ارزیابی تخریب زیستی مایع سیاه حاصل از پساب فرایند سودا با استفاده از قارچ Phanerochaete chrysosporium به‌صورت سلول آزاد و تثبیت‌شده

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

3 استادیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

4 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

مایع سیاه حاصل از فرآیند پخت سودا کاه گندم در صنایع خمیر و کاغذ، حاوی مقادیر قابل‌توجهی لیگنین، ترکیبات فنولی، مواد گوگرددار، سیلیس و جامدات محلول و معلق است. این ترکیبات به دلیل ساختار پیچیده و پایداری بالا، به‌سختی تجزیه می‌شوند و باعث افزایش شاخص‌های آلایندگی مانند COD و BOD می‌گردند. در این مطالعه، مایع سیاه حاصل از پخت آزمایشگاهی کاه گندم با استفاده از سود سوزآور در دمای ۱۶۰ درجه سلسیوس و با قلیاییت فعال ۱۶ درصد تهیه شد. پس از شست‌وشوی خمیر، مایع سیاه جمع‌آوری و برای آزمایش‌های بعدی در دمای زیر ۴ درجه سانتی‌گراد نگهداری شد. به‌منظور ارزیابی قابلیت تیمار زیستی، نمونه‌ها با آب مقطر ده برابر رقیق‌سازی شدند. با توجه به هزینه بالای روش‌های مرسوم فیزیکی و شیمیایی، استفاده از روش‌های زیستی به‌عنوان رویکردی اقتصادی و سازگار با محیط‌زیست ضروری است. عملکرد قارچ Phanerochaete chrysosporium  در دو حالت سلول آزاد و تثبیت‌شده بر فوم پلی‌یورتان (PUF) برای کاهش آلاینده‌های COD، BOD، TDS و TSS در مایع سیاه سودا بررسی شد. تیمارها تحت شرایط pH=7، دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد و دوره ۱۴ روزه انجام گرفت و شاخص‌های کیفی پساب طبق استاندارد APHA اندازه‌گیری شدند. تحلیل آماری داده‌ها با استفاده از آزمون t مستقل و آزمون دانکن صورت پذیرفت. نتایج نشان داد هر دو تیمار زیستی کاهش قابل‌توجهی در آلاینده‌ها داشتند اما قارچ تثبیت‌شده عملکرد بهتری نشان داد. در پایان روز چهاردهم، میزان کاهش COD، BOD و TDS در تیمار تثبیت‌شده به‌ترتیب 03/78، 54/87 و 89/74 درصد بود؛ در حالی‌ که در تیمار سلول آزاد این مقادیر به‌ترتیب 05/58، 54/71 و 22/56 درصد ثبت شد. بیشترین کاهش در هفته نخست مشاهده گردید و پس از آن به دلیل کاهش مواد آلی قابل‌تجزیه و افت فعالیت متابولیکی، روند کاهش شاخص‌ها کندتر شد. یافته‌ها نشان می‌دهند که قارچ P. chrysosporium، در حالت تثبیت‌شده، گزینه‌ای موثر و پایدار برای تصفیه اولیه مایع سیاه سودا است و می‌تواند نقش مؤثری در کاهش بار آلودگی و بهبود کارایی مراحل بعدی تصفیه مانند لجن فعال یا سامانه‌های تولید انرژی زیستی ایفا کند. این سامانه زیستی می‌تواند جایگزینی کم‌هزینه و سازگار با محیط‌زیست برای روش‌های شیمیایی و حرارتی پرهزینه در صنعت خمیر و کاغذ باشد.

کلیدواژه‌ها


Reference:
 
APHA. (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (21st ed.). American Public Health Association, Washington, DC.
Bouabidi, Z. B., El-Naas, M. H., & Zhang, Z. (2019). Immobilization of microbial cells for the biotreatment of wastewater: a review. Environmental Chemistry Letters, 17(1), 241-257. doi: 10.1007/s10311-018-0795-7
Chandra, R., Abhishek, A., & Sankhwar, M. (2011). Bacterial decolorization and detoxification of black liquor from rayon grade pulp manufacturing paper industry and detection of their metabolic products. Bioresource technology, 102(11), 6429-6436. doi:10.1016/j.biortech.2011.03.048.
Couto, S. R. (2009). Dye removal by immobilised fungi. Biotechnology Advances, 27(3), 227-235. doi:10.1016/j.biotechadv.2008.11.001
Do, N. H., Pham, H. H., Le, T. M., Lauwaert, J., Diels, L., Verberckmoes, A., ... & Le, P. K. (2020). The novel method to reduce the silica content in lignin recovered from black liquor originating from rice straw. Scientific Reports, 10(1), 21263.  doi:10.1038/s41598-020-77867-5
Gandhi, M. S., & Udayasoorian, C. (2012). Immobilization of bacillus subtilis on polyurethane foam for the treatment of pulp and paper mill effluent. Journal of Pure and Applied Microbiology, 6(3), 1281-1287. https://www.researchgate.net/publication/264155132
Haq, I., Mazumder, P., & Kalamdhad, A. S. (2020). Recent advances in removal of lignin from paper industry wastewater and its industrial applications–A review. Bioresource Technology, 312, 123636. doi:10.1016/j.biortech.2020.123636
Janusz, G., Pawlik, A., Sulej, J., Świderska-Burek, U., Jarosz-Wilkołazka, A., & Paszczyński, A. (2017). Lignin degradation: microorganisms, enzymes involved, genomes analysis and evolution. FEMS microbiology reviews, 41(6), 941-962. doi:10.1093/femsre/fux049
Jin, L., Zeng, G., Chen, H., Wang, L., Ji, H., Lin, S., . . . Sun, D. (2021). Mechanism of Lignin Degradation via White Rot Fungi Explored Using Spectral Analysis and Gas Chromatography-Mass Spectrometry. BioResources, 16(3). doi:10.15376/biores.16.3.5494-5507
Kamali, M., Gameiro, T., Costa, M. E. V., & Capela, I. (2016). Anaerobic digestion of pulp and paper mill wastes–An overview of the developments and improvement opportunities. Chemical Engineering Journal, 298, 162-182. doi:10.1016/j.cej.2016.03.119
Karichappan, T., Venkatachalam, S., & Jeganathan, P. M. (2014). Analysis of efficiency of Bacillus subtilis to treat bagasse based paper and pulp industry wastewater-A novel approach. 58(2), 198-204. doi: 10.5012/jkcs.2014.58.2.198
Kumar, V., Thakur, I. S., & Shah, M. P. (2020). Bioremediation approaches for treatment of pulp and paper industry wastewater: Recent advances and challenges. Microbial Bioremediation & Biodegradation, 1-48. doi:10.1007/978-981-15-1812-6_1
Latif, W., Ciniglia, C., Iovinella, M., Shafiq, M., & Papa, S. (2023). Role of white rot fungi in industrial wastewater treatment: a review. Applied Sciences, 13(14), 8318. doi:10.3390/app13148318 
Malaviya, P., & Rathore, V. S. (2007). Bioremediation of pulp and paper mill effluent by a novel fungal consortium isolated from polluted soil. Bioresource Technology, 98(18),3647-3651. doi:10.1016/j.biortech.2006.11.021
Min, K., Gong, G., Woo, H. M., Kim, Y., & Um, Y. (2015). A dye-decolorizing peroxidase from Bacillus subtilis exhibiting substrate-dependent optimum temperature for dyes and β-ether lignin dimer. Scientific Reports, 5(1), 8245. doi:10.1038/srep08245
Rodarte-Morales, A., Moreira, M., Feijoo, G., & Lema, J. (2010). Evaluation of two fungal strains for the degradation of pharmaceutical and personal care products (PPCPs). Chemical Engineering Transactions, 20, 31-36. doi:10.3303/CET1020006
Santos, A. D. O., Bandeira, L., Silva, G. M. M., Wanderley, C. R. P., & Rodrigues, K. (2021). Use of Phanerochaete Chrysosporium in a Semibatch Reactor for Removal of Indigo Carmine from Synthetic Textile Wastewater. Brazilian Archives of Biology and Technology, 64, e21200503. doi:10.1590/1678-4324-2021200503
Sharari, M., Jahan Latibari, A. Guillet, A., Aurousseau, M., Mouhamadou, B., Rafeiee, G., … Parsapaghouh, D. (2011). Application of the white rot fungus Phanerochaete chrysosporium in biotreatment of bagasse effluent. Biodegradation, 22(2), 421-430. doi:10.1007/s10532-010-9415-3Sharari, M., Latibari, A., Rafeiee, S., & Mirshokraei, A. (2010). Investigation on the influence of nutrients and treatment period on enzyme activities of Phanerochaete chrysosporium.  
Sharari, M., Roohani, M., Latibari, A. J., Guillet, A., Aurousseau, M., & 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, 226-233. doi:10.1016/j.indcrop.2013.02.001
Sharma, P., Iqbal, H. M., & Chandra, R. (2022). Evaluation of pollution parameters and toxic elements in wastewater of pulp and paper industries in India: A case study. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 5, 100163. doi: 10.1016/j.cscee.2021.100163
Torres-Farradá, G., Thijs, S., Rineau, F., Guerra, G., & Vangronsveld, J. (2024). White rot fungi as tools for the bioremediation of xenobiotics: a review. Journal of Fungi, 1(3), 167.  doi: 10.3390/jof10030167
Torrades, F., Saiz, S., García-Hortal, J. A., & García-Montaño, J. (2008). Degradation of wheat straw black liquor by Fenton and photo-Fenton processes. Environmental Engineering Science, 25(1), 92-98. doi:10.1089/ees.2007.0021
Vandana, T., Kumar, S. A., Swaraj, S., & Manpal, S. (2019). Purification, Characterization, and Biodelignification Potential of Lignin Peroxidase from Immobilized Phanerochaete chrysosporium. BioResources, 14(3). doi: 10.15376/biores.14.3.5380-5399
Wu, J., Xiao, Y.-Z., & Yu, H.-Q. (2005). Degradation of lignin in pulp mill wastewaters by white-rot fungi on biofilm. Bioresource Technology, 96(12), 1357-1363. doi:10.1016/j.biortech.2004.11.019
Zhang, C., Wang, Q., Zuo, Z., Ding, J., Xu, G., & Zou, J. (2021). Interactive effects of microplastics and tetracycline on bioaccumulation and biochemical status in jian carp (Cyprinus carpio var. Jian). Frontiers in Environmental Science, 9, 764344. doi:10.1016/j.jenvman.2019.109796.