تاثیر فاکتورهای نیتروژن، فسفر وکادمیوم در جذب زیستی توسط باکتری Halomonas elongata IBRC-M10433

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد میکروبیولوژی، دانشکده علوم پایه ، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران *(مسوول مکاتبات).

2 دانشیار میکروبیولوژی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.

10.22034/jest.2018.21607.3074

چکیده

زمینه و هدف: پساب های صنعتی به عنوان مهم ترین آلاینده های محیط زیستی محسوب می شوند که حاوی مقادیر فراوان از فلزات سنگین وتراکم بالای نمک می باشند .بیو تکنولوژی حذف فلزات سنگین از پساب های صنعتی با بکارگیری توانایی میکروارگانیسم ها به عنوان روشی مناسب و بهینه دراین  زمینه در حال توسعه است. شناسایی باکتری های مقاوم به فلزات سمی و استفاده آن ها در فرآیند حذف زیستی تکنیکی پیچیده و مفید است. در این مطالعه توانایی سویه باکتریHalomonaselongata IBRC-M10433 جداشده از رسوبات دریاچه ارومیه در حذف فلز کادمیوم مورد بررسی قرار گرفت. هدف از این مطالعه بهینه سازی شرایط محیطی حذف فلز کادمیوم توسط باکتری Halomonas elongata IBRC- M10433بود.
روش بررسی : طراحی آزمایش به روش تاگوچی به منظور تعیین شرایط بهینه نسبی فاکتورهای محیطی مانند کلریدآمونیوم (NH4Cl) به عنوان منبع نیتروژن، فسفات پتاسیم (K2HPo4) به عنوان منبع فسفرو غلظت کادمیوم در حذف زیستی کادمیوم توسط باکتری   Halomonas elongata IBRC- M10433 مورد مطالعه قرار گرفت. آنالیز داده ها با استفاده از نرم افزارکامپیوتری Qualitek-4  انجام شد و اهمیت نسبی هریک از عوامل تعیین گردید.
یافته ها : شرایط بهینه جذب در غلظت فسفات پتاسیم 3/0 گرم بر لیتر، کادمیوم100میلی گرم بر لیتروکلریدآمونیوم 2گرم بر لیتردر دمای 37 درجه سانتی گراد و pH 7 تعیین شد. سطح 1 فسفات پتاسیم یعنی 3/0 گرم بر لیترموثرترین فاکتور درجذب زیستی بود.
بحث و نتیجه گیری:  با توجه به  هزینه بالا و مشکلات محیط زیستی روش های مرسوم  حذف فلزات سنگین، حذف زیستی تکنیکی موثر و مقرون به صرفه می باشد. استفاده از باکتری های نمک دوست نسبی در پالایش زیستی با قدرت بالای جذب فلزات سنگین مفید می باشد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره پنج ، مردادماه 98

                                        

 

  تاثیر فاکتورهای نیتروژن، فسفر وکادمیوم در جذب زیستی توسط باکتری

 Halomonas elongata IBRC-M10433

 

 

زهرا کهراریان [1]*

Zahra.kahrarian@gmail.com

مجتبی تاران [2]

 

تاریخ دریافت:1/8/95

تاریخ پذیرش:29/10/95

 

چکیده

زمینه و هدف: پساب های صنعتی به عنوان مهم ترین آلاینده های محیط زیستی محسوب می شوند که حاوی مقادیر فراوان از فلزات سنگین وتراکم بالای نمک می باشند .بیو تکنولوژی حذف فلزات سنگین از پساب های صنعتی با بکارگیری توانایی میکروارگانیسم ها به عنوان روشی مناسب و بهینه دراین  زمینه در حال توسعه است. شناسایی باکتری های مقاوم به فلزات سمی و استفاده آن ها در فرآیند حذف زیستی تکنیکی پیچیده و مفید است. در این مطالعه توانایی سویه باکتریHalomonaselongata IBRC-M10433 جداشده از رسوبات دریاچه ارومیه در حذف فلز کادمیوم مورد بررسی قرار گرفت. هدف از این مطالعه بهینه سازی شرایط محیطی حذف فلز کادمیوم توسط باکتری Halomonas elongata IBRC- M10433بود.

روش بررسی : طراحی آزمایش به روش تاگوچی به منظور تعیین شرایط بهینه نسبی فاکتورهای محیطی مانند کلریدآمونیوم (NH4Cl) به عنوان منبع نیتروژن، فسفات پتاسیم (K2HPo4) به عنوان منبع فسفرو غلظت کادمیوم در حذف زیستی کادمیوم توسط باکتری   Halomonas elongata IBRC- M10433 مورد مطالعه قرار گرفت. آنالیز داده ها با استفاده از نرم افزارکامپیوتری Qualitek-4  انجام شد و اهمیت نسبی هریک از عوامل تعیین گردید.

یافته ها : شرایط بهینه جذب در غلظت فسفات پتاسیم 3/0 گرم بر لیتر، کادمیوم100میلی گرم بر لیتروکلریدآمونیوم 2گرم بر لیتردر دمای 37 درجه سانتی گراد و pH 7 تعیین شد. سطح 1 فسفات پتاسیم یعنی 3/0 گرم بر لیترموثرترین فاکتور درجذب زیستی بود.

بحث و نتیجه گیری:  با توجه به  هزینه بالا و مشکلات محیط زیستی روش های مرسوم  حذف فلزات سنگین، حذف زیستی تکنیکی موثر و مقرون به صرفه می باشد. استفاده از باکتری های نمک دوست نسبی در پالایش زیستی با قدرت بالای جذب فلزات سنگین مفید می باشد.

 

واژه های کلیدی : حذف زیستی، کادمیوم، تاگوچی، دریاچه شور،Halomonas elongata IBRC-M10433

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.5,July, 2019

 

 

 

 

 


The effect of nitrogen, phosphorus and cadmium on biological uptake by bacteriaHalomonas elongata IBRC-M10433

 

Zahra Kahrarian[3] *

Zahra.kahrarian@gmail.com

Mojtaba Taran[4]  

 

Admission Date: January 18, 2017

Date Received: October 22, 2016

 

Abstract

Background and Objective: Industrial waste is considered as the most important environmental pollutants that contain significant amounts of heavy metals are high salt density.Biotechnology removal of heavy metals from industrial wastewater Babkargyry proved the ability of microorganisms developing in this field as an appropriate and efficient.In this study, the ability of strains of bacteria isolated from sediments of Lake Urmia Halomonas longate IBRC-M10433 for the removal of cadmium was investigated. The aim of this study was to optimize the removal of cadmium by bacterial environment was Halomonas longate IBRC- M10433.

Method: Design of Experiments Taguchi method to determine the optimum conditions relative to environmental factors such as Ammonium chloride (NH4Cl) as a source of nitrogen, and phosphate potassium (K2HPO4) as a source of phosphorus and cadmium concentrations in biological removal of cadmium was studied by the bacterium Halomonas longata IBRC- M10433.

Findings: The optimum conditions for absorption of potassium phosphate at a concentration of 3.0 g/L, cadmium 100 mg/L, Ammonium chloride 2 g/L, at 37 °C and pH 7, respectively. Level 1 means that 3.0 g of potassium phosphate absorption biological factors.

Discussion and Conclusion: Due to high costs and environmental problems conventional methods to remove heavy metals, biological removal technique is effective and affordable. Use halophilic bacteria in biological treatment with high power absorption of heavy metals are useful.

                         

Keywords: Biological removal, cadmium, Taguchi, Salt Lake, Halomonas elongata IBRC-M10433

 

 

 

 

مقدمه


با توسعه صنعت شرایط زندگی بهبود یافته است اما به دلیل انتشار مقادیر زیادی از آلاینده ها به محیط زیست که از طریق هوا، آب و خاک صورت گرفته است، زندگی را تحت تاثیر قرار داده است (1).  استفاده فراوان از فلزات سنگین باعث انتشار مواد سمی به محیط زیست شده است (2). در غلظت های پایین، فلزات اغلب  به عنوان اجزای مهم در فرآیندهای زیستی عملکردهای مهم در تولید آنزیم دارند. اما در غلظت های بالاتر از حد خاص،  می توانند سمی باشند(3). خطر اصلی فلزات به علت خاصیت پایداری و عدم تجزیه در محیط زیست و تجمع پذیری آنها در بدن موجودات زنده است که وارد زنجیره غذایی شده و در کل اکوسیستم به گردش در آمده و به مواد سمی و خطرناک که خاصیت سرطان زایی دارند تبدیل خواهند شد (4). فلزات سنگین جایگزین فلزات ضروری موجود درجایگاه های اتصال می شوند و از این طریق باعث تخریب  DNA و RNA، مهار سنتز پروتئین ها، مانع فرآیندهای آنزیمی و مهار تقسیم سلولی و فرآیندهای سلولی می شوند (5).کادمیوم ازجمله فلزات سمی می باشد که نقش زیستی اندکی در موجودات زنده داردو به دلیل پایداری ، محیط زیست را به طور گسترده ای آلوده می کند (6).کادمیوم باعث بیماری های حاد و مزمنی مانند سرطان،  ناراحتی کلیوی ،ریوی، کاهش وزن، آسیب کلیه، ناراحتی گوارشی و استخوان می شود(7). جذب کادمیوم  دارای مکانیسم مشابه ای باجذب کلسیم وآهن بوده و بنابراین جایگزین یک عنصرضروری شده وجذب می شود، ازاین رو باعث تشدیدکمبودآهن می شود(8). روش های مرسوم حذف فلزات سنگین  مانند ته نشینی شیمیایی، تعویض یونی، تصفیه شیمیایی، تکنولوژی غشایی، اسمز معکوس و تبخیر به دلیل گرانی، کارایی پایین،تولید لجن وتولید ترکیبات شیمیایی ثانویه دارای محدودیت می باشند(9). به دلیل هزینه بالای روش های رایج حذف فلزات سنگین نیاز به توسعه روش های  نوین ،کارآمدتر و اقتصادی می- باشد(10).پاک سازی زیستی فرایندی است که در آن از اجزای سلولی یا فعالیت های متابولیکی میکروارگانیسم ها می توان جهت حذف مواد سمی از محیط و تبدیل آن ها به مواد غیر سمی و بی -خطر استفاده کرد(11) . فرآیندجذب بیولوژیکی کم هزینه، سازگار با محیط زیست و دارای  راندمان بالا در جذب است این  روش کار آمد جهت رفع آلودگی از محیط آبی در حال توسعه است. باکتری­ها به علت دارا بودن رشد سریع و ظرفیت جذب بالا و سازگاری به اکثر شرایط محیطی به عنوان یک جاذب بیولوژیکی  موثر بکار گرفته می شوند(12) .مکانیسم های مختلف مقاومت میکروبی به فلزات شامل تجمیع زیستی[5] ، جذب زیستی[6]، فروشویی زیستی[7]، تبدیل زیستی[8]ومعدنی سازی زیستی[9] می باشند(13،14). این مکانیسم ها سبب تسهیل عملکرد پاک سازی زیستی توسط میکروب ها می شوند، لذا می تواند مارا به استفاده عملی ازآن ها  قادر سازد (15) . باکتری های نمک دوست نسبی، درمحیط کشت حاوی 15-3درصد نمک دارای رشد بهینه می باشند. این باکتری ها دارای آنزیم هایی فعال در شوری بالا هستند و به دلیل داشتن رشد سریع،  نیاز غذایی کم و عدم ایجاد آلودگی در محیط زیست در فرایندهای صنعتی استفاده فراوان دارند (16) . باکتری های نمک دوست نسبی  دارای پتانسیل بالایی در بیوتکنولوژی و نانو بیوتکنولوژی هستندو بسیاری از آن ها ترکیبات صنعتی  مفیدی نظیر آنزیم ها، پلیمرها، پیگمان و غیره را تولید می کنند(17). اغلب فرایندهای صنعتی در شرایط  خاص فیزیکی و شیمیایی انجام می شوند افزایش غلظت نمک می تواند برای میکروارگانیسم ها کشنده باشد. این در حالی است  که مقاومت  در باکتری های نمک دوست به یون های سدیم و پتاسیم بستگی دارد و  برای رشد و فعالیت آنزیم ها و پمپ ها  ضروری هستند (18). فاکتورهای محیطی در رشد و عملکرد میکروارگانیسم ها در حذف فلزات سنگین بسیار موثراست لذا به بررسی نقش عوامل محیطی پرداخته شده. حذف فلزات به وسیله میکروارگانیسم ها به فاکتورهای محیطی مانند pH، دما، غلظت فلز، مقدار بیومس توده زیستی و همچنین زمان تعادل بستگی دارد(19) . شرایط محیطی بهینه از نظر عوامل مؤثردررشد باعث می شوندکه باکتری ها حداکثر رشد و تکثیررا داشته باشندو محیط نامساعد باعث کاهش  رشدآن ها میشود(20). هدف از این تحقیق بررسی تاثیر فاکتورهای محیطی در حذف فلزسنگین کادمیوم از محلول آبی توسط باکتریHalomonas elongata IBRC-M10433 است. در این مطالعه با روش تاگوچی ارتباط بین فاکتورهای موثر بر روی فرآیند جذب زیستی به دست آمد که با استفاده از آن شرایط بهینه فاکتورها تعیین شد. بهینه سازی شرایط محیطی باعث افزایش راندمان می شود. محدوده دمایی مورد مطالعه دمای طبیعی است که در مقیاس صنعتی نیاز به هزینه های سرمایشی و گرمایشی ندارد. با کم ترین مقدار جاذب مصرفی بیش ترین مقدار ظرفیت جذب به دست آمدکه از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است.

