KÖRNYEZETSZENNYEZŐ ANYAGOK, XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS ELTÁVOLÍTÁSA A KÖRNYEZETBŐL.

Az előadások a következő témára: "KÖRNYEZETSZENNYEZŐ ANYAGOK, XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS ELTÁVOLÍTÁSA A KÖRNYEZETBŐL."— Előadás másolata:

1 KÖRNYEZETSZENNYEZŐ ANYAGOK, XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS ELTÁVOLÍTÁSA A KÖRNYEZETBŐL

2 A szennyezés, mint tápanyag
A mikroorg. szaporodásukhoz, fennmaradásukhoz számos természetes, vagy szintetikus vegyszert képesek hasznosítani. Ezeket szén-, energia, nitrogén, foszfor, kén, stb. forrásként hasznosítják. Szempontunkból a legfontosabb amikor a körny-ben fellelhető vegyületeket a mikrobák szénforrásként hasznosítják Ha szénforrásként hasznosul, ekkor nő a biomassza tömege, miközben a vegyület eltűnik a sejtek környezetéből. Ekkor CO2 és víz is keletkezik. Természetes környezetben a biokonverzió hatékonysága nem adható meg pontosan (legtöbb esetben a környezet befolyásolja az eredményt)

3 A szennyezés, mint tápanyag
Gyakran a szennyezés nem szénforrásként hasznosul, hanem N, P, S (pl. egyes Rhodococcus fajok kénforrásként haszn a dibenzotiofént, egy Sphingomonas faj a szulfanilsavat C, N, S forrásként is) Bár vannak kivételek, az a jellemző, hogy egy szerves szubsztrátnak csak egyféle elemét használja fel a mikroorganizmus szaporodásához Mivel a legtöbb esetben a C forrás a limitáló tényező, így ha egy „váratlan” C forrás jut a környezetbe, az azt támadni/hasznosítani képes faj szelektív előnyhöz jut

4 Lappangási periódus A biodegradációt megelőzően gyakran megfigyelhetünk egy periódust, mely alatt a vegyület bontása nem mutatható ki, ezt hozzászokási vagy adaptációs vagy lag periódusnak nev A lag periódus után viszont gyakran igen gyors a vegyület lebontása A lappangási periódus hossza nagyon változó, függ a koncentrációtól, a körny-i feltételektől. Néha különösen hosszú lehet, pl. anaerob körny-ben klór tart-ú molekulák esetén A lag periódus oka lehet a kezdeti alacsony mikroba konc, más – a mikroba aktivitását gátló- anyag jelenléte, diauxia (két szénforrás), a bontásban résztvevő egy v több enzim indukálható, … Ha a biodegradáció folyamata közben ismét adunk uabból a vegyületből a rendszerhez, akkor a lappangási fázis nagyon lerövidül v elmarad, így a lebontás folyamatosan megy

5 Méregtelenítés Toxikológiailag aktív anyagok inaktívvá tétele biológiai úton, mely során a mikroorg kevésbé káros anyaggá alakítja az eredetileg veszélyes vegyületet Sokféle enzimatikus reakció szerepet játszhat ebben pl. hidrolizis, hidroxiláció, halogén eltávolítás, metiláció, nitro csop redukció,… Sajnos néha az elenkezője is megtört, amikor egy vegyületet toxikus formára alakít a mikroba (aktiváció) pl. triklóretilén (TCE) átalakítása során vinil klorid (potenciális karcinogén) keletkezik (Cl2C=CHCl ClHC=CH2) Minden új technológia kockázatot rejthet magában, ezért fontos alaposan megvizsgálni minden lépést, mielőtt alkalmaznánk

6 kinetika A biodegr kinetikájának ismerete nagyon fontos, hogy meghatározhassuk a szennyezőa perzisztenciáját. Először figyelembe kell venni a környezeti faktorokat, melyek befolyásolják, hogy egységnyi idő alatt mennyi anyag alakul át, majd a folyamat időbeli lefutását Gyakran abból következtetünk a folyamatra, hogy a kiindulási vegyületből mennyi van még jelen, ez azonban nem elégséges A kinetika függ attól, hogy a vegyület szén- és energiaforrásként hasznosul-e, van-e másik szubsztrát jelen, vagy csak átalakít a sejt de nem haszn fel szaporodásához Mennyi sejt van jelen, növekszik-e a sejtszám az átalakítás során, Milyen konc-ban van jelen a vegyület, túl kevés/túl sok

7 kinetika A természetes környezet ált nagyon összetett, heterogén mikrobiális közösségek vannak jelen, sok abiotikus tényező is hatással van a valós kinetikára: Diffúziós barrier Egyes vegyületek szorbeálódnak a talajkomponensekhez Más metabolizálható szervesa is jelen van Tápanyagok jelenléte/hiánya, hozzáférése Több faj bontja ugyanazt az anyagot Predátorok aktivitása Elbontandó anyag csekély vízoldékonysága A mikrokolóniák kinetikája más mint az szabadon mozgó sejteké

8 küszöb A szerves szennyezések gyakran alacsony konc-ban vannak jelen. Ez két problémát is felvet, egyrészt így is lehet toxikus, másrészt nem éri el azt a konc. ami kell a sejtek aktivizálódásához Az a konc, amelynél a sejtek túlélnek, anyagcserét folytatnak, de tömegük nem nő (nem szaporodnak), ez a szervesanyag konc a küszöb koncentráció. A küszöbkonc lecsökkenhet, ha a sejtek számára alternatív C forrás is jelen van. Ugyanakkor egy másik szubsztrát jelenléte miatt a küszöb magasabb is lehet, mint eredetileg lenne. A küszöb konc nemcsak a C forrásra vonatk, hanem más tápanyagok esetén is megfigyelhető

9 A szennyezőanyag megkötődése
Vannak anyagok, melyek bizonyos feltételek mellett nem bonthatóak biol úton (pl szintetikus polimerek). Sok vegyület noha potenciálisan alanya a mikrobiális támadásnak mégsem bomlik el Fontos különbséget tenni azon kifejezések között, hogy egy vegyület lebontható és bizonyos feltételek mellett nem lebomlott le – okai: Túl magas a konc, és toxikus Túl alacsony konc Egyéb tápanyag hiány A vegyület nem hozzáférhető – okai: Vegyület szorpciója nem vizes fázisban van jelen „csapdába került” - a talaj, üledék anyagába csomagolódott

10 A szennyezőanyag megkötődése
A szilárd felszín drámai hatással lehet a jelenlévő mikroorg-ok aktivitására, ugyanis módosíthatja a szervesanyag hozzáférést, és egyéb paraméterekre is hat pl. szerves, szervetlen tápa-k mennyisége, pH, O2, extracelluláris enzimek A szilárd felszín lehet agyagásvány, a talaj, üledék szerves frakciója (huminanyagok), más komplexek, Fe, Al oxidok vagy hidroxidok A szilárd felülethez gyakran adszorpcióval kapcs a szerves vegyület, és így az oldatból a szilárd frakcióba megy át, vagy abszorpcióval a szilárd anyag belsejébe jut. A szorpció fogalom mindkettőt kifejezi A szilárd felszínhez közeli mikrokörnyezetben zajlanak e folyamatok, számos paraméter befolyásolja (kationok jelenléte, specifikus felszín nagysága) Az adszorpció lehet fizikai, vagy van der Waals erők, hidrogén kötés, ioncsere, kemiszorpció

11 A szennyezőanyag megkötődése
A talaj szervesanyagaihoz különösen szeretnek kötődni hidrofób molekulák. Ennek jellemzésére találták ki az oktanol-víz particiós koefficienst, mely a vegyület hidrofóbicitását méri (Kow), és a talaj szerves széntart-t %-ban. Minél nagyobb a talaj szervesa tart-a, annál több hidrofób molekula szorbeálódik Az agyagásványok és kolloidális szervesanyagok negatív töltéssel bírnak, így a pozitív töltésű szerves molekulák képesek ezekre szorbeálódni, míg az anionos vegyületek alig Előfordul, hogy kovalens kötés jön létre egy kis molek tömegű vegyület és a komplex huminanyagok között

12 Anaerob fázis Aerob fázis Kölcsönhatás a talaj mátrix anyagaival Kezdeti szorpció Kemiszorpció 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).

13 A szennyezőanyag megkötődése
Néhány mikroba faj képes a szorbeált szervesanyagot is hasznosítani, de előfordul, hogy a szorbeált komponens teljesen ellenállóvá válik a mikrobiális támadással szemben Érdekes, hogy a biodegradáció visszaeséséért nem maga a szorpció a fő felelős, hanem a talaj minősége, mert nagyobb szervesanyag tart-ú talajban nagyobb a gátlás, míg alacsonyabb humusz konc mellett kisebb Gyakran azért nem tudja bontani a sejt a szorbeálódott anyagot, mert intracelluláris enzimkészlete a vegyület felvételét igényelné, ami ez esetben nem valósul meg. Ha extracelluláris az enzim, de sztérikus hatás miatt nem tud kialakulni a szubsztrát-enzim komplex Azért lassú a biodegradáció, mert vagy a sejt is kötődik a felszínhez, és így sem a sejt sem a szubsztrát nem jut el a másikhoz Az még bizonytalan, hogy valójában hogyan fér hozzá a mikroorg a szorbeált vegy-hez, valósz a folyamatos szorpció deszorpció során a deszorbeálódott komponenst „kapja”el. Néha olyan metabolitokat bocsájt ki a sejt, mely elősegíti a vegyület deszorpcióját. Esetleg a sejt közvetlen kapcsolatba kerül a szorbeált vegyülettel, mely rögtön a sejtbe jut, anélkül, hogy a folyadék fázisba kerülne

14 A nem vizes fázisban megtalálható szennyezők Nonaqueous-Phase Liquids (NAPLs)
Sok komponens nem vizes fázisban, de nem is szorbeálódva, hanem vízzel nem elegyedő folyadékban fordul elő. Ennek köszönhetően biodegradációjuk lehetősége – a biol hozzáférés- jelentősen csökken. NAPL –kal bárhol találkozhatunk (vízi körny-ben, talajban, üledékben…) pl. olajkiömléseket követően. Általában többféle szerves vegyület alkotja Tipikusan a NAPL olyan vegyületek elegye, melyeknek alacsony a vízoldékonysága, viszont szerves oldószerekben jól oldódnak Mivel a sejtek nem férnek hozzá könnyen, így gyors biodegradációjuk nem lehetséges, speciális mechanizmus kell felvételükhöz Ennek ellenére számos NAPL vegyületet képesek mikroorganizmusok bontani (pl. nagy molekulatömegű alkánok, aromások)

15 Néhány szerves vegyület oldékonysága vízben
csoport vegyület mg/liter log Kow Alifás szénhidrogének Heptán 2,9 4,66 Oktán 0,66 Dekán 0,052 5,6 Hexadekán 0,00002 9,1 Eikozán 0, Aromás szénhidrogének Naftalin 31 3,36 Antracén 0,05 5,91 fenantrén 1,1 4,16 Pirén 0,13 5,19 Krizén 0,002 egyéb 4-klórbifenil 0,96 palmitinsav 0,0035 >9 M. Alexander: Biodegradation and Bioremediation könyv alapján

16 Oktanol-víz megoszlási hányados (Kow)
Egy anyag fázisok közötti egyensúlyi megoszlását fontos ismernünk ahhoz, hogy a komponens viselkedését a körny-ben, és a biohozáférést meghatározhassuk. Ez a megoszlási állandó a két fázisban tört relatív oldékonyságon alapul. Egy hidrofób jellegű vegyület a NAPL fázisban lesz nagyobb konc-ban, míg egy hidrofil vegyület a vizes fázisban dúsul fel A NAPL fázist a véletlenszerűen kiválasztott n-oktanol képviseli a meghatározások során, és a megoszlási hányados a Kow fejezi ki, azt, hogy a vizsgált anyag milyen mértékben oldódik oktanolban arányítva a vízben oldott értékkel (Kow = cokt : cvíz c = koncentráció). A Kow érték magas lehet, ezért a logaritmusát szokták megadni (log Kow) Egy komponens, melynek magas a Kow értéke, hidrofób jellegű, és inkább a szerves fázisban, nem a vizes fázisban találjuk meg. Mivel a szorpció mértéke a talaj, üledék szervesanyagaihoz összefüggésben van a molekula hidrofóbicitásával, így a log Kow ismeretében megjósolhatjuk az adott környezet humin frakciójához való kötődés mértékét.

17 NAPL biodegradáció Mivel nem vízoldékonyak, így a hozzáférésük korlátozott A NAPL folyadékok viszkozitása is befolyásolja a bonthatóságukat (lassabb diffúzió miatt) Toxicitásuk a fő meghatározó tényező biodegradációjukban Fázishatár felülete minél nagyobb annál gyorsabb a biodegr Magas log Kow érték esetén a vegyület olyan alacsony konc-ban lehet jelen a vizes fázisban, mely a küszöb konc alatti

18 NAPL biodegradáció Hogyan tudja hasznosítani v metabolizálni az alacsony vízoldékonyságú komponenseket a mikroorg? Csak a vizes fázisban lévő vegyületet veszi fel Ebben az esetben a vegyület vízbe beoldódásától nagymértékben függ a biodegr sebessége A mikroorg olyan terméket bocsájt ki (felületaktív anyagok), melyek apró (< 1mm) cseppeket (micella) alkotnak a szubsztráttal (pszeudoszolubilizáció), és így fel tudja venni Ha a biodegr gyorsabb, mint ahogy a spontán megoszlás mértéke alapján várnánk. Minél kisebb a micella mérete, annál nagyobb a felület, ezáltal gyorsul a biodegr. A sejt közvetlen kapcsolatba lép a NAPL komponenssel A sejtek hozzátapadnak a hidrofób szubsztráthoz, és aggregátumokat képeznek. Egyes fajok erősebben mások kevésbé erősen kapcs-nak a szubsztráthoz.

19 Hexadekán szubsztráton növesztett Rhodococcus erythropolis MK1

20 Hogyan javítható a NAPL biodegradáció?
Felületaktív (FA) anyag hozzáadásával Nem minden FA segíti elő. Azok, melyeknek a hidrofil-lipofil hányados 11 v nagyobb, ált előnyösek. Vannak a sejtekre toxikus FA-k, és olyanok, melyek rontják a sejtek tapadását a szubsztrátra („szétverik” az aggreg-t). Ált elfogadott, hogy azok a FA-k előnyösek, melyek javítják a megoszlási arányt (a vizes fázis javára) v nagyobb határfelületi felszínt biztosítanak, ezáltal nagyobb lesz az anyagáram, és a mikrobiális kolonizáció is Intenzív keveréssel/levegőztetéssel Szervetlen tápanyagok adagolásával Elsősorban olyan tápanyagok, melyek lipofil tul-k, így a NAPL-hoz kapcsoltan abban a mikrokörnyezetben javítják C:N:P arányt Spec mikrobák hozzáadásával NAPL toxicitásának csökkentésével Lehet 3 fázisú rendszert alkalmazni, melyet a toxikus NAPL, egy nem toxikus NAPL és vizes fázis alkot. A nem toxikus NAPL, mint egy csapda, megakadályozza, hogy nagyobb mennyiségben belépjen a vizes fázisba