مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مقایسه نرخ موفقیت تخریب زیستی قارچ Phaenerochaete chrysospporium و باکتری Bacillus subtilus در مایع سیاه کرافت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
المیرا فعال شیرکده 1
معراج شرری 2
فرج اله حاجی علیزاده 3
بیتا معزی پور 4
محمد احمدی 5
اکبر رستم پور هفتخوانی 6
1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
2 عضو هیئت علمی دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، گروه چوب و کاغذ
3 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
4 - استادیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
5 - دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
6 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
10.22034/ijwp.2025.2070438.1726
چکیده
بیان مسئله و اهداف: مایع سیاه حاصل از پخت کرافت کاه گندم، حاوی مقادیر زیاد لیگنین، ترکیبات فنولی، مواد سولفوردار، سیلیس و جامدات محلول و معلق می‌باشد. این ترکیبات به‌دلیل ساختار پیچیده و پایداری بالا، به‌سختی تجزیه شده و موجب افزایش چشمگیر COD، BOD و سایر شاخص‌های آلایندگی می‌شوند. روش‌های متداول تصفیه مانند تبخیر، احتراق و بازیابی شیمیایی در واحدهای بزرگ قابل استفاده‌اند، اما برای واحدهای کوچک و متوسط به دلیل وجود سیلیس زیاد، ‌هزینه بالا، مصرف انرژی زیاد و بازده محدود مقرون‌به‌صرفه نیستند. در این راستا، فرآیندهای زیستی و میکروارگانیسم‌ها به‌عنوان روشی اقتصادی، کارآمد و سازگار با محیط زیست اهمیت یافته‌اند. هدف این پژوهش، مقایسه کارایی قارچ Phaenerochaete chrysosporium و باکتری Bacillus subtilis در حالت سلول آزاد برای کاهش COD، BOD و TDS مایع سیاه کرافت حاصل از خمیرسازی کاه گندم است.
مواد و روش‌ها: نمونه‌های مایع سیاه از فرآیند کرافت با استفاده از کاه گندم تهیه و به‌منظور کاهش سمیت و فراهم‌سازی شرایط مطلوب برای فعالیت زیستی، با نسبت ده برابر رقیق شدند. میکروارگانیسم‌های مورد استفاده شامل قارچ P. chrysosporium و باکتری B. subtilis بودند که در محیط‌های کشت استاندارد تکثیر و سپس در شرایط آزمایشگاهی به پساب افزوده شدند. شرایط تیمار شامل pH برابر ۷، دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد، سرعت شیکر ۸۰ دور در دقیقه و بازه زمانی ۱۴ روز در نظر گرفته شد. برای هر تیمار، نمونه‌برداری در روزهای ۰، ۳، ۷، ۱۱ و ۱۴ انجام شد و پارامترهای COD، BOD و TDS با روش‌های استاندارد APHA اندازه‌گیری گردید. کلیه آزمون‌ها با سه تکرار صورت گرفت و داده‌ها با استفاده از آزمون T مستقل و تحلیل واریانس جهت بررسی معناداری اختلافات تجزیه شدند.
