نقش باکتریهای Ochrobactrum anthropi و Ochrobactrum tritici در جذب زیستی فلز مس
هاجر آبیار
1
(
استادیار گروه محیط زیست، دانشکده شیلات و محیط زیست، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
)
محسن نوروزی
2
(
استادیار گروه علوم زیستی، دانشکده علوم و فناوری نانو و زیستی، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
)
کلید واژه: رسوب, خور موسی, حذف زیستی, باکتریهای Ochrobactrum sp,
چکیده مقاله :
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.
چکیده انگلیسی :
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.
_||_
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
 |
|
a |
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
