KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS REMEDIÁCIÓ 1. Mikroorganizmusok jelentősége 2. Biodegradáció talajban
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • Biogeokémiai ciklusok és a bioszféra állandósult állapotának fenntartása • Lebontó folyamatok: az elhalt állatok és növények szerves anyagainak lebontása (szén körforgása) + szennyezőanyagok lebontása (biodegradáció) • A levegő nitrogénjének hasznosítása (növények és állatok számára nem hasznosítható): baktériumok képesek annak fixálására (nitrogén körforgása)
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • Együttélés magasabb rendű élőlényekkel • Növények, állatok, ember egészségét befolyásolják • A normál flóra és a kórokozók között pedig kompetíció.
Forrás: http://serc.carleton.edu/microbelife/topics/m arinesymbiosis/squid-vibrio/index.html
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • • • •
Tudatos gyakorlati felhasználás: élelmiszeripar (kenyér, bor, sör, sajt, szalámi stb.), gyógyszeripar (antibiotikumok, oltóanyagok) bioremediáció (biodegradáción alapuló remediáció) biológiai szennyvíztisztítás…
Forrás: http://www.alken-murray.com/clearflo.htm, http://biomineralsystems.com/e1.php
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • Modell- és tesztorganizmusok tudományos kutatásokban (biokémia, genetika, toxikológia molekuláris biológia) • Egyszerűen, gyorsan szaporíthatók, nagy méretű populációk • Viszonylag olcsó és jól reprodukálható kísérletek
Forrás: http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/Bi ologyPages/Y/Yeast.html
A környezeti mikrobiológia
• A mikroorganizmusok szerepe a földi ökológiai rendszerekben, különös tekintettel a biogeokémiai ciklusokban és a táplálékláncokban •A biomérnök ill. az ökomérnök célja, hogy a mikroorganizmusokat és végtelen genetikai és biokémiai potenciáljukat a fenntartható fejlődés, a megújuló források hasznosítása, a hulladék-kezelés és hasznosítás, a földi ökoszisztéma védelme, elsősorban az ökoszisztémát globálisan veszélyeztető vegyi szennyezőanyagok kockázatának csökkentése szolgálatába állítsa.
BIOREMEDIÁCIÓ
BIODEGRADÁCIÓ Biológiai kioldás
Biológiai stabilizáció
Mikroorganizmusok, növények, állatok
Biodegradáció • A talajban élő mikrobaközösségek és magasabb rendű élőlények finom egyensúlya szezonálisan bekerülő szerves anyagok ( „hulladékok”) mineralizációja
• Hulladékok (szennyezőanyagok) elbontása • Soklépéses bontó folyamat a (toxikus) szennyezőanyagok lebomlása, ártalmatlanítása
• Szerves szennyezőanyagok biodegradációja: a szerves szennyezőanyag komplexitásának csökkentése, vagy teljes lebontása, mineralizációja biológiai hatásra • Aerob v. anaerob
Biodegradáció Élőlények biodegradáló hatás kifejtése: közvetlen vagy közvetett módon • Közvetlen biológiai bontás: a biodegradálható szerves anyag szubsztrátként szolgál A bontható vegyületből enzimek segítségével energiatermelés (katabolizmus) • Kometabolizmus: egy tápanyagul nem szolgáló szubsztrát átalakulása, egy másik tápanyagul szolgáló szubsztrát átalakulásával egybekötve • Exoenzimek • Hasznosítása: szennyvíztisztítás, komposztálás, talajremediáció, enzimtechnológiák stb.
Szerves szennyezőanyagok a talajban 1. Formáik: gáz- vagy gőzforma, vízben oldott vagy emulgeált
és szilárd
A gáz és gőzformájú a talajgázban, szorpcióval a szilárd felülethez kötődve
vagy
A folyékony halmazállapotú gőzformában vagy a talajnedvességben illetve a talajvízben oldva, folyadékfilm formájában, a szilárd fázishoz kötődve, vagy különálló fázisként A szilárd fázisú a.) talajszemcsékhez keveredve, b.) szilárd szemcsék felületéhez kötve szorpcióval c.) mátrixba kötődve különféle erőkkel (pl. a humuszba épülve)
Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban 1. A szerves szennyezőanyagok biodegradálódhatnak a talajban, ill. mineralizálódhatnak (energia termelődik; C, N és P tartalmuk pedig ismét felhasználhatóvá válik) •Kometabolizmus •Perzisztencia
•Beépülés a biomasszába •Beépülés a táphumuszba
Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban 2. •Beépülés a szerkezeti humuszba •Fosszilizálódhatnak Természetes koncentrációcsökkenés kémiai folyamatok során: - Hidrolízis: a szerves anyag reakcióba lép a vízzel és alkohol képződik. - Szubsztitúció: nukleofil ágenssel (anionnal) lép reakcióba a szerves anyag.
