Биоремедиация полихлорированных дифенилов

Полихорированные дифенилы , или ПХД, представляют собой тип химических веществ, которые широко использовались в 1960-х и 1970-х годах и являются источником загрязнения почвы и воды. Они достаточно стабильны и поэтому устойчивы во внешней среде. Биоремедиация ПХД – это использование микроорганизмов для разложения ПХД из загрязненных участков, основанное на совместном метаболизме множества микроорганизмов. Анаэробные микроорганизмы сначала дехлорируют ПХБ, а другие микроорганизмы, способные действовать по пути BH , могут расщеплять дехлорированные ПХД до полезных промежуточных продуктов, таких как ацил-КоА или диоксид углерода . Если микроорганизмы, способные к пути BH, отсутствуют, дехлорированные ПХД можно минерализовать с помощью грибов и растений. Однако существует множество ограничивающих факторов для этого совместного метаболизма.

Обзор

печатные платы

Полихлорированные дифенилы (ПХД) представляют собой различные искусственные продукты на основе бифенилов , которые широко использовались в качестве диэлектрической жидкости, промышленной охлаждающей жидкости и смазочных материалов в 1960-х и 1970-х годах. Нет никаких доказательств того, что его синтез происходит естественным путем. Их относят к стойким органическим загрязнителям. ПХБ имеют общую химическую структуру бифенила, и один или несколько атомов водорода в ароматических кольцах заменены атомами хлора. ^[1]

ПХБ находятся в вязкой жидкой форме при нормальной температуре и плохо растворяются в воде. Структура ароматического углеводорода придает ПХБ относительно высокую молекулярную стабильность. Замещение хлора еще больше усиливает его нерастворимость и химическую стабильность. Следовательно, деградация ПХБ в природной среде происходит очень медленно и может составлять от 3 до 37 лет в зависимости от количества хлоридных замещений и их положения. ^[1]

Биоремедиация

Биоремедиация — это метод удаления отходов, в котором используются микроорганизмы для разложения или удаления таких отходов, как органические отходы и тяжелые металлы, из загрязненных участков, включая почву и воду. Преимущества биоремедиации заключаются в том, что она экологически безопасна, недорога и позволяет удалять несколько отходов одновременно по сравнению с традиционными химическими и физическими процессами. ^[2]

Процесс деградации

Различные микроорганизмы участвуют в двухэтапном процессе разложения ПХБ, который происходит в аэробной и анаэробной среде. Разложение ПХД аналогично разложению бифенила. ^[1] Однако хлор в ПХБ не позволяет использовать их в качестве субстрата для разложения бифенила. Из-за высокой химической стабильности ПХБ не могут использоваться в качестве источников энергии. ^[3] Однако благодаря хлорированию ПХБ могут использоваться в качестве акцепторов электронов при анаэробном дыхании для накопления энергии, что также является первой стадией пути разложения - восстановительного дехлорирования. ^[3] Когда ПХБ дехлорированы до определенной степени, обычно менее пяти хлоров, присутствующих в структуре, и одно ароматическое кольцо не содержит хлора, ^[1] они могут подвергаться пути деградации бифенила (путь BP) и разлагаться до доступного углерода или CO ₂ в аэробной среде. Путь BP — это путь, в котором используется ряд ферментов ( BphA , B, C, D, E, F, G) для превращения бифенила в промежуточные соединения цикла TCA ( пируват и ацил-КоА ) и бензоат . ^[3] Однако мало микроорганизмов, способных дехлорировать субстрат в естественных условиях. Даже при использовании селективной среды накопление микроорганизмов, дехлорирующих ПХД, все еще происходит медленно, что является одной из причин медленной скорости разложения. В результате ПХБ обычно проходят путь совместного метаболизма, в котором участвуют различные виды микроорганизмов. ^[4]

Вообще говоря, этот процесс состоит из четырех этапов: ^[3]

Чтобы ПХД проникли в клетку, их сначала необходимо растворить.
ПХД дехлорируются анаэробными бактериями, а затем переносят метаболиты к аэробным бактериям или грибам через биопленку .
Присутствие метаболитов ПХБ запускает экспрессию ферментов пути BP.
ПХБ расщепляются до ацетил-КоА, а затем могут быть утилизированы или диоксид углерода.

На рисунке ниже показан полный путь разложения.

Ограничивающие факторы

ПХД проникают в клетки

ПХБ имеют низкую растворимость в воде, поэтому они плотно прилипают к почве и не могут быть легко доступны бактериям. В частности, если место загрязнения подвергалось воздействию ПХД в течение длительного периода, ПХБ могут интегрироваться в матрицу почвы или отложений, а затем еще больше снижать их биодоступность. Некоторые поверхностно-активные вещества могут способствовать растворению, но не могут увеличить скорость разложения ПХД. Однако если ПХД также прочно связаны с поверхностно-активными веществами, то этот процесс не может способствовать абсорбции ПХБ и даже снижать ее. Кроме того, доказано, что многие поверхностно-активные вещества токсичны для клеток, и еще одной проблемой является высокая стоимость поверхностно-активных веществ. ^[3]

Свойства печатных плат

ПХБ токсичны для бактериальных сообществ в концентрации выше 1000 мг/кг. Однако если концентрация слишком низкая (менее 50 мг/кг), деградация существенно замедляется, поскольку материала для стимуляции экспрессии необходимых генов и поддержки роста компетентных микроорганизмов недостаточно. ^[1] ПХБ включают в себя различные соединения с несколько разной структурой. Эти небольшие различия приводят к большим различиям в скорости метаболизма. Вообще говоря, чем больше хлора в молекуле ПХБ, тем труднее его разложить. В частности, микроорганизмы не могут хорошо разлагать ди- и тетра-ортозамещенные. Возможно, эти структуры предотвращают доступ ферментов к местам реакции. ^[4]

Характеристики почвы и отложений

Во-первых, структура почвы и отложений будет определять, насколько плотно к ним прилипают ПХД, и влиять на поглощение ПХД клетками. Доступность ПХД ухудшается из-за увеличения содержания органического углерода и глины, поскольку они способствуют абсорбции ПХБ в почву или отложения. ^[3] Во-вторых, почва содержит необходимое питание для роста микробов и анаэробную и аэробную среду. ^[4] Наконец, местная микробная популяция оказывает значительное влияние на скорость разложения ПХД, которая варьируется в зависимости от штаммов микробов и их активности. Затем, если нет истории воздействия ПХД, микробам могут потребоваться месяцы, чтобы активировать свою способность дехлорировать ПХБ и расщеплять их. ^[1]

Экспрессия генов и эффект «узких мест» метаболитов

ПХД или дифенил не могут обеспечить микробов энергией, поэтому они являются первичными источниками энергии и углерода. Как уже говорилось ранее, микроорганизмам иногда требуются месяцы, чтобы активировать свой ген дихлора после первого воздействия ПХД. ^[3] Было предложено использовать аналоги для стимулирования активации генов. Однако даже после активации метаболического пути промежуточные соединения этого пути создают эффект «узкого места» из-за своей токсичности. Кроме того, существует вероятность того, что путь BP приводит к образованию протоанемонина , который является тупиковым метаболитом, который не может быть использован клетками. Из-за высокой энергетической стоимости этого пути, если в системе отсутствует предпочтительный источник энергии, клетки не будут активировать этот путь. ^[1]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пассаторе, Лаура; Россетти, Симона; Джуваркар, Аша А.; Массаччи, Анджело (15 августа 2014 г.). «Фиторемедиация и биоремедиация полихлорированных дифенилов (ПХБ): состояние знаний и перспективы исследований». Журнал опасных материалов . 278 : 189–202. дои : 10.1016/j.jhazmat.2014.05.051 . ПМИД 24976127 .
^ П., Каммингс, Стивен (01 января 2010 г.). Методы и протоколы биоремедиации . Хумана Пресс. ISBN 9781607614395 . OCLC 805006965 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Оцубо, Ёсиюки; Кудо, Тошиаки; Цуда, Масатака; Нагата, Юджи (1 августа 2004 г.). «Стратегии биоремедиации полихлорированных дифенилов». Прикладная микробиология и биотехнология . 65 (3): 250–258. дои : 10.1007/s00253-004-1654-y . ISSN 0175-7598 . ПМИД 15248039 . S2CID 26436247 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Васильева, ГК; Стрижакова, Э.Р. (01 декабря 2007 г.). «Биоремедиация почв и отложений, загрязненных полихлордифенилами». Микробиология . 76 (6): 639–653. дои : 10.1134/S002626170706001X . ISSN 0026-2617 . S2CID 800855 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пассаторе, Лаура; Россетти, Симона; Джуваркар, Аша А.; Массаччи, Анджело (15 августа 2014 г.). «Фиторемедиация и биоремедиация полихлорированных дифенилов (ПХБ): состояние знаний и перспективы исследований». Журнал опасных материалов . 278 : 189–202. дои : 10.1016/j.jhazmat.2014.05.051 . ПМИД 24976127 .

[2] П., Каммингс, Стивен (01 января 2010 г.). Методы и протоколы биоремедиации . Хумана Пресс. ISBN 9781607614395 . OCLC 805006965 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[:1-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Оцубо, Ёсиюки; Кудо, Тошиаки; Цуда, Масатака; Нагата, Юджи (1 августа 2004 г.). «Стратегии биоремедиации полихлорированных дифенилов». Прикладная микробиология и биотехнология . 65 (3): 250–258. дои : 10.1007/s00253-004-1654-y . ISSN 0175-7598 . ПМИД 15248039 . S2CID 26436247 .

[:2-4] Jump up to: ^а ^б ^с Васильева, ГК; Стрижакова, Э.Р. (01 декабря 2007 г.). «Биоремедиация почв и отложений, загрязненных полихлордифенилами». Микробиология . 76 (6): 639–653. дои : 10.1134/S002626170706001X . ISSN 0026-2617 . S2CID 800855 .

[1]

[2]

[3]

[4]