پالایش زیستی آلاینده‌های فلزهای سنگین با استفاده از باکتری: بررسی اثر شرایط فرایندی به کمک روش طراحی پاسخ سطح

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران ، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی، دانشگاه پیام نور ،تهران ، ایران

3 استادیار گروه مهندسی شیمی، دانشگاه پیام نور ،تهران ، ایران

4 کارشناسی ارشد شیمی، دانشگاه پیام نور ،تهران، ایران

چکیده

ورود آلاینده‌های فلزهای سنگین به محیط‌های آبی، به علت سمیت و آسیب‌های زیستی، برای سلامتی انسان مضر است. بنابراین، جذب یون‌های فلزی از محیط، موضوع قابل‌توجهی است. در این پژوهش، فرایند جذب باکتریایی فلزهای مس و منگنز در شرایط متفاوت (pH، دما و غلظت جاذب) انجام شده است. همچنین، طراحی آزمایش به شیوه روش طراحی پاسخ سطح (RSM) برای بررسی برهم‌کنش بین عامل‌ها، ترسیم نمودارهای صفحه‌ای و به‌دست آوردن معادله ریاضی (مقدار جذب برحسب متغیرها) در قالب مدل چند جمله‌ای استفاده شده است. نتایج نشان داد که با افزایش pH تا 6، جذب زیستی هر دو یون مس و منگنز افزایش‌یافته است. افزایش در مقدار جاذب و دما نیز تأثیر مشابهی نشان داد. هرچند که مقدار جذب منگنز با متغیرهای مورد بررسی مقداری بیشتر از مس بود، تغییرهای مشابهی نشان دادند. اثرهای افزایشی مشاهده شده در سطوح پایین متغیرها، کمتر بوده و در سطوح بالاتر قابل‌توجه شدند. با افزایش دما در هر سطح از جاذب، مقدار جذب بالاتر رفت که این افزایش در pH های بالاتر، بیشتر بود. همچنین، اثر افزایشی عامل pH در غلظت بیشتر باکتری چشمگیرتر بود. تأثیرگذاری هر متغیر، متأثر از دیگری بود. استفاده از روش پاسخ سطح، معادله‌های مقدار جذب هر دو فلز مس و منگنز برحسب عامل‌های ورودی متغیر، با مجذور ضریب تعیین قابل‌قبول و خطای کم به‌دست آمد. افزون‌برآن، اثرات برهم‌کنشی متغیرها با توجه به نمودارهای صفحه‌ای و ضرایب معادله‌ها بررسی شدند. در آخر، مقادیر پیش‌بینی شده با این معادله‌ها برای شرایط آزمایشی جدید با مقادیر تجربی مقایسه شد که تطبیق خوبی نشان داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Bio-adsorption process of heavy metal contaminants by the bacterium:Study of the effect of various conditions using response surface methodology

چکیده [English]

