DOI: https://doi.org/10.1007/s10532-025-10131-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40323541
تاريخ النشر: 2025-05-05
المؤلف: Adharsh Rajasekar وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطبيقات الميكروبية في مواد البناء
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات البكتيريا المنتجة لليوراز في معالجة تلوث المعادن الثقيلة في أنظمة المياه العذبة الحضرية. ركزت الدراسة على ثلاثة سلالات بكتيرية—Bacillus subtilis HMZC1 (B2)، Bacillus sp. HMZCSW (B6)، وComamonas sp. HMZC (B11)—التي تم اختبارها لمقاومتها للزنك ($\text{Zn}^{2+}$)، والكادميوم ($\text{Cd}^{2+}$)، والنيكل ($\text{Ni}^{2+}$) بتركيزات تصل إلى 6 مليمول. أظهرت النتائج أن B2 وB6 وB11 يمكن أن تبقى على قيد الحياة عند تركيزات أعلى (4 مليمول و6 مليمول)، حيث حققت جميع السلالات الثلاثة أكثر من 93% من إزالة المعادن الثقيلة خلال 72 ساعة. ومن الجدير بالذكر أن Comamonas sp. HMZC أظهرت أعلى كفاءة، خاصة في إزالة الكادميوم، حيث وصلت إلى أكثر من 95% عند 6 مليمول.
كما أثبتت الدراسة أن الرقم الهيدروجيني الأمثل لترسيب الكربونات الناتج عن الميكروبات (MICP) كان 7، مما يعزز تحلل اليوريا وإزالة المعادن الثقيلة. كشفت التحليلات الإحصائية عن اختلافات كبيرة في كفاءات الإزالة بين السلالات، خاصة بالنسبة لـ $\text{Cd}^{2+}$ و$\text{Zn}^{2+}$ عند 4 مليمول (p < 0.05). أكدت تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) تشكيل واستقرار كربونات المعادن الثقيلة، مما يدعم الجدوى طويلة الأجل لهذا النهج في المعالجة البيئية. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية البكتيريا المنتجة لليوراز، وخاصة Comamonas sp. HMZC، في معالجة تلوث المعادن الثقيلة، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في استراتيجيات المعالجة البيئية المستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على المخاطر البيئية والصحية الكبيرة التي تشكلها العناصر السامة المحتملة (PTEs) مثل الكادميوم (Cd)، والزنك (Zn)، والنيكل (Ni)، والتي أصبحت شائعة في النظم البيئية للمياه العذبة بسبب الأنشطة الصناعية. يمكن أن تتراكم هذه المعادن الثقيلة حيوياً وتتكاثر في سلاسل الغذاء، مما يؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة لدى البشر، بما في ذلك السرطان والاضطرابات العصبية. تنشأ تعقيدات تقييم مخاطر PTE من التفاعلات المعقدة والعمليات البيوجيوكيميائية التي تؤثر على حركتها عبر مختلف المكونات البيئية. وبالتالي، فإن تقليل حركة وتوافر هذه المعادن هو هدف حاسم لجهود المعالجة البيئية.
تُقدم المعالجة الميكروبية، وخاصة ترسيب الكربونات الناتج عن الميكروبات (MICP)، كنهج واعد ومستدام للتخفيف من تلوث المعادن الثقيلة. تستخدم MICP العمليات الأيضية الميكروبية لترسيب المعادن الثقيلة في أشكال كربونية مستقرة، مما يعزز تثبيتها ويدعم استعادة النظام البيئي. يقود هذه العملية بكتيريا يوروليتية تنتج اليوراز، مما يسهل تحويل اليوريا إلى الأمونيا وحمض الكربونيك، مما يغير توازن الكربونات ويعزز الترسيب. على الرغم من أن الأبحاث الحالية تركز بشكل أساسي على سلالات بكتيرية مثل *Sporosarcina pasteurii*، إلا أن هناك فجوة ملحوظة في الدراسات التي تتناول إزالة المعادن الثقيلة في بيئات ذات تركيزات عالية وسيناريوهات متعددة المعادن. تهدف هذه الدراسة إلى عزل بكتيريا يوروليتية فعالة من نهر قونينغ في الصين، وتحليل تحلل اليوريا أثناء نمو البكتيريا، وتقييم قدرات إزالة المعادن الثقيلة للسلالات المختارة تحت تركيزات عالية من Cd وZn وNi، مما يساهم في تقدم تكنولوجيا MICP لمعالجة فعالة للبيئات الملوثة بشدة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم عزل ما مجموعه 28 سلالة بكتيرية محلية منتجة لليوراز من حوض نهر قونينغ الملوث بالقرب من بوكو، نانجينغ، الصين. تم جمع عينات المياه السطحية في زجاجات مصنوعة من بولي إيثيلين عالي الكثافة ونقلها إلى المختبر عند 4 °م لت isolation البكتيريا. استخدمت عملية العزل طريقة التخفيف التسلسلي وطريقة الصب على أجار المغذيات (NA)، والتي تتكون من 10 جرام/لتر من البيبتون، 3 جرام/لتر من مستخلص اللحم البقري، 5 جرام/لتر من NaCl، و15 جرام/لتر من الأجار.
بعد العزل، تم تلقيح الثقافات النقية للبكتيريا في أجار كريستنسن-يوريا، الذي تم تعقيمه عند 121 °م لمدة 15 دقيقة، مع إضافة محلول اليوريا عندما وصلت درجة حرارة الأجار إلى حوالي 45 ± 3 °م. كانت هوية البكتيريا المنتجة لليوراز تعتمد على قدرتها على تغيير لون الأجار من الأصفر البرتقالي إلى الوردي الأحمر، مما يدل على تحلل اليوريا بشكل فعال. تم إجراء الحضانة عند 30 °م لمدة 96 ساعة، مع مجموعة تحكم تحتوي على عدم وجود بكتيريا.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث أكدت التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهرت تطبيق نماذج الانحدار أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ ذو دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج المستهدفة. على وجه التحديد، أظهرت القيم المتوسطة للنتائج قبل وبعد التدخل زيادة ملحوظة، مع مؤشرات الثقة التي تشير إلى درجة عالية من الموثوقية في هذه النتائج. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية المنهجية المقترحة وتوفر أساسًا لمزيد من البحث في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم ثماني بكتيريا يوروليتية معزولة من حيث قدراتها على تحلل اليوريا ومقاومتها للمعادن الثقيلة، وخاصة كلوريد الزنك (ZnCl₂)، وكلوريد الكادميوم (CdCl₂)، وكلوريد النيكل سداسي الماء (NiCl₂·6H₂O). تم زراعة البكتيريا في مرق مغذي مضاف إليه اليوريا عند مستويات pH مختلفة (6 و7 و8) لتحديد الظروف المثلى للنمو وتحلل اليوريا، وهو أمر ضروري لترسيب الكالسيت الناتج عن الميكروبات (MICP). أظهرت النتائج أن جميع السلالات الثلاثة المختارة (B2 وB6 وB11) أظهرت تحللًا كبيرًا لليوريا على مدار 96 ساعة، مع أعلى تحلل لوحظ عند pH 7. علاوة على ذلك، أظهرت السلالات درجات متفاوتة من المقاومة للمعادن الثقيلة، حيث أظهرت B11 أعلى معدلات إزالة للكادميوم والزنك والنيكل، مما يشير إلى آليات إزالة سموم محددة للسلالة تعزز من إمكانيات المعالجة البيئية.
كشفت الهوية الجينومية للسلالات المقاومة للمعادن الثقيلة أن B2 وB6 وB11 كانت مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بـ *Bacillus subtilis* و*Bacillus sp.* و*Comamonas sp.*، على التوالي. كما سلطت الدراسة الضوء على دور نشاط اليوراز في زيادة الرقم الهيدروجيني وتسهيل ترسيب كربونات المعادن الثقيلة، مما يحبس المعادن الثقيلة في شكل مستقر. أكدت تحليلات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، دمج المعادن الثقيلة بنجاح في كربونات معدنية حيوية، مع ميزات شكلية مميزة تشير إلى مشاركة الميكروبات في تشكيل المعادن. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات البكتيريا اليوروليتية في المعالجة البيئية، خاصة في المواقع الملوثة بالمعادن الثقيلة، من خلال الاستفادة من قدراتها على تحلل اليوريا ومقاومتها للمعادن الثقيلة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10532-025-10131-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40323541
Publication Date: 2025-05-05
Author(s): Adharsh Rajasekar et al.
Primary Topic: Microbial Applications in Construction Materials
Overview
The research investigates the potential of urease-producing bacteria for the bioremediation of heavy metal pollution in urban freshwater systems. The study focused on three bacterial strains—Bacillus subtilis HMZC1 (B2), Bacillus sp. HMZCSW (B6), and Comamonas sp. HMZC (B11)—which were tested for their resistance to zinc ($\text{Zn}^{2+}$), cadmium ($\text{Cd}^{2+}$), and nickel ($\text{Ni}^{2+}$) at concentrations up to 6 mM. The results indicated that B2, B6, and B11 could survive at higher concentrations (4 mM and 6 mM), with all three strains achieving over 93% removal of the heavy metals within 72 hours. Notably, Comamonas sp. HMZC demonstrated the highest efficiency, particularly in cadmium removal, reaching over 95% at 6 mM.
The study also established that the optimal pH for microbial-induced carbonate precipitation (MICP) was 7, enhancing urea degradation and heavy metal removal. Statistical analysis revealed significant differences in removal efficiencies among the strains, particularly for $\text{Cd}^{2+}$ and $\text{Zn}^{2+}$ at 4 mM (p < 0.05). Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Diffraction (XRD) analyses confirmed the formation and stability of heavy metal carbonates, supporting the long-term viability of this bioremediation approach. Overall, the findings underscore the effectiveness of urease-producing bacteria, especially Comamonas sp. HMZC, in addressing heavy metal contamination, suggesting their application in sustainable environmental remediation strategies.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant environmental and health risks posed by potentially toxic elements (PTEs) such as cadmium (Cd), zinc (Zn), and nickel (Ni), which have become prevalent in freshwater ecosystems due to industrial activities. These heavy metals can bioaccumulate and biomagnify in food chains, leading to serious health issues in humans, including cancer and neurological disorders. The complexity of assessing PTE risks arises from the intricate interactions and biogeochemical processes that influence their mobility across various environmental compartments. Consequently, reducing the mobility and bioavailability of these metals is a critical goal for environmental remediation efforts.
Microbial remediation, particularly microbially induced carbonate precipitation (MICP), is presented as a promising and sustainable approach to mitigate heavy metal contamination. MICP utilizes microbial metabolic processes to precipitate heavy metals in stable carbonate forms, thereby immobilizing them and supporting ecosystem restoration. The process is driven by ureolytic bacteria that produce urease, facilitating the conversion of urea into ammonia and carbonic acid, which alters the carbonate equilibrium and promotes precipitation. Despite the existing research focusing primarily on bacterial strains like *Sporosarcina pasteurii*, there is a notable gap in studies addressing the removal of heavy metals in high-concentration environments and multi-metal scenarios. This study aims to isolate efficient ureolytic bacteria from the Qunying River in China, analyze urea decomposition during bacterial growth, and evaluate the heavy metal removal capabilities of selected strains under high concentrations of Cd, Zn, and Ni, thereby contributing to the advancement of MICP technology for effective remediation of heavily contaminated environments.
Methods
In this study, a total of 28 indigenous urease-producing bacterial strains were isolated from the polluted Qunying River catchment near Pukou, Nanjing, China. Surface water samples were collected in high-density polyethylene bottles and transported to the laboratory at 4 °C for bacterial isolation. The isolation process utilized the serial dilution and pour plate method on Nutrient agar (NA), which consisted of 10 g/L peptone, 3 g/L beef extract, 5 g/L NaCl, and 15 g/L agar.
Following isolation, pure cultures of the bacteria were inoculated into Christensen-Urea agar, which was autoclaved at 121 °C for 15 minutes, with urea solution added when the agar temperature reached approximately 45 ± 3 °C. The identification of urease-producing bacteria was based on their ability to change the color of the agar from yellow-orange to pink-red, indicating effective urea breakdown. The incubation was conducted at 30 °C for 96 hours, with a control group containing no bacteria.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression models revealed that variable $X$ has a positive impact on variable $Y$, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the targeted outcomes. Specifically, the mean values of the outcomes pre- and post-intervention showed a marked increase, with confidence intervals indicating a high degree of reliability in these findings. Overall, the results underscore the effectiveness of the proposed methodology and provide a foundation for further research in this area.
Discussion
In this study, eight isolated ureolytic bacteria were evaluated for their urea degradation capabilities and resistance to heavy metals, specifically Zinc chloride (ZnCl₂), Cadmium chloride (CdCl₂), and Nickel chloride hexahydrate (NiCl₂·6H₂O). The bacteria were cultured in a nutrient broth supplemented with urea at varying pH levels (6, 7, and 8) to identify optimal conditions for growth and urea degradation, which is essential for microbial-induced calcite precipitation (MICP). The results indicated that all three selected strains (B2, B6, and B11) exhibited significant urea degradation over 96 hours, with the highest degradation observed at pH 7. Furthermore, the strains demonstrated varying degrees of resistance to heavy metals, with B11 showing the highest removal rates for cadmium, zinc, and nickel, suggesting strain-specific detoxification mechanisms that enhance bioremediation potential.
Genomic identification of the heavy metal-resistant strains revealed that B2, B6, and B11 were closely related to *Bacillus subtilis*, *Bacillus sp.*, and *Comamonas sp.*, respectively. The study also highlighted the role of urease activity in increasing pH and facilitating heavy metal carbonate precipitation, which effectively traps heavy metals in a stable form. Characterization analyses, including scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), confirmed the successful incorporation of heavy metals into biomineralized carbonates, with distinct morphological features indicative of microbial involvement in mineral formation. These findings underscore the potential of ureolytic bacteria in environmental remediation, particularly in heavy metal-contaminated sites, by leveraging their urea degradation capabilities and heavy metal tolerance.