The role of Ochrobactrum anthropi and Ochrobactrum tritici bacteria in biosorption of copper

hajar Abyar ¹ ( Department of Environmental Sciences, Faculty of Fisheries and Environmental Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan 49189-43464, Iran. )
mohsen Nowrouzi ² ( Department of Science and Biotechnology, Faculty of Nano and Bio Science and Technology, Persian Gulf University, Bushehr 75169-13798, Iran )

Submited date : 2022-09-11 Accepted date : 2023-01-22

Keywords: Sediment, Biological removal, Khor Musa, Ochrobactrum sp,

Abstract :

The increasing development of industries and refineries has enhanced heavy metals as a worldwide environmental problem, which shows a potential threat to humans, animals, and plants due to their non-degradable and stable characteristics. Many heavy metal compounds are highly soluble in water which facilitates their easy transfer into the food chain and accumulation in the environment such as excessive amounts of heavy metals in sediments, wastes, and aquatic organisms. There is numerous microbial biomass with different enzymatic capabilities to bioremediate heavy metals such as fungi, bacteria, and algae. Bacteria with a high surface area to volume ratio and easy availability could adsorb heavy metals using functional groups such as hydroxyl, carbonyl, and carboxyl on their cell wall. Therefore, in this study, the use of biological and cost-effective methods to remove heavy metals from aqueous solutions was considered. For this purpose, the potential of marine bacteria isolated from Khor Musa sediments, which are located in the northwest Persian Gulf, in removing copper was evaluated. The sediment samples were diluted in the NaCl solution and cultivated on the nutrient agar media containing copper concentrations of 10, 50, and 100 mg/L. After 3 days of incubation at 30 °C, the bacteria colonies on the media with a 100 mg/L copper concentration were isolated and purified for further assessment. The primary identification of the isolated bacteria was performed using gram staining and the potassium hydroxide (KoH) test. Then, biochemical tests and the 16S rRNA sequence were utilized to accomplish the bacterial identification. The potential of isolated bacteria in copper removal was evaluated under 50, 100, and 200 mg/L copper concentrations for 150 min. The sampling was performed in 30 min intervals using atomic absorption spectroscopy. Cultivation of sediment samples in a nutrient agar medium containing concentrations of 10 to 100 mg/L of copper led to the isolation and identification of two resistant bacteria from the genus Ochrobactrum sp. Both bacteria were gram-negative and rod-shaped, positive mobility and oxidase tests, negative methyl red (MR) and Voges-Proskauer (VP), and H2S producing in triple sugar iron agar (TSI) test. Furthermore, glucose and maltose tests indicated that the isolated bacteria were oxidative. The bacterium O. anthropi strain YX0703 illustrated a remarkable performance in which that removed 71.08% and 63.96% of copper metal in concentrations of 100 and 200 mg/L, respectively. In addition, a range of copper removal in a concentration of 50 mg/L was from 47.3% after inoculation, to 72.6% at 120 min. The maximum removal of copper was observed in the first 60 min of exposure to the metal equivalent to 64.92%. While, the highest percentage of metal removal by O. tritici strain AN4 was obtained at a concentration of 50 mg/L, equivalent to 72.62%, and when the concentration increased to 200 mg/L, the removal rate decreased to 49.97%. It is noteworthy to mention that O. tritici strain AN4 removed 58.22% of copper at a concentration of 100 mg/L in 90 min while the removal trend was relatively constant after 90 min exposure to the copper. The samples containing copper without bacterial inoculation were considered as control which showed a constant concentration during the experiments. Comparing the amount of copper absorbed by bacteria in different concentrations showed a significant difference (p<0.05) and with the increase in copper concentration, the amount of metal absorbed by bacteria enhanced. In fact, the biosorption of metal ions to the cell wall of microorganisms continues until a balance is established between the absorbed ions and the number of remaining ions in the solution, therefore, at high concentrations due to the abundance of metal ions, more ions must be absorbed by the bacteria. According to the obtained results, more than 70% of a 50 mg/L copper concentration was absorbed by both O. tritici strain AN4 and O. anthropi strain YX0703 in 150 min. The performance of bacteria in concentrations of 100 and 200 mg/L was also impressive, which indicates the high capacity of these bacteria in the biosorption of copper. Therefore, by providing optimal growth conditions, the potential of this group of bacteria can be used to reduce heavy metal pollution in the southern aquatic ecosystems, especially in areas that are heavily influenced by human activities. Moreover, Generally, the obtained results depicted the possibility of using these bacteria to treat wastewater contaminated with heavy metals.

Full-Text:



نقش باکتری‌های Ochrobactrum anthropi و Ochrobactrum tritici در جذب زیستی فلز مس

 

 

 

 

چکیده

توسعه روزافزون صنایع و مراکز پالایشگاهی موجب افزایش آلودگی ناشی از فلزات سنگین شده است. فلزات سنگین به علت پایداری و تجزیه‌ناپذیری در محیط، اثرات سوء محیط‌زیستی فراوانی را فراهم آورده است. لذا در این مطالعه استفاده از روش‌های زیستی و مقرون‌به‌صرفه جهت حذف فلزات سنگین از محلول‌های آبی مدنظر قرار گرفت. بدین منظور، پتانسیل باکتری‌های دریایی جداسازی شده از رسوبات خور موسی در حذف فلز مس ارزیابی شد. کشت نمونه‌های رسوب در محیط نوترینت آگار حاوی غلظت‌های 10 تا 100 میلی‌گرم در لیتر فلز مس منجر به جداسازی و شناسایی دو باکتری مقاوم از جنس Ochrobactrum sp. شد. باکتری O. anthropi strain YX0703 عملکرد بهتری را نشان داد به گونه‌ای که در غلظت‌های 100 و 200 میلی‌گرم در لیتر فلز مس به ترتیب حذف 08/71 و 96/63 درصدی را داشت. علاوه بر این، حداکثر حذف فلز مس در 60 دقیقه ابتدایی در معرض قرارگیری با این فلز مشاهده شد. در حالیکه، بالاترین درصد حذف فلز توسط باکتری O. tritici strain AN4 در غلظت 50 میلی‌گرم در لیتر معادل 62/72 درصد به دست آمد که با افزایش غلظت به 200 میلی‌گرم در لیتر، میزان حذف به 97/49 درصد کاهش یافت. به طور کلی، نتایج این مطالعه ظرفیت بالای باکتری‌های دریایی در حذف فلز مس از محیط و امکان بهره‌برداری از این باکتری‌ها در راستای تصفیه فاضلاب‌های آلوده به این فلز را نشان داد.

واژه های کلیدی: حذف زیستی، خور موسی، باکتری‌های Ochrobactrum sp.، رسوب 

 

مقدمه

Translation is too long to be saved

فلزات سنگین اجزای طبیعی پوسته زمین و در محیط‌زیست پایدار هستند. آزادسازی فلزات سنگین به طور طبیعی از طریق هوازدگی، فعالیت‌های زمین گرمایی، آتش‌سوزی جنگل ها و فعالیت‌های میکروبی رخ می‌دهد. با این حال، این فرآیند به سرعت توسط فعالیت‌های انسانی تسریع شده است و باعث افزایش پراکندگی جهانی فلزات سنگین شده که تهدید بزرگی برای سلامت انسان و بوم‌سازگان محسوب می‌گردد [1]. انتشار فلزات سنگین به محیط‌زیست با منشاء انسانی از ظرفیت طبیعی بسیاری از بوم‌سازگان‌ها فراتر رفته است. جای تعجب نیست که مناطق شهری با فعالیت‌های فشرده معدنی و صنعتی به عنوان نقاط داغ آلودگی فلزات سنگین مطرح هستند.  

فاضلاب­های صنعتی حاوی مقادیر قابل توجهی از فلزات سنگین می­باشند. ورود این گونه فاضلاب­ها به بوم‌سازگان‌های دریایی منجر به آلودگی این مناطق توسط فلزات شده که علاوه بر تأثیر مستقیم بر آبزیان، احتمال انتقال سمیت فلزات سنگین به انسان نیز وجود دارد. از این رو، فلزات سنگین به دلیل قابلیت تجمع­زیستی و تولید اختلالات فیزیولوژیک گوناگون بر جانداران به ویژه آبزیان مورد توجه بسیاری از محققین قرار دارند [2, 3]. با توجه به حساسيت آبزيان به تغيير شرايط زيستي، ورود عناصر کمياب در غلظت­هاي غير معمول عموماً با کاهش تنوع زيستي، توليد مثل و کاهش جمعيت آبزيان همراه است. در صورتي که آلودگي­ها از طريق جريان آب و امواج به ساحل آورده شوند، مناطق حساس ساحلي از قبيل جنگل­هاي حرا، آب سنگ­هاي مرجاني، زيستگاه­هاي پرندگان و علف­هاي دريايي نيز در معرض خطر آلودگي فلزات سنگين قرار مي­گيرند [4, 5]. حضور فلزات سنگین در فاضلاب با رشد صنعت مانند صنایع آبکاری، باتری‌سازی، آفت‌کش‌ها، معدن، ابریشم مصنوعی، دباغی، نساجی و فعالیت‌های انسانی افزایش یافته است [6]. صنایع نساجی و باتری­سازی دارای مقادیر متفاوتی از یون­های فلزی هستند که فلزات سنگین را به محیط وارد می­سازند. فلز مس در فرایند‌های صنعتی مانند صنایع لوله­سازی، شیر­های آب، صنایع آلیاژی و رنگ‌سازی مورد استفاده قرار می­گیرد. هرچند فلز مس از عناصر ضروری بوده اما ورود غلظت بیشتر از حد مجاز این عنصر به محیط­های آبی می­تواند اثرات مخربی بر سلامت انسان و سایر موجودات زنده به همراه داشته باشد [7].

