dr hab. inż. Tadeusz Przemysław Trzmiel

profesor nadzw. PŁ

Instytut Biochemii Technicznej

Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Procesy Biodegradacji

CZĘŚĆ I

Podstawy Biodegradacji

oraz

Biochemiczne mechanizmy biodegradacji związków alifatycznych i alicyklicznych

ŁÓDŹ 2013

Wstęp

W dobie gwałtownego rozwoju przemysłu, stale wzrasta liczba substancji chemicznych trafiających do środowiska. Można tu wyróżnić ksenobiotyki (substancje egzogenne), zarówno celowo wprowadzone (pestycydy) jak i te, które znalazły się w nim przypadkowo.

Nieustannie poznawane są nowe szlaki biodegradacji ksenobiotyków, szczególnie drogi dla degradowania mieszanin ksenobiotyków wytworzonych przez człowieka, które nigdy nie były obecne w naturze. Postępująca akumulacja tych toksycznych mieszanin w ziemi i wodach gruntowych jest szkodliwa do biologicznych systemów. Badanie szlaków degradacji ksenobiotyków często prowadzi do rozpoznania nowych enzymów i reakcji enzymatycznych.

Praktycznie dla każdego typu związku chemicznego można dobrać mikroorganizm zdolny go degradować. Liczebność drobnoustrojów w środowisku naturalnym jest teoretycznie nieograniczona, stąd jedynym praktycznym problemem jest znalezienie mikroorganizmu o uzdolnieniach w kierunku degradacji konkretnego ksenobiotyku. Można także, na drodze inżynierii genetycznej, zmodyfikować dany szczep w taki sposób, aby przejawiał interesujące nas cechy. Zaletą mikroorganizmów są niskie koszty utrzymania drobnoustrojów i stosunkowo proste, ewentualne, procesy technologiczne. Podatność ksenobiotyków na biodegradację zależy od dostępności tych związków dla drobnoustrojów oraz od liczebności i aktywności populacji mikroorganizmów.

Przebieg procesów mikrobiologicznego rozkładu węglowodorów i ich pochodnych zależy od struktury chemicznej związku, jego stężenia w środowisku, ewentualnej obecności grup reaktywnych takich, jak np. -COOH, -OH, czy -NH2, co może ułatwiać atak drobnoustrojów. Z kolei niektóre ugrupowania, takie jak halogenowe czy alkilowe czynią cząsteczkę bardziej odporną na degradację.

Ogromne znaczenie dla biodegradacji mają biologiczne predyspozycje gleby lub wody, które zależą od żyjących w niej drobnoustrojów, ich rodzaju czy też liczebności populacji. Najliczniejszą grupę stanowią bakterie. W glebie występują bakterie z  rodzajów: Acinetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Caulobacterium, Cellulomonas, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Staphylococcus, Streptococcus i Xanthomonas.

Drobnoustroje, niezależnie od ich uzdolnień do przeprowadzanie procesów degradacyjnych, przejawiają również aktywność w zakresie enzymatycznych przekształceń różnorodnych egzogennych związków chemicznych (ksenobiotyków) do strukturalnie podobnych produktów, które nie wykazują zazwyczaj żadnej funkcji metabolicznej i z dużą wydajnością gromadzone są pozakomórkowo. Procesy te, określane mianem biotransformacji lub biokonwersji, nie dostarczają energii, ani też prekursorów do syntez komórkowych. Biotransformacja przebiega przy niewielkiej liczbie enzymów, najczęściej są to przemiany jednoenzymowe.

Biorąc po uwagę wielką różnorodność powstających metabolitów pośrednich w trakcie biodegradacji, należy podkreślić, że tak jak trudny jest do przewidzenia kierunek tych przemian, tak również oddziaływanie powstających metabolitów na środowisko nie jest w pełni poznane.

Podczas pisania podręcznika „Procesy biodegradacji” autor korzystał z własnych notatek, bedących tłumaczeniem oryginalnych publikacji źródłowych oraz kilku renomowanych portali internetowych omawiających procesy biodegradacji:

http://www.umbbd.ethz.ch/

http://biocyc.org/META/class-tree?object=Pathways

http://enzyme.expasy.org/

http://www.genome.jp/kegg/pathway.html

* Pisząc ten podręcznik, autor – tak, jak to się obecnie praktykuje w wielu publikacjach internetowych – zostosował kilka uproszczeń!

1. Wzory kwasów karboksylowych rysował w formie niezdysocjowanej, choć w rzeczywistosci większość grup –COOH występuje w roztworach w postaci –COO-.

2. Teoretycznie wszystkie reakcje chemiczne (również enzymatyczne) są odwracalne. Na rysunkach, tylko te reakcje, które w  rzeczywiście są odwracalne i mają wpływ na całokształt transformacji lub przemiany są wyraźnie zaznaczone, jako odwracalne (↔).

1. PODSTAWY BIODEGRADACJI

1.1. Semantyka Najważniejszych Pojęć Używanych W Wykładzie

Biodegradacja  - ten termin ma dwa znaczenia:

1.       Dział biotechnologii obejmujący procesy: biodegradacji, mineralizacji, utylizacji, detoksykacji, biodeteriolacji, korozji mikrobiologicznej, fermentacji metanowej i pokrewnych dziedzin.

2.       Bioproces – według definicji, jak poniżej,

Biodegradacja – biochemiczny rozkład związków organicznych na prostsze składniki chemiczne zachodzący przy udziale żywych organizmów (bakterii, promieniowców, grzybów, glonów, pierwotniaków, robaków czy nawet roślin). Termin ten używany jest na ogół w odniesieniu do ksenobiotyków – substancji obcych i szkodliwych dla środowiska naturalnego, syntetyzowanych sztucznie przez człowieka i nie występujących naturalnie w przyrodzie.

Biodegradację w sposób kontrolowany wykorzystuje się w procesach bioremediacji, w biologicznych oczyszczalniach ścieków oraz w stawach biologicznych służących do  oczyszczania odcieków z zakładów przemysłu spożywczego. Biodegradacja ma również zastosowanie przy produkcji biogazu z odpadów i ścieków przemysłu spożywczego. Świadomy proces biodegradacji ścieków, jest często jednym z etapów ich utylizacji w oczyszczalniach.

Zdolność do biologicznego rozkładu ksenobiotyków nazywana jest biodegradowalnością tych związków. Na ogół zdolność do biodegradacji jest pożądaną cechą ksenobiotyków, gdyż dzięki temu materiały te w mniejszym stopniu zanieczyszczają środowisko. Mówimy o nich, iż są ekologicznie przyjazne dla środowiska. Materiały biodegradowalne po znalezieniu się w formie odpadów w środowisku naturalnym stopniowo się rozkładają i dzięki temu nie zalegają przez wiele lat. Biodegradowalne materiały można też świadomie poddawać procesowi przyspieszonej degradacji na drodze bioremediacji, kompostowania, fermentacji metanowej, itp.

Tab 1. Kryteria biodegradowalności związków organicznych

Według dzisiejszej wiedzy (2013) uważa się, że wszystkie produkty wytworzone przez człowieka ulegają biodegradacji – nawet szkło optyczne, choć niezwykle wolno (ponad 1.000.000 lat). W tabeli 2 autor zamieszcza orientacyjne dane dotyczace czasu niezbędnego do rozkładu kilku wybranych przez siebie, charakterystycznych dla obecnej epoki produktów.

Ksenobiotyki - (grec. ksenos - obcy) - różnorodne egzogenne związki organiczne, obce dla metabolizmu danego drobnoustroju; są to związki syntetyzowane chemicznie, na ogół nie występują naturalnie w przyrodzie.

Mineralizacja – procesy degradacji, w których materia organiczna zostaje przekształcona w związki nieorganiczne; dwutlenek węgla i wodę, a inne pierwiastki są przekształcane w związki mineralne (np. azotany, siarczany, itp.).

Biotransformacja – jednoetapowe (rzadziej dwuetapowe) chemiczne przekształcenie egzogennych związków organicznych w strukturalnie im podobne produkty dokonywane przez żywą komórkę.

Utylizacja forma recyklingu (powtórnego wykorzystania lub zagospodarowania odpadów i polutantów). Obecnie pojęcie coraz częściej używane również w znaczeniu potocznym, czyli unieszkodliwienie odpadów np. poprzez zniszczenie. Oba znaczenia (unieszkodliwienie oraz zagospodarowanie) dotyczą surowców i półproduktów odpadowych, a nawet niekiedy gotowych produktów i innych materiałów, które straciły wartość użytkową, np. spalenie zużytych opakowań, składowanie materiałów radioaktywnych, ale również powtórne wykorzystanie makulatury w papiernictwie, złomu w hutnictwie, itp. Termin utylizacji bywa równie często stosowany na określenie procesu przerobu padliny i wszelkiego rodzaju ubocznych produktów przemysłu spożywczego. 

Tab.2  Czas rozkładu przykładowych produktów

Recykling, recyklizacja – jedna z metod ochrony środowiska naturalnego. Jej celem jest ograniczenie zużycia surowców naturalnych oraz zmniejszenie ilości odpadów.

Według ustawy o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 roku (Dz. U. z 2001 r. Nr 62, poz. 628) pod pojęciem recyklingu "rozumie się taki odzysk, który polega na powtórnym przetwarzaniu substancji lub materiałów zawartych w odpadach w procesie produkcyjnym w celu uzyskania substancji lub materiału o przeznaczeniu pierwotnym lub o innym przeznaczeniu, w tym też recykling organiczny, z wyjątkiem odzysku energii."

Zasadą działania recyklingu jest maksymalizacja ponownego wykorzystania tych samych materiałów, z uwzględnieniem minimalizacji nakładów na ich przetworzenie, przez co chronione są surowce naturalne, które służą do ich wytworzenia oraz surowce służące do ich późniejszego przetworzenia.

Kompostowanie (organiczny recykling). Jedna z form utylizacji. Polega na naturalnym  unieszkodliwianiu i zagospodarowania odpadów, w tym na rozkładzie substancji organicznej przez drobnoustroje i inne żywe organizmy. Jest to proces biokonwersji substancji organicznej w kontrolowanych warunkach tlenowych, w odpowiedniej temperaturze i wilgotności.

Kompostowanie w warunkach beztlenowych lub o obniżonej znacznie wilgotności również może przebiegać, choć będzie znacznie wolniejsze (w tym przypadku lepiej mówić o składowaniu na wysypisku lub o fermentacji metanowej).

* * *

Te przedstawione wcześniej definicje mieszczą się w ujeciu biodegradacji, jako działu biotechnologii. Dobrze obrazuje pogląd autora podręcznika poniższy schemat:

Schemat możliwych przemian aniliny w celu jej unieszkodliwienia

Unieszkodliwianie odpadów i ksenobiotyków polega na poddawaniu ich procesom przekształcania biologicznego, fizycznego lub chemicznego w celu doprowadzenia ich do stanu, który nie stwarza zagrożeń dla życia lub zdrowia ludzi oraz dla środowiska.

* * *

Biodeterioracja - proces mikrobiologicznego rozkładu surowców i materiałów ekonomicznie ważnych dla człowieka. Jest to między innymi utlenianie żelaza (II) do formy (III) przez mikroorganizmy np.; w konstrukcjach stalowych, lub też atak mikroorganizmów na materiały budowlane. Procesy te są niepożądanymi zmianami właściwości materiałów, powodowanymi przez drobnoustroje. Proces ten prowadzi do strat ekonomicznych.

Korozja mikrobiologiczna - korozja zachodząca pod wpływem mikroorganizmów (głównie bakterii i grzybów) oraz produktów ich przemiany materii - produkty te tworzą środowisko korozyjne; ulegają jej tworzywa metaliczne i niemetaliczne (drewno, skóra, tekstylia, guma i in.).

Pestycydy – są to związki służące do ochrony zwierząt hodowlanych, roślin uprawnych, produktów żywieniowych, drewna i innych przed szkodliwymi organizmami roślinnymi i zwierzęcymi. Wśród pestycydów wyróżniamy:

-        insektycydy - środki owadobójcze,

-        herbicydy - środki chwastobójcze,

Kometabolizm (ko-metabolizm) to równoczesna biodegradacja dwóch niezależnych związków chemicznych, podczas której przemiany drugiego z nich - często ksenobiotyku - (zwanego II-go rzędowym substratem) są uzależnione od obecności pierwszego z tych związków tzw. ko-substratu (I‑szo rzędowego substratu). Przykładowo bakterie Pseudomonas stutzeri OX1 w obecności metanu, który enzymatycznie spalają do CO2, jednocześnie uzyskują zdolność do degradacji tetrachloroetanu (niebezpiecznego ksenobiotyku). Metan, który w tym procesie jest ko-substratem indukuje wytwarzanie monooksygenazy metanowej niezbędnej do inicjacji degradacji tetrachloroetanu. Ko-substrat może być również źródłem węgla i energii dla wzrostu organizmu..

Humifikacja, końcowe stadium procesu rozkła...