dochádza pri pH = 9-9,5. Výsledný hydroxid mangánu sa vyzráža vo forme Mn(OH)3 a Mn(OH)4. Rozpustnosť týchto zlúčenín je 0,01 mg/l, výsledný Mn(OH)4 sa opäť zúčastňuje procesu a je katalyzátorom oxidácie mangánu.

Pri pH = 9,5 sa mangán takmer úplne odstráni pri pH< 7,5 кислородом воздуха он почти не окисляется. Для ускорения процесса окисления марганца воду после аэрации до подачи на фильтры подщелачивают известью или содой для повышения рН, затем осветляют в осветлителях или отстойниках. Процесс окисления Мn2+ резко ускоряется, если аэрированную воду фильтруют через контактный фильтр, загруженный дробленым пиролюзитом (MnO2∙H2O) либо кварцевым песком, предварительно обработанным оксидами марганца.

Dvojmocný mangán možno z vody odstrániť oxidáciou chlórom, ozónom alebo oxidom chloričitým. Rýchlosť oxidácie Mn chlórom závisí od pH média. Pri pH = 7 sa iba 50 % Mn2+ zoxiduje za 60–90 minút. Pri alkalizácii vápnom na pH = 8 sa Mn takmer úplne oxiduje. Spotreba Cl2 na oxidáciu 1 mg Mn je 1,3 mg. V prítomnosti amónnych solí vo vode sa zvyšuje spotreba chlóru.

Oxid chloričitý a ozón pri pH=6,5-7 oxidujú Mn2+ za 10-15 minút. Pri oxidácii 1 mg Mn2 sa spotrebuje 1,35 mg ClO2 alebo 1,45 mg O3. Použitie týchto oxidantov však vyžaduje výstavbu zložitých inštalácií, takže sa prakticky nepoužívajú.

Mangán možno z vody odstrániť biochemickou oxidáciou. Proces sa uskutočňuje nasledovne. Na filtračnom piesku je zasiaty špeciálny druh baktérií pohlcujúcich mangán, ktoré pri svojej životnej činnosti absorbujú mangán z vody. Odumierajúce baktérie vytvárajú na zrnkách piesku poréznu hmotu s vysokým obsahom oxidu mangánu, ktorý slúži ako katalyzátor oxidačného procesu.

Mangán možno z vody odstrániť pomocou mangánového katexu, ktorý sa pripravuje prechodom roztokov chloridu mangánu a manganistanu draselného cez akýkoľvek katex vo forme sodíka. V tomto prípade dochádza k nasledujúcim reakciám:

kde Me je katión Na+ alebo K+.

Pri týchto procesoch manganistan draselný oxiduje mangán za vzniku oxidov mangánu, ktoré sa ukladajú vo forme filmu na povrchu katiónových zŕn. Počas regenerácie sa film obnoví roztokom manganistanu draselného.

Z uvažovaných metód je najúčinnejšia liečba manganistanom draselným. Nevyžaduje sofistikované vybavenie a jednoducho sa ovláda.

Kovové ióny s premenlivou mocnosťou (Fe2+, Cu+, Mo3+ atď.) zohrávajú v živých organizmoch dvojakú úlohu: na jednej strane sú nevyhnutnými kofaktormi pre obrovské množstvo enzýmov a na druhej strane predstavujú hrozbu bunkový život, pretože v ich prítomnosti vznikajú vysoko reaktívne hydroxylové a alkoxy radikály:

H202 + Me "n> OH'+ OH" + Me (n + |) +

RUN + Muži+ > 10* + OH" + Ja(n+|>+.

Preto chelátové zlúčeniny (z gréckeho „chelát“ – „krabie pazúry“), ktoré viažu ióny kovov rôznej mocnosti (feritín, hemosiderín, transferíny; ceruloplazmín; kyseliny mliečne a močové; niektoré peptidy) a tým zabraňujú ich zapojeniu do reakcií rozkladu peroxidu je dôležitou súčasťou antioxidačnej obranyschopnosti organizmu. Predpokladá sa, že chelátory sú hlavné pri ochrane sérových proteínov a bunkových receptorov pred oxidáciou, keďže v medzibunkových tekutinách nedochádza k enzymatickému rozkladu peroxidov, ktoré dobre prenikajú cez bunkové membrány, alebo je ich značne oslabený. O vysokej spoľahlivosti sekvestrácie variabilných valenčných iónov kovov pomocou chelatačných zlúčenín svedčí skutočnosť, ktorú odhalila skupina Thomasa V. O'Hallorana (ako model boli použité kvasinkové bunky), že koncentrácia voľných * iónov medi v cytoplazme nepresahuje 10 - 18 M - to je o mnoho rádov menej ako 1 atóm Cu na bunku.

