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Jul 24, 2023

Ein immobilisiertes Biosorbens aus abgestorbenen Zellen von Paenibacillus dendritiformis und Polyethersulfon für die nachhaltige biologische Sanierung von Blei aus Abwasser

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 891 (2023) Diesen Artikel zitieren 1242 Zugriffe 2 Zitate 1 Altmetric Metrics Details Schwermetalle, einschließlich Blei, verursachen schwere Schäden an der menschlichen Gesundheit und

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 891 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Schwermetalle, darunter auch Blei, verursachen schwere Schäden für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Als umweltfreundliche Alternative bieten sich natürliche Biosorbentien an. In dieser Studie waren zwei der 41 Isolate (8EF und 17OS) die effizientesten Bakterien für das Wachstum auf mit Pb2+ (1000 mg/L) angereicherten Medien. Bei hohen Konzentrationen bis zu 2000 mg/L zeigte das Pionierisolat 17OS eine bemerkenswerte Resistenz gegenüber Multischwermetallen. Dieses Isolat wurde als Paenibacillus dendritiformis 17OS identifiziert und in der GenBank unter der Zugangsnummer ON705726.1 hinterlegt. Design-Expert wurde verwendet, um die Pb2+-Metallentfernung durch die getesteten Bakterien zu optimieren. Die Ergebnisse zeigten, dass vier von sechs Variablen mithilfe eines experimentellen Designs mit minimaler Laufauflösung IV ausgewählt wurden, wobei sich dies erheblich auf die Pb2+-Entfernung auswirkte. Temperatur und Pb2+-Konzentration waren signifikant positive Einflüsse, während Inkubationszeit und Rührgeschwindigkeit signifikant negativ waren. Der getestete Stamm modulierte die vier signifikanten Variablen für eine maximale Pb2+-Entfernung mithilfe des Box-Behnken-Designs. Die sequentielle Optimierungsmethode steigerte die Biosorption um 4,29 %. Abgestorbene Biomasse von P. dendritiformis 17OS wurde mit Polyethersulfon eingebettet, um eine hydrophile Adsorptionsmembran zu erhalten, die Pb2+ leicht aus wässrigen Lösungen abtrennen kann. SEM-Bilder und FT-IR-Analysen bewiesen, dass das neue Biosorbens eine tolle Struktur und viele funktionelle Oberflächengruppen mit einer negativen Oberflächenladung von −9,1 mV besitzt. Die Entfernungsrate von 200 mg/L Pb2+ aus Wasser erreichte 98 % bei Verwendung von 1,5 g/L des immobilisierten Biosorbens. Die Adsorptionsisothermenstudien wurden angezeigt, um die Art der Reaktion zu bestimmen. Der Adsorptionsprozess stand im Zusammenhang mit der Freundlich-Isotherme, die die mehrschichtige und heterogene Adsorption von Molekülen an der Adsorptionsmitteloberfläche beschreibt. Abschließend wurden abgestorbene Bakterienzellen auf einem Polyethersulfon immobilisiert, was ihm die Eigenschaften einer neuartigen Adsorptionsmembran für die biologische Sanierung von Blei aus Abwasser verleiht. Daher schlug diese Studie eine neue Generation von Adsorptionsmembranen vor, die auf Polyethersulfon und toten Bakterienzellen basieren.

Giftige Schwermetallionen, die durch intensive Industrialisierung, moderne landwirtschaftliche Techniken, militärische Aktionen und Verwitterungsprozesse entstehen, sind zu einer der bedeutendsten Schadstoffe in der Wasserversorgung geworden1. Im Gegensatz zu anderen toxischen Stoffen reichern sich Schwermetallionen im Gewebe lebender Organismen an und werden in der Natur nicht biologisch abgebaut. Trotz ihrer weit verbreiteten Verwendung können Schwermetalle bei Lebewesen erhebliche Toxizität verursachen2. Blei, Kupfer, Quecksilber, Arsen und Chrom können schädliche Auswirkungen auf Haut, Nieren, Leber und Lunge haben3. Blei (Pb2+) ist aufgrund seiner Toxizität und seiner Verbreitung in der Umwelt sehr gefährlich4. Es kann die Wirkung von Enzymen und Proteinen stoppen, wichtige Zellionen (Mg2+, Ca2+, Na+ und Fe2+) ersetzen und den Ca2+-Transport behindern, daher gilt Pb2+ als krebserregend und sehr giftig. Darüber hinaus beschleunigt Pb2+ die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, was zu oxidativem Stress führt und die Zelle schädigt5. Das Einatmen von Pb-verseuchtem Staub sowie die Aufnahme kontaminierter Lebensmittel oder Wasser führt dazu, dass Pb2+ absorbiert und in menschliches Gewebe gelangt6.

Membrantechnologie, Fällung, Aktivkohleadsorption und Ionenaustausch sind gängige physikalisch-chemische Methoden zur Entfernung toxischer Metalle aus Abwasser7. Viele der üblichen Nachteile herkömmlicher Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen, wie z. B. übermäßige Produktion von toxischem Schlamm und minderwertiges aufbereitetes Wasser, können überwunden werden, wenn die Membrantechnologie mit der Adsorptionstechnologie (Adsorptive Membrane Technology) kombiniert wird. Diese Membran bietet eine Reihe von Eigenschaften, wie z. B. das Fehlen von Phasenwechseln oder chemischen Zusätzen, Flexibilität und einfache Skalierung, einfache Idee und Bedienung, Energieeffizienz und einen geringen Prozessbedarf8. Aufgrund ihrer Einfachheit, Vielseitigkeit, geringen Kosten und Umweltfreundlichkeit ist die Adsorption die beliebteste Technik zur Schwermetallentfernung. Allerdings hat die Adsorption einige Nachteile, darunter eine langsame Geschwindigkeit und einen hohen internen Diffusionswiderstand9. Darüber hinaus lässt die Effizienz der Adsorptionsmethode nach wiederholter Anwendung häufig nach10.

Mikroorganismen, die auf den richtigen Substraten immobilisiert wurden, können in einer Vielzahl von Verfahren verwendet werden und sind einfach zu gewinnen und wiederzuverwenden. Die Immobilisierung kann die Betriebsstabilität von Zellen erhöhen, sie vor den Auswirkungen eines hohen pH-Werts, giftiger Substanzen und heftiger Reaktionstechnologien schützen und die Möglichkeit einer Kontamination von Zellkulturen verringern11. Mixed-Matrix-Membranen (MMMs) werden häufig aus Polymeren wie Polyethersulfon (PES), Polysulfon (PSf), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyacrylnitril (PAN)12 hergestellt. Von diesen wird PES aufgrund seiner großen mechanischen Festigkeit und chemischen Stabilität sowie seiner geringen Kosten als kommerzielles Polymer in großem Maßstab bei der Phaseninversionsherstellung von Polymermembranen für die Mikrofiltration, Gastrennung und Ultrafiltration eingesetzt13.

Bakterien adsorbieren schädliche Metalle effektiver, insbesondere bei geringen Konzentrationen in Lösungen14. Huma et al.15 wiesen darauf hin, dass Bougenvillae spectobilisis effektiv zur Entfernung von Kupfer- und Cadmiumionen aus einem wässrigen Medium eingesetzt werden kann. Darüber hinaus wurde Zitronensäure verwendet, um das Biosorbens B. spectabilis für die Biosorption von Pb2+-Ionen aus einem wässrigen Medium zu modifizieren. Mit Zitronensäure modifizierter B. spectabilis zeigte eine deutlich höhere Fähigkeit zur Biosorption von Pb2+-Ionen aus einem wässrigen Medium als unmodifizierter B. spectabilis16. Ein charakteristisches Merkmal von Biosorbentien besteht darin, dass sie lebend oder tot sein können. Um die Komplexität zu vereinfachen, verwenden die meisten Untersuchungen zur Metalleliminierung tote Biosorbentien als bevorzugte Alternative17. Das Autoklavieren eines bakteriellen Biosorbens verbessert seine Fähigkeit zur Biosorption von Schwermetallen18, möglicherweise weil die Zellwand abgebaut wird und über mögliche Bindungsstellen verfügt, die mehr Metallionen aufnehmen können. Darüber hinaus bieten lebende Biosorbentien eine einzigartige Reihe von Vorteilen. Sie können adsorbierte Schwermetalle in Zellen transportieren und die Art der Schwermetallionen verändern, um toxische Wirkungen zu minimieren19. Allerdings haben nur wenige Studien die Fähigkeit toter und lebender Biosorbentien untersucht, gefährliche Schwermetalle zu adsorbieren.