The entrance of heavy metals contaminants into the aqueous environment, due to their toxicity and the biological damages is hazardous for the human health. So the separation of them from the environment is an important subject. In this work, adsorption of heavy metals was investigated using biological method. The process of adsorption of copper and manganese using bacterium were done at different conditions (pH, temperature, and adsorbent concentration). Besides, the experimental design of Response Surface Methodology (RSM) was used to study the interactions between parameters and to draw the surface diagrams, and the estimation of the mathematical equation (absorbance versus variables) as a polynomial model. Results showed that increasing of pH up to 6 increased the bio-sorption of both Mn and Cu. Increment in temperature and adsorbent content had the same effect. Although the absorbance of Mn was a little higher than Cu, both of them showed the same changes with variables. The observed increment effects were lower at lower levels of variables and became more considerable at higher levels of variables. In each level of absorbent, with increasing of the temperature, absorbance increased which was greater at higher pH. Also, the incremental effect of pH was more remarkable at the higher bacterium concentration. The effect of each variable was influenced by another one. Using RSM, the bio-sorption amounts of both Cu and Mn were formulated versus T, pH, and adsorbent content, with a suitable accuracy and low error. In addition, the interactions between parameters were analyzed considering 3D plots and the coefficients of the achieved equations. Finally, the predicted results from the equations for the new experimental conditions were compared with the the experimental results, which showed a good agreement.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bio-sorption
  • chemical contaminants
  • Heavy metals
  • Experimental design
  • Absorben
[1] کمرئی، بهرام؛ فصلنامه علمی پژوهشی دانشگاه علوم پزشکی لرستان 4، 51-42، 1388.
[2] اشرفی، فریدون؛ پیک نور علم 1، 102-94، 1387. 
[3] رجائی، قاسم؛ مجله تحقیقات نظام سلامت 5، 756-748، 1391. 
[4] میران‌زاده، محمدباقر؛ مجله سلامت و بهداشت اردبیل 2، 14- 1، 1390.
[5] ستوهیان، فرزاد؛ شریفی، سعید و رنجبران، محسن؛ مجموعه مقالات اولین کنفرانس ملی راهکارهای دستیابی به توسعه پایدار در بخش کشاورزی و منابع طبیعی و محیط زیست، تهران، 1383.
[6] Odum, H.T.; “Heavy Metals in the Environment Using Wetlands for Their Removal”, 1st Edition, CRC Press Taylor & Francis Group, USA, 2000.
[7]  احمدی‌اسب‌چین، سلمان؛ جعفری، ناصر و پوربابائی، احمدعلی؛ مجله آب و فاضلاب 2، 109-103، 1392.
[8] Vijayaraghavan, K.; Yun Y.S.; J. Biotech. Adv. 3, 266-291, 2008.
[9] Volesky, B.; Holan, Z.R.; Biotechnol. Prog. 11, 235–250, 1995.
[10] Soltan, E.S.; J. Microbiology and biotechnology 11, 50-55. 2001.
[11]  خرم‌آبادی، قدرت‌الله؛ درویشی، رضا و جرفی، سهند؛ مجله آب و فاضلاب 73، 62-57، 1389.
[12] Wood, J.M; Wang, H.K.; “Microbial resistance to heavy metals, in: Environmental inorganic chemistry”, VCH Inc, USA, 1985.
[13] Geesey G.G.; Lang L.; “Interactions between metal ions and Capsular polymers, In: Metal ions and bacteria”, John Wiley and Sons, USA, 1989.
[14] Cooksey, D.A.; and Azad, H.R.; Applied and Environmental Microbiology 1, 274-278. 1992.
[15] Huang, C.P; Haung-Allen, C.P; Morehart, L.; Water Research 12, 424-433. 1990.
[16] Say, R.; Denizli, A; and Arica, M.Y.; Bioresour. Technol. 76, 67-76. 2006.
[17]  فرازمند، عباس؛ کاظمی، محمدعلی؛ قیصری، علی؛ ارومیه، حمیدرضا؛ مجله آب و فاضلاب 37، 24-16، 1380.
[18] Alaa, H. H; Catherine, N. M.; Bioresour. Technol. 28, 97-692. 2006.
[19] اسماعیلی، اکبر؛ درویش، مریم؛ ابراهیمی، محمود؛ روستائیان، عبدالحسین؛ نشریه پژوهش‌های کاربردی در شیمی 5 (1)، 15-19، 1390.
[20] عبدالملکی، عزیزه؛ مهان‌پور، کاظم؛ مرادی، رضا؛ نجفی، سعید؛ نشریه پژوهش‌های کاربردی در شیمی 7 (4)، 55-62، 1392.
[21] Ahmady-Asbchin, S; Bahrami, A.M.; Advances in Environmental Biology 7, 1656-1662. 2011.
[22] Flouty, R; Estephane, G.; J. Environmental Management 11, 106-114. 2012.
[23] Abdel-Aty, A.; Ammar, N.; Abdel ghafar, H.; Ali, R.; J. Advanced research in biotech. 4, 367-374. 2013.
[24]  خواجه‌کاظمی، رضوان؛ علیزاده، رضا؛ رضایی، محمدرضا؛ نشریه پژوهش‌های کاربردی در شیمی 7 (1)، 39-46، 1392.
[25]  تجری، الهه؛ صمدانی لنگرودی، نرگس؛ خلفی، مهناز؛ نشریه پژوهش‌های کاربردی در شیمی 11 (1)، 49-57، 1396.
[26] Montgomery, D.C.; “Design and analysis of experiments”, John Wiley & Sons, USA, 2008.