- Elimináció: a szerves vegyület funkciós csoportjai leszakadnak, majd kettős kötés alakul ki. - Oxidáció/redukció: elektron transzport valósul meg a reakcióban résztvevő komponensek között.
Szénhidrogénbontó mikroorganizmusok • A szerves szennyezőanyagokat a mikroorganizmusok elektrontranszport folyamatban oxidálják. • Elsődleges biodegradáció
• Teljes biodegradáció végtermék: CO2, H2O és biomassza • Szénhidrogénbontó mikroorganizmusok: talajban élő baktériumok Pseudomonas, Arthrobacter, Acinetobacter, Bacillus, Nocardia, Flavobacterium, Alcaligenes; olajbontó gombák az Aspergillus, Mucor és Rhisopus • Szénhidrogén-degradációt katabol plazmidok
katalizáló
enzimet
kódoló
Szennyezőanyagok biodegradációja Kőolajszármazékok és xenobiotikumok
Összetétel változó, függ a lelőhelytől
Szénhidrogének és xenobiotikumok lebontása • Aerob vagy anaerob
• Szükséges idő: napoktól évtizedekig • Mikroorganizmusok enzimreakciók: - oxidáció és redukció - észterhidrolízis, - dealkilezés, - gyűrűhasadás vagy gyűrűhidrolízis. • A domináló reakciótípus függ mind az szénhidrogénszennyezés típusától, a szénhidrogén összetételétől, mind pedig a lebontásban résztvevő mikroszervezet enzimkészletétől… • Enzimek: oxigenázok (monooxigenáz, dioxigenáz); dehidrogenáz; hidroláz; izomeráz és transzferáz
Az alkánok lebontásának biokémiai útjai
Aromás szénhidrogének gyűrűhasadása
benzol
dioxetan
benzol-dihidrodiol
pirokatechin
Aromások lebontása (1) benzol monooxigenáz vagy
dioxigenáz (2) pirokatechin-1,2 dioxigenáz (3) muronsav laktonizáló enzim (4) mukonolakton izomeráz (5) 4-oxoadipát-enollakton hidroláz (6) oxadipát-szukcinil-KoA transzferáz (7) pirokatechin 2,3-dioxigenáz (8) hidroximukonsav-szemialdehid hidroláz (9) oxo-penta-4-enolsav hidroláz (10) 4-hidroxi-2-oxo-valeriánsav aldoláz
Aromások anaerob lebontása • Inert vegyületek (toluol,
fenol) hidratálással, dehidrogénezéssel és dekarboxilezéssel aktivált központi metabolittá (benzoil-KoA) alakíthatók. • A gyűrű protonelvonással dearomatizálható. • Végül hidrolítikus gyűrűhasadás, és a lebontás ß-oxidációval megy végbe.
Policiklikus aromás szénhidrogének és mikrobiális bontásuk • • • • •
A levegőben, talajban, üledékekben, felszíni-, és talajvízben Vízoldékonyságuk csekély, szerves oldószerekben jól oldódnak Oxidációval, redukcióval szembeni ellenállóak Többségük karcinogén Nem biológiai jellegű eltávolításuk: volatilizáció, fotooxidáció, kémiai oxidáció, adszorpció • Gyenge biológiai hozzáférhetőség – Gram+, Gram- baktériumok: Pseudomonas, Sphingomonas, Acinetobacter, Rhodococcus és Mycobacterium fajok…; – gombák: Phanerochaete chrysosporium, Cunninghamella elegans…
A fenantrén bakteriális lebontása
•Dioxigenázok és dihidrogenázok reakciója az egyik gyűrűn •Extradiol gyűrűhasadás
Xenobiotikumok Halogén tartalmú vegyületek mikrobiális bontása • Xenobiotikumok: a környezet, a természet számára idegenek, antropogén eredetű anyagok • Pl. oldószerek, vegytisztítószerek, peszticidek • Vízben nem, vagy nagyon rosszul oldhatók » Ellenállnak a mikrobiális lebontásnak • Előnyös tulajdonságaik a visszájára fordultak » Toxikusak » Fő probléma, hogy nehezen hozzáférhetők • Bontás lehet : biotikus és abiotikus • Ellenálló molekulák …DE! • Számos mikroorganizmus képes bontani megfelelő körülmények között
Alifás klórozott szénhidrogének •A metanotróf baktériumok a metánmonooxigenáz enzim segítségével bontják pl. a triklóretilént, és még egy sor más klórozott szénhidrogént (pl. cisz- és transz-diklóretilén). Aerob lebontás: az epoxi-képzés kulcsreakcióját a (1) a metánmonooxigenáz katalizálja. Az instabil molekula extracellulárisan szétdarabolódik •Anaerob lebontás: reduktív dehalogénezéssel különböző anaerob baktériumok. Végeredménye a deklórozott alkán és sósav. A folyamat során a klór az elektron-akceptor.
Monoaromások dehalogénezése
•A: Deklórozás gyűrűhasadás után
•B: Oxidatív dehalogénezés •C: Hidrolitikus dehalogénezés •D: Reduktív dehalogénezés
Klórfenolok bontása 1.
Oxidatív deklórozás Deklórozás gyűrűhasadás után
A – 4-klórkatechol B – 4-klórfenol
Klórfenolok bontása 2.
PCP anaerob biodegradációja •Reduktív deklórozás •Anoxikus körülmények a talaj mélyebb rétegeiben, és az üledékben • A hidroxilcsoporthoz képest orto- helyzetben lévő klóratomok könnyebben eltávolíthatók
Herbicidek lebontása: 2,4-diklór-fenoxi-ecetsav (1) 2,4-D monooxigenáz (2) 2,4-diklór-fenol hidroxiláz (3) 3,5-diklór-pirokatechin dioxigenáz, (4) 2,4-diklór-mukonsav cikloizomeráz (5) transz-klór-dién-lakton izomeráz, (6) klór-dién-lakton hidroláz (7) klór-maleil-ecetsav reduktáz
A 2,4-D (perzisztens herbicid) lebontására pJP4 plazmidot hordozó baktérium törzs képes.
Toxikus metabolitok 1. • Triklóretilénből vinilklorid • Triklóretilénből klorálhidrát (2,2,2-triklóracetaldehid), mely toxikus, mutagén és alkohollal együtt eszméletlenséget okoz. • Szekunder aminokból nitrózaminok, melyek toxikusak, mutagének és teratogének már igen kis koncentrációkban. • Trimetilaminból dimetilamin • Szekunder aminok nitrittel N-nitrozó aminokká alakulnak • Epoxidok képződése, pl. aldrinból dieldrin • Fenoxi-alkán-savak átalakulása fenoxiecetsavvá • Paration és dimetoát kénjének helyettesítése oxigénnel
Toxikus metabolitok 2. • • • •
Tioéterek oxidációja szulfoxidokká és szulfonokká Nonilfenol polietoxilát átalakulása 4-nonilfenollá Észterek hidrolízise Peroxidáció: 3,4,5- és 2,4,5-triklórfenolból 2,3,7,8-tetraklór-pdibenzodioxin (TCDD) • Dimerizáció: 3,4-diklóranilinből 3,4,3’,4’-tetraklór-azobenzol. • Pirénből 1,6- és 1,8-dihidroxipirén, mely magasabb rendűekre is toxikus • O-metilezés (2,4-D): pl. klórgvajakolt eredményez, mely halakra erősen toxikus termék • Higanyból metilhigany, kadmiumból, arzénből (monometilarzin, dimetilarzin, arzin, metilarzon-sav, dimetilarzinsav, trimetilarzin) illékony metilezett termékek, ónból metilált ón keletkezik • Demetilezés, pl. difenamidból 2,2-difenilacetamid • Anaerob mikrobiológiai átalakulások: RDXből (robbanószer) dimetilhidrazin. ……
ADATBÁZIS Biodegradációs útvonalak
UM-BDD University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database. Microbial biocatalytic reactions and biodegradation pathways. http://eawag-bbd.ethz.ch/ • 215 – 218 →219 útvonal • 1482 - 1495 →1503 reakció • 1372 - 1386 →1396 vegyület • 981 - 984 →993 enzim • 534 →543 mikroorganizmus… •Lebontási útvonalak grafikusan is
Biodegradáció Mikrobiológiai folyamatok • A mikroorganizmusok degradáló képessége és hatékonysága függ a vegyi anyag szerkezetétől, összetételétől, illetve a hozzáférhetőségétől.
• A szerves vegyületnek fizikailag, kémiailag diszpergáltnak kell lennie vízben azért, hogy a mikrobák számára hozzáférhetőek legyenek. Ezt biotenzidek biztosítják. •BIOTENZIDEK
Biotenzidek A biotenzidek csökkentik az olajcseppek felületi feszültségét, így mikrocseppek jönnek létre, amiket egy biotenzid réteg vesz körül. Ebben az emulgeált formában jutnak a sejt felületére, és lépnek kapcsolatba a sejtmembránnal.
Kometabolizmus (Kooxidáció) A mikroorganizmus számára tápanyagul nem szolgáló szubsztrát (koszubsztrát) módosulása, lebontása egy másik, tápanyagul szolgáló szubsztrát átalakulásával egybekötve. Ezt a terméket a mikróba nem hasznosítja. Az enzimek tágabb szubsztrátspecifitásán alapul: az enzim hasonló szerkezetű és méretű idegen anyagot is elfogad, elvégzi rajta az átalakítást, de a termék nem jut tovább az anyagcsere kapcsolódó reakcióiba (energiatermelés, bioszintézis).
Jelentősége perzisztens vegyi anyagok biodegradációja elérhető megfelelő energiaadó szubsztrát alkalmazásával. Sok xenobiotikum biodegradációjának bevezető lépése: Klórfenolok bontása (3,4-diklórfenol bontása Penicillium frequentans fonalas gombával fenol jelenlétében) 2,4,6-trinitro-toluol többlépéses kometabolizmussal történő bontása
A kometabolizmus elve a 3,4-diklórfenol példáján
Kometabolizmus: TCE (triklóretilén) Biodegradáció kometabolizmussal, oxigenáz reakció Cl
Cl
+ O2 + NADH+H+
C
C C Cl
H
O
Cl
Cl
Cl CO + HCOOH + Cl2CHCOOH
C H
NAD+ + H2O
Mindez a metanotróf baktériumban: Növekedési szubsztrát CH4 CH4
NADH O2 H2O
NAD+
Metánmonooxigenáz
CH3OH
Köztes metabolizmus szaporodás
Cl
Cl C C H
Cl TCE O
Cl C
Cl C
H Cl TCE epoxid
formiát, CO,diklóracetát,glioxilát
Konzorcium • Biokémiai átalakítások: több száz baktérium egymásra épülő tevékenysége • Két baktérium konzorciuma: a paration nevű inszekticid mineralizációja két Pseudomonas faj együttes tevékenységének eredménye
Biodegradáció-redoxviszonyok
A biodegradálhatóság és a jellemző biodegradációs folyamatok függése a redoxviszonyoktól különböző szennyezőanyagok esetén (Middeldorp et al. 2002)
A xenobiotikumok mikrobiológiai bontásának összegzése
IRODALOM •Alvarez-Cohen L, Speitel Jr GE (2001) Kinetics of aerobic cometabolism of chlorinated solvents. Biodegradation 12:105-126 •Alvarez PJJ, Illman WA (2006) Bioremediation and Natural Attenuation. Wiley-Interscience, New Jersey •Crawford RL (2002) Biotransformation and biodegradation. In: Hurst CJ, Crawford RL, Knudsen GR, McInerney MJ, Stetzenbach LD (eds) Manual of Environmental Microbiology, 2nd edn. ASM Press, Washington •Fritsche W, Hofrichter M (2008) Aerobic Degradation by Microorganisms. In: HJ Rehm, Reed G (eds) Biotechnology: Environmental Processes II, Volume 11b, Second Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim •Jördening H-J, Winter J (2005) Environmental biotechnology. Concepts and application. Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim •Mulligan CN (2005) Environmental applications for biosurfactants. Environ Pollut 133(2): 183–198 •Pavan M, Worth AP (2006) Review of QSAR models for ready biodegradation. EUR 22355 EN Report. European Commission Directorate, General Joint Research Centre, Institute for Health and Consumer Protection, Ispra, Italy •Schink B (2005) Principles of anaerobic degradation of organic compounds. In: Jördening HJ, Winter J (eds) Environmental Biotechnology. Concepts and Application. Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim •Swartjes FA (2011) Dealing with contaminated sites. From theory towards practical application. Springer, Dordrecht •UM-BDD University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database. Microbial biocatalytic reactions and biodegradation pathways. http://umbbd.msi.umn.edu/
