галореспирация

Галоидорганическое дыхание (OHR) (ранее называвшееся галореспирацией или дегалореспирацией ) представляет собой использование галогенированных соединений в качестве конечных акцепторов электронов при анаэробном дыхании . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Дыхание галоидорганических соединений может играть роль в микробном биоразложении . Наиболее распространенными субстратами являются хлорированные алифатические соединения ( ПХЭ , ТХЭ , хлороформ ) и хлорированные фенолы. Галоидорганические дышащие бактерии весьма разнообразны. Этот признак обнаружен у некоторых Campylobacterota , Thermodesulfobacteriota , Chloroflexota (зеленых несерных бактерий), грамположительных клостридий с низким содержанием G+C , ^{[ 4 ]} и ультрамикробактерии. ^{[ 5 ]}

Процесс дыхания галогенорганических соединений

В процессе дыхания галогенорганических соединений используется восстановительное дегалогенирование для производства энергии, которая может быть использована дышащим микроорганизмом для осуществления его роста и метаболизма. ^{[ 6 ]} Галогенированные органические соединения используются в качестве терминального акцептора электронов , что приводит к их дегалогенированию. ^{[ 6 ]} Восстановительное дегалогенирование - это процесс, посредством которого это происходит. ^{[ 6 ]} Он включает восстановление галогенированных соединений путем удаления галогенных заместителей с одновременным добавлением электронов к соединению. ^{[ 7 ]} Гидрогенолиз и вицинальное восстановление - два известных процесса этого механизма, которые были идентифицированы. ^{[ 7 ]} В обоих процессах удаленные галогеновые заместители высвобождаются в виде анионов. ^{[ 7 ]} Восстановительное дегалогенирование катализируется восстановительными дегалогеназами , которые представляют собой мембраносвязанные ферменты. ^{[ 6 ]}^{[ 8 ]}^{[ 3 ]} Предполагается, что ряд не только мембраносвязанных, но и цитоплазматических гидрогеназ, в некоторых случаях входящих в состав белковых комплексов, играют роль в процессе дыхания органогалогенидов. ^{[ 9 ]} Большинство этих ферментов содержат кластеры железо-сера (Fe-S) и корриноидный кофактор в их активных центрах. ^{[ 6 ]} Хотя точный механизм неизвестен, исследования показывают, что эти два компонента фермента могут участвовать в восстановлении. ^{[ 6 ]}

Используемые субстраты и экологическая значимость

Обычными субстратами, которые используются в качестве терминальных акцепторов электронов при дыхании галогенорганических соединений, являются хлорорганические пестициды, арилгалогениды и алкильные растворители. ^{[ 7 ]} Многие из них представляют собой стойкие и токсичные загрязнители , которые могут частично или полностью разлагаться только анаэробным путем при дыхании галогенорганических соединений. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Трихлорэтилен (ТХЭ) и тетрахлорэтилен (ПХЭ) являются двумя примерами таких загрязнителей, и их разложение было в центре внимания исследований. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 10 ]} PCE — это алкильный растворитель, который ранее использовался в химической чистке, обезжиривании оборудования и других целях. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Он остается распространенным загрязнителем подземных вод. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} бактерии, которые способны полностью разлагать PCE до этена , нетоксичного химического вещества. Были выделены ^{[ 10 ]} Было обнаружено, что они принадлежат к роду Dehalococcoides и используют H ₂ в качестве донора электронов . ^{[ 10 ]} В прошлом процесс галогенидорганического дыхания применялся для биоремедиации ПХЭ и ТВК in situ. ^{[ 6 ]}^{[ 8 ]} Например, усиленное восстановительное дехлорирование использовалось для очистки загрязненных грунтовых вод путем введения доноров электронов и дегалореспирирующих бактерий в загрязненный участок для создания условий, стимулирующих рост бактерий и дыхание галогенорганических соединений. ^{[ 8 ]} При усиленном восстановительном дехлорировании загрязняющие вещества действуют как акцепторы электронов и полностью восстанавливаются, в конечном итоге образуя этен в серии реакций. ^{[ 8 ]}

Использование в биоремедиации

Экологически значимым аспектом бактериального дыхания галогенорганических соединений является восстановление тетрахлорэтена (ПХЭ) и трихлорэтена (ТХЭ); антропогенные загрязнители с высокой нейро- и гепатотоксичностью . ^{[ 11 ]} Их присутствие в качестве загрязнителей окружающей среды обусловлено их обычным промышленным использованием в качестве средств для обезжиривания металлов в 1920-1970 годах. ^{[ 12 ]} Эти ксенобиотические соединения имеют тенденцию образовывать частично нерастворимые слои, называемые плотными жидкостями неводной фазы (ДНАПЛ), на дне водоносных горизонтов подземных вод , которые растворяются медленно, подобно резервуарам, что делает ТХЭ и ПХЭ одними из наиболее распространенных загрязнителей подземных вод. ^{[ 13 ]}

Обычно используемой стратегией удаления ТВК и ПХЭ из грунтовых вод является использование биоремедиации посредством усиленного восстановительного дехлорирования (ERD). ^{[ 14 ]} ERD включает in-situ инъекции дегалореспирирующих бактерий среди ферментируемых органических субстратов, служащих донорами электронов , в то время как два загрязнителя, TCE и PCE, действуют как акцепторы электронов . ^{[ 14 ]} Это облегчает последовательное дехлорирование ПХЭ и ТХЭ в вредные цис- дихлорэтен (ДХЭ) и винилхлорид (ВХ), которые затем служат акцепторами электронов для полного дехлорирования в безвредный этилен . ^{[ 14 ]}

Широкий спектр бактерий разных родов обладает способностью частично дехлорировать PCE и TCE в цис -DCE и VC. ^{[ 14 ]} Одним из таких примеров является бактерия Magnetospirillum , штамм MS-1, которая может восстанавливать PCE в цис- DCE в аэробных условиях. ^{[ 15 ]} Однако эти дочерние субстраты имеют более высокие профили токсичности, чем их исходные соединения. ^{[ 14 ]} Таким образом, эффективное дехлорирование цис -ДХЭ и ВХ в безвредный этилен имеет решающее значение для биоремедиации водоносных горизонтов, загрязненных ПХЭ и ТХЭ. ^{[ 14 ]} В настоящее время бактерии рода Dehalococcoides являются единственными известными организмами, способными полностью дехлорировать ПХЭ в этилен. Это связано с их специфическими трансмембранными редуктивными дегалогеназами (RDases), которые метаболизируют атомы хлора в ксенобиотических загрязнителях для получения клеточной энергии. ^{[ 16 ]} В частности, изоляты Dehalococcoides VS и BAV1 кодируют винилхлоридные RDазы, которые метаболизируют VC в безвредный этилен, что делает их необходимыми видами в системах ERD, используемых при биоремедиации PCE и TCE. ^{[ 16 ]}

См. также

Ссылки

^ Холлигер, К.; Вольфарт, Г.; Дикерт, Г. (1998). «Восстановительное дехлорирование в энергетическом метаболизме анаэробных бактерий» (PDF) . Обзоры микробиологии FEMS . 22 (5): 383. doi : 10.1111/j.1574-6976.1998.tb00377.x .
^ Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Бол, Сюзанна; Ли, Мэтью; Маркиз, Кристофер П.; Мейнфилд, Майкл (2016). «Дышащие галогенорганические бактерии и восстановительные дегалогеназы: ключевые инструменты биоремедиации галогенорганических соединений» . Границы микробиологии . 7 : 249. дои : 10.3389/fmicb.2016.00249 . ISSN 1664-302X . ПМЦ 4771760 . ПМИД 26973626 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Ли, Мэтью; Мейнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П. (01 октября 2015 г.). «Восстановительные дегалогеназы достигают совершеннолетия при биологическом разрушении галогенорганических соединений». Тенденции в биотехнологии . 33 (10): 595–610. дои : 10.1016/j.tibtech.2015.07.004 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 26409778 .
^ Хираиси, А. (2008). «Биоразнообразие дегалореспирирующих бактерий с особым акцентом на дехлоринаторы полихлордифенила/диоксина» . Микробы и окружающая среда . 23 (1): 1–12. дои : 10.1264/jsme2.23.1 . ПМИД 21558680 .
^ Дуда, В.И.; Сузина, Н.Е.; Поливцева В.Н.; Боронин А.М. (2012). «Ультрамикробактерии: Формирование понятия и вклад ультрамикробактерий в биологию». Микробиология . 81 (4): 379–390. дои : 10.1134/S0026261712040054 . ПМИД 23156684 . S2CID 6391715 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Футагами, Тайки; Гото, Масатоши; Фурукава, Кенсуке (1 января 2008 г.). «Биохимические и генетические основы дегалореспирации» . Химическая запись . 8 (1): 1–12. дои : 10.1002/tcr.20134 . ISSN 1528-0691 . ПМИД 18302277 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Мон, WW; Тидже, Дж. М. (сентябрь 1992 г.). «Микробное восстановительное дегалогенирование» . Микробиологические обзоры . 56 (3): 482–507. дои : 10.1128/mmbr.56.3.482-507.1992 . ISSN 0146-0749 . ПМЦ 372880 . ПМИД 1406492 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Шойц, Шарлотта; Дюрант, Нил Д.; Деннис, Филип; Хансен, Мария Хейстерберг; Йоргенсен, Торбен; Якобсен, Расмус; Кокс, Эван Э.; Бьерг, Пол Л. (2008). «Одновременное образование этилена и рост дегалококкоидов, содержащих гены дегалогеназы, восстанавливающей винилхлорид, во время полевой демонстрации усиленного восстановительного дехлорирования». Экологические науки и технологии . 42 (24): 9302–9309. Бибкод : 2008EnST...42.9302S . дои : 10.1021/es800764t . ПМИД 19174908 .
^ Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Вонг, Йе Куан; Брейди, Нэди; Мейнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П.; Ли, Мэтью (10 августа 2016 г.). «Геномный, транскриптомный и протеомный анализ Dehalobacter UNSWDHB в ответ на хлороформ». Отчеты по экологической микробиологии . 8 (5): 814–824. дои : 10.1111/1758-2229.12444 . ISSN 1758-2229 . ПМИД 27452500 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Маймо-Гателл, X.; Чиен, Ю.; Госсетт, Дж. М.; Зиндер, С.Х. (6 июня 1997 г.). «Выделение бактерии, которая восстановительно дехлорирует тетрахлорэтен до этилена». Наука . 276 (5318): 1568–1571. дои : 10.1126/science.276.5318.1568 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 9171062 .
^ Рудер, AM (сентябрь 2006 г.). «Потенциальные последствия для здоровья профессионального воздействия хлорированных растворителей». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1076 (1): 207–227. Бибкод : 2006NYASA1076..207R . дои : 10.1196/анналы.1371.050 . ПМИД 17119204 . S2CID 43678533 .
^ Бакке, Берит; Стюарт, Патрисия А.; Уотерс, Марта А. (ноябрь 2007 г.). «Использование воздействия трихлорэтилена в промышленности США: систематический обзор литературы». Журнал гигиены труда и окружающей среды . 4 (5): 375–390. дои : 10.1080/15459620701301763 . ПМИД 17454505 . S2CID 32801149 .
^ Дугат-Бони, Эрик (март 2012 г.). «Деградация ТХЭ in situ, опосредованная сложными дегалореспирирующими сообществами во время процессов биостимуляции» . Микробная биотехнология . 5 (5): 642–653. дои : 10.1111/j.1751-7915.2012.00339.x . ПМЦ 3815876 . ПМИД 22432919 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Шойц, Шарлотта (ноябрь 2008 г.). «Одновременное образование этена и рост Dehalococcoides, содержащих гены дегалогеназы, восстанавливающей винилхлорид, во время полевой демонстрации усиленного восстановительного дехлорирования». Экологические науки и технологии . 42 (24): 9302–9309. Бибкод : 2008EnST...42.9302S . дои : 10.1021/es800764t . ПМИД 19174908 .
^ Шарма, Прамод К. (март 1996 г.). «Выделение и характеристика факультативно аэробной бактерии, которая восстановительно дегалогенирует тетрахлорэтен до цис-1,2-дихлорэтена» . Прикладная и экологическая микробиология . 62 (3): 761–765. Бибкод : 1996ApEnM..62..761S . doi : 10.1128/aem.62.3.761-765.1996 . ПМЦ 1388792 . ПМИД 16535267 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Хошнуд, Беранг (август 2015 г.). «Закрытие генома и кинетика транскрипции генов RDase у Dehalococcoides и их распространенность на очистных сооружениях» . Библиотеки Национального университета Сингапура . Архивировано из оригинала 1 декабря 2017 г. Получено 19 ноября 2017 г. - через Proquest.

Дальнейшее чтение

Джагдер, Дж. (2015). «Восстановительные дегалогеназы достигают совершеннолетия при биологическом разрушении галогенорганических соединений». Тенденции в микробиологии . 33 (10): 595–610. дои : 10.1016/j.tibtech.2015.07.004 . ПМИД 26409778 .
Лейс, Д.; Адриан, Л.; Смидт, Х. (2013). «Дыхание галогенорганических соединений: микробы, дышащие хлорсодержащими молекулами» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 368 (1616): 20120316. doi : 10.1098/rstb.2012.0316 . ISSN 0962-8436 . ПМЦ 3638457 . ПМИД 23479746 .
Футагами, Тайки; Гото, Масатоши; Фурукава, Кенсуке (2014). «Генетическая система галогенорганических дышащих бактерий». Биодеградирующие бактерии . стр. 59–81. дои : 10.1007/978-4-431-54520-0_4 . ISBN 978-4-431-54519-4 .
Хаг, Лос-Анджелес; Мафоса, Ф.; Лейс, Д.; Лоффлер, FE; Смидт, Х.; Эдвардс, Э.А.; Адриан, Л. (2013). «Обзор галогенорганических бактерий и предложение системы классификации редуктивных дегалогеназ» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 368 (1616): 20120322. doi : 10.1098/rstb.2012.0322 . ISSN 0962-8436 . ПМЦ 3638463 . ПМИД 23479752 .
Мафоса, Фараи; де Вос, Виллем М.; Смидт, Хауке (2010). «Использование набора инструментов экогеномики для экологической диагностики бактерий, дышащих галогенорганическими соединениями» . Тенденции в биотехнологии . 28 (6): 308–316. дои : 10.1016/j.tibtech.2010.03.005 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 20434786 .

[Hollinger1998-1] Холлигер, К.; Вольфарт, Г.; Дикерт, Г. (1998). «Восстановительное дехлорирование в энергетическом метаболизме анаэробных бактерий» (PDF) . Обзоры микробиологии FEMS . 22 (5): 383. doi : 10.1111/j.1574-6976.1998.tb00377.x .

[2] Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Бол, Сюзанна; Ли, Мэтью; Маркиз, Кристофер П.; Мейнфилд, Майкл (2016). «Дышащие галогенорганические бактерии и восстановительные дегалогеназы: ключевые инструменты биоремедиации галогенорганических соединений» . Границы микробиологии . 7 : 249. дои : 10.3389/fmicb.2016.00249 . ISSN 1664-302X . ПМЦ 4771760 . ПМИД 26973626 .

[sciencedirect.com-3] Перейти обратно: ^а ^б Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Ли, Мэтью; Мейнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П. (01 октября 2015 г.). «Восстановительные дегалогеназы достигают совершеннолетия при биологическом разрушении галогенорганических соединений». Тенденции в биотехнологии . 33 (10): 595–610. дои : 10.1016/j.tibtech.2015.07.004 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 26409778 .

[Hiraishi2008-4] Хираиси, А. (2008). «Биоразнообразие дегалореспирирующих бактерий с особым акцентом на дехлоринаторы полихлордифенила/диоксина» . Микробы и окружающая среда . 23 (1): 1–12. дои : 10.1264/jsme2.23.1 . ПМИД 21558680 .

[5] Дуда, В.И.; Сузина, Н.Е.; Поливцева В.Н.; Боронин А.М. (2012). «Ультрамикробактерии: Формирование понятия и вклад ультрамикробактерий в биологию». Микробиология . 81 (4): 379–390. дои : 10.1134/S0026261712040054 . ПМИД 23156684 . S2CID 6391715 .

[:22-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Футагами, Тайки; Гото, Масатоши; Фурукава, Кенсуке (1 января 2008 г.). «Биохимические и генетические основы дегалореспирации» . Химическая запись . 8 (1): 1–12. дои : 10.1002/tcr.20134 . ISSN 1528-0691 . ПМИД 18302277 .

[:3-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Мон, WW; Тидже, Дж. М. (сентябрь 1992 г.). «Микробное восстановительное дегалогенирование» . Микробиологические обзоры . 56 (3): 482–507. дои : 10.1128/mmbr.56.3.482-507.1992 . ISSN 0146-0749 . ПМЦ 372880 . ПМИД 1406492 .

[:5-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Шойц, Шарлотта; Дюрант, Нил Д.; Деннис, Филип; Хансен, Мария Хейстерберг; Йоргенсен, Торбен; Якобсен, Расмус; Кокс, Эван Э.; Бьерг, Пол Л. (2008). «Одновременное образование этилена и рост дегалококкоидов, содержащих гены дегалогеназы, восстанавливающей винилхлорид, во время полевой демонстрации усиленного восстановительного дехлорирования». Экологические науки и технологии . 42 (24): 9302–9309. Бибкод : 2008EnST...42.9302S . дои : 10.1021/es800764t . ПМИД 19174908 .

[9] Джагдер, Бат-Эрдэне; Эртан, Халук; Вонг, Йе Куан; Брейди, Нэди; Мейнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П.; Ли, Мэтью (10 августа 2016 г.). «Геномный, транскриптомный и протеомный анализ Dehalobacter UNSWDHB в ответ на хлороформ». Отчеты по экологической микробиологии . 8 (5): 814–824. дои : 10.1111/1758-2229.12444 . ISSN 1758-2229 . ПМИД 27452500 .

[:4-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Маймо-Гателл, X.; Чиен, Ю.; Госсетт, Дж. М.; Зиндер, С.Х. (6 июня 1997 г.). «Выделение бактерии, которая восстановительно дехлорирует тетрахлорэтен до этилена». Наука . 276 (5318): 1568–1571. дои : 10.1126/science.276.5318.1568 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 9171062 .

[11] Рудер, AM (сентябрь 2006 г.). «Потенциальные последствия для здоровья профессионального воздействия хлорированных растворителей». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1076 (1): 207–227. Бибкод : 2006NYASA1076..207R . дои : 10.1196/анналы.1371.050 . ПМИД 17119204 . S2CID 43678533 .

[12] Бакке, Берит; Стюарт, Патрисия А.; Уотерс, Марта А. (ноябрь 2007 г.). «Использование воздействия трихлорэтилена в промышленности США: систематический обзор литературы». Журнал гигиены труда и окружающей среды . 4 (5): 375–390. дои : 10.1080/15459620701301763 . ПМИД 17454505 . S2CID 32801149 .

[:0-13] Дугат-Бони, Эрик (март 2012 г.). «Деградация ТХЭ in situ, опосредованная сложными дегалореспирирующими сообществами во время процессов биостимуляции» . Микробная биотехнология . 5 (5): 642–653. дои : 10.1111/j.1751-7915.2012.00339.x . ПМЦ 3815876 . ПМИД 22432919 .

[:1-14] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Шойц, Шарлотта (ноябрь 2008 г.). «Одновременное образование этена и рост Dehalococcoides, содержащих гены дегалогеназы, восстанавливающей винилхлорид, во время полевой демонстрации усиленного восстановительного дехлорирования». Экологические науки и технологии . 42 (24): 9302–9309. Бибкод : 2008EnST...42.9302S . дои : 10.1021/es800764t . ПМИД 19174908 .

[15] Шарма, Прамод К. (март 1996 г.). «Выделение и характеристика факультативно аэробной бактерии, которая восстановительно дегалогенирует тетрахлорэтен до цис-1,2-дихлорэтена» . Прикладная и экологическая микробиология . 62 (3): 761–765. Бибкод : 1996ApEnM..62..761S . doi : 10.1128/aem.62.3.761-765.1996 . ПМЦ 1388792 . ПМИД 16535267 .

[:2-16] Перейти обратно: ^а ^б Хошнуд, Беранг (август 2015 г.). «Закрытие генома и кинетика транскрипции генов RDase у Dehalococcoides и их распространенность на очистных сооружениях» . Библиотеки Национального университета Сингапура . Архивировано из оригинала 1 декабря 2017 г. Получено 19 ноября 2017 г. - через Proquest.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]