Biorazgradnja in toksičnost nastalih produktov

Tradicionalna topila so večinoma sestavljena iz relativno električno nevtralnih molekul, ionske tekočine pa so soli v tekoči fazi in so zgrajene iz ionov. Postajajo čedalje bolj popularna alternativa bolj tradicionalnim topilom zaradi svoje inertnosti, termične in kemijske stabilnosti, možnosti ponovne uporabe in drugih zaželenih lastnosti. Uporabljajo se v mnogih industrijskih panogah kot okolju prijazna topila, (bio)katalizatorji, v (bio)organski sintezi, za predelavo biomase in v bioreaktorskih tehnikah. Nevarne so predvsem zaradi potencialne toksičnosti ob izpustu v okolje in zaradi nalaganja v njem (ki je posledica prav njihove inertnosti). V raziskavi so se znanstveniki ukvarjali z bioremediacijo ionskih tekočin. Za tovrstno "čiščenje" so izbrali in izolirali bakterije vrste Sphingomonas MKIV, ki je pokazala visoko odpornost na prisotnost ionskih tekočin, hkrati pa sposobnost razgradnje vseh šest testiranih izhodnih spojin. Za poskuse biormediacije so izbrali piridinijev trifluorometansulfonat, 1-(4-piridil)piridinijev klorid, 1-butil-3-metilimidazol bromid, 1-butil-3-metilimidazol metansulfonat, tetrabutilamonijev jodid in tetrabutilamonijev heksafluorofosfat. V skladu z Evropsko direktivo o varstvu voda so se raziskovalci lotili raziskav, ki bi lahko pomembno prispevale k razvoju sistemov čiščenja z ionskimi spojinami kontaminiranih odpadnih vod.<ref name="prvi">M. Koutinas et al., “Biodegradation and toxicity of emerging contaminants: Isolation of an exopolysaccharide-producing Sphingomonas sp. for ionic liquids bioremediation.,” J. Haz. Mat., no. 365, pp. 88-96, Mar. 2019</ref>.

Bioremediacija ionskih tekočin

Izolacija in karakterizacija Sphingomonas sp. MKIV za bioremediacijo ionskih tekočin

Iz primarnega, sekundarnega in aktiviranega blata (usedline različnih bazenov v procesu čiščenja odpadnih vod) so raziskovalci izolirali bakterijo Sphingomonas sp. MKIV, ki je bila edina bakterija, ki je lahko rasla v prisotnosti vseh šestih ionskih tekočin v koncentraciji 400 mh/L. Sev so okarakterizirali s pomočjo sekvenčne analize 16s rRNA in primerjanjem homologije z drugimi sevi, ter neighbor-joining metodo in primerjavo najbolj podobnih sekvenc v bazi podatkov NCBI.

Testi toksičnosti ionskih tekočin

Raziskovalci so najprej določili toksičnost izhodnih ionskih tekočin na treh modelnih organizmih:

• Zelene alge Raphidocelis subcapitata določanje kronične toksičnosti
• Lupinarji Daphnia manga določanje akutne toksičnosti
• Morske bakterije Aliivibrio fischeri določanje akutne toksičnosti

S pomočjo že razvitih postopkov določanja toksičnosti so prišli do ugotovitve, da so najbolj strupene ionske tekočine tetrabutilamonijeve soli, manj strupene so piridilpiridinijeve, za najmanj strupene pa so se izkazali imidazoli.<ref name="prvi"/>.

Testi razgradnje ionskih spojin s Sphingomonas

Pogoje za biorazgradnjo ionskih tekočin so optimizirali s pomočjo poskusov pri različnih temperaturah in pH vrednostih pri dveh različnih koncentracijah. Ugotovili so, da so optimalni pogoji za razgradnjo 30 stopinj C pri pH 5.5 za vse testirane ionske tekočine. Za odstotek inhibicije metabolizma bakterij ob razgradnji ionskih tekočin je bila določena količina ogljikovega dioksida, ki ga bakterije proizvedejo v odsotnosti ionskih tekočin. To so potem raziskovalci primerjali s količino ogljikovega dioksida v vzorcih z ionskimi tekočinami in določili odstotek inhibicije metabolizma.

Ocenili so tudi toksičnost končnih metabolitov. To so določali po razgradnji ionskih tekočin po ustreznem času in pri optimalnih pogojih (v prisotnosti Sphingomonas MKIV) na morskih bakterijah Aliivibrio fischeri. Prišli so do zaključka, da so metaboliti imidazolnih soli enako nestrupeni kot začetne ionske tekočine, metaboliti tetrabutilamonijevih soli pa bolj strupeni.<ref name="prvi"/>.

Produkcija eksopolisaharidov z uporabo glukoze

Bakterije vstre Sphingomonas imajo visoko kapaciteto proizvodnje eksopolisaharidov, ki v naravi služijo za formacijo biofilmov. Ti so lahko sestavljeni iz enakih ali pa različnih podenot. V prehrambeni in farmacevtski industriji so vsestransko uporabni kot gostila, emulgatorji in stabilizatorji.<ref name="drugi">Hui Li et al., “The preparation and characterization of a novel sphingan WL from marine Sphingomonas sp. WG.,” Nat. Sci. Rep., vol.6, no. 37899, Nov. 2016</ref>.<ref name="tretji">Uchechukwu U. Nwodo, E. Green, Anthony I. Okoh, “Bacterial Exopolysaccharides: Functionality and Prospects.,” Int. J. Mol. Sci., vol.13, no. 11, Oct. 2012</ref>.

Bakterije Sphingomonas MKIV so proizvedle 19.29 g/L biopolimera pri dodatku 25 g/L glukoze pri neoptimiziranih pogojih, od tega je bilo 17.78 g polisaharidov, ostalo pa šibko vezani proteini. Analiza sestave proizvedenega heteropolisaharida je pokazala najvišjo vsebnost galakturonske kisline in glukoze, nekaj je bilo tudi manoze. Organski kislini, ki sta bili tudi prisotni v vzorcu so okarakterizirali kot acetat in sukcinat.

Rezultati in zaključek

Bakterije vrste Sphingomonas MKIV so sposobne biorazgradnje vseh šestih testiranih ionskih spojin. Rezultati določevanja toksičnosti so pokazali, da razlike v strupenosti začetne ionske spojine in končnih metabolitov ni bilo, razen za tetrabutilamonijeve soli, pri katerih je bil končni produkt znatno bolj toksičen za morske bakterije, kot pa začetna ionska tekočina. Raziskav na področju metabolnih produktov bioremediacije ionskih tekočin ni veliko, zato raziskovalci svarijo, da so potrebne obsežne raziskave preden se tovrstna bioremediacija lahko implementira v naravi ali pa kot sistem za čiščenje odpadnih vod. Bakterije Sphingomonas so pokazale tudi velik potencial za proizvodnjo eksopolisaharidov, ki so v splošnem industrijsko zanimivi produkti. Z optimizacijo gojenja te bakterije bi lahko dosegli še boljši izkoristek v količini proizvedenega polimera.<ref name="prvi"/>.

Viri

<references/>