ارزیابی آلودگی ناشی از فلزات سنگین در آبرفت منطقه تاریک دره با تأکید بر حذف زیستی عنصر سرب

آلودگی فلزات سنگین یک تهدید بزرگ زیست¬محیطی در سراسر جهان می باشد. در میان فلزات سنگین، فلز سرب از نظر انتشار، گسترده ترین عنصر سنگین و سمی در محیط زیست است. این آلاینده از منابع طبیعی و زمین¬زاد از قبیل سنگ ها و کانی های فلزدار و منابع انسان¬زاد مانند، کشاورزی، معدنکاری، صنایع باتری سازی، رنگ کاری و... نشأت می گیرند. در این پژوهش به منظور بررسی آلودگی سرب با منشأ زمین¬زاد و انسان¬زاد و همچنین با هدف پاکسازی زیستی سرب با استفاده از باکتری¬های بومی منطقه، نمونه برداری از منابع آب زیر¬زمینی و پساب صورت گرفت. نمونه های انسان¬زاد از کارخانجات باتری¬سازی اتومبیل و صنایع رنگ و لعاب برداشت¬شد، زیرا قسمت عمده پساب این صنایع آلوده به سرب می¬باشد. نمونه های زمین¬زاد از منطقه معدنی تاریک دره تربت¬جام برداشت¬شد. منطقه اکتشافی تاریک دره در 30 کیلومتری شمال¬غرب تربت جام استان خراسان¬رضوی قرار دارد. در این مطالعه به منظور بررسی منشأ و میزان آلودگی سرب در منطقه تاریک دره، تعداد 8 نمونه از منابع آب شرب ساکنین منطقه برداشت و پارامترهای ph، ec، tds و t در زمان نمونه برداری اندازه گیری شد. غلظت کاتیون ها در آب به روش icp-ms و غلظت آنیون ها به روش تیتراسیون اندازه¬گیری شد. در نمونه های آب برداشت شده ضمن تعیین تیپ و رخساره، شاخص های فلزی mi و hpi محاسبه و با استفاده از نمودار گیبس منشأ یون¬های اصلی موجود در آب¬های¬زیرزمینی تعیین شد. همچنین، کیفیت منابع آب از نظر شرب و کشاورزی مورد ارزیابی قرار گرفت. مطالعه زمین شناسی زیست محیطی حاضر نشان می دهد که حضور عنصر سمی سرب در آب شرب منطقه تاریک دره، منبع زمین زاد داشته و لیتولوژی منطقه، منشاء اصلی آلودگی به شمار می¬رود و فرآیندهای طبیعی فعال موجب ورود عناصر سمی نظیر سرب به محیط آب شده¬است. با توجه به محرز شدن آلودگی سرب در نقاط نمونه¬برداری، چگونگی پاکسازی آن مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک های پاکسازی سرب از آب زیرزمینی و خاک ها و فاضلاب های صنعتی را می توان در 3 گروه بزرگ طبقه بندی کرد که شامل: فرآیندهای پاکسازی شیمیایی، بیوشیمیایی/ بیولوژیکی/ جذب زیستی، و فیزیکوشیمیایی است. در این مطالعه، از روش جذب زیستی بوسیله بیومس باکتریایی به منظور پاکسازی عنصر سرب بهره¬گرفته¬شد. بدین¬منظور بعد از جمع¬آوری نمونه¬های خاک، آب و پساب، نمونه¬ها کشت¬داده شدند و 422 جدایه باکتریایی بدست¬آمد که در مرحله اول غربال¬سازی، با روش الایزا تنها 35 جدایه مقاوم به سرب تشخیص داده¬شد و میزان حداقل غلظت بازدارنده رشد تا3125mg/l و حداقل غلظت کشنده باکتری تا 6250 mg/lتعیین¬شد. در مرحله دوم غربال¬سازی، از بین 35 جدایه تعداد 8 جدایه بهترین هاله جذب فلز سرب را در روش پومپل نشان¬دادند. پس از انجام تست کمی در هشت سویه، در نهایت دو سویه as2 و as10 با میزان حذف بیشتر سرب در مدت زمان کوتاهتر، برای انجام بهینه سازی حذف سرب انتخاب¬شدند. در بهینه سازی تک متغیره تأثیر فاکتورهای ph، غلظت سرب اولیه، دما، مقدار تلقیح، nacl%، یون¬های فلزی، منابع کربن و نیتروژن مختلف، مدت زمان مجاورسازی سویه ها با سرب، بر رشد سویه ها و میزان حذف سرب مورد سنجش قرار گرفت. در سویه as2 درصد حذف سرب از 1/87% (غلظت سرب اولیه 100میلی¬گرم بر لیتر) به 5/99% (غلظت سرب اولیه 500میلی¬گرم برلیتر) و ظرفیت حذف سرب از 218mg/g به 747mg/g و در سویه as10 درصد حذف سرب از 9/84% (غلظت سرب اولیه 100 میلی-گرم بر لیتر) به 4/99% (غلظت سرب اولیه 500 میلی¬گرم بر لیتر) و ظرفیت حذف سرب از 212mg/g به 745mg/g افزایش یافت. به¬منظور بررسی اثر برهمکنش فاکتورها بر حذف سرب، چهار فاکتور مهم ph، دما، غلظت سرب اولیه و مقدار تلقیح با روش طراحی سطح پاسخ مورد بررسی قرار گرفتند که طی آن، در سویه as2 درصد حذف سرب 99% و ظرفیت حذف سرب 891.2mg/g و در سویه as10 درصد حذف سرب 7/98% و ظرفیت حذف سرب 888.6mg/g افزایش یافت. بعد از بهینه سازی، آزمایش جذب زیستی سرب توسط دو سویه منتخب، بر روی پساب و خاک آلوده به سرب واقعی در طبیعت، انجام¬شد. حذف سرب موجود در پساب واقعی صنایع در شرایط بهینه، بوسیله سویه as2، با 4/98% و ظرفیت جذب 885mg/g و در سویه as10، با 2/98% و ظرفیت جذب 884mg/g صورت¬گرفت. همچنین، حذف سرب موجود در خاک¬ کشاورزی واقعی آلوده به این فلز در شرایط بهینه، بوسیله سویه as2، با 7/98% و ظرفیت جذب 888mg/g و در سویه as10، با 5/98% و ظرفیت جذب 886mg/g صورت¬گرفت. مکانیسم جذب سرب در دو سویه مورد بررسی قرار گرفت. حداکثر بازدهی حذف سرب در هر دو سویه، توسط باکتری فعال از نظر متابولیسمی رخ¬داد. نمونه¬فعال از نظرمتابولیسمی، علاوه بر اینکه از مکانیسم جذب زیستی همانند نمونه های غیرفعال برخوردار است، از روش تجمع زیستی نیز به منظور ذخیره فلز در درون خود استفاده می¬کند. جهت تعیین ظرفیت و مکانیزم جذب سرب توسط بیومس، ایزوترم¬های جذب سطحی مورد بررسی قرار گرفت. معادله¬های ایزوترم لانگمویر و فروندلیچ برای توصیف ریاضی جذب سطحی یون¬های سرب بر روی بیومس بکار می¬روند. از اینرو در این پژوهش، مدل¬های لانگمویر و فروندلیچ برای بررسی رابطه¬ی بین مقدار جذب سرب به وسیله بیومس و غلظت باقیمانده سرب در محلول تعادلی، مورد استفاده قرارگرفت. با توجه به نتایج بدست¬آمده از ایزوترم¬ها، مطابقت جذب سطحی این سویه ها با هر دو مدل لانگمویر و فروندلیچ اثبات¬شد و نتیجتأ، جذب سرب در سطح بیومس هم به صورت هموژن(یکنواخت) و هم هتروژن(غیریکنواخت) تشخیص داده¬شد و بنابراین ظرفیت جذب و شدت جذب در سطح بیومس بسیار بالا می¬باشد. ویژگی بیومس باکتریایی و مکانیسم¬های جذب زیستی با استفاده از روشهای sem و eds و mapping بررسی¬شد. pb(ii) جذب¬شده بر روی دو سویه مورد نظر با استفاده از eds آنالیز شد و مکانیسم تبادل یونی در طی جذب زیستی نمونه ها ثابت شد. با کمک عکس sem سطح دو باکتری مورد نظر مملو از فلز سرب نشان داد. قسمتهای نامشخص یا آسیب¬دیده و تغییر شکل¬یافته بوسیله یون فلزی نیز آشکار شد. در آزمایش دیگری، واجذب سرب از باکتری مورد بررسی قرار گرفت. 50% واجذب سرب از سویه as2 و 66% واجذب سرب از سویه as10 بدست¬آمد. در نهایت، سویه های جاذب سرب از محیط¬های آلوده، با استفاده از تکثیر و تعیین توالی ژن 16srrna شناسایی شدند. سویه as2 بیشترین شباهت (%99/99) را با bacillus aerius strain 24k و سویه as10 بیشترین شباهت (%89/99) را با bacillus tequilensis نشان¬دادند.