Removal of cadmium from aqueous by exopolymers produced by cadmium resistant bactrium Ralstonia sp.TaK1

Abstract

Bacterial exopolymers have an important role for adsorption of heavy metals. The adsorption mechanism occurs by the interaction between cations of heavy metals and anions of functional groups on exopolymers. Ralstonia sp. TAKI is a resistant cadmium bacterium that can produce exopolymers. This bacterium was isolated from Cd-contaminated soil from a zinc mine in Maesot district, Tak province. This study focused on the types of carbon sources that were able to induce exopolymer production by Ralstonia sp. TAK1. The ability of Ralstonia sp. TAK1 cells and its exopolymers for removal of cadmium ion in aqueous solution was investigated. In addition, the external structure of bacterial cells and exopolymers was observed by scanning electron microscope (SEM). Functional groups on the surface of exopolymers were also analysed by fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR). Bacterial exopolymers have an important role for adsorption of heavy metals. The adsorption mechanism occurs by the interaction between cations of heavy metals and anions of functional groups on exopolymers. Ralstonia sp. TAKI is a resistant cadmium bacterium that can produce exopolymers. This bacterium was isolated from Cd-contaminated soil from a zinc mine in Maesot district, Tak province. This study focused on the types of carbon sources that were able to induce exopolymer production by Ralstonia sp. TAK1. The ability of Ralstonia sp. TAK1 cells and its exopolymers for removal of cadmium ion in aqueous solution was investigated. In addition, the external structure of bacterial cells and exopolymers was observed by scanning electron microscope (SEM). Functional groups on the surface of exopolymers were also analysed by fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR). Bacterial exopolymers have an important role for adsorption of heavy metals. The adsorption mechanism occurs by the interaction between cations of heavy metals and anions of functional groups on exopolymers. Ralstonia sp. TAKI is a resistant cadmium bacterium that can produce exopolymers. This bacterium was isolated from Cd-contaminated soil from a zinc mine in Maesot district, Tak province. This study focused on the types of carbon sources that were able to induce exopolymer production by Ralstonia sp. TAK1. The ability of Ralstonia sp. TAK1 cells and its exopolymers for removal of cadmium ion in aqueous solution was investigated. In addition, the external structure of bacterial cells and exopolymers was observed by scanning electron microscope (SEM). Functional groups on the surface of exopolymers were also analysed by fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR). Bacterial exopolymers have an important role for adsorption of heavy metals. The adsorption mechanism occurs by the interaction between cations of heavy metals and anions of functional groups on exopolymers. Ralstonia sp. TAKI is a resistant cadmium bacterium that can produce exopolymers. This bacterium was isolated from Cd-contaminated soil from a zinc mine in Maesot district, Tak province. This study focused on the types of carbon sources that were able to induce exopolymer production by Ralstonia sp. TAK1. The ability of Ralstonia sp. TAK1 cells and its exopolymers for removal of cadmium ion in aqueous solution was investigated. In addition, the external structure of bacterial cells and exopolymers was observed by scanning electron microscope (SEM). Functional groups on the surface of exopolymers were also analysed by fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR). The results showed that the amount of exopolymers produced by Ralstonia sp. TAK1 peaked at the stationary phase (24 hr) (5.39 g/l or 2.23 mg glucose equivalent/ mg cell dry weight) in culture medium amended with 2% glucose. Then, the amount of exopolymers declined when cells entered the mid-stationary phase approximately at 32 hr (5.08 g/l or 2.15 mg glucose equivalent/ mg cell dry weight). The highest cadmium removal efficiency (41.73%) and cadmium adsorption capacity (15.02 mg Cd/ g dry weight biomass) were found in the stationary phase cells of Ralstonia sp. TAK1. In the case of exopolymer biosorbent, it showed 1.91% of the cadmium removal efficiency and 0.69 mg Cd/ g dry weight biomass of cadmium adsorption capacity. In addition, changes of the external structures of cadmium-adsorbed cells and cadmium-adsorbed exopolymers were observed, compared with cadmium-unadsorbed cells and cadmium-unadsorbed exopolymers. The possible functional groups on the surface of exopolymers were assigned including O-H stretching of hydroxyl group, C=O stretching in carboxyl or amide group (amide I band), CH3 symmetric bending of methyl group and C-H deformation. However, there were no peaks represented for methyl group, carboxyl group, amide II band, amide III band or C-OH stretching on cadmium-adsorbed exopolymers. It could be implied that the change of functional groups on the surface of cadmium-adsorbed exopolymers resulted from the interaction between cadmium ions and these functional groups. These findings suggested that the efficiency of Ralstonia sp. TAK1 cells and its exopolymers for cadmium ions removal could be applied for bioremediation of cadmium or other heavy metals from contaminated environments.

Exopolymers ของแบคทีเรียมีบทบาทสำคัญในการดูดซับโลหะหนัก โดยเกิดจากปฏิกิริยาระหว่างอิออนบวกของโลหะหนัก และอิออนลบของหมู่ฟังก์ชั่นของ exopolymers Ralstonia sp. TAKI เป็นแบคทีเรียที่มีความสามารถในการด้านทาน ความเป็นพิษของแคดเมียมโดยการผลิต exopolymers ซึ่ง Ralstonia sp. TAKI คัดแยกมาจากดินที่มีการปนเปื้อนแดดเมียมบริเวณที่มีการทำเหมืองแร่สังกะสี ในอำเภอแม่สอด จังหวัดตาก การศึกษาครั้งนี้ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับชนิดของคาร์บอนที่สามารถชักนำ การสร้าง exopolymers ของ Ralstonia sp. TAKI รวมทั้งยังศึกษาประสิทธิภาพของเซลล์แบคทีเรียและ exopolymers ในการกำจัดแคดเมียมจากสารละลาย และศึกษาโครงสร้างภายนอกของเซลล์แบคทีเรียและ exopolymers โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องกราด และวิเคราะห์หมู่ฟังก์ชันที่ผิวของ exopolymers โดยใช้เครื่อง FT-IR ผลการศึกษาพบว่า Ralstonia sp. TAKI ที่เพาะเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่เติมกลูโคสความเข้มข้น 2 เปอร์เซ็นต์ สามารถสร้าง exopolymers สูงสุดในระยะ stationary (24 ชม.) ของการเจริญ (5.39 กรัมต่อลิตร หรือ 2.23 มิลลิกรัมของน้ำตาลกลูโคสต่อมิลลิกรัมของน้ำหนักแห้งเซลล์) หลังจากนั้น ปริมาณ exopolymers ลดลงเหลือ 5.08 ต่อลิตร หรือ 2.15 มิลลิกรัมของน้ำตาลกลูโคสต่อมิลลิกรัมของน้ำหนักแห้งเซลล์ในช่วงกลางของระยะ stationary (32 ชม.) และพบว่าเซลล์ในระยะ stationary (24 ชม.) ของ Ralstonia sp. TAKI มีประสิทธิภาพสูงสุดในการกำจัดแคดเมียม (41.73 เปอร์เซ็นต์) และความสามารถในการดูดซับแคดเมียมสูงสุด (15.02 มิลลิกรัมของแคดเมียม ต่อ กรัมของน้ำหนักแห้งเซลล์) ในขณะที่ exopolymers มีค่าประสิทธิภาพในการกำจัดแคดเมียมเท่ากับ 1.91 เปอร์เซ็นต์ และมีค่าความสามารถในการดูดซับแดดเมียมเท่ากับ 0.69 มิลลิกรัมของแคดเมียม ต่อกรัม ของน้ำหนักแห้ง exopolymers นอกจากนี้ จากการศึกษาโครงสร้างภายนอกเซลล์แบคทีเรีย และ exopolymers พบว่าโครงสร้างภายนอกของเซลล์แบคทีเรีย และ exopolymers ที่มีการดูดซับแคดเมียมมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อเปรียบเทียบกับชุดควบคุมที่ไม่มีการดูดซับแคดเมียม สำหรับการศึกษาหมู่ฟังก์ชันของ exopolymers พบว่าหมู่ฟังก์ชันที่เป็นไปได้ บนผิวของ exopolymers ประกอบด้วย หมู่ไฮตรอกซิล หมู่เมทิล หมู่คาร์บอกซิล หมู่เอไมต์ และ C-H อย่างไรก็ตาม ไม่พบหมู่เมทิล หมู่คาร์บอกซิล หมู่เอไมด์ และ C-OH บนผิวของ exopolymers ที่ดูดซับแคดเมียมแล้ว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชั่นบนผิวของ Exopolymers เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างอิออนของแดดเมียมกับหมู่ฟังก์ชั่นเหล่านี้ จากผลการศึกษาประสิทธิภาพของเซลล์ Ralstonia sp. TAKI และ exopolymers ในการกำจัดอิออนของแคดเมียมสามารถนำไปสู่การประยุกต์ใช้เซลล์ Ralstonia sp. TAKI และ exopolymers ในการบำบัดแคดเมียมหรือโลหะหนักอื่นๆ ที่ปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมได้