KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek,az egyes elemekre ható 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

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

alkalmazott mikrobiológia biotechnológia A mikrobiális eljárásokhoz ritkán alkalmaznak vad tipusú törzseket molekuláris biotechnológia Mikroorganizmusok előállítása “fermentáció” Mit tudnak a mikroorganizmusok? a legkülönbözőbb szerves vegyületek átalakítására képesek enzimek konstitutív indukált

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

Fotoszint. baktériumok, algák: Metanogének: archea obligát vagy strict anaerobok biogáz Metilotrófok: aerobok C1-C3 szénforrások hasznosítása pl. Metanotrófok metán oxidáció Clostridiumok: obligát anaerobok Gram pozitívok hőstabil endospóra rendkívül sokféle reakcióra képesek Tejsav baktériumok: anaerobok élelemiszeripar Bacillusok: endospóra extracelluláris enzimek Pseudomonasok: aerob heterotróf, Gram negatívok exopoliszaharidok biodegradáció Fotoszint. baktériumok, algák: aerob vagy anaerob biopolimerek Fotoszintézis, CO2 fixálás Streptomycesek: aerob, spórázó szervezetek antibiotikum termelők extracelluláris enzimek Élesztők: alkoholgyártás pékélesztő Fonalas gombák: heterotróf eukaryota szaprofita vagy parazita jellegzetes sejtfal spóraképzők antibiotikumok biokonverzió

Ipari fermentációk Upstream processing = a kívánt termék elkészítése - bioreaktorok - táptalajok - sterilizálás - oxigén - aerob v. anaerob fermentálás - enzimreaktorok Downstream processing = a termék kinyerése - sejtizolálás - feltárás - extrakció - fehérje tisztítás - kiszerelés

Bioremediáció Előnye: szerves szennyezőanyagok veszélytelen anyagokká alakulnak olcsóbb, mint a legtöbb fizikai, kémiai eljárás Hátránya: rossz hatékonyságú lehet pl. összetett szennyezések esetén, nehezen hozzáférhető szennyezések esetén talaj humuszanyagait is bonthatják a mikroorganizmusok Megoldás lehet a fizikai, kémiai és biológiai módszerek kombinálása

Biodegradációs, bioremediációs eljárások bemutatása I. RÉSZ FEHÉRJE- és SZÉNHIDRÁTPOLIMEREK

VESZÉLYES HULLADÉKOK PL. TOLL, SZŐR (!?) Veszélyes hulladéknak minősülhet minden, ami természetes körülmények között nem, vagy nagyon lassan bomlik toll, szőr miért bomlik lassan? SZERKEZETI STABILITÁS

Keratin szerkezeti felépítése Vízben oldhatatlan fehérje, ellenálló a legtöbb proteolitikus (keratinolitikus) enzim aktivitással szemben A fehérjékből felépülő filamentumok között kénhidak és hidrogén kötések alakulnak ki, melyek nagymértékben stabilizálják a szerkezetet A kiemelkedő haj/szőr rostok a kortikális sejtekből állnak, melyeket a kb. 10 nm-es keratin filamentek és az azokhoz kapcsolódó mátrix tölt ki. A keratint felépítő fehérjék csoportosítása: glicin-tirozin gazdag fehérjék (főleg a filamentek közötti mátrixban) alacsony kéntartalmú fehérjék (filamenteket alkotják) magas kéntartalmú fehérjék (mátrixban)

KERATIN BONTÁSA MIKROORGANIZMUSOKKAL A nagy kéntartalom következtében csak kevés mikroorg. képes a keratin alapú hulladékokat hasznosítani A mikrobiális lebontó folyamat lassú a természetben Az iparban nagy mennyiségben keletkező keratin alapú hulladék gyors eltávolítására van szükség A fehérjék egyik leggyakoribb, és legfontosabb enzimatikus módosítása a peptidkötések proteolitikus hasítása PROTEÁZOK

PROTEÁZOK Általánosan elterjedtek Extracelluláris, intracelluláris proteázok Az extracelluláris proteázok ritkán konstitutívan termelődnek, általában akkor indukálódnak, ha éhezik a sejt Fontos ipari enzimek (mosószer-, tejipar) Csoportosításuk: I. pH optimum alapján 1. Alkalikus 2. Semleges 3. Savanyú proteázok II. aktív centrumban lévő aminosavak (ill. fémek) szerint: 1. Szerin- 2. Cisztein- 3. Metallo- (stb.) prtoeázok

Fontosabb ipari alkalmazásuk: savanyú proteázok - sajtgyártás (renninszerű proteázok) - orvosi gyakorlatban (pepszinszerű p.) - sütőiparban semleges proteázok (viszonylag instabilak) - bőripar - élelmiszeripar alkalikus proteázok stabilak erősen lúgos környezetben, magas hőmérsékleten -mosószeripar sok mikroorganizmus termeli, legjelentősebb termelők a Bacillus fajok

Keményítő felhasználó mikroorganizmusok A keményítő – poliszaharid növényi tápanyagraktár ~ felépítése: a D-glükóz lineáris homopolimerje (amilóz) és elágazó homopolimerjének (amilopektin) keverékéből áll Az amilopektin elágazásainak mértéke és az amilóz : amilopektin arány a keményítő „korától” és származásától függ Ipari alkalmazás: fruktóz- ill. alkohol gyártás Keményítőt hasító enzimek: α-amiláz, glükoamiláz, glükóz izomeráz

A keményítő szerkezete, és enzimatikus hasítása

A fruktóz és alkohol ipari előállítása Őrölt gabona keményítőjét gőz és nyomás segítségével gélesítik Lehűtik 50-60°C-ra és α-amilázt adnak hozzá, mely az α-1,4-kötéseket elhasítja rövidebb poliszaharid szálak Glükóz felszabadítása glükoamiláz enzimmel végtermék: glükóz Glükóz izomeráz hozzáadásával fruktózt állíthatunk elő Élesztő sejtek hozzáadásával a glükózból alkohol fermentálható α-amilázt főleg Bacillus-ok termelik, extracelluláris Glükoamiláz termelő pl. Aspergillus niger

Cellulóz, xilóz hasznosítás A lignin, hemicellulóz, cellulóz polimerek különböző kombinációja egy lignocellulóz Szerkezetet ad, mely a növények szerkezeti felépítésében alapvető A lignocellulóz a növények feldolgozása során sok esetben, mint hulladék jelenik meg Lignin: három dimenziós, globuláris, szabálytalan, nem oldható, nagy molekulasúlyú polimer fenilpropán alegységekből különböző kémiai kötésekkel kapcsolódva épül fel kémiai kötésekkel kapcsolódik a hemicellulózhoz, és a cellulóz szálakat beburkolja felelős a növény rigiditásáért, a mechanikai behatásokkal és mikroorganizmus támadásokkal szembeni ellenállóképességért Hemicellulózok: rövid láncú, heterogén polimerek - hexózokat (pl. glükóz, mannóz, galaktóz), pentózokat (xilóz, arabinóz) tartalmaznak - három fő csoport: a, xilánok b, mannánok c, arabinogalaktánok

Reprezentatív lignin szerkezet a fenilpropán egységek CH a fenilpropán egységek kapcsolódása nem szervezett, nem ismétlődő C 2 C C

Reprezentatív xilán szerkezet a hasító enzimekkel

Cellulóz: a legegyszerűbb komponens a lignocellulózban a legelterjedtebb polimer molekula a bioszférában hosszú lánca D-glükóz molekulák β-1,4-es kapcsolatából áll a növényekben támasztó-szerkezeti molekula a cellulózban a glükóz láncok úgy helyezkednek el, hogy egy kristályszerű szerkezetet tudnak létrehozni, ami vízhatlan tehát a cellulóz polimer oldhatatlan, és ellenáll a hidrolízisnek hasznos szénforrás, ezért iparilag hasznosítani kellene előszőr ki kell hámozni a lignin-hemicellulóz takaróból ezek után jöhetnek a cellulázok – egy enzimcsoport - endoglükanáz - exoglükanáz - cellobiohidroláz - β-glükozidáz, v. cellobiáz

Cellulóz és hasító enzimei