Η βιορρόφηση ως απορρυπαντική μέθοδος
Authors: Αθανασόπουλος Δημήτριος 
Published: March 2024

Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού και η απότομη εκβιομηχάνιση παγκοσμίως, έχουν οδηγήσει σε σοβαρή ρύπανση της υδρόσφαιρας με βαρέα μέταλλα και ραδιονουκλείδια. Ωστόσο, είναι γνωστό ότι οι μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν αυτούς τους ρύπους, και ως εκ τούτου μπορούν να βρουν εφαρμογές σε τεχνολογίες μικροβιακής αποκατάστασης. Ορισμένοι μικροοργανισμοί έχουν ταξινομηθεί ως προβιοτικοί από διεθνείς οργανισμούς, λόγω της ευεργετικής τους επίδρασης στην υγεία όταν καταναλώνονται σε επαρκείς ποσότητες. Η παρουσία προβιοτικών μικροοργανισμών σε τρόφιμα ή συμπληρώματα διατροφής, συνδυάζει τα ευεργετικά πλεονεκτήματα στη υγεία των καταναλωτών με την ικανότητα τους να δρουν ως δυνητικά μέσα αποτοξίνωσης. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση της παθητικής επιφανειακής δέσμευσης πέντε μετάλλων από λυοφιλοποιημένα κύτταρα μικροοργανισμών που συναντώνται στα τρόφιμα. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν τα μέταλλα: ουράνιο, ευρώπιο, βάριο, κοβάλτιο και καίσιο, τα οποία δυνητικά θα μπορούσαν να προσληφθούν μέσω της τροφής ή του πόσιμου νερού.Οι προβιοτικοί μικροοργανισμοί που επιλέχθηκαν να μελετηθούν ήταν: ο Lactobacillus casei (L. casei) ATCC 393 και ο Saccharomyces boulardii (S. boulardii). Επελέγη επίσης ο Steptococcus thermophilus (S. thermophilus), που συναντάται στα τρόφιμα που προέρχονται από τη ζύμωση γαλακτοκομικών προϊόντων, όπως τυρί, γιαούρτι κλπ.Τα χημικά και φυσικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας των μικροοργανισμών που μελετήθηκαν, διερευνήθηκαν με μικρο-ηλεκτροφορητικές μετρήσεις, ποτενσιομετρικές καμπύλες τιτλοδότησης, Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM), Φασματοσκοπία ακτίνων-Χ Ενεργειακής Διασποράς (EDS) και Φασματοσκοπία Υπέρυθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR). Οι ποτενσιομετρικές καμπύλες τιτλοδότησης της επιφάνειας των κυττάρων του S. thermophilus έδειξαν σημαντική παρουσία καρβοξυλομάδων (ποσοστό >50%), και μικρότερα ποσοστά (της τάξης του 10%) φωσφονικών, υδροξύλ- και (πιθανώς άμινο- και σουλφυδρύλ-) ομάδων, τα οποία επιβεβαιώθηκαν μέσω φασματοσκοπίας FT-IR. Η ικανότητα δέσμευσης των μετάλλων από τους μικροοργανισμούς, αξιολογήθηκε αρχικά σε αδρανή ηλεκτρολύτη (Ι=0,1 M NaClO4), συναρτήσει του χρόνου, του pH, της συγκέντρωσης του μετάλλου σε κατάσταση ισορροπίας και της ιοντικής ισχύος του διαλύματος. Προσδιορίστηκαν συγκεντρώσεις των μετάλλων συναρτήσει του χρόνου και σε κατάσταση ισορροπία και τα δεδομένα προσαρμόσθηκαν στα ευρύτερα χρησιμοποιούμενα αντίστοιχα μοντέλα. Για την κινητική του φαινομένου χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα της ψευδο-πρώτης και ψευδο-δευτέρας τάξης αντίδρασης, εξίσωση Elovich, εξίσωση διπλής εκθετικής, μοντέλο Weber-Morris, γραφήματα Boyd και εξίσωση Bahangam. Οι μετρήσεις των συγκεντρώσεων ισορροπίας, παρουσιάστηκαν υπό μορφή ισοθέρμων προσρόφησης, προσαρμόσθηκαν στα μοντέλα Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinnin-Radushkevich (D-R) και Redlich-Peterson και υπολογίσθηκαν οι αντίστοιχες παράμετροι όλων των μοντέλων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ικανότητα δέσμευσης των μετάλλων από όλους τους υπό μελέτη μικροοργανισμούς σε αδρανή ηλεκτρολύτη, αυξήθηκε αυξανομένου του pH στην όξινη έως την ουδέτερη περιοχή pH, υποδεικνύοντας την επίδραση ηλεκτροστατικής φύσεως δυνάμεων. Επιπροσθέτως, η χωρητικότητα των μικροοργανισμών σε ουράνιο, ευρώπιο, βάριο, κοβάλτιο και καίσιο συναρτήσει του pH, συγκρίθηκε με αυτή του ενεργού άνθρακα, ενός υλικού με γνωστές προσροφητικές ιδιότητες. Η σύγκριση πραγματοποιήθηκε υπό ταυτόσημες πειραματικές συνθήκες χρησιμοποιώντας, είτε ενεργό άνθρακα της εταιρείας Merck, είτε ένα φαρμακευτικό σκεύασμα με δραστικό συστατικό τον ενεργό άνθρακα, με την ονομασία «Carbosylane». Η σύγκριση έδειξε ότι όλοι οι υπό μελέτη μικροοργανισμοί, παρά την μικρή ειδική τους επιφάνεια, παρουσίασαν μεγαλύτερη χωρητικότητα μετάλλου (εκτός του καισίου). Σε αυτό συμβάλουν πιθανά οι μικρές τιμές pHpzc/ pHiep που χαρακτηρίζουν τις επιφάνειες των μικροοργανισμών. Αναλυτικότερα, τα αποτελέσματα μας, συνοψίζονται ως εξής.Η κινητική της δέσμευσης του ουρανίου με συγκέντρωση 150 mg L-1 στα κύτταρα του S. thermophilus σε αδρανή ηλεκτρολύτη σε pH=4,3 έδειξε να ακολουθεί κινητική ψευδο-δεύτερης τάξης, ενώ ο μηχανισμός αποκαλύπτει συνύπαρξη εξωτερικής και ενδο-σωματιδιακής διάχυσης. Η ισορροπία αποκαταστάθηκε περίπου σε δυο ώρες, με ποσοστό δεσμευόμενου μετάλλου μεγαλύτερο του 95%, ενώ σε παράλληλα πειράματα με ενεργό άνθρακα το αντίστοιχο ποσοστό ουρανίου που δεσμεύθηκε ήταν μόλις 8%, αλλά η ισορροπία αποκαταστάθηκε σε χρόνο μικρότερο των 2 min. Η ισόθερμος για τη μελέτη της δέσμευσης του ουρανίου στα κύτταρα του S. thermophilus σε αδρανή ηλεκτρολύτη προσαρμόσθηκε αρκετά καλά σε αμφότερα τα μοντέλα Freundlich και Langmuir, με εκτιμώμενη μέγιστη δεσμευόμενη ποσότητα ουρανίου (qmax) 96 mg g-1 σε pH=3,1. Η ανάλυση των δεδομένων της ισοθέρμου σύμφωνα με τα γραφήματα Scatchard, υπέδειξε την ύπαρξη, είτε δυο ανεξάρτητων υποδοχέων του ουρανίου στα κύτταρα, είτε έναν υποδοχέα με αρνητική συνέργεια σε μικρές και μεγάλες συγκεντρώσεις του μετάλλου. Η μη εξάρτηση της δεσμευόμενης ποσότητας ουρανίου από την ιοντική ισχύ του διαλύματος, υπαινίσσεται σχηματισμό συμπλόκου εσωτερικής σφαίρας. Η δέσμευση του ουρανίου επιβεβαιώθηκε συγκρίνοντας φάσματα FT-IR και EDS κυττάρων του S. thermophilus πριν και μετά την επίδραση του μετάλλου, από την παρουσία χαρακτηριστικής κορυφής στα 930 cm-1, καθώς και από τις έντονες κορυφές ουρανίου στο φάσμα EDS. Η δέσμευση του ευρωπίου στα κύτταρα του S. thermophilus σε αδρανή ηλεκτρολύτη σε pH=4,5 έδειξε ταχύτατη κινητική, που ολοκληρώθηκε σε χρόνο μικρότερο των 2 min, ενώ τα δεδομένα των ισοθέρμων σε pH 2,6 και 3,9 προσαρμόσθηκαν πολύ καλά μόνο στο μοντέλο Langmuir εκτιμώντας τιμές μέγιστης δεσμευόμενης ποσότητας (qmax) 39 και 59 mg g-1 αντίστοιχα. Παρά την καλή προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στο μοντέλο Langmuir, η περαιτέρω επεξεργασία τους κατά Scatchard δεν παρείχε πρόσθετες πληροφορίες. Η ανταγωνιστική δέσμευση ουρανίου και ευρωπίου με ολική συγκέντρωση κάθε μετάλλου 1,0 × 10-5 Μ στα κύτταρα του S. thermophilus σε αδρανή ηλεκτρολύτη στην όξινη περιοχή pH, έδειξε μεγαλύτερη δεσμευόμενη ποσότητα ουρανίου, (περίπου 10 έως 15%) που επιβεβαιώθηκε από τις ημι-ποσοτικές αναλύσεις με EDS. Η δέσμευση βαρίου και κοβαλτίου που πραγματοποιήθηκε σε αδρανή ηλεκτρολύτη στην όξινη περιοχή pH, από κύτταρα του S. thermophilus απομονωμένα από τη στατική ή την εκθετική φάση ανάπτυξης του μικροοργανισμού, έδειξε ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση της δεσμευόμενης ποσότητας του μετάλλου από τη φάση ανάπτυξης από την οποία απομονώθηκε ο μικροοργανισμός. Τα πειραματικά δεδομένα της δεσμευόμενης ποσότητας βαρίου και κοβαλτίου στον S. thermophilus από αδρανή ηλεκτρολύτη συναρτήσει της συγκέντρωσης ισορροπίας του μετάλλου σε pH≈6,0 προσαρμόσθηκαν καλύτερα στο μοντέλο ισοθέρμου Freundlich. Η ισχυρή εξάρτηση της δέσμευσης του βαρίου από την ιοντική ισχύ του διαλύματος αποκάλυψε ότι τα φαινόμενο κυριαρχείται από ηλεκτροστατικής φύσεως δυνάμεις. Σε αδρανή ηλεκτρολύτη, η δέσμευση καισίου συγκέντρωσης 1,0 × 10-5 M από κύτταρα του S. boulardii και ενεργό άνθρακα σε περιοχή pH από 2 έως 10, έδειξε ποσοστό δέσμευσης μετάλλου 2 και 8 % αντίστοιχα, αναδεικνύοντας το καίσιο ως το μόνο στοιχείο από όσα εξετάσθηκαν, το οποίο δεν δεσμεύεται σημαντικά από μικροοργανισμούς τροφίμων. Τέλος, η δέσμευση του ουρανίου στα κύτταρα του S. thermophilus πραγματοποιήθηκε κάτω από ταυτόσημες συνθήκες, αντικαθιστώντας τον αδρανή ηλεκτρολύτη (Ι=0,1 M NaClO4) με συνθετικό γαστρικό υγρό με pH 1,6. Η αντικατάσταση προκάλεσε επιβράδυνση της διεργασίας και ελάττωση της δεσμευόμενης ποσότητας ουρανίου. Εν τούτοις, στο συνθετικό γαστρικό υγρό ακολουθήθηκε η ίδια κινητική εξίσωση, ο ίδιος μηχανισμός διάχυσης και το ίδιο μοντέλου ισοθέρμου, όπως και στον αδρανή ηλεκτρολύτη.