Ziel dieser Studie war es, (1) Pb-tolerante Bakterien aus verschiedenen kontaminierten Schwermetallstandorten zu isolieren, (2) das wirksamste Isolat zu identifizieren und zu charakterisieren, (3) die minimale Hemmkonzentration (MHK) und die maximale Toleranzkonzentration (MTC) für Bakterien zu bestimmen , (4) Optimierung der Schwermetallentfernung durch das getestete Isolat mit Design-Expert und (5) eine neue Biosorptionstechnik musste durch Isolierung bleitoleranter Bakterien und deren Immobilisierung auf PES erreicht werden.

Eine Übersicht über die in dieser Studie durchgeführten Arbeiten ist in Abb. 1 dargestellt. Bleitolerante Bakterien wurden aus verschiedenen kontaminierten Standorten isoliert. Diese Bakterien wurden auf das wirksamste Isolat untersucht, das mithilfe von 16S-rRNA identifiziert wurde. Das Screening der wichtigsten Variablen, die die Pb2+-Entfernung durch Bakterienisolat beeinflussen, wurde anhand eines IV-Designs mit minimaler Auflösung untersucht. Das Pb2+-toleranteste Bakterium wurde in PES eingeschlossen. Es wurden die Wirksamkeit der Biosorption und verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften der biosorbierenden Membran bestimmt.

Grafische Zusammenfassung für untersuchte bleitolerante Bakterien.

Vier Proben wurden an verschiedenen Standorten gesammelt, die mit Schwermetallen kontaminiert waren [Elektrofabrik (EF), Öl- und Seifenunternehmen (OS), Tankstelle (GS) und Boden in der Nähe von Abwasser (SW)] im Gouvernement Qalyubia (30°18′0). ″N/31°15′0″E) in Ägypten. Diese Proben dienten als Quelle für die Isolierung schwermetalladsorbierender Bakterien. Diese Proben wurden bis zur Analyse bei 4 °C aufbewahrt.

Die Analyse verschiedener Schwermetalle in vier Proben wurde mithilfe der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES; Optima 5300 DV; Perkin-Elmer, USA) durchgeführt, wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Analysen wurden in einem ISO 17.025-Gerät durchgeführt :2017 zertifiziertes Labor des Zentrallabors für Umweltqualitätsüberwachung, Nationales Wasserforschungszentrum (Ägypten).

Es wurden Abwasser- und Bodenanalysen auf verschiedene Schwermetalle gemäß20 bzw.21 durchgeführt. Die Abwasserprobe wurde in Salpetersäure (HNO3) aufgeschlossen, während Bodenproben mit konzentrierter HNO3, HCl und HF aufgeschlossen wurden. Die aufgeschlossenen Lösungen wurden durch Filterpapier mit einer Porengröße von 2,5 µm filtriert und das Volumen mit entionisiertem Wasser auf 50 ml ergänzt. Diese Lösungen wurden mittels ICP-OES auf Schwermetalle analysiert.

Um Fehler zu minimieren, wurde eine Metallanalyse unter Verwendung von Rohlingen durchgeführt. Zur Qualitätssicherung wurden in der Regel Dreifachmessungen und Analysen verifizierter Referenzmaterialien für jedes Metall (Merck) gemäß ISO/IEC 17025 für die Laborakkreditierung einbezogen. Bei fünf verschiedenen Konzentrationen (1000, 500, 100, 50 und 25 µg/L) wurde ein Test zur Schwermetallrückgewinnung durchgeführt. Die typische relative Standardabweichung betrug < 5 %.

Zu Beginn wurden 10 g oder 10 ml Boden- oder Abwasserproben in Erlenmeyerkolben (150 ml Volumen) angereichert, die 90 ml Glukose-Nährmedium (enthaltend 10,0 g/L Glucose, 5,0 g/L Pepton und 3,0 g/L) enthielten Rindfleischextrakt und eingestellter pH-Wert auf 7,0) für 72 Stunden bei 30 ± 2 °C unter Verwendung von Schüttelkolben bei 150 U/min. Nach der Inkubation wurde das trübe Medium mit sterilisiertem destilliertem Wasser auf 10–5 verdünnt und auf einem verfestigten Glukose-Nährmedium, ergänzt mit 1000 mg/L Pb (NO3)2, subkultiviert. Verschiedene Kolonien wurden gepflückt, auf dem zuvor genannten Medium gereinigt und zur weiteren Untersuchung bei 4 °C gelagert22.

Unter Verwendung des von Khan et al.23 beschriebenen Ansatzes wurde das Glucose-Bouillon-Medium mit unterschiedlichen Pb2+-Konzentrationen versorgt (500, 1000, 1600, 1800, 2000, 2250, 2500, 2750, 3000 und 3250 mg/L). Ausgewählte Isolate wurden in das zuvor erwähnte Medium geimpft und 72 Stunden lang bei 30 ± 2 °C inkubiert. Nach der Inkubationszeit wurden 10-ml-Brüheproben aus Bakterienwachstumskulturen entnommen, um die optische Dichte (OD) des Wachstums mithilfe eines digitalen sichtbaren Spektrophotometers SV 1100 bei 620 nm zu berechnen. MTC ist die höchste Konzentration, bei der Bakterienisolate wachsen können, und MIC ist die niedrigste Konzentration, die das Bakterienwachstum vollständig verhindert.

Das Bakterium mit dem höchsten MHK-Wert für Pb(II) wurde ausgewählt und seine Resistenz gegenüber anderen gefährlichen Schwermetallionen mithilfe eines Multimetall-Resistenztests bewertet. Unter Verwendung der Glukosebrühe-Verdünnungsmethode wurde eine Resistenzforschung gegen Cr(VI), Cd(II), Zn(II) und Cu(II) durchgeführt. Das Wachstum metalltoleranter Bakterien wurde wie oben beschrieben untersucht.

Das aktivste Bakterienisolat (17OS) wurde anhand des morphologischen Erscheinungsbilds unter dem Mikroskop und der kulturellen und biochemischen Eigenschaften gemäß den von Vos et al.24 vorgeschlagenen Schlüsseln identifiziert. Die 16S-rRNA des 17OS-Isolats wurde mittels Polymerasekettenreaktion (PCR) unter Verwendung der folgenden Primer amplifiziert: 16S-F (vorwärts, 5′-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3′) und 16S-R (rückwärts, 5′-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3′25). Dies wurde durchgeführt, um die Identität des Bakterienstamms zu überprüfen. Jede 20-μl-PCR-Mischung enthält 10 μl von 2 Es Taq Master Mix, 1 μl Vorwärtsprimer und 1 μl Rückwärtsprimer. Die in der PCR-Programmierung enthaltenen Schritte waren wie folgt: Primäre Denaturierung für 15 Minuten bei 94 °C, sekundäre Denaturierung für 30 Sekunden bei 94 °C, Annealing für 1 Minute bei 56 °C, Verlängerung für 1 Minute bei 72 °C und abschließende Verlängerung für 5 Minuten bei 72 °C PCR-Produkte wurden mit einem DNA-Reinigungskit von Qiagen, Inc. (Valencia, CA, USA) gereinigt und mittels horizontaler Elektrophorese auf einem 1 %igen Agarosegel untersucht.

Unter Verwendung eines automatisierten DNA-Sequenziergeräts (Genanalysegerät Applied Biosystems 3130; Applied Biosystems Foster City, CA, USA) wurden die Vorwärts- und/oder Rückwärtsrichtungen eines gereinigten PCR-Produkts sequenziert. Um die Sequenzidentität zum GenBank-Beitritt zu bestimmen, wurde eine BLAST®-Analyse (Basic Local Alignment Search Tool) durchgeführt26. Die resultierende Sequenz wurde auf dem EzTaxon-e-Server gesprengt, woraufhin die Sequenzen der nächsten Nachbarn abgerufen und abgeglichen wurden und nachbarschaftsverknüpfende Bäume mithilfe des Bootstrap-Tests mit 1000 Replikationen erstellt wurden.

Bakterienbiomasse wurde durch Inokulation des 17OS-Isolats in ein Nährbrühemedium für 72 bis 96 Stunden bei 35 °C unter kontinuierlichem Rühren mit einer Geschwindigkeit von 130 U/min hergestellt. Nach der Inkubation wurde lebende Bakterienbiomasse durch 10-minütige Zentrifugation bei 10.000 U/min und 4 °C gesammelt, gefolgt von drei Wäschen mit sterilem Salzwasser. Lebende Bakterienbiomasse wurde gesammelt, bei Raumtemperatur in einer Laminar-Luftstrom-Haube getrocknet und bei 4 °C gehalten. Für tote Bakterienbiomasse wurden die Bakterien 20 Minuten lang bei 121 °C und 15 Pfund Druck autoklaviert, zentrifugiert und wie zuvor erwähnt gewaschen. Die tote Bakterienbiomasse wurde in einem Ofen bei 60 °C27 getrocknet.

Das Screening der wichtigsten Variablen, die die Pb2+-Entfernung durch Paenibacillus dendritiformis 17OS beeinflussen, wurde anhand eines IV-Designs mit minimaler Auflösung untersucht. Das statistische Softwarepaket Design-Expert Version 12 (Stat-Ease, Inc., Minneapolis, MN, USA) wurde verwendet, um die relative Bedeutung von Ernährungs- und Umweltfaktoren für die Pb2+-Entfernung durch den ausgewählten P. dendritiformis 17OS zu bestimmen. Sechs verschiedene Variablen (Pb2+-Konzentration, Zelltyp, pH-Wert, Temperatur, Rührgeschwindigkeit und Inkubationsdauer) wurden ausgewählt, um diesen Optimierungsprozess durchzuführen, wie in Tabelle 3 gezeigt. Alle Versuche wurden dreifach durchgeführt, und die Reaktion des Designs basierte auf durchschnittliche Ergebnisse. Die auf zwei Ebenen dargestellten Variablen waren die Pb2+-Konzentration (200 und 500 mg/L), der Zelltyp (lebende und tote Zellen) und die Temperatur (25 °C und 35 °C), während die auf vier Ebenen dargestellten Variablen der pH-Wert (5,5 und 7,0) waren ), Rührgeschwindigkeit (0 und 150 U/min) und Inkubationszeit (12 und 24 Stunden). Jede Zeile erläuterte einen Probelauf und jede Spalte erläuterte eine unabhängige Variable.

Das Design mit minimaler Laufauflösung IV basierte auf dem Modell erster Ordnung, das durch die folgende Gleichung (1) bestimmt wurde:

Dabei ist Y die Reaktion (Metallentfernung), B0 der Modellabschnitt und Bi die Variablenschätzung.

Statistische Analysen und grafische Darstellungen wurden mit Design-Expert Version 12 durchgeführt. Die Varianzanalyse (ANOVA) mittels Fisher-Test wurde verwendet, um die Auswirkung unabhängiger Variablen auf die Antwort zu ermitteln, und p < 0,05 identifizierte signifikante Ergebnisse. Der Mehrfachbestimmungskoeffizient (R2) und das angepasste R2 wurden als Qualitätsindikatoren zur Bewertung der Eignung der Gleichung erster Ordnung verwendet. Der Standardfehler (SE) des Konzentrationseffekts war die Quadratwurzel der Varianz eines Effekts, und das Signifikanzniveau (p-Wert) jedes Konzentrationseffekts wurde mithilfe des Student-t-Tests t (Xi) in Gleichung (1) bestimmt. (2):

wobei E(Xi) der variable Xi-Effekt ist.

Ein Box-Behnken-Design (CCD) wurde verwendet, um die Schlüsselvariablen nach einem IV-Design mit minimaler Auflösung zu optimieren, um die signifikanten Variablen für die Pb2+-Entfernung durch P. dendritiformis 17OS zu identifizieren. Die beiden Werte (niedrig und hoch) der vier ausgewählten unabhängigen Variablen wurden untersucht und Chargen von 29 Tests (Batch-Experimente) für das getestete Bakterium durchgeführt (Tabelle 4).

Die experimentellen Daten wurden mit Design-Expert Version 9.0.0 analysiert. Die unabhängigen Variablenwerte, die die theoretische maximale Reaktion in Gl. erzeugten. (3) waren optimal, indem die Gleichung innerhalb einer bestimmten Randbedingung maximiert wurde. Die Eliminierung von Pb2+ wurde als Reaktion (Y) identifiziert und eine Datenanalyse mithilfe mehrerer Regressionstechniken durchgeführt, um ein empirisches Modell zu erstellen, das die gemessene Reaktion mit den unabhängigen Faktoren verknüpft. Mithilfe der Polynomgleichung zweiter Ordnung wurde die Beziehung zwischen den unabhängigen Variablen und dem Ergebnis bestimmt [Gl. (3)].

Dabei ist Yi die vorhergesagte Reaktion, X1, X2 und Bedingungen.

Statistische Analysen und grafische Darstellungen wurden mit Design-Expert Version 9.0.0 durchgeführt. ANOVA durch den Fisher-Test wurde verwendet, um die Auswirkung unabhängiger Variablen auf die Reaktion abzuschätzen, und p < 0,05 identifizierte signifikante Ergebnisse. Der Mehrfachbestimmungskoeffizient (R2) und das angepasste R2 wurden als Qualitätsindikatoren verwendet, um die Fitness der Polynomgleichung zweiter Ordnung zu bewerten. Konturdiagramme (3D) und Antwortoberflächenkurven wurden verwendet, um die Beziehung und Interaktion zwischen den codierten Variablen und der Antwort zu ermitteln. Die optimalen Punkte wurden durch Lösen der aus dem endgültigen quadratischen Modell abgeleiteten Gleichung geschätzt.

Das Pb2+-toleranteste Bakterium wurde in PES eingeschlossen. Der Immobilisierungsprozess war wie folgt: PES wurde zunächst in einem organischen Lösungsmittel mit einer Konzentration von 20 % gelöst. Das beschallte P. dendritiformis 17OS wurde der oben genannten PES-Lösung in einem Anteil von 50 % zugesetzt und 180 Minuten lang gerührt. Die kombinierte Mikrobenlösung wurde auf eine 300 mm dicke Glasplatte gegossen. Diese Blätter wurden in hochreinem Wasser eingeweicht und gewaschen. Schließlich wurden die immobilisierten Biosorbentien verwendet, um Pb2+ aus einer wässrigen Lösung zu adsorbieren.

PES/Biosorbentien wurden in einen Erlenmeyerkolben mit einer Lösung von Pb-Ionen gegeben und bei 150 mg/L gerührt. Zur Herstellung der Pb-Lösung wurde Pb(NO3)2 verwendet. Das Trockengewicht der Biosorbentien betrug 0,5, 1, 1,5 und 2 g/L. Darüber hinaus wurde reines PES mit dem gleichen Trockengewicht als Kontrolle verwendet. Die anfängliche Pb(II)-Konzentration in den Adsorptionsversuchen betrug 200 mg/L.

Die Biosorption von Pb (%) wurde nach der Gleichung von Shetty und Rajkumar28 berechnet:

Dabei ist CI die anfängliche Metallkonzentration und CF die endgültige Metallkonzentration (Rest).

Die morphologischen und strukturellen Bilder der reinen PES-Membran und der immobilisierten Biosorbentien wurden mit einem Quanta FEG-250-Mikroskop bei einer Spannung von 20 kV nach der Goldplattierung bei einer Beschleunigungsspannung analysiert.

Die funktionellen Gruppen von Biosorbentien wurden mittels FTIR-Spektroskopie (JASCO FTIR 4100-Spektrometer, Japan) am Nationalen Forschungszentrum (Doki, Ägypten) identifiziert. Der zum Scannen der Spektren verwendete Frequenzbereich betrug 400 bis 4000 cm−1 (mit einer Auflösung von 4 cm−1 und 60 Scans).

Der Wasserkontaktwinkel war die Methode zur Untersuchung der Hydrophilie der Membran. Die Kontaktwinkelwerte wurden mit (SCA 20, OCA 15 EC) unter Verwendung der Sessile-Drop-Methode ermittelt. Das Volumen und die Kontaktzeit betrugen 10 μl bzw. 10 s, jeweils fünfmal für jede Membran.

Das Zetapotential (ζ) wurde durch dynamische und elektrophoretische Lichtstreuung (Particle Sizing Systems, Inc. Santa Barbara, Kalifornien, USA) bestimmt. 0,05 g Membranherstellungspulver wurden in 5 ml Lösungsmittel dispergiert.

Die Daten wurden statistisch mit der IBM® SPSS® Statistics-Software Version 19 auf der Grundlage des Duncan-Multiple-Range-Tests auf dem 5 %-Niveau29 ermittelt. Alle Analysen wurden dreifach durchgeführt.

Auf Agarmedium mit 1000 mg/L Pb (NO3)2 wurden 41 Bakterienisolate aus verschiedenen Abwässern und kontaminierten Bodenproben isoliert, die von EF-, OS-, GS- und SW-Standorten stammten.

Abbildung 2 zeigt die Verteilungszahl und den Prozentsatz der aus verschiedenen Quellen gesammelten Bakterienisolate nach 48-stündiger Inkubation bei 30 °C. Das EF-Abwasser enthielt die größte Anzahl Pb2+-toleranter Bakterienisolate (13 Isolate, was 32 % der Gesamtmenge entspricht), während 12, 9 und 7 Bakterienisolate (entsprechend 29 %, 22 % bzw. 17 %) isoliert wurden aus dem Boden von OS, GS bzw. SW.

Anzahl und prozentuale Verteilung bleitoleranter Bakterien aus verschiedenen kontaminierten Standorten. EF*: Elektrofabrik, OS: Öl- und Seifenunternehmen, GS: Tankstelle und SW: Boden in der Nähe von Abwasser.

Insgesamt 41 Isolate wuchsen auf dem Pb2+-Metall in einer hohen Konzentration von 1000 mg/L und konnten basierend auf dem Wachstumsgrad des Agarmediums (im Bereich von + bis + +) in vier Gruppen (schwach, mittel, hoch und sehr hoch) eingeteilt werden ++), wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Ergebnisse zeigten, dass zwei Bakterienisolate der Codes 8EF und 17OS eine sehr hohe Wachstumseffizienz (+ + + +) auf dem Pb2+-Metall aufwiesen, wodurch sie in die vierte Gruppe eingeordnet wurden. Darüber hinaus wurden 10 Isolate mit hoher Wachstumseffizienz (+ + +) und den Codes 7EF, 11EF, 18OS, 19OS, 22OS, 26GS, 28GS, 34GS, 36SW und 39SW in die dritte Gruppe eingeordnet, während 14 und 15 Isolate eine niedrige ( +) und mittlere (+ +) Wachstumseffizienz auf Pb2+ und wurden jeweils an erster und zweiter Stelle bewertet. Als Ergebnis wurden die effizientesten Pb2+-metalltoleranten Isolate (8EF und 17OS) für den folgenden Versuch ausgewählt.

Diese Ergebnisse stimmen mit Helmy et al.30 überein, die herausfanden, dass 100 der 123 Bakterienisolate Wachstum auf Agarplatten mit Schwermetallionen zeigten und ihre positiven Ergebnisse je nach Wachstumsdichte zwischen (+) und (+ + + +) lagen. die von sehr niedrig bis hoch reichte. Darüber hinaus zeigten Abd El Hameed et al.31, dass von 26 Pilzisolaten 18 Isolate Wachstum auf mit Metallionen angereicherten Agarplatten zeigten und positive Ergebnisse zeigten (+).

Die ausgewählten Isolate 8EF und 17OS wurden auf einem Brühenmedium gezüchtet, das Pb2+-Metall in Konzentrationen von 500 bis 3250 mg/L enthielt. Abbildung 3A zeigt die Fähigkeit der ausgewählten Isolate 8EF und 17OS, unterschiedliche Pb2+-Metallkonzentrationen über einen Inkubationszeitraum von 48 Stunden zu tolerieren, und das Wachstum (ausgedrückt als OD) lag im Bereich von 0,325 bis 0,024 bzw. 0,923 bis 0,021. Das 17OS-Isolat zeigte einen MTC-Wert von 3000 mg/L mit einem MHK-Wert von 3250 mg/L, während das 8EF-Isolat einen MTC-Wert von 2750 mg/L mit einem MHK-Wert von 3000 mg/L erreichte.

Wachstumsdichte (OD) von 8EF- und 17OS-Isolaten, beeinflusst durch Bleikonzentrationen (A) und 17OS-Isolat, beeinflusst durch Multimetallkonzentrationen (Zn+2, Cd+2, Cr+6 und Cu+2) von (B). ). a,bWerte mit kleinen Buchstaben über derselben Zeile und unterschiedlichen hochgestellten Zeichen sind der signifikante Unterschied (bei p ≤ 0,05). Standardabweichungsbalken.

Ähnliche Ergebnisse kamen von Mohapatra et al.32, die zeigten, dass das PbRPSD202-Isolat eine hohe Toleranz gegenüber Pb(II) (2150 mg/L) mit einem MHK-Wert von 2200 mg/L aufwies. Im Gegensatz dazu berichteten Abd El Hameed et al.31, dass die getesteten Pilzisolate auf einem Nährmedium wachsen konnten, das mit unterschiedlichen Pb2+-Konzentrationen und einem MTC von 150 mg/L ergänzt war. Darüber hinaus beobachteten El-Meihy et al.33, dass die drei Isolate von UR25, UR27 und MR98 auf einem mit Cd2+ ergänzten Medium bei einem MTC von 1500 mg/L wuchsen und bei einem MHK-Wert von 2000 m/L gehemmten, wohingegen MR99 , MR100- und MR108-Isolate wuchsen mit einem MTC von 2000 mg/L Cd2+ und inhibierten bei einem MHK-Wert von 2500 mg/L. Aus diesen Ergebnissen wurde das 17OS-Isolat als bestes Isolat für weitere Untersuchungen ausgewählt, das eine hohe Toleranz gegenüber Pb2+-Metall in hoher Konzentration aufwies. Sanket et al.34 schlugen vor, dass einheimische Bakterien verschiedene Mechanismen durchlaufen, um Bleikonzentrationen zu tolerieren. Zu diesen Mechanismen gehören der Ausfluss von Metall, die enzymatische Umwandlung, die Verringerung der Empfindlichkeit zellulärer Ziele, der Ausschluss von Permeabilitätsbarrieren und die zelluläre Sequestrierung. Darüber hinaus fanden Das et al.35 heraus, dass Bakterienstämme durch wiederholte Exposition gegenüber Metallverunreinigungen ein Resistenzsystem gegen Metalltoxizität entwickeln können.

