Ακινητοποίηση του βακτηριακού στελέχους S3/K σε φυσικά υποστρώματα και νανοϋλικά με στόχο την αναγωγή υψηλών συγκεντρώσεων Cr(VI)-Απομόνωση και χαρακτηρισμός βακτηρίου από υπερπαραμαγνητικά νανοσωματί:
Creators: name: Σάκουλα, Δήμητρα Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Αναγωγή
Εξασθενές χρώμιο
S3/K
Reduction
Hexavalent chromium

description: Ο βιομετασχηματισμός του Cr(VI) με τη χρήση βακτηριακών κυττάρων ικανών να ανέχονται και παράλληλα να ανάγουν το τοξικό μέταλλο προσφέρει μία οικονομική και οικολογική προσέγγιση για τη διαχείριση και την αποτοξικοποίηση λυμάτων επιβαρυμένων με Cr(VI). Στη διεθνή βιβλιογραφία, έχει αναφερθεί η απομόνωση μικροοργανισμών, οι οποίοι διαθέτουν μηχανισμούς ανθεκτικότητας-αποτοξικοποίησης ενάντια στο Cr(VI). Το στέλεχος S3/K απομονώθηκε, σε προηγούμενα πειράματα του εργαστηρίου, από την ενεργό ιλύ μονάδας επεξεργασίας αστικών λυμάτων και έχει την ικανότητα να ανέχεται και να ανάγει ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI). Η ικανότητα αυτή του στελέχους S3/K φαίνεται ότι οφείλεται στην παρουσία σε αυτό όλων των μηχανισμών ανθεκτικότητας-αποτοξικοποίησης που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκαν περαιτέρω οι μηχανισμοί ανθεκτικότητας-αποτοξικοποίησης του στελέχους S3/K ενάντια στο Cr(VI). Συγκεκριμένα, επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη του μηχανισμού επιδιόρθωσης βλαβών του DNA, αλλά και η σύνθεση ενός ισχυρού, προστατευτικού περιβλήματος, από τα κύτταρα του στελέχους, το οποίο προκύπτει από την εναπόθεση των ιόντων Cr(III). Επιπρόσθετα, δείχθηκε η απουσία εκκρινόμενων ενζύμων αναγωγής του μετάλλου στο συγκεκριμένο μικροοργανισμό. Επιπλέον, στη συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιήθηκε ακινητοποίηση κυττάρων του μικροοργανισμού σε στήλες από φυσικά πληρωτικά υλικά και νανοϋλικά, με στόχο την αποτελεσματικότερη αναγωγή υψηλών συγκεντρώσεων Cr(VI). Τα κύτταρα του μικροοργανισμού ακινητοποιήθηκαν σε στήλες, αποτελούμενες από πούδρα ξύλου Populus alba, ρινίσματα σιδήρου ή υπερ-παραμαγνητικά νανοσωματίδια τριοξειδίου του σιδήρου, στις οποίες προκάλεσαν αναγωγή υψηλών συγκεντρώσεων Cr(VI). Τα παραπάνω δεδομένα οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι, οι διατάξεις αυτές, θα μπορούσαν, έπειτα από κατάλληλη προσαρμογή, να χρησιμοποιηθούν ως βιοφίλτρα για τη διαχείριση επιβαρυμένων με Cr(VI) λυμάτων. Στην παρούσα εργασία απομονώθηκε από το μέσο διασποράς των νανοσωματιδίων σιδήρου το βακτηριακό στέλεχος ΝΒ2. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ταυτοποίηση του στελέχους στο γένος Stenotrophomonas, ενώ προσδιορίστηκαν οι συνθήκες υπό τις οποίες το στέλεχος ΝΒ2 είναι ικανό να ανέχεται και να ανάγει το Cr(VI). Επιπλέον, επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη τουλάχιστον δύο διαφορετικών μηχανισμών ανθεκτικότητας ενάντια στο Cr(VI), ενώ προσδιορίστηκε και η ικανότητα των κυττάρων του στελέχους ΝΒ2 να παράγουν εξωπολυσακχαρίτες. Στην πλειονότητα των περιοχών με έντονη βιομηχανική δραστηριότητα, το περιβάλλον υφίσταται ισχυρή επιβάρυνση από την απελευθέρωση ιόντων Cr(VI) και αρσενικού. Στην παρούσα εργασία δείχθηκε ότι, τα στελέχη S3/K και ΝΒ2 εμφανίζουν ιδιαίτερη ανθεκτικότητα ενάντια στα ιόντα αρσενικού. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι, και τα δύο στελέχη είναι ικανά να μετατρέπουν τα ιόντα As(V) στα περισσότερο ευκίνητα ιόντα As(III). Η ικανότητα αυτή των βακτηριακών στελεχών φαίνεται ότι οφείλεται στην ύπαρξη μηχανισμών ανθεκτικότητας ενάντια στα ιόντα As. Συμπερασματικά, στη συγκεκριμένη εργασία εμπλουτίστηκαν οι γνώσεις μας όσον αφορά τους μηχανισμούς ανθεκτικότητας-αποτοξικοποίησης του στελέχους S3/K ενάντια στο Cr(VI), ενώ πραγματοποιήθηκε ακινητοποίηση των κυττάρων του μικροοργανισμού σε στήλες αποτελούμενες από φυσικά υποστρώματα και νανοϋλικά με αποτέλεσμα την αναγωγή υψηλών συγκεντρώσεων Cr(VI). Επιπλέον, απομονώθηκε και χαρακτηρίστηκε το στέλεχος ΝΒ2, ενώ προσδιορίστηκε η ικανότητα αναγωγής του Cr(VI) από το συγκεκριμένο μικροοργανισμό, καθώς και οι μηχανισμοί ανθεκτικότητάς του ενάντια στο μέταλλο. Τέλος, διερευνήθηκε η ικανότητα των δύο βακτηριακών στελεχών να ανέχονται και να μετασχηματίζουν τα ιόντα As, αλλά και η παρουσία μηχανισμών ανθεκτικότητας ενάντια στο συγκεκριμένο μεταλλοειδές. Τα παραπάνω οδηγούν στο συμπέρασμα ότι, οι δύο μικροοργανισμοί αξίζει να μελετηθούν περαιτέρω ως βιοτεχνολικά εργαλεία για τη διαχείριση και βιοαπορρύπανση λυμάτων επιβαρυμένων με Cr(VI).
description: Biotransformation of Cr(VI) using bacterial cells capable of tolerating while reducing Cr(VI) offers an economical approach for management and detoxification of polluted wastewater. Thus, isolation of microorganisms, with mechanisms of resistance and capacity to reduce Cr(VI), has been reported. Bacterial strain S3/K was isolated, in previous experiments, from an activated sludge wastewater treatment plant and has the ability to tolerate while reducing high concentrations of Cr(VI). This ability appears to be due to the presence of all resistance-detoxification mechanisms reported in literature. This study further investigated S3/K’s resistance-detoxification mechanisms against Cr(VI). Specifically, the presence of repairing DNA mechanisms and the composition of a strong, cell wall, which arises from the deposition of Cr(III) ions, was confirmed. Additionally absence of secreted enzymes capable for metal reduction was shown. Moreover, in this study immobilization of S3/K’s cells was carried out in columns filled with natural substrates and nanomaterials, in order to effectively reduce high concentrations of Cr(VI). Bacterial cells were immobilized in columns filled with powder of Populus alba, iron filings or superparamagnetic nanoparticles of iron trioxide. In the presence of these fillers S3/K’s cells were immobilized while capable of reducing high concentrations of Cr(VI). These data suggest that these set-ups could, after an appropriate adjustment, be used as biofilters for managing polluted with Cr(VI) wastewaters. During this work bacterial strain NB2 was isolated from the dispersion medium of iron nanoparticles used in this study. In this study, identification of NB2 was carried out. NB2 strain was identified in Stenotrophomonas genus, while optimal conditions under which this microorganism is able to tolerate and reduce Cr(VI) were determined. Furthermore, in NB2 the existence of two different mechanisms of resistance against Cr(VI) was confirmed. Moreover, the ability of NB2’s cells to produce exopolysacharites, was investigated. In the majority of areas where intense industrial activity is present, environment is tightly burden with chromium and arsenic ions. In this study we investigated the ability of both microorganisms to tolerate and transform As ions. It was depicted that, both strains exhibit resistance against As ions, while they were able to convert As(V) ions in As(III) ions, as well. The ability of both strains to tolerate high concentrations of metalloid and transform them appears to be due to the existence of resistance mechanisms against As ions. Concluding, this work enriched our knowledge regarding the mechanisms of detoxification-resistance against Cr(VI) of the bacterial strain S3/K. Additionally, immobilization of the microorganism’s cells in columns consisting of natural substrates and nanomaterials, was held resulting in reduction of high concentrations of Cr(VI). In addition, isolation and characterization of the bacterial strain NB2 was carried out, while determination of its capacity to reduce Cr(VI) and its resistance mechanisms against the metal were identified. Finally, we investigated both the ability of the two microorganisms to tolerate and transform As ions, and the presence of resistance mechanisms against the metalloid. So further experimentation is needed for both microorganisms, as they can be used as biotechnological tools for managing and bioremediation of wastewater containing Cr(VI).