مقاله کاربردهای زیست محیطی بیوسورفکتانت رامنولیپید

بخشی از مقاله

کاربردهای زیست محیطی بیوسورفکتانت رامنولیپید

‐1 مقدمه

خاکها و آبهای آلوده یکی از معضلات محیط زیست به شمار میآیند. آلایندهها را میتوان به دو دسته عمده آلی و غیرآلی تقسیم نمود. آلایندههای آلی شامل آلایندههای نفتی، آفتکشها1 و مواد شوینده میباشند. از مهمترین آلایندههای غیرآلی میتوان به فلزات سنگین اشاره نمود. برای پاکسازی خاک میتوان آن را حفر و استخراج نموده و در راکتورهایی مورد شستشو قرار داد و یا اینکه در همان محل بدون حفر نمودن خاک با جریان ناگهانی آب مورد شستشو قرار داد. با توجه به اینکه اکثر آلایندهها حلالیت ناچیزی دارند فاکتور حلالیت بسیار کلیدی میباشد. آلایندههای آلی را میتوان با افزودن میکروارگانیسم، گیرنده الکترون و یا حتی مواد غذایی بوسیله فرآیند زیستتخریبی2 حذف نمود. فلزات سنگین عمدتا همراه با آلایندههای آلی میباشند که همین امر باعث پیچیده شدن فرآیند پاکسازی آلایندههای آلی میگردد.

‐2 سورفکتانتها و بیوسورفکتانتها

‐1‐2 سورفکتانتها

سورفکتانتها یا مواد فعال سطحی، ملکولهایی دوقطبی1 هستند که دارای یک بخش هیدروفیلیک (آبدوست) و یک بخش هیدروفوبیک (آبگریز) میباشند. بخش آبگریز عمدتا شامل یک زنجیر هیدروکربنی میباشد، اما بخش آبدوست تنوع بسیار فراوانی دارند. آنها به واسطه همین خاصیت دوقطبی، قادر به حرکت دادن آلایندهها در خاک میباشند و به همین دلیل نیز در فرآیند پاکسازی خاک آلوده به کار میروند. این ملکولها به علت دوقطبی بودن، تمایل به قرارگرفتن در سطح مشترک بین مایع و هوا و یا سطح مشترک بین مایعات با درجه قطبیت و باندهای هیدروﮊنی مختلف (مانند آب/نفت)، دارند. تشکیل چنین فیلم ملکولی منظمی در سطح مشترک، سبب کاهش انرﮊی سطحی و بین سطحی (کشش سطحی و بین سطحی) شده، که ویژگی منحصر به فرد ملکولهای سورفکتانت میباشد. سورفکتانتها کاربردهای زیای دارند که این کاربردها به واسطه تواناییهای آنها در کاهش کشش سطحی، افزایش حلالیت، قدرت شویندگی، قابلیت ترکنندگی و ظرفیت کفکنندگی میباشند. میزان موثر بودن یک سورفکتانت با توانایی آن در کاهش کشش سطحی، که همان انرﮊی مورد نیاز برای افزایش سطح مایع به میزان یک واحد میباشد، تعیین میگردد .[1] به واسطه وجود سورفکتانت کار کمتری برای آوردن یک ملکول از درون مایع به سطح مورد نیاز میباشد و به این ترتیب کشش سطحی نیز کاهش مییابد. به عنوان مثال، یک سورفکتانت خوب میتواند میزان کشش سطحی آب را از72 mN/m به35 mN/m کاهش داده و کشش بین سطحی (کشش بین مایعات قطبی و غیر قطبی) آب در برابر هگزا دکان نرمال را نیز از 40 mN/m به 1 mN/m تقلیل دهد. میزان کشش سطحی تا قبل از رسیدن به غلظت بحرانی میسل2 (CMC) به غلظت سورفکتانت وابسته میباشد که این موضوع در شکل 1 قابل مشاهده است. سورفکتانت با راندمان بالا دارای غلظت میسلی بحرانی کمی میباشد (به عبارت دیگر میزان سورفکتانت کمتری برای کاهش کشش سطحی مورد نیاز میباشد)

.[2] طبق تعریف، CMC بیانگر کمترین غلظت مورد نیاز برای شروع فرآیند تشکیل میسل میباشد. در عمل، CMC بیشترین غلظت مونومرهای سورفکتانت در آب میباشد که تحت تاثیر عواملی همچون pH، دما و قدرت یونی میباشد. شکل 1 چگونگی تغییر پارامترهای دیگر را به عنوان تابعی از غلظت سورفکتانت نشان میدهد.

شکل ‐ 1 ارتباط کششسطحی، کششبینسطحی و حلالیت با غلظت سورفکتانت

انتخاب سورفکتانتها بر مبنای هزینههای تولید محصول صورت میپذیرد.[3] به طور کلی سورفکتانتها برای صرفهجویی در مصرف انرﮊی و هزینه های مربوط به آن(همچون انرﮊی لازم برای پمپ کردن) مورد استفاده قرار میگیرند. بازار سورفکتانتها برای استفاده از آنها در فرآیند زیستدرمانی3 محلهای آلوده در حال توسعه روز افزون میباشد.[4,5] سورفکتانتها در افزایش زدایش فلزات نیز مورد استفاده قرار میگیرند.[6]

‐2‐2 بیوسورفکتانتها

سورفکتانتهایی که به صورت بیولوﮊیکی توسط موجودات زنده تولید میگردند تحت عنوان بیوسورفکتانت نامیده میشوند.[7]

دستهای از ترکیبات بیولوﮊیک که فعالیت امولسیونکنندگی بالایی دارند اما قادر به کم نمودن کشش سطحی نمیباشند نیز در این گروه قرار میگیرند. گلیکولیپیدها1، لیپوپپتیدها2، سوفورولیپیدها3، اسیدهای چرب، لیپیدهای خنثی و ترکیبات پلیمری از جمله گروههای بیوسورفکتانتها میباشند.[8] اغلب این ترکیبات آنیونی و یا خنثی بوده و تنها تعداد ناچیزی از آنها که شامل گروههای آمینی هستند به صورت کاتیونی می باشند. قسمت آبگریز بیوسورفکتانتها از زنجیره بلندی از اسیدهای چرب، اسیدهای چرب هیدروکسی و یا اسیدهای چرب ‐αآلکیل‐ β‐هیدروکسی تشکیل شده است. قسمت آبدوست نیز می تواند یک کربوهیدرات، آمینو اسید، پپتید حلقه ای، فسفات، اسید کربوکسیلیک یا الکل باشد. طیف وسیعی از میکروارگانیسمها میتوانند این ترکیبات را تولید نمایند که در جدول 1 به آنها اشاره گردیده است. مقادیر مربوط به CMC بیوسورفکتانتها در محدوده 1mg/L تا 20 mg/L تغییر کرده و وزن ملکولی آنها نیز در محدوده 500Da تا 1500Da میباشد.[9] تقاضای عظیمی که برای سورفکتانتها وجود دارد، عمدتا بوسیله سورفکتانتهای شیمیایی برآورده میگردد در حالیکه این ترکیبات علاوه بر سمیت بالا، تجزیهپذیر نیز نمیباشند با توجه به انباشته شدن آنها در محیط و زیان بخش بودن فرآیندهای تولید آنها و محصولات جانبیشان برای محیط زیست، بیوسورفکتانتها به عنوان جانشینی مناسب برای آنها مورد توجه قرار گرفته اند.[10] به عنوان نمونه، در آزمایشات مربوط به حلالیت نفتالین، گلیکولیپیدهای تولید شده توسط Rhodococcus species 413A نسبت به سورفکتانت Tween 80 به میزان 50% سمیت کمتری از خود نشان دادند.[11]

یکی از گروههای بیوسورفکتانتها که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است رامنولیپیدهای4 تولید شده توسط Pseudomonas aeruginosa میباشند. در رامنولیپیدها یک و یا دو ملکول قند رامنوز5 به یک یا دو مولکول دکانوئیک اسید متصل شده است. در شکل 2 ساختار چهار رامنولیپید مختلف که توسط Pseudomonas aeruginosa تولید شده اند را مشاهده می کنید.

