Mgr inż. Kamila Rybczyńska Katedra Mikrobiologii Środowiskowej, Pracownia Mikologiczna Wydział Agrobioinżynierii Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Mykobioremediacja jako alternatywna metoda w dekoloryzacji barwnych ścieków przemysłowych Wstęp Barwne ścieki przemysłowe powstają w wielu gałęziach przemysłu m.in.: celulozowo papierniczym, włókienniczym, farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym i farbiarskim. Największą pulę barwnych zanieczyszczeń stanowią ścieki z przemysłu włókienniczego oraz celulozowo-papierniczego. Przemysł włókienniczy rocznie produkuje około 280.000 ton barwnych ścieków (Jin 2007). W celu uzyskania barwy wykorzystywanych jest 100.000 różnych barwnych substancji a ich roczna światowa produkcja przekracza 800.000 ton (Ravankar 2007). Do barwnych zanieczyszczeń należą także toksyczne i wytwarzane w bardzo dużych ilościach ścieki przemysłu celulozowo-papierniczego pochodzące z różnych etapów roztwarzania i bielenia pulpy drzewnej. W zależności od zastosowanej technologii produkcji miazgi celulozowej powstaje lignina alkaliczna i tiolignina (proces Krafta) oraz ligninosulfoniany (Garg i Modi 1999). W ciągu roku światowa produkcja barwnych ścieków z tego przemysłu wynosi około 21 mln ton. Ze względu na dużą skalę produkcji oraz możliwość przenikania do zbiorników wodnych, w wyniku nie skutecznych procesów technologicznych, do środowiska przedostaje się od 2 do 50% substancji barwnych, w zależności od grupy chemicznej a ich stężenie sięga nawet 300mg cm -3 (O Neill i in. 1990). Wiele substancji barwnych jest dostrzegalnych w wodzie już przy stężeniu 1mg dm -3 (Panday in. 2007). Obok niskich walorów estetycznych barwnych ścieków przemysłowych, istotne jest również to, że stanowią one zagrożenie dla środowiska oraz organizmów żywych. Obecność tych związków w środowisku wpływa niekorzystnie na funkcjonowanie ekosystemów wodnych oraz stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt. Przenikanie barwnych ścieków do wód powoduje ograniczenie procesu fotosyntezy co w konsekwencji prowadzi do spadku stężenia tlenu i zaburzenia równowagi biologicznej tego środowiska (Ali i Sreekrishnah 2001, Annuar 2009). Większość 1
barwników przemysłowych zawiera w swoim składzie szkodliwe dla zdrowia substancje kancerogenne i mutagenne, które mogą wnikać i kumulować się w organizmach żywych poprzez łańcuch pokarmowy (Singh 2006). Dekoloryzacja barwnych ścieków przemysłowych, z uwagi na postęp gospodarczy i ciągły wzrost skali produkcji barwnych zanieczyszczeń, stanowi jeden z ważniejszych problemów krajów wysokorozwiniętych. Ponadto żeby sprostać wymaganiom konsumentów nowe barwniki syntetyczne są tak projektowane by nie traciły koloru pod wpływem czynników chemicznych i fizycznych (Wasenberg i in. 2003). Przepisy wchodzące w zakres prawa wodnego ściśle określają skład ścieków przemysłowych, które mogą być wprowadzane do wód. Dyrektywa 76/464/EWG w sprawie zanieczyszczenia spowodowanego przez niektóre niebezpieczne substancje odprowadzane do środowiska wodnego nakazuje eliminowanie ze ścieków substancji, które wykazują właściwości rakotwórcze oraz są niebezpieczne dla ludzi i środowiska. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 8 lipca 2004r (Dz. U. z dnia 28 lipca 2004r) dodatkowo reguluje przepisy dotyczące wprowadzania ścieków przemysłowych do naturalnych środowisk wodnych. Ścieki wprowadzane do wód nie powinny wywoływać w wodach takich zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych, które uniemożliwiają prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów wodnych i spełnienie przez wody określonych dla nich wymagań jakościowych, związanych z ich użytkowaniem. Konwencjonalne metody dekoloryzacji barwnych ścieków przemysłowych Obecnie w celu usunięcia zabarwienia ścieków przemysłowych stosuje się głównie metody fizykochemiczne. Wśród popularnych