Instytut Biochemii Technicznej
Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
CZĘŚĆ II
Biochemiczne podstawy biodegradacji związków aromatycznych
Podręcznik ten dedykuję
Mojemu dobremu koledze z dawnych czasów,
Lekarzowi, który dba od lat o moje zdrowie
Dr Grzesiowi Wojciechowskiemu
Przemek Trzmiel
ŁÓDŹ 2013
Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat do wykazu ekologicznych zagrożeń doszło jeszcze jedno: możliwość zatrucia środowiska życia węglowodorami aromatycznymi oraz ich pochodnymi. W krajach o wysokiej kulturze ekologicznej, co najczęściej wiąże się z wysokim uprzemysłowieniem, coraz bardziej zaczyna się zwracać uwagę na zagrożenia środowiska powodowane związkami aromatycznymi. Aktualne badania naukowców potwierdzają, że emitowane są one do atmosfery, wód śródlądowych i do gleby; ich stężenie w emisji jest bardzo małe ale ze względu na niezwykle silne właściwości toksyczne, nawet na niskim poziomie stężeń są one bardzo niebezpieczne dla zdrowia ludzi i zwierząt.
Na szczególną uwagę zasługują różnego rodzaju węglowodory, m.in. monopierścieniowe i policykliczne. Wykazują one potencjał kancerogenny i genotoksyczny.
Wzrost zanieczyszczeń środowiska związkami organicznymi skłania do poszukiwań jak najbardziej skutecznych metod ich utylizacji. W warunkach naturalnych jest to proces długotrwały i dlatego człowiek dąży do jego przyspieszenia. Do tych zabiegów wykorzystuje się osiągnięcia w biotechnologii, gdzie drobnoustroje wykorzystują węglowodory jako źródło węgla i energii. Należy jednak znać warunki biochemicznego rozkładu węglowodorów jak i ich metabolitów pośrednich, które mogą powstawać w wyniku procesu biodegradacji, ponieważ taka niewiedza może spowodować straty finansowe i badawcze.
Duże ilości związków aromatycznych są wynikiem działalności człowieka. Obecne są również w środowisku naturalnym np. w trakcie erupcji wulkanów. Innym źródłem tych związków są rośliny. Przykładem takim jest lignina.
Reakcją obrony środowiska na zanieczyszczenie węglowodorami aromatycznymi są mikroorganizmy, które są w stanie je degradować. Są to:
1. bakterie: Aeromonas, Flavobakterium, Beneckea, Anabaena, Moraksella,
Achromobacter, Mycobacterium, Nocardia, Pseudomonas,
Chryzosporium, Micrococus, Alcaligenes, Vibrio, Acinetobakter,
Bacillus, Arthrobacter.
2. drożdże: Sacharomyces, Trichoderma.
3. grzyby nitkowate: Aspergillus, Penicylium, Mucor.
4. promieniowce: Actinomyces, Nocardia, Streptomyces.
5. cyjanobakterie i glony z rodzajów: Oscillatoria, Anabaena, Nostoc, Chlorella,
Chlamydomonas, Scenedesmus, Phormidium.
W niektórych procesach biodegradacji konieczne jest współdziałanie dwóch lub większej liczby szczepów, ponieważ pojedyńczo nie były by w stanie przeprowadzić podanej zmiany do końca.
W trakcie procesów biodegradacji oprócz rozkładu lub przemian niektórych związków mogą powstać produkty znacznie trwalsze, które mogą mieć działanie rakotwórcze lub mutagenne. Jako przykład mogą tu posłużyć wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Stanowią one grupę związków które wraz ze wzrostem procesów przetwórczych i związanym z tym od lat niekontrolowanym zanieczyszczeniem środowiska towarzyszą człowiekowi praktycznie wszędzie. Wiele związków z tej grupy występuje w dymie tytoniowym, powietrzu, wodzie, pożywieniu, glebie, wodnych organizmach, olejach mineralnych i rafinowanych produktów naftowych.
Związki aromatyczne ulegają biodegradacji do jednego z pięciu podstawowych produktów: katecholu, kwasu protokatechowego, kwasu gentyzynowego, kwasu homokatechowego i kwasu homogantyzynowego jak również do kilku niekonwencjonalnych związków, takich jak: kwas salicylowy, kwas antranilowy i ortoaminofenol.