خورها از مهمترين و بارورترين بوم‌سازگان‌های دریایی محسوب می­شوند و توسط زیستگاه­های متنوعی از قبیل جنگل­های مانگرو، مناطق جزر و مدی، نمک‌زارها و مرداب‌ها احاطه شده­اند. این مناطق دارای تنوع زیستی بالا­، زنجیره­های غذایی غنی، محيطي آرام و به دور از امواج مي­باشند. خورها همانند اکثر نواحی ساحلی، به علت فعالیت­های انسانی در معرض آلودگی ناشی از فلزات سنگین قرار دارند و محل مناسبی برای تجمع این قبیل آلاینده­ها محسوب می­شوند. خور موسي شاخص­ترين نمونه بوم‌سازگان ساحلي از نوع جزر و مدي است که در بخش شمالی خلیج فارس واقع شده و به دلیل تنوع آبزیان، عبور کشتي­هاي باري، نفتکش­ها و شناورهاي صيادي از اهمیت خاصی برخوردار است. این خور بسیار کم عمق و راکد با گردش آب محدود است. در سواحل این خور، صنایع مختلفی مانند پتروشیمی، کارخانه کلر قلیایی، سکوهای نفتی فراوان و بنادر وجود دارند که اغلب پساب‌های خود را بدون تصفیه یا با تصفیه ناقص به خور موسی تخلیه می‌کنند [8].

پیشرفتها در زمینه تکنولوژی­های محیط‌زیستی نشان می­دهد که جوامع میکروبی به واسطه­ی فرایند جذب می­توانند فلزات را از محیط حذف کنند. هنگامی که جوامع میکروبی از جمله باکتری­ها در مجاورت یون­های فلزی محلول در آب قرار می­گیرند، بخش قابل توجهی از این یون‌ها از طریق فعل و انفعالات فیزیکی یا شیمیایی با گروه­های فعال موجود در سطح دیواره سلولی واکنش داده و از محیط اطراف جذب دیواره خارجی می­شوند [9]. از سوی دیگر، تجمع‌زیستی شامل استفاده از پروتئین‌های میکروبی است که فلزات انباشته شده زیستی را در فرآیندهای متابولیکی مختلف جدا کرده و از آن‌ها استفاده می‌کنند. پروتئین‌های اتصال‌دهنده فلز در برخی از میکروب ها به آن‌ها کمک می‌کند تا تحمل میکروبی را نسبت به این فلزات افزایش دهد [10, 11]. فلزات از طریق غشای لیپیدی با استفاده از پروتئین‌ها منتقل می‌شوند. باکتری های مقاوم به فلزات سنگین با تجمع زیستی فلزات در سلول میکروبی به حذف فلزات از محیط کمک می‌کنند [12]. مطالعات متعددی در زمینه­ی حذف یون­های فلزی توسط باکتری­های دریایی صورت گرفته است [13, 14]. اهمیت این قبیل مطالعات در آن است که بدین وسیله می­توان باکتری­های بومی و مقاوم به آلودگی فلزی را شناسایی و از توانایی آنان در جذب زیستی فلزات برای پاکسازی محیط­های آبی و یا پساب­های محتوی فلز استفاده نمود. بنابراین، هدف از انجام این مطالعه، شناسایی باکتری­های بومی خور موسی و مقاوم به فلز مس و سنجش قابلیت آنان در جذب این فلز می­باشد.

 

مواد و روش‌ها

منطقه­ مطالعاتی

خورموسی با اكوسيستمي منحصر به فرد، در ساحل شمالي خليج فارس قرار دارد. در انتخاب ایستگاه­های نمونه­برداری، فعالیت‌های انجام شده در منطقه و دوری و نزدیکی به پساب­های ورودی به سواحل در نظر گرفته شده است. ایستگاه شماره 1 در مجاورت تاسیسات پتروشیمی و ایستگاه‌های شماره 2 و 3 نیز به ترتیب در محل ریزش پساب صنایع و فعالیت‌های صید و صیادی انتخاب شدند (جدول 1). نمونه‌ها از لایه­ی سطحی رسوبات جمع­آوری شدند و در ظروف درب‌دار که از قبل استريل شده بودند، جاي گرفتند.

 

 

 

جدول 1- موقعیت جغرافیایی ایستگاه‌های نمونه‌برداری در منطقه خور موسی

شماره­ ایستگاه	طول جغرافیایی	عرض جغرافیایی
1	˝4/53 ´25 ◦30	˝4/55 ´06 ◦49
2	˝20/8 ´27 ◦30	˝4/15 ´06 ◦49
3	˝5/ 17 ´26 ◦30	˝04/2 ´08 ◦49

 

آماده­سازی نمونه­های رسوب و سنجش فلزات سنگین

نمونه‌های رسوبات به مدت 24 ساعت در آون و در دماي 105 درجه­ی سانتي گراد خشک شدند. رسوب خشک شده توسط هاون چيني کوبيده شده و از الک 63 ميکرون عبور داده شد. يک گرم از رسوبات هر ايستگاه برداشت شد و با افزودن 8 ميلي‌ليتر اسيد نيتريک غليظ و 2 ميلي ليتر اسيد پرکلريک به مدت 4 ساعت هضم گردید. نمونه­های هضم شده با آب دو بار تقطير به حجم 40 ميلي ليتر رسانده و از کاغذ صافي وات­من عبور داده شدند. نهايتاً ميزان فلز مس موجود در رسوبات توسط دستگاه جذب اتمي با شعله GBC مدل SavantAA∑ تعيين شد. سنجش نمونه‌ها با 3 تکرار همراه بود [4].

 

جداسازی باکتری­ها از رسوبات

یک گرم از رسوبات هر ایستگاه با 10 میلی‌لیتر محلول کلرید سدیم رقیق‌سازی شد. رقت­های 1-10 تا 3-10 از نمونه­های رسوب تهیه و بر محیط کشت جامد نوترینت آگار حاوی غلظت­های 10، 50 و 100 میلی­گرم در لیتر فلز مس کشت داده شدند. سپس پلیت­ها به مدت 3 روز در دمای 30 درجه سانتی‌گراد در انکوباتور قرار داده شدند [15]. نهایتا باکتری­هایی که در غلظت 100 میلی­گرم در لیتر تشکیل کلنی داده بودند، جداسازی و خالص سازی شدند.

 

شناسایی باکتری­ها

شناسایی اولیه­ی باکتری­های جداسازی شده با استفاده از رنگ­آمیزی گرم و تست هیدروکسید­پتاسیم (KOH) انجام شد. سپس با به کارگیری منابع باکتريولوژي موجود [16] و استفاده از تست­های بیوشیمیایی، گونه­های باکتریایی شناسایی شدند. علاوه بر اين جهت تائيد نتايج به دست آمده از تست­هاي بيوشيميايي، نمونه هاي باکتري به شرکت هاي Cinagen و ژن فناوري کوثر ارسال شدند و تعيين توالي 16S rRNA باکتري­ها انجام شد.

 

سنجش میزان جذب فلز مس

یک میلی‌لیتر از سوسپانسیون هر یک از دو باکتری جداسازی شده به محلول‌های فلزی حاوی 50، 100 و 200 میلی­گرم در لیتر مس با 6= pH اضافه شد. نمونه‌ها روی انکوباتور شیکردار در دمای 30 درجه­ی سانتی­گراد با دور 160 دور در دقیقه قرار گرفتند. علاوه بر این 3 محلول با غلظت­های مختلف فلز مس و فاقد باکتری نیز به عنوان نمونه­های شاهد در نظر گرفته شدند. اندازه­گیری میزان مس کاهش یافته در محلول­های محتوی باکتری بلافاصله پس از تلقیح باکتری و در فواصل زمانی 30 دقیقه­ای انجام شد. در هر مرحله 5 میلی لیتر از محلول باکتریایی برداشت شد و به مدت 10 دقيقه در شرایط  4000 دور در دقیقه سانتريفيوژ گرديد. میزان فلز مس باقی مانده در محلول ها توسط دستگاه جذب اتمی با شعله GBC  مدل SavantAA∑ اندازه‌گیری گردید [17]. جهت بررسی داده­ها از نرم‌افزار SPSS نسخه­ی 16 استفاده شد. پراکنش داده ها با آزمون آماری کولموگروف-اسمیرنوف مشخص شد. پس از حصول اطمینان از نرمال بودن پراکنش داده ها، اختلاف بین دسته­های مورد بررسی توسط آزمون آماری ANOVA بررسی و سپس جداسازی گروه­ها توسط آزمون Tukey انجام شد.

 

 

نتایج و بحث

شکل 1 میانگین غلظت مس اندازه­گيري شده در رسوبات ایستگاه­های مختلف را نشان می‌دهد. غلظت مس در رسوبات در محدوده 42/0 ± 33/14 تا 70/0 ± 28/24 میلی­گرم در گرم متغیر بود. حداکثر و حداقل غلظت مس به ترتیب در ايستگاه شماره 2 و 3 مشاهده شد. بیش از 10 باکتری به رنگ زرد، قهوه‌ای، کرم و نارنجی در سطح محیط کشت­های نوترینت اگار حاوی غلظت‌های 10 و 50 میلی­گرم در لیتر مس مشاهده شدند. اما در غلظت 100 میلی­گرم در لیتر مس تنها دو باکتری قادر به رشد بودند که از رسوبات ایستگاه 2 جداسازی شدند. هر دو باکتری جداسازی شده، گرم منفی، اکسیداز- کاتالاز مثبت و متعلق به جنسOchrobactrum  بودند (شکل 2). جدول 2 آنالیز آماری میزان مس در رسوبات و جدول 3 نتایج حاصل از تست­های بیوشیمیایی را نشان می‌دهد.

 

شکل 1- غلظت فلز مس در رسوبات خور موسی

 

جدول 2- نتایج آنالیز آماری میزان فلز مس در رسوبات

ایستگاه	میانگین (mg/g)	Adj. SS*	St. Dev.	p-value	R2	Adj. R2	Pred. R2
1	11/21	83/154	25/0	0	9985/0	9980/0	9967/0
2	28/24		70/0
3	33/14		42/0

    *Adj. SS: Adjusted sum of squares, St. Dev.: Standard deviation, Adj. R2: Adjusted R2, Pred. R2: Predicted R2

 

 

 

 

b

a

            شکل 2- کلنی باکتری O. tritici AN4 (a) و باکتری O. anthropi YX0703 (b)    

  

      جدول 3- خصوصیات مورفولوژیکی و بیوشیمیایی باکتری­های جداسازی شده

تست های بیوشیمیایی	O. tritici AN4	O. anthropi YX0703
رنگ آميزي گرم	–	–
KOH	+	+
شکل کلني	ميله­اي	ميله­اي
اکسيداز	+	+
کاتالاز	+	+
حرکت (Sulfide indole motility)	+	+
NaCl (5/6 %)	+	–
PD (Phenylalanine deaminase)	–	+
TSI (Triple sugar iron agar)	توليد H2S	توليد H2S
MR (Methyl red)	–	–
VP (Voges-Proskauer)	–	–
اوره	–	+
احيای نيترات	توليد گاز	توليد گاز
گلوکز	اکسيد کننده	اکسيد کننده
مالتوز	اکسيد کننده	اکسيد کننده
لايزين	–	–
لاکتوز	–	–
رشد بر محيط مکانکي	+	+
اندول	–	–

 

 

جذب سطحی غلظت­هاي مختلف فلز مس توسط باکتری­ها در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به شکل مربوطه باکتریO. anthropi YX0703  بلافاصله پس از تلقیح به محلول فلزی (زمان صفر) تقریبا 47% مس را جذب کرده است در حالیکه باکتری O. tritici AN4 تنها 4% جذب سطحی داشت. با گذشت زمان، سرعت کاهش مس در باکتری O. tritici AN4 در مقایسه با O. anthropi YX0703 افزایش پیدا کرد. به طوری که در عرض 90 دقیقه غلظت مس را از 50 میلی­گرم در لیتر به 79/2 ± 58/14 میلی­گرم در لیتر کاهش داد. نهایتاً عملکرد هر دو سویه تقریباً مشابه بود. زیرا سویه­های O. tritici AN4 و O. anthropi YX0703 به ترتیب 5/73% و 6/72% مس را حذف کردند. غلظت مس در نمونه­ی فاقد باکتری در طول دوره­ی سنجش بدون تغییر باقی ماند. این تحقیق نشان داد که دو سویه­ی باکتریایی از جنس  Ochrobactrum قادر به تحمل غلظت­های بالای مس بوده و می­توانند این فلز را از محیط حذف نمایند. اين گروه از باکتري­ها در زيستگاه­هاي متفاوتي از قبيل خاک، پساب و محیط­های آبی يافت مي­شوند و مي­توانند بخش اصلي خاک و جوامع ميکروبي را تشکيل دهند. اما به علت ظاهر نامشخص کلني­ها و شناسايي نادرست سويه­ها، اهميت اين باکتري­ها ناديده گرفته شده است. در زمينه­ی جذب زيستي فلزات سنگین با استفاده از گونه­هاي Ochrobactrum مطالعات محدودي صورت گرفته است [18-20].

 

 

شکل 3- حذف زیستی فلز مس در غلظت 50 میلی­گرم در لیتر

 

باکتری‌های O. tritici AN4 و  O. anthropi YX0703در محیط حاوی غلظت 100 میلی­گرم در لیتر مس و در دقایق اولیه، روند تقریباً یکسانی را طی کردند. 27% مس در 30 دقیقه ابتدایی توسط هر دو باکتری جذب شد. با گذشت زمان منحنی مربوط به باکتری O. anthropi YX0703 شیب بیشتری را نشان داد و کاهش مس تا لحظات پایانی ادامه داشت. اما باکتری O. tritici AN4 تا دقیقه 90 سیر نزولی را طی کرد و پس از آن تغییری در غلظت مس مشاهده نشد (شکل 4).

 

شکل 4- حذف زیستی فلز مس در غلظت 100 میلی­گرم در لیتر

 

جذب زیستی مس توسط سویه های باکتریایی در غلظت 200 میلی­گرم در لیتر در شکل 5 ارائه شده است. کاهش مس در نمونه­ی حاوی باکتری O. tritici AN4 در 60 دقیقه ابتدایی به کندی انجام شد و فقط 28/2 ± 6/17 میلی­گرم در لیتر از 200 میلی­گرم در لیتر مس جذب باکتری شد. باکتری anthropi YX0703 O. نیز در سنجش­های اولیه تغییر چندانی در غلظت مس نشان نداد. اما از دقیقه 30، جذب سطحی مس را آغاز کرد و در مدت زمان 120 دقیقه، 7/61% مس جذب باکتری شد.

 

شکل 5- حذف زیستی فلز مس در غلظت 200 میلی­گرم در لیتر

 

در مطالعه­ی حاضر باکتری anthropi YX0703 O. به عنوان مقاوم­ترين باکتري نسبت به غلظت­هاي مختلف مس شناخته شد و 64 درصد مس را (غلظت 200 میلی­گرم در لیتر) در مدت زمان 150 دقيقه از محلول حذف کرد. این نتایج توانایی باکتری جهت سازگار شدن با محیط­های حاوی مس را نشان می­دهد. در حقیقت باکتري مذکور با استفاده از آنزيم­ها و متابوليسم­هاي جذب يا تجمع خارج سلولي و درون سلولي، غلظت فلز را در محلول کاهش داده است [21, 22]. در همین زمینه بررسی توانایی باکتری  O. intermedium BPS-20 در کاهش فلز نیکل و سرب توسط Sharma و Shukla (2021) انجام شد و نتایج آزمایشات نشان داد که گونه­ی مذکور قادر به حذف 34/85 درصد سرب و 87/74 درصد نیکل می‌باشد. همچنین باکتری O. ciceri BPS-26 حذف 20/71 درصدی سرب و 48/88 درصدی نیکل را نشان داد که نتایج مطالعه کنونی را تائید می‌کند [18].  on is too long to be مکانیسم جذب زیستی میکروبی به طور کلی شامل جذب سطحی و پیوند خارج سلولی است. گروه‌های عاملی مانند آمین و کربوکسیل در دیواره سلولی باکتری‌ها می‌توانند فلزات سنگین را بر روی سطوح دیواره سلولی متصل کنند [23]. علاوه بر این، پلیمرهای خارج سلولی نیز در کلاته شدن فلزات سنگین نقش موثری دارند. لازم به ذکر است که یون‌های مس به راحتی با محصولات میکروبی محلول (SMP) کلاته می‌شوند و در نتیجه فرآیند جذب زیستی را بهبود می‌بخشند [24]. مقایسه­ی میزان مس جذب شده توسط باکتری­ها در غلظت­های مختلف، اختلاف معنی­داری (p< 0.05) را نشان داد و با افزایش غلظت مس، مقدار فلز جذب شده توسط باکتری­ها افزایش یافت. به طور کلي جذب يون­هاي فلزي به ديواره ميکروارگانيسم­ها تا زماني که بين يون جذب شده و ميزان يون باقي مانده در محلول تعادل برقرار گردد، ادامه پيدا مي­کند لذا در غلظت­هاي بالا به علت تعدد يون­هاي فلزي، جهت برقراري تعادل بايستي مقدار بيشتري از يون­ها جذب باکتري شوند [22]. لازم به ذکر است که غلظت‌های بالای فلز مس می‌تواند برای باکتری‌ها سمی بوده و مانع از رشد طبیعی و متابولیسم آن‌ها گردد. نتایج حاصل از مطالعه صورت گرفته توسط Li و همکاران (2022) با یافته­های این تحقیق مطابقت دارد. آن‌ها عملکرد و مکانیسم حذف فلزات سنگین را در باکتری Ochrobactrum sp. GMC12 را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد که باکتری موردنظر قادر به کاهش 89/98 درصد کادمیوم و 95/98 درصد روی است. علاوه بر این، آنالیز طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) نشان می‌دهد که ماده پلیمری خارج سلولی (EPS) محصول کلیدی برای محل هسته‌زایی باکتری‌ها است که حذف فلزات سنگین را تسریع می‌کند [25]. در مطالعه دیگری، یک سویه مقاوم به سرب Ochrobactrum sp. J023 از خاک آلوده در اطراف یک کارخانه باتری‌سازی در چین جداسازی شد. در طی واکنش معدنی‌شدن، مواد پلیمری خارج سلولی بخشی از سرب را روی سطح دیواره سلولی تثبیت و از نفوذ فلز سرب به داخل سلول جلوگیری می‌کنند و در نتیجه از سویه محافظت می‌نمایند. در همین حال، به دلیل حضور گروه‌های فعال در سطح سلول از قبیل گروه‌های کربوکسیل و فسفات، امکان جذب تعداد زیادی یون فلزی فراهم می‌گردد [26].

 

نتیجه‌گیری نهایی

بر اساس نتایج به دست آمده، بیش از 70 درصد غلظت 50 میلی­گرم در لیتر از فلز مس در مدت زمان 150 دقیقه توسط هر دو سویه­ی O. tritici strain AN4 و O. anthropi strain YX0703 جذب شد. همچنین عملکرد باکتری­ها در غلظت­های 100 و 200 میلی­گرم در لیتر نیز چشمگیر بود که نشان دهنده­ی ظرفیت بالای این باکتری­ها در جذب فلز مس می­باشد. بنابراین با فراهم نمودن شرایط بهینه­ی رشد می­توان از پتانسیل این گروه از باکتری­ها در کاهش آلودگی فلزات سنگین در آب‌های جنوبی کشور بویژه در نواحی که تحت تأثیر شدید فعالیت­های انسانی قرار دارند، استفاده نمود.

 

منابع

 

[1] Hao X, Zhu J, Rensing C, Liu Y, Gao S, Chen W, et al. Recent advances in exploring the heavy metal (loid) resistant microbiome. Computational and Structural Biotechnology Journal. 2021;19:94-109.

[2] El-Meleigy M, El-kasaby A, Osman N. Microorganisms as a tool in biotechnology of sea water treatment. Australian Journal of Basic and Applied Sciences. 2010;4:1083-99.

[3] Verma S, Bhatt P, Verma A, Mudila H, Prasher P, Rene ER. Microbial technologies for heavy metal remediation: effect of process conditions and current practices. Clean Technologies and Environmental Policy. 2021:1-23.

[4] Shiry N, Derakhshesh N, Gholamhosseini A, Pouladi M, Faggio C. Heavy metal concentrations in Cynoglossus arel (Bloch & Schneider, 1801) and sediment in the Chabahar Bay, Iran. International Journal of Environmental Research. 2021;15:773-84.

[5] Eyankware MO, Obasi PN. A holistic review of heavy metals in water and soil in Ebonyi SE, Nigeria; with emphasis on its effects on human, plants and aquatic organisms. World News of Natural Sciences. 2021;38:1-19.

[6] Qasem NA, Mohammed RH, Lawal DU. Removal of heavy metal ions from wastewater: A comprehensive and critical review. Npj Clean Water. 2021;4:1-15.

[7] Hao R, Xing R, Xu Z, Hou Y, Gao S, Sun S. Synthesis, functionalization, and biomedical applications of multifunctional magnetic nanoparticles. Advanced materials. 2010;22:2729-42.

[8] Mousavi A, Salamat N, Safahieh A. Phenanthrene disrupting effects on the thyroid system of Arabian seabream, Acanthopagrus arabicus: In situ and in vivo study. Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology. 2022;252:109226.

[9] Diep P, Mahadevan R, Yakunin AF. Heavy metal removal by bioaccumulation using genetically engineered microorganisms. Frontiers in bioengineering and biotechnology. 2018;6:157.

[10] Wang S, Liu T, Xiao X, Luo S. Advances in microbial remediation for heavy metal treatment: A mini review. Journal of Leather Science and Engineering. 2021;3:1-10.

[11] Sharma P, Pandey AK, Udayan A, Kumar S. Role of microbial community and metal-binding proteins in phytoremediation of heavy metals from industrial wastewater. Bioresource Technology. 2021;326:124750.

[12] Rebello S, Sivaprasad M, Anoopkumar A, Jayakrishnan L, Aneesh EM, Narisetty V, et al. Cleaner technologies to combat heavy metal toxicity. Journal of Environmental Management. 2021;296:113231.

[13] Pal A, Bhattacharjee S, Saha J, Sarkar M, Mandal P. Bacterial survival strategies and responses under heavy metal stress: A comprehensive overview. Critical Reviews in Microbiology. 2022;48:327-55.

[14] Sheth Y, Dharaskar S, Khalid M, Sonawane S. An environment friendly approach for heavy metal removal from industrial wastewater using chitosan based biosorbent: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2021;43:100951.

[15] Nanda M, Kumar V. Implications of bacterial multi-metal tolerance for mitigation of heavy metal pollutants from wastewater. Octa Journal of Biosciences. 2021;9:37-44.

[16] Garrity GM, Bell JA, Lilburn TG. Taxonomic outline of the prokaryotes. Bergey’s manual of systematic bacteriology. New York. 2004.

[17] Anusha P, Natarajan D, Narayanan M. Heavy metal removal competence of individual and bacterial consortium, evolved from metal contaminated soil. Materials Today: Proceedings. 2021;In press.

[18] Sharma B, Shukla P. A comparative analysis of heavy metal bioaccumulation and functional gene annotation towards multiple metal resistant potential by Ochrobactrum intermedium BPS-20 and Ochrobactrum ciceri BPS-26. Bioresource Technology. 2021;320:124330.

[19] Villagrasa E, Palet C, López-Gómez I, Gutiérrez D, Esteve I, Sánchez-Chardi A, et al. Cellular strategies against metal exposure and metal localization patterns linked to phosphorus pathways in Ochrobactrum anthropi DE2010. Journal of Hazardous Materials. 2021;402:123808.

[20] Chen C-Y, Cheng C-Y, Chen C-K, Hsieh M-C, Lin S-T, Ho K-Y, et al. Hexavalent chromium removal and bioelectricity generation by Ochrobactrum sp. YC211 under different oxygen conditions. Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2016;51:502-8.

[21] Gupta P, Diwan B. Bacterial exopolysaccharide mediated heavy metal removal: a review on biosynthesis, mechanism and remediation strategies. Biotechnology Reports. 2017;13:58-71.

[22] Kiran MG, Pakshirajan K, Das G. Heavy metal removal from multicomponent system by sulfate reducing bacteria: mechanism and cell surface characterization. Journal of hazardous materials. 2017;324:62-70.

[23] Li D, Xu X, Yu H, Han X. Characterization of Pb2+ biosorption by psychrotrophic strain Pseudomonas sp. I3 isolated from permafrost soil of Mohe wetland in Northeast China. Journal of environmental management. 2017;196:8-15.

[24] Peng H, Li D, Ye J, Xu H, Xie W, Zhang Y, et al. Biosorption behavior of the Ochrobactrum MT180101 on ionic copper and chelate copper. Journal of environmental management. 2019;235:224-30.

