Αποικοδόμηση αρωματικών οργανικών ενώσεων με μικροοργανισμούς

Abstract

The contribution of easily assimilated organic compounds in the biodegradation of xenobiotic compounds which cannot support cellular duplication has not been studied extensively yet. In this thesis, the biodegradation of 1,2-dichlorobenzene, 2,4-dichlorophenol and 4-Cl-m-cresol was studied separately in the continuous presence of glucose as a carbon source. The effect of the addition of glucose in order to enhance the biodegradation of 1,2-dichlorobenzene and 4-Cl-m-cresol has not been extensively studied yet. Biodegradation experiments were carried out, using two bacterial species, Pseudomonas sp. and Staphylococcus xylosus, which were isolated by polluted soils in a mining industry near Stratoni, Chalkidiki. These particular strains have been recently isolated and haven’t been used in biodegradation studies so far. More specifically, concerning S. xylosus, there are no particular references involving bioremediation processes of chloro-aromatic compounds, using this microorganism. In the beginning of the experiments, natural adaptation of each bacterium in the presence of each chloro-compound at low initial concentration 0.1 mM and glucose 0.1% was carried out, in order to enhance the degradative ability of each bacterial strain. During this period, the increment of the values of specific growth rate and percentage of consumption of each chloro-compound was evidenced in a short period of time, indicating also the important role of natural adaptation in the performance of each bacterial system. The end of the natural adaptation period was confirmed, when no further increment of the specific growth rate or the percentage of consumption was evidenced. The natural adaptation was followed by the cultivation of each bacterial species at higher initial concentrations of the chloro-compounds tested. More specifically, 2,4-dichlorophenol and 4-Cl-m-cresol were studied at concentrations up to 1.0 mM, whereas 1,2-dichlorobenzene was studied at concentrations up to 10.0 mM. Although the values of the initial concentrations were increased, growth of the microorganisms was evidenced. However, the specific growth rate value was decreased, due to inhibition related to the presence of the xenobiotic compounds studied. The inhibition in the microbial growth was quantified by determining the lethal concentration LC50, as well as the maximum specific growth rate μmax and the inhibition constant of growth Kig. The calculation of their values showed that bacterial cultures of Pseudomonas sp, were less inhibited by 1,2-dichlorobenzene, exhibiting the higher values of μmax at 0.214 h-1 and Kig at 1.13 mM. In addition kinetic studies were carried out, in order to estimate the remaining concentration of each chloro-compound and glucose in the medium. It was found that each chloro-compound follows first-order kinetics, whereas glucose follows zero-order kinetics. The respective kinetic constants were also calculated in each case. The total consumption of each chloro-compound has been completed at the end of the exponential phase of growth (approx. after 8 h)

Η συμβολή των εύκολα αφομοιώσιμων πηγών άνθρακα στη βιοαποικοδόμηση ξενοβιοτικών ενώσεων, οι οποίες από μόνες τους δε μπορούν να υποστηρίξουν την ανάπτυξη των κυττάρων, δεν έχει αποτελέσει θέμα εκτεταμένης μελέτης μέχρι σήμερα. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η βιοαποικοδόμηση τριών αρωματικών χλωροπαραγώγων, του 1,2-διχλωρο-βενζολίου, της 2,4-διχλωρο-φαινόλης και της 4-Cl-μ-κρεζόλης, το καθένα χωριστά, παρουσία γλυκόζης, ως πηγής άνθρακα. Δύο βακτήρια χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό, η Pseudomonas sp. και ο Staphylococcus xylosus, τα οποία απομονώθηκαν από επιρυπασμένα εδάφη εξορυκτικής μεταλλευτικής δραστηριότητας, στο Στρατώνι Χαλκιδικής. Μέχρι σήμερα είναι γνωστό ότι το 1,2-διχλωρο-βενζόλιο και η 4-Cl-μ-κρεζόλη δεν έχουν μελετηθεί σε συνδυασμό με τη γλυκόζη. Ειδικότερα για την 4-Cl-μ-κρεζόλη δεν υπάρχουν μελέτες που να αφορούν στη βιοαποικοδόμηση αυτής ως τη μόνη οργανική ένωση στο θρεπτικό υγρό. Τα βακτήρια που χρησιμοποιήθηκαν είναι νέα στελέχη, καθώς δεν προέρχονται από κάποια τράπεζα μικροοργανισμών, ενώ ο Staphylococcus xylosus δεν έχει χρησιμοποιηθεί προηγουμένως σε διεργασίες βιοαποκατάστασης. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η φυσική προσαρμογή του κάθε βακτηρίου με το κάθε χλωροπαράγωγο χωριστά σε χαμηλή συγκέντρωση 0.1 mM, παρουσία γλυκόζης 0.1% με σκοπό την ενίσχυση της βιοαποικοδομητικής ικανότητας του κάθε στελέχους. Κατά τη διάρκεια αυτής, διαπιστώθηκε αύξηση σε σύντομο χρονικό διάστημα των δύο σημαντικών παραμέτρων που αφορούν στην ανάπτυξη και στη βιοαποικοδομητική ικανότητα των μικροοργανισμών, δηλαδή του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης και του ποσοστού κατανάλωσης όλων των χλωροπαραγώγων που μελετήθηκαν. Μετά το τέλος της φυσικής προσαρμογής, όπου δε διαπιστώθηκε περαιτέρω αύξηση του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης και του ποσοστού κατανάλωσης, ακολούθησε η ανάπτυξη των στελεχών σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις χλωροπαραγώγων, συγκεκριμένα έως 1.0 mM παρουσία 2,4-διχλωρο-φαινόλης και 4-Cl-μ-κρεζόλης και έως 10.0 mM παρουσία του 1,2-διχλωρο-βενζολίου. Παρά τις υψηλότερες τιμές συγκεντρώσεων διαπιστώθηκε ανάπτυξη των στελεχών, η οποία χαρακτηρίστηκε από διαρκώς ελαττωμένες τιμές του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης λόγω της παρεμπόδισης του χλωροπαραγώγου. Η παρεμπόδιση στην ανάπτυξη των δύο μικροοργανισμών εκφράστηκε τόσο με τον υπολογισμό της θανατηφόρου συγκέντρωσης LC50, όσο και με τον υπολογισμό του μέγιστου ειδικού ρυθμού ανάπτυξης μmax και της σταθεράς παρεμπόδισης ανάπτυξης Kig, σύμφωνα με τις τιμές των οποίων, τη μικρότερη παρεμπόδιση στην ανάπτυξη είχε το 1,2-διχλωρο-βενζόλιο με το βακτήριο Pseudomonas sp. (0.214 h-1 και 1.13 mM).