Wojcik-Tomaszewska.pdf

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologia w remediacji

zanieczyszczeñ organicznych

Przemys³aw Wójcik, Barbara Tomaszewska

Zak³ad Biochemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Poznañ

Biotechnology in remediation of organic contamination

Summary

Extensive industrial and agricultural development of the 20 th century is one

of the causes of wide-spread contamination of the environment by organic pol-

lutants such as polyaromatic hydrocarbons, pesticides and explosive com-

pounds. Nowadays, apart from traditional remediation techniques involving me-

chanical treatment, we are facing new opportunities of utilizing microorgan-

isms (bioremediation) and plants (phytoremediation) to contain, transform or

remove toxic elements present in soils, water and, to some point, in atmo-

sphere. Great diversity of living organisms and application of genetic engineer-

ing make bio- and phytoremediation even more attractive.

Key words:

bioremediation, phytoremediation, transgenic plants, polyaromatic hydro-

carbons, CYP450.

1. Wstêp

Adres do korespondencji

Przemys³aw Wójcik,

Zak³ad Biochemii,

Uniwersytet

im. Adama Mickiewicza,

ul. Miêdzychodzka 5,

60-371 Poznañ.

Postêp techniczny zwi¹zany z rozwojem przemys³u i urbaniza-

cj¹ jest nierozerwalnie zwi¹zany z wytwarzaniem wielu u¿ytecz-

nych chemikaliów, które po wykorzystaniu w postaci niezmienio-

nej lub po przekszta³ceniu w inne zwi¹zki ulegaj¹ akumulacji w gle-

bie, wodzie i powietrzu. Stopieñ akumulacji zwi¹zków toksycznych

jest szybszy ni¿ dzia³ania cz³owieka podjête by je zlikwidowaæ

i w zwi¹zku z tym coraz wiêcej uwagi poœwiêca siê na efektywne

wykorzystanie zasobów samej natury w celu zmniejszenia jej zanie-

czyszczenia. Dziêki odkryciom naukowym z dziedziny fizjologii

i biochemii dosz³o do opracowania podstaw biotechnologii œrodo-

wiskowej znanej powszechnie jako bioremadiacja i fitoremediacja.

4 (71) 156–172 2005

Biotechnologia w remediacji zanieczyszczeñ organicznych

Bioremediacja to mo¿liwoœæ wykorzystania w celu oczyszczania œrodowiska mi-

kroorganizmów, które dziêki du¿ym zdolnoœciom degradacji zwi¹zków chemicz-

nych i mo¿liwoœciami transformacji s¹ skutecznie wykorzystywane w oczyszczaniu

gleby, a tak¿e wody (w oczyszczalniach œcieków).

Wykorzystanie roœlinnych mechanizmów obronnych i zdolnoœci metabolizowa-

nia zwi¹zków toksycznych le¿y u pod³o¿a fitoremediacji. W technologii tej roœliny

mo¿na potraktowaæ jako z³o¿ony mechanizm napêdzany energi¹ s³oneczn¹ zdolny

do oczyszczania gleby, wody i powietrza z zanieczyszczeñ, którymi mog¹ byæ za-

równo metale ciê¿kie, zwi¹zki organiczne jak i gazy (1).

Usuwanie zanieczyszczeñ organicznych opiera siê zaœ g³ównie na biodegradacji,

fitodegradacji i fitowolatyzacji, przy czym g³ównym problemem jest pobranie czê-

sto lipofilnych i zwi¹zanych z komponetami gleby ksenobiotyków (2).

2. Najczêœciej spotykane zanieczyszczenia organiczne

Najczêœciej wystêpuj¹cymi w œrodowisku zanieczyszczeniami organicznymi s¹

monoaromatyczne wêglowodory (BTEX) oraz wielopierœcieniowe wêglowodory aro-

matyczne (WWA) oraz ich pochodne.

2.1. Wêglowodory aromatyczne

BTEX (benzen, toluen, etylobenzen i ksyleny) powszechnie wystêpuj¹ w ropie

naftowej i jej pochodnych. S¹ one równie¿ produkowane przez cz³owieka na u¿ytek

przemys³u jako rozpuszczalniki i substraty do produkcji pestycydów, tworzyw sztucz-

nych i w³ókien syntetycznych. Zwi¹zki te uwa¿ane s¹ za jedno z g³ównych Ÿróde³ za-

nieczyszczenia w zwi¹zku z czêstymi wyciekami i nieszczelnoœci¹ cystern, czy te¿

urz¹dzeñ dystrybucyjnych i rafineryjnych (3). Zanieczyszczenia wód gruntowych zwi¹z-

kami BTEX trudno ulegaj¹ remediacji w zwi¹zku z relatywnie du¿¹ ich rozpuszczal-

noœci¹ i gwa³townym rozprzestrzenieniem w œrodowisku wodnym.