نتایج: یافته‌ها نشان داد هر دو میکروارگانیسم در کاهش شاخص‌های آلایندگی مایع سیاه کرافت مؤثر بودند، اما قارچ P. chrysosporium در پایان روز چهاردهم با کاهش بیشتری در COD ، BOD و TDS نسبت به باکتری B. subtilis برتری یافت. باکتری به‌دلیل دوره نهفتگی کوتاه‌تر در روزهای ابتدایی کاهش بیشتری در COD و BOD داشت، ولی از روز هفتم به بعد با ترشح آنزیم‌های لیگنینولیتیک قارچ، سرعت و میزان کاهش آلاینده‌ها افزایش یافت. این نتایج نشان داد که در دوره های تیمار کوتاه (یک هفته ای)، تیمار با باکتری B. subtilis موثرتر از P. chrysosporium می‌باشد. کاهش سرعت روند در روزهای پایانی به کمبود مواد آلی ساده، تجمع متابولیت‌های بازدارنده، محدودیت مواد مغذی و اتولیز سلولی نسبت داده شد.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد که هر دو میکروارگانیسم پتانسیل مؤثری برای تصفیه زیستی مایع سیاه کرافت دارند، اما قارچ P.chrysosporium به‌دلیل توانایی ویژه در ترشح آنزیم‌های لیگنولیتیک و تجزیه ترکیبات سخت‌تجزیه، گزینه کارآمدتری برای کاهش پایدار آلاینده‌ها است. در عین حال، استفاده ازB. subtilis در مراحل ابتدایی تیمار می‌تواند به تسریع فرآیند کمک کند و در دوره های تیمار کوتاه (یک هفته ای)، تیمار با باکتری B. subtilis می‌تواند موثرتر از P. chrysosporium ‌باشد. در سامانه‌های ترکیبی قارچ_باکتری، بهره‌وری بیشتری حاصل شود. بر این اساس، توسعه سامانه‌های زیستی ترکیبی می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش‌های شیمیایی و حرارتی پرهزینه در صنایع خمیر و کاغذ باشد و علاوه بر کاهش هزینه‌ها، پیامدهای زیست‌محیطی مطلوب‌تری به همراه داشته باشد.
کلیدواژه‌ها
مایع سیاه کرافت
تیمار زیستی
Phaenerochaete chrysosporium
Bacillus subtilis
COD
BOD
موضوعات
[1] Buraimoh, O.M., Amund, O.O. and Ilori, M.O., 2015. Kraft lignin degradation by autochtonous streptomyces strains isolated from a tropical lagoon ecosystem. http://dx.doi.org/10.15414/jmbfs.2015/16.5.3.248-253
[2] Chang, Y.C., Choi, D., Takamizawa, K. and Kikuchi, S., 2014. Isolation of Bacillus sp. strains capable of decomposing alkali lignin and their application in combination with lactic acid bacteria for enhancing cellulase performance. Bioresource technology, 152, pp.429-436. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.11.032
[3] Zhang, L., Chen, K. and Peng, L., 2017. Comparative research about wheat straw lignin from the black liquor after soda-oxygen and soda-AQ pulping: structural changes and pyrolysis behavior. Energy & Fuels, 31(10), pp.10916-10923. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.7b01786
[4] Tutuş, A.H.M.E.T. and Eroğlu, H.Ü.D.A.V.E.R.D.I., 2003. A practical solution to silica problem in straw pulping. Appita Journal, 56(2), pp.111-115. https://www.researchgate.net/publication/279572437
[5] Kamali, M., Gameiro, T., Costa, M.E.V. and Capela, I., 2016. Anaerobic digestion of pulp and paper mill wastes–An overview of the developments and improvement opportunities. Chemical Engineering Journal, 298, pp.162-182. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.03.119
[6] Gu, J., Qiu, Q., Yu, Y., Sun, X., Tian, K., Chang, M., Wang, Y., Zhang, F. and Huo, H., 2024. Bacterial transformation of lignin: key enzymes and high-value products. Biotechnology for biofuels and bioproducts, 17(1), p.2. http://dx.doi.org/10.1186/s13068-023-02447-4
[7] van der Made, J.J., Landis, E.A., Deans, G.T., Lai, R.A. and Chandran, K., 2023. Synergistic lignin degradation between Phanerochaete chrysosporium and Fenton chemistry is mediated through iron cycling and ligninolytic enzyme induction. Science of the Total Environment, 905, p.166767. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166767
[8] Mahesh, S., Prasad, B., Mall, I.D. and Mishra, I.M., 2006. Electrochemical degradation of pulp and paper mill wastewater. Part 1. COD and color removal. Industrial & engineering chemistry research, 45(8), pp.2830-2839. https://doi.org/10.1021/ie0514096
[9] Lihong, M., Furong, L. and Jinli, W., 2009. Biological treatment of high-pH and high-concentration black liquor of cotton pulp by an immediate aerobic-anaerobic-aerobic process. Water Science and Technology, 60(12), pp.3275-3284. https://doi.org/10.2166/wst.2009.737
[10] Kumar, A., Kumar, J. and Bhaskar, T., 2020. Utilization of lignin: A sustainable and eco-friendly approach. Journal of the Energy Institute, 93(1), pp.235-271. https://doi.org/10.1016/j.joei.2019.03.005
[11] Mir-Tutusaus, J.A., Baccar, R., Caminal, G. and Sarrà, M., 2018. Can white-rot fungi be a real wastewater treatment alternative for organic micropollutants removal? A review. Water research, 138, pp.137-151. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.02.056
[12] Abd-Elsalam, H.E. & El-Hanafy, A.A., 2009. Lignin biodegradation with lignolytic bacterial strain and comparison of Bacillus subtilis and Bacillus sp. isolated from Egyptian soil. American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences, 5(1), pp.39–44. https://doi.org/10.1186/s43141-021-00284-2
[13] Jin, L., Zeng, G., Chen, H., Wang, L., Ji, H., Lin, S., Peng, R. and Sun, D., 2021. Mechanism of Lignin Degradation via White Rot Fungi Explored Using Spectral Analysis and Gas Chromatography-Mass Spectrometry. BioResources, 16(3). http://dx.doi.org/10.55043/jaast.v7i3.186
[14] Zhai, S., Wang, K., Yu, F., Gao, Z., Yang, X., Cao, X., Shaghaleh, H. and Hamoud, Y.A., 2025. Effects of Trichoderma harzianum combined with Phanerochaete chrysosporium on lignin degradation and humification during chicken manure and rice husk composting. Frontiers in Microbiology, 16, p.1515931. https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1515931
[15] Kumar, S., Haq, I., Prakash, J., Singh, S.K., Mishra, S. and Raj, A., 2017. Purification, characterization and thermostability improvement of xylanase from Bacillus amyloliquefaciens and its application in pre-bleaching of kraft pulp. 3 Biotech, 7(1), p.20. https://doi.org/10.1007/s13205-017-0615-y
[16] Sumranwanich, T., Amosu, E., Chankhamhaengdecha, S., Phetruen, T., Loktumraks, W., Ounjai, P. and Harnvoravongchai, P., 2024. Evaluating lignin degradation under limited oxygen conditions by bacterial isolates from forest soil. Scientific Reports, 14(1), p.13350. http://dx.doi.org/10.1038/s41598-024-64237-8
[17] Dafinov, A., Font, J. and Garcia-Valls, R., 2005. Processing of black liquors by UF/NF ceramic membranes. Desalination, 173(1), pp.83-90. https://doi.org/10.1016/j.desal.2004.07.044
[18] Liu, G., Zhang, K., Gong, H., Yang, K., Wang, X., Zhou, G., Cui, W., Chen, Y. and Yang, Y., 2023. Whole genome sequencing and the lignocellulose degradation potential of Bacillus subtilis RLI2019 isolated from the intestine of termites. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 16(1), p.130. http://dx.doi.org/10.1186/s13068-023-02375-3
[19] Sharari, M., Roohani, M., Latibari, A.J., Guillet, A., Aurousseau, M. and Sharari, A., 2013. Treatment of bagasse preparation effluent by Phanerochaete chrysosporium immobilized on polyurethane foam: Enzyme production versus pollution removal. Industrial crops and products, 46, pp.226-233. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2013.02.001
[20] Sharari, M., Jahan Latibari, A., Guillet, A., Aurousseau, M., Mouhamadou, B., Rafeiee, G.H., Mirshokraei, A. and Parsapaghouh, D., 2011. Application of the white rot fungus Phanerochaete chrysosporium in biotreatment of bagasse effluent. Biodegradation, 22(2), pp.421-430. https://doi.org/10.1007/s10532-010-9415-3
مجله صنایع چوب و کاغذ ایران
دوره 16، شماره 4
زمستان 1404
صفحه 563-576