 

مواد و روش ها

کشت میکروارگانیسم باکتری Halomonas elongata IBRC-M10433 از مرکز ذخایر زیستی و ژنتیکی ایران خریداری شد. برای رشد باکتری از محیط کشت نمکی حاوی نمک های (مرک) زیر در حجم یک لیتر استفاده گردید.

1- سولفات منیزیم+ 5 H2o   Mg So4     5/1 گرم برلیتر

2- کلریدآمونیوم،        NH4Cl    5/1،2،5/2 گرم برلیتر

3-فسفات پتاسیم،    K2HPo4       3/0،6/0، 9/0گرم برلیتر

4-سولفات آهن، + 5 H2o      Fe So4005/0گرم برلیتر

5- گلوکز               Glucose      10 گرم بر لیتر

6- کلریدسدیم                 NaCl 150گرم بر لیتر

7-آب مقطر

برای رشد میکروارگانیسم از محیط کشت حاوی نمک های فوق و همچنین از کلرید آمونیوم (NH4Cl) به عنوان منبع نیتروژن و فسفات پتاسیم ( K2HPo4) به عنوان منبع فسفر استفاده شد. به دلیل دسترسی آسان و استفاده صنعتی این مواد انتخاب شدند.  

طراحی آزمایش

طراحی آزمایش باروش تاگوچی صورت گرفت. در این روش ابتدا فاکتورهای تاثیر گذار در فرایند جذب زیستی انتخاب شدند. طراحی شامل سه فاکتورو درسه سطح مورد بررسی قرار گرفت. فاکتورهایی مانند غلظت اولیه فلزکادمیوم و غلظت کلرید آمونیوم و فسفات پتاسیم در جذب زیستی مورد بررسی قرار گرفت. درجدول (1) فاکتورهای مورد مطالعه و سطوح آن ها نشان داده شده است.

 

جدول 1- فاکتورها و سطوح انتخابی فاکتورها

Table 1. Selected factors and factor levels

سطح3

سطح2

سطح 1

فاکتورها

2/5

2

1/5

کلرید آمونیوم (گرم بر لیتر)

0/9

0/6

0/3

فسفات پتاسیم (گرم بر لیتر)

200

100

50

کادمیوم(میلی گرم بر لیتر)

 

به محیط کشت مطابق طراحی تاگوچی فاکتورهای کلرید آمونیوم(NH4Cl) با غلظت های 5/1، 2، 5/2 گرم بر لیتر و فسفات پتاسیم( K2HPo4) با غلظت های3/0، 6/0، 9/0گرم بر لیتر اضافه شد. جدول (2)

طراحی آزمایش به روش تاگوچی در این تحقیق شامل 9 آزمایش است. به این منظور از 9 ارلن 100 میلی لیتر حاوی 20 میلی لیتر از محیط کشت استفاده شد.  pH محیط کشت خنثی 7 در نظر گرفته شد.


 

 

 

 

جدول 2-آزمایشات طراحی شده به روش تاگوچی

Table 2. Experimental design Taguchi

کادمیوم

 (میلی گرم برلیتر)

فسفات پتاسیم

(گرم بر لیتر)

کلرید آمونیوم

(گرم بر لیتر)

آزمایش

50

3/0

5/1

1

100

6/0

5/1

2

200

9/0

5/1

3

100

3/0

2

4

200

6/0

2

5

50

9/0

2

6

200

3/0

5/2

7

50

6/0

5/2

8

100

9/0

5/2

9

 

 

 

بعد از استریل کردن محیط کشت با اتوکلاو باکتری با غلظت CFU/ml107(معادل5/0لوله مک فارلند) به محیط کشت به نسبت 5 درصد آلودگی یعنی 1 میلی لیتر تلقیح شدو به مدت 48 ساعت در انکوباتور با دور rpm 120در دمای 37 درجه سانتی گراد به مدت 48 ساعت گرماگذاری شد.آن گاه غلظت های کادمیوم(50،100،200) میلی گرم بر لیترراکه با رقیق سازی از استوک اولیه 5000 میلی گرم کلرید کادمیوم تهیه شده به محیط کشت حاوی باکتری اضافه شد ودر انکوباتور بادور rpm 120در دمای 37 درجه سانتی گراد به مدت 48 ساعت گرماگذاری شد. بعد از مدت زمان طی شده سانتریفیوژ دردورrpm 10000 به مدت 10 دقیقه انجام شد و 1 میلی لیتر از مایع سوپرناتانت، فاز رویی حاصل از سانتریفیوژ توسط دستگاه جذب اتمی Atomic Absorption Inc.Varian Spectr AA220) ) به منظور بررسی میزان جذب کادمیوم، مورد سنجش قرار گرفت(21) .

