کاربرد باکتری‌های عامل خوردگی در پاکسازی برخی آلاینده‌های محیط زیست (محصولات پتروشیمی)

کاربرد باکتری‌های عامل خوردگی در پاکسازی برخی آلاینده‌های محیط زیست (محصولات پتروشیمی)

روحا کسرای کرمانشاهی٭ و الهه مبارک قمصری

ایران، تهران، دانشگاه الزهرا(س)، دانشکده علوم زیستی،گروه میکروبیولوژی

تاریخ دریافت: 02/11/1402          تاریخ پذیرش: 26/09/1403

چکیده

خوردگی تحت اثر میکروارگانیسم­ها یکی از انواع خوردگی می‌باشد که در آن میکروارگانیسم­ها واکنش­های عامل خوردگی را شروع، تسهیل یا تسریع می­کنند. در اکثر مواقع جنبه منفی باکتری‌های عامل خوردگی مورد تحقیق قرار گرفته است. در این مقاله مروری، به توانمندی مثبت باکتری‌های عامل خوردگی، به عنوان فرصتی برای پاکسازی و تجزیه‌ی زیستی تعدادی از آلاینده‌های آلی محیط زیست پرداخته می‌شود. نتایج نشان داد که باکتری‌های عامل خوردگی قادرند سبب تجزیه زیستی و پاکسازی محصولات پتروشیمی مانند هیدروکربن‌های چند حلقه‌ای (PAH)،  و پلیمر پلی‌یورتان شوند. به عنوان مثال، جنس سودوموناس شامل بسیاری از باکتری­های هوازی تجزیه کننده نفتالین بوده و 9/86 درصد از میکروارگانیسم­های تجزیه­کننده هیدروکربن موجود در سفره های زیرزمینی آلوده به بنزین را تشکیل می­دهد. پنج مسیر تجزیه زیستی هوازی مختلف برای تولوئن که هر یک از طریق فعالیت اکسیژناز تکی یا دو تایی شروع می­شود، وجود دارد. همچنین مسیر تجزیه­ی بی­هوازی تولوئن به بنزوئیل کوآنزیمA  در تعدادی از باکتری­ها که عامل خوردگی می­باشند مانند رودوکوکوس، سودوموناس پوتیدا و سودوموناس فلورسنس یافت شده است. در میان باکتری ها، برخی از ارگانیسم های تجزیه کننده پلی یورتان که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند عبارتند ازAcinetobacter، Bacillus subtilis، Corynebacterium، Comamonas acidovorans و اعضای جنس Pseudomonas.  با توجه به شناسایی مسیرهای تجزیه زیستی آلاینده­های پتروشیمی در محیط زیست و اینکه مواد حدواسط به وجود آمده از آن‌ها بی­خطر هستند و با درنظر گرفتن  عدم اثر مضر بر موجودات زنده، استفاده از این گروه از باکتری­های عامل خوردگی جهت پاکسازی آلاینده­ها در محیط­های خاک و آب پیشنهاد می­شود.

واژه های کلیدی: باکتری­ها، خوردگی، آلاینده­های محیط زیست، هیدروکربن­های چند حلقه­ای

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: rkasra@yahoo.com

مقدمه

آلودگی­های آلی شامل طیف وسیعی از ترکیبات آلی است که عمدتاً بر اثر فرآیندهای صنعتی تولید و وارد خاک و آب می­شوند. آلاینده های آلی در مقایسه با ترکیبات معدنی (غیر از رادیواکتیو) عمدتاً از اثرات مخرب زیست محیطی گسترده­ای برخوردار هستند. مهم­ترین آلاینده­های آلی شامل نفت و مشتقات آن، ترکیبات ناشی از فرآیندهای سوخت ناقص هیدروکربن های آروماتیک چندحلقه­ای و هم­چنین پلیمر پلی­یورتان و برخی تولیدات پتروشیمی می­باشد (3، 6). در ادامه به تجریه زیستی تعدادی از آلاینده­ها در محیط زیست توسط باکتری­ها پرداخته می شود. تغییر حالت ترکیبات آلی آلاینده توسط میکروارگانیسم­ها به چند دسته تقسیم می­شود که عبارت است از تجزیه زیستی، کومتابولیسم، انباشت، تاثیر ثانویه فعالیت­های میکروبی، پلیمری شدن.

تجزیه زیستی توسط میکروارگانیسم­ها تابع موارد زیر می­باشد:

1)  تماس اولیه که باعث جذب یا دسترسی فیزیکی به بستره می­شود.

2)  ترشح آنزیم­های خارج سلولی جهت تجزیه بسترها، بخصوص پلیمرها.

3)  جذب بستره های محلول یا فرآورده های حاصل از هیدرولیز پلیمر ها از طریق سیستم های انتقال.

4)   متابولیسم درون سلولی که اغلب قابل القا بوده و توسط پلاسمیدها رمزگذاری شده است.

5)  بسیاری از فرایند های تجزیه زیستی تنها بر اساس یک ارگانیسم عمل نمی­نمائید و در اکثر موارد همیاری چند میکروارگانیسم استفاده می­شوند، دستکاری ژنتیکی این نوع میکروارگانیسم های تجزیه کننده می­تواند باعث بهبود سرعت تجزیه زیستی شود (1، 5).

روش کارهای به کار رفته در این پژوهش ها

در این مطالعه مروری که در سال­های اخیر انجام شده است از تعدادی مقالات مربوط به تحقیقات انجام شده توسط نویسندگان مقاله و کار محققان دیگر در زمینه تجزیه‌ی زیستی تعدادی از آلاینده های شیمیایی در محیط زیست در پایگاه‌های اطلاعاتی مختلف استفاده شد. معیارهای ورود به مطالعه که برای انتخاب هر مقاله جهت بررسی اعمال شد شامل مرتبط بودن با هدف مطالعه، کیفیت مناسب مطالب ارائه شده در مقاله و در دسترس پذیر بودن داده های مورد نیاز در مقاله بود.

نتایج و بحث

در اینجا تجزیه زیستی تعدادی از آلاینده­ها در محیط زیست توسط باکتری­های عامل خوردگی مورد بررسی قرار می­گیرد.

هیدروکربن­ها و تجزیه زیستی آن­ها توسط  باکتری­ها

ترکیبات آلی که فقط حاوی کربن و هیدروژن می­باشند، هیدروکربن نامیده می­شوند. این مواد فرآورده های طبیعی هستند که به فراوانی بصورت آلیفاتیک و آروماتیک یافت می­شوند مانند متان یا بنزن که از ترکیبات ساده این گروه هستند و مولکول­های بزرگ که شامل نفت و ذغال سنگ می­باشند. مشخصه هیدروکربن­ها تجزیه زیستی آن­هاست که در شرایط هوازی انجام می­شود. مرحله اول در تجزیه هیدروکربن توسط باکتری، وارد شدن اکسیژن به داخل مولکول با آنزیم اکسیژناز است. واکنش­های اکسیداسیون یک یا دو گروه  -OHبه داخل ساختار هیدروکربن وارد می­سازند. هیدروکربن برای هر گروه -OH  اضافه شده توسط دو الکترون اکسید می­شود ولی ارگانیسم­­ها الکترون­ها را به صورت NADH بازیابی نمی­کنند. در حقیقت واکنش های مونواکسیژناسیون که یک -OH  اضافه می­کنند، یک NADH مصرف می­نماید. هیدروکربن­های حلقوی در غیاب اکسیژن تجربه زیستی می­شوند (21).  در مسیرهای متابولیکی این روش از اکسیژن آب یا کربوکسیلات به داخل حلقه آروماتیک استفاده می­شود. البته امروزه مشخص شده که هیدروکربن­های آلیفاتیک هم تحت شرایط بی­هوازی در غیاب اکسیژن تجزیه می­شوند. در اینجا تجزیه زیستی هوازی و بی­هوازی هیدروکربن­های خطرناک یعنی ترکیبات BTEX و هیدروکربنه­ای آروماتیک چند حلقه­ای (PAH) به عنوان نمونه­هایی از تجزیه زیستی آن­ها ارائه می­گردد (2، 25(.  

هیدروکربن­های آروماتیک چند حلقه­ای(PAH) مانند آنتراسن، نفتالن و فناترن، سمی­ترین و سرطان­زاترین آلاینده­ها بوده و آسیب های جدی به محیط زیست  وارد می­کنند. این ترکیبات غالباً توسط صنایع پتروشیمی به محیط زیست تخلیه می­شوند. ولی منابع دیگری نیز باعث وارد شدن آن­ها به اکوسیستم­های آب و خاک می­گردد مانند صنایع داروسازی، رنگ، لاستیک، پلاستیک، فاضلاب های صنعتی، خانگی و سایر صنایع که این امر بطور مستقیم یا غیر مستقیم به انسان منتقل و عوارض متعددی از جمله سرطان را منجر می­گردد. علاوه بر سه ماده فوق الذکر فلورن، کریزن، فلورانتن، پیرن و مشتقات آن­ها را نیز می­توان نام برد (26).

ترکیبات (PAH) دارای منشا آلودگی های متفاوتی هستند. تولید این ترکیبات از سه طریق صورت می­گیرد. منشا سوختی با احتراق ناقص، منشا نفتی، منشا دیاژنتیک که بر اثر فرآیندهای تجزیه مواد آلی و محصولات آن منجر به تولید PAH می­شوند.

ته نشین شدن مواد آلی در رسوبات، باقی ماندن آن­ها به مدت طولانی و در نهایت تجزیه آن­ها منجر به تولید نفت و یا ذغال سنگ می­شوند. برای برطرف نمودن آلاینده های نفتی راه حل­های زیستی و غیر زیستی مطرح می­باشد. فناوری پاکسازی پسماندهای نفتی و صنعتی متنوع بوده و مهم­ترین آن­ها عبارتند از:

۱) روش ترومیک: سوزاندن مواد و پسماندها

۲) روش فیزیکی: مدفون کردن پسماند ها

۳) روش شیمیایی: محلول کردن پسماند ها

 ۴) روش فیزیکوشیمیایی: استفاده از عواملی مانند واکنشگرها

 ۵) روش زیستی: تخریب و تجزیه توسط میکروب­ها

پاکسازی زیستی یکی از روش­های اصلی پاکسازی محیطی می­باشد که در این روش از موجودات زنده به ویژه باکتری­ها، قارچ ها و گیاهان به منظور تجزیه آلاینده­های محیطی و تبدیل آن­ها به ترکیبات غیر سمی استفاده می­شود (7، 21).

در ادامه به تجزیه زیستی (PAH) توسط پاکتریها پرداخته می­شود.

تجزیه زیستی هیدروکربن­های آروماتیک چند حلقه­ای (PAHs)

 PAHهیدروکربن­های معطر با دو یا چند حلقه بنزن هستند. آن­ها آلاینده­های محیطی پراکنده­ای هستند که اثرات زیستی مضر، سمیت، جهش­زایی و سرطان­زایی دارند. با توجه به مقاومت ناپذیری، پتانسیل تجمع زیستی و فعالیت سرطان­زایی PAH ها نگرانی­های زیست محیطی قابل توجهی را به خود جلب کرده اند. اگرچه PAH ممکن است تحت جذب، تبخیر، فتولیز و تخریب شیمیایی قرار گیرد، تخریب میکروبی فرآیند اصلی تخریب است. تجزیه PAH به شرایط محیطی، تعداد و نوع میکروارگانیسم­ها، ماهیت و ساختار شیمیایی ترکیب شیمیایی در حال تجزیه بستگی دارد (24).  آن­ها از طریق معدنی سازی به مواد معدنی، H2O، CO2 (هوازی) یا CH4 (بی­هوازی) به متابولیت های با پیچیدگی کمتر تبدیل می­شوند و سرعت تجزیه زیستی به pH، دما، اکسیژن جمعیت میکروبی، درجه سازگاری، دسترسی به مواد مغذی بستگی دارد. تعدادی از گونه های باکتریایی شناخته شده اند که PAHs را تجزیه می­کنند و بیشتر آن­ها از خاک یا رسوبات آلوده جدا شده اند (22). سودوموناس آئروژینوزا، سودوموناس فلورسنس، مایکوباکتریوم، هموفیلوس، رودوکوکوس، پانی باسیلوس برخی از باکتری­های تجزیه کننده PAH هستند که معمولاً مورد مطالعه قرار می­گیرند. آنزیم­های دخیل در تجزیه PAHs اکسیژناز، دهیدروژناز و آنزیم­های لیگنولیتیک هستند. تجزیه زیستی PAHs در هر دو شرایط هوازی و بی­هوازی مشاهده شده است و میزان آن را می­توان با پیش تیمار فیزیکی شیمیایی خاک آلوده افزایش داد. افزودن باکتری­های تولیدکننده بیوسورفکتانت و روغن­های سبک می­تواند شرایط تجزیه زیستی PAHs و پتانسیل متابولیک جامعه باکتریایی را افزایش دهد. فعالیت­های زیستی فشرده در چنین اکوسیستمی منجر به نرخ بالایی از فرآیندهای اتوتروف و هتروتروف می­شود که باعث تخریب قابل توجهی می­گردد. باکتری بی­هوازی احیا کننده سولفات و نیترات قادر به تجزیه PAHs هستند. بیشتر باکتری­ها از جنس سودوموناس هستند. جنس سودوموناس شامل بسیاری از باکتری­های هوازی تجزیه کننده نفتالین است و 9/86 درصد از میکروارگانیسم­های تجزیه­کننده هیدروکربن موجود در سفره های زیرزمینی آلوده به بنزین را تشکیل می­دهد. تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک باکتری­های کاهش دهنده گوگرد تجزیه کننده PAH نشان داد که ارگانیسم­های تجزیه­کننده غالباً متعلق به جنس Desulfobacterium است. از تمام مطالعات انجام شده تا به امروز بر روی ترکیبات معطر مختلف مانند فنل­ها­، کرزول­ها، آنیلین­ها، بنزوات­ها، تولوئن، بنزن، زایلن­ها، ترکیبات نیتروآروماتیک و کلردار و بسیاری دیگر، می­توان نتیجه گرفت که باکتری­های بی­هوازی از استراتژی مشابه با باکتری­های هوازی پیروی می­کنند (3).  ابتدا ترکیبات معطر متنوع به چند واسطه مرکزی تبدیل می­شوند. متعاقباً حلقه معطر فعال و شکافته می­شود و ترکیبات غیر حلقوی حاصل به متابولیت­های مرکزی تبدیل می­شوند. در شرایط بی هوازی واسطه های اصلی بنزوات یا بنزوئیل –CoA و به میزان کمتری، رزورسینول و فلوروگلوسینول هستند. واکنش­های درگیر در فرآیندهای کانالی که منجر به واسطه­های مرکزی می­شوند شامل کربوکسیلاسیون، دکربوکسیلاسیون، هیدروکسیلاسیون، دهیدروکسیلاسیون کاهشی، دآمیناسیون، دکتوریناسیون، برش آریل اتر و واکنش­های لیاز می­باشد. واسطه­های معطر مرکزی به طور تقلیلی مورد حمله قرار می­گیرند و با هیدرولیز شکافته می­شوند. محصولات غیر حلقوی حاصل با اکسیداسیون p به متابولیت­های مرکزی تبدیل می­شوند. در شکل (1) نمونه­ای از تجزیه­ی زیستی بی­هوازی فنانترن نشان داده شده است (20). در سال 2002 کسرای کرمانشاهی و همکاران باکتری­های تجزیه کننده فنانترن و آنتراسن را جداسازی و متابولیت­های حاصل از تجزیه زیستی آن­ها را تعیین نمودند (5).

شکل 1- مسیر پیشنهادی تجزیه­ی بی هوازی فناترن توسط باکتری­های احیا کننده سولفات

تجزیه زیستی هوازی نفتالن

نفتالین مانند سایر PAH از طریق احتراق ناقص ترکیبات آلی، تجزیه در اثر حرارت، نشت نفت، فرآوری نفت، دفع زباله­های خانگی و استفاده از دئودورانت­ها در محیط آزاد می­شود. یکی از راه­های اصلی سم زدایی چنین ترکیباتی در محیط طبیعی تخریب میکروبی آن­ها است. برای اولین بار مسیر تجزیه نفتالین در سودوموناس­ها بررسی شد. مشخص شد که سالیسیلات یک واسطه کلیدی است. برای مدتی این مسیر به عنوان اصلی­ترین مسیر در تخریب باکتریایی نفتالین در نظر گرفته می­شد. باکتری­هایی مثل  Arthrobacter، Pseudomonas putida، Pseudomonas stutzeri،fusiformis  Bacillus ،  naphthovorans Neptinomonas ، Rhodococcus ، Sphingomonas قادر به تجزیه تفنالین به شکل هوازی می­باشند (4، 6). در شکل 2 مسیر تجزیه هوازی نفتالین نمایش داده شده است. در سال ۲۰۱۵ شیری و همکاران توانستند باکتری Acinetobacter baumannii kss1060 که از پساب کارخانه پتروشیمی جداسازی و شناسایی کرده بودند را برای تیمار پساب آن جهت تجزیه زیستی-N  هگزان بکار ببرند.  زیرا امروزه هیدروکربن­ها دارای پراکندگی وسیعی در محیط زیست هستند و علت آن نیز کاربرد بسیار زیاد محصولات نفتی بوده و ترمیم زیستی یکی از فناوری های تیمار مکان های آلوده با هیدروکربن ها می­باشد. در پژوهش مزبور این باکتری توانست در شش روز  ۶۳ درصد از -N  هگزان را تجزیه نماید و آنرا تبدیل به موادی با خطر کمتر نماید (25).

شکل 2- تجزیه زیستی هوازی نفتالن

تجزیه ی زیستی تولوئن توسط باکتری­ها

تولوئن یا متیل بنزن، یک هیدروکربن آروماتیک معطر می باشد. این مایع شفاف بی رنگ و محلول در آب است. این ماده به عنوان یک حلال آلی استفاده می­شود. ولی ماده شیمیایی معدنی مانند گوگرد را نیز حل می­کند. تولوئن یک هیدروکربن با فرمول C7H8)) می­باشد و حلال صنعتی برای ساخت رنگ، مواد شیمیایی، دارو سازی و لاستیک بوده و یک ترکیب سمی برای انسان و محیط زیست می­باشد.

تجزیه زیستی توسط گونه­های هوازی در دو مرحله صورت می­گیرد. یکی اکسیداسیون گروه عاملی کتون توسط اکسیژن­های مولکولی و مرحله دوم تجزیه مولکول پر انرژی به CO2 و آب. مانند هیدروکربن­ها، اولین مرحله اکسیداسیون مشکل بوده و مستلزم وجود اکسیداز همراه با اکسیژن مولکولی و انرژی به صورت NADH می­باشد. اکسیدازهای مختلف می­توانند شروع کننده تجربه BTEX باشند. در شکل (3) چهار واکنش منواکسیژناسیون و یک واکنش دی­­اکسیژناسیون تولوئن نشان داده شده است. دی­اکسیژنازها در هر بار دو اتم اکسیژن (دومین مسیر از بالا) اضافه می­کنند. در حالیکه مسیر اکسیژناز در هر بار  یک اتم اکسیژن به حلقه (سه واکنش زیر) یا گروه متیل (واکش بالایی ) اضافه می نماید و تقریباً همه­ی مسیر های هیدروکربن­های آروماتیک (تا جایی که در آن دو گروه هیدروکربن مجاور یکدیگر در حلقه قرار گیرند) حاوی واکنش های اکسیداسیون هستند. آنگاه حلقه در اثر اضافه شدن اکسیژن بیشتر بین دو کربن متصل شده و به گروه های هیدروکسیل (شکافت ارتو) یا در یکی از دو پیوند دوتایی مجاور (شکافت متو ) شکسته می شود. حاصل این امر تشکیل ترکیبات آلیفاتی کربوکسیلی است که می­توانند در اثر واکنش­های هیدروژن زدا و هیدروکسیلاسیون بیشتر اکسیده شود (21).

شکل 3- پنج مسیر تجزیه زیستی هوازی مختلف برای تولوئن که هر یک از طریق فعالیت اکسیژناز تکی یا دو تایی همراه با اکسیژن مولکولی شروع می­شود.

یافته جدید این است که ترکیبات BTEX را می­توان تحت شرایط بی اکسیژن تجزیه زیستی نمود. اولین گزارش از بین رفتن زایلین در یک توده بی هوازی منتشر شد. یکی از این مسیرها برای تولوئن در شکل (4) آورده شده است. پدیده قابل توجه ورود اکسیژن از طریق اضافه کردن فومارات به مولکول می­باشد. فومارات به عنوان فرآورده میانی در تجزیه بی هوازی تولوئن تشکیل می­شود. اضافه شدن فومارات نمونه­ای از موقعیت کلی اضافه کردن گروه­های کربوکسیلات (فومارات دو گروه کربوکسیلات دارد). به عنوان روشی برای اضافه کردن اکسیژن به مولکول آروماتیک در غیاب O2 می­باشد. مسیر اکسیداسیون بی هوازی تولوئن به بنزوئیل کوآنزیمA  benzoyl-CoA)  (شامل یک واکنش اولیه است که توسط بنزوئیل  سوکسینات سنتاز، یک آنزیم رادیکال گلایسیل که گروه متیل تولوئن را به پیوند دوگانه یک سوبسترای  کاتالیز می­کند. آنزیم­های شرکت کننده در اکسیداسیون β بنزیل سوکسینات ناشناخته هستند. شکل (4) مسیر تجزیه بی­هوازی تولوئن به بنزوئیل کوآنزیمA  توسط باکتری­های Thauera aromatic، Methanogenic consortium، Denitrifying bacterium، Geobacter را نشان می­دهد (2). مطالعات محدودی در زمینه شناسایی سویه­های دنتیریفایر که توانایی رشد در حضور تولوئن در هر دو شرایط هوازی و بی­هوازی گزارش شده است اما جزئیات مسیرهای مورد استفاده شناخته نشده است. به عنوان مثال باکتری دنیتریفایر Azoarcus evansii تجزیه 2-آمینوبنزوات، بنزوات و فنیل استات را با تیواستریفیکاسیون CoA در هر دو شرایط هوازی و بی­هوازی آغاز می­کند و از مجموعه­های مختلفی از آنزیم­ها استفاده می­شود (21، 26).

شکل 4- مسیر تجزیه­ی بی­هوازی تولوئن به بنزوئیل کوآنزیمA . تعدادی از باکتری­ها که عامل خوردگی بوده و قادر به حذف تولوئن هم می­باشند مانند رودوکوکوس، سودوموناس پوتیدا و سودوموناس فلورسنس