مدیریت اراضی

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اطلاعات آماری نشریه

اخبار و اعلانات

فرم تعارض منافع

دستورالعمل ارجاعدهی

راهنمای نگارش مقاله

فرم تعهدنامه

عضویت و راهنمای Publons

داوران

جداسازی ، غربالگری و شناسایی مولکولی باسیلوس های تولید کننده آنزیم اوره آز از اراضی بایر جنوب ‏ایران و بررسی توانایی آنها در تثبیت خاک ‏

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکترای مدیریت حاصلخیزی و زیست‌فناوری خاک، گروه خاک‌شناسی، واحد مرودشت، دانشگاه آزاد اسلامی، مرودشت، ایران.

2 استاد گروه خاک‌شناسی، واحد مرودشت، دانشگاه آزاد اسلامی، مرودشت، ایران.

3 استاد گروه میکروبیولوژی، دانشکده علوم پایه، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران.

4 استادیار گروه زیست‌شناسی، واحد مرودشت، دانشگاه آزاد اسلامی، مرودشت، ایران.

چکیده

اوره آز میکروبی کاربردهای گسترده ای در بیوتکنولوژی، کشاورزی، پزشکی، ساخت و ساز و مهندسی ژئوتکنیک دارد. فناوری ‏رسوب کلسیت به واسطه تحریک میکروبی (‏ MICP‏ ) یک فرآیند اکولوژیکی مبتنی بر فعالیت اوره آز میکروبی است که به ‏تازگی برای تثبیت خاک استفاده شده است. باسیلوس به دلیل قابلیت فروگشت و بقای بالا به عنوان کاندید مناسب برای کاربرد در ‏فرآیند سیمانی شدن زیستی در نظر گرفته شده است. هدف از مطالعه حاضر جداسازی و شناسایی گونه‌های باسیلوس با پتانسیل ‏MICP‏ از اکوسیستم‌های ایران می‏باشد. ‏200 نمونه خاک از اکوسیستم‌های ایران جمع آوری شد و جهت شناسایی باسیلوس‏ها ‏توسط روش های میکروبیولوژیکی فیزیولوژیک و مولکولی از جمله تکثیر ‏PCR‏ و آنالیز توالی ژن های ‏gyrA‏ و ‏‎16S rRNA‎‏ ‏مورد بررسی قرار گرفتند. برای تعیین توانایی تولید سیمان زیستی سویه‏ها، از آزمایشهای رشد در حضوراوره، شوری، ‏pH‏ و ‏دماهای مختلف، ‏SEM، ‏XRD‏ بر روی خاکهای تثبیت شده با سویه ها و آنالیز تونل باد استفاده شد. در مجموع 12 سویه (6%) به ‏عنوان باسیلوس اوره‏آز مثبت شناسایی شد که متعلق به 4 گونه مختلف شامل باسیلوس پارامایکوئیدس 4 سویه(%33/33)، باسیلوس ‏پارالیکنیفورمیس 3 سویه (% 25)، باسیلوس ولزنسیس‏3 سویه(% 25)‏ و باسیلوس پاستوری 2 ایزوله(%66/16) بودند. شرایط بهینه ‏برای ‏MICP‏ توسط سویه ها 30 درجه سانتی گراد، ‏pH9‎‏ و شوری6% است. پس از ‏MICP، نسبت تلفات خاک در سرعت باد 95 ‏کیلومتر در ساعت، 100 برابر کاهش نشان داد. نتایج نشان داد که باسیلوسها، توانایی بالقوه ای برای سازگاری با شرایط سخت ‏محیطی را دارند، همچنین می توان با استفاده از باسیلوسهای تولید کننده ‏MICP‏ در سطح خاک تأثیر به سزایی در کاهش تلفات ‏خاک در اثر فرسایش بادی و افزایش کیفیت آن جهت کشاورزی را دست یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Isolation, screening and molecular identification of bacilli producing urease enzyme from the ‎barren lands of southern Iran and analyzing their ability to stabilize the soil

نویسندگان [English]

  • Somayeh Fazelikia 1
  • Seyed Ali Abtahi 2
  • Mohamad Kargar 3
  • Mojtaba Jafarinia 4

1 Ph.D. graduate, Soil fertility and biotechnology management, Department of Soil Sciences, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran.

2 Professor, Department of Soil Sciences, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran.‎

3 Professor, Department of Microbiology, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran.

4 Assistant Prof., Department of Biology, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran.

چکیده [English]