Okrem „profesionálnych“ chelátorov s vysokou schopnosťou viazať ióny existujú takzvané „chelátory železa aktivované oxidačným stresom“ . Afinita týchto zlúčenín k železu je relatívne nízka, no v podmienkach oxidačného stresu sú miestne špecificky oxidované, čím sa menia na molekuly so silnou schopnosťou viazať železo. Predpokladá sa, že tento proces lokálnej aktivácie minimalizuje potenciálnu toxicitu v tele „silných chelátorov“, ktoré môžu interferovať s metabolizmom železa. Niektoré chelátory, ako sú metalotioneíny, v organizmoch cicavcov viažu atómy ťažkých kovov (Hn, Cb, III,...) a podieľajú sa na ich detoxikácii.

Viac k téme CHELÁTORY IÓNOV KOVOV VARIABILNEJ VALENCIE:

1. NovikA. A., Ionova T.I.. Pokyny pre štúdium kvality života v medicíne. 2. vydanie / Ed. akad. RAMS Yu.L. Shevchenko, - M.: CJSC "OLMA Media Group" 2007, 2007
2. KAPITOLA 3 LIEČEBNÉ VYUŽITIE STREDNOFREKVENČNÝCH A VYSOKFREKVENČNÝCH AC
3. Test so zmenou polohy tela (ortostatický test)
4. Spektrum farmakologickej aktivity solí ťažkých kovov

Sledoval sa vplyv iónov ťažkých kovov (Pb2+, Co2+, Zn2+) na membránovú rezistenciu krvných erytrocytov zdravého človeka a rôznych pacientov. Zistilo sa, že ióny ťažkých kovov vedú k zníženiu membránovej stability krvných erytrocytov. Pokles rezistencie erytrocytov závisí od koncentrácie a trvania expozície kovovým iónom: čím vyššia je koncentrácia a expozičný čas, tým viac klesá hustota erytrocytov. Pri vyšetrovaní ochorení (akútny zápal pľúc, nádor štítnej žľazy, diabetes mellitus) dochádza u pacientov k poklesu rezistencie erytrocytov v krvi na kyslú hemolýzu. Rýchlosť kyslej hemolýzy klesá v erytrocytoch krvi pacienta v porovnaní s erytrocytmi krvi zdravého človeka v závislosti od povahy ochorenia. Získané údaje nám umožňujú uvažovať, že zmena fyzikálno-chemického zloženia erytrocytov, ktorá sa prejavuje nekonzistentnosťou ich rezistencie, je dôsledkom poškodenia membrány erytrocytov pri vystavení iónom ťažkých kovov.

erytrocyty

ióny ťažkých kovov

1. Veľký D.V. Štúdium distribúcie kovov medzi rôznymi krvnými frakciami počas expozície Zn, Cd, Mn a Pb in vitro // Aktuálne problémy transportnej medicíny. - 2009. - V.18, č. 4. – S. 71–75.

2. Gitelzon M.I. Erytrogramy ako metóda klinického vyšetrenia krvi / M.I. Gitelzon, I.A. Terskov. - Krasnojarsk: Vydavateľstvo Sibírskej pobočky Akadémie vied ZSSR, 1954. - 246 s.

3. Novitsky VV, Molekulárne poruchy membrány erytrocytov pri patológiách rôznej genézy sú typickou reakciou telesných kontúr problému / sanie // Bulletin sibírskej medicíny. - 2006. - V.5, č. 2. – S. 62–69.

4. Okhrimenko S.M. Vplyv tryptofánu na niektoré ukazovatele metabolizmu dusíka u potkanov pod oxidačným stresom spôsobeným kobaltovými irtutovými soľami // Bulletin Dnepropetrovskej univerzity. Biológia, Ekológia. - 2006. - V.2, č. 4 - S. 134-138.

5. Truševič M.O. Štúdium hemolýzy erytrocytov pod vplyvom ťažkých kovov. Ekológia človeka a environmentálne problémy v období po Černobyle // Materiály republiky. vedecký konferencie. - Minsk, 2009. - S. 50.

6. Tugarev A.A. Vplyv kadmia na morfofunkčné charakteristiky erytrocytov: autor. dis. ... DR. biol. vedy. - M., 2003. - 28 s.

7. Davidson T., Ke Q., Costa M. Transport toxických kovov molekulárnou/iónovou mimikou esenciálnych zlúčenín. – In: Príručka o toxikológii kovov / ed. Autor: G.F. Nordberg a kol. – 3d vyd. – Akad. Stlačte tlačidlo. – Londýn/New York/Tokio, 2007. – s. 79–84

V poslednej dobe sa veľká pozornosť venuje štúdiu vplyvu iónov ťažkých kovov na stabilitu ľudských erytrocytov.

Hlavným cieľom toxicity ťažkých kovov je biologická membrána.

Erytrocyt je univerzálny model na štúdium procesov prebiehajúcich v bunkovej membráne pôsobením rôznych činidiel. Podrobná štúdia zmien v morfofunkčných parametroch erytrocytov pod vplyvom rôznych chemických stimulov, s ktorými sa človek stretáva v procese prirodzených vzťahov s prírodou, umožňuje úplnejšie zistiť možné dôsledky a určiť najefektívnejšie spôsoby ich nápravy. vplyv environmentálnych a chemických faktorov prostredia. Toxický účinok rôznych zlúčenín ťažkých kovov je spôsobený najmä interakciou s telesnými proteínmi, preto sa nazývajú proteínové jedy. Jedným z takýchto kovov je kadmium.

A.A. Tugarev navrhol súbor informatívnych kritérií na hodnotenie toxického účinku iónov kadmia na morfofunkčné parametre ľudských a zvieracích erytrocytov periférnej krvi.

D.V. Large študoval distribúciu kovov medzi rôznymi krvnými frakciami počas expozície Zn, Cd, Mn, Pb in vitro. Autor potvrdil literárne údaje o prevládajúcej primárnej väzbe kovov v krvi na albumín. Podľa penetračnej schopnosti boli študované kovy rozdelené Cd > Mn > Pb > Zn.

Vonkajší obal krviniek je bohatý na funkčné skupiny schopné viazať ióny kovov.

Biologická úloha sekundárnej väzby kovov je veľmi rôznorodá a závisí tak od povahy kovu, ako aj od jeho koncentrácie a času expozície.

V dielach S.M. Okhrimenko ukázal zvýšenie stupňa hemolýzy erytrocytov po podaní solí CaCl a HgCl2 zvieratám.

Kobaltové ióny sú schopné priamo iniciovať peroxidáciu lipidov (LPO), vytesňovať železo z hemu a hemoproteínov, pričom mechanizmom účinku ortuti je viazať SH-skupiny proteínových a neproteínových tiolov. Vopred podaný tryptofán čiastočne obmedzuje nárast spontánnej hemolýzy erytrocytov spôsobený zavedením chloridu kobaltnatého. Neprítomnosť takéhoto účinku v prípade zavedenia chloridu ortutnatého do tela naznačuje prítomnosť iného mechanizmu, zjavne spojeného s vysokou afinitou ortuťových iónov k tioskupinám membránových proteínov.

M.O. Trusevich študoval vplyv ťažkých kovov (chloridy Co, Mn, Ni, Zn) v konečných koncentráciách od 0,008 do 1 mM. Na základe získaných výsledkov autori dospeli k záveru, že všetky ťažké kovy v koncentráciách nad 0,008 mM majú toxický účinok na odolnosť membrány erytrocytov, s výnimkou koncentrácií 0,04 mM. Pre chlorid Zn bol zaznamenaný pokles hladiny hemolýzy erytrocytov pri koncentrácii 0,04 mm.

Materiály a metódy výskumu

V práci sme skúmali vplyv ťažkých kovov (Pb2+, Co2+, Zn2+) na membránovú stabilitu krvných erytrocytov u zdravého človeka a rôznych pacientov (diabetes mellitus, nádor štítnej žľazy, akútny zápal pľúc).

Na experimenty bola použitá krv odobratá z prsta. 20 mm3 krvi sa odobralo do 2 ml fyziologického roztoku.

Erytrogram bol zostavený podľa metódy kyslých erytrogramov, ktorú navrhli Gitelson a Terskov.

Na monitorovanie kinetiky hemolýzy sa použil fotoelektrický kolorimeter KFK-2. Ako štandard bola braná koncentrácia erytrocytov, ktorých optická hustota za týchto podmienok bola 0,700.

Výsledky výskumu
a ich diskusia

K suspenzii erytrocytov boli pridané roztoky ťažkých kovov (chloridy Pb, Co, Zn) v konečných koncentráciách 10–5 až 10–3 M. Výsledné vzorky boli inkubované 10–60 minút. Potom bola stanovená optická hustota erytrocytov v závislosti od koncentrácie a času expozície iónom ťažkých kovov. Okrem toho sa študovala kinetika kyslej hemolýzy erytrocytov v krvi zdravého človeka a krvi pacientov v závislosti od koncentrácie iónov ťažkých kovov. Je známe, že v závislosti od veku človeka sa mení membránový odpor červených krviniek. V tomto smere sa pri odbere krvi bral do úvahy vek.

