BIOREMEDIACJA
Jest to wykorzystanie organizmów zdolnych do degradacji substancji zaśmiecających środowisko do jego oczyszczenia. Jednym z procesów jest biodegradacja, biologiczna transformacja związków organicznych. Może to być utlenianie lub redukowanie, odrywanie grup funkcyjnych lub częściowa degradacja struktury rdzenia.
Podatność na degradację gleby skażonej związkami organicznymi można klasyfikować na podstawie budowy chemicznej wprowadzanych związków. Związki jednowęglowe C1 obejmują tlenek węgla, cyjanek i halogenowe metany. Wiele gatunków mikroorganizmów wykorzystuje te związki. System monooksygenazy a metanowej matanotrofów transformuje szerokie spektrum halogenowych związków metanu. Alifatyczne węglowodany z rafy i paliw są głównymi zanieczyszczeniami środowiska. Są one transformowane z udziałem oksygenazy i β-oksydacji. Związki o krótkich łańcuchach nasyconych i nierozgałęzionych są łatwo degradowane. Związki metylowane o długich łańcuchach i rozgałęzieniach są degradowane wolniej.
Zanieczyszczenie środowiska powodują także produkty ropopochodne, pestycydy, konserwanty drewna oraz występujące naturalnie w drewnie (lignina).
Największą grupę związków zanieczyszczających środowisko stanowią związki halogenowe. Są sprzedawane jako rozpuszczalniki, pestycydy.
Środowisko zanieczyszczone związkami zawierającymi N. Obejmują one barwniki azotowe i aminowe, herbicydy….. Podobnie jak zawierające siarkę preparaty powierzchniowo-czynne i detergenty są one związkami ulegającymi biodegradacji. Najbardziej złożoną grupę ksenobiotyków tworzą polimery: nylon, plastik, wulkanizowane gumy. Środowisko… z nich wymaga modyfikacji aby możliwa była ich biodegradacja.
Technologia:
1. Metoda agrotechniczna- stosuje się nawożenie mineralne i mieszanie, wykorzystanych do biodegradacji substancji ropopochodnych . Jest podstawową metodą „fazy stałej” zawierającą podczas re mediacji produkty lotne, wymywalne i ulatniające się. Może obejmować kompostowanie gleby przy zastosowaniu przepływu powietrza celem uregulowania zawartości O2 i temperatury. Przemywanie gleby i zawiesinowa technika … łączy wydobycie z odmywaniem gleby, stosowanie techniki oddziaływania części stałych, przemian i biodegradacji.
2. Remediacja- In site ( w miejscu , w którym występuje skażenie, zwykle obejmuje …. gleby. Zasadą ogólną jest odpowiednie nawożenie i doprowadzenie O2 wraz z przepływem powietrza poprzez specjalne otwory………………………
Wykorzystanie ryzosfery jako techniki oczyszczania nosi nazwę- fitoremediacji.
Organizmy biorące udział w bioremediacji : Achromobacter, Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, grzyby: Aspergillus, Penicilium
Bioremediacja - technologia usuwania zanieczyszczeń (głównie substancji ropopochodnych) z gleby i wód podziemnych za pomocą żywych mikroorganizmów w celu katalizowania, destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe. W bioremediacji wykorzystywane są naturalne zdolności mikroorganizmów do rozkładu węglowodorów ropy naftowej.
Zaleca się stosowanie bioremediacji na terenach wyeksponowanych na działanie wyniszczających czynników. Przykładami zastosowań dla tego procesu są środowiska skażone metalami ciężkimi, obszary wycieków ropy naftowej, obszary hutnicze, obszary prób broni atomowej, okolice fabryk, wysypisk śmieci oraz oczyszczalni ścieków.
NITROGENAZA
Kompleks nitrogenazowy składa się z dwóch białek Fe-S. Jedno z nich jest oznaczone jako Fe- białko i ma ciężar cząsteczkowy 60000. W przestrzennej strukturze zawiera 4 Fe i 4 labilne atomy S. Drugie większe białko Fe-S , ciężar molekularny tego białka Mo-Fe mieści się w zakresie 200000-300000. Białko to zawiera w swej cząsteczce 28-32 atomów Fe, 28 labilnych atomów S, a także 2 atomy Mo. Dla funkcjonowania nitrogenezy niezbędna jest obecność w kompleksie obu tych białek.
Przepływ elektronów odbywa się normalną drogą metaboliczną do ferredoksyny Fd, a następnie do Fe-białka. Białko to po skompleksowaniu z ATP redukuje Mo-Fe białko z utworzeniem APP i uwolnieniem P nieorganicznego. Połącznie białek Fe i Mo-Fe zwane nitrogenezą przekazuje elektrony do N2 lub jednego z innych podlegających redukcji substratów np. acetylen, cyjanek lub tlenek azotu. Aktywność enzymu Fe-Mo podczas wiązania N2 powoduje także ko-redukcję H + do H2. Proporcja H+ do ilości zredukowanego N2 jest różna.Przy niskim przepływie elektronów dominującym produktem jest H2, a przy wysokim przepływie elektronów i wysokiej zawartości ATP, N2 okazuje się skutecznym konkurentem i procentowo więcej tworzone jest NH3.
nitrogenaza, enzym katalizujący redukcję azotu atmosferycznego do jonu amonowego (NH4+) w procesie wiązania azotu (→ obieg azotu) przez bakterie nazywane diazotrofami, np. Rhizobium; n. jest bardzo wrażliwa na tlen, który nieodwracalnie hamuje jej aktywność.
PRZEMIANY ŻELAZA Fe:
1. Reakcje utleniania i redukcji Fe odgrywają ważną rolę w procesach oglejenia. Przy wystarczającej wilgotności w profilu glebowym tworzą się plamy o lekko szarawym zabarwieniu do zielonkawego. Świadczy to o obecności zredukowanych związków Fe. W oglejonych partiach profilu glebowego występuje zazwyczaj także pstrokate plamy Fe2O3. Są one umiejscowione tam gdzie korzenie roślin tworzą kanały i gdzie występują szczeliny pozwalające na zlokalizowanie utleniania. Oglejenie jest pożyteczne np.uszelniając glebę pod stawami. Jeśli na dno stawu położymy 15 cm słomy i przykryjemy 15 cm warstwą gleby to rozkład słomy spowoduje redukcję Fe3+ do Fe2+ SO42- do S2-. Następnie precypitacja FeS i dyspersja koloidów glebowych co da efektywne uszczelnienie.
2. W procesie bielicowania gleb zachodzi translokacja Fe. Tworzone są podpowierzchniowe poziomy wmywania bogate w Fe i substancje organiczne. Kwasy organiczne i związki chelatujące produkowane przez mikroorganizmy, zasiedlające wyższe poziomy, rozpuszczają związki Fe. Są one wymywane do głębszych warstw przez opady. Rezultatem precypitacji Fe w poziom B jest tworzenie poziomów wmywania . Zawierają one materiał wymyty z górnej warstwy i organiczny (bogaty w Fe) materiał poziomu B.
3. Innym zjawiskiem obserwowanym w glebie, w którym uczestniczy Fe są bakterie magnetotaktyczne, wykazują one taksję(ruchy organizmu) w odpowiedzi na bodziec, którym jest pole magnetyczne. Bakterie te zawierają w cytoplazmie inkluzje (magneto somy)w których są zamknięte pojedyncze kryształu magnetytu.
Utlenianie Fe może być reakcją enzymatyczną lub nieenzymatyczną, a jego redukcja może zachodzić podczas wielu procesów. Fe3+ może służyć jako respiracyjny akceptor elektronów. Może być także redukowane, reagując z końcowymi produktami metabolizmu komórkowego, jak mrówczan lub H 2S. Do redukcji Fe3+ są zdolne bakterie z rodzaju: Bacillus, Pseudomonas, grzyby: Fusarium.
PRZEMIANY PESTYCYDÓW
W ochronie roślin szeroko stosowane są herbicydy inne pestycydy, w których rozkład zaangażowane są mikroorganizmy. Współczesne środki ochrony roślin wprowadzane do gleby muszą być przetestowane na długotrwałość ich zalegania szybkość biodegradacji przed uzyskaniem atestu na dystrybucję. Czasami mikroorganizmy glebowe adaptują się do specyficznych chemikaliów i są rozkładane w glebie przed ich właściwym działaniem.
Ogólny mechanizm metabolizmu herbicydów:
Typ reakcji enzymatycznej:
1. Metabolizm przypadkowy: herbicyd nie służy jako źródło energii
2. Metabolizm przez ogólnie dostępne enzymy
3. Metabolizm zachodzący z udziałem szerokiego spektrum enzymów (hydrolaz, oksydoreduktaz, i innych obecnych)
4. Metabolizm z udziałem specyficznych enzymów obecnych w niektórych gatunkach…
5. Metabolizm indukowany analogiem (kometabolizm) kometabolizm-niezależne współdziałanie dwóch organizmów, polegające na tym, że jeden z nich przypadkowo modyfikuje daną cząsteczkę nie odnosząc przy tym żadnych korzyści
6. Metabolizm przez enzymy rozkładające substraty strukturalne podobne do pestycydów
7. Katabolizm herbicydy służą jako źródło energii
8. Cała lub część cząsteczki jest łatwo przyswajalnym źródłem energii dla mikroorganizmów
9. Herbicydy nie są łatwo wykorzystywane , niektóre specyficzne enzymy muszą być indukowane
10. Metabolizm detoksyfikacyjny
11. Metabolizm przez oporne mikroorganizmy
Typ reakcji nieenzymatycznej:
1. Udział w reakcji fotochemicznej
2. Zmiany pod wpływem pH
3. Zmiany pod wpływem nieorganicznych i organicznych reagentów
PRZEMIANY SIARKI
Siarka w glebie występuje w postaci mineralnej (siarczki i siarczany). Ponieważ jest ważnym składnikiem białek roślinnych i zwierzęcych występuje w paliwach ropopochodnych będących pokładami obumierających tkanek (np. ropa naftowa).
Mineralizacja organicznych związków S:
Przemiany związków zawierających wiązania C-O-S, S-C-N, R-C-S mogą zachodzić w szlakach przemian tlenowych i beztlenowych. Hydroliza estrów siarczanowych następuje poprzez rozszczepienie wiązania O-S przez enzymy sulfatazy. U bakterii G+ i grzybowych sulfatazy są związane ze ścianą komórkową, u G- znajdują się w przestrzeni peryplazmatycznej. W zależności od stosunku C:S podczas mikrobiologicznego rozkładu resztek roślinnych może nastąpić immobilizacja (unieruchomienie) S (400:1) lub S uwalniane jest do środowiska (200:1).Gdy wartość mieści się pomiędzy, wzrost mikrobiologiczny nie wpływa na S. Mineralizacja S nie jest tak ścisle skorelowana z mineralizacja C jak mineralizacja N.
Mineralizacja siarki zawartej w aminokwasach, takich jak cysteina, może zachodzić z udziałem desulfhydrazy cysteinowej lub sulfatazy serynowej. W reakcjach tych mogą być tworzone albo nieorganiczne formy S i N, albo jedynie nieorganiczna forma S. Ponieważ sulfhydraza katalizuje reakcję w dwóch kierunkach, enzym ten może więc uczestniczyć także w immobilizacji siarki.
Na ogół rośliny i drobnoustroje wykorzystują SO42- do syntezy zawierają S aminokwasów i innych związków w których S jest mniej zredukowana niż w aminokwasach. W syntezach tych uczestniczy proces asymilacyjnej redukcji siarczanów.
Utlenianie nieorganicznych związków S:
W obecności dostępnych akceptorów elektronów,siarczek, siarka elementarna, tiosiarczan, tetrationian są utleniane do siarczanu w procesach chemicznych i biologicznych. Takie utlenianie może przeprowadzać w glebie , wodach i osadach grupa różnorodnych organizmów. Ogólnie charakteryzuje się je jako fototroficzne lub chemotropiczne bakterie siarkowe. Należą do nich zielone, purpurowe bakterie siarkowe (ziarniaki, pałeczki, przecinkowce) o zróżnicowanej budowie. Występują powszechnie w błotach i wodach stojących zawierających H2S , do których dociera światło słoneczne. Organizmy te można spotkać w środowisku skrajnie zasolonym lub z wysoką temperaturą. Przeprowadzają tam reoksydację H2S pochodzącego z niższych beztlenowych warstw. Bakterie te wykorzystują światło słoneczne jako źródło energii i H2S jako źródło elektronów.
Bakterie redukujące siarczany: Protobacterium, Thiocapsa, Thiobacillus
edzia198