بخشی از مقاله
کاربرد مدل هلدین جهت توصیف سینتیک رشد رالستونیا یوتروفا بر روي نفتالن
چکیده
تخریب زیستی نفتالن توسط گونه خالص رالستونیا یوتروفا1
در آزمایشات ارلنمایر مورد مطالعه قرار گرفت. تخریب کامل نفتالن به غلظت اولیه 50 mg/l در 52 ساعت و در حضور
Tween 80 (1.6 mM) در pH 7 صورت گرفت. مدل رشد مونود و همچنین مدل بازدارندگی رشد هلدین براي مدلسازي ریاضی مشخصهي بازدارندگی سوبستراي نفتالن بکار برده شد.
مقادیربدست آمده براي RMSE2 , R2 نشانگر تطابق خوب این
مدلها با یافتههاي تجربی میباشد (RMSE≈3*10-3,
.R2≈0.99) اھميت نگرش مکانيستی اين مدلھای رياضی مورد تاکيد اين مطالعه میباشد.
کلمات کلیدي: نفتالن، رالستونیا یوتروفا، تخریب زیستی، بازدارندگی سوبسترا، مدل هلدین
1 مقدمه
هیدروکربنهاي آروماتیک چندحلقهاي (PAH3) از اجزاي سرسخت اصلی در بین آلایندههاي نفتی بوده و بعنوان مواد سرطانزا براي انسان و موجودات زنده شناخته میشوند. زغال سنگ و نفت دو منبع اصلی این ترکیبات آروماتیک میباشند.
نفتالن که سادهترین ترکیب هیدروکربنهاي آروماتیک چندحلقهاي است داراي دو حلقه آروماتیک متصل بهم میباشد .[1] جایگاه نفتالن طبق طبقهبندي آلایندههاي مربوط به آژانس حفاظت
محیط زیست امریکا (EPA4) در الویت آلایندههاي سمی بوده و درنتیجه وجود این ترکیبات در محیط زیست بسیار نامطلوب می-
باشد. روشهاي فیزیکی و شیمیایی بسیاري براي زدایش این ترکیبات بکار رفتهاند ولی عیب اصلی این روشها هزینههاي بالاي این فرایندها و ایجاد مواد حدواسط سمیتر از ماده اولیه میباشد.
در دهههاي اخیر توجه بسیاري به استفاده از بیوتکنولوژي در تصفیه و تیمار ضایعات معطوف شدهاست. روشهاي زدایش زیستی باتوجه به تاثیرات منفی کم این روشها بر محیط زیست از جمله هزینهي کم این تکنیکها، بسیار مطلوب میباشد. با وجود اینکه نفتالن حل شوندهترین ماده در گروه PAHها میباشد ولی حلایت محدودي دارد. سورفکتانتها با توجه به دارا بودن خاصیت کاهش تنش سطحی نقش موثري در تهیه امولسیون و پایداري دارند. این مواد با تکیه بر خاصیت کاهش کشش سطحی باعث افزایش حلالیت مواد کم محلول میشوند. اثرات متقابل ضعیفی بین
سورفکتانتهاي غیریونی و مولکولهاي پروتیینی وجود دارد که در مطالعات مختلف به آن اشاره شده است .[2,3] در نتیجه در
فرایندهاي تخریب زیستی اغلب از سورفکتانتهاي غیریونی استفاده
میشود چون احتمال شکافت و تخریب سلولی با این سورفکتانت-ها بسیار کم میباشد. در این مطالعه از Tween 80 به این منظور
افزایش حلالیت نفتالن استفاده شده است. در این تحقیق عملکرد
رالستونیا یوتروفا در تخریب زیستی نفتالن ارزیابی شده و دادههاي تجربی بدست آمده با استفاده از مدل رشد مونود و مدل بازدارندگی رشد هلدین با توجه به مشخصهي بازدارندگی سوبستراي نفتالن توصیف و تفسیر شدهاند. در ادامهي این مدلسازي، ثوابت سینتیکی مربوط به این مدلهاي زیستی بدست آمدند.
2 مواد و روشها
1-2 میکروارگانیسم و شرایط محیط رشد
باکتري رالستونیا یوتروفا (PTCC 1615) از بانک
میکروبی سازمان پژوهشهاي علمی و صنعتی ایران خریداري شد.
pH محیط توسط محلول NaOH (2N) بر روي 7 تنظیم
میگردد. استریلیزاسیون محیط کشت توسط اتوکلاو در دماي
121œC به مدت ٢٠ دقيقه انجام گرفت. محيط کشت به مقدار 100 ml توسط تلقيح ۵ % حجمی ميکروبی تلقيح شده و در به مدت ۴٢ ساعت در دمای 30œC در شيکر انکوباتور با دور 150 rpm قرار گرفت .[4] جھت انجام آزمايشات تخريب زيستی و آماده سازی محيط تلقيح ميکروبی، محيط کشت باال بکار برده شد با اين تفاوت که از نفتالن بعنوان منبع کربن و انرژی به جای گلوکز استفاده گرديد.
2-2 آزمایشات تخریب زیستی
آزمایشات تخریب زیستی نفتالن در فلاسکهاي شیشهاي با حجم 500 ml در شیکر انکوباتور با دور 150 rpm انجام گرفت.
نفتالن در فاز آبی با افزایش مقادیر مشخص از نفتالن به 200 ml محلول شامل غلظت ثابتی از(Tween 80 (1.6 mM تهیه شده
و فلاسکها توسط درپوشهاي تفلونی کاملا بسته شده و به مدت
48 ساعت در دماي 25œC در شيکر قرار گرفت تا نفتالن
حل شده و محلول به تعادل برسد. فالسکھای حاوی ٧ غلظت متفاوت از نفتالن ( 10, 30, 50, 70, 90, 120 (150 mg/L به مقدار ١٠% حجمی ميکروب تلقيح شده
و کامال توسط درپوشھای تفلونی بسته میشوند. جھت کنترل تبخير نفتالن، يک محيط کنترل نفتالن بدون تلقيح ميکروب بکار برده شد و نتايج حاصل از اين کنترل نشان داد که مقدار تبخير نفتالن در اين شرايط بسيار ناچيز میباشد. جھت مدلسازی رياضی رشد، مدل مونود
و اثر بازدارندگی رشد سلولی سوبسترای نفتالن، مدل سينتيکی ھلدين بکار گرفته شد و ثوابت μm، Km و Ki با تطابق دادهھای تجربی با اين مدل سينتيکی توسط آناليز رگراسيون غيرخطی کوچکترين مربعات (Levenburg-Marquardt algorithm using GraphPad Prism
version 5.00 for Windows, GraphPad264 Software, San Diego California USA, (www.graphpad .com بدست آمد. در اين تکنيک ھدف حداقل کردن جمع مربع انحراف بين دادهھای تجربی و
دادهھای پيشبينی شده میباشد .[5] مدلھای مونود٥ و ھلدين٦ به صورت زير میباشند :[6,7]
(1) Monod: μ= μmS/(Ks+ S)
(2) Haldane: μ= μmS/(Ks+ S+S2/Ki)
3-2 روشهاي آنالیز
نمونهگیري در بازههاي زمانی مشخص صورت گرفته و نمونهها به مدت 6 دقیقه در 10000 rpm سانتریفوژ شدند. آنالیز
کمی نفتالن با استفاده از HPLC مجهز به ستون C18 انجام
گرفت. حلالها در این آنالیز استونیتریل و آب (25:75) با دبی 1 ml/min بوده و شناسایی پیک در طول موج 254nm صورت
پذیرفت. بیومس باکتري توسط اسپکتروفتومتري در طول موج 600 nm سنجیده شد.
3 نتایج و بحث
1-3 آزمایشات تخریب زیستی نفتالن
حل شوندگی آلایندههاي آبگریز در محیط آبی از نظر ترمودینامیکی یک فرایند نامطلوب بوده و دسترسی سلولهاي میکروبی به این گونه از سوبستراها کم میباشد، در نتیجه فعالیت تخریب زیستی بر روي این ترکیبات ناچیز بوده و استفاده از سورفکتانتها براي افزایش حلالیت در این موارد پیشنهاد می-
گردد. درمحلولهاي سلولهاي میکروبی، اتصال بین امینواسیدهاي آبدوست قرار گرفته درخارج مولکولهاي پروتیینی با اجزاي محیط آبی، احتمال بازشدگی و تخریب پروتیین را افزایش میدهد. به همین جهت استفاده از سورفکتانتهاي
غیریونی در مقایسه با سورفکتانتهاي یونی ارجحتر است .[8,9,10] ارتباط بین حلالیت محدود ترکیبات آبگریز و قابلیت
دسترسی کم آنها در مطالعات مختلف بررسی شده و در این موارد
سلولهاي میکروبی ظرفیت محدودي در تخریب زیستی این آلایندهاي آلی دارند. در این تحقیق تاثیر مثبت حضور Tween
80 در تخریب زیستی نفتالن ثابت شد. عملکرد تخریب زیستی
رالستونیا یوتروفا تحت تاثیر غلظت اولیه نفتالن میباشد. شکل -1
الف روند کاهش نفتالن در 7 غلظت اولیه متفاوت را نشان میدهد.
شکل -1ب تغییرات بیومس را در طول زمان تخریب زیستی نشان میدهد. فاز تاخیري در مصرف نفتالن توسط رالستونیا در غلظت-
