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, vagy szorpcióval a szilárd felülethez kötődve 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 Beépülés a szerkezeti humuszba Fosszilizálódhatnak talajban 2. 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: CO 2, H 2 O és biomassza Szénhidrogénbontó mikroorganizmusok: talajban élő baktériumok Pseudomonas, Arthrobacter, Acinetobacter, Bacillus, Nocardia, Flavobacterium, Alcaligenes; olajbontó gombák az Aspergillus, Mucor és Rhisopus Szénhidrogén-degradációt katalizáló enzimet kódoló katabol plazmidok
Szennyezőanyagok biodegradációja Kőolajszármazékok és xenobiotikumok Összetétel változó, függ a lelőhelytől
Szénhidrogének és xenobiotikumok 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 lebontása
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 C Cl C H + O 2 + NADH+H + NAD + + H 2 O Mindez a metanotróf baktériumban: Cl O Cl C C CO + HCOOH + Cl 2 CHCOOH Cl H Növekedési szubsztrát NADH O 2 H 2 O NAD + CH 4 CH 4 Metánmonooxigenáz CH 3 OH Köztes metabolizmus Cl C C Cl TCE Cl H Cl O Cl C C Cl H TCE epoxid szaporodás 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/