صنعت نفت از عمده ترین بازار برای بیوسورفکتانتها محسوب میگردد. از کاربردهای بیوسورفکتانتها که مرتبط با صنایع نفتی می باشد می توان به تجزیه کردن و پراکنده ساختن لکه های نفتی در آب و دریا، زدایش و پاک نمودن لجن نفتی از تانکهای ذخیره نفت، تسهیل بازیافت و جابه جایی و انتقال نفت خام در خطوط لوله به واسطه کاهش ویسکوزیته نفت سنگین و ازدیاد برداشت نفت، اشاره نمود.[12] در فرآیند ازدیاد برداشت میکروبی نفت(MEOR)6 میکروارگانیسمهای موجود در مخزن برای تولید پلیمرها و سورفکتانتها تحریک شده و با تولید این مواد کشش بین سطحی در سطح مشترک بین نفت و سنگ بستر کاهش یافته و استخراج نفت تسهیل میگردد.

جدول ‐1 میکروارگانیسمها و بیوسورفکتانتهای تولید شده [44]

این ترکیبات باعث کاهش نیروی مویینگی گردیده و از حرکت نفت در بین منافذ مخزن جلوگیری می کنند. علاوه بر کم کردن کشش سطحی توسط بیوسورفکتانتها، اثراتی همچون تولید اسید و گاز، کاهش ویسکوزیته نفت، تجمع بیوماس و مسدود نمودن منافذ و تجزیه ملکولهای هیدروکربنی درشت نفت از دیگر عوامل کاهش ویسکوزیته نفت و تسهیل استخراج آن می باشند.

شکل ‐2 ساختار چهار رامنولیپید مختلف تولیدی توسط P.aeruginosa

بیوسورفکتانتها در صنایع رنگ، آبکاری، صنایع آسفالت، نساجی، پاکسازی فلزات1، معدنکاری ،صنایع غذایی و آرایشی وهمچنین به عنوان ضدکف و نگهدارنده در صنایع مختلف و پراکنده سازنده کودها و آفت کشها در کشاورزی ، کاربرد وسیعی دارند. بیوسورفکتانتها در فرآیند شستشوی خاکهای آلوده و افزایش میزان تخریب بیولوﮊیکی آلایندهها نقش بسیار مهمی را ایفا مینمایند.با وجود اینکه اکثر میکروارگانیسمهای مولد بیوسورفکتانت هوازی میباشند، اما نمونههای اندکی از مولدهای بیهوازی هم وجود دارند. Bacillus licheniformis JF-2 یکی از این نمونهها میباشد که برای انجام فرآیند حذف آلاینده در محل2 و ازدیاد برداشت نفت بسیار مناسب میباشد .[13]

‐3 کاربردهای محیط زیستی رامنولیپیدها

‐1‐3 تاثیر رامنولیپیدها بر روی تخریب بیولوﮊیکی هیدروکربنهای نفتی

هیدروکربنهای نفتی شامل آلکانها، سیکلو آلکانها، آروماتیکها، هیدروکربنهای آروماتیکی چند حلقه و رزینها میباشند. بیشتر تحقیقات انجام شده در مورد تخرییب بیولوﮊیکی هیدروکربنها، بر روی هیدروکربنهای کم محلول تمرکز یافته است. مطالعه اخیری که توسط مایر و سابرون‐ چاوز در سال 2000 انجام گرفته است مبین این نکته میباشد که افزودن رامنولیپید میتواند میزان تخریب بیولوﮊیکی هگزادکان، اکتادکان، پارافین نرمال، و فنانترن را در سیستمهای مایع افزایش دهد. برای افزایش میزان تخریب بیولوﮊیکی دو مکانیسم امکان پذیر است، افزایش حلالیت سوبسترا برای سلولهای میکروبی، و برهم کنش با سطح سلول، که میزان آبگریزی سطح را افزایش داده و به سوبسترای آبگریز اجازه اتصال راحت تر را می دهد.[14,15] ﮊانگ و میلر در سال 1992 نشان دادند که رامنولیپیدهایی با غلظت300mg/L قادر به افزایش میزان معدنی شدن3 اکتادکان از 5% به 20% میباشند. بیل و بتز در سال 2000 نشان دادند که در طی فرآیند رشد بر روی هگزادکان، میزان آبگریزی سطح سلول بوسیله یک سویه مولد بیوسورفکتانت، نسبت به حالت استفاده از سویهای که قادر به تولید بیوسورفکتانت نیست، افزایش مییابد. رامنولیپیدها همچنین میزان حلالیت هگزادکان را از 1/8µg/L به 22/8µg/L افزایش می دهند.[16]