[25] Li M, Ali A, Li Y, Su J, Zhang S. The performance and mechanism of simultaneous removal of calcium and heavy metals by Ochrobactrum sp. GMC12 with the chia seed (Salvia hispanica) gum as a synergist. Chemosphere. 2022;297:134061.

[26] Jiang Y, Zhao X, Zhou Y, Ding C. Effect of the phosphate solubilization and mineralization synergistic mechanism of Ochrobactrum sp. on the remediation of lead. Environmental Science and Pollution Research. 2022:1-16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The role of Ochrobactrum anthropi and Ochrobactrum tritici bacteria in biosorption of copper

 

Hajar Abyar1*, Mohsen Nowrouzi2

1Department of Environmental Sciences, Faculty of Fisheries and Environmental Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan 49189-43464, Iran.

2Department of Science and Biotechnology, Faculty of Nano and Bio Science and Technology, Persian Gulf University, Bushehr 75169-13798, Iran

 

Abstract

The increasing development of industries and refineries has enhanced heavy metals as a worldwide environmental problem, which shows a potential threat to humans, animals, and plants due to their non-degradable and stable characteristics. Many heavy metal compounds are highly soluble in water which facilitates their easy transfer into the food chain and accumulation in the environment such as excessive amounts of heavy metals in sediments, wastes, and aquatic organisms. There is numerous microbial biomass with different enzymatic capabilities to bioremediate heavy metals such as fungi, bacteria, and algae. Bacteria with a high surface area to volume ratio and easy availability could adsorb heavy metals using functional groups such as hydroxyl, carbonyl, and carboxyl on their cell wall. Therefore, in this study, the use of biological and cost-effective methods to remove heavy metals from aqueous solutions was considered. For this purpose, the potential of marine bacteria isolated from Khor Musa sediments, which are located in the northwest Persian Gulf, in removing copper was evaluated. The sediment samples were diluted in the NaCl solution and cultivated on the nutrient agar media containing copper concentrations of 10, 50, and 100 mg/L. After 3 days of incubation at 30 °C, the bacteria colonies on the media with a 100 mg/L copper concentration were isolated and purified for further assessment. The primary identification of the isolated bacteria was performed using gram staining and the potassium hydroxide (KOH) test. Then, biochemical tests and the 16S rRNA sequence were utilized to accomplish the bacterial identification. The potential of isolated bacteria in copper removal was evaluated under 50, 100, and 200 mg/L copper concentrations for 150 min. The sampling was performed in 30 min intervals using atomic absorption spectroscopy. Cultivation of sediment samples in a nutrient agar medium containing concentration of 10 to 100 mg/L of copper led to the isolation and identification of two resistant bacteria from the genus Ochrobactrum sp. Both bacteria were gram-negative and rod-shaped, positive mobility and oxidase tests, negative methyl red (MR) and Voges-Proskauer (VP), and H2S producing in triple sugar iron agar (TSI) test. Furthermore, glucose and maltose tests indicated that the isolated bacteria were oxidative. The bacterium O. anthropi strain YX0703 illustrated a remarkable performance in which that removed 71.08% and 63.96% of copper metal in concentrations of 100 and 200 mg/L, respectively. In addition, a range of copper removal in a concentration of 50 mg/L was from 47.3% after inoculation, to 72.6% at 120 min. The maximum removal of copper was observed in the first 60 min of exposure to the metal equivalent to 64.92%. While, the highest percentage of metal removal by O. tritici strain AN4 was obtained at a concentration of 50 mg/L, equivalent to 72.62%, and when the concentration increased to 200 mg/L, the removal rate decreased to 49.97%. It is noteworthy to mention that O. tritici strain AN4 removed 58.22% of copper at a concentration of 100 mg/L in 90 min while the removal trend was relatively constant after 90 min exposure to the copper. The samples containing copper without bacterial inoculation were considered as control which showed a constant concentration during the experiments. Comparing the amount of copper absorbed by bacteria in different concentrations showed a significant difference (p<0.05) and with the increase in copper concentration, the amount of metal absorbed by bacteria enhanced. In fact, the biosorption of metal ions to the cell wall of microorganisms continues until a balance is established between the absorbed ions and the number of remaining ions in the solution, therefore, at high concentrations due to the abundance of metal ions, more ions must be absorbed by the bacteria. According to the obtained results, more than 70% of a 50 mg/L copper concentration was absorbed by both O. tritici strain AN4 and O. anthropi strain YX0703 in 150 min. The performance of bacteria in concentrations of 100 and 200 mg/L was also impressive, which indicates the high capacity of these bacteria in the biosorption of copper. Therefore, by providing optimal growth conditions, the potential of this group of bacteria can be used to reduce heavy metal pollution in the southern aquatic ecosystems, especially in areas that are heavily influenced by human activities. Moreover, Generally, the obtained results depicted the possibility of using these bacteria to treat wastewater contaminated with heavy metals.

Keywords: Biological removal, Khor Musa, Ochrobactrum sp., Sediment

2

 

---