metod wykorzystywanych w dekoloryzacji ścieków wyróżnić można: adsorpcję, jonowymienność, fotodegradację, koagulację, filtrację membranową (odwróconą osmozę, nanofiltrację, elektrodializę) oraz utlenianie (Fu i Viraraghaven 2001, Crini 2006). Wadami tradycyjnych fizykochemicznych metod dekoloryzacji jest przede wszystkim ich niska wydajność, wysokie koszty z uwagi na duże nakłady energii, brak trwałych efektów dekoloryzacji oraz powstawanie wtórnych zanieczyszczeń. Najgroźniejsza jest jednak pozorna dekoloryzacja, która mimo usunięcia koloru, nie prowadzi do detoksykacji substancji obecnych w ściekach. W konsekwencji bezbarwne produkty dekoloryzacji ciągle zalegają w środowisku wodnym. Efekt ten ma miejsce podczas dekoloryzacji, metodą chlorowania, brunatno zabarwionych ścieków bogatych w ligniną, powstających w trakcie roztwarzania drewna w zakładach przemysłu celulozowo-papierniczego. Prowadzi ona do powstawania bezbarwnych ale toksycznych, mutagennych oraz karcinogennych ubocznych produktów dekoloryzacji tj.: chloroligniny, 2
chlorofenole, chlorogwajakol i dioksyny (Crini 2006). W związku z ograniczeniami zastosowania tradycyjnych metod w oczyszczaniu barwnych ścieków przemysłowych w ostatnich latach coraz bardziej na znaczeniu zyskują biologiczne metody z wykorzystaniem mikroorganizmów. Stanowią one innowacyjne rozwiązanie, gdyż wykorzystują fizjologiczne zdolności mikroorganizmów, a ich zastosowanie przyczyni się do zmniejszenia kosztów procesu technologicznego oraz wzrostu efektywności i bezpieczeństwa dekoloryzacji barwnych ścieków przemysłowych. Możliwości wykorzystania grzybów mikroskopowych w dekoloryzacji ścieków przemysłowych Mikroorganizmami wykazującymi uzdolnienia do dekoloryzacji barwnych ścieków przemysłowych są przede wszystkim grzyby. Ocena aktywności dekoloryzacyjnej grzybów wyższych (Macromycetes) obejmujących m.in. tzw. grzyby białej zgnilizny drewna: Phanaerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus i Bjerkandera adusta, wykazała, że aktywność ligninolityczna tych grzybów związana jest z biosyntezą zewnątrzkomórkowych oksydoreduktaz obejmujących peroksydazy i (lub) lakazę (Bajmaramoglu i in. 2007; Jarosz- Wilkołazka i in. 2002; Ali 2010). Ze względu na niską specyficzność substratową peroksydazy oraz lakaza są wykorzystywane w dekoloryzacji syntetycznych barwników przemysłowych, strukturalnie pokrewnych ligninie, w tym posiadających skomplikowaną strukturę chemiczną barwników azowych i antrachinonowych (Jarosz- Wilkołazka i in. 2002). Z badań Korniłłowicz-Kowalskiej i in. (2006) wynika także, że niektóre gatunki grzybów białej zgnilizny jak nowy szczep Bjerkandera adusta CCBAS 930 przeprowadzają dekoloryzację surowych odcieków po-przemysłowych zawierających daunomycynę, pochodną antrachinonu, półprodukt w produkcji leków przeciwnowotworowych (Ryc. 1). Cytowani autorzy wykazali również uzdolnienia dekoloryzacyjne Bjerkandera adusta CCBAS 930 wobec ligniny po-przemysłowej (Ryc. 3) oraz wybranych syntetycznych barwników mono- i poliantrachinonowych (Ryc. 2) a także kwasów huminowych (Belcarz i in. 2005; Korniłłowicz-Kowalska i in. 2008; Rybczyńska i Korniłłowicz-Kowalska 2009). Obok dekoloryzacji na drodze enzymatycznej, grzyby wykazują również właściwości do pochłaniania z roztworów wodnych substancji barwnych na drodze adsorpcji (Srinivasan i Viraraghavan 2010). W ostatnich latach coraz większe zainteresowanie budzą uzdolnienia dekoloryzacyjne grzybów pleśniowych wobec barwników syntetycznych m.in.: barwników antrachinonowych (Young i in. 2003). W przeciwieństwie do podstawczaków białej zgnilizny dotychczasowe 3
informacje na temat dekoloryzacji barwnych zanieczyszczeń przez grzyby mikroskopowe mają fragmentaryczny charakter (Anastasi i in. 2009). Badania dotyczące poszukiwania i oceny uzdolnień dekoloryzacyjnych grzybów mikroskopowych wobec barwników antrachinonowych wychodzą naprzeciw zagadnieniom związanym z odbarwianiem ścieków przemysłowych oraz detoksykacji zawartych w nich substancji barwnych. Dobór odpowiednich warunków dekoloryzacji poprzez zastosowanie optymalnych warunków hodowli oraz adaptacja wyselekcjonowanych szczepów grzybów do surowych barwnych ścieków przemysłowych, pozwoli zwiększyć efektywność dekoloryzacyjną tych drobnoustrojów. Ponadto poznanie mechanizmu dekoloryzacji oraz ocena stopnia detoksykacji tych substancji barwnych daje możliwość zastosowania wyników badań w praktyce. A B Ryc. 1. Dekoloryzacja daunomycyny w zagaryzowanym podłożu mineralnym z 0,25% dodatkiem glukozy (Korniłłowicz-Kowalska i in. 2006) B A- Kontrola (bez grzyba) B- hodowla 7-dniowa Ryc. 3. Dekoloryzacja 0,01% kwasu karminowego w zagaryzowanym podłożu z 0,25% dodatkiem glukozy 4
A pożywka kontrolna; B hodowla 5-dniowa; C 10-dniowa; D 18-dniowa Ryc. 2. Dekoloryzacja 2% ligniny (lignina wytrącona z ługu kwasem siarkowym, InterCell S.A. Ostrołęka) w agaryzowanym podłożu z 1% glukozy (Iglik 2003) Perspektywy biotechnologicznego wykorzystania grzybów mikroskopowych Postęp biotechnologiczny oraz rozwój diagnostyki molekularnej w połączeniu z tradycyjnymi metodami mikrobiologicznymi pozwala na znaczne skrócenie czasu identyfikacji mikroorganizmów. W ostatnich 20 latach do identyfikacji, oceny zdolności ligninolitycznych wyselekcjonowanych szczepów grzybów oraz wyjaśnienia mechanizmu biosyntezy zewnątrzkomórkowych enzymów wykorzystywano m.in. technik biologii molekularnej (Haylock i in. 1985, Reader i Broda 1985). W przypadku grzyba białej zgnilizny drewna Phanerochaete chrysosporium zsekwencjonowanie genomu pozwoliło na poznanie organizacji i ekspresji genów ligninazy (LiP peroksydazy), enzymu odpowiedzialnego za uzdolnienia dekoloryzacyjne tego grzyba (Gaskell i in. 1992, Gaskell i in. 1994). Duże możliwości daje również perspektywa wykorzystania immobilizacji biomasy grzybów lub ich 5
mutageneza w celu zwiększenia ich zdolności dekoloryzacyjnych wobec odpornych na degradację substancji barwnych (Rakariyatham i in. 2006, Kaushik P. i Malik A. 2009). Biotechnologiczne wykorzystanie potencjału fizjologicznego grzybów pleśniowych zmierza w kierunku zwiększenia ich uzdolnień dekoloryzacyjnych wobec barwników przemysłowych. Poznając mechanizm degradacji substancji barwnych przez te grzyby jesteśmy w stanie zoptymalizować warunki hodowli najefektywniejszych szczepów, zwiększając przy tym ich wydajność dekoloryzacyjną. Ponadto znając organizacje genów możliwe jest zwiększenie biosyntezy kluczowych enzymów odpowiadających za dekoloryzację. Połączenie technik biologii molekularnej i mikrobiologii daje możliwość praktycznego wykorzystania badań nad dekoloryzacją i detoksykacją ścieków przemysłowych w ochronie środowiska. Literatura: Ali H., 2010, Biodegradation of synthetic Dyes-A review, Water Air Soil Poll.,DOI 10.1007/s11270-010-0382-4 Ali M., Shreekrishnan T.R., 2001, Aquatic toxicity from pulp and paper mill effluents; a review, Adv. Environ. Res 5: 175-179 Anastasi A., Prigione V., Casieri L., Varese G.C., 2009, Decolourisation of model and industrial dyes by mitosporic fungi in different culture conditions, World J. Microbiol. Biotechnol.,DOI 10.1007/s1274-009-0023-5 Annuar M.S.M., Adnan S., Vikineswary S., Chisti Y., 2009, Kinetic and energetic of azo dye decolorization by Pycnoporus sanguineus, Water, Air and Soil Poll., 202: 179-188 Bayramoglu G., Celik M., Arica M.Y., 2006, Biosorption of Reactiv Blue 4 dye by native and treated fungus Phanerocheate chrysosporium: Batch and continuous flow system studies, J. Hazar. Mater., B137: 1689-1697 Belcarz A., Ginalska G., Korniłłowicz-Kowalska T., 2005, Extracellular enzyme activities of Bjerkandera adusta R59 soil strain, capable of daunomycin and humic acid degradation, Appl. Microbiol. Biotechnol., 68: 686-694 Crini G, 