Podczas pisania podręcznika „Procesy biodegradacji” autor korzystał z własnych notatek, bedących tłumaczeniem oryginalnych publikacji źródłowych oraz kilku renomowanych portali internetowych omawiających procesy biodegradacji:
http://www.umbbd.ethz.ch/
http://biocyc.org/META/class-tree?object=Pathways
http://enzyme.expasy.org/
http://www.genome.jp/kegg/pathway.html
2. ZWIĄZKI AROMATYCZNE
Związki aromatyczne to związki organiczne posiadające w cząsteczce zdelokalizowane elektrony π, tworzące tzw. układ aromatyczny. Zapewnia on cząsteczce dużo większą trwałość niż należałoby oczekiwać dla związku zawierającego wiązania podwójne.
Warunki aromatyczności:
· budowa pierścieniowa
· płaska cząsteczka (atomy węgla o hybrydyzacji sp2)
· 4n+2 zdelokalizowanych elektronów, gdzie n – liczba naturalna (tzw. reguła Hückla; obowiązuje dla n=0–5
Najprostszym przedstawicielem węglowodorów aromatycznych jest benzen, w którym zdelokalizowane elektrony π pochodzą z układu trzech sprzężonych wiązań podwójnych.
Rys.1. Delokalizacja elektronów z orbitali p w cząsteczce benzenu
Związki aromatyczne można podzielić na:
1. Węglowodory aromatyczne:
Węglowodory aromatyczne jednopierścieniowe
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
2. Pochodne węglowodorów aromatycznych
3. Aromatyczne związki heterocykliczne (zostaną one omówione oddzielnie w rozdziale 4).
WĘGLOWODORY AROMATYCZNE
Jest to najbardziej rozpowszechniona grupa związków aromatycznych, stanowiąca jedno z największych zagrożeń dla środowiska naturalnego.
Najbardziej typowe węglowodory aromatyczne można najlepiej zdefiniować na postawie właściwości chemicznych rozpatrywanych w powiązaniu z budową cząsteczek, przedstawioną zwykłymi wzorami strukturalnymi. Według takiej definicji do szeregu aromatycznego zaliczamy te węglowodory pierścieniowe, których wzory strukturalne przewidują wysoce nienasycony charakter, a które mimo to są raczej bierne w reakcjach przyłączania, natomiast wykazują znaczną skłonność do reakcji podstawienia. Koniecznym ale niewystarczającym warunkiem „aromatyczności” jest obecność sprzężonych układów wiązań podwójnych, obejmujących cały pierścień lub układ pierścieni.
Węglowodory aromatyczne to związki organiczne o szczególnym charakterze. Ich rdzeń stanowi pierścień aromatyczny (pierścień benzenu), czyli struktura najczęściej sześcio- lub pięcioatomowa, która prócz wiązań s zawiera sprzężony sekstet elektronów p. Ten sprzężony sekstet elektronów p decyduje praktycznie o wszystkich właściwościach związku aromatycznego. Wiązania typu p polegają na dość słabym, bocznym pokrywaniu się orbitami p, ustawionych równolegle do siebie. W pierścieniu aromatycznym tworzą one „palisadę” na zamkniętym kręgu, co powoduje, że wiązania p nie są zlokalizowane w konkretnym miejscu pierścienia lecz stanowią przemieszczająca się chmurę elektronowa. Ta permanentna dyslokacja ładunku powoduje z jednej strony utrudnienie w reakcji z udziałem wiązań p - stąd pierścienie aromatyczne nie ulęgają reakcjom przyłączenia lecz podstawienia (substytucji elektrofilowej zamiast addycji, mimo formalnie istniejących wiązań wielokrotnych), a ponadto owa wirująca chmura elektronowa przenosi oddziaływania z każdego miejsca pierścienia aromatycznego w każde inne.
Poniżej przedstawiono wzory chemicznie najważniejszych węglowodorów aromatycznych, ich niektórych rodników i ich pochodnych:
Rys.2. Najważniejsze węglowodory aromatyczne i ich pochodne
Struktury aromatyczne ulegają głównie reakcjom substytucji elektrofilowej (podstawienia). Najważniejsze z nich, z punktu widzenia przydatności do otrzymywania bardziej złożonych związków, to nitrowanie, sulfonowanie, halogenowanie i alkilowanie oraz acylowanie. Uzyskiwane poprzez te reakcje związki służą później jako substraty do dalszych przemian i bardziej złożonych reakcji. Sam benzen oraz podstawowe związki aromatyczne uzyskujemy w większych ilościach z ropy naftowej. Związki te tworzą się także podczas pirolizy węgla kamiennego. Głównymi produktami pirolizy są koks i gaz świetlny; oprócz tego tworzy się niewielka ilość tzw. smoły pogazowej w skład której wchodzą między innymi benzen, toluen, ksyleny i wiele innych związków aromatycznych.
WIELOPIERŚCIENIOWE WĘGLOWODORY AROMATYCZNE (WWA)
Pojęcie „aromatyczności” dotyczy większej grupy związków niż tylko benzen i jego proste podstawione pochodne. Nalezą do tej grupy także wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Są one uważana za jedne z najniebezpieczniejszych substancji dla środowiska naturalnego i człowieka.
Według najczęściej spotykanej definicji za wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne przyjmujemy grupę kilkuset związków zawierających od dwóch do trzynastu skondensowanych, najczęściej sześciowęglowych pierścieni aromatycznych, ułożonych w sposób liniowy, kątowy lub klaserowy.
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne nigdy nie występują pojedynczo, lecz zawsze w mieszaninie: obecność jednego ze związków z grupy WWA w próbie środowiskowej wskazuje na to, że inne związki tej grupy też są obecne.
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne nigdy nie były celowo wytwarzane przez człowieka, nie mają też żadnego praktycznego zastosowania. WWA występujące w środowisku przyrodniczym mogą pochodzić ze źródeł naturalnych i antropogennych.
WWA pochodzące ze źródeł antropogennych są produktami silnego ogrzewania lub niecałkowitego spalania związków organicznych. Głównymi źródłami wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w powietrzu są:
1. produkty niepełnego spalania paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa) oraz drewna, używane do ogrzewania domów, stosowane w przemyśle i do napędzania pojazdów: przy czym należy zaznaczyć, że ilość wydzielanych WWA zależy od jakości tych paliw, katalizatory samochodowe niestety są wobec WWA mało skuteczne
2. lotne pyły i popioły powstające ze spalania paliw lub utylizacji śmieci
3. działalności przemysłu ciężkiego związanego z przetwarzaniem węgla i ropy naftowej (koksownie, rafinerie, huty żelaza, aluminium i miedzi), a także podczas produkcji i wykorzystania smoły i kreozotu, produkcji węgla drzewnego i spalania odpadów.
Związkiem macierzystym serii skondensowanych węglowodorów policyklicznych jest naftalen. Inne ich przykłady to:
chryzen benzo[a]piren
Najwięcej dotychczasowych prac poświęcono benzo[a]pirenowi (BaP), jest on uważany za przedstawiciela wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych o udowodnionym najsilniejszym działaniu cytotoksycznym, genotoksycznym, rakotwórczym, teratogennym i immunotoksycznym.
WWA w postaci stałej są substancjami białymi, bladożółtymi, zielonkawymi lub bezbarwnymi, są chemicznie obojętne, charakteryzują się słabą lub bardzo słabą rozpuszczalnością w wodzie oraz małą lub średnią lotnością. Rozpuszczalność w wodzie może się zwiększyć pod wpływem obecności detergentów (zjawisko solubilizacji) lub innych substancji organicznych (hydrotropia). Charakterystyczna dla tej grupy związków jest wrażliwość na działanie tlenu (i innych utleniaczy) oraz światła a także flurescencja wobec promieni ultrafioletowych.
POCHODNE ZWIĄZKÓW AROMATYCZNYCH
Oprócz opisanych wcześniej węglowodorów aromatycznych i poliaromatycznych zaliczamy również takie związki jak: aminy aromatyczne, fenole oraz dioksyny.
Aminy aromatyczne
Aminy aromatyczne są wysokowrzącymi cieczami lub ciałami stałymi o ostrym, charakterystycznym zapachu.
Najprostsza amina aromatyczna nosi nazwę zwyczajową – anilina. Inne to np.: toluidyna, N-metyloanilina, difenyloamina. Poniżej przedstawiono wzory strukturalne tych związków:
Do otrzymywania amin aromatycznych stosuje się głównie redukcję nitrozwiązków (głównie nitrobenzen i p-nitroanilinę), które w przypadku związków aromatycznych otrzymuje się bardzo łatwo w reakcji nitrowania mieszaniną nitrującą.
Aminy aromatyczne, tzn. takie, w których grupa aminowa łączy się bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym, mają nieco słabsze właściwości zasadowe niż aminy alifatyczne. W aminach aromatycznych wolna para elektronowa na azocie bierze częściowo udział w mezomerii pierścienia, co powoduje częściowy "ubytek" ładunku ujemnego na azocie i osłabienie jego zasadowości. Przejęcie przez pierścień części ładunku azotu powoduje pojawienie się struktur mezomerycznych z ładunkiem ujemnym w pozycji o- i p-. Istnienie takich form powoduje, że elektrofilowe reakcje podstawienia w pierścieniu przebiegają głównie w pozycjach o- i p-. Podobny efekt dają wszystkie podstawniki, które angażują swoje pary elektronowe w mezomerie pierścienia.
Aromatyczne aminy są podstawowym składnikiem budulcowym barwników AZO, które mogą powodować raka. Barwniki AZO i Aminy aromatyczne najczęściej znaleźć można w farbach do włosów. Najbardziej problematyczne wydają się być farby oksydacyjne. Można je rozpoznać po tym, iż składają się z dwóch komponentów do zmieszania. Już od 1987 roku znajdowano w nich bardzo niebezpieczny środek-fenylenodiamine, który może być odpowiedzialny za powstawanie raka. Wywołuje również alergie i astmę, łatwo wchłania się do skóry głowy. Równie często stosowany jest 2,5-Toluylendiamin, który również może doprowadzać do raka. Często stosowanym środkiem jest także Rezorcyna, która regularnie pochłaniana przez skórę może doprowadzić do alergii, a najgorszym przypadku do uszkodzenia wątroby lub nerek.
Fenole.
Są to związki aromatyczne zawierające jedną lub więcej grup hydroksylowych OH, związanych z pierścieniem aromatycznym. Są słabymi kwasami, tworzą estry i etery. W roztworach wodorotlenków dają sole - fenolany; najprostszymi fenolami są: fenol (pochodna benzenu), p-krezol (pochodna toluenu), hydrochinon. Występują w smole węglowej i ropie naftowej. Stosowane są w syntezie barwników azowych i w produkcji polimerów (polimery kondensacyjne), jako środki bakterio- i grzybobójcze. Niektóre pochodne fenoli są środkami chwastobójczymi. Hydrochinon stosowany jest jako wywoływacz fotograficzny. Strukturalne wzory niektórych fenoli wyglądają następująco:
Dioksyny
Spośród wielu związków chemicznych występujących w przyrodzie jako skażenie środowiska naturalnego, niektóre stanowią poważny problem ekologiczny, gdyż są bardzo silnymi truciznami o różnorodnym działaniu toksycznym. Jedną z takich grup związków chemicznych są dioksyny. Należą one do najsilniej działających trucizn poznanych przez człowieka.
Dioksyny są wspólną powszechnie używaną nazwą polichlorowanych dibenzo-p-dioksyn (PCDD) i polichlorowanych dibenzofuranów (PCDF). Dioksyny należą do grupy aromatycznych związków chloro organicznych. W cząsteczce dibenzodioksyny lub dibenzofuranu atom wodoru w pierścieniu może zostać podstawiony atomem bromu a nawet fluoru. Mogą istnieć też cząsteczki o mieszanym składzie. Określa się je mianem polihalogenodibenzenodioksyn lub dibenzenofuranów. W sumie wszystkich możliwych kombinacji jest trzy tysiące. W przyrodzie występują głównie chlorowane dibenzodioksyny i dibenzofurany. Ze względu na duże podobieństwo w toksycznym działaniu na organizmy żywe do dioksyn zaliczono również niektóre kongenery plichlorowanych bifenyli. Poniżej przedstawiono budowę cząsteczek dibenzodioksyny, dibenzofuranu oraz bifenylu:
Największym ich źródłem jest produkcja niektórych herbicydów i fungicydów takich jak 2,4,5-T i pentachlorofenol. Do roku 1977 uważano, że jedynym źródłem rozprzes...
Przem582