Umweltsicherheit ist zu einem wichtigen Anliegen für die Sicherheit von Organismen geworden, da eine große Anzahl schädlicher Schadstoffe in der Atmosphäre vorhanden ist. Verschiedene Ansätze wurden angenommen, um die Bedrohung durch Umweltverschmutzung zu kontrollieren und zu verwalten, aber dies bleibt eine weltweite Herausforderung. Daher besteht die Notwendigkeit, empfindliche, schnelle und selektive Techniken zur Erkennung und Überprüfung von Schadstoffen für eine effektive Bioremediation zu entwickeln. Aus dieser Perspektive können Enzyme oder enzymproduzierende biologische Systeme verwendet werden, um Schadstoffe zu erkennen, zu quantifizieren und abzubauen oder in nicht verschmutzende Verbindungen umzuwandeln, um das ökologische Gleichgewicht wiederherzustellen. Biosensoren sind eine zuverlässige, spezielle und empfindliche Möglichkeit, Umweltverschmutzung zu erkennen und zu messen.

Ein Biosensor ist ein autarkes, integrales Werkzeug, das genaue, quantitative und analytische Informationen mithilfe eines biochemischen Rezeptors bereitstellt, der in direktem Kontakt mit einem Transduktionselement steht. Der Biosensor besteht aus drei Hauptkomponenten, einschließlich eines biologischen Erkennungselements, eines Transducers und eines Signalverarbeitungssystems. Zu den wichtigsten Merkmalen von enzymbasierten Biosensoren gehören Genauigkeit und Präzision bei der Messung, Geschwindigkeit, Empfindlichkeit, Spezifität und Messbereich, Testzuverlässigkeit, Kalibrierung und Langzeitstabilität, Robustheit, Größe, Sicherheitsanalyse der Kosten und Benutzerakzeptanz. Enzyme können das Vorhandensein bestimmter Analyten erkennen, indem sie den Verbrauch oder das Produkt bestimmter Verbindungen (wie CO₂, NH₃, H₂O₂, H⁺, O₂) messen, sodass der Sensor Schadstoffe identifizieren und deren Vorhandensein mit dem Substrat korrelieren kann. Enzyme werden hauptsächlich in sechs Kategorien unterteilt, darunter Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Isomerasen, Lyasen und Ligasen, wobei Oxidoreduktasen und Hydrolasen hauptsächlich als Biosensoren verwendet werden, um eine Vielzahl von schädlichen Schwermetallen und Metalloiden nachzuweisen.

Oxidoreduktase

Oxidoreduktasen sind eine Klasse von Enzymen, die Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen. Moleküle, die Elektronen übertragen, werden als Elektronendonoren oder Reduktionsmittel bezeichnet, während Moleküle, die Elektronen akzeptieren, als Elektronenakzeptoren oder Oxidationsmittel bezeichnet werden. Viele Oxidoreduktasen wurden erfolgreich verwendet, um Schwermetalle oder Metalloide nachzuweisen und zu quantifizieren. Zum Beispiel wurden Tyrosinase, Polypyrrole-Glukose-Oxidase (PPy-GOx), Nitratreduktase usw. zur Detektion von Cd²⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ usw. eingesetzt.

Hydrolase

Hydrolasen sind eine Klasse von Enzymen, die chemische Bindungen hydrolysieren. Ein Beispiel für eine Hydrolase zur Erkennung von Schwermetallkontamination ist die Detektion von Cu²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ und Ag²⁺ durch Alkalische Phosphatase.

Isomerase

Isomerasen sind eine Klasse von Enzymen, die Moleküle von einem Isomer in ein anderes umwandeln, um intramolekulare Umstellungen zu unterstützen. Isomerase wurde erfolgreich als Biosensor zur Erkennung von Hg²⁺ eingesetzt.

Enzymbasierter Biosensor zur Erkennung von Schadstoffen

Die Schadstoffe in der Umwelt werden hauptsächlich in anorganische Verbindungen (Schwermetalle), Organophosphate und phenolische Verbindungen klassifiziert. Schwermetalle wie Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Zink usw. können durch Hemmung der Nitratreduktase nachgewiesen werden. Pyrroloquinolin-Quinon-abhängige Glukose-Dehydrogenase (PPQ-GDH) und Meerrettich-Peroxidase können verwendet werden, um Pb²⁺, Cd²⁺, Hg⁺ und Hg²⁺ nachzuweisen. Alkalische Phosphatase-Biosensoren können erfolgreich Cd²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Co²⁺ und Zn²⁺ nachweisen. Glukoseoxidase kann verwendet werden, um Schwermetallionen wie Ag⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, usw. nachzuweisen. Urease kann verwendet werden, um Ag⁺, Pb²⁺, Sb³⁺, Cu²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ usw. nachzuweisen. Tyrosinase kann verwendet werden, um Cu²⁺-Ionen nachzuweisen.

Der Einsatz von Organophosphaten (Pestizide, Insektizide und Herbizide) stellt ernsthafte Bedrohungen für die Umwelt, die menschliche Gesundheit und Ökosysteme dar. Zu den häufig verwendeten Organophosphaten gehören Parathion, Methylparathion, Malathion, Diazinon, Chlorpyrifos, Fenitrothion, Dichlorvos und Phosmet. Diese Verbindungen sind für Menschen und Tiere äußerst gefährlich, daher ist deren Nachweis und Quantifizierung von entscheidender Bedeutung. Eine Vielzahl von Enzymen wurde verwendet, um Biosensoren für den Nachweis von Organophosphaten zu konstruieren, darunter Acetylcholinesterase (AChE), Butyrylcholinesterase (BChE), Glukoseoxidase (GOx), Urease, Organophosphorsäureanhydrolase und Hydrolase (OPAA und OPH).

Phenole und ihre Derivate gelten als toxische Verbindungen und sind in verschiedenen industriellen Abwässern zu finden, die mit der Produktion und Synthese von Kunststoffen, Farbstoffen, Polymeren, Arzneimitteln, Reinigungsmitteln, Insektiziden, Desinfektionsmitteln, usw. verbunden sind. Chloro- und Nitrophenole sind die Hauptabbauprodukte von organophosphathaltigen Insektiziden und chlorierten Phenoxyacids. Diese Verbindungen zeigen eine schwere Toxizität in Pflanzen und Tieren, verursachen Genotoxizität und Mutagenität und reduzieren andere Lebensprozesse wie Photosynthese, Atmung und enzymkatalysierte Reaktionen in niedrigen Konzentrationen. Enzyme, die zur Erkennung phenolischer Verbindungen und ihrer Abbauprodukte verwendet werden, umfassen Laccase, Tyrosinase und Peroxidase.

Literaturverzeichnis

Verwandte Dienstleistungen

Industrielle Enzymproduktion

Verwandte Produkte

Umwelt- und Abfallmanagement

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