XENOBIOTIKUMOK,

1
XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ
VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS LEBONTÁSA
2
XENOS IDEGEN SZINTETIKUS NEM
TERMÉSZETES EREDETU
Példák peszticidek, herbicidek, oldószerek,
egyes szerves vegyületek
Lebontásukra megoldás - fizikai - kémiai
módszerek - biológiai
Az 1960-as évek elején felfedezték, hogy számos
talajlakó mikroorganizmus képes a xenobiotikumok
bontására Egyféle szennyezés ritkán fordul elo,
ált. vegyes hulladék sokféle enzim, mikroorg.
szükséges
Legproblémásabb vegyületek az aromás, valamint
halogén elem tartalmú vegyületek, lebontásukra
többek között az oxigenáz, dehalogenáz enzimek
alkalmasak
3
LEBONTÁSI ÚTVONAL LEHET AEROB, ANAEROB
aerob mono- és dioxigenázok anaerob reduktív
folyamatok pl. dehalogenáció, Anoxiás
körülmények aerob mikroorganizmusokkal (nitrát,
szulfát jelenlétében)
4
Metabolikus utak

• Ahhoz, hogy megértsük a mikrobiális lebontási
  útvonalakat, szükséges a mikroorganizmusok
  alapmuködésének ismerete
• Metabolizmus reakciók együttese, mely során a
  sejtek energiát és kémiai építoelemeket nyernek
• Energia nyerés szempontjából vannak fototrófok
  ill. kemotrófok

Energia és szénforgalom a bioszférában
Nap
szervesanyag
O2
Fototróf
Kemotróf
CO2
Ho, entrópia
Ho, entrópia
5
részletek

• Számos metabolikus út
• Szükséges elemek, vegyületek felvétele a
  környezetbol (membrán transzport) glükózzal
  könnyen megy

O2
6
Legfontosabb metabolikus utak

• TCA (trikarbonsav) ciklus esszenciális centrális
  metabolikus út
• Calvin ciklus
• XuMP, RuMP (xilulóz monofoszfát ill. ribulóz
  monofoszfát)
• EMP (Embden-Meyerhof-Parnas)
• PPP (pentóz-foszfát)
• Nitrogén
• Kén

7
(No Transcript)
8
Aanerob metabolizmus benzoil-CoA-n keresztül
Benzoil-CoA konverziója acetil-CoA-vá
9
Bakteriális lebontási útvonalak központi
intermediereken keresztül
10
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

11
Alifás szénhidrogének mikrobiális bontása

• Alkánok, alkének, alkoholok, ketonok, éterek,
  epoxidok, észterek, karboxilsavak
• Számos formája természetes körülmények között is
  elofordul
• Ipari alkalmazás oldószer, tisztítószer,
  intermedier, stb.
• Toxikus hatás, többségük egészségre ártalmas
• Sok aerob, CH bontó mikroorganizmus..
• metán hasznosítók, Pseudomonasok, Rhodococcus -,
  Acinetobacter fajok,
• monooxigenáz támadással indul, NADH-t igényel,
  mint elektron donor. A beépülo oxigén molekuláris
  oxigénbol származik

12
Példák
n-alkán oxidáxió - Pseudomonas oleovorans
Elágazó alifás CH-k bontása - Pseudomonas
citronellolis
13
Éterek bontása
14
Izoprén bontása Rhodococcus sp.
MTBE (metil tercier-butil éter) Foleg talajvíz
szennyezo, adalékanyagként, oldószerként
használják Propán hasznosító baktériumok
kometabolizmussal bontják - Mycobacterium vaccae
15
Halogén tartalmú vegyületek

• Többségük ember alkotta vegyület
• Pl. oldószerek, vegytisztitószerek, peszticidek
• Vízben nem vagy nagyon rosszul oldhatók
• Ellenáll a mikrobiális lebontásnak
• Elonyös tulajdonságaik a visszájára fordultak
• Toxikusak
• Fo probléma, hogy nehezen hozzáférhetok
• Eltávolításukra megoldás detergens
  alkalmazása a szennyezett talaj
  kiásása égetés biotechnológia

16
Bontás

• biotikus
• reduktív dehalogénezés
• oxigenolitikus dehalogénezés
• hidrolitikus dehalogénezés
• tiolitikus dehalogénezés
• dehalogénezés intramolekuláris szubsztitucióval
• Dehidrodehalogénezés
• hidrodehalogénezés

• abiotikus
• hidrolizis
• redukció
• oxidáció

17
Bár úgy tartjuk számon a klórozott vegyületeket,
mint ellenálló molekulák, számos mikroorganizmus
képes bontani megfelelo körülmények között
Reakciók 1. Reduktív dehalogénezés- a C-Cl
kötés hidrogénnel v. elektronnal redukálható,
miközben szénhidrogén és sósav keletkezika)
hidrogenolizis b) szomszéd redukció v.
dihaloelimináció
18
2. Oxigenolitikus dehalogénezés - mono-, vagy
dioxigenázok katalizálják - hosszúláncú
haloalkánok, klórozott aromás vegyületek is
a) monooxigenáz katalizálta reakció
b) dioxigenáz katalizálta reakció
19
3. Hidrolitikus dehalogénezés - a kloridot
vízbol nyert hidroxil csoportra cseréli -
halohidrolázok, foleg alifás vegyületeket (2-8
szénatomos) 4. Tiolitikus dehalogénezés -
a reakcióban glutation vesz részt, melynek kén
atomja cseréli le a klór atomot, a
keltekezo tioéter hidroxilálódik
20
5. Halogénmentesítés intramolekuláris
szubsztitucióval - haloalkoholok
esetén 6. Dehidrodehalogénezés - csak
olyan vegyület esetén lehetséges, ahol a halogén
atomot hordozó szénatomon hidrogén
van 7. Hidrodehalogénezés -
3-klórakrilsav - hidratáz enzim katalizálta
reakció víz jelenlétében
21
Alifás vegyületek oldószerek, stb. fo
talajszennyezok halometánok illékonyak
ózonrombolók aerob talajbaktériumok pl.
Methylosinus sp.,Methylococcus sp.
metán monooxigenáz, ammónium monooxigenáz Példák ?
diklórmetán lebontása aerob metilotrófokkal
Methylobacterium,Methylophilus glutation
függo dehalogenáz ? tetraklórmetán
perzisztens CO2
CH3CO-SCoA acetát
CCl4 hipotetikus út CHCl3
CH2Cl2 CH3Cl CH4
22

• TCE (triklóretilén) - nem ismert olyan
  baktérium, mely egyedüli szén-, és
  energiaforrásként hasznosítja -
  biodegradáció kometabolizmussal, oxigenáz
  reakció

Növekedési szubsztrát CH4
Mindez a metanotróf baktériumban
CH4
NADH
O2
Metán-monooxigenáz
H2O
NAD
CH3OH
Köztes metabolizmus
szaporodás
23
? Hosszúláncú klórozott alkánok - oxidatív
reakcióval - széles spektrumú alkán monooxigenáz
enzimet szintetizáló baktériummal, melynek
érdekessége, hogy a klórozott szubsztráttal
indukálható az enzim
24
? Hexaklórciklohexán (HCH)- inszekticid -
izomerek (? HCH lindán)- állati
idegrendszerre is hat!- több ismert bontó
szervezet Pseudomonas putida Sphingomonas
paucimobilis
25

• Haloaromások - többféle aerob lebontási út
  lehet a) eloször a halogén elem távozik, utána
  hasad a gyuru b) eloször hasad a gyuru - minél
  több a klór atom a gyurun annál valószínubb az
  anaerob lebontás, ez esetben a reduktív
  delogénezés történik
• 1. Klórbenzolok
• a klóratomok számának emelkedésével csökken a
  vízoldékonyságuk illékonyak, lipofilek,
  toxikusak, akkumulálódnak
• aerob bontásuk pl. Pseudomonas sp.

26
2. Klórfenolok - lebontásuk hasonló a
klórbenzolokéhoz pentaklórfenol (PCP) Na-
sóját széles körben haszn., fa- és bor tartósítás
(gombák és baktériumok ellen) bontás foleg G-
baktériumokkal, oxigenolitikus klór
lehasítás PCP monooxigenáz
3. Fenoxialkánsavak - növények növekedésére ható
vegyületek herbicidek pl. 2,4-D, 2,4,5-T
27
4. Poliklórozott bifenilek (PCB) - nagy kémiai
stabilitás, alig old. vízben, kevésbé
illékonyak - óriási mennyiségben gyártják -
transzformátor folyadék, kenoanyag,
hutofolyadék, de papír-, festék-, stb.
gyártásban is használják
5. Poliklórozott dibenzodioxinok és
dibenzofuránok
- ált. égetés során melléktermék - extrém
alacsony vízoldhatóság - aerob bontás pl.
Sphingomonas sp RW1 dioxin dioxigenáz
gombával pl. Phanerochaete sordida
Eloször a klórozottsági fok csökken, majd e
reakció megy végbe
28
Összefoglalva a haloaromás vegyületekrol
hallottakat

• A haloaromás vegyületek biológiai úton bonthatók
• Minden esetben hatásos tápanyagok és oxigén
  adagolása
• Nem minden esetben elonyös külso
  mikroorganizmus hozzáadása
• Néha elofordul, hogy az átalakítás végterméke még
  toxikusabb
• Ha a lebontás kometabolizmussal megy szükséges
  egyéb szervesanyag bejuttatása, ez azonban in
  situ remediálás esetén nem kívánatos (nem
  megengedett)

29
Nitro- funkciós csoportot hordozó vegyületek
mikrobiális bontása

• Természetben elofordulásuk ritka, foleg emberi
  tevékenység következménye
• Természetes eredetu vegyületek pl. azomycin,
  klóramfenikol, pirrolnitrin
• Nemcsak toxikus, de mutagén, karcinogén hatás is
• Foleg festék-, peszticid-gyártás és
  robbanóanyag-gyártás hulladékaként jelenik meg, a
  nitrotoluolok a robbanószerek pl. TNT építoelemei
• Mivel a nitro csoport könnyen konvertálódik, ált.
  az intermedierekkel találkozunk
• Parfümgyártásban is használják, egyes vegyületei
  pézsmaillatot árasztanak

30
Nitro funkciós csoportot hordozó vegyületek
biodegradációja

• Perzisztenciájuk fo oka nitro funkciós
  csoportjuk, mely erosen elektronelszívó hatású,
  emiatt az aromás gyuru elektronhiányos, így
  akadályozzák az oxigenolitikus reakciókat (az
  oxigenázok elektrofil támadása gátolt)
• bonthatóságukat befolyásoló egyéb tényezok
  oldhatóságuk (biol. hozzáférés),
  szorpció/deszorpciós tul., koncentráció, kémiai
  természet
• Mono-, esetleg dinitro vegyületeknél lehetséges
  oxigenolitikus bontás (mivel a természetesen
  eloforduló vegyületek ált. mononitro vegyületek,
  így az evolúció során egyes szervezetek képesek
  voltak adaptálódni, és felhasználni e
  vegyületeket)

31

• Nitroalkánok
• - gombák, streptomycesek bontják
• - flavoenzimek (FAD prosztetikus csoport)
• pl. Fusarium oxysporum - nitroalkán oxidáz

pl. Hansenula mrakii 2-nitropropán dioxigenáz
Megjegyzés érdekes, hogy ebben az esetben a
dioxigenáz az oxigén molekula két atomját két
molekulába építi, ez más dioxigenázokra nem
jellemzo
2. Nitrát észterek (C-O-NO2) - természetben
nincs, emberi alkotás - pl. glicerol trinitrát
nitroglicerin - bontás alig van példa, nem
specifikus enzimreakciót feltételzünk
Agrobacterium radiobacter, Pseudomonas sp.
Enterobacter cloacae
32

• 3. Nitroaromás vegyületek
• - erosen mérgezo 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

TNT trinitrotoluol TAT triaminotoluol
nagyon reaktív, oxigén jelenlétében
gyors auto- oxidáció és polimerizá-
ció tört., valamint erosen kölcsönhat a
talaj- komponensekkel, így a
mikrobák számára nem hozzáférheto
TAT
TNT
34
A TNT és fontosabb metabolitjainak kapcsolata a
talajjal (a vastagított szürke nyíl az
irreverzibilis szorpciót jelöli, a beszínezett
aromás gyuru azokat a metabolitokat jelöli,
melyeket azonosítottak a redukciós folyamatban).
Rieger and Knackmuss (1995).
35
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).
Anaerob fázis
Aerob fázis
Kölcsönhatás a talaj mátrix anyagaival
Kezdeti szorpció
A folyamatos redukció kovalens kötésu
származékokat generál
Kemoszorpció amin-, amid-, és imin- kötéseken
keresztül
A szorbeálódott vegyületek a hidrolizis vagy a
biológiai oxidáció hatására nem mobilizálódnak
újra
36
TNT szennyezett talaj dekontaminálására
fejlesztett eljárás
40 hét alatt 2,5 gTNT/kgtalaj konc. kb 95-kal
csökkent
Mosó oldat tartály
Szennyezett talaj tartály
2
3
3
4
1

1. Anoxiás bioreaktor
2. Aerob bioreaktor
3. Ülepíto
4. fotoreaktor

37
Policiklikus aromás szénhidrogének (PAHs)

• A PAH-ok lipofil vegyületek, a fosszilis
  energiahordozók nem tökéletes égetésének
  melléktermékei
• Vízoldékonyságuk csekély mértéku, viszont szerves
  oldószerekben jól oldódnak
• megtalálhatók a levegoben, talajban, üledékekben,
  felszíni-, és talajvizekben
• A molekulák oxidációval, redukcióval szembeni
  ellenállóképessége, és illékonyságuk a
  molekulatömeg növekedésével együtt no.
• Többségük karcinogén
• Hasznosításuk foleg intermedier vegyületként a
  gyógyszeriparban, mezogazdaságban, fotográfiában,
  horekeményedo muanyagok, kenoanyagok
  eloállításában, a vegyiparban
• Kinyerése koszénkátrány feldolgozás során,
  illetve koolaj finomítási folyamatokból származó
  olajmaradékokból

38
PAH-ok szerkezeti formái, vízoldékonyságuk,
karcinogenitásuk
PAH-ok sorsa a környezetben
39
Eltávolításuk a környezetbol

• Nem biológiai jellegu eltávolításuk
  volatilizáció, fotooxidáció, kémiai oxidáció,
  adszorpció
• Mikrobiális lebontásuk gátolt a gyenge
  biohozzáférhetoség miatt, ami elsosorban gyenge
  vízoldékonyságuknak köszönheto
• Gram-, Gram baktériumok Pseudomonas-ok,
  Sphingomonas-ok, Acinetobacter-ek,
  Rhodococcus-ok, Mycobacterium-ok
• 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 különbözo redukáló körülményeket
  összehasonlítva, a legnagyobb mértéku degradáció
  szulfát redukáló körülmények között figyelheto
  meg, majd metanogén környezetben, és végül nitrát
  redukáló feltételek mellett