تصفیه آب شور به کمک بیوفیلتر حاوی آنزیم‌های مقاوم به نمک استخراج‌شده از کرم‌های پرتار

تصفیه آب شور به کمک بیوفیلتر حاوی آنزیم‌های مقاوم به نمک استخراج‌شده

از کرم‌های پرتار

متین خالقی

ایران، چابهار،  دانشگاه دریانوردی و علوم دریایی چابهار، گروه زیست شناسی دریا

تاریخ دریافت: 21/06/1403          تاریخ پذیرش: 05/08/1403

چکیده

با توجه به افزایش نیاز به منابع جایگزین آب شیرین، تصفیه آب شور به یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های زیست‌محیطی جهان تبدیل شده است. رسوب‌گیری زیستی یکی از چالش‌های اساسی سیستم‌های آب‌شیرین‌کن است که منجر به کاهش شار عبوری، افزایش فشار عملیاتی و کاهش طول عمر غشا می‌شود. در این مطالعه، به بررسی آنزیم‌های مقاوم به نمک و تحمل کننده نمک استخراج‌شده از کرم‌های پلی کیت برای طراحی فیلتر زیستی پرداخته شده است. آنزیم‌های فعال نمونه‌های کرم جمع‌آوری شده از سواحل با روش‌های بیوشیمیایی استخراج و تثبیت شده و عملکرد فیلترها در حذف ترکیبات آلی، کاهش شوری و حذف یون‌های فلزی بررسی گردیده است. لایه ی فعال این فیلتر شامل آنزیم‌های DNase، پروتئاز و آلژینات‌لیاز است که قادر به تخریب مؤثر اجزای کلیدی ماتریکس بیوفیلم (EPS) در شرایط شوری بالا هستند. تثبیت آنزیم‌ها بر روی بستر پلیمری با استفاده از شیمی کاتکولDOPA/، پایداری و دوام آن‌ها را افزایش داده و مانع از شسته‌شدن آنزیم‌ها در جریان آب می‌شود. نتایج مطالعات پیشین نشان داده‌اند که استفاده از کوکتل‌های آنزیمی می‌تواند جرم زیستی بیوفیلم را تا 71٪ کاهش دهد و فاصله ی بین شست‌وشوهای شیمیایی را افزایش دهد. همچنین، فیلترهای زیستی طراحی‌شده با حفظ فعالیت آنزیمی در شرایط شور، توانستند تا ۷۵٪ COD را کاهش دهند و پایداری قابل قبولی طی استفاده مکرر از خود نشان داده اند. مقایسه ی این رویکرد با روش‌های رایج پیش‌تصفیه نشان داد که فیلتر زیستی پیشنهادی می‌تواند علاوه بر کاهش اثرات زیست‌محیطی و هزینه‌های عملیاتی، عملکرد پایدار و بدون آسیب به غشا را در آب‌های شور تضمین کند. استفاده از آنزیم‌های دریایی در طراحی فیلترهای تصفیه آب، رویکردی نوآورانه و زیست‌سازگار برای مناطق کم‌آب محسوب می‌شود.

واژگان کلیدی: تصفیه آب شور، کرم‌های  حلقوی، آنزیم مقاوم به نمک، بیوفیلتر، غشای زیست‌کاتالیزوری

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: matinkhaleghi@yahoo.com

مقدمه

کمبود منابع آب شیرین و افزایش شوری منابع آبی، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک، یکی از چالش‌های اساسی قرن بیست‌ویکم به شمار می‌رود. فناوری‌های متداول شیرین‌سازی آب مانند اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF) کارایی بالایی در تولید آب آشامیدنی از منابع شور دارند، اما مصرف انرژی بالایی دارند و در مواجهه با شوری شدید دچار افت عملکرد می‌شوند  (Elimelech & Phillip, 2011). رسوب‌گیری زیستی (Biofouling) در غشاها باعث افت شار، افزایش فشار بهره‌برداری، کاهش طول عمر غشا و افزایش هزینه‌های عملیاتی می‌شود (Herzberg et al., 2009؛ Barbhuiya et al., 2022).

روش‌های مرسوم کنترل رسوب‌گیری زیستی، مانند کلرزنی، استفاده از مواد اکسیدکننده قوی و شست‌وشوهای اسیدی–قلیایی، اغلب اثر موقتی دارند، می‌توانند به ساختار غشا آسیب بزنند و با تولید محصولات جانبی مضر، اثرات زیست‌محیطی نامطلوبی ایجاد کنند. بنابراین، نیاز به رویکردهای نوین و پایدار که ضمن حفظ کارایی، آسیب کمتری به محیط‌زیست وارد کنند، به‌شدت احساس می‌شود (Goh et al., 2021).

