SUPERVISOR
Sabihe Soleimanianzad
صبیحه سلیمانیان زاد (استاد راهنما)
STUDENT
Mahsa Pakdel
مهسا پاک دل
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Screening Collection of Lactic Acid Bacteria Based on their Ability to Adsorb Cd(II) and Pb(II) in Vitro
In recent years, a large amount of pollutants such as Cadmium and Lead, due to increase in human activity and usage of fuels, have been released into the environment and contaminated food and water. Now millions of people in all around the world have been exposed to being poisoned with heavy metals. Heavy metals are elements that have no biological role in body and can cause various toxicity. Available conventional methods (precipitation, flocculation, ion exchange, and membrane filtration) for removal of these metals from water at low concentrations are claimed to be too expensive and inefficient. It has been reported that on average 50% of ingested toxins is absorbed into the human body and causes adverse effects on skin, internal organs and nervous system. Up to now, no specific treatment for poisonous heavy metal has been clinically confirmed and chelation therapies, the most direct treatments to alleviate heavy metals toxicity by promoting metals excretion, are deficient in safety and efficacy. Therefore, novel strategies against heavy metals toxicity need to be developed. Some evidence suggests that the gut microflora can reduce the absorption of toxins in body; so in this study, the ability of 19 strains of local lactic acid bacteria in reducing Cd 2+ and Pb 2+ in vitro had evaluated. So the amount of microorganisms were suspended in ultrapure water and diluted to a final bacterial concentration of 1 g/L and a final metal concentrations of 50 and 10 mg/L for Pb 2+ and Cd 2+ , respectively. Then the suspensions were incubated for 1 hour in 37°C . After that suspensions were centrifuged at 8000 ×g for 20 min, and the amount of metal that remains in supernatant was analyzed by atomic absorption spectrometry. The results showed that all lactobacillus strains could adsorb Cd 2+ and Pb 2+ , but the amount of adsorbing was different in each strains. Also the effect of heat treatment, metal concentration, pH and contact time was analyzed in Lactobacillus plantarum su. Plantarum (PTCC No. 1896), had the highest uptake of Cd 2+ and Pb 2+ . The results showed that pH has the great impact on the uptaking of metal ions that showed ion exchange mechanisms could be involved in adsorbing. Also with increasing in metal ion concentration, the absorption increased until maximum capacity (q max ) of bacteria. After that, increased in metal ion concentration, had no effect in biosorption. So experimental results from metal removal were fitted to theoritical model which enables calculation of specific descriptive parameters. In this work, metal removal ability of LP. PTCC 1896 was evaluated by using a Langmuir isotherm and the amount of q max was Cd 34.5 ± 2.9 mg/L and 122.7 ± 37.3 mg/L for Pb 2+ and Cd 2+ , respectively. Base on the results, removal was fast, metabolism-independent surface process and more incubation (more than 1 hour) had no effect. Also heat treatment had different effects on biosorption. Biosorption of Cd 2+ after heat treatment was increased whereas the amount of Pb 2+ that adsorbed was decreased. Base on the results of this study and results of the other researchers, it is suggested that lactic acid bacteria can be used in food formulation, especially food contaminated with heavy metals. Keywords : heavy metal, Lactic acid bacteria, biosorption, detoxification, bioremediation
امروزه به علت افزایش فعالیتهای انسانی و استفاده از سوختهای فسیلی، تعداد زیادی از آلایندهها نظیر کادمیوم و سرب در محیط زیست رها شده و باعث آلودگی آب و غذا میشوند. در حال حاضر صدها میلیون نفر از مردم جهان، در معرض مسمومیت با فلزات سنگین هستند. وارد شدن این فلزات به بدن باعث ایجاد اثرات نامطلوب بر پوست، اندامهای داخلی بدن و سیستم عصبی میشود. برخی شواهد حاکی از آن است که میکروفلور روده میتواند باعث کاهش جذب سموم توسط بدن شود. بر این اساس در این مطالعه، به بررسی توانایی 19 سویه از باکتریهای اسید لاکتیک محلی در جذب دو فلز کادمیوم و سرب در محیطهای آبی و در شرایط آزمایشگاهی، پرداخته شد. بدین منظور وزن مشخصی از میکروارگانیسم در آب فوق خالص ریخته شد به نحوی که غلظت نهایی باکتری g/L 1 و غلظت نهایی فلز سرب mg/L50 و فلز کادمیوم mg/L 10 بود. سوسپانسیون باکتریایی به مدت 1 ساعت در دمای 37 درجهسانتیگراد انکوبه شد. سپس توسط سانتریفیوژ با دور g 8000 به مدت 20 دقیقه جداسازی گردید. میزان فلز باقی مانده در محلول توسط دستگاهطیف سنججذب اتمی اندازه گیری شد. بر اساس نتایج به دست آمده، تمامی سویههای لاکتوباسیلوس توانایی جذب این دو فلز را داشتند؛ اما این میزان در سویههای مختلف، متفاوت بوده و از مقدار % 2/0±1/16 تا %9/0±4/ 65 برای فلز سرب و نیز از مقدار % 8/1±8/10 تا % 9/1± 9/90 برای فلز کادمیوم را در بر گرفت. همچنین اثر تیمار حرارتی، غلظت فلز، pH و زمان تماس در باکتری لاکتوباسیلوس پلانتاروم زیر سویه پلانتاروم با شماره 1896 PTCC، که بیشترین جذب سرب و کادمیوم را داشت، بررسی شد. نتایج نشان داد که pH محیط، تاثیر زیادی بر میزان جذب یونهای فلزی دارد که بیانکننده اثر مکانیزم تعویض یونی در جذب فلزات سنگین است. همچنین با افزایش غلظت یون فلزی، میزان جذب تا حد مشخصی افزایش مییابد و پس از آن افزایش غلظت فلز، هیچ اثری بر میزان جذب ندارد. در نهایت دادههای تجربی به دست آمده با مدلهای تئوری منطبق شد که ما را قادر به محاسبه برخی پارامترهای توصیفی ساخت. در این آزمون بیشترین مقدار قابل جذب توسط مدل لانگمویر پیش بینی شد که این مقدار برای فلز سرب mg/L 9/2±5/34 و برای فلز کادمیوم mg/L 3/37±71/122 پیشبینی گردید. بر اساس نتایج به دست آمده، فرآیند حذف سریع، مستقل از فرآیند سوخت و ساز و فرآیندی است که در سطح سلولها رخ میدهد و افزایش زمان انکوباسیون (بیشتر از 1 ساعت)، اثری بر میزان جذب ندارد. همچنین فرآیند حرارتی، به طور متفاوتی روی میزان جذب کادمیوم و سرب داشت. میزان جذب کادمیوم پس از تیمار حرارتی افزایش یافت در حالی که میزان جذب سرب کاهش یافت. بر اساس نتایج به دست آمده از این پژوهش و نتایج سایر محققان، پیشنهاد میشود که میتوان از باکتریهای اسیدلاکتیک در فرمولاسیون مواد غذایی، به ویژه مواد غذایی آلوده به فلزات سنگین استفاده کرد. کلمات کلیدی : فلزات سنگین، باکتری اسیدلاکتیک، سم زدایی، جذب زیستی، مکانیزم حذف