Microbial urease has specific applications in biotechnology, agriculture, medicine, construction ‎and geotechnical engineering. MICP technology is an ecological process based on microbial ‎urease activity that has recently been used for soil stabilization. Due to its catabolic ability and ‎high survival, Bacillus is considered as a suitable candidate for use in the biocementation ‎process. The aim of this study was isolating and identifying Bacillus with MICP potential from ‎various ecosystems of Iran.200 environmental samples were collected from the ecosystems of ‎Iran and were analyzed by microbiological and molecular methods including PCR amplification ‎and sequence analysis of gyrA and 16S rRNA genes in order to isolate and identify bacilli. ‎Growth in presence of urea, salinity, pH and different temperatures, SEM, XRD and wind ‎tunnel analysis were used to determine the ability of isolates to produce biocement. A total of ‎‎12 isolates(6%) were identified as urease-positive bacilli belonging to 4 different species, ‎including 4 isolates of Bacillus paramycoides(33.33%), 3 isolates of Bacillus ‎paralicheniformis(25%), and 3 isolates of Bacillus velezensis. isolate(25%) and Bacillus ‎Pasteuri 2 were isolated(16.66%). The optimal conditions for MICP by isolates are 30°C, pH 9 ‎and salinity 6%. After MICP, the ratio of soil loss in the flow rate of 95 km/h showed a 100-‎fold decrease. In conclusion, the results showed that bacilli have the potential ability to adapt to ‎harsh environmental conditions. Also, by using MICP-producing bacilli on the soil surface, we ‎can have a significant effect in reducing soil losses due to erosion.‎

کلیدواژه‌ها [English]

  • biocement
  • bacillus
  • urease
  • soil improvement&lrm
مراجع
  1. Mozaffari H, Rezaei M, Ostovari Y. Soil sensitivity to wind and water erosion as affected by land use in southern Iran. Earth. 2021;2(2):287-302.
  2. Vågen T-G, Winowiecki LA. Predicting the spatial distribution and severity of soil erosion in the global tropics using satellite remote sensing. Remote Sensing. 2019;11(15):1800.
  3. Kopittke PM, Menzies NW, Wang P, McKenna BA, Lombi E. Soil and the intensification of agriculture for global food security. Environ Internat. 2019;132:105078.
  4. Farashi A, Shariati M. Biodiversity hotspots and conservation gaps in Iran. J nature conserv. 2017;39:37-57.
  5. Mohammadi S, Balouei F, Haji K, Khaledi Darvishan A, Karydas CG. Country-scale spatio-temporal monitoring of soil erosion in Iran using the G2 model. Internat J Digital Earth. 2021;14(8):1019-39.
  6. Patault E, Ledun J, Landemaine V, Soulignac A, Richet J-B, Fournier M, et al. Analysis of off-site economic costs induced by runoff and soil erosion: Example of two areas in the northwestern European loess belt for the last two decades (Normandy, France). Land Use Policy. 2021;108:105541.
  7. Castro-Alonso MJ, Montañez-Hernandez LE, Sanchez-Muñoz MA, Macias Franco MR, Narayanasamy R, Balagurusamy N. Microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) and its potential in bioconcrete: microbiological and molecular concepts. Frontiers in Materials. 2019;6:126.
  8. Kalkan E. A Review on the Microbial Induced Carbonate Precipitation MICP for Soil Stabilization. Internat J Earth Sci Knowl Applic. 2020;2(1):38-47.
  9. Mutitu KD, Munyao MO, Wachira MJ, Mwirichia R, Thiong'o KJ, Marangu MJ. Effects of biocementation on some properties of cement-based materials incorporating Bacillus Species bacteria–a review. J Sust Cem-Bas Mater. 2019;8(5):309-25.
  10. Celandroni F, Vecchione A, Cara A, Mazzantini D, Lupetti A, Ghelardi E. Identification of Bacillus species: Implication on the quality of probiotic formulations. PloS one. 2019;14(5):e0217021.
  11. Davarpanah M, Azadi D, Shojaei H. Prevalence and molecular characterization of non-tuberculous mycobacteria in hospital soil and dust of a developing country, Iran. Microbiology. 2019;165(12):1306-14.
  12. Liu Y, Stefanic P, Miao Y, Xue Y, Xun W, Shen Q, et al. Housekeeping gene gyrA, a potential molecular marker for Bacillus ecology study. bioRxiv. 2022.
  13. Catia A, Miranda C, Martins OB, Clementino MM. Species-level identification of Bacillus strains isolates from marine sediments by conventional biochemical, 16S rRNA gene sequencing and inter-tRNA gene sequence lengths analysis. Antonie van Leeuwenhoek. 2008;93(3):297.
  14. Azadi D, Shojaei H. Biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons, phenol and sodium sulfate by Nocardia species isolated and characterized from Iranian ecosystems. Scientific reports. 2020;10(1):1-12.
  15. Jeon Y-S, Chung H, Park S, Hur I, Lee J-H, Chun J. jPHYDIT: a JAVA-based integrated environment for molecular phylogeny of ribosomal RNA sequences. Bioinformatics. 2005;21(14):3171-3.
  16. Almajed A, Tirkolaei HK, Kavazanjian E, Hamdan N. Enzyme induced biocementated sand with high strength at low carbonate content. Scientific reports. 2019;9(1):1-7.
  17. Whiffin VS, Van Paassen LA, Harkes MP. Microbial carbonate precipitation as a soil improvement technique. Geomicrobiology Journal. 2007;24(5):417-23.
  18. Achal V, Mukherjee A, Basu P, Reddy MS. Strain improvement of Sporosarcina pasteurii for enhanced urease and calcite production. J indus Microbiol Biotechnol. 2009;36(7):981-8.
  19. Gowthaman S, Iki T, Nakashima K, Ebina K, Kawasaki S. Feasibility study for slope soil stabilization by microbial induced carbonate precipitation (MICP) using indigenous bacteria isolated from cold subarctic region. applied sciences. 2019;1(11):1-16.
  20. Ivanov V, Chu J. Applications of microorganisms to geotechnical engineering for bioclogging and biocementation of soil in situ. Rev Environ Sci BioTechnol. 2008;7(2):139-53.
  21. Afrin H. A review on different types soil stabilization techniques. Internat J Transport Engin Technol. 2017;3(2):19-24.
  22. Anbu P KC, Shin YJ, So JS. . . Formations of calcium carbonate minerals by bacteria and its multiple applications. Springerplus. 2016 5(1):1-26.
  23. Seifan M, Berenjian A. Microbially induced calcium carbonate precipitation: a widespread phenomenon in the biological world. Appl microbiol biotechnol. 2019;103(12):4693-708.
  24. Stabnikov V, Jian C, Ivanov V, Li Y, Biotechnology. Halotolerant, alkaliphilic urease-producing bacteria from different climate zones and their application for biocementation of sand. World Journal of 2013;29(8):1453-60.
  25. Xu J. Microbial ecology in the age of genomics and metagenomics: concepts, tools, and recent advances. Mol Ecol. 2006;15(7):1713-31.
  26. Elmanama AA, Alhour MJJoAS. Isolation, characterization and application of calcite producing bacteria from urea rich soils. Engineering Research. 2013;3(4):388-99.
  27. Ramanathan G, Kumar TV, Rama R, Vijayalalitha R. Isolation of cement degrading bacteria and screening of their efficacy for biocementation. Pharm Chem Biol Sci. 2016;3:518-27.
  28. Anitha V, Abinaya K, Prakash S, Seshagiri Rao A, Vanavil. Bacillus cereus KLUVAA mediated biocement production using hard water and urea. Chemical biochem engin q. 2018;32(2):257-66.
  29. Burbank MB, Weaver TJ, Williams BC, Crawford RLJGJ. Urease activity of ureolytic bacteria isolated from six soils in which calcite was precipitated by indigenous bacteria. Geomicrobiol J. 2012;29(4):389-95.
  30. Šovljanski O, Pezo L, Stanojev J, Bajac B, Kovač S, Tóth E, et al. Comprehensive profiling of microbiologically induced CaCO3 precipitation by ureolytic Bacillus isolates from alkaline soils. Microorganisms. 2021;9(8):1691.
  31. Yang Y, Chu J, Cao B, Liu H, Cheng L. Biocementation of soil using non-sterile enriched urease-producing bacteria from activated sludge. J Clean Produc. 2020;262:121315.
  32. Sohail MG, Al Disi Z, Zouari N, Al Nuaimi N, Kahraman R, Gencturk B, et al. Bio self-healing concrete using MICP by an indigenous Bacillus cereus strain isolated from Qatari soil. Construction and Building 2022;328:126943.
  33. Mutitu KD, Munyao MO, Wachira MJ, Mwirichia R, Thiong'o KJ, Marangu MJ. Effects of biocementation on some properties of cement-based materials incorporating Bacillus Species bacteria–a review. Journal of Sustainable Cement-Based Materials. 2019;8(5):309-25.
  34. Bibi S, Oualha M, Ashfaq MY, Suleiman MT, Zouari N. Isolation, differentiation and biodiversity of ureolytic bacteria of Qatari soil and their potential in microbially induced calcite precipitation (MICP) for soil stabilization. RSC Advances. 2018;8(11):5854-63.
  35. Fu T, Saracho AC, Haigh SK. Microbially induced carbonate precipitation (micp) for soil strengthening: a comprehensive review. Biogeotechnics. 2023:100002.
  36. Chen L, Song Y, Huang J, Lai C, Jiao H, Fang H, et al. Critical review of solidification of sandy soil by microbially induced carbonate precipitation (MICP). Crystals. 2021;11(12):1439.
  37. Skevi L, Reeksting BJ, Hoffmann TD, Gebhard S, Paine K. Incorporation of bacteria in concrete: The case against MICP as a means for strength improvement. Cement and Concrete Composites. 2021;120:104056.
  38. Mondal S, Ghosh AD. Review on microbial induced calcite precipitation mechanisms leading to bacterial selection for microbial concrete. Construction and Building Materials. 2019;225:67-75.
  39. Al-Thawadi SM. High strength in situ biocementation of soil by calcite precipitating locally isolated ureolytic bacteria. Ph.D. thesis. Perth Western Mudroch University; 2008, 264.
  40. Hazirei F, Zare Ernani M. Investigation of effect of clay-lime mulch for sand dunes fixation. Water and Soil. 2013 Jun 22;27(2):373-80.

 

مدیریت اراضی
دوره 11، شماره 2
دی 1402
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار