کاربرد باکتری‌های عامل خوردگی در پاکسازی آلاینده‌های محیط زیست (ترکیبات شیمیایی، آفت‌کش‌ها، شوینده‌ها، پلاستیک‌ها)

مقدمه

 امروزه آلودگی محیط زیست از مسائل مهمی است که جوامع مختلف با آن مواجه‌اند. آلودگی عبارت است از هرگونه تغییر در خصوصیات اجزای تشکیل‌دهندة محیط؛ به‌طوری‌که نتوان از آن استفاده کرد و به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم منافع و حیات موجودات زنده را به مخاطره می‌اندازد (1). آلاینده‌ها معمولاً در اثر فعالیت‌های انسان پدید می‌آیند و وارد محیط زیست می‌شوند. آلاینده‌های آلی دارای اثرات مضر و مخرب زیست‌محیطی گسترده‌ای هستند و از انواع آنها می‌توان سموم ارگانوکلره و فسفره و ترکیبات پلی‌کلره بی‌فنیل (PCBs) را نام برد که حین فرایندهای تولید، عمل‌آوری و مصرف یا دفع (سوزاندن) وارد محیط زیست می‌شوند (2). پاره‌ای از مواد شیمیایی نظیر آکریلونیتریل، آفت‌کش‌ها (DDT) و شوینده‌ها (SDS) به‌علت مشکلاتی که به وجود می‌آورند بسیار حائز اهمیت هستند (3، 4).

فرایند استفاده هوشمندانه از فرایندهای زیستی برای به حداقل رساندن یک اثر زیست‌محیطی نامطلوب و حذف یک آلاینده از محیط، زیست‌پالایی نامیده می‌شود. در زیست‌پالایی از میکروارگانیسم‌ها در تجزیه مولکول‌های آلی و تبدیل آنها به ترکیبات ساده‌تر استفاده می‌شود که ممکن است در طی این عمل، سمیت آلاینده‌ها نیز کاهش یابد. تعدادی از میکروارگانیسم‌ها توانایی تجزیه زیستی مواد شیمیایی مخاطره‌آمیز را دارند؛ به‌طوری‌که از این مواد برای رشد و متابولیسم خود استفاده می‌کنند. در این مقاله تجزیه زیستی این آلاینده‌ها توسط باکتری‌های عامل خوردگی بیشتر بررسی می‌شود. خوردگی میکروبی یکی از مشکلات بزرگ در صنایع است که هزینه‌های هنگفت درخصوص تعمیر و تعویض آنها به‌دنبال دارد. درزمینة خوردگی زیستی و میکروبیولوژیکی، به‌طور گسترده مطالعه و بررسی انجام شده است (5).

در عمل سه دسته از میکروارگانیسم‌ها شامل جلبک‌ها، قارچ‌ها و باکتری‌ها در فرایندهای خوردگی میکروبی در صنایع مختلف نقش دارند. باکتری‌های اکسیدکنندة آهن و باکتری‌های اکسیدکنندة سولفات (SOB) ازجمله باکتری‌های هوازی مؤثر در خوردگی میکروبی هستند. همچنین، جنس سودوموناس و سایر باکتری‌های مولد لایه‌های چسبنده لعابی در خوردگی هوازی نقش مهمی دارند.

ازجمله مزیت‌های باکتری‌های آهن و باکتری‌های گوگردی این است که آنها قادر به رشد در pH پایین و تحمل غلظت‌ بالای اسید هستند. این میکروارگانیسم‌ها به‌طور چشمگیری به بازه وسیعی از یون‌های معدنی مقاوم‌اند؛ اگرچه تفاوت‌های چشمگیری بین گونه‌ها وجود دارد. نیازمندی‌های غذایی نسبتأ کم این میکروارگانیسم‌ها با هوادهی سوسپانسیون معدنی حاوی آهن یا سولفور انجام می‌شود. افزودن مقادیر بسیار کم کود‌های غیرآلی، منابع نیتروژن، فسفات، پتاسیم و عناصر جزئی را تأمین می‌کند. یکی از مزیت‌های عملیات‌های بیواکسیداسیون مواد معدنی این است که میکروارگانیسم‌های دخیل در آن به‌طور اتفاقی و ناخواسته آلوده نمی‌شوند. در فرایندهای لیچینگ، خارج‌کردن مواد معدنی به‌صورت پیوسته ازطریق شست‌وشو صورت می‌گیرد که میکروارگانیسم‌های چسبیده را نیز می‌تواند جدا کند.

این دسته از باکتری‌ها روی محیط کشت حاوی آگار کم رشد می‌کنند که علت آن محصولات سمی ناشی از هیدرولیز آگار روی رشد این باکتری‌ها است؛ البته این مشکل با استفاده از آگارهای بسیار خالص یا استفاده از غلظت پایین آگار با pH برابر با 5/2-2/2 که فروسولفات با غلظت 20 میلی‌مولار به آن اضافه شده است، می‌تواند برطرف شود. این باکتری‌ها اتوتروف هستند و قادر به استفاده از گلوکز به‌عنوان منبع کربن نیستند. چون این باکتری‌ها هوازی هستند، لازم است  محیط کشت خالی باشد و در زمان گرماگذاری با تکان‌دادن محیط کشت، شرایط هوازی تأمین شود.

گزارش شده است باکتری‌های احیاکنندة سولفات (SRB) مسئول خوردگی شدید ماشین‌آلات حفاری، پمپ‌ها و مخازن ذخیره‌سازی هستند. SRBها شدیدأ بی‌هوازی هستند و بنابراین در محیط‌های با پتانسیل احیای کم، مانند رسوبات مرداب‌ها یافت می‌شوند. دامنه ترکیبات دهندة الکترون گسترده است که توسط باکتری‌های احیاکنندة سولفات استفاده می‌شود. H2، لاکتات و پیروات تقریبأ به‌طور عمومی استفاده می‌شوند و بسیاری از گونه‌ها ترکیبات مالات، سولفونات و برخی از الکل‌های نوع اول مانند متانول، اتانول، پروپانول و بوتانول را به کار می‌برند. این گروه از باکتری‌ها، مجموعه‌ای متفاوت ازنظر فیزیولوژی و مورفولوژی هستند.

با توجه به ویژگی‌های متابولیسمی ویژه باکتری‌های عامل خوردگی، مانند باکتری‌های آهن و انواع باکتری‌های SRB، شناسایی توانمندی باکتری‌های عامل خوردگی در راستای تجزیه زیستی آلاینده‌های محیطی موضوع بسیار جالبی است که کمتر به آن توجه شده است؛ بنابراین، در این مقاله مروری، توانمندی مثبت باکتری‌های عامل خوردگی برای پاکسازی و تجزیه زیستی تعدادی از آلاینده‌های آلی محیط زیست بررسی شده است.

روش کارهای به‌کاررفته در این پژوهش‌ها

در این مطالعه مروری که در سال‌های اخیر انجام شده است، از تعدادی مقالات مربوط به تحقیقات انجام‌شده توسط نویسندگان مقاله و کار محققان دیگر درزمینة تجزیه زیستی تعدادی از آلاینده‌های شیمیایی در محیط زیست در پایگاه‌های اطلاعاتی مختلف استفاده شد. معیارهای ورود به مطالعه، شامل مرتبط‌بودن با هدف مطالعه، کیفیت مناسب مطالب ارائه‌شده در مقاله و در دسترس بودن داده‌های مورد نیاز در مقاله بودند که به‌منظور انتخاب هر مقاله برای بررسی اعمال شدند.

نتایج

با توجه به آلاینده‌های مدنظر، نتایج به‌دست‌آمده از تجزیه زیستی آنها توسط باکتری‌های عامل خوردگی در اینجا مطالعه شده‌اند. یکی از آلاینده‌های شیمیایی محیط زیست، پنتاکلروفنل (PCP) است که تجزیه زیستی بی‌هوازی آن توسط باکتری‌های عامل خوردگی در ادامه آمده است.

تجزیه بی‌هوازی PCP

پنتاکلروفنل (PCP) به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان یک آفت‌کش (مانند علف‌کش و حشره‌کش) و نگهدارندة چوب به‌دلیل فعالیت باکتری‌کشی استفاده می‌شود. قرارگرفتن طولانی‌مدت انسان و حیوانات در معرض سطوح پایین PCP می‌تواند باعث آسیب به کبد، کلیه‌ها، پلاسمای خون و سیستم عصبی شود. در محیط، PCP را می‌توان ازطریق فرایندهای شیمیایی، میکروبیولوژیکی و فتوشیمیایی تجزیه کرد (6، 7). اغلب ترکیبات PCP در برابر حملات باکتریایی هوازی مقاومت نشان می‌دهند؛ اما می‌توان آنها را به‌صورت تقلیل‌دهنده به فنل‌هایی با اتم‌های کلر کمتر هالوژنه کرد که ممکن است به‌راحتی تجزیه شوند. دکلره کاهشی یکی از مهم‌ترین فرایندهای تخریب برای حذف PCP در شرایط بی‌هوازی است. شرایط بی‌هوازی به نفع دکلره کاهشی است که به جابه‌جایی اتم‌های کلر توسط اتم‌های هیدروژن منجر می‌شود. هالوژن‌زدایی تقلیلی شامل استفاده از ترکیبات هالوژنه به‌عنوان گیرنده‌های الکترون پایانی برای انتقال الکترون‌های تنفسی بی‌هوازی با صرفه‌جویی در انرژی است. هالوژن‌زدایی کاهشی می‌تواند به‌صورت متابولیک، با تحریک باکتری‌ها با سیستم‌های آنزیمی نامشخص یا به‌صورت کاتابولیک رخ دهد که نیاز به ورودی بسترهای اهداکنندة الکترون دارد. در طول هالوژن‌زدایی تقلیلی، الکترون‌ها از یک دهندة الکترون ازطریق یک زنجیره انتقال الکترون به RDase موضعی غشایی منتقل می‌شوند و درنتیجه یک گرادیان پروتون در سراسر غشا تولید می‌شود که تشکیل ATP را ازطریق ATPase متصل به غشا هدایت می‌کند. این مکانیسم وابسته به غلظت می‌تواند با اصلاح بسترهای رشد آلی ساده تحریک شود. باکتری‌های با جنس‌های Desulfitobacterium، Dehalobacter، Anaeromyxobacter، Geobacter، Desulfomonile، Desulfuromonas، Desulfovibrio، Sulfurospirillum، Dehalogenimonas، Dehalobium، Dehalococcoides قادر به تجزیه بی‌هوازی  PCPهستند. PCP به‌صورت بی‌هوازی ازطریق یک‌سری واکنش‌های کاهش‌دهندة هالوژناسیون، تجزیه و منجر به تشکیل فنل می‌شود که می‌تواند بیشتر توسط پروکاریوت‌های بی‌هوازی به CH4 و CO2 تجزیه شود (شکل 1). درک تخریب بی‌هوازی PCP و محرک‌های محیطی که بر تجزیه زیستی آن تأثیر می‌گذارند، برای بهبود فرایند کلی زیست‌پالایی ضروری است.

شکل 1: هالوژن‌زدایی بی‌هوازی PCP

Figure 1: Anaerobic dehalogenation of PCP

ترکیبات نیتریل‌دار (سیانیدی)

نیتریل‌ها ترکیباتی با یک یا چند گروه فعال سیانید (CN) هستند که هم به‌صورت زیستی و هم شیمیایی تولید می‌شوند. این ترکیبات بسیار سمی و سرطان‌زا هستند و سبب جهش نیز می‌شوند. نیتریل‌ها ازطریق پساب کارخانه‌ها وارد آب‌های جاری و آب‌های زیرزمینی می‌شوند و همچنین در ساخت الیاف آکریلیک به‌صورت آکریلونیتریل و گاهی‌اوقات به همراه نانوذره نقره و تیتانیوم برای صنایع نساجی به کار می‌روند. این ترکیبات بعد از مصرف وارد محیط زیست می‌شوند. در پژوهش ماوندادنژاد و همکاران (2012) مشخص شد این الیاف روی باکتری‌های مفید خاک، مانند گونه‌های باسیلوس (برای تولید سلولاز) و ریزوبیوم که باکتری مفید خاک برای تثبیت ازت هستند، اثر سوء دارد و آنها را از بین می‌برد (8). به همین دلیل، از میکروارگانیسم‌های تولیدکنندة آنزیم‌های تجزیه‌کنندة نیتریل می‌توان استفاده کرد؛ مانند آنزیم‌های نیتریلاز که توسط باکتری کلبسیلا، آلکالی ژنز فکالیس، سودوموناس فلورسنس و سودوموناس پوتیدا تولید می‌‌شوند. آنزیم آمیداز روی ترکیبات نیتریل اثر می‌گذارد و این ترکیبات را به اسید مربوطه و آمونیاک تبدیل می‌کند. این باکتری‌ها همچنین عامل خوردگی هستند؛ اما در این مطالعه به‌عنوان تجزیه‌کنندة زیستی مواد نیتریل‌دار پیشنهاد می‌شوند (9-11).

انواع آفت‌کش‌ها

آفت‌کش‌ها با توجه به نوع عمل یا ترکیب شیمیایی و ساختار آنها طبقه‌بندی می‌شوند. این آفت‌کش‌ها براساس کاربرد، به چهار دسته تقسیم می‌شوند؛ حشره‌کش‌ها، قارچ‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و سایر آفت‌کش‌های ویژه مانند کشنده جانوران جونده و کشنده نرم‌تنان. چهار طبقه‌بندی اصلی آفت‌کش‌ها بر طبق فرمول شیمیایی و ساختار آنان به این ترتیب است: 1- هیدروکربن‌های کلرینه‌شده، 2- کلروفنوکسی اسیدها، 3- فسفات‌های آلی، 4- کربامیدها.

هیدروکربن‌های کلرینه‌شده

هیدروکربن‌های کلره به‌طور عمده از اسکلت کربن، هیدروژن و اتم کلر متصل به آن ساخته می‌شوند. این دسته از آفت‌کش‌ها به دو دلیل اساسی جزء متداول‌ترین در زمان حاضر در محیط هستند: 1- استفاده کلی از آنها بیشتر از گروه‌های دیگر است؛ 2- این ترکیبات در محیط خیلی مقاوم‌تر هستند (نسبت به دیگر گروه‌ها در مقابل تجزیه مقاوم‌ترند). مستعمل‌ترین آفت‌کش‌ها، DDT است که مربوط به گروه هیدروکربن‌های کلرینه است. از موارد دیگر در این گروه دی‌الدرین^[1]، آلدرین^[2]، اندرین^[3]، لیندان^[4]، کلردان^[5] و چندین نمونه دیگر هستند.

تجزیه زیستی (DDT)

دی‌کلرو دی‌فنیل تری‌کلرو اتان که معمولاً با نام DDT شناخته می‌شود، یک ترکیب شیمیایی کریستالی بی‌رنگ، بی‌مزه و تقریباً بدون بو و یک ارگانوکلر است. این ماده در اصل به‌عنوان حشره‌کش تولید می‌شد؛ اما به‌دلیل تأثیرات مخرب زیست‌محیطی بدنام شد (12). برای تجزیه زیستی DDT حداقل CFU/gr  10⁴ تجزیه‌کنندة فعال نیاز است. گاهی مواد واسطه از تجزیه زیستی DDT سمی‌تر از خود این ماده هستند؛ مانند DDD، 1،1- دی‌کلرو-2،2(4-فنیل) اتان، DDE، 1،1-دی‌کلرو-2،2(4-کلروفنیل) اتیلن. متداول‌ترین واکنش‌های پیشنهادی طی تخریب DDT عبارت‌اند از دکلره‌زدایی، تقلیل‌دهنده، هیدروهالوژن‌زدایی، دی‌اکسیژناسیون، هیدروکسیلاسیون، هیدروژناسیون و برش متا حلقه (حمله بین ۲،۳ کربن به ساختار حلقه). اولین واسطه طی تخریب DDT از واکنش‌های ذکرشده، DDD در شرایط بی‌هوازی و تولید DDE در شرایط هوازی است. تعدادی از باکتری‌ها که حداقل در یک مرحله از تخریب DDT نقش دارند و جزء باکتری عامل خوردگی نیز هستند، عبارت‌اند از هوازی‌ها و بی‌هوازی اختیاری: Alcaligenes denitrificans ITRC-4، Shewanella decolorationis S12، Bacillus cereus، Pseudomonas putida، marcescens DT-1P Serratia و بی‌هوازی‌های مطلق: Methanogenic granular sludge، Clostridium (13).

تجزیه زیستی هوازی DDT توسط باکتری‌ها

در یک خاک آلوده تجزیه هوازی در ناحیه Vadose (سه فوت بالایی خاک) رخ می‌دهد. در شکل (2) متابولیسم DDT با حمله مستقیم به ساختار حلقه‌ای ازطریق اکسیژن‌رسانی برای تشکیل 3،2-دی‌هیدرودیول DOT آغاز می‌شود. پس از تشکیل 3،2- دی هیدروکسی DDT و شکاف متا، بعد از مراحل متوالی 4-کلروبنزوئیک اسید (4-CBA) ایجاد می­شود.

ترکیب دو مولکولی اکسیژن نیاز به حضور آنزیم‌های دی‌اکسیژناز دارد؛ بنابراین، باکتری‌هایی که می‌توانند با حمله به ساختار حلقه شروع به تخریب DOT کنند، فرض می‌شود دی‌اکسیژناز تولید می‌کنند. در برخی موارد تولید آنزیم‌های خاص می‌تواند متأثر از یک منبع کربن ثانویه باشد. سویه Alcaligenes sp در تخریب 65 درصد DDT به شکل هوازی در خاک مؤثر است. میزان تخریب تا حد زیادی به حضور 5/0 درصد گلوکز نیز بستگی دارد. گلوکز تخریب DDT توسط Serratia marraescens DT-1P را مهار می‌کند؛ اما زمانی که در محیط مخلوطی از مخمر، پپتون و براث سویاتریپتیک وجود دارد تخریب به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد (14، 15).

شکل 2: مسیر تجزیه هوازی DDT توسط باکتری‌های تجزیه‌کننده

Figure 2: Aerobic degradation pathway of DDT by degrading bacteria

همان‌طور که در مطالعات نشان داده شده است، سویه‌های قارچی خاصی نیز می‌توانند DDT را در شرایط هوازی تجزیه کند؛ اما در اینجا فقط باکتری‌ها بررسی می‌شوند.

تجزیه بی‌هوازی DDT توسط باکتری‌ها

تخریب سریع DDT معمولاً در شرایط بی‌هوازی ازطریق کلرزدایی امکان‌پذیر است. این حالت حمله معمولاً به زنجیره آلکیل محدود می‌شود و ترکیبات DDD و DDE تولید می‌شوند. اگرچه هر دو DDD و DDE می‌توانند در شرایط بی‌هوازی تشکیل شوند (با توجه به میکروب استفاده‌شده)، DDE مطلوب نیست؛ زیرا می‌تواند در برابر مراحل تجزیه بعدی مقاوم‌تر باشد. یک مسیر بی‌هوازی DDD به‌عنوان متابولیت اولیه در شکل 3 نشان داده شده است. این مسیر یکی از کامل‌ترین مسیرها است؛ زیرا هفت واسطه کلیدی را شناسایی می‌کند. DBP اغلب به‌عنوان «محصول نهایی» در شرایط بی‌هوازی در نظر گرفته می‌شود. مسیر برای Sphingobactrium sp نیز گزارش شده است که می‌تواند 9/12 درصد از DDT موجود در 90 روز را کاهش دهد. مطالعات اخیر تشکیل این متابولیت‌ها را برای رسوبات آلوده در شرایط بی‌هوازی ازطریق کلرزدایی و کلرزنی احیایی زنجیره آلکیل نشان دادند. آنها همچنین دریافتند اگر DDE تشکیل شود، به‌دنبال تجزیه p.p –DDNU (2,2-bic(p-chlorophenyl)ethylene) می‌تواند به P,p-DDMU(1-chloro-2-2 – bis -(p-p chlorophenyl)ethylene) تبدیل شود. این یافته‌های ذکرشده در بالا نشان می‌دهند پاکسازی زیستی می‌تواند روشی مناسب برای درمان مکان‌های آلوده به DDT باشد. تخریب DOT در هر دو شرایط هوازی و بی‌هوازی توسط ارگانیسم‌های مختلف نشان داده شده است. «محصول نهایی» اولیه گزارش‌شده برای بیشتر مسیرها کاروبنزوئیک اسید (4-CBA) و در شرایط بی‌هوازی دی‌کلروبنزوفنون (DBP) بوده است (16). ممکن است تجزیه کامل برای DDT و متابولیت‌های آن امکان‌پذیر باشد؛ اما تا به امروز گزارش نشده است.

شکل 3: مسیر متابولیک DDT در شرایط بی‌هوازی

Figure 3: Metabolic pathway of DDT under anaerobic conditions

DDT ((1,1,1-trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl) ethane)

DDD (1,1-dichloro-2,2-bis(p-chlorophenyl) ethane)

DDMU (1-chloro-2-2-bis-(4 -chlorophenyl) ethylene)

DDMS (1-chloro-2,2-bis(4′-chlorophenyl) ethane)

DDNU (1,1-bis(4-chlorophenyl) ethylene)

DDOH (2,2-bis(4′-chlorophenyl) ethanol)

DDA (2,2-bis(p-chlorophenyl) acetate)

DBH (4,4-dichlorobenzhydrol)

DBP (4,4 –dichlorobenzophenone)

شوینده‌ها

شوینده‌ها یا دترجنت‌ها موادی هستند که برای از بین بردن لکه‌های چربی و چرک از سطوح مختلف به کار می‌روند که شامل موادی از قبیل صابون قلیایی، ترکیبات ظرفشویی قلیایی و تمیزکننده‌های محلول هستند؛ شوینده‌ها مولکول‌های آمفی‌پاتیک هستند؛ یعنی در ساختار خود هم گروه قطبی (آب‌دوست) و هم گروه غیرقطبی (آب‌گریز) دارند. شوینده‌ها قدرت انحلال در آب و پاک‌کنندگی دارند و نیز دارای سورفاکتانت به همراه ترکیبات مکمل، مانند سازنده‌ها، تقویت‌کننده‌ها، پرکننده‌ها و ترکیبات ضمیمه هستند.

سدیم دودسیل سولفات (SDS) یک ترکیب مهم سورفاکتانتی است و به میزان زیاد در شوینده‌هایی مانند شامپوها، صابون‌های ماشین‌شویی و خمیردندان‌ها، استفاده و به‌سرعت در شرایط هوازی تجزیه می‌شود که در تجزیه اولیه و نهایی این سورفاکتانت میکروارگانیسم‌ها مهم هستند. SDS از دو بخش تشکیل شده است؛ یک زنجیره هیدروکربنی (C12) و یک گروه سولفات متصل به زنجیره.

با توجه به افزایش استفاده از SDS پاکسازی زیستی آن توسط میکروارگانیسم‌های مناسب حائز اهمیت است. در سال ۲۰۱۳ شهبازی و همکاران باکتری‌های تجزیه‌کننده را از پساب کارگاه‌های ماشین‌شویی جداسازی کردند (17). شرایط بهینه برای افزایش تجزیه SDS مانند pH، دما و دور شیکر بررسی شد. یکی از باکتری‌های جداسازی‌شده سودوموناس آئروژینوزا (P. aeruginosa) بود. شرایط بهینه برای تجزیه زیستی SDS توسط این باکتری به‌صورت میزان تلقیح باکتری 7 درصد، pH برابر 5/7 و دمای 37 درجه سانتی‌گراد همراه با افزودن نیترات آمونیم به‌عنوان منبع ازت و گلوکز به‌عنوان ماده کمکی کربن به محیط کشت پایه تعیین شد.

میزان SDS برابر با 5/1 میلی‌مول بود که در 24 ساعت در شرایط بهینه مزبور 98 درصد آن تجزبه شد. در پژوهش دیگری مشخص شد که این باکتری با تشکیل بیوفیلم قادر به تحمل کلیتین و SDS است (18). آلکیل سولفاتازها آنزیم‌هایی هستند که اکثراً توسط باکتری‌های گرم منفی تولید می‌شوند و در تجزیه آلکیل سولفات‌ها اثر می‌گذارند؛ اما دو باکتری گرم مثبت باسیلوس سرئوس و کورینه فرم B1a قادرند این آنزیم را تولید کنند و تجزیه زیستی SDS را انجام دهند. به‌تازگی نشان داده شد که تشکیل بیوفیلم تجزیه مداوم SDS را حمایت می‌کند و باعث حذف آن می‌شود. با توجه به تحقیقات مربوط به جداسازی میکروارگانیسم‌های تجزیه‌کنندة شوینده‌ها، می‌توان از آنها برای تیمار پساب‌های شهری و کارخانه‌های تولیدکنندة شوینده در کارگاه‌های ماشین‌شویی، استفاده و این ترکیبات زیان‌بار را قبل از واردشدن به محیط زیست حذف کرد. باکتری‌های تجزیه‌کنندة شوینده اکثراً از باکتری‌های گرم منفی شامل جنس‌های Entrobacter، Proteus، Vibrio، Klebsiella، Flavobacterium، Acinetobacter، Pseudomonas، Shigella و Escherichia و باکتری گرم مثبت Bacillus cereus بوده که از پساب جداسازی و شناسایی شده­اند (19، 20).

مسیر متابولیسمی تجزیه سدیم دودسیل سولفات

متابولیسم SDS با باکتری‌های تجزیه‌کنندة Pseudomonas C13B شوینده با استفاده از کربن نشان‌دارشده با مواد رادیواکتیو مشخص شد که طی این متابولیسم 70 درصد از کربن نشان‌دارشده به‌صورت CO2، رها و باقی‌ماندة کربن نشان‌دارشده تقریباً در ساختار سلولی وارد می‌شوند. در این مسیر تحت‌تأثیر آنزیم آلکیل سولفاتاز، SO3 و 1- دودکانول آزاد می‌شوند که 1- دودکانول تحت‌تأثیر آنزیم الکل دهیدروژناز به آلدهید دودکانال اکسید می‌شود. در مرحله بعد، دودکانال توسط آلدهید دهیدروژناز به اسید چرب (لوریک اسید) تبدیل می‌شود، این اسید چرب توسط آنزیم استیل-کوآ سنتتاز به لوریل-کوآ، تبدیل و در ادامه این ترکیب توسط فرایندهای بتااکسیداسیون، وارد چرخه کربس و به CO2 و H2O تبدیل می‌شود؛ البته در حدود ۷۰ درصد الکل واردشده در این مسیر، تجزیه و ۳۰ درصد باقی‌مانده طی فرایند طویل‌سازی به اسیدهای چرب با طول C14،C16  و C18 تبدیل می‌شوند و در تشکیل لیپیدهای سلولی همانند فسفولیپیدها شرکت می‌کنند؛ به این ترتیب، متابولیت‌های آب‌گریز زنجیره آلکیل سدیم دودسیل سولفات می‌توانند وارد ترکیبات سلولی شوند؛ بدون اینکه توسط بتااکسیداسیون تجزیه شوند (21).

در شکل 4 مسیر تجزیه آلکیل سولفات‌ها نشان داده شده است. آلکیل سولفات‌ها که اغلب با عنوان الکل سولفات‌ها خوانده می‌شوند، ازطریق سنتز آلکیل‌های خطی استرهای اسید سولفوریک تشکیل می‌شوند. لوریل آلکیل سولفات یا سدیم دودسیل سولفات SDS یک ترکیب مهم سورفاکتانت است.

𝑹−𝑶−𝑺𝑶𝟑+𝑯𝟐𝑶→𝑹−𝑶𝑯+𝑺𝑶𝟒

شکل 4: مسیر تجزیه کلی آلکیل سولفات‌ها

Figure 4: General decomposition pathway of alkyl sulfates

یکی دیگر از آلاینده‌های محیط زیست، پلاستیک‌ها هستند که در محیط زیست انباشته می‌شوند و تجزیه آنها هزاران سال طول می‌کشد. یکی از راه‌حل‌ها، تولید پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر (PHA) توسط باکتری‌های عامل خوردگی است. راه‌حل دیگر، استفاده از این باکتری‌ها در تجزیه زیستی پلاستیک‌های موجود و رهاشده در محیط زیست و بازیافت آنها است.

پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، پلی‌هیدروکسی آلکانوآت‌ها (PHA)

دلیل اصلی تخریب‌پذیرنبودن پلاستیک‌ها، وجود مواد با وزن مولکولی بالا، طویل‌بودن طول مولکول پلیمر و پیوند قوی بین منومرهای آنها است که تجزیه آن را توسط موجودات تجزیه‌کننده با مشکل مواجه می‌کند. سوزاندن پلاستیک‌ها یک راه مبارزه با تجزیه‌ناپذیری آنهاست؛ اما این روش گران و خطرناک است؛ ضمن اینکه مواد شیمیایی مضر از قبیل اسید هیدروکلریک و نیز سیانید هیدروژن در طول سوختن پلاستیک‌ها آزاد می‌شوند. زباله‌کردن پلاستیک‌ها یک راه دیگر است؛ اما این روش نیز اشکالاتی دارد: اول اینکه تقسیم‌بندی زباله‌های پلاستیکی به‌دلیل طیف وسیع آنها مشکل است؛ دوم، محدوده کاربردی زباله‌های پلاستیکی بسیار اندک است (22).

در سال‌های اخیر، تلاش‌های قانونی برای جلوگیری از دورریزی پلاستیک‌های تجزیه‌ناپذیر افزایش یافته‌اند. این تلاش‌ها فعالان صنعت پلاستیک را واداشته است تا به‌دنبال پلاستیک‌هایی باشند که مشکلات زیست‌محیطی کمتری دارند؛ مانند پلاستیک‌هایی که با نور تجزیه می‌شوند، پلاستیک‌هایی که در ساختمان خود نشاسته دارند و پلاستیک‌های میکروبی.

ساختمان پلاستیک‌هایی که توسط نور تجزیه می‌شوند، بر اثر پرتوهای فرابنفش (پس از چند هفته یا ماه) از هم می‌پاشد و مستعد تجزیه میکروبی می‌شود. عیب این نوع پلاستیک‌ها این است که بسیاری از مکان‌های دفن زباله نور کافی ندارند؛ ازاین‌رو، ساختمان این پلاستیک‌ها دست‌نخورده باقی می‌ماند و برای تجزیه میکروبی آماده نمی‌شود. در پلاستیک‌های نشاسته‌ای مولکول‌های نشاسته قطعات کوتاهی از پلی‌اتیلن را به هم متصل می‌کنند. وقتی این پلاستیک‌ها در مکان‌های دفن زباله landfill دور ریخته می‌شوند، باکتری‌های خاک به مولکول‌های نشاسته، حمله و قطعات پلی‌اتیلن را برای تجزیه میکروبی رها می‌کنند. کمبود اکسیژن در مکان‌های دفن زباله و اثر مهاری قطعات پلی‌اتیلن بر عملکرد باکتری‌ها، ازجمله معایبی است که استفاده از این پلاستیک‌ها را محدود می‌کند. دسته سوم، پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر جدید و خیلی مفید هستند؛ زیرا عمل آنها در به‌کارگیری باکتری‌ها به‌عنوان یک بیوپلیمر است. در سال 1925، Bacterial plastic پلاستیک‌های زیستی در انستیتو پاستور کشف شد که در آنجا پلیمری به نام Poly -β- hydroxyalkanoate به مقدار زیاد توسط باکتری‌ها سنتز می‌شد (23).

شناخته‌شده‌ترین پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌، پلی بتا هیدروکسی بوتیرات (PHB) است که هومو پلیمری از 3-هیدروکسی بوتیرات است. PHB شامل هزاران مولکول هیدروکسی بوتیرات است که از انتها به یکدیگر متصل شده‌اند.  PHB توسط تعدادی از باکتری‌ها در داخل سلول سنتز می‌شود و درون سلول تجمع می‌یابد. باکتری در زمان گرسنگی از PHB به‌عنوان منبع کربن و انرژی استفاده می‌کند. PHB یک نقش مهم در بقای میکروارگانیسم در شرایط سخت نظیر کمبود مواد غذایی محیط، فشار اسموتیک و تابش اشعه فرابنفش دارد. استخراج بالای PHB در طیف انبوهی از میکروارگانیسم‌ها شامل گونه‌هایی از Syntrophomonas، Pseudomonas، Alcaligenes genera و Clostridium نشان داده شده است؛ البته تمام میکروارگانیسم‌ها واجد PHB نیستند؛ برای مثال، درصد اندکی از آنتروباکتری‌ها و برخی گونه‌های سیانوباکتری‌ها PHB تولید می‌کنند (24).

باکتری‌ها می‌توانند PHB را به‌طور کامل به آب و دی‌اکسید کربن تجزیه کنند. در حقیقت، تخریب‌پذیری طبیعی پلاستیک‌ها، با منشأ PHA باعث استفادة آنها در صنعت پزشکی شده است. کاربرد این پلاستیک‌ها در پزشکی اینگونه است که پلیت‌های ساخته‌شده از PHA در بدن انسان می‌توانند در بهبود شکستگی استخوان مؤثر باشند. نکته جالب این است که پس از بهبود استخوان، پلاستیک‌ها به‌آرامی در بدن انسان تجزیه می‌شوند (25). تعدادی از باکتری‌های عامل خوردگی، مانند سودوموناس پوتیدا و باسیلوس سرئوس قادر به تجزیه زیستی پلاستیک‌ها و برخی از این نوع باکتری‌ها قادر به بازیافت پلاستیک هستند (26-28). در جدول 1، خلاصه‌ای از یافته‌های مربوط به تجزیه زیستی برخی از آلاینده‌ها توسط تعدادی از باکتری‌های عامل خوردگی ارائه شده است.

جدول 1: چکیده یافته‌های مربوط به تجزیه زیستی برخی آلاینده‌ها توسط تعدادی از باکتری‌های عامل خوردگی

Table 1: Summary of the findings related to the biodegradation of some pollutants by a number of corrosive bacteria

بحث و نتیجه‌گیری:

1- آلاینده‌های محیط زیست، مانند ترکیبات شیمیایی (PCP)، آکریلونیتریل‌ها، آفت‌کش‌ها، شوینده‌ها و پلاستیک در این مقاله به‌عنوان عوامل خطرناک در محیط زیست مطالعه شده‌اند.

2- در این مطالعه مشخص شد تعدادی از باکتری‌های عامل خوردگی قدرت تجزیه زیستی آلاینده‌های مزبور را دارند.

3- برای به‌کارگیری این باکتری‌ها لازم است شرایط، مکان و نوع باکتری مدنظر مناسب باشد و تأثیر مضر بر موجودات زنده و میکروارگانیسم‌های مفید نداشته باشد. برای این هدف باید مواد حد واسط حاصل از مسیر تجزیه زیستی آلاینده‌ها شناسایی و عدم سوء اثر آنها مشخص شود.

4- هزینه تولید انبوه و صنعتی این باکتری‌ها پذیرفتنی و مناسب باشد.

[1] Dieldrin

[2] Aldrin

[3] Endrin

[4] Lindane

[5] Chlordane