Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek, az egyes elemekreható.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek, az egyes elemekreható."— Előadás másolata:

1 KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek, az egyes elemekreható ártalmak a környezet egészére kihatnak. Ha a fennálló egyensúlyt megbontjuk, beláthatalan környezetvédelmi problémákkal találhatjuk szembe magunkat. Fejlődő ipar felhalmozódó hulladék veszélyes anyagok A Föld mikroflórájának válasza az újonnan megjelenő anyagokra adaptáció

2 Alapfogalmak  biotechnológia “biotechnologie - (EREKY Károly, 1917) all work by which products are produced from raw materials with the help of living organisms” [Ereky]  alkalmazott mikrobiológia - biokonverzió, biotranszformáció különböző (toxikus) vegyületek mikrobiális átalakítása - biodegradáció nem kívánatos, környezetre káros anyagok lebontása mikrobiális úton - bioremediáció (= tisztítás) a környezet megtisztítása a toxikus hulladékoktól mikrobiális módszerekkel  környezetvédelem - megelőzés - tervszerű környezetfejlesztés - környezetünk megóvása, védelme

3 A biotechnológiai eljárások szempontjából legfontosabb enzimek oxidázok, hidroxilázok, dehydrogenázok reduktázok, hydrogenázok hidrolázok izomerázok proteázok, lipázok A biotechnológiában fontos mikroorganizmus csoportok Metanogének Metilotrófok Clostridiumok Tejsav baktériumok Bacillusok Pseudomonasok Fotoszintetizáló baktériumok, algák Streptomycesek Élesztők Fonalas gombák

4 Metanogének: archea obligát vagy strict anaerobok biogáz Metilotrófok: aerobok C 1 -C 3 szénforrások hasznosítása pl. Metanotrófok metán oxidáció Clostridiumok: obligát anaerobok Gram pozitívok hőstabil endospóra rendkívül sokféle reakcióra képesek Tejsav baktériumok: anaerobok Gram pozitívok élelemiszeripar Bacillusok: aerobok endospóra extracelluláris enzimek Pseudomonasok: aerob heterotróf, Gram negatívok exopoliszaharidok biodegradáció Fotoszint. baktériumok, algák: aerob vagy anaerob biopolimerek Fotoszintézis, CO 2 fixálás Streptomycesek: aerob, spórázó szervezetek antibiotikum termelők extracelluláris enzimek Élesztők: alkoholgyártás pékélesztő Fonalas gombák: heterotróf eukaryota szaprofita vagy parazita jellegzetes sejtfal spóraképzők antibiotikumok biokonverzió

5 XENOS = IDEGENSZINTETIKUS = NEM TERMÉSZETES EREDETŰ Példák: peszticidek, herbicidek, oldószerek, egyes szerves vegyületek Lebontásukra megoldás: - fizikai - kémiaimódszerek - biológiai Az 1960-as évek elején felfedezték, hogy számos talajlakó mikroorganizmus képes a xenobiotikumok bontására Egyféle szennyezés ritkán fordul elő, ált. vegyes hulladék sokféle enzim, mikroorg. szükséges Legproblémásabb vegyületek az aromás, valamint halogén elem tartalmú vegyületek

6 Szerves oldószer hatása az organizmusra egyik fő támadáspont a membrán ahogy az oldószer akkumulálódik a membránban sérülnek annak funkciói: 1, aspecifikus permeabilizáció E. coli : fenol jelenlétében ATP és K + szabadul ki a sejtekből toluol hatására RNS, foszfolipid és fehérje szivárgás 2, H + és más ionok passzív áramlása membránon keresztül  sérül az ATP szintézis 3, membránban lévő fehérjék funkciója is sérül 4, megváltozik, nő a membrán fluiditása  változik a membrán struktúrája, stabilitása és membránon belüli kölcsönhatások membránfelszín hidrációs tulajdonságai változnak membrán vastagság változik membrán felszín növekedés

7 védekezési mechanizmusok törzsről törzsre változnak I. Citoplazma és külső membrán adaptáció: mind lipid mind fehérje szinten cél: szolvens által megzavart membrán fluiditásának, stabilitásának újrateremtése I/1. zsírsav összetétel - megváltozik telített és telítetlen zsírsavak aránya alkohol és aceton növeli telítetlen zsírsavak arányát a membránban apoláris oldószerek pl. benzol csökkenti szaturáció változás  fluiditás változás  szolvens hatását kompenzálja "homoviszkózus adaptáció" - membránban telítetlen zsírsavak cis  trans izomerizációja  emeli a membrán rendezettségét és csökkenti a fluiditást Adaptációs mechanizmusok

8 I/2. változik lipidek fejcsoportjainak összetétele P. putida: difoszfatidil-glicerol (kardiolipin) aránya nő P. putida Idaho: foszfatidiletanolamin nő I/3. foszfolipid szintézis fokozódik I/4. változik fehérje összetétel I/5. lipopoliszacharid összetétel változás külső membránban magának lipopoliszacharidoknak és lipoproteineknek is nő a mennyisége LPS hidrofóbicitás csökkentő hatása van I/6. külső membrán porinjai P. putida OmpL mutáns: hiperszenzitív szolvensekre P. aeruginosa OmpF hiány növeli a toleranciát I/7. zsíroldékony vegyületek Zymomonas mobilis: etanol jelenlétében hopanoidok mennyisége nő Staphylococcus aureus: olajsav jelenlétében karotenoid szintézis nő

9 II. sejtfelszín hidrofóbicitás csökkenése növeli a szolvens toleranciát P. putida toluol adaptáció után sejtek felszíne kevésbé hidrofób (sok fehérje és LPS) III. ionok stabilizáló szerepe Mg 2+, Ca 2+ stabilizálják Gr(-)-ok külső membránját pl.: Pseudomonas sp. - toluol IV. Szerves oldószerek degradációja vagy kevésbé toxikus formává való transzformációja V. Aktív exkréció a sejtből bioremediáció új, szerves oldószerekben stabil proteázok, lipázok egyéb enzimek Biotechnológiai potenciál

10

11 A biodegradációs eljárásokban legismertebb, leggyakrabban előforduló mikroorganizmusok Pseudomonasok Sphingomonasok Rhodococcusok Bacillusok Sugárgombák A (szubsztituált) aromás szerves oldószerek lebontására az oxigenáz, dehalogenáz enzimek alkalmasak

12 LEBONTÁSI ÚTVONAL LEHET AEROB, ANAEROB aerob: mono- és dioxigenázok anaerob: reduktív dehalogenáció, oxidált vegyületek: szulfát, nitrát

13 Aerob vs. anaerob metabolizmus

14 Aanerob metabolizmus benzoil-CoA-n keresztül

15 Benzoil-CoA konverziója acetil-CoA-vá

16

17 Monooxigenázok (hidroxilázok) Monooxigenázok: az O 2 molekula egyik atomját építik be a célmolekulába SH 2 + O 2 = SO + H 2 O (internal monooxigenáz, a szubsztrátról jön az elektron) S + O 2 + H 2 X = SO(H) + OH - _ + X (external monooxigenáz) Példák: - p-hydroxybenzoát hydroxiláz család - phenol 2-hidroxiláz - alkil csoport hidroxiláz (metán monooxigenáz) - kámfor 5 monooxigenáz (Citokróm P-450 család)

18 Dioxigenázok, hidroxilázok Y X 4-X-dihidroxihexadién O 2 NADH+H NAD + H OH O X + Sztereospecifikus hidroxilálás enzimatikus szintézisek hidroxiláz 4-X-katekolát H OH O X Aromás gyűrű hidroxilázok Aromás gyűrűt hasító dioxigenázok R OH OH +O 2 COOH COOH R intradiol cleaving/ 3,4-dioxygenases CHO R OH COOH proximal-extradiol cleaving/ 2,3-dioxygenases COOH CHO OH R distal-extradiol cleaving/ 4,5-dioxygenases

19 Mono- és dioxigenáz családok I.

20 Mono- és dioxigenáz családok II.

21 Mono- és dioxigenáz családok III.

22 METANOTRÓFOK: MMO=metán monooxigenáz CH 4 NADH+H + O2O2 H2OH2O NAD + O2O2 H2OH2O X ox X red sMMO pMMO CH 3 OH Két fajta enzim: membrán kötött (pMMO, Cu+), citoplazmatikus szolubilis (sMMO, Cu-) A metán oxidációja mellett NADH oxidáció (regenerálni kell) sMMO: széles szubsztráspecificitás több száz szerves vegyület oxidációja  bioremediáció további alkalmazás: metanolgyártás

23 Dioxigenázok, hidroxilázok Y X 4-X-dihidroxihexadién O 2 NADH+H NAD + H OH O X + Sztereospecifikus hidroxilálás enzimatikus szintézisek hidroxiláz 4-X-katekolát H OH O X Aromás gyűrű hidroxilázok Aromás gyűrűt hasító dioxigenázok R OH OH +O 2 COOH COOH R intradiol cleaving/ 3,4-dioxygenases CHO R OH COOH proximal-extradiol cleaving/ 2,3-dioxygenases COOH CHO OH R distal-extradiol cleaving/ 4,5-dioxygenases

24 Aromás gyűrűt oxidáló hydroxilázok

25 Hydroxilázok szerepe a bioorganikus kémiában Sphingomonas yanoikuyae biphenil dioxigenáz sztereoszelektív szintézisek például még a morfin, vagy a vanília szintézisében is

26 Hidroxilázok szerepe a biodegradációban

27 Hidroxilázok szerepe a klórozott vegyületek biodegradációjában

28 Az aromás diolok eddig ismert lebontási útvonalai

29 intradiol extradiol A gyűrűhasítás mechanizmusa

30 Szubsztituált (klórozott) szénhidrogénekre módosított ortho útvonal

31 Szubsztrátspecificitás Nem adaptált sejtek (periférikus útvonal)Adaptált sejtek (periférikus útvonal)

32 Szubsztrátspecificitás II. Centrális útvonal, specializálódott sejtek ezt az adott útvonal minden enzimjére meg kellene vizsgálni az útvonal mentén a specificitás változik az enzimek specfificitását bővíteni kell

33 Szubsztrátspecificitás bővítése a sejtek adaptációja, hosszú idő (6 – 8 hónap) irányított evolúció az útvonalak kombinálása egyesével, vagy...

34 PlasmidSize (kb)ConjugativeIncompatibility groupSubstrateHostReference Peripheral pathways TOL117+P-9Xylenes, toluene, toluatePseudomonas putida 9 9, , , , NAH783+P-9Naphthalene via salicylatePseudomonas putida 9 9, 37 37, , , , pWW P-9Naphthalene via salicylatePseudomonas sp. 17 pDTG183+P-9Naphthalene via salicylatePseudomonas putida 145 SAL185+P-9SalicylatePseudomonas putida 9 9, 22 22, , , pKF182 NDBiphenyl via benzoateAcinetobacter sp. (reclassified 5 5, as Rhodococcus globerulus) pWW NDBiphenyl via benzoatePseudomonas sp. 105 methylbiphenyls via toluates pWW110>200ND Biphenyl via benzoatePseudomonas sp. 18 methylbiphenyls via toluates pCITI100ND AnilinePseudomonas sp. 2 2 pEB253ND EthylbenzenePseudomonas fluorescens 12 pRE4105ND IsopropylbenzenePseudomonas putida 38 38, pWW NDBenzeneAcinetobacter calcoaceticus 175 pHMT112112ND BenzenePseudomonas putida 157 pEST100544ND PhenolPseudomonas putida 94 pVI150mega+P-2Phenol, cresols,Pseudomonas sp. 8 8, ,4-Dimethylphenol Central pathways pAC25117+P-93-ChlorobenzoatePseudomonas putida 26 pJP477+P-13-Chlorobenzoate, 2,4-DRalstonia eutropha (formerly 33 Alcaligenes eutrophus) pBR6085+ND3-ChlorobenzoateAlcaligenes sp. 179 pRC1045ND 2,4-DFlavobacterium sp. 28 pP51100 ND1,2,4-TrichlorobenzenePseudomonas sp. 165 pMAB190ND 2,4-DBurkholderia (formerly 14 Pseudomonas cepacia a ND, not determined; 2,4-D, 2,4-dichlorophenoxyacetate. A gének sokszor (mega)plazmidon vannak

35 Operon struktúrák bifenil bontás benzoesav bontás módosított orto útvonal

36 Szabályozás a transzkripciós faktor szubsztrátspecificitása

37 Metabolikus útvonalak kombinálása keresztezéssel 1. plazmid 2. plazmid3. plazmid4. plazmid Plazmid rekombináció konjug. A törzs Strain G F törzs E törzs D törzsC törzsB törzs konjug. konjugáció Problémák azért még vannak


Letölteni ppt "KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek, az egyes elemekreható."

Hasonló előadás


Google Hirdetések