توانایی باکتری در حذف کادمیوم از محلول فلزی با کسر میزان کادمیوم اندازه گیری شده توسط دستگاه جذب اتمی از غلظت اولیه فلزکادمیوم طبق رابطه زیر به دست آمد.میزان جذب برحسب میلی گرم بر لیتر و به صورت درصدی محاسبه شد.

R=[1-(Cp/ Cf)]×100

R میزان جذب فلز توسط بیومس

Cp غلظت کادمیوم اندازه گیری شده توسط دستگاه جذب اتمی

Cf غلظت اولیه کادمیوم

 

تخمین ظرفیت جذب زیستی کادمیوم

ستون آخرجدول (3) نشان دهنده حداکثر بازده جذب فلز کادمیوم 80%  می باشدکه در سطح 1 غلظت کادمیوم یعنی 50 میلی گرم بر لیتر،در سطح 1 کلریدآمونیوم یعنی5/1 گرم بر لیتر و فسفات پتاسیم 3/. گرم بر لیتردرpH  7 و دمای 37 درجه است وحداقل مقدار جذب  35%  می باشدکه در سطح 3 غلظت کادمیوم یعنی 200 میلی گرم بر لیتر،در سطح 1 کلریدآمونیوم یعنی5/1 گرم بر لیتر وسطح 3 فسفات پتاسیم یعنی 9/0 گرم بر لیتراست.

 

 


 

 

تجزیه و تحلیل آماری داده ها

 

نتایج با استفاده از نرم افزارکامپیوتری ( Qualitek-4 (V. 14.5, Nutek Inc., MI, USA مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. از تحلیل واریانس آنووا ANOVA)) برای آنالیز داده ها و اهمیت نسبی هریک از عوامل استفاده شد.

 

 

جدول 3- ظرفیت جذبزیستی فلز کادمیوم

Table 3. Bioabsorption capacity of cadmium

آزمایش

کلرید آمونیوم

 (گرم بر لیتر)

فسفات پتاسیم

(گرم بر لیتر)

کادمیوم میلی

(گرم بر لیتر)

(%)جذب

1

5/1

3/0

50

80

2

5/1

6/0

100

74

3

5/1

9/0

200

35

4

2

3/0

100

50/69

5

2

6/0

200

50/77

6

2

9/0

50

59

7

5/2

3/0

200

50/63

8

5/2

6/0

50

75/60

9

5/2

9/0

100

50/60


نتایج تاثیرعوامل موثر بر جذب زیستی


درجدول (4) موثرترین سطوح  فاکتورها در جذب زیستی شامل سطح 1غلظت فسفات پتاسیم یعنی3/0گرم بر لیتر، سطح 2 غلظت کادمیوم یعنی100میلی گرم بر لیتر و سطح 2 غلظت کلریدآمونیوم یعنی 2 گرم بر لیترنشان داده شده است.بیش ترین تاثیر در جذب زیستی مربوط به  سطح 1غلظت فسفات پتاسیم یعنی3/0گرم بر لیتر است.این نتایج به کمک نرم افزارکامپیوتری Qualitek-4 آنالیزشد.

 

 

جدول4- نتایج ومیانگین داده ها

Table 4. The results mean data

SD±x

تکرار3

تکرار2

تکرار1

سطح

فاکتورها

481/6±416/64

35

74

80

5/1

کلریدآمونیوم (گرم بر لیتر)

 

59

5/77

5/69

2

5/60

75/60

5/63

5/2

376/19±416/64

5/63

5/69

80

3/0

فسفات پتاسیم (گرم بر لیتر)

75/60

5/77

74

6/0

5/60

59

35

9/0

78/8±416/64

75/60

59

80

50

کادمیوم

(میلی گرم بر لیتر)

5/60

5/69

74

100

5/63

5/69

35

200


اختلاف سطوح فاکتورهای موثربرجذب در جدول (5) نشان داده شده است. به طوری که درفاکتور کلریدآمونیوم با افزایش سطوح جذب کاهش یافت یعنی افزایش سطح تاثیر معنی داری بر میزان  جذب زیستی نداشته است .در فسفات پتاسیم با افزایش سطح تاثیر کاهشی برمیزان جذب زیستی داشته است. یعنی افزایش سطح تاثیر معنا داری بر میزان  جذب زیستی نداشته است.

 

جدول5- اختلاف سطوح فاکتورهای موثر بر میزان  جذب زیستی

Table5-Different levels of biological factors affecting

فاکتورها

سطح 1

سطح 2

سطح 3

سطح 2- سطح 1

کلریدآمونیوم (گرم بر لیتر)

63

68/66

61/58

5/66

فسفات پتاسیم (گرم بر لیتر)

71

70/75

51/5

0-/25

کادمیوم (میلی گرم بر لیتر)

58/66

68

58/66

1/417

نتایج تاثیر غلظت کادمیوم برمیزان جذب زیستی

 

مطالعه میزان جذب کادمیوم در غلظت های 50، 100و200 میلی گرم برلیتر کادمیوم نشان داد با افزایش غلظت کادمیوم ابتدادر سطوح 1و 2غلظت کادمیوم یعنی50و100 میلی گرم بر لیتر جذب زیستی افزایش داشت ولی با افزایش سطوح کادمیوم به 200 میلی گرم جذب زیستی کاهش یافت . افزایش سطوح کادمیوم تاثیر معنا داری برمیزان جذب زیستی نداشته است. این نتیجه نشان دادکه باکتری قادر به رشد در محیط حاوی کادمیوم است که با افزایش سطح کادمیوم درصد جذب توسط توده سلولی کاهش یافت. این امر می تواند به علت غلظت بالای کادمیوم وتولید سمیت ناشی ازآن باشدکه مانع از رشد و فعالیت باکتری شده است. نمودار (1).

 

               

                                 کادمیوم (میلی گرم برلیتر)

نمودار1-میانگین غلظت کادمیوم برروی جذب زیستی

Figure 1. Average Concentration as cadmium on Biosorption

 


نتایج تاثیر غلظت کلریدآمونیوم برمیزان جذب زیستی

مطالعه میزان جذب کادمیوم در غلظت های 5/1، 2و 5/2 گرم بر لیتر کلرید آمونیوم  نشان داد با افزایش غلظت کلریدآمونیوم ابتدادر سطح 1و 2 یعنی غلظت5/1و 2 گرم برلیتر کلرید آمونیوم  جذب زیستی افزایش یافت که بیش ترین جذب در سطح 2 گرم بر لیترمشاهده شد. سپس با فزایش  غلظت به 5/2 گرم بر لیتر جذب کاهش یافت. افزایش سطوح کلریدآمونیوم تاثیر معناداری بر میزان جذب زیستی نداشته است. این امر می تواند به علت کاهش رشد باکتری باشد. نمودار (2).


