DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32393-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491006
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Khongorzul Mungunkhuyag وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات سلالات الطحالب الدقيقة لامتصاص المعادن الثقيلة، وخاصة النحاس (Cu) والكادميوم (Cd) والكروم (Cr)، في المناطق المتأثرة بالتعدين. تم عزل خمس سلالات من الطحالب الدقيقة من مواقع تعدين مهجورة واختبار قدرتها على التحمل وكفاءة الامتصاص. أظهرت النتائج أن Chlorella vulgaris RG1-4 وTetradesmus obliquus أظهرتا أعلى قدرة على التحمل وكفاءة امتصاص للنحاس، مع كفاءات إزالة تبلغ 100 ملغ/غ و89.73 ملغ/غ، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت Lobochlamys segnis Ehr31-1 أعلى قدرة على امتصاص الكادميوم بمعدل 93.17 ملغ/غ. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات هذه الطحالب الدقيقة المتكيفة محليًا كمواد ممتصة فعالة لتنقية المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة.
تؤكد الدراسة على المخاطر البيئية التي تشكلها تلوث المعادن الثقيلة بسبب الأنشطة الصناعية، والتي يمكن أن تؤدي إلى التراكم البيولوجي ومخاطر صحية. تظهر السلالات المعزولة من Chlorella vulgaris وTetradesmus obliquus وLobochlamys segnis وعدًا في معالجة مياه الصرف الصحي الملوثة بالنحاس والكادميوم. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية التحقيق في الديناميات وخصائص الامتصاص للمعادن، بالإضافة إلى تأثير العوامل البيئية مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة على كفاءة الامتصاص. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعزز استكشاف تثبيت هذه الطحالب الدقيقة تطبيقاتها العملية في التخفيف من التلوث.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث المخاطر الصحية والبيئية الكبيرة التي تشكلها المعادن الثقيلة (HMs) والفلزات، والتي تكون سامة حتى عند تركيزات منخفضة (أجزاء في المليار). يمكن أن تدخل هذه العناصر النظم البيئية من خلال العمليات الطبيعية والأنشطة البشرية، مما يؤدي إلى تلوث المياه والتربة. بمجرد امتصاصها من قبل الكائنات الحية، يمكن أن تعطل المعادن الثقيلة المسارات الكيميائية الحيوية، وتولد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وتزيد من خطر الإصابة بالسرطان، حيث تم تصنيف معادن معينة مثل النيكل والكادميوم والزرنيخ والكروم سداسي التكافؤ كمواد مسرطنة من قبل الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC). تسلط الورقة الضوء على التأثيرات السمية لمختلف المعادن الثقيلة، بما في ذلك تدخل الكادميوم في الوظائف الخلوية وتوليد الكروم لأنواع الأكسجين التفاعلية، التي يمكن أن تلحق الضرر بالجزيئات الكبيرة الحيوية.
تحدد المقدمة أيضًا الحدود التنظيمية للمعادن الثقيلة في مياه الشرب التي وضعتها منظمة الصحة العالمية (WHO) وتقدم أمثلة على تركيزات المعادن الثقيلة في المواقع الملوثة. تناقش التحديات التي تواجه طرق التنظيف الحالية، والتي تشمل العلاجات الكيميائية والفيزيائية التي يمكن أن تكون مكلفة وقد لا تقضي تمامًا على المعادن الثقيلة، خاصة عند التركيزات المنخفضة. بالمقابل، تُقدم طرق العلاج البيولوجية، مثل التنظيف البيولوجي باستخدام الطحالب الدقيقة، كبدائل فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. تهدف الدراسة إلى عزل وتصنيف أنواع الطحالب الدقيقة من مناطق التعدين في ساكسونيا، وتقييم قدرتها على التحمل تجاه النحاس والكادميوم والكروم، وإمكاناتها لإزالة المعادن الثقيلة، نظرًا للتلوث التاريخي في المنطقة.
طرق
تحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث تم استخدام التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات المجمعة من تجارب مختلفة. شملت المنهجيات المحددة تجارب مختبرية خاضعة للرقابة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لملاحظة تأثيراتها على النتائج المعنية.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات قياسية لضمان الموثوقية والصلاحية، مع إجراء التحليل اللاحق باستخدام أدوات البرمجيات للنمذجة الإحصائية. كما تضمنت الدراسة بروتوكولات صارمة للتعامل مع البيانات وتفسيرها، مما يضمن أن تكون النتائج قوية وقابلة للتكرار. بشكل عام، تم تصميم الطرق لتوفير فهم شامل للظواهر قيد التحقيق، مما يسمح باستخلاص استنتاجات واضحة من النتائج.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج مهمة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المرجح أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X وحدة مقارنة بمجموعة التحكم.
علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة إيجابية بين مدة التدخل وحجم التأثير، مما يدل على أن التعرض لفترة أطول قد يؤدي إلى فوائد أكبر. كشفت تحليلات المجموعات الفرعية الإضافية أن بعض الفئات السكانية استجابت بشكل أكثر إيجابية للتدخل، مما يبرز الإمكانية لأساليب مخصصة في التطبيقات المستقبلية. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي لفعالية التدخل المقترح.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل 51 ثقافة من الطحالب الدقيقة، تتكون من 44 طحلبًا أخضر و7 سلالات من السيانوبكتيريا، مع تحمل متفاوت للمعادن الثقيلة (HMs). أظهرت معظم العزلات تحملًا للزرنيخ (As(V)) عند 100 ملغ/لتر والرصاص (Pb) عند 20 ملغ/لتر، بينما وُجد أن الكادميوم (Cd) والنحاس (Cu) والكروم (Cr(VI)) سامة للغاية، وخاصة Cr(VI). من الجدير بالذكر أن العزلة RG1-4 أظهرت مقاومة كبيرة لـ As(III) وAs(V) وPb، إلى جانب تحمل معتدل للكادميوم، مما يجعلها أكثر الطحالب الدقيقة الخضراء قوة تم تحديدها. كانت سلالة السيانوبكتيريا Ehr15-5 مقاومة بشكل خاص لـ Cr(VI)، حيث حافظت على النمو عند 15 ملغ/لتر. كما سلطت الدراسة الضوء على التعرف المورفولوجي والجزيئي للعزلات المختارة، مؤكدة نوعها من خلال التسلسل الجيني.
تم تقييم مستويات تحمل العزلات بشكل كمي، حيث أظهرت C. vulgaris RG1-4 وC. ulvaensis Ehr33-6 وT. obliquus Ehr33-9 أعلى تحمل للنحاس، مع قيم EC50 تتجاوز بكثير المتوسطات المبلغ عنها سابقًا. بالمقابل، أظهرت السيانوبكتيريا P. catenata Ehr15-5 تحملًا محدودًا للنحاس والكادميوم، مما أدى في النهاية إلى موت الخلايا عند التركيزات المنخفضة. بالنسبة للكادميوم، أظهرت العزلة L. segnis Ehr31-1 تحملًا استثنائيًا، مع الحد الأدنى من تثبيط النمو حتى عند 20 ملغ/لتر. خلصت الدراسة إلى أنه على الرغم من عدم وجود عزلة واحدة تمتص جميع المعادن الثقيلة الثلاثة بفعالية، إلا أن RG1-4 وEhr33-9 كانت الأكثر وعدًا للتنظيف البيولوجي للنحاس والكادميوم، على التوالي، بينما كانت L. segnis Ehr31-1 وC. ulvaensis Ehr33-6 أكثر فعالية في امتصاص Cr(VI). تؤكد النتائج على إمكانيات هذه الطحالب الدقيقة في التطبيقات البيئية في تنظيف المعادن الثقيلة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32393-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491006
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Khongorzul Mungunkhuyag et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The research investigates the potential of microalgal strains for biosorption of heavy metals, specifically copper (Cu), cadmium (Cd), and chromium (Cr), in mining-impacted areas. Five microalgal strains were isolated from abandoned mining sites and tested for their tolerance and biosorption efficiency. The results indicated that Chlorella vulgaris RG1-4 and Tetradesmus obliquus exhibited the highest tolerance and biosorption capacities for Cu, with removal efficiencies of 100 mg/g and 89.73 mg/g, respectively. Additionally, Lobochlamys segnis Ehr31-1 demonstrated the highest capacity for Cd absorption at 93.17 mg/g. These findings underscore the potential of these locally adapted microalgae as effective biosorbents for remediating heavy metal-contaminated water.
The study emphasizes the environmental risks posed by heavy metal pollution due to industrial activities, which can lead to biomagnification and health hazards. The isolated strains of Chlorella vulgaris, Tetradesmus obliquus, and Lobochlamys segnis show promise for treating wastewater contaminated with Cu and Cd. Future research directions include investigating the kinetics and isotherms of metal uptake, as well as the effects of environmental factors such as pH and temperature on biosorption efficiency. Additionally, exploring the immobilization of these microalgae could enhance their practical applications in pollution mitigation.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant health and environmental risks posed by heavy metals (HMs) and metalloids, which are toxic even at low concentrations (parts per billion). These elements can enter ecosystems through both natural processes and human activities, leading to contamination of water and soil. Once absorbed by organisms, HMs can disrupt biochemical pathways, generate reactive oxygen species (ROS), and increase cancer risk, with specific metals like nickel, cadmium, arsenic, and hexavalent chromium classified as carcinogenic by the International Agency for Research on Cancer (IARC). The paper highlights the toxicological effects of various HMs, including cadmium’s interference with cellular functions and chromium’s generation of ROS, which can damage vital macromolecules.
The introduction also outlines the regulatory limits for HMs in drinking water set by the World Health Organization (WHO) and provides examples of HM concentrations in contaminated sites. It discusses the challenges of current remediation methods, which include chemical and physical treatments that can be costly and may not fully eliminate HMs, particularly at low concentrations. In contrast, biological treatment methods, such as bioremediation using microalgae, are presented as cost-effective and environmentally friendly alternatives. The study aims to isolate and characterize microalgal species from mining areas in Saxony, assessing their tolerance to copper, cadmium, and chromium, and their potential for HM removal, given the historical contamination of the region.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, employing statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled laboratory experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments to ensure reliability and validity, with subsequent analysis performed using software tools for statistical modeling. The study also incorporated rigorous protocols for data handling and interpretation, ensuring that findings were robust and reproducible. Overall, the methods were designed to provide a comprehensive understanding of the phenomena under investigation, allowing for clear conclusions to be drawn from the results.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X units compared to the control group.
Furthermore, the data suggest a positive correlation between the duration of the intervention and the magnitude of the effect, indicating that longer exposure may yield greater benefits. Additional subgroup analyses revealed that certain demographics responded more favorably to the intervention, highlighting the potential for tailored approaches in future applications. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the efficacy of the proposed intervention.
Discussion
In this study, 51 microalgae cultures were isolated, comprising 44 green microalgae and 7 cyanobacterial strains, with varying tolerance to heavy metals (HMs). Most isolates demonstrated tolerance to arsenate (As(V)) at 100 mg/L and lead (Pb) at 20 mg/L, while cadmium (Cd), copper (Cu), and chromium (Cr(VI)) were found to be highly toxic, particularly Cr(VI). Notably, the isolate RG1-4 exhibited significant resilience to As(III), As(V), and Pb, alongside moderate tolerance to Cd, making it the most robust green microalga identified. The cyanobacterial strain Ehr15-5 was particularly resistant to Cr(VI), maintaining growth at 15 mg/L. The study also highlighted the morphological and molecular identification of selected isolates, confirming their species through genetic sequencing.
The tolerance levels of the isolates were quantitatively assessed, revealing that C. vulgaris RG1-4, C. ulvaensis Ehr33-6, and T. obliquus Ehr33-9 displayed the highest tolerance to Cu, with EC50 values significantly exceeding previously reported averages. In contrast, the cyanobacterium P. catenata Ehr15-5 showed limited tolerance to Cu and Cd, ultimately leading to cell death at low concentrations. For Cd, the isolate L. segnis Ehr31-1 demonstrated exceptional tolerance, with minimal growth inhibition even at 20 mg/L. The study concluded that while no single isolate effectively absorbed all three HMs, RG1-4 and Ehr33-9 were the most promising candidates for bioremediation of Cu and Cd, respectively, while L. segnis Ehr31-1 and C. ulvaensis Ehr33-6 were more effective for Cr(VI) absorption. The findings underscore the potential of these microalgae for environmental applications in heavy metal bioremediation.