Wissenschaftliche, technologische und industrielle Fortschritte haben große Mengen an Abwasser und nuklearen Abfällen in das Ökosystem eingeleitet, was ernsthafte Probleme für das Überleben der Menschheit auf der Erde verursacht. Die traditionelle Methode zur Entsorgung von Abfällen besteht darin, ein Loch zu graben, um den Abfall zu füllen. Diese Methode ist schwer aufrechtzuerhalten, da es keinen neuen Füllplatz gibt. Neue Methoden zur Behandlung von Abfällen nutzen Hochtemperaturverbrennung und chemische Zersetzung, wie basenkatalysierte Dechlorierung und UV-Oxidation. Obwohl diese Methoden sehr effektiv bei der Behandlung verschiedener Schadstoffe sind, sind sie komplex und unwirtschaftlich, daher ist die Bioremediation nun eine geeignete Alternative.

Bioremediation ist eine durch Mikroorganismen vermittelte Umwandlung oder der Abbau von Schadstoffen in ungefährliche oder weniger gefährliche Substanzen. Bakterien, Pilze, Algen und Pflanzen können zur effektiven Bioremediation von Schadstoffen eingesetzt werden. Die Beteiligung von Pflanzen an der Bioremediation von Schadstoffen wird als Phytoremediation bezeichnet. Der Phytoremediationsprozess ist eine aufkommende grüne Technologie, die die Entfernung oder den Abbau toxischer Chemikalien in Boden, Sediment, Grundwasser, Oberflächenwasser und Luft fördert. Der Bioremediationsprozess beruht hauptsächlich auf Mikroorganismen, die die Schadstoffe durch Enzyme angreifen und in harmlose Produkte umwandeln. Da die Bioremediation dort wirksam sein kann, wo Umweltbedingungen das Wachstum und die Aktivität von Mikroorganismen erlauben, beinhaltet ihre Anwendung typischerweise die Manipulation von Umweltparametern, um das mikrobielle Wachstum und einen schnelleren Abbau zu ermöglichen. Bioremediation ist ein sehr langsamer Prozess. Nur bestimmte Arten von Bakterien und Pilzen besitzen eine effektive Fähigkeit, Schadstoffe abzubauen, wobei sie auf den Einsatz verschiedener intra- und extrazellulärer Enzyme angewiesen sind, um schwer abbaubare Stoffe sowie Lignin- und organische Schadstoffe zu sanieren.

Mikrobielle Oxidoreduktasen

Die Entgiftung verschiedener Verbindungen durch Bakterien, Pilze und höhere Pflanzen mittels oxidativer Kopplung wird durch Oxidoreduktasen vermittelt. Mikroorganismen gewinnen Energie durch diese enzymvermittelten biochemischen Reaktionen, indem sie chemische Bindungen spalten und den Elektronentransfer vom reduzierten organischen Substrat auf eine andere Verbindung unterstützen. Während solcher Reaktionen werden die Schadstoffe schließlich zu harmlosen Verbindungen oxidiert. Oxidoreduktasen sind an der Humifizierung verschiedener phenolischer Substanzen beteiligt, die beim Abbau von Lignin im Boden entstehen. Ebenso können Oxidoreduktasen toxische Xenobiotika (z. B. phenolische oder anilinhaltige Verbindungen) durch Polymerisation, Copolymerisation mit anderen Substraten oder Bindung an Huminstoffe entgiften.

Viele Bakterien können radioaktive Metalle von einer löslichen oxidierten Form in eine unlösliche Form reduzieren. Im Prozess der Energiegewinnung nehmen Bakterien Elektronen aus organischen Verbindungen auf und nutzen radioaktive Metalle als finale Elektronenakzeptoren. Einige Bakterien reduzieren das radioaktive Metall indirekt mit Hilfe eines intermediären Elektronendonors. Das Endpräzipitat kann als Ergebnis der Redoxreaktion von metallreduzierenden Bakterien betrachtet werden.

Chlorierte phenolische Verbindungen gehören zu den häufigsten Schadstoffen in der Papierindustrie. Diese Verbindungen entstehen, wenn Lignin während des Bleichens von Zellstoff teilweise abgebaut wird. Viele Pilze eignen sich zur Entfernung chlorierter phenolischer Verbindungen aus Umweltkontaminanten. Die Aktivität der Pilze ist hauptsächlich auf die Wirkung extrazellulärer Oxidoreduktasen wie Laccase, Manganperoxidase und Ligninperoxidase zurückzuführen. Diese Enzyme werden vom Pilzmyzel in die Umgebung abgegeben.

Mit phenolischen Verbindungen kontaminiertes Wasser kann durch Pflanzen mit von ihren Wurzeln ausgeschiedenen Enzymen dekontaminiert werden. Fabaceae, Gramineae und Solanaceae Pflanzen setzen Oxidoreduktasen frei, die am oxidativen Abbau bestimmter Bodenbestandteile beteiligt sind. Die Phytoremediation organischer Schadstoffe konzentriert sich hauptsächlich auf drei Arten von Verbindungen: chlorierte Lösungsmittel, Sprengstoffe und Erdölkohlenwasserstoffe.

Mikrobielle Laccasen

Laccase (p-Diphenol: Oxy-Oxidoreduktase) bildet eine Familie von Multikupferoxidase, die hauptsächlich von Pflanzen, Pilzen, Insekten und Bakterien produziert werden und die Oxidation verschiedener reduzierter phenolischer und aromatischer Substrate katalysieren, während molekularer Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Laccasen existieren in verschiedenen Isoenzymformen, die jeweils von einem eigenen Gen codiert werden, und in einigen Fällen hängt die Expression dieser Gene von der Art des Induktors ab. Viele Mikroorganismen produzieren intra- und extrazelluläre Laccasen, die die Oxidation von o- und p-Diphenolen, Aminophenolen, Polyphenolen, Polyaminen, Lignin und Aryldiaminen sowie bestimmter anorganischer Ionen katalysieren. Laccase oxidiert nicht nur Phenole und Methoxyphenolsäuren, sondern decarboxyliert sie auch und greift ihre Methoxygruppen an (Demethylierung). Diese Enzyme sind an der Depolymerisation von Lignin beteiligt, um eine Vielzahl von Phenolen zu erzeugen. Diese Verbindungen werden als Nährstoffe für Mikroorganismen verwendet oder durch Laccase zu Huminstoffen repolymerisiert. In der Biotechnologie stellen Laccasen eine allgegenwärtige Gruppe von Oxidoreduktasen dar, die großes Potenzial für biotechnologische und bioremediationstechnische Anwendungen besitzen.

Mikrobielle Peroxidasen

Peroxidase (Donor: Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktase) ist ein allgegenwärtiges Enzym, das die Oxidation von Lignin und anderen phenolischen Verbindungen auf Kosten von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) in Anwesenheit eines Mediators katalysiert. Die Peroxidase kann ein Häm- oder Nicht-Häm-Protein sein. Bei Säugetieren sind sie an biologischen Prozessen wie dem Immunsystem oder der Hormonregulation beteiligt. In Pflanzen sind sie am Metabolismus von Auxinen, der Bildung von Lignin und Suberin, der Quervernetzung von Zellwandbestandteilen, der Abwehr gegen Krankheitserreger oder der Zellstreckung beteiligt.

Häm-Peroxidase wird in zwei Gruppen unterteilt, wobei die zweite Gruppe in drei Kategorien unterteilt ist. Klasse I sind intrazelluläre Enzyme, darunter Hefe-Cytochrom-c-Peroxidase, Pflanzen-Ascorbat-Peroxidase (APX) und bakterielle genverdoppelte Katalase-Peroxidase. Klasse II besteht aus sezernierten Pilzperoxidasen, zum Beispiel Ligninperoxidase (LiP) und Manganperoxidase (Mnp) von Phanerochaete chrysosporium, Coprinus cinereus Peroxidase oder Arthromyces ramosus Peroxidase (ARP). Die Hauptaufgabe der Klasse II Peroxidase ist der Abbau von Lignin im Holz. Klasse III umfasst die sezernierte Pflanzenperoxidase, wie die aus Meerrettich (HRP), Gerste oder Sojabohne. Diese Peroxidasen sind biosynthetische Enzyme, die an Prozessen wie der Bildung der pflanzlichen Zellwand und der Lignifizierung beteiligt sind. Es gibt keine evolutionäre Verbindung zwischen Nicht-Häm-Peroxidasen, die fünf separate Familien bilden, darunter Thiolperoxidase, Alkylhydroperoxidase, Nicht-Häm-Haloperoxidase, Mangan-Katalase und NADH-Peroxidase.

Referenzen

Verwandte Dienstleistungen

Industrielle Enzymproduktion

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1. Karigar C S, Rao S S. Rolle mikrobieller Enzyme bei der Bioremediation von Schadstoffen. [J]. Enzyme Research, 2011.