2006, Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: A review, Bioresour. Technol., 97: 1061-1085 Fu Y., Viraraghavan T., 2001, Fungal decolorization of dye wastewaters: A review, Bioresour. Technol., 79: 251-262 Garg S.K., Modi D.R., 1999, Decolorization of pulp-paper mill effluents by white-rot fungi, Crit. Rev. Biotechnol., 19: 95-112 Gaskell J., Stewart P., Kersten P., Covert S., Reiser J., Cullen D., 1994, Establishment of genetic linkage by allele-specific polymerase chain reaction: Application to the lignin peroxidase gene family of Phanerochaete chrysosporium, Bio/Technology 12: 1372-1375 Gaskell J., Vanden Wymelenberg A., Stewart P., Cullen D., 1992, Method fot identifying specific alleles of a Phanerochaete chrysosporium encoding a lignin peroxidase, Appl. Environ. Microbiol. 58: 1379-1375 Haylock R., Liwicki R., Broda P., 1985, The isolation of mrna from the basidiomycete fungi Phanerochaete chrysosporium and Coprinus cinereus and its in vitro translation, Appl. Enviro. Microbiolo., 46: 260-263 6
Iglik H., 2003, Badania nad właściwościami fizjologicznymi I biochemicznymi glebowego szczepu grzyba Bjerkandera adusta R59 uzdolnionego do degradacji pochodnych antrachinonu, praca doktorska UP Lublin Jarosz-Wilkołazka A., Kochmańska-Rdest J., Malarczyk E., Wardas W., Leonowicz A., 2002, Fungi and their ability to decolourize azo and anthraquinonic dyes, Enzyme Microb. Technol., 30: 566-572 Jin X., Liu G., Xu Z., Yao W., 2007, Decolorization of a dye industry effluents by Aspergillus fumigatus XC6, Appl. Microbiol. Biotechnol., 74: 239-243 Kaushik P., Malik A., 2009, Fungal dye decolourization: Recent advances ond future potential Environ. Internat., 35: 127-141 Korniłłowicz-Kowalska T., Ginalska G.,Belcarz A., Iglik H., 2008, Decolorization of humic acids and alkaline lignin derivative by an anamorphic Bjerkandera adusta R59 strain isolated from soil. Pol. J Environ. Stud., 17(6): 903-909 Korniłłowicz Kowalska T., Wrzosek M., Ginalska G., Iglik H., Bancerz R., 2006, Identification and application of a new fungal strain Bjerkandera adusta R59 in decolorization of daunomycin wastes. Enzyme Microb. Technol., 38, 583-590 O Neill C., Hawkes F.R., Hawkes D.L., Laurenco N.D., Pinheino H.M., Delee W., 1999, Colour in textile effluents: source, measurement, discharge consents and simulation: a review, J. Chem. Technol. Biotechnol., 74:1009-1018 Pandey A., Singh P., Iyengar L., 2007, Bacterial decolorizaction and degradation of azo dyes, Int. Biodeterior. Biodegrad., 59, 73-84 Rakariyatham N., Butr-Indr B., Niamsup H., Shank L., 2006, Improvement of myrosinase activity of Aspergillus sp. NR4617 by chemical mutagenesis, J. Biotechnol., 9(4): 379-385 Reader U., Broda P., 1985, Rapid preparation of DNA from filamentous fungi, Lett. Appl. Microbiol. 1: 17-20 Revanker M.S., Lele S.S., 2007, Synthetic dyes decolorization by white rot fungus, Ganoderma sp., WR-1, Bioresour. Technol. 98: 775-780 Rybczyńska K., Korniłłowicz-Kowalska T., 2009, Dekoloryzacja wybranych barwników antrachinonowych przez Bjerkandera adusta CCBAS 930 i jego mutanty w warunkach hodowli wgłębnej i stacjonarnej, Podstawy Biotechnologii Środowiskowej trendy, badania, implementacje cz. II, 255-263 Singh H., 2006, Fungal decolorization and degradation of dyes, [in]: H. Singh (Ed.) Mycoremediation: Fungal bioremediation (pp. 420-483). Hoboken: Wiley Srinivasan A., Viraraghavan T., 2010, Decolorization of dye wastewaters by biosorbents: A review, J. Environ. Menagement, 91: 1915-1929 Wasenberg D., Kyriakides I., Agathos S.N., 2003, White-rot fungi and their enzymes for the treatment of industrial dye effluents, Biotechnol. Adv., 22: 161-187 Yang Q., Yang M., Pritsch K., Yediler A., Hagn A., Schloter M., Kettrup A. 2003. Decolorization of synthetic dyes and production of manganese-dependent peroxidase by new fungal isolates. Biotechnol. Lett. 25: 709-713 7