نوردمن و همکارانش در سال 2002 اثر بیوسورفکتانت تولید شده توسط P. aeruginosa را بر روی تخریب هگزادکان بررسی نمودند.[17] آنها نشان دادند که بیوسورفکتانت در مورد فرآیندهایی که عواملی باعث محدود شدن سرعت آنها میگردد، نیز قادر به افزایش تخریب بیولوﮊیکی میباشند.از این نوع فرآیندها میتوان به تصفیه خاکی با اندازه حفرههای بسیار کوچک((6nm

اشاره نمود. در این گونه فرآیندها هگزادکان در حفره ها به دام افتاده و به دشواری در دسترس میکروارگانیسم قرار می گیرد.

رامنولیپید باعث تحریک سوبسترای به دام افتاده و رهایی آن میگردد و بدین ترتیب آن را برای مصرف سلول آماده مینماید که این امر در افزایش میزان تخریب بیولوﮊیکی در شرایطی که فرآیند تخریب در محل انجام میگردد بسیار حائز اهمیت میباشد. از میان برخی از شواهد که بر آنچه در بالا گفته شد صحه میگذارند میتوان به نتایج بدست آمده توسط Al-Avadhi

و همکارانش در سال 1994، که در طی مطالعات مربوط به شنهای بیابانی آلوده به مواد نفتی بدست آمد، اشاره نمود. آنها نشان دادند که با استفاده از رامنولیپید بیش از 82/5% کاهش در کل میزان هیدروکربنهای نفتی و 90/5% کاهش در کل میزان آلکانها در طی مدت 12 ماه قابل دستیابی میباشد.[18]

‐2‐3 تاثیر رامنولیپیدها بر روی تخریب بیولوﮊیکی هیدروکربنهای آروماتیکی چند حلقه ای((PAHs

هیدروکربنهای آروماتیکی چند حلقهای از ترکیبات طبیعی سوختهای فسیلی میباشند و در اثر سوختن ناقص مواد آلی، در طی فرآیند استخراج، تصفیه، پالایش و حمل و نقل نفت، فرآیند تولید کک و فرآیند نگهداری چوب میتوانند در محیط آزاد شوند.[19] این ترکیبات بسیار سمی بوده و اکثر آنها سرطان زا میباشند. با توجه به اینکه این ترکیبات بسیار آبگریز بوده ودر

خاک نیز به شدت جذب میگردند میزان در دسترس بودن آنها برای میکروارگانیسمها بسیار اندک است که همین امر تخریب بیولوﮊیکی آنها را با دشواری رو به رو میسازد. تعداد بسیار اندکی از میکروارگانیسمها قادر به تجزیه هیدروکربنها یا آروماتیکهایی با بیش از چهار حلقه متصل بهم میباشند، چرا که با افزایش تعداد حلقهها میزان پایداری و آبگریزی آنها افزایش یافته و تخریب آنها دشوارتر میگردد. بیوسورفکتانتها بوسیله امولسین نمودن و آزاد کردن هیدروکربنهای جذب شده به مواد آلی خاک، سبب افزایش غلظت آبی ترکیبات آبگریز شده و باعث افزایش سرعت انتقال جرم می گردند و به این ترتیب به تسریع تخریب بیولوﮊیکی کمک مینمایند.

Vipulanandanو Ren در سال 2000 میزان حلالیت نفتالین توسط رامنولیپید، سدیم دودسیل سولفات((SDS (یک سورفکتانت آنیونی) و Triton X-100 (یک سورفکتانت غیریونی) را مورد مقایسه قرار دادند. رامنولیپید میزان حلالیت نفتالین را 30 برابر افزایش داد. تخریب بیولوﮊیکی نفتالین (30mg/L) در مجاورت رامنولیپید(40 (10g/L روز، و در مجاورت Triton 100 (10g/L) X -100 ساعت، به طول انجامید.علت این اختلاف زیاد در زمان انجام فرآیند این است که در حالت استفاده از رامنولیپید، به جای نفتالین بیوسورفکتانت نیز به عنوان منبع کربن مورد استفاده قرار گرفته میگیرد درحالیکه این مسئله در مورد استفاده ازTriton X-100 اتفاق نمی افتد. نفتالین در حضور سدیم دو دسیل سولفات قابلیت تخریب شدن را ندارد.[20] Deschênes و همکارانش در 1994 نیز نشان دادند که رامنولیپیدهای تولید شده از سویه UG2 در یک سوسپانسیون بیولوﮊیکی بسیار موثر تر از سدیم دو دسیل سولفات (بیش از پنج برابر) عمل کرده و میتوانند حلالیت PAH های چهار حلقهای را به مراتب بیش از سه حلقهایها افزایش دهند.[21]

Providenti و همکارانش در سال 1995 اثر بیوسورفکتانتهای UG2 را بر روی معدنی شدن فنانترین در سوسپانسیونهای خاکی بررسی کرده و نشان دادند که زمان فاز تاخیری (Lag) کاهش یافته و به همین دلیل تخریب نیز افزایش مییابد.[22]

رامنولیپید تولیدی توسط قادر به حل نمودن هیدروکربنهای آروماتیکی چند حلقهای همچون فنانترن بوده و

باعث افزایش میزان تخریب بیولوﮊیکی میگردد.[23]

‐3‐3 تاثیر رامنولیپیدها بر روی تخریب بیولوﮊیکی هیدروکربنهای کلر دار

آفتکشهایی همچون تریفلورآلین1، کمافوس2 ، آترازین3،DDT، پنتا کلروفنل، پلیکلرینات بیفنیلها، مثالهایی از ترکیبات آروماتیکی هالوﮊنه هستند. سمیت آنها و نیز پایداری زیاد آنها در طبیعت باعث شده است که از عوامل تهدید کننده محیط زیست و سلامت عمومی به شمار آیند.

تحقیقی که توسط Robinson و همکارانش در سال 1996 بر روی تخریب بیولوﮊیکی پلی کلرینات بیفنیلها انجام گرفت نشان داد که با استفاده از 4g/L از بیوسورفکتانت، میزان تخریب 4,4′ کلرو بیفنیل 213 برابر میگردد. چنین به نظر میرسد که این کار نوید بخش آیندهای روشن در مورد کاربرد بیوسورفکتانتها برای افزایش میزان تخریب بیولوﮊیکی PCB ها و NAPL

محصور شده در میان خاک باشد.[24] کار دیگری که توسط Fiebig و همکارانش در 1997 انجام گرفت، نشان داد که گلیکولیپیدهای تولید شده توسط P.cepacia، میزان تخریب بیولوﮊیکی Arochlor 1242 توسط محیط کشتهای مختلط4 را افزایش میدهند.[25]

Mata-Sandoval و همکارانش در سال2001، مطالعهای بر روی تخریب بیولوﮊیکی آفتکشها در محیط کشت مایع انجام داده و قابلیت رامنولیپید و Triton X-100 در تخریب نمودن تری فلورآلین، کومافوس و آترازین را با یکدیگر مقایسه نمودند.[26]
تخریب بیولوﮊیکی تری فلورآلین در حضور هر دو سورفکتانت افزایش یافت در حالیکه در مورد آترازین میزان تخریب با کاهش مواجه شد. تخریب بیولوﮊیکی کومافوس در غلظتهای بالای 3µm از رامنولیپید، افزایش مییابد اما هنگامی که غلظتهای Triton
بیشتر از CMC میگردد این میزان کاهش مییابد. در سوسپانسیونهای خاکی، تخریب تری فلورآلین با افزایش غلظت هر دو