CC BY
3МИКРООРГАНИЗМЛАРНИ ПОЛИЭТИЛЕННИ ПАРЧАЛАШДА ОПТИМАЛ УСИШ ХДРОРАТИ ТАЪСИРИНИ ЩЁСИЙ УРГАНИШ 1Назиров Мух,аммад Латиф, 2Халилов Илхом, 3^обилов Фазлиддин, 4Зувайдуллаев
Бахром., 5Сафаров Хуснидин
1,2,з,4,5у3рфА Микробиология институти, Тошкент, Узбекистан https://doi.org/10.5281/zenodo.8367176
Аннотация. Pseudomonas авлодига мансуб бактерия штаммларининг LPEM2 минерал озица му%итида полиэтиленни биопарчалагнишига турли хил %ароратларнинг таъсири урганилди. Бактериал парчалаш жараёни 35 oC %ароратда олиб бориш натижасида, УБ-спектрофотометрни 190 ва 340 нм тулцин узунлигида контролга нисбатан 19,72 марта куп ПЕ ни парчаланиши Pseudomonasputida штаммида цайд этилди. P. stutzeri, P.fluorescens, P. aeruginosa штаммларимосравишда контролга нисбатан 10,89; 13,46 ва 12,04 марта куп културал суюцликка органик бирикмалар %осил цилганлиги урганилди. Харорат 40oC да олиб борилганда %ам бошца штаммларга таццослаганда ПЭ парчаланиши контролга нисбатан 24,21 марта купроц P.putida штаммида кузатилди. Колган Pseudomonas штаммлари - P. stutzeri, P. fluorescens, P. aeruginosa бактерия штаммлари мос равишда контролга нисбатан 14,04; 16,36 ва 13,01марта куп органик моддалар %осил цилиши билан ПЭ ни деградация цилиши аницланди. Бактериялар таъсирида 45 oC %ароратда ПЭ ни парчаланиши, P. stutzeri штаммида контролга нисбатан 17,51 марта куп органик моддалар %осил цилганлиги аницланди. P.putida штаммида 22,25; P.fluorescens штаммида 16,6 ваP. аeruginosa штаммида эса контролга нисбатан 13,47 марта куп органик модда %осил цилганлиги кузатилди. Тадцицотлар натижасига асосланиб Pseudomonas putida штамми 400С %ароратда бошца штаммларга нисбатан ПЭни биопарчалаш жараёнида купроц органик моддалар %осил цилиши аницланди.
Калит сузлар: Полиэтилен (ПЭ), бактерия, %арорат, УВ-спектрофотометр, биопарчаланиш, Pseudomonas.
Аннотация. Изучено влияние различных температур на биодеградацию полиэтилена бактериальными штаммами рода Pseudomonas на минеральной питательной среде LPEM2. В результате бактериальной деградации штаммом Pseudomonas putida при 35оС определено, что деградация ПЭ в 19,72 раза больше, чем в контроле при длине волны 190 и 340 нм на УФ-спектрофотометре. Установлено, что в культуральной жидкости штаммы P. stutzeri, P. Fluorescens и P. aeruginosa образовывалось - 10,89, 13,46 и 12,04раза больше органических соединений по сравнению с контролем. При температуре 40оС по сравнению с другими штаммами деградация ПЭ наблюдалась в 24,21 раза больше у штамма P. putida по сравнению с контролем. В остальные бактериальные штаммы P.stutzeri, P.fluorescens и P.aeruginosa при деградации полиэтиленана 14,04, 16,36 и 13,01 раза большего образовали органических веществ по сравнению с контролем. При разложении ПЭ под влиянием бактерий при 45оС штамм P.stutzeri продуцировал в 17,51 раза больше органического вещества по сравнению с контролем. Установлено, что по сравнению с контролем штамм P.putida - 22,25 раза, штамм P.fluorescens в 16,6 раза и штамм P.aeruginosa в 13,47 раза больше продуцировал органического вещества в культуральную жидкость. По результатам исследований установлено, что при
1706
биоразложении ПЭ штамм Pseudomonas putida продуцирует больше органических веществ, чем другие штаммы при температуре 400С.
Ключевые слова: Полиэтилен (ПЭ), бактерии, температура, УФ-спектрофотометр, биодеградация, Pseudomonas.
Abstract. The effect of different temperatures on polyethylene biodégradation in LPEM2 mineral medium of Pseudomonas bacteria strains was studied. As a result of carrying out the bacterial degradation process at a temperature of 35 oC, the UV-spectrophotometer at 190 and 340 nm wavelengths showed that Pseudomonas putida strain decomposed 19.72 times more PE than the control. It was studied that P. stutzeri, P. fluorescens, and P. aeruginosa strains produced 10.89, 13.46, and 12.04 times more organic compounds in the culture liquid compared to the control, respectively. Even though the experiment was conducted at 40oC, P putida strain showed more PE degradation compared to other strains and controls. The remaining Pseudomonas strains - P. stutzeri, P. fluorescens, and P. aeruginosa bacterial strains were found to degrade PE by producing 14.04, 16.36, and 13.01 times more organic matter than the control, respectively. Degradation of PE by bacteria at 45 oC was found in P. stutzeri strain to produce 17.51 times more organic substances compared to the control. It was observed that P. putida strain produced 22.25, P. fluorescens 16.6 and P. aeruginosa 13.47 times more organic matter compared to the control. Based on the results of the research, it was found that Pseudomonas putida strain produces more organic matter during PE biodegradation than other strains at 40 oC.
Keywords: Polyethylene (PE), bacteria, temperature, UF-spectrophotometer, biodegradation, Pseudomonas.
Хрзирги кунда дунё микёсида х,ар йили 140 миллион тоннадан ортик синтетик полимерлар ишлаб чикарилади. Полиэтиленнинг чекланган табиий парчаланиши унинг сув ва тупрокдаги микдорининг кун сайин ортиб боришига бу эса атроф-мух,итни ифлосланиши олиб келади [1]. Полиэтиленлар кимёвий, термал, фотооксидланиш ва биодеградация механизмлари билан парчаланиши мумкин. Бу эса полимернинг молекуляр огирлигига богли; булган х,олда узок вакт талаб килади. Полимерларнинг баъзи турлари парчаланиши учун 1000 йилгача вакт талаб килади [2]. Энг куп термопластик полиэтилен ишлатилади. Жуда куп такрорланадиган этилен мономерлари занжиридан иборат булиб, улар турли шаклларда учрайди, жумладан HDPE (Юкори зичликли Полиэтилен), LDPE (паст зичликдаги Полиэтилен) ва LLDPE (чизикли паст зичликли Полиэтилен). Улар жуда гидрофоб бирикмалар булиб, улар кимёвий реакцияга киришмайди ва микроблар томонидан тулик парчаланишга кодир эмас [3]. Бу биодеградация жараёнининг рекалситант табиати билан боглик. Полиэтиленни бузишга кодир булган баъзи микроблар х,озиргача тупрок, дэнгиз суви, компост ва фаол лойдан ажратилган [4].
Х,озирги вактда ферментатив биодеградация энг кэнг таркалган парчалаш усули булиб пластик чикиндилар микроорганизмлар фаолияти натижасида оксидланади [5]. Умуман олганда, полиэтиленлар аэроб микроорганизмлар оркали парчаланганда карбанат ангидрид ва сув гача, анаэроб микроорганизмлар фаолияти натижасида эса карбонат ангидрид, сув ва метан х,осил килади [6]. Ушбу усуллардан фойдаланиш атроф-мух,итга зарар етказмасдан парчалаш имконини беради [7]. LDPE ни парчалашда Bacillus megateium, Pseudomonas sp., Azotobacter, Ralstonia, Halomonas sp., бактериялардан фойдаланган [8]. Бундан ташкари, полиэтиленнинг биодеградация жараёнига таъсир килувчи ферментлар
1707
Brevibacillus sp. ва Bacillus sp. авлодларига мансуб микроорганизмларда аникланган [9]. Ушбу жараёнга харорат, pH, тадкикот вакти, бактерияларнинг тури ва сони, озука моддаларининг мавжудлиги, кушимча моддалар ва шурланиш каби омиллар таъсир килиши аникланган [10]. Thiobacillus sp. va Clostridium sp. бактериялари LDPE ни парчалаш жараёнига pH ва хароратнинг таъсири урганилган. Бунда огирликдаги фарк ва инфракизил спектроскопиясида (ФТИР) функционал гурухлардаги узгаришлар аникланганда, LDPE нинг энг юкори парчаланиши pH 7 ва 30 oC да содир булиб, 30 кун давомида 2-7% гача парчалангани аникланган [11]. Учта полиэтилен PCL (Polycaprolactone), PHB (Polyhydroxybutyrate) ва PHBV (Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) биологик парчаланиши урганилганда 24 oC хароратдагига нисбатан 46 oC да парчаланиши тезрок кечиши аникланган [12]. Aэроб шароитда тупрокка кумиш оркали PHBV нинг парчаланиши 52 oC га караганда 30 oC да тезрок парчаланиши кайд этилган [13].
Ушбу тадкикотнинг максади Pseudomonas авлодига мансуб 4 та бактерия штаммлари фаолияти натижасида LDPE нинг парчаланишига энг мухим абиотик омиллардан бири булган хдроратнинг тасирини урганишдан иборат.
Тажрибада Pseudomonas putida, P. stutzeri, P. fluorescens ва P. aeruginosa бактерия штаммлари кулланилди.
Тажриба учун куйи зичликли ПЭ тури (LDPE) ишлатилди. ПЭ плёнкаси агарли чашкаларда инкубация килиш учун огирлиги улчанди. ПЭ 75% этанолда стерилизация килинди ва кейин ламинар боксдаги хаво окими билан куритилди. Бактериялар купрок биомасса олиш учун олдин озика элементларига бой булган суюк LB Broth (Miller) озика мухитида 3 кун давомида устирилди. Сунг пробиркаларга ПЭ парчаси солинган модификацияланган LPEM2 (ASTM G22-76, 1996) озика мухитида устирилди [14].
Модификацияланган LPEM2 озика мухити куйидагича тайёрланади: 900 мл дистилланган сувга NHN03-1,0 г; MgS047H20-0,7 г; (NH4)2SO4-1,0 г; MgS047H20-0,7 г; микроэлемент-1мл; (100 мл микроэлемент тайёрлаш учун NaCl-0,5 г; ZnSO47H2O -0,2 г; Fe EDDHA-0,2 г; CuS045H20-0,2 г; MnSO4H2O -0,1 г.) кушилади.
Фосфат буфери учун 100 мл дистилланган сувга KH2PO4 -0,7 г; K2HPO4-0,7 г кушилади; pH-6,5. Назорат сифати LPEM озика мухитига факат ПЭ ни кушилди.
Озика мухитлари 20 дакика 121 ° C да автоклав килинди. Озика мухитлари совигандан сунг 900 мл LPEM2 га 100 мл фосфат буфери кушилди.
Бактерия штаммлари модификацияланган LPEM2 озикасига экилиб, 1 ой давомида 30 °С хароратда тебратгичда устирилди. Сунгра културал суюклик ПЭ дан ажратилиб спектроскопия килинди [15].
УБ-спектрлари Specord 210 UV-Vis (Analytik Jena, Германия) спектрофотометрида диаметри 1 см ли кварцли кюветларда кайд этилди. Сканерлаш сохаси 190-800 нм, тиркиши 1 нм, тезлиги 5 нм/с.
ПЭ ни парчалашда абиотик омиллардан бири харорат хам асосий омиллардан бири хисобланади. Шу максадда юкорида келтирилган Pseudomonas авлодига мансуб 4 та бактерия штаммларини 35оС, 40оС ва 45оС устириб, ПЭ ни парчаланишига таъсири урганилди. Контрол сифатида LPEM2 озика мухитига ПЭ солиниб 30 кун инкубация килингандан кейин хосил булган органик бирикмаларни УБ спектроскопияда чиккан намуналарни 1 деб олинди.
1-жадвал.
1708
Pseudomonas авлодига мансуб бактерия штаммлари таъсирида олинган ютилиш
чизикларининг деконволюция натижалари
Турли Ютилиш чиз^и, X, нм
хароратда ПЭ билан
устирилган бактерия штаммлари Нисбат 190-200 210-214 246-264 340
Х,арорат 35оС
P. stutzeri 10,89 7,06 2,94 0,75 0,14
P. fluorescens 13,46 9,13 3,52 0,69 0,12
P. putida 19,72 12,79 4,43 2,19 0,31
P. aeruginosa 12,04 2,47 0,71 0,55 0,31
Назорат 1,00 0,48 0,17 0,36 0,00
Х,арорат 40оС
P. stutzeri 14,04 9,93 3,44 0,62 0,05
P. fluorescens 16,36 11,55 3,96 0,54 0,31
P.putida 24,21 13,29 7,45 3,28 0,19
P. aeruginosa 13,01 7,29 4,73 0,68 0,31
Назорат 1,00 0,52 0,20 0,29 0,00
Х,арорат 45оС
P. stutzeri 17,51 9,52 3,92 3,68 0,39
P. fluorescens 16,6 11,52 2,90 1,79 0,39
P. putida 22,25 12,41 7,25 1,12 0,47
P. aeruginosa 13,47 8,43 3,90 0,90 0,24
Назорат 1,00 0,53 0,21 0,26 0,00
1-жадвал натижалари шуни курсатдики, барча Pseudomonas штаммлари учун 40оС оптимал хисобланди. ^улланилган штаммлар орасида P.putida ва P. fluorescens штаммлари контролган нисбатан мос равишда 24,21 ва 16,36 марта озика мухитига органик бирикмалар хосил килганлиги аникланди (1-жадвал). Айникса, УБ спектрнинг 190-200 нм (карбонил гурухлар) ва 240-300 нм (алдегид гурухларни) орасида ютилиш чизигида намоён булмокда. Бу эса озика мухити таркибида карбонил гурухлар ва алдегидлар хосил булганлигидан далолат беради.
45о С харорат таъсирида 40оС нисбатан камрок микдорда органик бирикмалар хосил булганлигини кузатиш мумкин. Бунда, P. stutzeri, P. fluorescens, P. putida ва P. aeruginosa мос равишда назоратга нисбатан 17,51 16,6 22,25 ва 13,47 марта куп карбоксил ва алдегидлар куринишида органик бирикмалар хосил килганлиги кайд этилди (1-расм). Айтиш мухимки, 35оС хароратда устирилган Pseudomonas штаммлари 40оС ва 45оС хароратга нисбатан камрок даражада органик бирикмалар хосил килганлиги кузатилди. 35оС хароартда P. stutzeri, P.fluorescens, P.putida ва P. aeruginosa бактерия штаммлари мос равишда контролган нисбатан 10,89; 13,46; 19,72 ва 12,04 марта куп органик бирикмалар озика мухитида хосил килганлиги тадкик этилди.
Шундай килиб, Pseudomonas авлодига мансуб штаммларнинг юкори хароратда ПЭ парчалашда фаоллашуви аникланди. Тадкик этилган 4 та штаммлар орасида P. putida урганилган барча хдроратда ПЭ ни парчалашда энг фаол эканлиги аникланди. Бу холатни
1709
айникса 40оС хароратда ПЭ парчаланишидан хосил булган карбоксил ва алдегидларни хосил булиши билан изохлаш мумкин.
190 290 -P. Stutzer 35C
-P.putide 35C
-K- 35C
390 490
— P. fluoreseens 35C
P.aeruginosa 35C
190
A
290
P. stutzer 40C P.putide 40C ■ K- 40C
Б
390 490
— P. fluoreseens 40C P.aeruginosa 40C
190
290
P. stutzer 45C P.putide 45C K- 45C
390 490
^^ P. fluoreseens 45C ^^ P.aeruginosa 45C
В
1-расм. Pseudomonas авлодига мансуб бактериялар штаммлари таъсирида ПЭни парчаланишидан хосил булган органик бирикмалар таркибини УБ спектри. А-35оС харорат таъсирида, Б- 40оС харорат таъсирида, В- 45оС харорат таъсирида.
Лекин, урганилган хароратлардаги 4 та Pseudomonas авлодига мансуб штаммларни ПЭ парчалашдан олинган натижалар умумлаштириладиган булса, контролга нисбатан 35оС да - 57,11 марта, 40оС хароратда 68,62 марта ва 45оС хароратда эса 70,83 марта куп органик бирикмалар хосил килганлиги аникланди. Бу шуни билдирадики, Pseudomonas авлодига мансуб бактерия штаммлари юкори хароратга чидамли эканлиги ва урганилган хароратлар орасида 45оС да ПЭ ни купрок парчалаши кайд этилди.
REFERENCES
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
4
3
2
1
0
1710
1. Joshi P. A., Jaysawal S. R. Isolation and characterization of poly-P hydroxyalkanoate producing bacteria from sewage sample// J. of Cell and Tissue Research. (2010). 10. P.2165-2168.
2. Pramila R., Ramesh K. V. Biodegradation of Low Density Polyetylene (LDPE) by fungi isolated from municipal landfill area// J. Microbiol Biotechnol. (2011). 1. P. 131-136.
3. Kavitha R., Mohanan A. K., Bhuvaneswari V. Biodegradation of low density polyethylene by bacteria isolated from oil contaminated soil// International Journal of Plant, Animal and Environmental Sciences. (2014). 4(3), P.601- 610.
4. Yoon M. G., Jeon H. J. and Kim M. N. Biodegradation of Polyethylene by a Soil Bacterium and AlkB Cloned Recombinant Cell// J. Bioremed Biodegrad. (2012). 3(4) P. 1-8.
5. Kaseem M., Hamad K., and Deri F. Thermoplastic starch blends: A review of recent works// Polymer Science Series A. (2012). 54.P. 165-176.
6. Alshehrei F. Biodegradation of Synthetic and Natural Plastics by Microorganisms//J. of Applied & Environmental Microbiology. (2017).5(1) P.8-19.
7. Asmita K., Tanwar S., Shanbhag T. Isolation of Plastic Degrading Micro-organisms from Soil Samples Collected at Various Locations in Mumbai, India International Research// J. of Environment Sciences. (2015). 4(3). P. 77 - 85.
8. Chee J. Y., Yoga S. S., Lau N. S., Ling S. C., Abed R. M. M., Sudesh K. L. Bacterially Produced Polyhydroxyalkanoate (PHA): Converting Renewable Resources into Bioplastics Appl Microbiol & Microbiol Biotech, a Mendez Vilas (Ed)// Current research, technology and education topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology. (2010). 2. P. 13951404.
9. Sivan A. New Perspectives in Plastics Biodegradation// Curr. Open Biotechnol. (2011). 22. P. 422-426.
10. Sihag S. Factors Affecting the Rate of Biodegrdation of Polyaromatic Hydrocarbons// International Journal of Pure & Applied Bioscience. (2014). 2(4) 185-202.
11. Islami A. N., Tazkiaturrizki T. A Rinanti The effect of pH-temperature on plastic allowance for LowDensity Polyethylene (LDPE) by Thiobacillus sp. and Clostridium sp.//J. Phys.: Conf. (2019). Ser. 1402 033003.
12. Lotto N.T., Calil M.R., Guedes C.G.F., Rosa D.S., The effect of temperature on the biodegradation test// Mater. Sci. Eng. C 24 (2004) P.659-662. https://doi.org/10.1016/j.msec.
13. Nishide H., Toyota K., Kimura M. Effects of soil temperature and anaerobiosis
14. on degradation of biodegradable plastics in soil and their degrading microorganisms// Soil Sci. Plant Nutr. 1999). 45 (4). (963e972, https://doi.org/10.1080/00380768.1999.10414346.
15. Talkad M. S., Maria S., Raj A. and Javed A. Microbial Degradation of Plastic (LDPE) & domestic waste by induced mutations in Pseudomanas putida International/Journal of Ethics in Engineering & Management Education (2014). 1(5). P. 2348-4748.
16. Mahdiyah D., Mukti B. H. Isolation of Polyethylene Plastic Degrading-Bacteria Biosci. Inter. (2013). 2(3) P. 29-32.
1711
