تجزیه زیستی استروژن مصنوعی 17آلفا- اتینیل استرادیول با استفاده از مخلوط میکروبی جداسازی شده از لجن فعال واحد تصفیه پساب داروسازی

نوع مقاله: پژوهشی- فارسی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی محیط زیست، پژوهشکده انرژی و محیط زیست، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

2 مرکز تحقیقات کیفیت آب، پژوهشکده محیط زیست، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایران، naserise@tums.ac.ir

چکیده

مقدمه: استروژن مصنوعی 17 آلفا- اتینیل استرادیول (EE2) حتی در غلظت‌های بسیار کم می‌تواند اثرات نامطلوب بر محیط‌های آبی داشته باشد. شناسایی ارگانیسم‌هایی با توانایی تخریب این ترکیب، همواره حائز اهمیت بوده است. تخریب زیستی شامل فعالیت انواع میکروارگانیسم‌ها و مخلوط‌های میکروبی می باشد که در طی آن آلاینده برای رشد میکروارگانیسم مورد استفاده قرار می‌گیرد و یا در طی فرآیند متابولیسم همراه ، دستخوش تغییر می‌شود. در مطالعه حاضر، مخلوط میکروبی جداسازی شده از لجن فعال واحد تصفیه پساب داروسازی، برای تخریب زیستی EE2 به عنوان تنها منبع کربن-انرژی، مورد استفاده و مطالعه قرار گرفته است.
مواد و روش ها: آزمایش‌های مربوط به تطبیق و غنی سازی میکروارگانیسم ها در محیط حاوی نمک های معدنی شامل EE2 و لجن رقیق شده انجام شد تا سویه هایی که توانایی استفاده از EE2 را دارند جداسازی شوند. توانایی مخلوط میکروبی جداسازی شده در تخریب EE2 ، با افزودن آن در غلظت های متفاوت (0 تا 4 میلی گرم بر لیتر) بررسی شد. پس از بررسی روند رشد مخلوط میکروبی (به روش اسپکتروفتومتری) و روند تخریب EE2 (به روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا)، سینتیک رشد و تخریب با استفاده از مدل های متداول مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتایج: مخلوط میکروبی جداسازی شده، حاوی دو ایزولۀ باکتریایی بود. مخلوط میکروبی، توانایی تخریب مؤثر EE2 در غلظت های اولیۀ مختلف را دارا بود. سینتیک تخریب زیستی EE2، با توجه به حضور چند سیستم آنزیمی، از مدل آلوستریک- سیگموییدال تبعیت کرد. تخریب زبستی EE2 با رشد توده زیستی همراه بود. سینتیک رشد زیستی مخلوط میکروبی، از مدل مونود تبعیت کرد.
بحث و نتیجه گیری: مخلوط میکروبی جداسازی شده، قادر به تخریب زیستی EE2 در غلظت های اولیۀ مختلف بود. EE2 به عنوان سوبسترای حامی رشد توسط مخلوط باکتریایی مورد استفاده قرار گرفت چرا که تخریب آن منجر به افزایش جمعیت سلولی شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Biodegradation of 17α-ethynilestradiol Using a Mixed Culture Isolated from Activated Sludge of a Pharmacy Wastewater Treatment Unit

نویسندگان [English]

  • Mahsa Sedighi 1
  • Simin Nasseri 2
1 Energy and Environment Research Center, Niroo Research Institute, Tehran, Iran
2 Center of Water Quality Research, Institute for Environmental Research, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Synthetic estrogen, 17α-ethinylestradiol (EE2), has adverse effects on aqueous environments even at the lowest concentrations. Identification of microorganisms with high degradation capability has always been expected. Biodegradation processes may involve the action of different microorganisms and microbial consortia, during which, either pollutants are consumed for growth or transformed due to co-metabolism. In this study, an enrichment culture of activated sludge from the pharmacy wastewater treatment unit was used for degradation of EE2 as the sole source of carbon and energy.
Material and method: For obtaining the strains with the capability of EE2 degradation, the sludge samples were used as seed and the enrichment culture was performed using mineral salt medium (MSM) with EE2 as the sole carbon source. To evaluate the EE2 degradability of the mixed culture, EE2 was added to the cultures at initial concentrations of 0-4 mg L-1. The degradation rate of EE2 (using HPLC) and the biomass concentration (using spectrophotometry) were monitored during the biodegradation process and the kinetic results were also investigated.
Results: Two colonies were obtained from the enrichment culture solution of activated sludge. It was concluded that the obtained mixed culture was able to degrade EE2 at different initial concentrations. Considering the probability of presence of multi-enzymes systems in the mixed culture which exhibit the property of cooperativity, the allosteric sigmoidal model was matched with the experimental data. The concentration of biomass was clearly increased along with EE2 biodegradation. The Monod growth equation was applied for modeling the variations of biomass concentration.
Discussion and conclusion: In this study a mixed culture capable of degrading EE2 as the sole carbon and energy source was isolated from the activated sludge of the pharmacy wastewater treatment unit. EE2 was used as a growth substrate due to the increase in the cell population.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 17α-ethinylestradiol
  • Biodegradation
  • Activated sludge
  • Microbial consortia
  • Kinetic modelling
References
(1)              Caliman FA., Gavrilescu M. Pharmaceuticals, personal care products and endocrine disrupting agents in the environment- A review. Clean 2009; 37(4): 277-303.
(2)              Combalbert S., Hernandez-Raquet G. Occurance, fate and biodegradation of estrogens in sewage and manure. Applied Microbiology and Biotechnology 2010; 86(6): 1671-1692.
(3)              Clouzot L., Marrot B., Doumenq P., Roche N. 17α-ethinylestradiol: An endocrine disrupter of great concern. Analytical methods and removal processes applied to water purification. A review. Environmental Progress 2008; 27(3): 383-396.
(4)              Zaharin Aris A., Soraya Shamsuddin A., Mangala Praveena S. Occurrence of 17α-ethinylestradiol (EE2) in the environment and effect on exposed biota: a review. Environment International 2014; 69(1): 104-119.
 
(5)              Rozalska S., Bernat P., Michniki P., Dlugonski J. Fungal transformation of 17α-ethinylestradiol in the presence of various concentrations of sodium chloride. International Biodeterioaration and Biodegradation 2015; 103(1): 77-84.
(6)              Liu Z., Kango Y., Mizutani S. Removal mechanisms for endocrine disrupting compounds (EDCs) in wastewater treatment- physical means, biodegradation, and chemical advanced oxidation: A review. Science of the Total Environment 2009; 407(2): 731-748.
(7)              He H., Huang B., Fu G., Xiong D., Xu Z., Wu X., Pan X. Electrochemically modified dissolved organic matter accelerates the combining photodegradation and biodegradation of 17α-ethinylestradiol in natural aquatin environment. Water Research 2018; 137: 251-261.
(8)              Cajthaml T., Kresinova Z., Svobodova K., Sigler K., Rezanka T. Microbial transformation of synthetic estrogen 17α-ethinylestradiol. Environmental Pollution 2009; 157(12): 3325-3335.
(9)              Sedighi M., Zamir SM., Vahabzadeh F. Cometabolic degradation of ethylmarcaptan by phenol-utilizing Ralstonia eutropha in suspended growth and gas-recycling trickle-bed reactor. Journal of Environmental Management 2016; 165(1): 53-61.
(10)          Amani F., Safari Sinegani AA., Ebrahimi F., Nazarian S. Biodegradation of chlorpyrifos and diazinon organophosphates by two bacteria isolated from contaminated agricultural soils. Biological Journal of Microorganism 2019; 7(28): 27-39.
(11)          Weber S., Leuschner P., Kampfer P., Dott W., Hollender J. Degradation of estradiol and ethinylestradiol by activated sludge and by a defined mixed culture. Applied Microbiology and Biotechnology 2005; 67(1): 106-120.
(12)          Vader JS., Ginkel CG., Sperling F. MGM., Jong J., Boer W., Graaf JS., Most M., Stokman PGW. Degradation of ethinylestradiol by nitrifying activated sludge. Chemosphere 2000; 41(8): 1239-1243.
(13)          Yoshimoto T., Nagai F., Fujimoto J., Watanabe K., Mizukoshi H., Makino T., Kimura K., Saino H., Sawada H., Omura H. Degradation of estrogens by Rhodococcus zopfi and Rhodococcus equi isolates from activated sludge in wastewater treatment plants. Applied and Environmental Microbioligy 2004; 70(9): 5283-5289.
(14)          Roh H., Chu-KH A. 17β-estradiol utilizing bacterium, Sphingomonas strain KC8: part I- characterization and abundance in wastewater treatment plants. Environmental Science and Technology 2010; 44(13): 4943-4950.
(15)          Yu Y., Huang Q., Cui J., Zhang K., Tang C., Peng X. Determination if pharmaceuticals, steroid hormones, and endocrine-disrupting personal care products in sewage sludge by ultra-high-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Analytical Bioanalytical Chemistry 2011; 399(2): 891-902.
(16)          Li F., Yuasa A., Obara A., Mathews AP. Aerobic batch degradation of 17β-estradiol (E2) by activated sludge: Effects of spiking E2 concentrations, MLVSS and Temperatures. Water Research 2005; 39(10): 2065-2075.
(17)          Muller M., Patureau D., Godon JJ., Delgenes JP., Hernandez-Raquet, G. Molecular and kinetic characterization of mixed cultures degrading natural and synthetic estrogens. Applied Microbiology and Biotechnology 2010; 85(3): 691-701.
(18)          Okpokwasili GC., Nweke CO. Microbial growth and substrate utilization kinetics. African Journal of Biotechnology 2005; 5(4): 305-317.
(19)          Simkins S., Alexander M. Models for mineralization kinetics with the variables of substrate concentration and population density. Applied and Environmental Microbiology 1984; 47(6): 1299-1306.
(20)          Sedighi M., Vahabzadeh F., Zamir SM., Naderifar A. Ethanethiol degradation by Ralstonia eutropha. Biotechnology and Bioprocess Engineering 2013; 18(4): 827-833.
(21)          Pauwels B., Wille K., Noppe H., Brabander HD., Van de Wiele T., Verstraete W., Boon N. 17α-ethinylestradiol cometabolism by bacteria degrading estrone, 17β-estradiol and estriol. Biodegradation 2008; 19(5): 683-693.
(22)          Yi TW., Harper WF., Holbrook RD., Love NG. Role of particle size and ammonium oxidation in removal of 17α-ethinylestradiol in bioreactors. Journal of Environmental Engineering- ASCE 2006; 132(11): 1527-1529.
(23)          Cerqueira VS., Hollenbach EB., Maboni F., Vainstein MH., Camargo  FAO., Peralba MCR., Bento FM. Biodegradation potential of oily sludge by pure and mixed bacterial cultures. Bioresource Technology 2011; 102(23): 11003-11010.
(24)          Ziels RM., Lust MJ., Gough HL., Strand SE., Stensel HE. Influence of bioselector processes on 17α-ethinylestradiol biodegradation in activated sludge wastewater treatment systems. Environmental Science and Technology 2014; 48(11): 6160-6167.
25. Estrada-Arriaga EB., Mijaylova MPA. comparison of biodegradation kinetic models applied to estrogen removal with nitrifying activated sludge. Water Science and Technology 2010; 62(9): 2183-2189.