 

کلریدآمونیوم (گرم بر لیتر)

نمودار2- میانگین غلظت کلریدآمونیوم برروی جذب زیستی

Figure 2. Average Concentration as Ammonium chloride (NH4Cl) on Biosorption

تاثیر غلظت فسفات پتاسیم برمیزان جذب زیستی


مطالعه میزان جذب کادمیوم در غلظت های 3/0، 6/0و 9/0 گرم بر لیتر فسفات پتاسیم  نشان داد با افزایش غلظت فسفات پتاسیم ابتدادرسطح 1 فسفات پتاسیم یعنی 3/0 گرم بر لیتر جذب زیستی افزایش یافت که با افزایش سطح در سطح 3یعنی 9/0 گرم برلیتر کاهش جذب مشاهده شد. این نتیجه می تواند به علت کاهش فعالیت و تکثیر باکتری باشد. باکتری ها در غلظت های خاصی از فسفات پتاسیم به عنوان منبع فسفر رشد و فعالیت دارند که اگردر محدوده بهینه رشد آن ها  نباشد باکتری رشد نخواهد کردوفعالیت باکتری متوقف می شود. نمودار (3).


 

فسفات پتاسیم(گرم بر لیتر)

نمودار3- میانگین غلظت فسفات پتاسیم برروی جذب زیستی

Figure 3. Average Concentration as phosphate potassium (K2HPO4) on Biosorption

 


تاثیرات متقابل فاکتورهای کلریدآمونیوم، فسفات پتاسیم و کادمیوم برمیزان جذب زیستی

این تاثیرات متقابل براساس شاخص میزان بین دو فاکتورانتخابی اندازه گیری می شودکه ازتا 55/15تا 38/26 تغییر می کند. شدت تاثیرات متقابل بین فاکتورهاکه کم ترین تاثیر رادر جذب کادمیوم داشته است مربوط به اثر متقابل کلریدآمونیوم × فسفات پتاسیم است. بیش ترین تاثیر مربوط به اثر متقابلفسفات پتاسیم ×کادمیوم است . بین فاکتورهای غلظت فسفات پتاسیم و کادمیوم اثر متقابل معنی داری وجود دارد.اثر مقایسه شدت تاثیرمتقابل بین فاکتورها نشان می دهد  که تاثیر  یک فاکتور در جذب زیستی وابسته به شرایط فاکتورهای دیگر است. جدول (6).

 


جدول 6- تاثیرات متقابل فاکتورهای موثربر میزان جذب زیستی

Table 6. interaction of environmental factors influencing uptak

تاثیر جفت فاکتورها بر اساسSI

ستون

شدت تاثیرات متقابل(%)

ستون

شرایط بهینه

فسفات پتاسیم× کادمیوم

2×  3

26/38

1

]1,1[

کلریدآمونیوم× کادمیوم

1×  3

18/33

2

]1,1[

کلریدآمونیوم× فسفات پتاسیم

1×  2

15/55

3

]1,1[

تحلیل واریانس نتایج


در این بررسی از تحلیل واریانس آنووا برای تعیین سهم هرفاکتور،تاثیرسطوح هر فاکتور و تغییرات آن در جذب زیستی استفاده شد. آنالیز آماری نشان داد که فاکتور فسفات پتاسیم دارای بیش ترین درصد تاثیر می باشد برعکس فاکتورهای کلرید آمونیوم و کادمیوم با درصد صفر تاثیر معنا داری بر جذب زیستی نداشتند.جدول (7).


 

جدول 7- آنالیزواریانس نتایج

 Table 7. Analysis of Results

فاکتورها

سطح

سهم (%)

کلریدآمونیوم (گرم بر لیتر)

2

4/249

فسفات پتاسیم (گرم بر لیتر)

1

6/583

کادمیوم( میلی گرم بر لیتر)

2

3/583

414/14

416/64

831/78

جمع سهم فاکتورها

میانگین پاسخ های فعلی درآزمایش های انجام شده

نتیجه قابل انتظار در شرایط بهینه

       

 


شرایط بهینه نسبی فاکتورهای موثربرجذب زیستی

موثرترین پارامتر در جذب زیستی دراین بررسی سطح 1 فسفریعنی3/0 گرم بر لیتراست و حداکثر راندمان جذب زیستی فلز کادمیوم    درشرایط بهینه محیطی شامل سطح 1فسفات پتاسیم یعنی3/0گرم بر لیتر، سطح 2کادمیوم یعنی 100 میلی گرم بر لیترو سطح 2کلریدآمونیوم یعنی 2 گرم بر لیتر در  pH7 ودمای 37 درجه است . با توجه به نتایج می توان شرایط بهینه نسبی برای رسیدن به حداکثر میزان جذب زیستی کادمیوم نسبت به سه سطح هرعامل برآورد نمود.که با اعمال شرایط بهینه پاسخی نزدیک 831/78  به دست خواهدآمد. جدول(8).

 


 

 

 

جدول8-شرایط بهینهنسبی فاکتورهای موثربرجذب زیستی

 Table 8. Optimal conditions relative biological factors

درصدP(%)

مجموع مربعات خالص (S)

واریانس (V)

جمع مربعات

درجه آزادی (f)

فاکتورها

0

0

0145/42

84/29

2

کلریدآمونیوم (گرم بر لیتر)

19/356

281/833

375/437

750/875

2

فسفات پتاسیم (گرم بر لیتر)

0

0

75/896

151/793

2

کادمیوم( میلی گرم بر لیتر)

80/644

 

234/52

469/041

2

خطا

100/00%

 

 

1456

8

جمع

بحث

 

باافزایش غلظت یون های فلزی اولیه،تعدادبرخورد یون های فلزی وجاذب را افزایش می دهدکه  این امر باعث افزایش روندجذب می شود البته این روند تا زمانی ادامه دارد که سایت ها از فلز اشباع شوند(22و23). در این مطالعه با افزایش غلظت کادمیوم ابتدا جذب افزایش یافت. بیش ترین جذب در غلظت 100 میلی گرم بر لیتر وکم ترین در غلظت 200 میلی گرم برلیتر مشاهده شد. با افزایش سطح کادمیوم درصد جذب توسط توده سلولی کاهش یافت. مطالعات مشابه توسطPatel و همکاران (2006) انجام شده در باکتری Halomonas seurihalina مقاوم به کادمیوم که جذب زیستی در سطوح بالا غلظت کادمیوم کاهش داشت(24). در مطالعه ای شریعت(1382)  بررسی حذف کادمیوم از آب توسط توده باکتری انجام شد. درابتدای فرآیند سرعت جذب بالا بود که مربوط به سطح آماده جاذب در شروع فرآیند و سایت های فعال جذب بود که به سرعت کادمیم را جذب کرد.به تدریج با افزایش زمان فرآیند و افزایش تعداد یونهای کادمیم سرعت جذب کاهش یافت. که این نتایج با مطالعه حاضر هم خوانی دارد(25).

درفاکتور کلریدآمونیوم ابتدادر سطح 1 یعنی غلظت 5/1گرم برلیترو سطح 2 یعنی غلظت 2 گرم برلیتر جذب زیستی افزایش داشت ولی با افزایش سطح کاهش یافت. به دلیل این که باکتری ها در غلظت- های خاصی از نیتروژن رشد می کنند که اگر در محدوده رشدشان نباشد فعالیت و تکثیرشان متوقف می­شود. اضافه کردن کلرید آمونیوم در غلظت های خاصی باعث افزایش رشد باکتری وتسهیل جذب فلز می شود. میزان تجزیه زیستی درطبیعت تحت تاثیر منبع نیتروژن و فسفر می باشد .علاوه بر غلظت  منبع نیتروژن  و فسفر نوع منبع نیتروژن و فسفر نیز در روند تجزیه زیستی بسیار تاثیرگذار است. Sendstatein (1976) عنوان کرد که افزودن نیتروژن و فسفات معدنی، باعث افزایش فرایند تجزیه زیستی می گردد ولی بر میزان کمی تجزیه زیستی تاثیری ندارد (26). منابع  کربن و ازت و نسبت آنها در محیط کشت از جمله عواملی محسوب می شوند که روی محیط کشت اثر می گذارند. افزودن مواد مغذی به محیط کشت سبب دریافت انرژی توسط میکروارگانیسم خواهد شد. درمقایسه با این تحقیق طبق مطالعات انجام شده املاح موجود در محیط کشت اختصاصی نمک دوست ها باعث بهبود و افزایش رشد آن ها می شود(27). ماناسی و همکاران (2014) در تحقیقی بیان داشتند در باکتری Halomonas BVR 1 حداکثر ظرفیت جذب کادمیوم 023/12 میلی گرم ودر غلظت 200 میلی گرم بر لیتر  می­باشد. این باکتری دارای ظرفیت  بالای جذب کادمیوم است و جذب وابسته به pH، دما و زمان تماس می باشدو بستگی به غلظت بالای نمک دارد(28). میزان حذف فلز سنگین تحت تاثیر ترکیب محیط غذایی به ویژه از نظر نوع و نسبت کربن و ازت می باشدوترکیب محیط غذایی  بهینه براساس نیاز هر سویه است. طبق بررسی های انجام شده در بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی اغلب باکتری ها و قارچ ها در  PH نزدیک به خنثی رشد می کنند.بنابراین بهترینPH محیط، همان شرایط خنثی است که معمولا برابر 7 تا8 می باشد(29). مطالعه حاضر در شرایط PHخنثی ودمای 37 درجه سانتی­گراد انجام شده است.

 
 

 

نتیجه گیری

نتایج این تحقیق نشان داد که استفاده از روش تاگوچی جهت بهینه سازی فاکتورهای محیطی موثر برجذب زیستی مفید بود. شرایط بهینه فاکتورهای محیطی در غلظت فسفات پتاسیم 3/0 گرم بر لیتر، کادمیوم 100 میلی گرم بر لیتر و کلریدآمونیوم 2 گرم بر لیتردر دمای 37 درجه سانتی­گراد و pH 7 تعیین شد. فسفات پتاسیم موثرترین فاکتور در جذب زیستی بود. باکتری H. elongata IBRC- M10433 توانایی مناسبی درجهت حذف زیستی کادمیوم دارد و می توان به عنوان ابزاری جهت مطالعات بیش تر در زمینه حذف فلزات سنگین از محلول های آبی و پساب های صنعتی استفاده نمود.

Reference

  1. Ansari, M. I. andMalik, A., 2007. Biosorption of nickel and cadmium metal resistant bacterial isolates from agricultural soil irrigated within dustrial waste water, J. Bioresour. Technol,vol.98, pp.3149–3153.
  2. Mair, R.M. Papper, L.L., Gebra, C. P,. 2000.EnviromentalMicrobiology. ACADEMICPress, chpter17,403-423.
  3. Rainbow, P. S. and White, S.L., ,1989. Comparative strategies of heavy metalaccumulation by crustaceans: zinc, copperand cadmium in adecapod. an amphipodandabarnacle. J. Hydrobiolo, Vol.174, pp.245-262.
  4. Patel, J.S., Patel, PC., and Kalia K. (2006). Isolation and characterization of nickel uptake by nickel resistant bacterial isolate. J.Bi. Environ. Sci, vol., 19(4), pp.297-301.
    1. Manasi, A., Rajesh, V., Krishna Kumar, A. and Rajesh, N. ,2014). Biosorption of cadmium using anovel bacterium isolated from an electronic industry effluent, J. Chem. Eng., vol.235, pp.176–185.
  1. Desguin, B., Goffin, P., Viaene, E., Kleerebezem, M., Martin-Diaconescu, V., Maroney, M.J., Declercq, J. P., Soumillion, P. & Hols, P., 2014.Lactate racemase is a nickel-dependent enzyme activated by a widespread maturation system. Nat. Commun. Vol. 5, pp. 3615.
  2. Gasemi, S. ,2006. Biosorption of copper from waste water by activated carbon preparealge sargssum spand gracilaria, J. corticata, vol. 11, pp.3-
  3. Benavides, M.P. Gallego, S.M. Tomaro, M. L, 2005.ACADMIUM toxicity in plants Braz.J. of plant physiol, vol .171, pp.21-34.
  1. Hetzer, A., Daughney, C.J. and Morgan, H.W. ,2006. Cadmium ion Biosorpation by thermophilic bacteria Geobacillus stear other mophilusand G. therm ocatenulatus. J. Appl. Environ. Microbiol, vol .72, pp.4020-4027.
  2. Allun, H.K., Rond, S. R., Settalluri, V.S., Bondili, J.S. and Venkateshwar, S.V., 2007.Biosorption Aneco friendly alternative forheavymetal removal, African.J. Biotecchnol, Vol. 6, pp.2924-2931.
  1. Quintelas, C., Fernandes, B., Castro J., Figueiredo, H., TavaresT., 2008.Biosorption of Cr(VI) by a Bacillus coagulansbiofilm supported on granular activated carbon. J. Chem.Engineer, Vol.136, pp.195–203.
  2. Mahrasbi, M.R., Farahmsndkia Z., 2002.Heavy Metal Removal from Aqueous Solution by Adsorptionon Modified Banana Shell. J. Health and Environ.1: (In Persian).
  3. Kuiper, I., Lagendij, EL., Bloemberg, G.V., and Lugtenberg BJJ, 2004. Rhizoremediation: Abeneficial plant-microbe interaction. J. MolPlant-Microbe Int1.vol.7(1), pp. 6-15.
  4. Quintelas, C., Fonseca, B., Silva, B., Figueiredo, H., Tavares, T.,2009. Treatment of chromium(VI) solutions in a pilot-scale bioreactor through a biofilm of Arthrobacterviscosus supported on GAC. J. Bioresour. Technolo., vol.100, pp. 220–226.
  5. Dixit R, Malaviya D, Pandiyan K, Singh UB, Sahu A, Shukla R, et al., 2015. Bioremediation of heavy metals from soiland aquatic environment: An overview of principles and criteria of fundamental processes. Sustainability, Vol.7(2), pp.2189-1292.
  6. Kelly, DJ., Budd, K., and Lefebvre, DD., 2006.The biotransformation of mercury in pH statcultures of microfungi.J. Botany, vol.84(2), pp. 60-254.
  7. Suresh Kumar, K., Dahms H-U, Won E-J., Lee J-S., and Shin K-H., 2015.Microalgae promising tool for heavy metalremediation. J. Ecotoxicol. Environ. Safety, vol.113, pp.52-329.
  8. Sanchez-porro, C., Martin, S., Mellado, E., and Ventosa, A., 2003. Diversity of Moderately Halophilic Bacteria Producing Extracellular Hydrolytic Enzymes, J. Appl. Microbiol., vol.94, pp.295-300
  9. Margesin R. and Schinner F., 2001.Potential of halotolerant and halophilic Microorgnisms for biotechnology. J. Extremophile., vol.5, pp. 73-83.
  10. Ventosa, A., Nieto, J. and Oren J. (1998). A Biology of moderately halophilic aerobic bcteria. Microbiol, J. Mol. Biol., vol. 62, pp.504-544.
  11. Vijayaraghavan, K., and Yun, Y. ,2008. Bacterial biosorbents and biosorption. J. Bioethanol.Adv., vol, 26(1), pp. 266-291.
  12. Pradhan, S and L.C., Rai., 2001. Biotechnological potential of Microcystis sp. In Cu, Zn and Cd biosorption from nsingle and multimetallic systemes. J. Biometals, vol.14, pp: 67-74.
  13. Iyer A., Mody, K. and Jha, B.,2005. Biosorption of heavy metals by a moderately halophiliceubacteria, Appl. Environ. Microbiol., vol.55, pp.2385-2390.
  14. Azza, A.A., Wesam, A.H. Hedayat, M.S., Ghada, A.A.F., 2009.Biosorpationof some heavy metal ions using bacterial species isolated from agriculture waste water drains in Egypt. J. Appl. Sci. Research, vol.5(4), pp.372-383.
  15. Abbas, S., Ismail, I., Mostafa, T., and Sulaymon, A. (2014). Biosorption of Heavy Metals: A Review. J.Chem. Sci. Technolo., vol.4, pp.74- 102.
  16. Wang, J. and Chen, C. (2009). Biosorbents for heavy metals removal andtheir future, J. Biotechnol. Adv. Vol.27, pp.195-226.
  1. Sendstatein, S. wanell, P.J, LeeK. R., and Mcdonagh, M., Field evaluation   fmarineoil spillbioremediation, J. Microbiol. Rev. 1982, vol. 60, pp, 342-365.
  2. Ventosa, A., Nieto, J. and Oren, J.,1998, ABiology of moderately halophilic aerobic bcteriaMicrobiol, J. Mol. Biol., vol. 62, pp.504-544.
  1. Alinajafi, S., and Rahimpour, F. TPH Bioremediation by Microbial Consortium Isolated from Oil Contami-nated Soil", 6th International Chemical Engineering Con-gress & Exhibition.2009.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



1- کارشناسی ارشد میکروبیولوژی، دانشکده علوم پایه ، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران *(مسوول مکاتبات).

2- دانشیار میکروبیولوژی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.

 

1- M.Sc. Razi University, Department of Biology, Faculty of Science, Kermanshah, Iran. *(Corresponding Authours)

2- Associate Prof., Razi University, Department of Biology, Faculty of Science, Kermanshah, Iran.

[5]- Bioaccumulation

[6]- Biosorption

[7]- Bioleaching

[8]- Biotransformation

[9]- Biomineralization

  1. Ansari, M. I. andMalik, A., 2007. Biosorption of nickel and cadmium metal resistant bacterial isolates from agricultural soil irrigated within dustrial waste water, J. Bioresour. Technol,vol.98, pp.3149–3153.
  2. Mair, R.M. Papper, L.L., Gebra, C. P,. 2000.EnviromentalMicrobiology. ACADEMICPress, chpter17,403-423.
  3. Rainbow, P. S. and White, S.L., ,1989. Comparative strategies of heavy metalaccumulation by crustaceans: zinc, copperand cadmium in adecapod. an amphipodandabarnacle. J. Hydrobiolo, Vol.174, pp.245-262.
  4. Patel, J.S., Patel, PC., and Kalia K. (2006). Isolation and characterization of nickel uptake by nickel resistant bacterial isolate. J.Bi. Environ. Sci, vol., 19(4), pp.297-301.
    1. Manasi, A., Rajesh, V., Krishna Kumar, A. and Rajesh, N. ,2014). Biosorption of cadmium using anovel bacterium isolated from an electronic industry effluent, J. Chem. Eng., vol.235, pp.176–185.
  1. Desguin, B., Goffin, P., Viaene, E., Kleerebezem, M., Martin-Diaconescu, V., Maroney, M.J., Declercq, J. P., Soumillion, P. & Hols, P., 2014.Lactate racemase is a nickel-dependent enzyme activated by a widespread maturation system. Nat. Commun. Vol. 5, pp. 3615.
  2. Gasemi, S. ,2006. Biosorption of copper from waste water by activated carbon preparealge sargssum spand gracilaria, J. corticata, vol. 11, pp.3-
  3. Benavides, M.P. Gallego, S.M. Tomaro, M. L, 2005.ACADMIUM toxicity in plants Braz.J. of plant physiol, vol .171, pp.21-34.
  1. Hetzer, A., Daughney, C.J. and Morgan, H.W. ,2006. Cadmium ion Biosorpation by thermophilic bacteria Geobacillus stear other mophilusand G. therm ocatenulatus. J. Appl. Environ. Microbiol, vol .72, pp.4020-4027.
  2. Allun, H.K., Rond, S. R., Settalluri, V.S., Bondili, J.S. and Venkateshwar, S.V., 2007.Biosorption Aneco friendly alternative forheavymetal removal, African.J. Biotecchnol, Vol. 6, pp.2924-2931.
  1. Quintelas, C., Fernandes, B., Castro J., Figueiredo, H., TavaresT., 2008.Biosorption of Cr(VI) by a Bacillus coagulansbiofilm supported on granular activated carbon. J. Chem.Engineer, Vol.136, pp.195–203.
  2. Mahrasbi, M.R., Farahmsndkia Z., 2002.Heavy Metal Removal from Aqueous Solution by Adsorptionon Modified Banana Shell. J. Health and Environ.1: (In Persian).
  3. Kuiper, I., Lagendij, EL., Bloemberg, G.V., and Lugtenberg BJJ, 2004. Rhizoremediation: Abeneficial plant-microbe interaction. J. MolPlant-Microbe Int1.vol.7(1), pp. 6-15.
  4. Quintelas, C., Fonseca, B., Silva, B., Figueiredo, H., Tavares, T.,2009. Treatment of chromium(VI) solutions in a pilot-scale bioreactor through a biofilm of Arthrobacterviscosus supported on GAC. J. Bioresour. Technolo., vol.100, pp. 220–226.
  5. Dixit R, Malaviya D, Pandiyan K, Singh UB, Sahu A, Shukla R, et al., 2015. Bioremediation of heavy metals from soiland aquatic environment: An overview of principles and criteria of fundamental processes. Sustainability, Vol.7(2), pp.2189-1292.
  6. Kelly, DJ., Budd, K., and Lefebvre, DD., 2006.The biotransformation of mercury in pH statcultures of microfungi.J. Botany, vol.84(2), pp. 60-254.
  7. Suresh Kumar, K., Dahms H-U, Won E-J., Lee J-S., and Shin K-H., 2015.Microalgae promising tool for heavy metalremediation. J. Ecotoxicol. Environ. Safety, vol.113, pp.52-329.
  8. Sanchez-porro, C., Martin, S., Mellado, E., and Ventosa, A., 2003. Diversity of Moderately Halophilic Bacteria Producing Extracellular Hydrolytic Enzymes, J. Appl. Microbiol., vol.94, pp.295-300
  9. Margesin R. and Schinner F., 2001.Potential of halotolerant and halophilic Microorgnisms for biotechnology. J. Extremophile., vol.5, pp. 73-83.
  10. Ventosa, A., Nieto, J. and Oren J. (1998). A Biology of moderately halophilic aerobic bcteria. Microbiol, J. Mol. Biol., vol. 62, pp.504-544.
  11. Vijayaraghavan, K., and Yun, Y. ,2008. Bacterial biosorbents and biosorption. J. Bioethanol.Adv., vol, 26(1), pp. 266-291.
  12. Pradhan, S and L.C., Rai., 2001. Biotechnological potential of Microcystis sp. In Cu, Zn and Cd biosorption from nsingle and multimetallic systemes. J. Biometals, vol.14, pp: 67-74.
  13. Iyer A., Mody, K. and Jha, B.,2005. Biosorption of heavy metals by a moderately halophiliceubacteria, Appl. Environ. Microbiol., vol.55, pp.2385-2390.
  14. Azza, A.A., Wesam, A.H. Hedayat, M.S., Ghada, A.A.F., 2009.Biosorpationof some heavy metal ions using bacterial species isolated from agriculture waste water drains in Egypt. J. Appl. Sci. Research, vol.5(4), pp.372-383.
  15. Abbas, S., Ismail, I., Mostafa, T., and Sulaymon, A. (2014). Biosorption of Heavy Metals: A Review. J.Chem. Sci. Technolo., vol.4, pp.74- 102.
  16. Wang, J. and Chen, C. (2009). Biosorbents for heavy metals removal andtheir future, J. Biotechnol. Adv. Vol.27, pp.195-226.
  1. Sendstatein, S. wanell, P.J, LeeK. R., and Mcdonagh, M., Field evaluation   fmarineoil spillbioremediation, J. Microbiol. Rev. 1982, vol. 60, pp, 342-365.
  2. Ventosa, A., Nieto, J. and Oren, J.,1998, ABiology of moderately halophilic aerobic bcteriaMicrobiol, J. Mol. Biol., vol. 62, pp.504-544.
  1. Alinajafi, S., and Rahimpour, F. TPH Bioremediation by Microbial Consortium Isolated from Oil Contami-nated Soil", 6th International Chemical Engineering Con-gress & Exhibition.2009.