Amit a biofilmekről kémikusként tudnunk kell

Átírás

1 Amit a biofilmekről kémikusként tudnunk kell Záray Gyula professor emeritus Környezettudományi Kooperációs Kutató Központ Alkímia ma előadássorozat november 17.

2 Tartalom Biofilmek definíciója Biofilmek előfordulása Biofilmek kialakulása vízi környezetben és szájüregben Biofilmek hasznosítása - biomonitorálás - szennyvíztisztítás Biokorrózió

3 Biofilmek: mikroorganizmusok (baktériumok, algák, gombák) erősen hidratált biopolimer mátrixban Extracelluláris polimeranyagok (EPS) Poliszacharidok, proteinek, glikoproteinek, lipidek foszfolipidek, glikolipidek és nukleinsavak Hidrogél Nem specifikus vegyületek pl. cellulóz, dextrán, alginát Specifikus vegyületek (adott mikroorganizmusra jellemző) A biofilmek TOC-tartalma 50-90%.

4 Biofilmek előfordulása Folyók, tavak, tengerek vizében lévő természetes eredetű, biológiai (pl. nád, hínár, kagyló) és szervetlen anyagok (pl. kőzetek, hídpillérek), vagy mesterségesen előállított hordozók (műanyag és fém hajótestek) felületén Ipari vízrendszerekben (vízvezetékek, tartályok, víztisztítók, pl. szűrők, ioncserélők, szennyvíztisztítók) Szájüregben és beépített orvosi eszközökön (katéterek, implantátumok) Uszodákban, wellness centrumokban Háztartásokban (WC, mosdó, tusoló, mosogató, stb.) Barlangokban

5 Biofilmek kialakulása Orális biofilm A szájüregben több mint 700 fajta mikroorganizmust mutattak ki eddig, amelyeknek közel a fele tenyészthető. A baktériumok planktonikus, de főleg jól szervezett ökológiai egységek (biofilm) formájában mind a lágy részeken, mind a kemény szöveteken, implantátumok felszínén is megtalálhatók. Az orális biofilm egy puha, nem mineralizált, bakteriális lerakódás, akvirált gélszerű tömeg, amely a pellicula közbeiktatásával tapad a fogfelszínhez, fogművekhez, implantátum felszínéhez.

6 Dentális biofilm (plakk) A fog felszínén a nyál glikoproteinjeiből és immunglobulinokból álló akvirált pellikula formálódásával és kötődésével kezdődik. A negatív töltésű kemény fogfelszín és a pozitív töltésű nyálból származó glikoproteinek kezdetben elektrosztatikus, majd Van der Waals erőkkel kötődnek egymáshoz. A felszín töltésének és felületi feszültségének megváltoztatása révén teszi lehetővé, hogy baktériumok is kapcsolódjanak a kemény felszínt borító, mintegy 1 m vastag réteghez. A baktériumok kezdetben reverzibilisen kötődnek, később a baktériumok felszíni struktúrái (fimbriák, adhezinek) révén. Először a Gram pozitív coccusok, majd Gram pozitív pálcák, filamentumok. A plakkban a baktériumok rohamosan szaporodnak és új baktériumok telepednek meg, majd termelik a hidrofób EPS matrixot, amely védi a kolónia tagjait.

7 Az orális biofilm jellemzői Egy vagy több baktériumfaj egyedeinek közössége Növekedése kezdetben horizontális, majd vertikális Védi a kolónia tagjait: a kompetitor baktériumokkal szemben, és a környezeti tényezőktől a szervezet védekező reakcióitól a környezet toxikus anyagaitól külső kémiai anyagokkal, gyógyszerekkel szemben Védi a környezetet a lehetséges kolóniát alkotóktól (azonos és exogén specieszektől is) Táplálékot biztosít (egymásnak is) Kommunikáció a biofilmen belül (jelző molekulák, cserélődő genetikai információ révén)

8 Biofilm képződése egy folyóba merített alzaton alzat vízből adszorbeálódott ionok baktériumok EPS mátrix algák

9 Mikroorganizmusok életfeltételei biofilmekben Hőmérséklet ph-tartomány Hidrosztatikai nyomás Redox-potenciál Sugárterhelés Felület -5 C-tól 120 C-ig (szulfátredukálók kénes forrásokban) 0-tól (Thiobacillus ferrooxidáns) 13-ig (Plectonema mostocurum, natronbaktériumok) 0-tól 1400 barig (barofil baktériumok) A víz redox-stabilitásának teljes tartománya Biofilmek vannak UV-lámpák kvarcbúráján, radioaktív sugárforrásokon Fém, üveg, beton, ásványok, kőzetek, műanyagok

10 Biomonitorálás a vízminőség biomonitorálása biofilmek (periphyton közösségek) felhasználásával biológiai információk mikroorganizmusok populációja és specieszeinek megoszlása kémiai információk a dúsult szennyezők, pl. toxikus nehézfémek, növényvédőszerek és gyógyszermaradványok koncentrációja

11 Az alzatok biofilmképződést befolyásoló tulajdonságai kémiai összetétel hidrofób jelleg felületi feszültség felületi töltés biológiai affinitás - érdesség - porozitás - kolonizációra való képesség

12

13 Tiszaörvény

14

15

16 Növesztési idő 45 nap

17 Különböző alzatokon azonos körülmények között képződött biomassza mennyisége

18 A kovaalgák relatív gyakorisága

19 Bakteriológiai vizsgálatok A különböző alzatokon kolonizálódott baktériumok biokémiai aktivitását BIOLOG teszt eljárással végeztük, mely 95 különböző szénforrást használt (pl. szénhidrátokat, nukleinsavakat, aminosavakat, polimereket stb.). A biodiverzitást a hasznosított karbonforrások alapján jellemeztük.

20 Felkínált karbonforrások Andezit Csiszolt gránit Gránit Avas nád Plexi Polikarbonát -ciklodextrin + + i-eritritol + -D-laktóz + + laktóz + + D-pszikóz + + xylitol + mono-metil-szukcinát + D-glükózaminsav + + -hidroxi-vajsav + + D,L-tejsav + glicil-l-aszparaginsav + glicil-l-glutaminsav + + L-leucin + + L-fenil-alanin + uridin + putreszin + 2-amino-etanol + glükóz-1-p

21 A biofilm által megkötött elemek koncentrációi az alzat függvényében (%) Alzat Zn Cu Ni Pb Andezit Gránit Csiszolt gránit Polikarbonát Avas nád Plexi

22 Dúsítási faktorok (DF) Alzat Zn Cu Ni Pb Andezit 2, , , , Gránit 2, , , , Csiszolt gránit 2, , , , Polikarbonát 2, , , , Avas nád 1, , , , Plexi 2, , , , DF = koncentráció a biofilmben / koncentráció a vízben

23 Összefoglalás A biomassza képződés mértéke és az algaszám a polikarbonát alzaton volt a legnagyobb Az algák biodiverzitása grániton és csiszolt grániton volt a legnagyobb A legtöbb szénforrást az avas nádon és a grániton nőtt biofilmekben lévő baktériumok hasznosították A különböző hordozókon nőtt biofilmek által megkötött Zn, Cu, Ni és P koncentrációk maximum 2-szeres faktorral térnek el egymástól, az alzat-hatás e tekintetben elhanyagolható. A dúsítási faktorok elérték a értéket Biomonitorálásra alzatként javasolható a gránit és csiszolt gránit

24 Biofilmek - herbicidek A Velencei-tavon polikarbonát alzatra 4 hétig növesztett biofilmeket atrazint és acetoklórt 12,5 g/l koncentrációban tartalmazó tóvízben tartottuk 14 napot át, kontrollált körülmények között. Algaszám /cm 2 Biofilm nedves tömege mg/cm 2 Biofilm száraz tömege mg/cm 2 Kontrol biofilm 5, ,4 3,1 2,8 0,3 Herbicidtartalmú biofilm 3, ,2 4,3 4,8 0,5 A mikroorganizmusoknak a szennyezéssel szembeni védekező hatása az EPS mátrix növelésében nyilvánult meg.

25 Herbicidek tömegmérlegének alakulása biofilm jelenlétében Oldatból megkötött ( g) Fotodegradáció ( g) Akkumulált ( g) Biodegradált rész ( g) Acetoklór ,8 (3,1%) 0,79 (0,6%) 117 (96%) Atrazin ,2 (14%) 0,02 (0,025%) 69 (86 %) Egyértelmű, hogy az oldatból hiányzó herbicid döntő hányada biodegradációt szenvedett, azaz már részben szénforrásként hasznosult.

26 Következtetések A herbicidek az adszorpciót követően jelentős mértékű biodegradációt szenvednek el. A biodegradáció mértéke függ a biofilmet alkotó mikrobiális közösség enzimkészletétől és a kérdéses szennyezők kémiai szerkezetétől, azaz a bennük lévő xenofor csoportok számától és azok molekulán belüli pozíciójától. Ezen folyamatok miatt a biofilmek nem használhatók szerves szennyezők monitorálására,sokkal inkább a megkötött szennyezők lebontására, víztisztításra.

27 Biofilmek - gyógyszermaradványok Dunameder felszínéről vett üledékek és a folyóvíz naproxen és diclofenac tartalmát vizsgáltuk MW-támogatott vizes extrakció és származékképés után GC-MS rendszerrel. A kevéssé vagy nem biodegradálható szermaradványok jó hatásfokkal adszorbeálódnak. naproxen diclofenac

28 Biofilm - szennyvíztisztítás Élőgépes technológia Organica Zrt. Telki szennyvíztisztító

29 Biofilm - szennyvíztisztítás 1. Szennyvíz befolyó 5. Levegő betáplálás 2. Dobszűrő 6. Növények 3. Adagoló pumpa 7. Tartórács 4. Műszálas hordozó 8. Kifolyó

30 Kutatási eredmények Ingadozó szervesanyag és térfogati terhelés mellett a 30 m szálvastagságú polipropilén (PP) műszálhordozón a legnagyobb a biofilm mennyiség és annak enzimaktivitása. A PP-hordozó felületi tulajdonságai közül elsődlegesen a nedvesedés és az érdesség befolyásolta a biofilm kolonizációt. A kolonizáció egyensúlyi állapotának eléréséhez 14 nap szükséges. A kaszkádrendszerrel ~70% KOI csökkentés, ~60% össz. nitrogén eltávolítás és ~90% feletti nitrifikáció érhető el.

31 Biofilm Biokorrózió Karsztkorrózió (karsztos oldódás) A mészkő, illetve az összetevő ásványok (kalcit, aragonit stb.) oldódását jelenti. Három formában megy végbe: karbonátos oldódás tiszta vízben hidrokarbonátos oldódás szénsavas vízben CaCO 3 + H 2 CO 3 = Ca HCO 3 - szerves és szervetlen savak hatására végbemenő oldódás, ami irreverzibilis folyamat; biokorrózió

32 Mintavétel Molnár János barlang

33 BTK biofilmek FIB-SEM vizsgálata Molnár János barlang Hálózatos szerkezetet képező fonalas baktériumokról szekunder valamint visszaszórt elektron detektorral készült felvételek

34 Molnár János barlang Hálózatos szerkezetet képező fonalas baktériumokról szekunder valamint visszaszórt elektron detektorral készült felvételek

35 Rudas fürdő Török forrás Előkészítés nélküli, natív biofilm mintáról környezeti (alacsony vákuumos) üzemmódban készült felvételek

36 Molekuláris klónok száma Molekuláris klónok száma BTK biofilm molekuláris klónok megoszlása Proteobacteria Alpha Beta Gamma Delta Epsilon GOB RNB RTB MJB GOB RTB RNB MJB

37 BTK biofilm molekuláris klónok megoszlása Gellért fürdő Ősforrás 124 klón 7% Deinococcus-Thermus Chloroflexi Nitrospirae Chlorobi Proteobacteria Firmicutes Actinobacteria Acidobacteria Bacteroidetes 12 phylum (4 83%) Gemmatimonadetes 10 phylum (4 85%) TM7 Rác fürdő Nagy-forrás 136 klón 11% 7% 12% 56% 16% Cyanobacteria 10% 4% 60% Thermodesulfobacteria Chloroflexi Nitrospirae Chlorobi Proteobacteria Firmicutes Actinobacteria Spirochaetes Caldithrix Rudas fürdő Török-forrás 123 klón 24% Molnár János barlang 128 klón 17% 13% 22% 17% 34% 33% 11% 9 phylum (4 90%) 9 phylum (4 83%) Thermodesulfobacteria Chloroflexi Nitrospirae Chlorobi Proteobacteria Firmicutes Actinobacteria Acidobacteria Armatimonadetes Caldithrix Chloroflexi Nitrospirae Proteobacteria Firmicutes Actinobacteria Spirochaetes Acidobacteria Gemmatimonadetes Verrucomicrobia

38 Karsztkorrózió vizsgálata a budai termál karsztrendszerben (BTK) Mádlné Szőnyi Judit vezetésével folyó kutatások részben annak feltárására irányulnak, hogy a mikroorganizmusok játszottak-e szerepet a barlangok kialakulásában. 1.) Molnár János barlang a Rózsadombnál 2.) Rácz fürdő Nagy forrás 3.) Rudas fürdő Török forrás 4.) Gellért ősforrás A.K. Borsodi, M. Knáb, G. Krett, J. Makk, K. Márialigeti, A. Erőss, J. Mádl-Szőnyi, Biofilm BacterialCommunities Inhabiting the Cave Walls of the Buda Thermal Karst System, Hungary, Geomicrobiology Journal, 29, (2012) D. Anda, G. Büki, G. Krett, J. Makk, K. Márialigeti, A. Erőss, J. Mádl-Szőnyi, A.K. Borsodi, Diversity and morphological structure of bacterial communities inhabiting the Diana-hygieia thermal spring (Budapest, Hungary), Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica, 61(3), (2014)

39 Rudas fürdő Török forrás

40 Rudas fürdő Török forrás (biogeokémiai minta)

41 Dúsítási faktorok meghatározása TXRF méréstechnikával GO-B R-BB MJ-BB P 3.744* * *10 5 S 6.458* * *10 2 Ca 4.725* * *10 2 Ti 5.432* *10 7 n.d.w. Mn 4.821*10 5 n.d.w. n.d.w. Fe 3.698*10 8 n.d.w. n.d.w. Co 6.468* * *10 5 Ni 3.451* * *10 3 Cu 1.263* * *10 5 Zn 2.250* * *10 5 As 1.786* * *10 5 Se 1.406* * *10 4 Br 2.193* * *10 2 Rb 8.655* * *10 3 Sr 1.118* * *10 2 Sn 4.266* * *10 7 Pb 1.250* *10 5 n.d.s. I 8.814* * *10 3 Ba 8.421* * *10 3

42 Összefoglalás A fonalas szerveződésű mikroorganizmusok a dominánsak a barlangi biofilmekben A BTK biofilmek jelentős genetikai diverzitással jellemezhetők Chloroflexi, Proteobacteria, Firmicutes, Nitrospirae és Actinobactérium törzsek eltérő arányban, de minden mintában előfordultak Részvétel a Fe és SO 4 2- redukciós folyamataiban?

43 Biokorróziós folyamatok vízellátó rendszerekben A titán, nikkel vagy kadmium tartalmú acélok kivételével jelentős mikrobiális korrózióval kell számolni határfelületi elektrokémiai reakcióknak köszönhetően. Szulfátrendukáló és metántermelő baktériumok anaerob korróziója A Thiobacillus-fajok anaerob körülmények között a kén redukált formáit, így a kénhidrogént és az elemi ként energiaforrásként és elektrondonorként használva kénsavvá oxidálják. A nitrifikáló baktériumok az ammónium vegyületeket oxidálják salétromsavat termelve. A korrózióvédelem egyik lehetséges útja a biofilmképződés megakadályozása.

44 Köszönetnyilvánítás Az ELTE Mikrobiológiai Tanszék, az Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék, valamint az Analitikai Kémiai Tanszék biofilmekkel foglalkozó munkatársainak

45 Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

46

47 II. Biofilmek elemanalitikai vizsgálata TXRF módszerrel Kérdések: Hogyan változik a nehézfémszennyezők akkumulációja a biofilmekben, ha az azokban lévő mikroorganizmusok biodiverzitása eltérő? Van-e szubsztrátum effektus?

48

49 relative abundance Algák (diatomák) relatív gyakorisága a különböző hordozókon kialakult biofilmben 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% polished granite granite andesite plexiglass polycarbonate Other Rho. abbreviata Nit. dissipata Nit. amphibia Nav. minima Nav. menisculus Nav. cryptotenella Coc. placentula Amp. pediculus Amp. libyca Ach. helvetica Centrales

50 g Cu/g dry biofilm Zn és Cu koncentrációja a különböző hordozókon kialakult biofilmekben Mintatömeg: 1-5 mg Gőzfázisú MW feltárás 20 0 andesite granite polished granite polycarbonate plexi-glass

51 g Pb/g dry biofilm g Ni/g dry biofilm Ni és Pb koncentrációja a különböző hordozókon kialakult biofilmekben andesite granite polished granite polycarbonate plexi-glass Mintatömeg: 1-5 mg Gőzfázisú MW feltárás andesite granite polished granite polycarbonate plexi-glass

52 Különböző hordozókon kialakult biofilmek dúsítási faktora Hordozó Zn Pb Ni Cu Polírozott gránit Gránit Andezit Plexi Polikarbonát

53 Következtetések Az eltérő biológiai összetétel ellenére a nehézfémek akkumulációja gyakorlatilag azonos A baktériumok és algák által termelt extracelluláris polimer mátrix nagyszámú szabad funkciós csoportot (-COOH, -OH), tartalmaz, amelyek felelősek a hasonló mértékű akkumulációért. Nincs szubsztrát-hatás, ami biomonitorálás szempontjából kedvező.