Zistilo sa, že použité ióny ťažkých kovov ovplyvňujú membránovú rezistenciu erytrocytov, čo sa prejavuje v zmene ich hustoty. Napríklad hustota suspenzie erytrocytov vystavených iónom Pb2+ v koncentrácii 10-3 M počas 60 minút sa zníži o 90 % a pod vplyvom iónov Co2+ a Zn2+ o 70 a 60 % (doba pôsobenia 60 minút, koncentrácia 10-3 M), pričom hustota suspenzie erytrocytov neošetrených iónmi sa nemení.

Zistilo sa teda, že hustota suspenzie erytrocytov sa mení v závislosti od koncentrácie a trvania expozície iónom ťažkých kovov – čím vyššia koncentrácia a expozičný čas, tým väčší pokles hustoty erytrocytov.

Z erytrogramu charakterizujúceho kyslú hemolýzu erytrocytov u zdravého človeka je vidieť, že nástup hemolýzy v 2. minúte, dĺžka hemolýzy bola 8 minút, maximálne 6 minút. Rýchlosť kyslej hemolýzy krvi sa mení pôsobením iónov ťažkých kovov. Ak teda porovnáme erytrogramy vzoriek krvi, ktoré boli vystavené iónom Pb2+ (koncentrácia 10-3 M, doba expozície 30 minút), potom vidíme, že hemolýza trvá v priemere 4 minúty a maximálna distribúcia erytrocytov je 2 minúty ; v porovnaní s iónmi Pb2+ a Co2+ slabo účinkujú ióny Zn2+ a kyslá hemolýza trvá 6,5 minúty, maximálne 4 minúty (obr. 1, 2).

Predložená práca študovala aj kinetiku kyslej hemolýzy krvných erytrocytov u pacientov s diabetes mellitus, nádorom štítnej žľazy a akútnou pneumóniou. Ako vyplýva zo získaných údajov, v krvi pacientov s pneumóniou a nádormi štítnej žľazy dochádza k akumulácii v skupine nízkorezistentných, stredne odolných erytrocytov a k poklesu počtu vysokorezistentných erytrocytov. . A u pacientov s diabetes mellitus je zvýšený erytrogram krvi na pravej strane. To naznačuje zvýšenie hladiny erytropoézy v krvi.

Vplyv iónov ťažkých kovov použitých pri práci na erytrocyty krvi pacientov je rôzny (obr. 3, 4, 5). Napríklad ióny Zn2+ majú silný účinok na erytrocyty pacienta s akútnym zápalom pľúc a nádorom štítnej žľazy v porovnaní s erytrocytmi zdravého človeka. Naše údaje boli potvrdené výsledkami štúdií vykonaných u pacientov s malígnymi nádormi rôznych lokalizácií, kde boli odhalené výrazné porušenia proteínového zloženia (zníženie obsahu vysokomolekulárnych polypeptidov so súčasným zvýšením podielu nízkomolekulárnych proteíny) a tiež sa ukázalo, že ióny Zn2+ sa viažu hlavne na proteíny s nízkou molekulovou hmotnosťou. Pod vplyvom iónov Pb2+ na erytrocyty pacientov sa pozoruje posun celého erytrogramu doľava, takže celá masa erytrocytov stráca svoju stabilitu.

Ryža. 1. Krvný erytrogram zdravého človeka po expozícii iónom Co2+:
Doba expozície 30 minút P< 0,5

Ryža. 2. Erytrogram krvi zdravého človeka po expozícii iónom Zn2+:
1 - ovládanie; 2 - 10-5M; 3 - 10-4 M; 4-10-3M.
Doba expozície 30 minút P< 0,5

Získané údaje nám umožňujú uvažovať, že zmena fyzikálno-chemického zloženia erytrocytov, ktorá sa prejavuje variabilitou ich rezistencie, je dôsledkom poškodenia membrány erytrocytov pri vystavení iónom ťažkých kovov. Účinok iónov ťažkých kovov (Pb2+, Co2+, Zn2+) závisí od koncentrácie, dĺžky ich pôsobenia a predchádzajúceho zdravotného stavu človeka.

Ryža. 3. Krvný erytrogram pacientov s pneumóniou po expozícii iónom ťažkých kovov:
1 - krv pacientov s pneumóniou; 2-C02+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M).
Doba expozície 30 minút P< 0,3

Ryža. 4. Krvný erytrogram pacientov s nádorom štítnej žľazy
po vystavení iónom ťažkých kovov:
1 - krv pacientov s nádorom štítnej žľazy; 2-C02+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M). Doba expozície 30 minút P< 0,4

Ryža. 5. Krvný erytrogram diabetických pacientov po expozícii iónom ťažkých kovov:
1 - krv pacientov s cukrovkou; 2 - Zn2+ (10-5 M); 3-C02+ (10-4 M); 4 - Pb2+ (10-3 M).
Doba expozície 30 minút P< 0,3

Recenzenti:

Khalilov R.I.Kh., doktor fyzikálnych a matematických vied, vedúci výskumný pracovník Laboratória rádioekológie Ústavu radiačných problémov Národnej akadémie vied Azerbajdžanu, Baku;

Huseynov T.M., doktor biologických vied, vedúci Laboratória ekologickej biofyziky Fyzikálneho ústavu Národnej akadémie vied Azerbajdžanu, Baku.

