KÖRNYEZETSZENNYEZŐ ANYAGOK, XENOBIOTIKUMOK, ÉS EGYÉB

NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS ELTÁVOLÍTÁSA A

KÖRNYEZETBŐL

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 eltűnika sejtek környezetéből. EkkorCO2 és víz is keletkezik.

• Természetes környezetbena biokonverzió hatékonyságanem adható meg pontosan(legtöbb esetben a környezetbefolyásolja az eredményt)

Szulfanilsav biodegradáció

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50idő (óra)

szul

fani

lsav

ko

ncen

trác

ió (m

M)

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

sejtd

enzi

tás

(OD

600)

SA koncentráció

sejtdenzitás

NH2

SO3-

• 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

A szennyezés, mint tápanyag

NH2

SO3-

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

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

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

• 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

kinetika

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

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

• 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

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

A szennyezőanyag megkötődése

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).

• 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

A szennyezőanyag megkötődése

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)

Néhány szerves vegyület oldékonysága vízbencsoport vegyület mg/liter log Kow

Alifás szénhidrogének Heptán 2,9 4,66Oktán 0,66Dekán 0,052 5,6

Hexadekán 0,00002 9,1Eikozán 0,0000001

1Aromás

szénhidrogénekNaftalin 31 3,36

Antracén 0,05 5,91fenantrén 1,1 4,16

Pirén 0,13 5,19Krizén 0,002

egyéb 4-klórbifenil 0,96palmitinsav 0,0035 >9

M. Alexander: Biodegradation and Bioremediation könyv alapján

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.

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

• 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 (< 1m) 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.

NAPL biodegradáció

Hexadekán szubsztráton növesztett Rhodococcus erythropolis MK1

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