Wielopierœcieniowe wêglowodory aromatyczne (WWA) to jedne z najbardziej

toksycznych organicznych zanieczyszczeñ œrodowiska. Przyczyn¹ ich powstawania

s¹ zarówno procesy zachodz¹ce w naturze, takie jak po¿ary lasów oraz wybuchy

wulkaniczne, jak i dzia³alnoœæ cz³owieka zwi¹zana z przemys³em, komunikacj¹, spa-

laniem odpadów miejskich. WWA powsta³e na skutek spalenia nie pozostaj¹ jednak

w atmosferze, lecz jako opady dostaj¹ siê do gleby. Niektóre z WWA s¹ celowo pro-

dukowane przez cz³owieka, np. jako sk³adniki preparatów ochrony drewna (4). Za

WWA uwa¿ane s¹ organiczne zwi¹zki chemiczne sk³adaj¹ce siê z dwóch lub wiêcej

pierœcieni benzenowych. Cechuj¹ siê one du¿ymi masami cz¹steczkowymi oraz ma³¹

rozpuszczalnoœci¹ w wodzie, co wynika z ich du¿ej lipofilnoœci. Wartoœci logarytmu

wspó³czynnika podzia³u oktanol-woda (logK ow ) wahaj¹ siê dla nich w zakresie od

BIOTECHNOLOGIA 4 (71) 156-172 2005

157

Przemys³aw Wójcik, Barbara Tomaszewska

3 do 7 (5,6). WWA o wartoœci logK ow równej 4 lub mniejszej (naftalen, fenantren) s¹

zdolne do przejœcia przez b³ony komórkowe do lipofilnych kompartmentów we-

wn¹trz komórek, co wp³ywa na ich dostêpnoœæ do korzeni roœlin. WWA o wiêkszych

wartoœciach logK ow preferencyjnie przechodz¹ do frakcji humusu w glebie lub sedy-

mentuj¹ i ulegaj¹ absorpcji przez osad denny w œrodowiskach wodnych (5). Cechy te

ograniczaj¹ biodostêpnoœæ WWA, a przez to i ich remediacjê (5,6), która zale¿y od

w³aœciwoœci samego zwi¹zku jak i œrodowiska, w którym siê on znajduje. Im wiêksza

masa cz¹steczkowa danego zwi¹zku, a tak¿e im wiêcej pierœcieni benzenu zawiera

tym wolniej zachodzi jego rozk³ad (4).

2.2. Pochodne wêglowodorów

Alkoholowe i aminowe pochodne benzenu to fenole i aniliny . Obie grupy zwi¹z-

ków s¹ rozpuszczalne zarówno w polarnych jak i niepolarnych rozpuszczalnikach.

Podobnie jak WWA równie¿ fenole i aniliny mog¹ byæ wi¹zane przez humus, co ma

wp³yw na ich biodostêpnoœæ. Dodatkowo zwi¹zki te w ró¿nych wartoœciach pH

mog¹ tworzyæ jony (aniliny w neutralnym pH uzyskuj¹ ³adunek dodatni, zaœ fenole

w œrodowisku alkalicznym ³adunek ujemny). W³aœciwoœæ ta w znacz¹cym stopniu

wp³ywa na ich potencja³ pobrania przez roœliny (5). Aniliny i ich azotowe pochodne

wykorzystywane s¹ w przemyœle jako substraty do syntezy barwników oraz jako

antyoksydanty w przemyœle gumowym. W œrodowisku czêsto przechodz¹ w aminy

o w³aœciwoœciach karcenogennych (5).

Naturalne zwi¹zki nitroaromatyczne (chloramfenikol i inne) rzadko wystêpuj¹

w naturze, co t³umaczy ich niezwyk³¹ odpornoœæ na biodegradacje. Do produkowa-

nych przez cz³owieka na skalê masow¹ zwi¹zków nitroaromatycznych zalicza siê

m.in. nitrobenzen, o- i p- nitrotoluen, 2,4-dinitrotoluen u¿ywane do produkcji pianek

poliuretanowych, herbicydów, insektycydów, farmaceutyków, materia³ów wybucho-

wych. Do tych ostatnich nale¿y najszerzej rozpowszechniony trinitrotoluen (TNT),

który w zwi¹zku z obecnoœci¹ symetrycznie roz³o¿onych grup nitrowych jest nie-

zwykle odporny na dzia³anie dioksygenaz, enzymów uczestnicz¹cych w degradacji

przez mikroorganizmy równie¿ innych aromatycznych wêglowodorów (8).

Kolejn¹ grupê pochodnych wêglowodorów stanowi¹ chlorowcopochodne stoso-

wane jako pestycydy. Stanowi¹ one powa¿ne zagro¿enie dla œrodowiska, gdy¿ s¹

w du¿ym stopniu odporne na degradacjê, a tak¿e znane s¹ z akumulacji w tkankach

zwierz¹t. Z tego powodu wiele z nich znalaz³o siê na liœcie trwa³ych organicznych

zanieczyszczeñ i zakazano ich stosowania (m.in. p,p’-dichlorodifenylotrichloroetan

[DDT]). Inne chlorowcopochodne zwi¹zki znajduj¹ce zastosowanie jako herbicydy

i insektycydy, sk³adniki farb, atramentów, kosmetyków, œrodków dezynfekuj¹cych

i czyszcz¹cych to m.in. trichloroetylen (TCE) oraz pentachlorofenol (PCP) (5,9).

Amerykañska Agencja Ochrony Œrodowiska (USEPA), Parlament i Rada Europy jak

i polskie instytucje (m.in. Ministerstwo Œrodowiska, Ministerstwo Rolnictwa i Roz-

158

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologia w remediacji zanieczyszczeñ organicznych

woju Wsi) ustalaj¹ standardy jakoœci gleby i wód oraz wydaj¹ odpowiednie dyrekty-

wy i rozporz¹dzenia reguluj¹ce produkcjê i stosowanie wielu wspomnianych zwi¹z-

ków organicznych. Instytucje te do najbardziej toksycznych zanieczyszczeñ orga-

nicznych zaliczy³y m.in naftalen, antracen, fenantren, fluoranten, piren, benzo[ ]pi-

ren, pentachlorobenzen, pentachlorofenol. Stosowanie tego ostatniego w œrodkach

ochrony roœlin jest obecnie zabronione, zaœ w 2008 r. ma wejœæ w ¿ycie ca³kowity

zakaz stosowania PCP (10,11).

3. Remediacja

Wnikniêcie organicznych zanieczyszczeñ do komórek wywo³uje szereg zmian

w ich metabolizmie. Dzieje siê tak, gdy¿ detoksykacja wymaga mobilizacji komórki

i nastawienia ca³ego jej potencja³u energetycznego oraz metabolitycznego na de-

gradacjê ksenobiotyku. Pierwszym etapem degradacji jest indukcja syntezy i akty-

wowanie systemów enzymatycznych bezpoœrednio uczestnicz¹cych w detoksykacji.

Enzymatyczne mechanizmy degradacji WWA s¹ przedmiotem badañ naukowców od

wielu lat. Ju¿ w roku 1964 prowadzono badania nad szlakiem katabolizmu naftalenu

(12), zaœ obecne odkrycia znacznie poszerzy³y tê wiedzê (13).

Do g³ównych enzymów uczestnicz¹cych w obróbce ksenobiotyków nale¿¹ m.in.

dioksygenazy, peroksydazy, monooksygenazy oraz oksydazy. Efektem ich dzia³ania

jest przeprowadzenie lipofilnego zwi¹zku toksycznego w formê bardziej dostêpn¹

(czêsto z otwartym pierœcieniem aromatycznym) dla dalszych etapów remediacji. To

w³aœnie dziêki tym enzymom i przemianom przez nie katalizowanym mikroorgani-

zmy zdolne s¹ uzyskaæ energiê oraz substraty do syntezy bia³ek komórkowych z wê-

glowodorów aromatycznych, przeprowadzaj¹c równoczeœnie mineralizacjê zwi¹z-

ków toksycznych do CO 2 poprzez szlak kwasów trikarboksylowych (TCA) (5).

Nale¿y zwróciæ uwagê, ¿e czêœæ enzymów uczestnicz¹cych w remediacji mo¿e

spe³niaæ swoj¹ rolê po wydzieleniu do gleby i katalizowaæ reakcje zmieniaj¹ce w³aœ-

ciwoœci zwi¹zków organicznych nawet po œmierci mikroorganizmu lub roœliny (14).

3.1. Mechanizmy zaanga¿owane w utlenianie zanieczyszczeñ organicznych

3.1.1. Dioksygenazy

W doœæ dobrze poznanej degradacji naftalenu, która inicjowana jest poprzez

wprowadzenie dwóch atomów tlenu w cz¹steczkê wêglowodoru aromatycznego

uczestniczy multienzymatyczny kompleks dioksygenazy, na który sk³ada siê reduk-

taza, ferredoksyna i proteiny siarkowo-¿elazowe. Na tym etapie powstaj¹ cz¹steczki

dihydrodioli, które pod wp³ywem dehydrogenaz ulegaj¹ nastêpnie przekszta³ceniu

BIOTECHNOLOGIA 4 (71) 156-172 2005

159

Przemys³aw Wójcik, Barbara Tomaszewska

w katechole. Dziêki rozszczepieniu katecholi mo¿liwe jest otwarcie pierœcienia aro-

matycznego z wytworzeniem kwasu pirogronowego, bursztynowego, fumarowego

lub octowego, które mog¹ zostaæ w³¹czone w cykl kwasów trikarboksylowych

(13,15).

Enzymy zaanga¿owane w degradacjê naftalenu wykazuj¹ równie¿ zdolnoœæ de-

gradacji fenantrenu oraz antracenu. Ponadto dioksygenazy bior¹ udzia³ w degrada-

cji innych zwi¹zków aromatycznych (na ró¿nych etapach) w tym bifenyli, ksylenów,

chlorowcopochodnych, fenoli i anilin (4,16,17).

3.1.2. Peroksydazy

Izoenzymy peroksydaz wystêpuj¹ w œcianie komórkowej, plazmalemmie, cyto-

plazmie, a tak¿e w powi¹zaniu z wewnêtrznym systemem b³on. Ta hemoproteina

zawiera w swojej strukturze wêglowodany (oko³o 25% ca³kowitej masy), które chro-

ni¹ enzym przed degradacj¹ proteolityczn¹ (18).

Enzym ten charakteryzuje siê nisk¹ specyficznoœci¹ oraz wysokim powinowac-

twem do ksenobiotyków ró¿nego rodzaju, co wraz z szerokim rozpowszechnieniem

peroksydaz w komórce umo¿liwia tym enzymom utlenienie ca³ego spektrum obcych

zwi¹zków i udzia³ w szeregu procesach detoksykacji.

W warunkach stresowych nastêpuje wzrost aktywnoœci peroksydazy. Peroksyda-

za odgrywa du¿¹ rolê w ochronie komórek roœlinnych przed cz¹steczkami H 2 O 2 po-

wstaj¹cymi w reakcjach oksydacyjnych podczas fotosyntezy poprzez wykorzystanie

H 2 O 2 jako utleniacza. Grupa hemowa jest miejscem, w którym H 2 O 2 zostaje zredu-

kowane do H 2 O, dziêki przeniesieniu elektronów z substratu na grupê hemow¹. Po-

nadto peroksydazy przeprowadzaj¹ oksydacjê fenoli i anilin do nietoksycznych poli-

merycznych produktów w³¹czanych w strukturê œcian komórkowych, co wi¹¿e siê

z syntez¹ lignin. W³¹czenie tych nietoksycznych form fenoli i anilin w sk³ad lignin

jest koñcowym aktem fitostabilizacji tych zwi¹zków.

Niektóre roœliny s¹ w stanie wydzielaæ znaczne iloœci peroksydaz do ryzosfery,

gdzie mog¹ one uczestniczyæ w oksydacyjnej degradacji zwi¹zków wystêpuj¹cych

w glebie, a tak¿e w reakcjach polimeryzacji prowadz¹cych do immobilizacji zanie-

czyszczeñ w ryzosferze. Peroksydazy roœlinne wykazuj¹ uderzaj¹ce podobieñstwo

do peroksydaz izolowanych z grzybów. Grupa hemowa peroksydaz grzybów jest

jednak niedostêpna, co powoduje, ¿e przeprowadzaj¹ one reakcjê rozk³adu lignin

w odró¿nieniu od peroksydaz roœlinnych, które posiadaj¹c wyeksponowan¹ grupê

hemow¹ przeprowadzaj¹ proces tworzenia lignin (19).

Pochodz¹ce z grzybów peroksydazy takie jak MnP (Mn-peroksydaza), LIP (perok-

sydaza ligninowa) u¿ywaj¹ jonów Mn 2+ jako katalizatorów w procesie degradacji li-

gnin, zwi¹zków humusowych jak i aromatycznych ksenobiotyków takich jak fenan-

tren, piren, benzo[ ]piren poprzez hydroksylacjê, oksydacjê i ciêcie struktur pierœ-

cienia aromatycznego. Zapewnienie ró¿norodnoœci degradowanych substratów wy-

160

PRACE PRZEGL¥DOWE

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: