Wissenschaftliche, technologische und industrielle Fortschritte haben große Mengen an Abwasser und radioaktivem Abfall in das Ökosystem geleitet, was ernsthafte Probleme für das Überleben der Menschen auf der Erde verursacht. Die traditionelle Methode zur Entsorgung von Abfall besteht darin, ein Loch zu graben, um den Abfall zu füllen. Diese Methode ist schwer aufrechtzuerhalten, da es keinen neuen Füllort gibt. Neue Methoden zur Abfallbehandlung nutzen Hochtemperaturverbrennung und chemische Zersetzung, wie basenkatalysierte Dechlorierung und UV-Oxidation. Obwohl diese Methoden sehr effektiv im Umgang mit verschiedenen Schadstoffen sind, sind sie komplex und unwirtschaftlich, sodass die Bioremediation jetzt eine geeignete Alternative darstellt.

Bioremediation ist eine mikrobiell vermittelte Umwandlung oder Zersetzung von Schadstoffen in nicht gefährliche oder weniger gefährliche Substanzen. Bakterien, Pilze, Algen und Pflanzen können für eine effektive 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 Zersetzung von giftigen Chemikalien in Boden, Sediment, Grundwasser, Oberflächenwasser und Luft fördert. Der Bioremediationsprozess beruht hauptsächlich auf Mikroorganismen, die die Schadstoffe durch Enzyme angreifen und sie in harmlose Produkte umwandeln. Da die Bioremediation dort effektiv sein kann, wo die Umweltbedingungen das Wachstum und die Aktivität von Mikroben ermöglichen, umfasst ihre Anwendung typischerweise die Manipulation von Umweltparametern, um das mikrobielle Wachstum und eine schnellere Zersetzung zu ermöglichen. Bioremediation ist ein sehr langsamer Prozess. Nur bestimmte Arten von Bakterien und Pilzen haben eine effektive Fähigkeit zur Zersetzung von Schadstoffen, wobei sie auf die Beteiligung verschiedener intrazellulärer und extrazellulärer Enzyme angewiesen sind, um hartnäckige und ligninhaltige sowie organische Schadstoffe abzubauen.

Mikrobielle Oxidoreduktasen

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

Viele Bakterien können radioaktive Metalle von der löslichen oxidierten Form in die unlösliche Form reduzieren. Im Prozess der Energieproduktion absorbieren Bakterien Elektronen aus organischen Verbindungen und verwenden radioaktive Metalle als endgültige Elektronenakzeptoren. Einige Bakterien reduzieren das radioaktive Metall indirekt mit Hilfe eines intermediären Elektronendonors. Der endgültige Niederschlag 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 das Lignin während der Zellstoffbleichung teilweise abgebaut wird. Viele Pilze sind geeignet, chlorierte phenolische Verbindungen aus Umweltverschmutzungen zu entfernen. Die Aktivität von Pilzen beruht hauptsächlich auf der Wirkung von extrazellulären Oxidoreduktasen wie Laccase, Manganperoxidase und Ligninperoxidase. Diese Enzyme werden aus dem Pilzmyzel in die Umgebung freigesetzt.

Von phenolischen Verbindungen kontaminiertes Wasser kann durch Pflanzen mit Enzymen, die von ihren Wurzeln ausgeschieden werden, dekontaminiert werden. Fabaceae, Gramineae und Solanaceae Pflanzen setzen Oxidoreduktasen frei, die an der oxidativen Zersetzung bestimmter Bodenbestandteile beteiligt sind. Die Phytoremediation organischer Schadstoffe konzentriert sich hauptsächlich auf drei Arten von Verbindungen: chlorierte Lösungsmittel, Sprengstoffe und petroleumhaltige Kohlenwasserstoffe.

Mikrobielle Laccasen

Laccase (p-Diphenol: Oxy-Oxidoreduktase) bildet eine Familie von Multikupferoxidase, die hauptsächlich von Pflanzen, Pilzen, Insekten und Bakterien produziert wird und die Oxidation verschiedener reduzierter phenolischer und aromatischer Substrate katalysiert, während molekularer Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Laccasen existieren in einer Vielzahl von Isoenzymformen, die jeweils von einem separaten Gen kodiert werden, und in einigen Fällen hängt die Expression dieser Gene von der Art des Induktors ab. Viele Mikroorganismen produzieren intrazelluläre und extrazelluläre Laccasen, die die Oxidation von o- und p-Diphenolen, Aminophenolen, Polyphenolen, Polyaminen, Lignin und aryl-Diaminen sowie bestimmten anorganischen 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 produzieren. Diese Verbindungen werden als Nährstoffe für Mikroorganismen verwendet oder von Laccase zu humischen Materialien repolymerisiert. In der Biologie stellen Laccasen eine allgegenwärtige Gruppe von Oxidoreduktasen dar, die großes Potenzial für biotechnologische und bioremediative Anwendungen haben.

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 ein Nicht-Häm-Protein sein. Bei Säugetieren sind sie an biologischen Prozessen wie dem Immunsystem oder der hormonellen Regulation beteiligt. Bei Pflanzen sind sie am Metabolismus von Auxinen, der Bildung von Lignin und Suberin, der Vernetzung von Zellwandkomponenten, dem Schutz gegen Pathogene oder dem Zellwachstum beteiligt.

Häm-Peroxidase wird in zwei Gruppen unterteilt, und die zweite Gruppe wird in drei Kategorien unterteilt. Klasse I umfasst intrazelluläre Enzyme wie Hefe-Cytochrom-c-Peroxidase, pflanzliche Ascorbat-Peroxidase (APX) und bakterielle gen-duplizierte Katalase-Peroxidase. Klasse II besteht aus sekretorischen Pilzperoxidase, zum Beispiel Lignin-Peroxidase (LiP) und Mangan-Peroxidase (Mnp) von Phanerochaete chrysosporium, Coprinus cinereus Peroxidase oder Arthromyces ramosus Peroxidase (ARP). Die Hauptrolle der Klasse II-Peroxidase besteht darin, Lignin im Holz abzubauen. Klasse III umfasst die sekretierte Pflanzenperoxidase, wie die aus Meerrettich (HRP), Gerste oder Sojabohne. Diese Peroxidasen sind biosynthetische Enzyme, die an Prozessen wie der Bildung von Pflanzenzellwänden und der Lignifizierung beteiligt sind. Es gibt keinen evolutionären Zusammenhang zwischen Nicht-Häm-Peroxidasen, die fünf separate Familien bilden, einschließlich Thiol-Peroxidase, Alkylhydroperoxidase, Nicht-Häm-Haloperoxidase, Mangan-Katalase und NADH-Peroxidase.

Literaturverzeichnis

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.