Transcript 4. óra anyaga

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,
Szulfanilsav biodegradáció
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)
SA koncentráció
sejtdenzitás
6
0,6
0,5
0,4
600 )
NH2
4
0,3
3
0,2
2
SO3
-
0,1
1
0
0
-0,1
0
10
20
idő (óra)
30
40
50
sejtdenzitás (OD
szulfanilsav
koncentráció (mM)
5
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
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
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
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 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
A szennyezőanyag megkötődése
• A talaj szervesanyagaihoz különösen szeretnek kötődni
hidrofób molekulák. Ennek jellemzésére találták ki az oktanolvíz 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
Anaerob fázis
Aerob fázis
Kölcsönhatás a talaj mátrix
anyagaival
Kezdeti szorpció
A folyamatos redukció
kovalens kötésű
származékokat generál
Kemiszorpció amin-, amid-,
és imin- kötéseken keresztül
A szorbeálódott vegyületek a
hidrolizis vagy a biológiai
oxidáció hatására nem
mobilizálódnak újra
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).
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
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 hozzáférésjelentősen csökken. NAPL –kal bárhol találkozhatunk (vízi környben, 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 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
0,00000011
Naftalin
31
3,36
Antracén
0,05
5,91
fenantrén
1,1
4,16
Pirén
0,13
5,19
Krizén
0,002
4-klórbifenil
0,96
palmitinsav
0,0035
Aromás szénhidrogének
egyéb
>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 koncban lehet jelen a vizes fázisban, mely a küszöb konc alatti
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.
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