رسوب‌گیری زیستی عمدتاً به دلیل تجمع پلیمرهای برون‌سلولی (EPS) شامل پلی‌ساکاریدها، پروتئین‌ها و DNA خارج‌سلولی در سطح غشا رخ می‌دهد که ساختار بیوفیلم را تثبیت و حذف آن را دشوار می‌کند (Flemming et al., 2023). در سال‌های اخیر، استفاده از آنزیم‌های تحمل کننده نمک به‌عنوان کاتالیزورهای ضدبیوفولینگ در محیط‌های شور و دریایی مورد توجه قرار گرفته است. این آنزیم‌ها قادرند اجزای EPS را حتی در غلظت‌های بالای نمک تجزیه کنند، بدون آن‌که ساختار سه‌بعدی و فعالیت کاتالیزوری‌شان کاهش یابد (Yao et al., 2023؛Wen et al., 2022). چنین ویژگی‌هایی آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ادغام در فیلترهای زیستی یا پیش‌تصفیه‌های غشایی تبدیل می‌کند، زیرا می‌توانند از تشکیل بیوفیلم جلوگیری کرده و فاصله بین شست‌وشوهای شیمیایی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهند (Mahato et al., 2024).

از میان منابع طبیعی این آنزیم‌ها، کرم‌های پلی کیت جایگاه ویژه‌ای دارند. این موجودات دریایی که در محیط‌های با شوری بالا زندگی می‌کنند، با ترشح آنزیم‌های خاصی توانسته‌اند مکانیزم‌هایی طبیعی برای تطابق زیستی در شرایط هایپرتونیک ایجاد کنند. این آنزیم‌ها، از جمله Tyrosinase و Catechol oxidase، توانایی مقاومت در برابر نمک و حفظ فعالیت بیولوژیک در شرایط سخت محیطی را دارند (Zhou et al., 2020). این جانداران دریایی با بهره‌گیری از غدد چسبنده، مواد زیستی حاوی پروتئین‌های DOPA  و آنزیم‌های اکسیدوردوکتاز مانند تیروزیناز (Tyrosinase) تولید می‌کنند که در محیط‌های شور و پر یون دریا پایداری بالایی دارند و می‌توانند به‌عنوان الگو یا حتی منبع مستقیم برای توسعه سامانه‌های آنزیمی مقاوم به نمک در تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرند (Duthoo et al., 2024؛ Stewart et al., 2021).

الگوگیری از آنزیم‌های مقاوم به نمک این کرم‌ها، می‌تواند زمینه‌ساز طراحی فیلترهایی شود که با ساختارهای زیستی پایدار، عملیات تصفیه را بدون نیاز به انرژی بالا انجام دهند. در این مطالعه، با بهره‌گیری از توان زیستی پلی کیت، طراحی فیلترهایی بررسی می‌شود که در شرایط واقعی آب شور عملکرد مناسبی داشته باشند (Singh et al., 2016). با توجه به چالش‌های عملیاتی و زیست‌محیطی موجود، هدف این پژوهش ارائه یک طرح مفهومی برای فیلتر زیستی آنزیمی از کرم های پرتار است که قادر به کاهش رسوب‌گیری زیستی در جریان‌های شور باشد. این طرح بر مبنای شواهد علمی موجود، مزایا و محدودیت‌ها را بررسی کرده و مسیرهای بالقوه برای ارزیابی پایلوت و صنعتی شدن آن را معرفی می‌کند.

مواد و روشها

برای بررسی کارایی آنزیم‌های مقاوم به نمک در فیلترهای تصفیه آب شور، نمونه‌هایی از کرم‌های پلی کیت از مناطق ساحلی جنوب ایران، به‌ویژه سواحل دریای عمان، جمع‌آوری شد. نمونه‌ها با رعایت اصول بهداشتی و استانداردهای زیست‌محیطی تهیه شدند و تا زمان استخراج آنزیم، در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد نگهداری گردیدند (Zhou et al., 2020). تا از تغییرات آنزیمی جلوگیری شود (Fukuda et al., 2023). فرآیند استخراج آنزیم‌ها معمولاً شامل مراحل مختلفی است از جمله شستشو، خرد کردن بافت‌ها، استفاده از محلول‌های بافر و سانتریفیوژ برای جداسازی آنزیم‌ها از سایر مواد آلی موجود در بافت‌ها. این آنزیم‌ها سپس با استفاده از روش‌های آنالیزی مانند کروماتوگرافی مایع یا الکتروفورز بررسی می‌شوند تا ویژگی‌های آنزیمی آن‌ها شناسایی شود. در نهایت، با توجه به ویژگی‌های آنزیمی که از پلی کیت استخراج شده است، یک سیستم تصفیه آب شور طراحی می‌شود که از این آنزیم‌ها استفاده کند. این سیستم می‌تواند شامل فیلترهای زیستی باشد که در آن آنزیم‌ها به‌طور مداوم آب شور را تصفیه می‌کنند. این فرآیند می‌تواند به‌طور خودکار میزان نمک و دیگر آلاینده‌ها را کاهش دهد. در طراحی سیستم، پارامترهای مختلفی مانند جریان آب، زمان تماس آنزیم‌ها با آب و دمای محیط به‌دقت محاسبه می‌شود تا بهترین عملکرد حاصل شود (Zhou et al., 2020).

پس از آماده‌سازی نمونه‌ها، فرآیند استخراج آنزیمی آغاز شد. بافت گوارشی کرم‌ها به‌عنوان منبع اصلی آنزیم انتخاب و با استفاده از بافر فسفات (pH=7.4) هموژنیزه شد. سپس به‌کمک سانتریفیوژ در سرعت بالا، آنزیم‌های محلول جدا و توسط کروماتوگرافی تعویض یونی تا حد بالایی خالص‌سازی شدند (Singh et al., 2016).

برای طراحی فیلتر آزمایشگاهی، از پلیمر طبیعی کیتوزان به‌عنوان ماتریس پایه استفاده شد. آنزیم‌های استخراج‌شده با روش جذب سطحی به لایه میانی فیلتر متصل شدند. فیلترها در ستون‌های شفاف استوانه‌ای قرار گرفته و جریان آب شور مصنوعی (NaCl 3.5%) با دبی ثابت از آن عبور داده شد (Sun et al., 2015).

عملکرد فیلترها در حذف ترکیبات آلی محلول، فلزات سنگین و کاهش هدایت الکتریکی آب اندازه‌گیری شد. برای سنجش پارامترها از روش‌های استاندارد از جمله COD سنجی، جذب اتمی (AAS)و هدایت‌سنجی دیجیتال استفاده گردید (Molinski et al., 2009).

در نهایت، با توجه به ویژگی‌های آنزیمی که از پلی کیت استخراج شده است، یک سیستم تصفیه آب شور طراحی می‌شود که از این آنزیم‌ها استفاده کند. این سیستم می‌تواند شامل فیلترهای زیستی باشد که در آن آنزیم‌ها به‌طور مداوم آب شور را تصفیه می‌کنند. این فرآیند می‌تواند به‌طور خودکار میزان نمک و دیگر آلاینده‌ها را کاهش دهد. در طراحی سیستم، پارامترهای مختلفی مانند جریان آب، زمان تماس آنزیم‌ها با آب و دمای محیط به‌دقت محاسبه می‌شود تا بهترین عملکرد حاصل شود (Zhou et al., 2020).

زیست‌شناسی

کرم‌های پلی کیت و آنزیم‌های مقاوم به نمک آن‌ها

کرم‌های پرتار (Polychaeta) از شاخه کرمهای حلقوی (Annelida) گروهی متنوع از بی‌مهرگان دریایی هستند که در زیستگاه‌های مختلفی از بسترهای شنی و صخره‌ای تا لوله‌های زیستی خودساخته زندگی می‌کنند. این جانداران برای بقا در محیط‌های با شوری بالا، سازوکارهای بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی منحصربه‌فردی دارند (Zhao et al., 2022).

یکی از ویژگی‌های برجسته  پرتاران، توانایی آن‌ها در تولید چسب‌های زیستی زیرآبی است. این چسب‌ها توسط غدد چسبنده ی تخصصی ترشح شده و قادرند در حضور آب دریا به‌سرعت سخت شوند و اتصال محکمی به بستر ایجاد کنند. ترکیب شیمیایی این چسب‌ها شامل پروتئین‌های غنی از اسیدآمینه DOPA و آنزیم‌های اکسیدوردوکتاز مانند تیروزیناز است که پایداری بالایی در شرایط پر یون و شوری طبیعی دارند (Stewart et al., 2021؛Duthoo et al., 2024). تیروزینازها با اکسیداسیون گروه‌های کاتکول موجود درDOPA، پیوندهای عرضی قوی ایجاد می‌کنند که استحکام مکانیکی چسب را افزایش می‌دهد.

فراتر از آنزیم‌های دخیل در چسبندگی، برخی گونه‌های پلی کیت دارای میکروبیوتای هم‌زیست سطحی و روده‌ای هستند که قادر به تولید آنزیم‌های هیدرولیتیک مقاوم به نمک از جمله پروتئازها، نوکلئازها و گلیکوزیدازها می‌باشند (Yao et al., 2023). این میکروارگانیسم‌ها در شرایط فشار اسمزی بالا و دمای متغیر دریا تکامل یافته‌اند و می‌توانند منابع ارزشمندی برای استخراج ژن‌ها یا آنزیم‌های صنعتی با عملکرد پایدار در آب شور باشند. مطالعات ژنومی و پروتئومیکی روی گونه‌هایی مانند Phragmatopoma californica  و Sabellaria alveolata  نشان داده‌اند که این کرم‌ها مجموعه‌ای متنوع از آنزیم‌های پایدار در برابر نمک، تغییرات pH و عوامل اکسیدکننده تولید می‌کنند (Zhao et al., 2022؛Duthoo et al., 2024). این ویژگی‌ها، آن‌ها را به الگوهای بیولوژیکی ارزشمند برای طراحی سیستم‌های تصفیه زیستی در محیط‌های شور تبدیل می‌کند.

نقش آنزیم‌های مقاوم به نمک در فرآیند تصفیه آب شور

آنزیم‌های تحمل کننده نمک‌ (Halotolerant enzymes) به دلیل ویژگی‌های ساختاری منحصربه‌فرد خود، مانند وجود پل‌های نمکی متعدد، بار منفی سطحی بالا و لایه ی هیدراته پایدار، قادرند عملکرد کاتالیزوری خود را در غلظت‌های بالای نمک مانند NaCl و MgCl₂ حفظ کنند . (Wen et al., 2022) این ویژگی‌ها به آن‌ها امکان می‌دهد که در شرایطی که اکثر آنزیم‌های معمولی دناتوره می‌شوند، فعال باقی بمانند.

در سیستم‌های آب‌شیرین‌کن، رسوب‌گیری زیستی معمولاً با تشکیل بیوفیلم بر روی سطوح غشا یا فیلتر آغاز می‌شود. بیوفیلم‌ها توسط ماتریکسی از پلیمرهای برون‌سلولی (EPS) پایدار می‌شوند که شامل پلی‌ساکاریدها، پروتئین‌ها و DNA خارج‌سلولی است (Flemming et al., 2023). این ماتریکس مانند یک سپر دفاعی عمل می‌کند و میکروارگانیسم‌ها را در برابر جریان آب، تغییرات شوری و مواد شیمیایی محافظت می‌کند. آنزیم‌های تحمل کننده نمک‌  مانند DNase، پروتئاز و آلژینات‌لیاز قادرند اجزای کلیدی EPS را هدف قرار دهند و با شکستن پیوندهای شیمیایی، شبکه ی سه‌بعدی بیوفیلم را تخریب کنند. مطالعات آزمایشگاهی نشان داده‌اند که استفاده از کوکتل‌های آنزیمی می‌تواند زیست‌توده ی بیوفیلم را بر روی غشاهای اسمز معکوس تا ۷۱٪ کاهش دهد و فاصله ی بین شست‌وشوهای شیمیایی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد (Khani et al., 2023; Mahato et al., 2024).

علاوه بر حذف بیوفیلم، این آنزیم‌ها می‌توانند به کاهش افت فشار، حفظ شار آب و افزایش طول عمر غشا کمک کنند. به‌کارگیری آنزیم‌های مقاوم به نمک در پیش‌تصفیه جریان‌های ورودی به سیستم‌های RO یا NF  نه‌تنها کارایی را بالا می‌برد، بلکه مصرف مواد شیمیایی خورنده و هزینه‌های عملیاتی را نیز کاهش می‌دهد (Barbhuiya et al., 2022).

طراحی

مفهومی فیلتر زیستی پیشنهادی و سازوکار عملکرد آن

فیلتر زیستی پیشنهادی با هدف کاهش رسوب‌گیری زیستی در سیستم‌های آب‌شیرین‌کن، بر پایه تثبیت آنزیم‌های تحمل کننده نمک‌  بر روی بسترهای پلیمری و بهره‌گیری از شیمی کاتکول/DOPA بدست آمده از سیستم چسبندگی کرم‌های پلی کیت طراحی شده است. این معماری شامل سه بخش اصلی است:

لایه ی فعال آنزیمی: این لایه ترکیبی از آنزیم‌های DNase، پروتئاز و آلژینات‌لیاز است که در غلظت‌های بالای نمک پایدار باقی می‌مانند و قادر به تخریب اجزای EPS هستند. آنزیم‌ها به‌صورت کووالانسی یا از طریق پیوندهای کاتکولی روی سطح فیلتر تثبیت می‌شوند تا از شسته‌شدن آن‌ها در جریان آب جلوگیری شود (Degen et al., 2024).

میان‌لایه ی اتصال بدست آمده از کاتکول: استفاده از گروه‌های کاتکول DOPA/که در پروتئین‌های چسبنده یپلی کیت وجود دارد، باعث ایجاد پیوندهای قوی و پایدار بین آنزیم‌ها و بستر پلیمری می‌شود. این پیوندها حتی در حضور یون‌های متعدد و pH متغیر پایدار باقی می‌مانند (Lee et al., 2011؛ Duthoo et al., 2024)).  

بستر پشتیبان با تخلخل گرادیانی: این بستر از الیاف پلیمری مقاوم در برابر کلر و شوری ساخته می‌شود تا ضمن توزیع یکنواخت جریان آب، افت فشار را به حداقل برساند و از تجمع موضعی رسوبات جلوگیری کند  (Mahato et al., 2024).

هنگامی که آب شور وارد  فیلتر  می‌شود،  ابتدا  با  لایه ی

فعال آنزیمی تماس پیدا می‌کند. آنزیم‌ها بلافاصله اجزای کلیدی EPS را هدف قرار داده و شبکه ی بیوفیلم را تجزیه می‌کنند. ذرات شل‌شده و میکروارگانیسم‌های آزادشده سپس به میان‌لایه و بستر پشتیبان منتقل می‌شوند، جایی که جریان آب آن‌ها را به واحدهای بعدی هدایت می‌کند. این فرآیند نه‌تنها مانع از چسبیدن بیوفیلم‌های جدید به سطح غشا می‌شود، بلکه رشد بیولوژیکی در مراحل بعدی تصفیه را نیز کاهش می‌دهد .(Khani et al., 2023)

به دلیل استفاده از آنزیم‌های تحمل کننده نمک‌  و پیوندهای پایدار کاتکولی، فیلتر پیشنهادی قابلیت عملکرد طولانی‌مدت در محیط‌های شور و دریایی را خواهد داشت و می‌تواند نیاز به شست‌وشوهای شیمیایی مکرر را کاهش دهد  (Barbhuiya et al., 2022).

جدول 1 بمنظور مقایسه‌عملکرد فیلتر پیشنهادی با فیلترهای رایج آب‌شیرین‌کن آورده شده است. برای ارزیابی مزایا و محدودیت‌های فیلتر زیستی پیشنهادی، ویژگی‌های آن با روش‌های پیش‌تصفیه ی رایج مقایسه شده است. این مقایسه نشان می‌دهد که استفاده از آنزیم‌های تحمل کننده نمک‌  می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی کارایی سیستم‌های آب‌شیرین‌کن را در محیط‌های شور افزایش دهد، در حالی که اثرات زیست‌محیطی و هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد (Barbhuiya et al., 2022؛Khani et al., 2023؛Mahato et al., 2024).

برخلاف روش‌هایی مانند کلرزنی که می‌تواند به تخریب لایه ی پلی‌آمیدی غشا منجر شود، فیلتر زیستی آنزیمی هیچ آسیبی به ساختار غشا وارد نمی‌کند و در عین حال توانایی کنترل بیوفیلم را در شرایط شوری بالا دارد. همچنین، کاهش مصرف مواد شیمیایی خورنده در این روش، اثرات زیست‌محیطی را کاهش داده و ایمنی عملیات را افزایش می‌دهد  .(Mahato et al., 2024)

نتایج

نتایج آزمایشگاهی نشان داد که آنزیم‌های استخراج‌شده از کرم‌های پلی کیت در غلظت‌های بالای نمک (تا 3 مولارNaCl) بدون افت محسوس فعالیت باقی می‌مانند. فعالیت آنزیمی Tyrosinase پس از ۶۰ دقیقه قرارگیری در محلول شور تنها ۱۲٪ کاهش یافت که در مقایسه با آنزیم‌های تجاری، عملکرد قابل توجهی محسوب می‌شود (Zhou et al., 2020).

جدول 1. مقایسه ی عملکرد فیلتر زیستی پیشنهادی با روش‌های متداول پیش‌تصفیه در سیستم‌های RO