Συμβολή στη βιορρόφηση ραδιονουκλιδίων και βαρέων μετάλλων
Authors: Βλάχου Αθηνά 
Published: August 2021

Η παρουσία βαρέων μετάλλων και ραδιονουκλιδίων σε σημαντικές ποσότητες στoν υδρoφόρο ορίζοντα, μπορεί να προκαλέσει τοξικά φαινόμενα και να θέσει σε κίνδυνο την ανθρώπινη υγεία. Τις τελευταίες δεκαετίες, η επιστημονική κοινότητα ερευνά οικονομικές και φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους απορρύπανσης από τέτοιου είδους ρύπους. Η χρήση των μικροοργανισμών για αυτό το σκοπό έχει ήδη προταθεί, καθώς μπορούν να δεσμεύουν διαλυμένα μεταλλικά ιόντα, ειδικά σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις.Η παρούσα διατριβή αποτελείται τρία μέρη που μελετούν: (i) δέσμευση του νεοδυμίου από τους ζυμομύκητες Kluyveromyces marxianus, Debaromyces hansenii, και Candida colliculosa, οι οποίοι είναι παρόμοιοι με τον Saccharomyces cerevisiae. Ο τελευταίος έχει ήδη προταθεί ως κατάλληλος βιορροφητής πολλών βαρέων μετάλλων. (ii) την ικανότητα απομάκρυνσης των U(VI) και Nd(III) από το βακτήριο Lactobacillus casei ΑΤCC 393 και (iii) την πρόσληψη ιόντων ουρανίου και νεοδυμίου από τον ζυμομύκητα Saccharomyces bulardii.Το νεοδύμιο και το ουράνιο επιλέχθηκαν ως ανάλογα των τρισθενών και εξασθενών ακτινίδων αντίστοιχα. Οι ακτινίδες είναι πολύ τοξικές και παράγονται από τις ποικίλες εφαρμογές της πυρηνικής ενέργειας. Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν επελέγησαν ως βιορροφητές, λόγω του χαμηλού κόστος απόκτησής τους, επειδή αφθονούν ως παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων. Επιπλέον, λόγω της ικανότητας τους να επιβιώνουν στο ανθρώπινο εντερικό σύστημα, μια πιθανή εφαρμογή τους θα ήταν να χρησιμοποιηθούν ως μέσα ελέγχου σε περιπτώσεις μόλυνσης της τροφικής αλυσίδας από ραδιονουκλίδια ή βαρέα μέταλλα.Οι παράμετροι που μελετήθηκαν σε όλες τις περιπτώσεις ήταν η επίδραση του pH και της αρχικής συγκέντρωσης. Παρατηρήθηκε ότι αυξανομένου του pH αυξήθηκε η δέσμευση των μετάλλων. Πειραματικά δεδομένα των ισόθερμων προσρόφησης προσομοιώθηκαν με τα μοντέλα προσρόφησης Langmuir, Freundlich και Dubinnin-Radushkevich (D-R), ενώ επιπλέον αναλύθηκαν σύμφωνα με τα γραφήματα Scatchard. Αυτά σε όλες τις περιπτώσεις υπέδειξαν είτε την ύπαρξη δύο υποδοχέων δέσμευσης είτε αρνητικής συνέργιας.Στο πρώτο μέρος της μελέτης, όπου συγκρίθηκε η ρόφηση Nd(III) από τον S. cerevisiae με τρεις λιγότερο μελετημένους ζυμομύκητες (K. marxianus, D. hansenii, C. colliculosa) δεν παρατηρήθηκαν μεγάλες διαφορές. Ο K. marxianus παρουσίασε όμως την μεγαλύτερη δέσμευση, που αυξήθηκε από 11 σε 85 mg/g όταν το pH από 1,5 έγινε 6.Στο δεύτερο μέρος η εξάρτηση της πρόσληψης ουρανίου από την ηλικία των κυττάρων του βακτηρίου L. casei μελετήθηκε με ισόθερμες προσρόφησης, με ποτενσιομετρικές τιτλοδοτήσεις και πειράματα στοιχειομετρίας πρωτονίου/ υδροξειδίου – ιόντος. Τα κύτταρα της εκθετικής φάσης παρουσίασαν μεγαλύτερη χωρητικότητα συγκρινόμενα με αυτά της στατικής φάσης (qmax =180 και 140 mg/g αντίστοιχα). Για κάθε τύπο κυττάρων ποσοτικοποιήσαμε την επίδραση της φάσης ανάπτυξης με την συγκέντρωση των επιφανειακών ομάδων, μέσω πετενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων. Παρατηρήθηκε ελάττωση της συγκέντρωσης και του αντιστοίχου pK της ομάδας με αύξηση της ηλικίας των κυττάρων. Σε κύτταρα της στατικής φάσης η δέσμευση του ουρανίου ήταν μεγαλύτερη από του νεοδυμίου. Μετρήσεις μικροηλεκτροφορητικής κινητικότητας και πειράματα στοιχειομετρίας πρωτονίου/ υδροξειδίου – ιόντος υποδεικνύουν ότι το ουράνιο πιθανά συνδέεται σχηματίζοντας σύμπλοκα εσωτερικής σφαίρας, ενώ τα ιόντα νεοδυμίου πιθανά συνδέονται μέσω δεσμών υδρογόνου. Στο τρίτο μέρος της διατριβής ο ζυμομύκητας S. bulardii απομονώθηκε από φαρμακευτικό προϊόν κατάλληλο για τον άνθρωπο (Ultra Levure). Η μέγιστη δέσμευση (qmax) U(VI) και Nd(III) από το ζυμομύκητα εκτιμήθηκε σε 180 και 75 mg μετάλλου /g αντίστοιχα. Με σκοπό να προσδιορίσουμε τις κύριες ομάδες δέσμευσης που διαθέτουν τα κύτταρα επιχειρήθηκε τροποποίηση της επιφάνειας. Το προϊόντα χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία FT-IR, διαφορική ποτενσιομετρία και μικροηλεκτροφόριση. Την μικρότερη δέσμευση μετάλλου παρουσίασε η τροποποιημένη βιομάζα, στην οποία έγινε ακετυλίωση των υδροξυ-, αμινο- και φωσφονικών ομάδων. Αυτό δηλώνει ότι τουλάχιστον μια από αυτές τις τρεις ομάδες έχει σημαντική συνεισφορά στη δέσμευση του μετάλλου. Τέλος, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο δέσμευσης των ιόντων του ουρανίου και νεοδυμίου από το ζυμομύκητα S. bulardii, σε φωσφονικές ομάδες. Το μοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά τα πειραματικά μας αποτελέσματα, ενώ είναι σε συμφωνία με πειραματικά δεδομένα, που προβλέπουν ότι οι φωσφονικές ομάδες συνεισφέρουν σημαντικά στο φαινόμενο.