Wissenschaftliche, technologische und industrielle Fortschritte haben große Mengen an Abwasser und nuklearen Abfällen in das Ökosystem eingetragen und dadurch erhebliche Probleme für das Überleben des Menschen auf der Erde verursacht. Die traditionelle Methode der Abfallentsorgung besteht darin, eine Grube auszuheben und die Abfälle zu verfüllen. Dieses Verfahren ist schwer nachhaltig, da keine neuen Verfüllstandorte zur Verfügung stehen. Neuere Verfahren der Abfallbehandlung nutzen Hochtemperaturverbrennung und chemische Zersetzung, wie z. B. basenkatalysierte Dechlorierung und UV-Oxidation. Obwohl diese Methoden bei der Behandlung verschiedenster Kontaminanten sehr wirksam sind, sind sie komplex und wirtschaftlich wenig attraktiv; daher stellt die Bioremediation inzwischen eine geeignete Alternative dar.

Bioremediation ist die durch Mikroorganismen vermittelte Umwandlung oder der Abbau von Kontaminanten zu nicht gefährlichen oder weniger gefährlichen Substanzen. Bakterien, Pilze, Algen und Pflanzen können zur wirksamen Bioremediation von Kontaminanten eingesetzt werden. Die Einbeziehung von Pflanzen in die 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 Kontaminanten mithilfe von Enzymen angreifen und in unschädliche Produkte umwandeln. Da Bioremediation dort wirksam sein kann, wo Umweltbedingungen mikrobielles Wachstum und Aktivität zulassen, umfasst ihre Anwendung typischerweise die gezielte Anpassung von Umweltparametern, um mikrobielles Wachstum und einen schnelleren Abbau zu ermöglichen. Bioremediation ist ein sehr langsamer Prozess. Nur bestimmte Bakterien- und Pilzarten verfügen über eine wirksame Fähigkeit zum Abbau von Schadstoffen; dabei ist die Beteiligung verschiedener intra- und extrazellulärer Enzyme erforderlich, um schwer abbaubare Verbindungen sowie Lignin- und organische Schadstoffe zu transformieren.

Mikrobielle Oxidoreduktasen

Die Entgiftung verschiedener Verbindungen durch Bakterien, Pilze und höhere Pflanzen mittels oxidativer Kupplung wird durch Oxidoreduktasen vermittelt. Mikroorganismen gewinnen Energie über diese enzymvermittelten, energieerzeugenden biochemischen Reaktionen, um chemische Bindungen zu spalten und den Elektronentransfer vom reduzierten organischen Substrat auf eine andere Verbindung zu unterstützen. Im Verlauf solcher Reaktionen werden die Kontaminanten 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 Anilinverbindungen) durch Polymerisation, Copolymerisation mit anderen Substraten oder durch 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 terminale Elektronenakzeptoren. Einige Bakterien reduzieren das radioaktive Metall indirekt mithilfe eines intermediären Elektronendonors. Der finale Niederschlag kann als Ergebnis der Redoxreaktion metallreduzierender Bakterien betrachtet werden.

Chlorierte phenolische Verbindungen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Kontaminanten in der Papierindustrie. Diese Verbindungen entstehen, wenn Lignin während der Zellstoffbleiche teilweise abgebaut wird. Viele Pilze eignen sich zur Entfernung chlorierter phenolischer Verbindungen aus Umweltkontaminationen. Die Aktivität der Pilze beruht hauptsächlich auf der Wirkung extrazellulärer Oxidoreduktasen wie Laccase, Manganperoxidase und Ligninperoxidase. Diese Enzyme werden aus dem Pilzmyzel in die umgebende Umwelt freigesetzt.

Mit phenolischen Verbindungen kontaminiertes Wasser kann durch Pflanzen dekontaminiert werden, die über ihre Wurzeln Enzyme absondern. Pflanzen der Fabaceae, Gramineae und Solanaceae setzen Oxidoreduktasen frei, die an der oxidativen Degradation bestimmter Bodenbestandteile beteiligt sind. Die Phytoremediation organischer Schadstoffe konzentriert sich hauptsächlich auf drei Stoffgruppen: chlorierte Lösungsmittel, Explosivstoffe und Erdölkohlenwasserstoffe.

Mikrobielle Laccasen

Laccase (p-Diphenol:Oxy-Oxidoreduktase) bildet eine Familie multikupferhaltiger Oxidasen, 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 liegen in verschiedenen Isoenzymformen vor, die jeweils durch ein separates Gen kodiert werden; 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, wodurch eine Vielzahl von Phenolen entsteht. Diese Verbindungen werden von Mikroorganismen als Nährstoffe genutzt oder durch Laccase zu humusartigen Materialien repolymerisiert. In biologischen Systemen stellen Laccasen eine ubiquitär vorkommende Gruppe von Oxidoreduktasen dar, die ein großes Potenzial für biotechnologische und bioremediative Anwendungen bietet.

Mikrobielle Peroxidasen

Peroxidase (Donor:Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktase) ist ein ubiquitär vorkommendes Enzym, das in Gegenwart eines Mediators die Oxidation von Lignin und anderen phenolischen Verbindungen unter Verbrauch von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) katalysiert. Peroxidasen können Häm- oder Nicht-Häm-Proteine sein. Bei Säugetieren sind sie an biologischen Prozessen wie dem Immunsystem oder der hormonellen Regulation beteiligt. In Pflanzen sind sie am Auxinstoffwechsel, an der Bildung von Lignin und Suberin, an der Quervernetzung von Zellwandkomponenten, an der Abwehr von Pathogenen oder an der Zellstreckung beteiligt.

Häm-Peroxidasen werden in zwei Gruppen eingeteilt, wobei die zweite Gruppe in drei Klassen untergliedert ist. Klasse I umfasst intrazelluläre Enzyme, darunter die Cytochrom-c-Peroxidase der Hefe, die pflanzliche Ascorbatperoxidase (APX) sowie die durch Genduplikation entstandene bakterielle Katalase-Peroxidase. Klasse II besteht aus sezernierten pilzlichen Peroxidasen, z. B. Ligninperoxidase (LiP) und Manganperoxidase (MnP) von Phanerochaete chrysosporium, die Peroxidase von Coprinus cinereus oder die Peroxidase von Arthromyces ramosus (ARP). Die Hauptfunktion der Klasse-II-Peroxidasen ist der Abbau von Lignin in Holz. Klasse III umfasst sezernierte pflanzliche Peroxidasen, z. B. 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. Zwischen Nicht-Häm-Peroxidasen besteht keine evolutionäre Verknüpfung; sie bilden fünf separate Familien, darunter Thiolperoxidase, Alkylhydroperoxidase, Nicht-Häm-Haloperoxidase, Mangankatalase und NADH-Peroxidase.

Literatur

Verwandte Dienstleistungen

Industrielle Enzymproduktion

Verwandte Produkte

Umwelt- und Abfallmanagement

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1. Karigar C S, Rao S S. Role of microbial enzymes in the bioremediation of pollutants. [J]. Enzyme Research, 2011.