Die Umweltsicherheit ist aufgrund des Vorhandenseins einer großen Anzahl schädlicher Kontaminanten in der Atmosphäre zu einem zentralen Aspekt für den Schutz von Organismen geworden. Zur Kontrolle und zum Management der Risiken durch Umweltverschmutzung wurden unterschiedliche Ansätze etabliert; dennoch bleibt dies eine weltweite Herausforderung. Daher besteht Bedarf an sensitiven, schnellen und selektiven Verfahren zur Detektion und zum Screening von Schadstoffen, um eine wirksame Bioremediation zu ermöglichen. Vor diesem Hintergrund können Enzyme bzw. enzymproduzierende biologische Systeme eingesetzt werden, um Schadstoffe nachzuweisen, zu quantifizieren und abzubauen oder in nicht schadstoffbildende Verbindungen umzuwandeln, um das ökologische Gleichgewicht wiederherzustellen. Biosensoren stellen eine zuverlässige, spezifische und sensitive Methode zur Detektion und Messung von Umweltbelastungen dar.

Ein Biosensor ist ein autarkes, integriertes Instrument, das mithilfe eines biochemischen Rezeptors, der in direktem Kontakt mit einem Transduktionselement steht, präzise quantitative und analytische Informationen liefert. Ein Biosensor besteht aus drei Hauptkomponenten: einem biologischen Erkennungselement, einem Transducer sowie einem Signalverarbeitungssystem. Zu den wesentlichen Merkmalen enzymbasierter Biosensoren zählen Messgenauigkeit und -präzision, Geschwindigkeit, Sensitivität, Spezifität und Messbereich, Testzuverlässigkeit, Kalibrierbarkeit und Langzeitstabilität, Robustheit, Baugröße, Sicherheit und Portabilität, Analytikkosten sowie Anwenderakzeptanz. Enzyme können das Vorhandensein bestimmter Analyten durch Messung des Verbrauchs oder der Bildung bestimmter Verbindungen (z. B. CO₂, NH₃, H₂O₂, H⁺, O₂) nachweisen, sodass der Sensor Schadstoffe identifizieren und deren Auftreten mit dem Substrat korrelieren kann. Enzyme werden im Wesentlichen in sechs Klassen eingeteilt: Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Isomerasen, Lyasen und Ligasen; dabei werden Oxidoreduktasen und Hydrolasen am häufigsten als Biosensoren zur Detektion verschiedener schädlicher Schwermetalle und Metalloide eingesetzt.

Oxidoreduktase

Oxidoreduktasen sind eine Enzymklasse, die Elektronen von einem Molekül auf ein anderes überträgt. Moleküle, die Elektronen abgeben, werden als Elektronendonoren bzw. Reduktionsmittel bezeichnet, während Moleküle, die Elektronen aufnehmen, als Elektronenakzeptoren bzw. Oxidationsmittel bezeichnet werden. Viele Oxidoreduktasen wurden erfolgreich zur Detektion und Quantifizierung von Schwermetallen oder Metalloiden eingesetzt. Beispielsweise wurden Tyrosinase, Polypyrrol-Glucoseoxidase (PPy-GOx), Nitratreduktase u. a. zur Detektion von Cd²⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ usw. verwendet.

Hydrolase

Hydrolasen sind eine Enzymklasse, die chemische Bindungen hydrolytisch spaltet. Ein Beispiel für eine Hydrolase zur Erkennung von Schwermetallkontaminationen ist der Nachweis von Cu²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ und Ag²⁺ mittels alkalischer Phosphatase.

Isomerase

Isomerasen sind eine Enzymklasse, die Moleküle von einem Isomer in ein anderes umwandelt und damit intramolekulare Umlagerungen unterstützt. Isomerase wurde erfolgreich als Biosensor zur Detektion von Hg²⁺ eingesetzt.

Enzymbasierte Biosensoren zur Detektion von Schadstoffen

Umweltschadstoffe werden hauptsächlich in anorganische Verbindungen (Schwermetalle), Organophosphate und phenolische Verbindungen klassifiziert. Schwermetalle wie Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Zink usw. können über die Inhibition der Nitratreduktase nachgewiesen werden. Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glucosedehydrogenase (PPQ-GDH) und Meerrettichperoxidase können zur Detektion von Pb²⁺, Cd²⁺, Hg⁺ und Hg²⁺ eingesetzt werden. Biosensoren auf Basis alkalischer Phosphatase können Cd²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Co²⁺ und Zn²⁺ zuverlässig detektieren. Glucoseoxidase kann zur Detektion von Schwermetallionen wie Ag⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺ usw. verwendet werden. Urease kann zum Nachweis von Ag+, Pb²⁺, Sb³⁺, Cu²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ usw. eingesetzt werden. Tyrosinase kann zur Detektion von Cu²⁺-Ionen verwendet werden.

Der Einsatz von Organophosphaten (Pestizide, Insektizide und Herbizide) stellt eine erhebliche Gefährdung für Umwelt, menschliche Gesundheit und Ökosysteme dar. Zu den häufig verwendeten Organophosphaten zählen Parathion, Methylparathion, Malathion, Diazinon, Chlorpyrifos, Fenitrothion, Dichlorvos und Phosmet. Diese Verbindungen sind für Menschen und Tiere hochgefährlich, weshalb ihre Detektion und Quantifizierung von entscheidender Bedeutung ist. Zur Konstruktion von Biosensoren für den Nachweis von Organophosphaten wurden verschiedene Enzyme eingesetzt, darunter Acetylcholinesterase (AChE), Butyrylcholinesterase (BChE), Glucoseoxidase (GOx), Urease, Organophosphorsäureanhydrolase und -hydrolase (OPAA und OPH).

Phenole und ihre Derivate gelten als toxische Verbindungen und kommen in verschiedenen industriellen Abwässern vor, die mit der Herstellung und Synthese von Kunststoffen, Farbstoffen, Polymeren, Arzneimitteln, Detergenzien, Insektiziden, Desinfektionsmitteln usw. in Zusammenhang stehen. Chloro- und Nitrophenole sind die wichtigsten Abbauprodukte von Organophosphat-Insektiziden und chlorierten Phenoxycarbonsäuren. Diese Verbindungen weisen eine ausgeprägte Toxizität für Pflanzen und Tiere auf, verursachen Genotoxizität und Mutagenität und beeinträchtigen bereits in niedrigen Konzentrationen weitere Lebensprozesse wie Photosynthese, Atmung und enzymkatalysierte Reaktionen. Zu den Enzymen, die zur Detektion phenolischer Verbindungen und ihrer Abbauprodukte eingesetzt werden, zählen Laccase, Tyrosinase und Peroxidasen.

Literatur

Verwandte Dienstleistungen

Industrielle Enzymproduktion

Verwandte Produkte

Umwelt- und Abfallmanagement

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