Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS LEBONTÁSA.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS LEBONTÁSA."— Előadás másolata:

1 XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS LEBONTÁSA

2 XENOS = IDEGEN SZINTETIKUS = NEM TERMÉSZETES EREDETŰ E vegyületek olyan szerkezeti elemeket tart., melyek természetes módon nem jönnek létre, így a mikroorg-k (egyéb szervezetek) evolúciójuk során nem alakítottak ki megfelelő enzimrendszert bontásukra/átalakításukra Tágabb értelemben azok a szintetikus vegyületek xenobiotikumok, melyek bizonyos funkciós csoportok számában és orientációjában eltérnek a természetesen előforduló anyagoktól Példák: peszticidek, herbicidek, oldószerek, egyéb szerves vegyületek Főleg azért jelentenek veszélyt, mert nem ismerjük kellőképpen hatásukat a környezetre, és mivel a természet számára idegen, így a biodegradációja, biotranszformációja sem indulhat meg rövid időn belül Az 1960-as évek elején felfedezték, hogy számos talajlakó mikroorganizmus képes a xenobiotikumok bontására (adaptáció) Egyféle szennyezés ritkán fordul elő, ált. vegyes hulladék sokféle enzim szükséges mikrobiális lebontási útvonalak

3 Metabolikus utak Ahhoz, hogy megértsük a mikrobiális lebontási útvonalakat, szükséges a mikroorganizmusok alapműködésének ismerete Metabolizmus = reakciók együttese, mely során a sejtek energiát és kémiai építőelemeket nyernek Energia nyerés szempontjából vannak fototrófok ill. kemotrófok Fototróf szervesanyag O2O2 Kemotróf CO 2 Energia és szénforgalom a bioszférában Hő, entrópia

4 Számos metabolikus út Szükséges elemek, vegyületek felvétele a környezetből (membrán transzport)glükózzal könnyen megy: glükóz prekurzoroképítőelemek PO NH 4 + SO PO NH 4 + SO fehérjék sejtfal nukleinsavak glükogén Makromolekulák Oligomerek Monomerek felvétel sejtbemetabolizmus Depolimerizáló enzimek hidrolizis O2O2

5

6 Kometabolikus folyamatok Előfordul, hogy a sejtek nem nyernek közvetlenül energiát egy vegyület lebontásából/átalakításából Ha egy sejt szubsztrátként hasznosít egy vegyületet, a specifikus degradatív enzimeik intenzíven szintetizálódnak. Ezzel az enzimmel, vagy enzimrendszerrel a sejtek képesek lehetnek más, szubsztrátként el nem fogadott, de a sejtek környezetében jelenlévő vegyületeket átalakítani Ez tehát energianyeréssel nem jár, azonban a jelentősége abban lehet, hogy ha e vegyületek toxikusak a sejt számára, akkor képesek ily módon azokat semlegesíteni E képességük annak köszönhető, hogy enzimeik többsége nem szigorúan egy szubsztrátra specifikus (szerkezeti analógia) Mivel a kometabolikus folyamat nem előnyös a sejtek számára, a biomassza koncentrációt növelni, illetve az enzimszintézist fenntartani akkor tudjuk, ha szén-, és energiaforrást (szubsztrát) juttatunk a sejtek környezetébe

7 Természetben a szennyezőanyagok lebontására összetett mikroba közösségek (konzorciumok) alakulnak ki, melyek szervezett munkával távolítják el a toxikus-, szervesanyagokat környezetükből. Az egyes fajok adottságai, képességei összehangolódnak, egységes rendszerben hatékonyan fejeződnek ki. Olyan xenobiotikus anyagokkal szemben, melyek elektronszívó szubsztituenseket tartalmaznak pl. halo-, nitro-, azocsoportok, a reduktív folyamatokat katalizáló enzimek lesznek hatékonyak

8 A molekula funkciós csoportjainak hatása Elektron elszívó szubsztituenseket (pl. halo-, nitro, azo- csoportok) tartalmazó vegyületek (magas redoxpotenciál) ellen az oxigenolitikus támadások kevésbé hatékonyak Reduktív, vagy nukleofil mechanizmus Hatékonysága elektrondonorok adagolásával fokozható (A bakteriális anyagcsere (metabolizmus) durva felosztásának alapját az adja, hogy az adott baktérium a növekedéshez milyen szén-, és energiaforrást használ, valamint, hogy az energiatermelő folyamatok során mely anyagok és vegyületek adják az elektront (elektrondonor) és mely anyagok és vegyületek kapják a végén az elektront (elektronakceptor))

9 Benzoil-CoA konverziója acetil- CoA-vá Aanerob metabolizmus benzoil-CoA-n keresztül

10 Aerob lebontási útvonalak központi intermediereken keresztül

11 Aerob lebontási folyamatokban a fő szerepet az oxigenázok játszák Alkánok, aromás vegyületek oxidációját katalizálják, melynek eredménye alkoholok, aldehidek, epoxidok, karboxilsavak Ipari-, környezeti- biotechnológiai jelentőség

12 ‘Biohozzáférés’ Egy kémiai komponensnek kapcsolatba kell lépnie a biológiai rendszerrel ahhoz, hogy bármilyen hatás indukálódjon Fizikai-, kémiai paraméterek befolyásolják: ­Vízoldhatóság nem vízoldékony (hidrofób) anyagok esetén ‘direkt’ felvétel – specifikus sejtfelszíni tulajdonságok ­Illékonyság ­Funkciós csoportok száma a vegyületen pl. klórozottsági fok ­környezeti faktorok (hőmérséklet, pH, nedvességtartalom)

13 Halogén tartalmú vegyületek Többségük ember alkotta vegyület pl. oldószerek, vegytisztitó- szerek, peszticidek. Mára felhasználásuk jelentősen csökkent Természetben egyes növények, állatok termelik, de keletkezhet természetes égési folyamatokban pl. vulkánkitörés, erdőtűz –Klórmetán emisszió döntő részét tengeri szervezetek termelik –Fluoracetátot, mely nagyon toxikus (gátolja a Krebs ciklus körforgását) egyes magasabb rendű szárazföldi növényekben mégis előfordul –Szöcskék klórozott aromás vegyületeket (2,5-diklórfenol, 2,6-diklórfenol) szekretálnak hangyák elriasztására, illetve a nőstény atka/kullancs szexferomonként termeli –Emberi szervezetben a pajzsmirigy tiroxin hormonja egy tetrajód-tirozin származék

14 Halogén tartalmú vegyületek Talajba jutva egy részük megkötődik a talajszemcséken, ami részben akadályozza kimosódásukat, de mikrobiális lebontásukat is Vízben nem vagy nagyon rosszul oldhatók »Felhasználásuk szempontjából ez előnyös »Ellenáll a mikrobiális lebontásnak Ipari jelentőségükkel ellentétes környezeti hatásuk (előnyös tulajdonságaik a visszájára fordultak) »Toxikusak »Fő probléma, hogy nehezen hozzáférhetők Eltávolításukra megoldás: detergens alkalmazása a szennyezett talaj kiásása égetés biotechnológia

15 Bontás biotikus reduktív dehalogénezés oxigenolitikus dehalogénezés hidrolitikus dehalogénezés tiolitikus dehalogénezés dehalogénezés intra- molekuláris szubsztitucióval dehidrodehalogénezés hidrodehalogénezés abiotikus hidrolizis −víz jelenlétében, megfelelő körülmények között −domináns oxidáció −UV sugárzás hat-ra a C- halogén kötés hasad, a gyökök oxigén tartalmú molek-kal reagálnak redukció −fémionok jelenlétében, csak laborban ment

16 Bár úgy tartjuk számon a klórozott vegyületeket, mint ellenálló molekulák, sok mikroorganizmus képes bontani megfelelő körülmények között Reakciók: 1. Reduktív dehalogénezés (elektrondonor jelenlétében) - a C-Cl kötés hidrogénnel v. elektronnal redukálható, miközben szénhidrogén és sósav keletkezik a) hidrogenolizis: b) „szomszéd” redukció v. dihaloelimináció:

17 2. Oxigenolitikus dehalogénezés - mono-, vagy dioxigenázok katalizálják - hosszúláncú haloalkánok, klórozott aromás vegyületek a) monooxigenáz katalizálta reakció: b) dioxigenáz katalizálta reakció:

18 3. Hidrolitikus dehalogénezés - a kloridot vízből nyert hidroxil csoportra cseréli - halohidrolázok, főleg alifás vegyületeket (2-8 szénatomos) 4. Tiolitikus dehalogénezés - a reakcióban glutation vesz részt, melynek kén atomja cseréli le a klór atomot, a keltekező tioéter hidroxilálódik