Da das Verständnis der Belastungstoleranz gegenüber verschiedenen Schwermetallen eine Voraussetzung für die Untersuchung der Biosorption ist, wurde das ausgewählte Isolat 17OS auf seine Multimetallresistenz (Zn2+, Cd2+, Cr6+ und Cu2+) bei verschiedenen Konzentrationen der getesteten Schwermetalle untersucht (Abb. 3B). Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass dieses Isolat in einem Nährmedium, das mit Konzentrationen von 500 bis 2000 mg/l Zn2+, Cd2+, Cr6+, bzw. Cu2+. Somit verträgt das 17OS-Isolat Multimetalle in einer hohen Konzentration, die 2000 mg/L erreicht. In diesem Zusammenhang zeigten Helmy et al.30, dass die Bakterienisolate hohe Konzentrationen verschiedener Schwermetalle (Al3+, Zn2+, Cr5+ und Ni2+) bis zu 17,76, 224,03, 70,4 bzw. 1952 mg/L tolerierten. Mohapatra et al.32 fanden außerdem heraus, dass Bacillus xiamenensis hohe Cd(II)-, Cr(VI)-, As(III)-, Ni(II)-, Cu(II)- und Zn(II)-Konzentrationen von bis zu 500, 3000 toleriert , 150, 100, 150 bzw. 50 mg/L.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass niedrige Pb2+-Konzentrationen (500 mg/l) das Bakterienwachstum stimulieren, was möglicherweise mit der Schwermetallaufnahme durch Zellen zusammenhängt. Die Zelle akkumuliert zunächst Metall und anschließend erfolgt eine Mineralisierung, um ungiftige Metalle zu erzeugen36. Metalle wie Kupfer und Zink sind für Bakterien essentiell, da sie in relativ geringen Konzentrationen die notwendigen Cofaktoren für einige Proteine ​​und Enzyme bereitstellen37. Allerdings kann die hohe Konzentration anderer Metalle wie Pb2+ das Bakterienwachstum erheblich behindern. Hu et al.38 erzielten ähnliche Ergebnisse.

Das wirksamste Isolat (17OS) wurde bis zur Gattung anhand phänotypischer (kultureller, morphologischer und physikalisch-chemischer) Merkmale identifiziert24. Dieses Isolat wurde als Paenibacillus klassifiziert, das stäbchenförmig, grampositiv, beweglich und aerob wirkte; ergab eine positive Reaktion von Katalase, Lipase und Amylase; und wuchs bei Temperaturen von 5 bis 55 °C und pH-Werten von 7 bis 9,5 sowie in Gegenwart von 2 bis 6 % NaCl. Darüber hinaus wurde diese Gattung durch molekulare Identifizierung unter Verwendung von 16S-rRNA als P. dendritiformis 17OS mit 100 % Ähnlichkeit bestätigt und in der GenBank unter der Zugangsnummer ON705726.1 hinterlegt. Abbildung 4. zeigt einen phylogenetischen Baum zwischen dem ausgewählten Stamm und anderen Stämmen. In diesem Zusammenhang isolierten Sridevi und Raghuram39 P. dendritiformis aus kontaminiertem Boden und hinterlegten es in der GenBank unter der Zugangsnummer MK100387. Dieses Isolat zeigte bei seinem optimalen pH-Wert eine hohe Toleranz gegenüber drei Metallen (Pb > Zn > Cu). Darüber hinaus können Mikroorganismen wie Bacillus sp. PZ-1 und Pseudomonas sp. Es wurde festgestellt, dass 13 Pb(II) aus Abwasser adsorbieren40.

Phylogenetischer Baum, erstellt unter Verwendung von 16S-rDNA-Sequenzen des 17OS-Isolats unter Verwendung der Neighbor-Joining-Methode (Evolutionsanalysen wurden mit MEGA7 durchgeführt).

Die wichtigsten Faktoren wurden mithilfe der experimentellen Entwurfsmatrix mit minimaler Laufauflösung IV überprüft. Tabelle 3 zeigt eine große Variation im Wert der Pb2+-Metallentfernung durch den Stamm 17OS, die in einem 14-Lauf-Versuch zwischen 198,2 und 498,6 mg/L lag. Der maximale Pb2+-Metallentfernungswert (498,6 mg/L) wurde in einer Laufzahl von 11 mit niedrigem pH-Wert (5,5), abgestorbenen Zellen (6,8 g/L), Inkubationszeit (24 Stunden) und hohen Temperaturen erreicht Temperatur (35 °C), Metallkonzentration (500 mg/L) und Rührgeschwindigkeit (150 U/min), während der niedrigste Pb2+-Metallentfernungswert (198,2 mg/L) in einer Laufnummer von 14 mit niedrigen Temperaturniveaus aufgezeichnet wurde Temperatur (25 °C), Metallkonzentration (200 mg/L) und tote Zellen (6,8 g/L) sowie hohe pH-Werte (7), Inkubationszeit (48 Stunden) und Rührgeschwindigkeit (150 U/min). . Der Einfluss unabhängiger Faktoren auf die Reaktion wurde mithilfe der ANOVA durch den Fisher-Test bewertet und signifikante Ergebnisse wurden durch p < 0,05 angezeigt. Die Fähigkeit des 17OS-Isolats, Pb2+-Metall zu entfernen, wird durch den F-Wert des Modells von 2697,84 demonstriert, wie in Tabelle 3 aufgeführt. Im Allgemeinen wird eine hohe Signifikanz des zugehörigen Koeffizienten durch einen größeren F-Wert und einen kleineren p-Wert angezeigt41. Der Faktor mit dem höchsten F-Wert gilt als der Beste und erhält die höchste Bewertung. Die Faktoren wurden in der folgenden Reihenfolge basierend auf den F-Werten bewertet (Tabelle 3): Metallkonzentration, Rührgeschwindigkeit, Temperaturniveau, Zellen und pH-Wert. Ein großer Koeffizient für eine Variable (positiv oder negativ) weist auf einen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis hin. Ein positives Vorzeichen der Wirkung der getesteten Variablen weist auf einen höheren Einfluss der Variablen auf die Entfernung hin, während ein negatives Vorzeichen auf einen geringeren Einfluss der Variablen hinweist. Die Analyse der Regressionskoeffizienten von sechs Faktoren bestätigte, dass sich die Metallkonzentration und die Temperatur positiv auf die Pb2+-Entfernung auswirkten, während sich Rührgeschwindigkeit, Inkubationszeit, Zellen und pH-Wert negativ auf die Pb2+-Entfernung auswirkten. Die entsprechenden Wahrscheinlichkeitswerte (p-Werte) geben die Signifikanz jedes Koeffizienten an. Tabelle 3 zeigt, dass vier Faktoren signifikant sind (p < 0,001), was auf die Signifikanz des Modells schließen lässt: Temperaturgrad (p = 0,032), Metallkonzentration (p = 0,005), Inkubationszeit (p = 0,027) und Rührgeschwindigkeit (S = 0,027). Der SE aller Variablen betrug 1,08.

Die statistische Analyse (Tabelle 3) zeigte, dass die Standardabweichung und der Mittelwert 3,54 bzw. 332,73 betrugen. Mit ausreichender Präzision wird das Signal-Rausch-Verhältnis gemessen, und das Verhältnis betrug 146,19, was > 4 war; es war wünschenswert und deutete auf ein ausreichendes Signal hin. Die Daten zeigten außerdem, dass das R2 hochbestimmt war (1,00), was bedeutet, dass das Modell 100 % der Gesamtvariation erklärte und das vorhergesagte R2 von 0,96 in angemessener Übereinstimmung mit dem angepassten R2 von 0,99 war. Daher waren die tatsächlichen Werte mit den vorhergesagten Werten kompatibel, was darauf hindeutet, dass die Daten gut mit dem Modell übereinstimmten (Abb. S1).

Anhand der Ergebnisse wurde eine Regressionsanalyse durchgeführt und die Polynomgleichung erster Ordnung abgeleitet [Gl. (5)].

Der Ein-Faktor und die Wechselwirkung zwischen Zwei-Faktor-Plots wurden auch systematisch in einem optimalen kundenspezifischen Design für die beste Biomasseproduktion geschätzt, die durch Modelle in den ergänzenden Abbildungen demonstriert wurde. S2 und S3. Die Wechselwirkung zwischen Faktoren, die durch zwei nicht parallele Linien aufgedeckt werden, trat auf, wenn ein anderer Faktor einen Faktor beeinflusste. Obwohl sie nicht interagierten, wurden die Faktoren in parallelen Linien dargestellt.

Im Allgemeinen handelt es sich bei der Biosorption um einen exothermen Prozess; Daher nimmt die Metalladsorption an Biomasse mit steigender Temperatur ab42. Dharanguttikar43; Wang und Chen44 berichteten, dass die Temperaturänderung mehrere Faktoren beeinflusst, beispielsweise die Stabilität von Metallionen in der Lösung, die Zellwandkonfiguration von Mikroorganismen und die Ionisierungsenergie des Metall-Biomasse-Komplexes. Darüber hinaus untersuchten Wang und Chen44 die Biosorptionskapazität toter und lebender Biomasse. Diese Studie zeigte, dass tote Biosorbentien bei ausgewählten wichtigen experimentellen Parametern eine höhere Biosorptionseffizienz oder -fähigkeit aufweisen als die entsprechenden lebenden Zellen.

Die wichtigsten Faktoren (Temperaturgrad, Metallkonzentration, Inkubationszeit und Rührgeschwindigkeit) wurden aus einem experimentellen Design mit minimaler Laufauflösung IV ausgewählt und maximierten die Pb2+-Metallentfernung durch 17OS-Belastung durch Reaktionsoberflächenmethode unter Verwendung des Box-Behnken-Designs. Die Designmatrix der getesteten Variablen basierte auf 29 Versuchsläufen und den Versuchsergebnissen (Tabelle 4). Die Ergebnisse zeigten, dass Versuchslauf Nr. 22 die Metallentfernung auf 500 mg/l steigerte, und zwar mit Kombinationen aus Temperatur (40 °C), Metallkonzentration (600 mg/l), Inkubationszeit (18 Stunden) und Rührgeschwindigkeit (150 U/min). wohingegen die niedrigste Metallentfernung, die im Versuchslauf Nr. 2 erreicht wurde, 395 mg/L bei Kombinationen aus Temperatur (37,5 °C), Metallkonzentration (500 mg/L), Inkubationszeit (12 Stunden) und Rührgeschwindigkeit (125 U/min) betrug. .

Tabelle 4 zeigt, dass der Modell-F-Wert von 31,95 impliziert, dass das Modell für die Pb2+-Metallentfernung durch den 17OS-Stamm signifikant ist (p < 0,0001). Einzelne Terme der Metallkonzentration (B) und Rührgeschwindigkeit (D) sowie Interaktionsterme von AB, AC, BC, BD und CD waren signifikante Modellterme (p < 0,05). Darüber hinaus waren die quadratischen Werte A2, B2, C2 und D2 signifikant. Die Standardabweichung und der Mittelwert betrugen 5,5 und 462,17. Mit ausreichender Präzision wird das Signal-Rausch-Verhältnis gemessen. Das Verhältnis betrug 26,30, was signifikanter als 4 war; es war wünschenswert und deutete auf ein ausreichendes Signal hin. Die Daten zeigten auch, dass das R2 hochbestimmt war (0,97), was bedeutet, dass das Modell 97 % der Gesamtvariation erklärte und das vorhergesagte R2 von 0,86 mit der angepassten R2-Übereinstimmung von 0,94 angemessen war (hohe Korrelation; Abb. S4). Der Unterschied betrug < 0,2. Der angepasste Bestimmungskoeffizient bezieht sich auf den Anteil der Variation in der Antwort, die durch das Regressionsmodell erklärt wird. Die Daten wurden mithilfe einer multiplen Regressionsanalyse analysiert, um ein empirisches Modell für die beste Reaktion zu erhalten und eine Polynomgleichung zweiter Ordnung abzuleiten [Gl. (6)].

wobei A Temperaturgrad, B Metallkonzentration, C Inkubationszeiten und D Rührgeschwindigkeit.

Dreidimensionale Reaktionsoberflächen- und zweidimensionale Konturdiagramme wurden grafisch auf der Modellgleichung basiert, um die Wechselwirkung zwischen Variablen zu erklären und das optimale Niveau jedes Faktors für die Pb2+-Metallentfernung durch 17OS-Belastung zu bestimmen, wie in Abb. 5A–F dargestellt. Abbildung 5A zeigt das Reaktionsflächendiagramm basierend auf unabhängigen Variablen (z. B. Temperaturgrad und Metallkonzentration), wobei die andere unabhängige Variable auf Null gehalten wird. Abbildung 5A zeigt ein Wechselwirkungsverhalten mit einem negativen Haupteffekt (-6,90) von Temperaturgrad und Metallkonzentration, was darauf hindeutet, dass eine Verringerung des Temperaturgrads und der Metallkonzentrationswerte zu einer hohen Pb2+-Entfernung führte. Eine ähnliche Reaktionskurve in Abb. 5B zeigt, dass die Wechselwirkung zwischen Temperaturgrad und Inkubationszeit mit einem negativen Haupteffekt (− 14,83) und der anderen unabhängigen Variablen auf dem Nullniveau gehalten wurde, um eine maximale Pb2+-Entfernung zu erreichen. In Abb. 5C wurde die Wechselwirkung zwischen Temperaturgrad und Rührgeschwindigkeit mit einem positiven Haupteffekt (1.15) und der anderen unabhängigen Variablen auf dem Nullniveau gehalten. Die maximale Pb2+-Entfernung wurde mit einem positiven Haupteffekt der Temperatur und der Rührgeschwindigkeit bei hohen Konzentrationen erreicht. Die Metallkonzentration war auch an einer wechselseitigen Wechselwirkung mit der Inkubationszeit beteiligt (Abb. 5D), ihr Haupteffekt blieb jedoch negativ (-32,25). Abbildung 5D zeigt die 3D-Kurve mit einem negativen Haupteffekt der Metallkonzentration und der Inkubationszeit, wobei die andere unabhängige Variable auf dem Nullniveau gehalten wird.

Dreidimensionale Reaktionsoberfläche und zweidimensionale Konturdiagramme der Pb2+-Metallentfernung durch 17OS-Stamm, die variable Wechselwirkungen von (A) Temperaturgrad vs. Metallkonzentration, (B) Temperaturgrad vs. Inkubationszeiten, (C) Temperaturgrad vs. Rührgeschwindigkeit zeigen , (D) Metallkonzentration vs. Inkubationszeiten, (E) Metallkonzentration vs. Rührgeschwindigkeit und (F) Inkubationsperioden vs. Rührgeschwindigkeit.

Darüber hinaus zeigt Abb. 5E, dass die Interaktion mit einem negativen Haupteffekt (− 13,02) aufgezeichnet wurde, als die andere unabhängige Variable auf Null gehalten wurde. Darüber hinaus zeigt Abb. 5F, dass die Wechselwirkung zwischen Inkubationszeit und Rührgeschwindigkeit ein positiver Haupteffekt war (10,45) und beide Variablen positive Haupteffekte waren. Die höchste Entfernung wurde bei hoher Inkubationszeit und Rührgeschwindigkeit erreicht.

Diese Ergebnisse stimmen mit Aslam et al.45 überein, die berichteten, dass der Prozentsatz der Bleiakkumulation durch Stenotrophomonas sp. MB339 nahm mit steigender Temperatur bis zu 45 °C schnell ab, da die Temperatur bekanntermaßen die Stabilität der Zellwand und ihre Konfiguration verändert. Im Gegenteil, Banerjee et al.46 schlugen vor, dass höhere Temperaturen häufig die Stoffwechselaktivität und die Systemenergie erhöhen, was zur aktiven Aufnahme von Metallen beitragen würde. Darüber hinaus zeigten Ozdemir et al.47, dass die Biosorption von Metallen ein energieunabhängiger Mechanismus ist, sodass die Temperatur der Biosorption im Vergleich zur Wirkung anderer physikalisch-chemischer Faktoren weniger signifikant war.

Viele Validierungsversuche wurden im experimentellen Bereich durchgeführt, der durch die Fakultätspunkte (xi im Bereich zwischen – 1 und + 1) begrenzt ist, um die Vorhersagekraft des konstruierten Modells zu untersuchen. Die einzigartige Funktion „Punktvorhersage“ des RSM-Tools wurde verwendet, um den optimalen Wert der Kombination der vier Parameter für einen maximalen Metallabtrag zu bestimmen. Die tatsächlichen Werte der Pb2+-Metallentfernung durch den Stamm 17OS (520,00 mg/L) stimmten gut mit den vorhergesagten Werten (512,61 mg/L) überein und lagen innerhalb der 95 %-Konfidenzvorhersageintervalle, was das oben dargestellte Modell weiter bestätigt. Es wurden die vorhergesagten Idealbedingungen gefunden: Temperatur 40 °C; Metallkonzentration: 600 mg/L; Inkubationszeiten: 18 Stunden; und Rührgeschwindigkeit 150 U/min. Darüber hinaus war die sequentielle Optimierungstechnik daran interessiert, die Pb2+-Entfernung mithilfe des Box-Behnken-Designs im Vergleich zum experimentellen Design mit minimaler Laufauflösung IV um 4,29 % zu erhöhen. Darüber hinaus wurde das Box-Behnken-Design (BBD), eine Response-Surface-Methode (RSM), verwendet, um die Biosorption von Pb-Metall zu optimieren. Die sechs Hauptfaktoren; pH-Wert, Biosorbens-Dosierung und Metallkonzentration wurden optimiert, um die Metalle effizient zu entfernen48.

PES verfügt über gute chemische und mechanische Eigenschaften; Daher wird es bei der Membranherstellung zur Wasseraufbereitung verwendet49. Die Menge der eliminierten Pb2+-Ionen wurde erheblich durch die Menge des verwendeten Biosorbens beeinflusst50. In diesem Experiment betrug die anfängliche Pb2+-Ionenkonzentration 200 mg/L und das Trockengewicht der Biosorbentien oder des reinen PES betrug 0,5 bis 2 g/L. Die Entfernungsrate von Pb2+-Ionen von 0,5 bis 2 g für reines PES entsprach in etwa der niedrigsten Entfernungsrate und erreichte nur 23 % (Abb. 6A). Im Gegensatz dazu nahm mit zunehmender Dosierung des Biosorbens die Geschwindigkeit der Pb2+-Ionenadsorption zu, wie in Abb. 6B dargestellt. Bei einer Erhöhung der Biosorbens-Dosierung von 0,5 auf 1,5 g/L stieg die Eliminationsrate von 72 auf 98 %. Dieses Vorkommnis wurde auf erhöhte Adsorptionsstellen auf der Oberfläche des Biosorbens zurückgeführt51. Die Entfernungsrate von Pb-Ionen wurde auch durch die Adsorptionsdynamik erhöht, die durch unterschiedliche Konzentrationsgradienten erzeugt wurde.

Einfluss der Beladungsdosis auf die Adsorption von Pb2+-Ionen. (A) reines PES (B) PES/Biosorbentien. Divisionsleiste Satandard.

Wenn jedoch die Dosierung des Biosorbens auf 2 g/L erhöht wurde, verringerte sich die Entfernungsrate der Pb-Ionen auf 85 %, wie in Abb. 6B gezeigt, da sich durch die Erhöhung der Biosorbens-Dosierung die Wiedervereinigung des Adsorptionsmittels überlappte und die Anzahl verringerte von zugänglichen Adsorptionsstellen und eine Verringerung der Entfernungsrate52. Eine andere Erklärung war, dass die Biosorbent-Dosierung stetig erhöht wurde, während die Anzahl der Biosorbent-Stellen nicht die Sättigung erreichen konnte. Der Biosorbens-Nutzungskoeffizient sank. Die Entfernungsrate wurde aufgrund der abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den Adsorptionsstellen und der erhöhten elektrostatischen Wechselwirkung ebenfalls verringert53. Somit wurde die Entfernung von Pb2+-Ionen deutlich verbessert, wenn P. dendritiformis 17OS als Biosorbens verwendet wurde.

Abbildung 7A–D zeigt die Querschnitte von reinen PES-Membranen und PES/Biosorbentien. Der Querschnitt von reinem PES hat eine fingerartige Form. Bakterien sind gleichmäßig in der Polymermatrix über die gesamte Membran verteilt, was zu größeren Poren als bei reinen PES-Membranen führt. Das Einbeziehen von P. dendritiformis 17OS in die PES-Spinnlösung beschleunigt die Phaseninversion, was zur Bildung größerer Löcher in PES/Biosorbentien führt. Darüber hinaus sind die Hautschichten auf der Oberseite von PES/Biosorbentien im Vergleich zu reinen PES-Membranen glatter. Die Struktur von PES/Biosorbentien führt zu einer größeren Adsorptionskapazität im Vergleich zu einer reinen PES-Membran. Aus dem Einschub der Oberflächenbilder geht hervor, dass die Porengröße der modifizierten PES-Membranen mit Bakterienzellen von 0,21 auf 0,78 µm erhöht wurde.

REM-Bilder für die vorbereiteten Biosorbentien, (A) die innere Struktur des leeren PES, (B) die Oberflächenstruktur des PES, (C) die innere Struktur des immobilisierten Biosorbents und (D) die Oberflächenstruktur des immobilisierten Biosorbents .

Die Biosorbentien wurden mittels FTIR-Spektroskopie analysiert, wie in Abb. 8 dargestellt. Die charakteristischen Peaks wurden bei 1196, 1495 und 1814 cm−1 gefunden, und dieses Phänomen verdeutlichte, dass die Oberfläche funktionelle Gruppen wie P–O, – aufwies. COOH und C=O nach Immobilisierung54. Für das leere PES wurde die charakteristische Bande für die Sulfonierungsgruppe bei 1141 und 1244 cm−1 beobachtet. Darüber hinaus war der Peak bei 1657 cm-1 auf die aromatische In-Plane-Ringbiegestreckschwingung für das leere PES zurückzuführen.

FT-IR-Spektrum von reinem PES, Paenibacillus dendritiformis 17OS und immobilisierten Biosorbentien.

Der Wasserkontaktwinkel ist ein Test zur Bestätigung der hydrophilen Natur der immobilisierten Membran. Wie in Tabelle 5 gezeigt. Die Oberflächeneigenschaften der immobilisierten PES-Membran wurden verändert und wurden hydrophiler. Die Biosorbentien waren in der Lage, die Membranhydrophobie des reinen PES zu reduzieren. Der Kontaktwinkel verringerte sich von 61 Grad für PES auf 30,4 für die Immobilisierten. Dies ist auf die Zusammensetzung der Biosorbentien und das Vorhandensein der funktionellen Gruppen wie P–O, –COOH, C=O –OH und –NH auf der Oberfläche zurückzuführen.

Die Oberflächen-ζ-Werte der reinen PES-Lösung betrugen 4,2 mV und die Lösungszusammensetzung für PES/Biosorbentien wies aufgrund der Carboxylsäuregruppen der Biosorbentien einen negativen f-Wert der Außenoberfläche (-9,10 mV) auf. Offensichtlich wurde durch die Beladung der Biosorbentien mit PES-Lösung ein hoher negativer ζ-Wert erreicht. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die negativ geladenen Eigenschaften immobilisierter Membranen durch den Einbau von Biosorbentien in die PES-Lösung verbessert wurden. Daher wird der Adsorptionsmechanismus auf die elektrostatische Anziehung (Physikosorption) zwischen PES/Biosorbentien-Membranen und Bleiionen zurückgeführt.

Die Pb(II)-Ionen-Adsorptionsisothermen und die Pb(II)-Adsorptionskapazität für PES/Biosorbens sind in Abb. 9 dargestellt. Zwei der Adsorptionsisothermenmodelle wurden verwendet, um das interaktive Verhalten zwischen Adsorbentien und Schwermetallen zu beschreiben. Das Wechselwirkungsverhalten zwischen Adsorbens und Adsorbat kann durch Anwendung der gut etablierten grundlegenden Isothermenmodelle von Langmuir und Freundlich abgeschätzt werden. Das Langmuir-Isothermenmodell repräsentiert die Monoschichtadsorption und das Freundlich-Isothermenmodell repräsentiert die Mehrschichtadsorption. Das PES/Biosorbens zeigte eine maximale Adsorptionskapazität von 144 mg g−1 für Pb(II) bei neutralem pH. Es zeigt, dass das PES/Biosorbens bei neutralem pH eine deutlich höhere Adsorptionskapazität für Pb(II)-Ionen aufweist. Die Adsorptionsisothermen von Pb(II) waren gut bekannt. Langmuir- (Gleichung 7) und Freundlich-Isothermenmodelle (Gleichung 8) werden verwendet, um die Adsorptionsgleichgewichtsdaten zu erhalten, die wie folgt ausgedrückt werden können.

Dabei ist Ce die Konzentration (mg/L) im Gleichgewicht, qe die Menge der adsorbierten Bleiionen (mg/g) im Gleichgewicht, \(q_{max}\) (mg/g) und b (L/mg). die Langmuir-Konstanten, die mit der Adsorptionsgrenze bzw. der Adsorptionsenergie identifiziert werden.

wobei KF stabil ist und als die mit der Bindungsenergie identifizierte Adsorption oder Verteilung charakterisiert wird, erklärt es die Menge der auf der Adsorptionsmitteloberfläche adsorbierten Ionen (mg/g), die einen Anteil der Adsorptionsgrenze darstellt. Eine Auftragung von ln qe gegen ln Ce ermöglichte eine gerade Linie mit einer Steigung gleich (1/n) und einem Achsenabschnitt gleich ln KF.

Adsorptionsisothermenmodelle (A) Diagramm von qe und Ce für lineares Langmuir. (B) Diagramm von log qe und log Ce für lineares Freundlich.

Die Werte deuten darauf hin, dass das Freundlich-Modell eine gute Anpassung aufweist und einen höheren Regressionskoeffizientenwert aufweist als das Langmuir-Modell. Die Adsorption von Pb(II) auf PES/Biosorbens passt besser zum Freundlich-Isothermenmodell, was auf einen mehrschichtigen Adsorptionsmechanismus hinweist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass P. dendritiformis 17OS aus einer OS-kontaminierten Stelle isoliert wurde und eine hohe Pb2+-Metallkonzentration im Wachstumsmedium tolerieren konnte. Es kann auch gegenüber Multimetallen in hohen Konzentrationen beständig sein. Die Fähigkeit dieses Stamms zur Pb2+-Metallentfernung wurde verbessert, nachdem die Wachstumsparameter Temperatur, pH-Wert, Pb2+-Konzentration, Zelltyp, Rührgeschwindigkeit und Inkubationszeit mithilfe eines statistischen Designexperiments optimiert wurden, bei dem die Pb2+-Metallentfernung um ~ erhöht wurde 4,29 %. P. dendritiformis 17OS wurde angewendet, um 200 mg/L Pb2+ aus Wasser zu entfernen, indem dieser Stamm auf PES immobilisiert wurde. Das neue Biosorbens erreichte im Vergleich zu reinem PES eine hohe Entfernungsrate von Pb2+ von 98 %, was bestätigt, dass das Biosorbens für den Adsorptionsprozess verantwortlich ist. Bakterielle Biomasse besaß die PES-Membran adsorbierende und hydrophile Eigenschaften. Diese neuartigen Biosorbentien lassen sich leicht aus wässrigen Lösungen abtrennen und können wiederverwendet werden. Daher konnte festgestellt werden, dass das P. dendritiformis 17OS-Isolat hinsichtlich der Entfernung von Schwermetallen umweltfreundlich zu sein schien.

Der in der aktuellen Studie verwendete und analysierte Datensatz wird im Manuskript vorgestellt. Die während der jüngsten Forschung generierten und analysierten Sequenzierungsdaten sind in der NCBI Sequence Read Archive-Datenbank https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/On705726.1, Zugangsnummer: ON705726, verfügbar.

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Die Autoren möchten der Fakultät für Naturwissenschaften der Benha-Universität, dem Nationalen Wasserforschungszentrum, dem Wüstenforschungszentrum, der Landwirtschaftsfakultät der Ain-Shams-Universität und dem Nationalen Forschungszentrum in Ägypten ihren Dank für ihre Unterstützung und Zusammenarbeit aussprechen. und Dienstleistungen bei der Durchführung der experimentellen Studien.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für Botanik und Mikrobiologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Benha-Universität, Benha, 13518, Ägypten

Ghada E. Dawwam, Nehad M. Abdelfattah und Mohamed O. Abdel-Monem

Zentrallabor für Umweltqualitätsüberwachung, Nationales Wasserforschungszentrum, Elkanatir, 13621, Ägypten

Hossam S. Jahin

Abteilung für Bodenfruchtbarkeit und Mikrobiologie, Desert Research Center, El-Matareya 11753, Kairo, Ägypten

Amal M. Omer

Abteilung für Agrarmikrobiologie, Fakultät für Landwirtschaft, Ain Shams University, Hadayek Shubra 11241, PO Box 68, Kairo, Ägypten

Khadiga A. Abou-Taleb

Abteilung für Wasserverschmutzungsforschung, Nationales Forschungszentrum, Forschungsinstitut für Umwelt und Klimawandel, Dokki, Kairo, Ägypten

Eman S. Mansor

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GED, MOA, AMO, KAA und ESM Konzeptualisierung und Supervision; GED, NMA, HSJ und ESM führten das Experiment durch; GED, ESM und KAA haben die ursprüngliche Entwurfsvorbereitung verfasst, GED, KAA, MOA, ESM und AMO haben die Rezension und Bearbeitung verfasst. Alle Autoren haben die Version des Manuskripts gelesen, überprüft und der Veröffentlichung zugestimmt.

Korrespondenz mit Ghada E. Dawwam.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Dawwam, GE, Abdelfattah, NM, Abdel-Monem, MO et al. Ein immobilisiertes Biosorbens aus abgestorbenen Zellen von Paenibacillus dendritiformis und Polyethersulfon zur nachhaltigen Bioremediation von Blei aus Abwasser. Sci Rep 13, 891 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27796-w

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Eingegangen: 09. November 2022

Angenommen: 09. Januar 2023

Veröffentlicht: 17. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27796-w

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