Die Umweltsicherheit ist aufgrund der Anwesenheit einer großen Anzahl schädlicher Schadstoffe in der Atmosphäre zu einem wichtigen Anliegen für die Sicherheit von Organismen geworden. Verschiedene Ansätze wurden entwickelt, um die Bedrohung durch Umweltverschmutzung zu kontrollieren und zu managen, doch dies bleibt weiterhin eine weltweite Herausforderung. Daher besteht die Notwendigkeit, empfindliche, schnelle und selektive Techniken zur Erkennung und Überwachung von Schadstoffen für eine effektive Bioremediation zu entwickeln. Aus dieser Perspektive können Enzyme oder enzymproduzierende biologische Systeme eingesetzt werden, um Schadstoffe zu erkennen, zu quantifizieren und abzubauen oder in nicht-schädliche Verbindungen umzuwandeln, um das ökologische Gleichgewicht wiederherzustellen. Biosensoren sind eine zuverlässige, spezielle und empfindliche Methode zur Erkennung und Messung von Umweltverschmutzung.

Ein Biosensor ist ein autarkes, integriertes Werkzeug, das genaue, quantitative und analytische Informationen mithilfe eines biochemischen Rezeptors liefert, der in direktem Kontakt mit einem Transduktionselement steht. Der Biosensor besteht aus drei Hauptkomponenten, darunter ein biologisches Erkennungselement, ein Transducer und ein Signalverarbeitungssystem. Zu den wichtigsten Merkmalen von enzymbasierten Biosensoren gehören Genauigkeit und Präzision der Messung, Geschwindigkeit, Empfindlichkeit, Spezifität und Messbereich, Testzuverlässigkeit, Kalibrierung und Langzeitstabilität, Robustheit, Größe, Sicherheit und Portabilität, Analyse­kosten und Benutzerakzeptanz. Enzyme können das Vorhandensein bestimmter Analyte durch Messung des Verbrauchs oder Produkts bestimmter Verbindungen (wie CO₂, NH₃, H₂O₂, H⁺, O₂) nachweisen, 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 meist als Biosensoren zur Erkennung verschiedener schädlicher Schwermetalle und Metalloide eingesetzt werden.

Oxidoreduktase

Oxidoreduktasen sind eine Klasse von Enzymen, die Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen. Moleküle, die Elektronen übertragen, werden als Elektronendonatoren oder Reduktionsmittel bezeichnet, während Moleküle, die Elektronen aufnehmen, als Elektronenakzeptoren oder Oxidationsmittel bezeichnet werden. Viele Oxidoreduktasen wurden erfolgreich zur Erkennung und Quantifizierung von Schwermetallen oder Metalloiden eingesetzt. Beispielsweise wurden Tyrosinase, Polypyrrolglucose-Oxidase (PPy-GOx), Nitratreduktase usw. zur Detektion von Cd²⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ usw. verwendet.

Hydrolase

Hydrolasen sind eine Klasse von Enzymen, die chemische Bindungen hydrolysieren. Ein Beispiel für den Einsatz von Hydrolasen zur Erkennung von Schwermetallkontamination ist der Nachweis 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 die intramolekulare Umlagerung zu unterstützen. Isomerase wurde erfolgreich als Biosensor zum Nachweis von Hg²⁺ eingesetzt.

Enzymbasierter Biosensor bei der Erkennung von Schadstoffen

Die Schadstoffe in der Umwelt werden hauptsächlich in anorganische Verbindungen (Schwermetalle), Organophosphate und phenolische Verbindungen eingeteilt. Schwermetalle wie Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Zink usw. können durch Hemmung der Nitratreduktase nachgewiesen werden. Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glukose-Dehydrogenase (PPQ-GDH) und Meerrettich-Peroxidase können zur Detektion von Pb²⁺, Cd²⁺, Hg⁺ und Hg²⁺ eingesetzt werden. Alkalische Phosphatase-Biosensoren können erfolgreich Cd²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Co²⁺ und Zn²⁺ nachweisen. Glukoseoxidase kann zur Detektion von Schwermetallionen wie Ag⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺ usw. verwendet werden. Urease kann zur Detektion 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 ernsthafte Bedrohung für die Umwelt, die menschliche Gesundheit und Ökosysteme dar. Häufig verwendete Organophosphate sind Parathion, Methylparathion, Malathion, Diazinon, Chlorpyrifos, Fenitrothion, Dichlorvos und Phosmet. Diese Verbindungen sind für Menschen und Tiere hochgefährlich, daher ist deren Nachweis und Quantifizierung von entscheidender Bedeutung. Verschiedene Enzyme wurden zur Konstruktion von Biosensoren für den Nachweis von Organophosphaten verwendet, darunter Acetylcholinesterase (AChE), Butyrylcholinesterase (BChE), Glukoseoxidase (GOx), Urease, Organophosphorsäure-Anhydrase und Hydrolase (OPAA und OPH).

Phenole und deren Derivate gelten als toxische Verbindungen und finden sich in verschiedenen industriellen Abwässern, die mit der Herstellung und Synthese von Kunststoffen, Farbstoffen, Polymeren, Arzneimitteln, Detergenzien, Insektiziden, Desinfektionsmitteln usw. verbunden sind. Chloro- und Nitrophenole sind die wichtigsten Abbauprodukte von Organophosphat-Insektiziden und chlorierten Phenoxycarbonsäuren. Diese Verbindungen zeigen eine starke Toxizität bei Pflanzen und Tieren, verursachen Genotoxizität und Mutagenität und beeinträchtigen andere Lebensprozesse wie Photosynthese, Atmung und enzymkatalysierte Reaktionen bereits in niedrigen Konzentrationen. Enzyme, die zum Nachweis von phenolischen Verbindungen und deren Abbauprodukten eingesetzt werden, sind Laccase, Tyrosinase und Peroxidasen.

Referenzen

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