Dielo sa do redakcie dostalo 17.9.2012.

Bibliografický odkaz

Viac ako 25 % všetkých enzýmov obsahuje silne viazané ióny kovov alebo je aktívnych iba v ich prítomnosti. Na štúdium funkcií kovových iónov sa využívajú metódy röntgenovej kryštalografie, nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR) a elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR). V kombinácii s informáciami o vzniku a rozpade

Kovové enzýmy a kovmi aktivované enzýmy

Metaloenzýmy obsahujú určité množstvo kovových iónov, ktoré majú funkčný význam a zostávajú spojené s molekulou enzýmu počas jeho čistenia. Enzýmy aktivované kovmi ich viažu menej silno, ale pre svoju aktivitu vyžadujú pridanie kovov do média. Rozdiel medzi metaloenzýmami a kovmi aktivovanými enzýmami je teda založený na afinite daného enzýmu k jeho „vlastnému“ kovovému iónu. Mechanizmy založené na účasti kovových iónov na katalýze sú zrejme v oboch prípadoch podobné.

Trojité komplexy enzým-kov-substrát

Pre ternárne (trojzložkové) komplexy vrátane katalytického centra, kovového iónu (M) a substrátu (S) so stechiometriou 1:1:1 sú možné štyri rôzne schémy tvorby:

V prípade enzýmov aktivovaných kovmi sú realizované všetky štyri schémy. Pre metaloenzýmy je tvorba komplexu nemožná, inak by nemohli zadržať kov počas procesu čistenia (sú vo forme). Je možné sformulovať tri všeobecné pravidlá.

1. Väčšina (ale nie všetky) kinázy (-transferázy) tvoria komplexy s mostíkovým substrátom, ako je nukleozid-M.

2. Fosfotransferázy využívajúce pyruvát alebo fosfoenolpyruvát ako substrát, ďalšie enzýmy, ktoré katalyzujú reakcie zahŕňajúce fosfoenolpyruvát, ako aj karboxylázu tvoria komplexy s kovom mostíka.

3. Daný enzým môže byť schopný vytvoriť jeden typ premosťujúceho komplexu s jedným substrátom a iný typ s iným.

Premostené enzýmové komplexy (M-Enz-S)

Zdá sa, že kovy v komplexoch s premosťovacím enzýmom hrajú štrukturálnu úlohu, udržiavajú aktívnu konformáciu (príkladom je glutamínsyntáza) alebo tvoria mostík s iným substrátom (ako v pyruvátkináze). V pyruvátkináze hrá kovový ión nielen štrukturálnu úlohu, ale tiež si zachováva jeden zo substrátov (ATP) a aktivuje ho:

Premostené substrátové komplexy

Tvorba trojitých komplexov s premosťovacím substrátom, ktorá sa pozoruje pri interakcii enzýmov s nukleozidtrifosfátmi, je zjavne spojená s vytesnením kovu z koordinačnej sféry, ktorý je nahradený ATP.

Substrát sa potom naviaže na enzým a vytvorí trojitý komplex:

Pri fosfotransferázových reakciách sa predpokladá, že kovové ióny aktivujú atómy fosforu a tvoria tuhý polyfosfát-adenínový komplex vo vhodnej konformácii, ktorý je zahrnutý v aktívnom štvorzložkovom komplexe.

Mostové kovové komplexy

Kryštalografické údaje, ako aj analýza primárnej štruktúry ukazujú, že histidínový zvyšok sa podieľa na väzbe kovov v aktívnych centrách mnohých proteínov (príkladmi sú karboxypeptidáza A, cytochróm c, rubredoxín, metmyoglobín a methemoglobín; pozri kapitolu 6). Limitujúcim krokom pri tvorbe binárnych (dvojzložkových) komplexov Enz-M je v mnohých prípadoch vytlačenie vody z koordinačnej sféry kovového iónu. Aktivácia mnohých peptidáz kovovými iónmi je pomalý proces trvajúci niekoľko hodín. Táto pomalá reakcia

s najväčšou pravdepodobnosťou spočíva v konformačnom preskupení binárneho komplexu Enz-M, čo vedie k vytvoreniu aktívnej konformácie. Tento proces možno znázorniť takto:

Preskupenie s vytvorením aktívnej konformácie (Enz:

V prípade metaloenzýmov by malo dôjsť k vytvoreniu ternárneho komplexu s mostíkovým kovom pridaním substrátu k binárnemu komplexu:

Úloha kovov v katalýze

Kovové ióny sa môžu podieľať na každom zo štyroch známych typov mechanizmov, ktorými enzýmy urýchľujú chemické reakcie: 1) všeobecná acidobázická katalýza; 2) kovalentná katalýza; 3) konvergencia reaktantov; 4) indukcia stresu v enzýme alebo substráte. Okrem iónov železa, ktoré fungujú v proteínoch obsahujúcich hem, sa najčastejšie podieľajú na enzymatickej katalýze, hoci v práci niektorých enzýmov zohrávajú dôležitú úlohu aj iné ióny (napríklad).

Kovové ióny, podobne ako protóny, sú Lewisove kyseliny (elektrofily) a môžu vytvárať väzbu so svojimi ligandami prostredníctvom zdieľaného elektrónového páru. Kovové ióny možno tiež považovať za „superkyseliny“, pretože sú stabilné v neutrálnom roztoku, často nesú kladný náboj (> 1) a sú schopné vytvárať väzby. Okrem toho (na rozdiel od protónov) môžu kovy slúžiť ako trojrozmerná matrica orientujúca hlavné skupiny enzýmu alebo substrátu.

Kovové ióny môžu fungovať ako akceptory elektrónov pri vytváraní väzieb, aktivujúcich elektrofily alebo nukleofily (všeobecná acidobázická katalýza). Kovy môžu aktivovať nukleofily darovaním elektrónov alebo samy môžu pôsobiť ako nukleofily.

Tabuľka 9.1. Príklady ilustrujúce úlohu kovových iónov v mechanizme pôsobenia enzýmov

Koordinačná sféra kovu môže poskytnúť kontakt medzi enzýmom a substrátom (zblíženie) alebo prostredníctvom tvorby chelátov uviesť enzým alebo substrát do stresového stavu. Kovový ión môže maskovať nukleofil, čím zabraňuje vedľajším reakciám. Nakoniec je možná stereochemická kontrola priebehu enzymatickej reakcie, ktorá je zabezpečená schopnosťou kovovej koordinačnej sféry hrať úlohu trojrozmernej matrice, ktorá drží reagujúce skupiny v požadovanej priestorovej orientácii (tabuľka 9.1).

LITERATÚRA

Crane F. Hydrochinón dehydrogenázy, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, 2. vydanie, Freeman, 1985.

Kraut J. Serínové proteázy: Štruktúra a mechanizmus katalýzy, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mechanizmus účinku enzýmov, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (ed.) Kinetika a mechanizmy enzýmov. Časti A a B. In: Methods in Enzymology, Vol. 63, 1979; Vol. 64, 1980, Academic Press.

Wimmer M.J., Rose I.A. Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reaction, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Biotínové enzýmy, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.

Koncept kovov života. sodík a draslík. Štruktúra atómov a znaky hydratácie katiónov, ktoré určujú ich obsah v extracelulárnom a intracelulárnom prostredí.

Kovy života- desať prvkov: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo. Ich podiel v tele predstavuje 2,4 %. Všetky živé kovy v tele sú buď vo forme voľných katiónov, alebo sú to ióny - komplexotvorné činidlá spojené s bioligandmi. Aktívne sa podieľajú na metabolizme.

sodík a draslík sú prvky skupiny IA. Atómy prvkov tejto skupiny majú vo vonkajšej vrstve na s-podúrovni jeden elektrón, ktorý majú tendenciu v zlúčeninách darovať partnerovi, čím vznikajú stabilné symetrické monokatióny s elektrónovou konfiguráciou najbližšieho vzácneho plynu.

Kvôli stabilite elektronickej štruktúry a nízkej hustote kladného náboja na povrchu katiónov Na + a K + nemôžu ich voľní atómoví obyvatelia vonkajšej úrovne efektívne interagovať s osamelými pármi elektrónov najbližších molekúl vody. , vďaka čomu sú zadržiavané v hydratačnom obale katiónu len elektrostaticky. Preto sodné a draselné katióny nepodliehajú hydrolýze vo vodnom prostredí a prakticky nevykazujú tendenciu k tvorbe komplexov.

Hlavný rozdiel vo vlastnostiach sodíkových a draselných katiónov je spôsobený rozdielom v hustote kladného náboja na ich povrchu: katión Na + ho má vyšší, takže jeho elektrostatické pole silnejšie drží molekuly vody. Výsledkom je, že sodný katión je charakterizovaný pozitívnou hydratáciou, zatiaľ čo draselný katión je charakterizovaný negatívnou hydratáciou. To môže podľa Slesareva Valeryho Ivanoviča vysvetliť, prečo sú katióny Na + a K + v živých systémoch antagonistami a prečo sú draselné katióny prevažne súčasťou intracelulárnych a sodné katióny - medzibunkové tekutiny.

Koncentrácia iónov K + vo vnútri bunky je asi 35-krát vyššia. Ako mimo nej a koncentrácia iónov Na + v extracelulárnej tekutine je 15-krát väčšia ako vo vnútri bunky. Pre realizáciu mnohých dôležitých biologických procesov je potrebné neustále udržiavať také nerovnomerné rozloženie týchto iónov, čo si vyžaduje energiu, keďže k prenosu iónov cez membránu musí dochádzať proti gradientu ich koncentrácií. To sa realizuje pomocou draslíkovo-sodnej pumpy, ktorá vďaka energii hydrolýzy jednej molekuly ATP odoberá z bunky tri katióny Na + a do bunky posiela dva katióny K +. V dôsledku nerovnováhy prenášaných elektrických nábojov je vnútorný povrch membrány nabitý záporne a vonkajší je nabitý kladne.

Vysoká intracelulárna koncentrácia K iónov primárne zabezpečuje osmotický tlak vo vnútri bunky, aktiváciu enzymatických systémov pre syntézu proteínov na ribozómoch a oxidáciu sacharidov. V erytrocytoch sa ióny K podieľajú na práci hemoglobínových a oxyhemoglobínových tlmivých systémov, a tak aktivujú enzým karboanhydrázu oxidu uhoľnatého.

Ióny K+ a Na+ Aktivovať adenozíntrifosfatáza (ATP - aza) bunkových membrán, ktorá poskytuje energiu pre pumpu draslíka a sodíka. Tieto ióny majú významný vplyv na činnosť centrálneho nervového systému (CNS). Nadbytok Na + iónov v bunkách mozgovej kôry spôsobuje depresiu, t.j. inhibícia aktivity centrálneho nervového systému. Nadbytok katiónov K v týchto bunkách naopak vzrušuje centrálny nervový systém a spôsobuje manický stav.

Učebnica: 338–341.

Horčík a vápnik, štruktúra atómov a vlastnosti hydratácie ich iónov. Formy existencie, umiestnenie a úloha katiónov horčíka a vápnika v tele. Reakcia tvorby a deštrukcie kostného tkaniva a jeho funkcie.

Telo dospelého človeka obsahuje asi 20 g katiónov horčíka a 1000 g vápnika. Polovica katiónov horčíka a takmer 99 % vápnika je v kostnom tkanive, zvyšok je v mäkkých tkanivách. Denná potreba katiónov horčíka je asi 0,3 g, vápnika - 1 g a u žien počas tehotenstva sa potreba katiónov vápnika zvyšuje 3-4 krát.

Horčík a vápnik sú prvky skupiny IIA periodického systému. Atómy prvkov tejto skupiny majú vo vonkajšej vrstve dva elektróny na podúrovni s (12 Mg: 3s 2; 20 Ca: 4s 2), ktoré majú tendenciu vzdávať sa v zlúčeninách partnerovi.

Rozdiel vo vlastnostiach katiónov horčíka a vápnika vo vodnom prostredí je spojený s rozdielom v hustote kladného náboja na ich povrchu. Keďže katión Mg 2+ má menší polomer ako Ca 2+ (66 a 99), lepšie sa hydratuje a navyše jeho voľné atómové orbitály vonkajšej úrovne, vrátane 3d orbitálov, sú schopné interagovať s osamelými pármi elektrónov molekúl vody, tvoriacich celkom stabilné akvakomplexy 2+ .

Horčíkový katión je schopný vytvárať kovalentné väzby v porovnaní s vápenatým katiónom. V tomto ohľade sú katióny horčíka, na rozdiel od katiónov vápnika, schopné hydrolýzy:

Mg2+ + H20⇌ Mg (OH) + + H+

Hlavná masa katiónov horčíka, ktorá je mimo kostí, sa sústreďuje vo vnútri buniek. Ióny horčíka hrajú dôležitú úlohu pri udržiavaní osmotického tlaku vo vnútri buniek. Prevažná časť horčíka v krvi je obsiahnutá v ionizovanej forme, t.j. vo forme vodného iónu (55-60%) je približne 30% asociovaných s proteínmi a 10-15% je súčasťou komplexných zlúčenín s fosfolipidmi a nukleotidmi.

Katióny horčíka sú jedným z hlavných aktivátorov enzymatických procesov v dôsledku tvorby komplexov. Aktivujú teda enzýmy oxidatívnej fosforylácie, replikácie DNA a mineralizácie kostí.

Na rozdiel od horčíkových iónov sú vápenaté katióny koncentrované prevažne v medzibunkových tekutinách. Metabolizmus vápnika je riadený hormónmi prištítnych teliesok a štítnej žľazy, ako aj vitamínom D.

Hlavnou minerálnou zložkou kostného tkaniva je hydrogenfosforečnan vápenatý.

Ca 5 (P0 4) 3 OH (hydroxyapatit). kostné tkanivo udržuje koncentráciu Ca 2+ iónov v biologických tekutinách na určitej úrovni, preto ho možno považovať za vápnikový tlmivý roztok organizmu.

kompaktné kostné tkanivo (kompaktná hmota) - jeden z dvoch typov kostného tkaniva, ktoré tvoria kosť. Zabezpečuje podporné, ochranné funkcie kosti, slúži ako úložisko chemických prvkov.

Kompaktná látka tvorí kortikálnu vrstvu väčšiny kostí. Je oveľa hustejšia, ťažšia a pevnejšia ako hubovitá hmota. Kompaktné kostné tkanivo tvorí asi 80% celkovej hmotnosti ľudskej kostry. Primárnou štruktúrnou a funkčnou jednotkou kompaktnej látky je osteón.

Učebnica: 341 – 344.

Železo a kobalt, atómová štruktúra a charakteristické oxidačné stavy. Kyselina - zásadité, redoxné a komplexotvorné vlastnosti zlúčenín týchto kovov. Úloha zlúčenín týchto kovov v živom organizme.

Ľudské telo obsahuje asi 5 g železa a 1,2 mg kobaltu. Väčšina železa (70 %) sa koncentruje v hemoglobíne krvi; 14 % kobaltu sa nachádza v kostiach, 43 % vo svaloch a zvyšok v mäkkých tkanivách. Denný príjem železa je 10-20 mg a kobaltu 0,3 mg.

železo a kobalt- prvky 4. periódy skupiny VIIIB periodickej sústavy s elektronickými konfiguráciami 26 Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ; 27 Co: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2

Najcharakteristickejšie oxidačné stavy pre železo a kobalt +2 a +3.

Vo vodných roztokoch sú katióny Fe 2+, Fe 3+, Co 2+ a Co 3+ hydratované za vzniku šesťkoordinačných vodných komplexov.

Fe 2+ je silné redukčné činidlo schopné oxidovať aj vzdušný kyslík.

Co 3+ je také silné oxidačné činidlo, že oxiduje dokonca aj vodu:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H20 = 4Fe(OH)3

2Co2(SO4)3 + 2H20 \u003d 4CoSO4 + 2H2S04 + O2

Oxidy a hydroxidy železa a kobaltu bez ohľadu na stupeň oxidácie vykazujú slabé amfotérne vlastnosti s prevahou zásaditých vlastností, najmä v prípade dvojmocného stavu, kedy interakcia prebieha len s koncentrovanými roztokmi zásad a pri zahrievaní.

Katióny železa a kobaltu sú veľmi náchylné na komplexnú tvorbu. Pre nich je to najpravdepodobnejšie koordinačné číslošesť:

komplexácia katióny železa a kobaltu silne, ale rozdielne ovplyvňujú ich redoxné vlastnosti v závislosti od pomeru stability komplexov oxidovaných a redukovaných foriem s rovnakými ligandami.

komplexácia Co 3+ s ligandami aktívnejšími ako molekuly vody ho robí stabilným vo vodných roztokoch.

kobalt, jeden zo stopových prvkov životne dôležitých pre telo. Je súčasťou vitamínu B 12 (kobalamín). Kobalt sa podieľa na hematopoéze, funkciách nervového systému a pečene, enzymatických reakciách. Ľudské telo obsahuje 0,2 mg kobaltu na každý kilogram ľudskej hmotnosti. Pri nedostatku kobaltu vzniká akobaltóza.

v živých organizmoch železo je dôležitým stopovým prvkom, ktorý katalyzuje procesy výmeny kyslíka (dýchanie). Normálne železo vstupuje do enzýmov vo forme komplexu nazývaného hem. Tento komplex je prítomný najmä v hemoglobíne, najdôležitejšom proteíne, ktorý zabezpečuje transport kyslíka krvou do všetkých orgánov ľudí a zvierat. A práve on farbí krv v charakteristickej červenej farbe.

Je tam veľká skupina asi 50 druhov, enzýmy obsahujúce železo - cytochrómy, ktoré katalyzujú proces prenosu elektrónov v dýchacom reťazci zmenou oxidačného stavu železa Fe 3+ + e -   Fe 2+

učebnica: 349 – 352.