19 5. Halogénmentesítés intramolekuláris szubsztitucióval - haloalkoholok esetén 6. Dehidrodehalogénezés - csak olyan vegyület esetén lehetséges, ahol a halogén atomot hordozó szénatom melletti szénatomon hidrogén van 7. Hidrodehalogénezés - 3-klórakrilsav - hidratáz enzim katalizálta reakció víz jelenlétében

20 Halogén tartalmú alifás vegyületek: peszticidek, oldószerek, stb. fő talaj-, talajvíz-, ivóvíz-szennyezők halometánok illékonyak, ózon- rombolók aerob talajbaktériumok – pl. Methylosinus sp.,Methylococcus sp. metán monooxigenáz, ammónium monooxigenáz, hidroláz Példák  diklórmetán lebontása aerob metilotrófokkal: Methylobacterium,Methylophilus – glutation függő dehalogenáz  tetraklórmetán – oldószer, perzisztens, toxikus, karcinogén hidrolitikus klórelt. + CH 3 CO-SCoA CO 2 + acetát CCl 4 hipotetikus út redukció CHCl 3 CH 2 Cl 2 CH 3 Cl CH 4 féléletideje vízben kb 1000 év, atmoszférában 36 év

21  TCE (triklóretilén) - nem ismert olyan baktérium, mely egyedüli szén-, és energia- forrásként hasznosítja - biodegradáció kometabolizmussal, oxigenáz reakció, szubsztrát lehet: alkán, alkén, aromás - aerob bontás: Metanotrófok, Pseudomonasok A keletk. epoxid instabil, spontán továbbalakul - anaerob körülm. között metanogenezis során acetátot szubsztrátként hasznosító mikroorg. segíts-vel reduktív klórlehasítással 1,2-diklóetilén keletk.

22 TCE bontása metanotróf baktériumban: Növekedési szubsztrát CH 4 CH 3 OH Köztes metabolizmus szaporodás NADH NAD + O2O2 H2OH2O Metán- monooxigenáz

23  Hosszúláncú klórozott alkánok - plaszticizálóként haszn.festékekben, gumiban, műanyagokban - oxidatív reakcióval támadható - széles spektrumú alkán monooxigenáz enzimet szintetizáló baktériummal, melynek érdekessége, hogy a klórozott szubsztráttal indukálható az enzim

24  Hexaklórciklohexán (HCH) - inszekticid  HCH = lindán - 3 sztereoizomerek:  - állati idegrendszerre is hat! - szinte mindenhol betiltott. - bontó szervezetek: Pseudomonas putida Sphingomonas paucimobilis Dehidroklorináz haloalkándehalogenáz

25  Haloaromások: mint intermedier haszn. finomvegysz. szintézishez - többféle aerob lebontási út lehet: a) először a halogén elem távozik, utána hasad a gyűrű b) először hasad a gyűrű - minél több a klór atom a gyűrűn annál valószínűbb az anaerob lebontás, ekkor reduktív delogénezés történik 1. Klórbenzolok, klórfenolok a klóratomok számának emelkedésével csökken a vízoldékonys. illékonyak, lipofilek, toxikusak, akkumulálódnak aerob bontásuk pl. Pseudomonas sp.

26 2. Poliklórozott bifenilek (PCB) - nagy kémiai stabilitás, alig oldódik vízben, kevésbé illékonyak - óriási mennyiségben gyártották – antimikrobiális ágensek, herbicidek, transzformátor folyadék, kenőanyag, hűtőfolyadék, de papír-, festék-, stb. gyártásban is használták, már betiltották gyártásukat biodegradáció: 1. aerob út, a PCB mint szubsztrát szerepel 2. aerob kometabolizmus, a PCB nem szubsztrátja az enzimnek 3. anaerob reduktív halogén eltávolítás (metanogének, szulfátredukálók) Sphingomonas paucimobilis 2,3-dihidroxi-bifenil dioxigenáz Utóbbi években inkább azt vizsg. hogyan tehetők hozzáférhetőbbé a molekulák (felületaktíva-k, ciklodextrinek, elektrondonorok alk.)

27 3. Poliklórozott dibenzodioxinok és dibenzofuránok - ált. égetés során keletkező melléktermék - extrém alacsony vízoldhatóság - aerob bontás pl. Sphingomonas sp RW1 dioxin dioxigenáz gombával pl. Phanerochaete sordida Magasabb klórozottsági fokú vegyületek esetén először a klórozottsági fok csökken, majd e fenti reakció megy végbe

28 Összefoglaló a haloaromás vegyületekről A haloaromás vegyületek, noha csak néhány évtizede jelentek meg a természetben, máris sok bontó/átalakító szervezet található környezetünkben, tehát biológiai úton bonthatók Legtöbb esetben plazmidon kódolt enzimek felelősek a lebontásért Minden esetben hatásos tápanyagok-, és oxigén adagolása Nem minden esetben előnyös ‘külső’ mikroorganizmus hozzáadása Ha a lebontás kometabolizmussal megy szükséges egyéb szervesanyag bejuttatása, ez azonban in situ remediálás esetén nem kívánatos (nem megengedett) Ritkán előfordul, hogy az átalakítás végterméke még toxikusabb

29 Nitro- funkciós csoportot hordozó vegyületek mikrobiális bontása Természetben előfordulásuk ritka, főleg emberi tevékenység következménye Természetes eredetű vegyületek pl. azomycin, klóramfenikol, pirrolnitrin Nemcsak toxikus, de mutagén, karcinogén hatás is festék-, peszticid-gyártás és robbanóanyag-gyártás hulladékaként jelenik meg A nitrotoluolok a robbanószerek pl. TNT építőelemei Mivel a nitro csoport könnyen átalakítható más funkciós csoporttá, kedvelt intermedier számos kémiai szintézisben, pl. anilin gyártás Parfümgyártásban is használják, egyes vegyületei pézsmaillatot árasztanak

30 Nitro funkciós csoportot hordozó vegyületek biodegradációja Perzisztenciájuk fő oka nitro funkciós csoportjuk, mely erősen elektronelszívó hatású, emiatt az aromás gyűrű elektronhiányos, így akadályozzák az oxigenolitikus reakciókat (az oxigenázok elektrofil támadása gátolt) bonthatóságukat befolyásoló egyéb tényezők – oldhatóságuk (biol. hozzáférés), szorpció/deszorpciós tul., koncentráció, kémiai természet Mono-, esetleg dinitro vegyületeknél lehetséges oxigenolitikus bontás (mivel a természetesen előforduló vegyületek ált. mononitro vegyületek, így az evolúció során egyes szervezetek képesek voltak adaptálódni, és felhasználni e vegyületeket)

31 1.Nitroalkánok - gombák, streptomycesek bontják - flavoenzimek (FAD prosztetikus csoport) pl. Fusarium oxysporum - nitroalkán oxidáz: pl. Hansenula mrakii 2-nitropropán dioxigenáz: R 1 -CH(NO 2 )-R 2 + O 2 + H 2 O R 1 -CO-R 2 + HNO 2 + H 2 O 2 2 CH 3 CH(NO 2 )CH 3 + O 2 2 CH 3 COCH HNO 2 Megjegyzés: érdekes, hogy ebben az esetben a dioxigenáz az oxigén molekula két atomját két molekulába építi, ez más dioxigenázokra nem jellemző! 2. Nitrát észterek (C-O-NO 2 ) - természetben nincs, emberi alkotás - pl. glicerol trinitrát = nitroglicerin - bontás: alig van példa, nem specifikus enzimreakciót feltételezünk Agrobacterium radiobacter, Pseudomonas sp. Enterobacter cloacae

32 3. Nitroaromás vegyületek - erősen mérgező anyagok - gyógyszer és festékipar számára nélkülözhetelen kiindulási anyagok - bontásukra négy ismert mechanizmus: a) oxigén jelenlétében nitrit szabadul fel b) kezdeti redukció eredménye aromás amin, ami tovább bont c) nitro csoport teljes reduktiv eliminációja, nitrit szabadul fel d) nitro csop. részleges redukciója hidroxilaminná - pl. Pseudomonas, Nocardia, Ralstonia, Comamonas, Phanerochaete  C-, és N forrásként szolgálhatnak, az anaerobok többsége csak aminokká redukálja (  -ketoadipát)

33 TNT reduktív mikrobiális transzformációja Gyengén vízoldékony, toxikus, ellenáll az oxigenolitikus támadásnak Mikrobiális bontására konkrét bizonyíték nincs, de Pseudomonas savastanoi faj TNT denitrációt mutatott, de szaporodást nem tapasztaltak, azaz nem szénforrás anaerob körülm. között pl. szulfát redukálók N forrásként hasznosítják TAT TNT = trinitrotoluol TAT = triaminotoluol nagyon reaktív, oxigén jelenlétében gyors auto- oxidáció és polimerizá- ció tört., valamint erősen kölcsönhat a talaj- komponensekkel, így a mikrobák számára nem hozzáférhető TNT

34 talaj A TNT és fontosabb metabolitjainak kapcsolata a talajjal (a vastagított szürke nyíl az irreverzibilis szorpciót jelöli, a beszínezett aromás gyűrű azokat a metabolitokat jelöli, melyeket azonosítottak a redukciós folyamatban). Rieger and Knackmuss (1995).

35 Anaerob fázisAerob fázis Kölcsönhatás a talaj mátrix anyagaival Kezdeti szorpció Kemoszorpció amin-, amid-, és imin- kötéseken keresztül A szorbeálódott vegyületek a hidrolizis vagy a biológiai oxidáció hatására nem mobilizálódnak újra A folyamatos redukció kovalens kötésű származékokat generál Hipotetikus ábra: a TNT redukciója és kemiszorpciója a talaj szervesanyagaihoz anaerob/aerob kezelés után A TNT redukált metabolitjainak kovalens kötéseit sárgával jelölték, melyeket NMR vizsgálatokkal igazoltak (Lenke és mtsai 2000; Achtnich és mtsai 2000).

36 TNT szennyezett talaj dekontaminálására fejlesztett eljárás  N2N2 O2O2  MM Mosó oldat tartály Szennyezett talaj tartály Anoxiás bioreaktor 2.Aerob bioreaktor 3.Ülepítő 4.fotoreaktor 40 hét alatt 2,5 gTNT/kg talaj konc. kb 95%-kal csökkent

37 Policiklikus aromás szénhidrogének (PAHs) A PAH-ok lipofil vegyületek, a fosszilis energiahordozók nem tökéletes égetésének melléktermékei megtalálhatók a levegőben, talajban, üledékekben, felszíni-, és talajvizekben Vízoldékonyságuk csekély mértékű, viszont szerves oldószerekben jól oldódnak A molekulák oxidációval, redukcióval szembeni ellenállóképessége, és illékonyságuk a molekulatömeg növekedésével együtt nő. Többségük karcinogén Hasznosításuk: főleg intermedier vegyületként a gyógyszeriparban, mezőgazdaságban, fotográfiában, hőre keményedő műanyagok, kenőanyagok előállításában, a vegyiparban Kinyerése kőszénkátrány feldolgozás során, illetve kőolaj finomítási folyamatokból származó olajmaradékokból

38 PAH-ok szerkezeti formái, vízoldékonyságuk, karcinogenitásuk PAH-ok sorsa a környezetben Bioremediáció Metabolitok Adszorpció a talaj szervesanyagaihoz Bioakkumuláció Kémiai oxidáció Volatilizáció Fotooxidáció Eltávolítás vagy detoxifikáció Mine ralizá ció

39 Eltávolításuk a környezetből Nem biológiai jellegű eltávolításuk: volatilizáció, fotooxidáció, kémiai oxidáció, adszorpció Mikrobiális lebontásuk gátolt a gyenge biohozzáférhetőség miatt, ami elsősorban csekély mértékű vízoldékonyságuknak köszönhető –Gram-, Gram+ baktériumok: Pseudomonasok, Sphingomonasok, Acinetobacterek, Alcaligenesek, Rhodococcusok, Mycobacteriumok…; –gombák: Phanerochaete chrysosporium, Cunninghamella elegans…; –algák: cianobaktériumok

40 PAH-ok mikrobiális lebontásának kezdeti oxidációs reakciói

41 PAH-ok anaerob biodegradációja Oxigénhiányos környezetben, denitrifikáló körülmények között bizonyított pl. a naftalin bontása Érdekes, hogy kevert PAH szubsztrátok esetén jobb hatékonyságú a biodegradáció, mint egyedi szubsztrát esetén A különböző redukáló körülményeket összehasonlítva, a legnagyobb mértékű degradáció szulfát redukáló körülmények között figyelhető meg, majd metanogén környezetben, és végül nitrát redukáló feltételek mellett


Letölteni ppt "XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS LEBONTÁSA."

Hasonló előadás


Google Hirdetések