KÖRNYEZETVÉDELEMBEN ÉS VÍZGAZDÁLKODÁSBAN ALKALMAZOTT BIOTECHNOLÓGIÁK Policiklusos aromás szénhidrogének: környezetszennyezés és biológiai helyreállítás Tárgyszavak: policiklusos aromás szénhidrogén; toxicitás; rákkeltő; biológiai lebontás; kemotaxis; génmódosított mikroorganizmus. A policiklusos aromás szénhidrogének (PAH) a szerves anyagok tökéletlen elégetésekor jutnak a környezetbe. Sok PAH és epoxidjai erősen mérgezők, mutagének és/vagy rákkeltők a mikroorganizmusokra, és a magasabb rendű szervezetekre, beleértve az embert is. A környezetből való eltávolításuk lehetőségei meglehetősen korlátozottak. A biológiai helyreállításhoz, a bioremediációhoz rendelkezésre állnak a mikroorganizmusok nagy potenciállal, de a hatékonyságuk növelésére módosítani kell ezeket a szervezeteket. A biológiai helyreállítás hatásfoka lényegesen javítható bizonyos tényezők, így pl. a biológiai hozzáférhetőség, az adszorpció és a tömegátvitel optimálásával. Az alábbiak a PAH-szennyezés és lebontás problémáival foglalkoznak, valamint a kapcsolatos bioremediációs erőfeszítésekkel. A környezetben számos policiklusos aromás szénhidrogén található (1. ábra), a szerves anyagok tökéletlen égésének következtében, emissziós forrásokból, gépkocsi kipufogógázokból, egyedi fűtésből, erdőtüzekből és élelmiszerekből. Néhány PAH-ot peszticidek, fungicidek, detergensek, festékek és molyirtó szerek előállításánál is felhasználnak.
Toxicitás Sok PAH mérgező, mutagén és/vagy rákkeltő hatású. Zsírban jól oldódnak, így egy sereg szövetben eloszlanak. Lebomlásuk oxidációval vagy hidroxilációval kezdődik. A keletkező epoxidok vagy fenolok ártalmatlaníthatók, egy részük viszont dihidrodiollá alakulhat, és diol- epoxiddá kapcsolódhat. A PAH-ok nagy részét a környezetre károsnak nyilvánították, és az EPA 16 PAH ártalmatlanításának elsőbbséget adott. A naftalin, a PAH-csoport első tagja az ivóvíz szokásos szennyező anyaga. A máj, vese molekuláihoz és a tüdő szöveteihez kovalensen kötődik, így elősegítve mérgező hatását. Az akut naftalinmérgezés vérszegénységhez és a vesemérgezéshez vezethet, a naftalin hatásának kitett személyeken bőr- és
szemkárosodások figyelhetők meg. A fenantrén fényérzékenyítő hatással van az emberi bőrre, és enyhe allergén és mutagén a baktériumrendszerekre, speciális körülmények között. Mivel a fenantrén az egyik legkisebb PAH, gyakran használják modellvegyületként a rákkeltő PAH-ok lebomlásának tanulmányozására. Bár a különböző PAH-okra vonatkozóan kevés az információ, néhányat már vizsgáltak, és elegendő bizonyíték van rákkeltő hatásukra. Ritkán fordulnak elő a természetben egyedül, rendszerint keverékek formájában találhatók, ahol a genotoxikus és rákkeltő hatás felerősödhet. Pl. a kipufogógázokban keletkező ketonok a levegőben lévő nitrogén-oxidokkal reagálva 1-nitro-pirén keletkezik, amely erősen mutagén és mérgező hatású.
naftalin (C10H8)
fenantrén (C14H10)
benz(a)pirén (C20H12)
antracén (C14H10)
pirén (C16H10)
koronén (C24H12)
1.ábra Néhány, a környezetben nagy mennyiségben előforduló policiklusos aromás szénhidrogén (PAH) szerkezete. Az ilyen PAH-ok az egyszerű naftalintól a komplex koronénig terjednek, a leggyakoribb szerves molekulák az űrben, az összes kozmikus szén 20%-át képezik
Biológiai lebomlás A PAH-ok mikrobiális lebomlásának első lépésében a dioxigenáz hatására két szénatom közé beépül egy oxigénatom a benzolgyűrűbe, és ciszdihidrodiol keletkezik, amely a dehidrogenáz hatására dihidroxilezett intermediert képez, amelyből gyűrűhasadással újabb intermedier keletkezik. Egy sor
naftalinbontó mikroorganizmust izoláltak, beleértve az Alcaligenes denitrificanst, Mycrobacterium sp.-t, Pseudomonas putidat, P. fluorescenset, P. paucimobilist, P. vesicularist, P. cepaciat, P. testosteronit, Rhodococcus sp.-t, Corynebacterium venalet, Bacillus cereust, Moraxella sp.-t, Streptomyces sp.-t, és mineralizációs hatásukat vizsgálták. Sok közlemény számol be a fenantrénlebontó baktériumokról is (Aeromonas sp., Alcaligenes faecalis, A. denitrificans, Arthrobacter polychromogenes, Beijerinckia sp., Micrococcus sp., Mycrobacterium sp., Pseudomonas putida, P. Paucimobilis, Rhodococcus sp., Vibrio sp., Nocardia sp., Flavobacterium sp., Streptomyces sp., és Bacillus sp.). Az elmúlt évtizedben jelentősen növekedtek a háromnál több gyűrűt tartalmazó PAH-ok biológiai lebontására vonatkozó kutatások. A négygyűrűs PAH-ok közül a fluorantén, a pirén, a krizén és a benzantracén biológiai lebomlását tanulmányozták. Néhány tanulmány az öt- és többgyűrűs PAH-ok lebomlásával foglalkozik, környezeti mintákban, valamint tiszta és kevert kultúrákban. Legtöbbet a benzpirénnel (BaP) foglalkoztak, de nem találtak olyan mikroorganizmust, amely a benzpirént fel tudná használni mint egyedüli szénés energiaforrást. Kismértékű BaP-lebomlást észleltek egy hatkomponensű PAH-keverékben; a Mycrobacterium sp. és az S. paucimobilis képes lebontani az ötgyűrűs PAH dibenz[a,b]antracént és benz[b]fluorantént 7,5%tól 33%-ig. További kutatásoknak kell fényt derítenie a mikrobiális kölcsönhatásokra a PAH-lebontó tásulásban, a gyűrűs szerkezetű PAH-ok lebomlásának irányító mechanizmusára, valamint a PAH-ok együttes biológiai lebomlására. A molekuláris biológia fejlődése segíthet a PAH-lebontó szervezetek kimutatásában környezeti mintákból. A DNS-DNS hibridizálást közvetlenül alkalmazták a környezeti mintákból gyűjtött populáció meghatározására. Két szerző aromás szénhidrogénnel szennyezett talajból két, különböző PAH katabolikus genotípust határozott meg kvantitatív, kompetitív PCR(QC-PCR) alkalmazásával. Jelenleg már sok PAH-bontó baktériumot izoláltak geográfiailag különböző helyekről, a 16S rRNS-szekvencia technikával.
Kemotaxis A mérgező vegyületek lebontásának fokozására egyik lehetőség a természetben a kemotaxis-stratégiák alkalmazása. Természetes környezetben azok a mikroorganizmusok, amelyek lebontóképességgel rendelkeznek és azon felül kemotaxist is mutatnak, hatékonyabbak, mint a nem kemotaktikus mikroorganizmusok. A kemotaxis komplex folyamat, amelyben a baktériummsejtek mérik speciális vegyszerek koncentrációváltozásait. A kemotaxis lehet pozitív, ekkor a mikroorganizmus a vegyület felé vándorol, és negatív, ekkor a mikroorganizmusok eltávolodnak a vegyülettől. Mindkét esetben a reagáló anyag koncentrációja megváltozik. A Pseudomonas putida kemotaxisa a naftalin és a szalicilátok felé plazmidkódolt jelenség. A kísérleti eredményekből következően a naftalin és/vagy
szalicilátok felé irányuló kemotaxis a sejtekben lévő energiaszint (redoxi) változásának köszönhető, amely jeleket ad a baktériumnak a kemotaktikus viselkedéshez. Más elképzelés szerint azért is lehet, mert az intracelluláris kémiai receptorok felismerik a szennyezőket vagy bomlástermékeiket, és kemotaktikus jelet adnak az organizmusnak. Ez az energiafüggő kemotaktikus válasz más mikrobákban is ismert, pl. az E. coliban és a Rhodobacter sphaeroidesben. Jelenleg is folynak kutatások annak eldöntésére, hogy ez a bomlás egyedül elegendő-e a kemotaxishoz, vagy plazmidkódolt kémiai receptor is részt vesz-e ebben a fiziológiai válaszban. További kutatómunkára van szükség annak megállapítására, hogy a szubsztrát metabolizmusa, vagy a szubsztrát kapcsolódása a kémiai receptorhoz a döntő kritériuma a kemotaxisnak. Várhatóan a kemotaxis jelensége nagy figyelmet kap majd a biológiai helyreállítás szempontjából.
Genetikailag módosított mikroorganizmusok (GEM) Elképzelhető, hogy a biokémiai reakcióutak enzimaktivitásának növekedésével perzisztens vegyületek fokozott lebontása érhető el a természetben. Számos olyan géntechnikai eszköz, mint pl. a génkonverzió, génkettőzés, -áthelyezés és biohordozók (plazmidok és transzpozonok), fontos szerepet kaphatnak a biológiai helyreállításban. Bizonyos mértékig már alkalmaztak molekuláris biológiai megközelítést a biológiai helyreállítás értékelésére és annak meghatározására, hogy milyen mértékben sikerült az ártalmatlanítás az érintett helyeken. A géntechnika segítségével kifejlesztettek olyan GEM-eket, amelyek képesek érzékelni a környezeti szennyeződést, és könnyen meghatározható jelekkel válaszolnak arra, pl. a biolumineszcenciával. Az ilyen GEM-ek a PAH-ok biológiai lebomlásának jelzésére is alkalmasak. A tudósok csak most kezdik felfedezni a mikroorganizmusok széles körű rugalmasságát az újonnan felfedezett módszerekkel, pl. új gének, enzimes és metabolikus utak a PAH-ok jobb biológiai lebontására.
Mikroorganizmusok terepi kísérletekben Az elmúlt évtizedben nőtt a kutatás a PAH-ok és hasonló vegyületek biológiai lebontásával kapcsolatban a környezetben. Számos, PAH-okat és fenolokat hasznosító mikroorganizmust alkalmaztak egy kreozotüzem szennyezett, PAH-tartalmú talajának ex situ kezelésére. Az alacsonyabb PAH-ok 82–97%ban lebomlottak, és a folyamatban előnyösnek találták a biológiai stimulációt. Különböző kémiai körülmények és tömegátviteli hatások mellett a helyszínen vizsgálták a kőszénkátránnyal szennyezett akvifer (víztároló) biológiai helyre-
állítását, hogy értékeljék a természetben előforduló mikroorganizmusok hatékonyságát. Egy öbölben kísérleti olajszennyeződés biológiai lebonthatóságát vizsgálták három különböző olajmintával. Egy alaszkai olajszennyeződést a természetben előforduló mikroorganizmusokkal kezeltek. A kísérletek szerint a biológiai lebontást számos (biotikus és abiotikus) tényező befolyásolta. Indiában egy kőolaj-finomító üzem szénhidrogén-szennyezett talaját öt természetes baktérium keverékével kezelték, és az eredményt értékelték. Kuvaitban PAH-szennyezett talajt kezeltek, a lebomlás 20–45%-os volt. A PAH-ok mineralizációja a talajban általában lassú, mivel a biológiai elérhetőséget a tömegátvitel korlátozza, az erős és irreverzibilis szorpció miatt. A korlátozott eredmények annak tudhatók be, hogy egyes helyek igen erősen szennyezettek, és a mikroorganizmusok nem tudnak olyan sebességgel szaporodni, mint ahogy bejuttatják azokat. A GEM-ek alkalmazása erősen szennyezett talajoknál hasznos lehet. A biodegradációs gének klónozásával növelhető a biológiai lebomlás hatásfoka, de a helyszíni alkalmazásuk előtt célszerű megvizsgálni stabilitásukat. A környezetbe bevitt GEM-ek mozoghatnak (levegő, víz, talaj), és ha megfelelőek a körülmények, megsokszorozódnak. A közeljövőben azonban a GEM-ek felhasználása akár in situ, akár ex situ helyreállítás során korlátozott, mivel még nem ismert eléggé viselkedésük, terjedésük, túlélésük, és a gének sorsának meghatározása és jelzése még nem megoldott.
Következtetések Földünk környezeti szennyezése ökológiai betegségnek tekinthető, a biológiai helyreállítás pedig „környezeti orvoslás”-nak. A szennyeződés utáni kezelést követően a biológiai helyreállítás megelőző gyógyításnak tekinthető a jövő szempontjából. A költséges, ökológiailag biztonságos és környezetileg egészséges terv elkészítése előtt azonban pontosan ismerni kell a lebontó organizmusok lelőhelyét, figyelembe véve, hogy a biológiai helyreállítás multidiszciplináris kezelési mód. A teljes helyszíni helyreállítás gyakran nehéz feladat, akár módosított, akár természetes mikroorganizmusokat használnak. (Szobor Albertné) Samanta, S. K.; Singh, O. V.; Jain, R. K.: Polycyclic aromatic hydrocarbons: environmental pollution and bioremediation. = Trends in Biotechnology, 20. k. 6. sz. 2002. p. 243–248. Stegeman, J. J.: Cytochrome P450 1A expression in mid water fishes: potential effects of chemical contaminants in remote oceanic zones. = Environmental Science and Technology, 35. k. 1. sz. 2001. p. 54–62. Lin, K.: Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emissions from a coal fired pilot FBC system. = Journal of Hazardous Materials, 84. k. 6. sz. 2001. p. 543–560.
Röviden… Antibiotikumokkal szemben ellenálló baktériumok csirkékben – országos vizsgálat az USA-ban Az USA-ban megjelenő, fogyasztói érdekeket védő Consumer Report saját vizsgálati eredményei alapján közli, hogy a kórokozó Salmonella és Campylobacter ritkábban fordul elő ugyan áruházi csirkékben, mint hat évvel ezelőtt, a legújabb országos vizsgálatból kimaradt törzsek nagy valószínűséggel ellenállnak az ismert antibiotikumnak. A két baktérium egyike 1997 óta, 35%-os általános csökkenése ellenére a csirkék 50%-ában kimutatható, és ami a legveszélyesebb: az állatokból kitenyésztett – Campylobacter baktériumok 90%-a, – Salmonellák 34%-a érzéketlen a leggyakrabban használt antibiotikumokkal szemben. Ez azt jelenti, hogy azok, akik nem eléggé megfőzött csirkétől vagy nyers csirkehússal érintkező élelmiszertől betegedtek meg, nehezebben gyógyulnak, vagy betegségük a szokásosnál súlyosabb lefolyású lehet. Az orvosnak több antibiotikumot kell felírnia, amíg egy hatásosat talál. Az amerikai csirkefarmokon rendszeresen használnak antibiotikumokat megelőzésként és a növekedés gyorsítására. Feltételezik azonban, hogy ez a gyakorlat, az embergyógyászati túlhasználattal együtt, rezisztens baktériumok kifejlődéséhez vezet. Ebből az okból szüntette meg az ágazat két nagy cége, a Tyson Foods és a Perdue Farms a csirkefarmokon használt antibiotikumosztály, a fluorkinolonok adagolását. A Consumer Report közleményének megjelenése után az Országos Csirketenyésztési Tanács körlevélben szólította fel az ágazat termelőit kevesebb antibiotikum használatára. Az újság pedig a szövetségi kormányt sürgeti, hogy kísérje figyelemmel az élelmezést szolgáló állatokkal megetetett antibiotikumokat, továbbá tiltsa el szigorú ellenőrzés mellett ezeknek a gyógyászati jelentőségű hatóanyagoknak a szubterápiás használatát az állattartásban. Tanulmányukban a Consumer Report munkatársai négy nagy termelőtől származó 484 friss csirkét vizsgáltak meg 25 város üzleteiben. Erről készült az első fogyasztói jelentés az USA Mezőgazdasági Minisztériuma (USDA) részéről a szarvasmarhára és baromfira bevezetett HACCP (Hazard Analysis and Critical Contol Points, veszélyelemzés és kritikus ellenőrzési pontok) program indulása óta. Az USA-ban hivatalos becslés szerint 30 000–40 000 az évi salmonellosis és campylobacteriosis esetek száma, ebből a halálos kimenetelűeké ugyancsak évente 580, ill. 100. (Food Processing, 64. k. 1. sz. 2003. p. 12.)
