15. Metabolizm węglowodorów (ropy

naftowej)

Prof.dr hab. inż. Korneliusz Miksch

Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Environmental Biotechnology Department

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Skład ropy naftowej

Ropa naftowa stanowi złożoną, wieloskładnikową mieszaninę

związków chemicznych. Podstawową jej masę stanowią

węglowodory: parafinowe, naftenowe i aromatyczne. W 80-95

% są to ciekłe oraz rozpuszczone w nich stałe węglowodory

parafinowe o liczbie atomów węgla w cząsteczce od 1-60. W

szeregu homologicznym alkanów pierwsze cztery od C

1

do C

4

są

gazami (w normalnych warunkach ciśnienia i temperatury), od

C

5

do C

15

–cieczami, a powyżej C

15

- ciałami stałymi. Obok

węglowodorów n-parafinowych występują również parafiny

rozgałęzione tzw. izoparafiny, wśród których najlepiej poznany

jest pristan i fitan. Węglowodory te wykorzystywane są jako

biomarkery do śledzenia przemian geochemicznych materii

organicznej.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Skład ropy naftowej

Kolejną liczną grupę związków węglowodorowych w ropie

naftowej stanowią cykloparafiny tzw. związki naftenowe

(wśród których w największych ilościach występują

metylocyklopentan

i

metylocykloheksan).

Węglowodory

aromatyczne wchodzące w skład ropy naftowej zawierają

przynajmniej jeden pierścień aromatyczny, a w frakcjach

wyżej wrzących większą liczbę pierścieni skondensowanych.

Typowymi reprezentantami jednopierścieniowych związków

aromatycznych oraz ich alkilowych pochodnych są: benzen,

toluen, ksylen i styren. Z kolei ciężkie oleje gazowe, oleje

smarowe oraz pozostałości podestylacyjne ropy zawierają

związki, których cząsteczki składają się z 2 do 13

skondensowanych pierścieni benzenowych. Są to tzw.

wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne WWA (ang. PAH-

policyclic aromatic hydrocarbons) zwykle silnie toksyczne i

kancerogenne.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Charakterystyka wybranych PAH, obecnych w ropie

naftowej

Nazwa węglowodoru

Masa molowa

Temp. topnienia

[

0

C]

Kancerogenność/

Mutagenność

naftalen

acenaftylen

acenaften

fenantren

antracen

benzo[a]piren

128

80

- / -

152

92-3

- / -

154

96,2

- / -

178

100

- / -

178

218

- / -

252

178,1

+ / +

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Produkty destylacji ropy naftowej

wyniku przeróbki ropy naftowej otrzymuje się cztery klasy

handlowe produktów naftowych:

•

aliwa

•

leje smarowe

•

mary plastyczne

•

rzetwory do użytku przemysłowego i domowego

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Skład chemiczny najważniejszych produktów

przerobu ropy naftowej [% v/v.]

Węglowodory

Rodzaj

paliwa

Alifatyczne Naftenowe Aromatyczne

Benzyna ciężka

68,65 15,00 16,35

Benzyna 60,35

5,45 34,20

Samochodowa

Paliwo do silników

61,35

19,14

19,55

odrzutowych

Olej napędowy

45,90

34,30

19,80

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Schemat przeróbki ropy naftowej do produktów handlowych

Paliwa

Destylat próżniowy średni

Smary plastyczne

Gaz suchy i płynny

Benzyna lekka

Benzyna ciężka

Nafta

Lekki olej napędowy

Destylat próżniowy lekki

Destylat próżniowy ciężki

Frakcja P-30

Klasy produktów

naftowych

Oleje

smarowe

Ropa

naftowa

20

0

C

150

0

C

240

0

C

350

0

C

Frakcje destylacji

ropy naftowej

Pozostałość próżniowa (gudron)

Kolumna rektyfikacyjna

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Wycieki ropy i produktów naftowych

Zużywanie w światowej energetyce i transporcie olbrzymich

ilości ropy naftowej dochodzące w 2003 roku do 18 mln ton

związane jest w sposób nieunikniony z przedostawaniem się

części tych materiałów do środowiska. Surowa ropa naftowa

i jej produkty przedostają się do środowiska na skutek

procesów wydobywczych ropy, jej przerobu oraz awarii

podczas transportu i magazynowania. Wśród produktów

uwalnianych do środowiska gruntowego i wodnego należy

wyróżnić: benzynę silnikową, paliwa dieslowe, oleje opałowe,

oleje smarowe, smary plastyczne, substancje żywiczno-

asfaltowe, a także zużyte oleje i płyny hydrauliczne.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Niekontrolowane źródła wycieków ropy naftowej

35 % %

9 %

%

8 %

%

45 % %

3 % %

Wycieki samoistne

Operacje w strefie akwenów wodnych (wiercenia poszukiwawcze,

wydobycie, załadunek, transport, katastrofy tankowców)

Węglowodory naftowe z

atmosfery

Gospodarka komunalna

i działalność przemysłowa

Rafinerie i przetwórnie

ropy i produktów

naftowych

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Niekontrolowane źródła wycieków ropy naftowej

Oszacowano, że w latach 1980-2003 do środowiska przedostało

się rocznie blisko 9 mln ton przetworzonej ropy naftowej. W

Polsce roczne zrzuty produktów ropopochodnych do środowiska

szacuje się na poziomie 16-40 tys. ton czyli około 0,1-0,25 %

zużycia produktów naftowych. Skutki wycieków ropy, które

miały miejsce w przeciągu ostatnich dwudziestu lat, nie mogą

być precyzyjnie oszacowane, gdyż jedynie megawycieki

są rejestrowane i bilansowane, a tysiące małych, nie

powodujących większych uszkodzeń ekosystemu, są wręcz

ukrywane. Jednak wiele spośród awarii z ostatnich lat miało

rekordową skalę. W samym tylko 2002 roku do środowiska

przedostało się 81 tys. ton ropy naftowej (przy czym

przyczyną uwolnienia 77 tys. ton ciężkiej frakcji ropy

naftowej była katastrofa zbiornikowca Prestige u wybrzeży

Hiszpanii).

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi biodegradacji produktów naftowych

Przewidywanie i ocena zachowania się produktów naftowych

w środowisku wymagają badania procesów związanych z ich

przemianami

fizykochemicznymi,

jak

i

biologicznymi

(biodegradacja, biotransformacja, mineralizacja). Przebieg

procesów mikrobiologicznego rozkładu węglowodorów zależy

od struktury chemicznej związku. Dla niektórych typów

związków szlaki rozkładu ograniczają się do kilku reakcji, dla

innych zaś są bardzo rozbudowane. Najłatwiej przebiega

biodegradacja węglowodorów alifatycznych od C

10

-C

18,

nieco

trudniej

alkanów

rozgałęzionych,

następnie

alkenów,

cykloalkanów aż po grupę związków wykazujących wysoką

oporność na biodegradację np. benzenu i wielopierścieniowych

węglowodorów aromatycznych.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Główne procesy przemian węglowodorów w środowisku

Węglowodory

C

n

H

m

światło

Fotoautotrofy

O

2

Biomasa

C0

2

H

2

0

Heterotrofy tlenowe

C0

2

Biomasa

NO

3

-

Biomasa

C0

2

N

2

Fe(III)

Biomasa

C0

2

Fe(II)

SO

4

2-

Biomasa

C0

2

H

2

S

Biomasa

C0

2

CH

4

Heterotrofy beztlenowe

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji węglowodorów

W procesy degradacyjne produktów naftowych (w warunkach

tlenowych) włączone są głównie enzymy należace do klasy

oksydoreduktaz (oksydazy, oksygenazy, dehydrogenazy),

hydrolaz i liaz (dekarboksylazy).

Oksydazy - stanowią grupę enzymów katalizujących odrywanie

się elektronów od utlenionego substratu i dwu- lub

czteroelektronową redukcję cząsteczki tlenu. Po połączeniu się

z protonami powstaje cząsteczka H

2

O

2

lub H

2

O. Do tego

zespołu należą m.in. oksydazy cytochromowe.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji węglowodorów

Oksygenazy - katalizują proces wbudowywania tlenu w

cząsteczkę. Wyróżnia się oksygenazy właściwe tj. dioksygenazy

oraz monooksygenazy, do których zalicza się hydroksylazy.

Dioksygenazy- włączają dwa atomy tlenu do substratu. Istnieją

dwa rodzaje diooksygenaz. Dioksygenazy wymagające udziału

NADH i NADPH, katalizujące reakcje hydroksylacji substratu

oraz drugi typ dioksygenaz nie wymagający udziału NAD(P)H,

katalizujący rozerwanie pierścienia aromatycznego

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji węglowodorów

Monooksygenazy – katalizują włączenie jednego z atomów tlenu

do hydroksylowanego substratu, podczas gdy drugi atom tlenu

wiązany jest w cząsteczkę wody z udziałem NADH lub NADPH,

zgodnie z równaniem:

RX

RX-OH

O

2

H

2

O

NADP

H

+

H

+

NADP

+

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji węglowodorów

Dehydrogenazy – katalizują odrywanie atomów wodoru od

utlenionego substratu i przenoszą je na inne enzymy czy

związki pośrednie. Nie mają zdolności przenoszenia elektronów

bezpośrednio na tlen. Akceptorem atomów wodoru może być:

NAD

+

, NADP

+

, FMN lub FAD.

Hydrolazy –katalizują proces rozpadu substratu z udziałem

cząsteczek wody.

Dekarboksylazy – należą do klasy liaz tj. enzymów

katalizujących rozerwanie pojedynczych wiązań –C-C-węgiel-

węgiel.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Mechanizmy biodegradacji

węglowodorów w warunkach

tlenowych

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja n-alkanów

Szkielet węglowy alkanów (parafin) ma kształt łańcucha

prostego lub rozgałęzionego, a wszystkie wiązania pomiędzy

atomami węgla są  pojedyncze. Mikrobiologiczny rozkład n-

alkanów może przebiegać wg trzech

mechanizmów:

mechanizm hydroksylacji w którym rozkład n-alkanów

katalizowany jest przez monooksygenazy (lub oksygenazy

o funkcji mieszanej), które działają na peryferyjny atom węgla,

przekształcając cząsteczkę węglowodoru w pierwszorzędowy

alkohol. W procesie tym pośredniczy zwykle układ cytochromu

P-450,

który

katalizuje

reakcję

hydroksylacji

węglowodorowego substratu zgodnie z równaniem:

 

R- CH

2

CH

3

+

O

2

+ NAD(P)

H

+

H

+

R- CH

2

CH

2

O

H +

H

2

O

+ NAD(P)

+

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Mechanizm utleniania n-alkanów z udziałem

monooksygenazy związanej z cytochromem P-450

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Rozkład n-alkanów

mechanizm dehydrogenacji (odwodornienia)

Rozkład n-alkanów odbywa się na drodze dehydrogenacji z

udziałem dehydrogenazy współdziałającej z NAD

+

. W wyniku

reakcji odwodornienia powstaje cząsteczka alkenu która

następnie ulega hydratacji (addycja cząsteczki H

2

O) z

wytworzeniem pierwszorzędowego alkoholu.

mechanizm wolnorodnikowej oksydacji

Rozpad cząsteczki n-alkanu nastepuje w szeregu reakcji

wolnorodnikowych (prekursorem rodników jest tlen). W

układzie tym pośredniczą dioksygenazy, które katalizują

włączenie tlenu poprzez przekształcenie cząsteczki alkanu

do alkilonadtleneku, a następnie przez reakcję redukcji do

alkoholu.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Rozkład n-alkanów

Właściwości fizykochemiczne alkanów oraz struktura

przestrzenna cząsteczek są istotnymi parametrami

wpływającymi na tempo ich utlenienia i metabolizowania przez

mikroorganizmy. Alkany od C

1

do C

4

występują w postaci

gazowej i są wykorzystywane jako źródło węgla przez niewiele

szczepów bakterii. Alkany o liczbie atomów węgla C

5

- C

9

charakteryzują się stosunkowo wysoką toksycznością, a

biodegradacji ulegają jedynie w niskich stężeniach. Najmniej

toksyczne i najłatwiej metabolizowane są alkany o liczbie

atomów węgla C

10­

-C

22

. Spośród nich bardziej oporne są związki

o łańcuchach rozgałęzionych w porównaniu do związków o

prostych łańcuchach. Węglowodory o dłuższych łańcuchach

węglowych (powyżej C

22

) są metabolizowane znacznie wolniej.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Rozkład n-alkanów

Biorąc pod uwagę strukturę chemiczną związku oraz skład i

aktywność flory bakteryjnej - rozkład n-alkanów może odbywać

się na drodze:

•

oksydacji terminalnej,

•

oksydacji subterminalnej,

•

bądź

ω

- oksydacji.

 Droga terminalnej oksydacji n-alkanów polega na

wstępnym

utlenieniu

węglowodoru

do

alkoholu

pierwszorzędowego.

W

procesie

tym

pośredniczą

monooksygenazy, które działając na jeden z peryferyjnych

atomów węgla, przekształcają cząsteczkę w alkohol (tzw.

oksydacja monoterminalna), bądź działając na dwa peryferyjne

atomy węgla utleniają cząsteczkę do diolu, tzw. oksydacja

diterminalna. Dalsze utlenianie terminalne alkoholi, przez

odpowiednie aldehydy i kwasy organiczne, kończy proces

β

-

oksydacji.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja n-alkanów- oksydacja mono- i diterminalna

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- CH

3

NAD(P)H + H

+

NAD(P)

+

- H

2

O

O

2

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- CH

2

OH

Oksydacja monoterminalna

2H

+

+ 2e

NAD(P)H + H

+

NAD(P)

+

O

2

- H

2

O

dehydrogenaza

alkoholowa EC 1.1.1.1

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- CHO

HOCH

2

– (CH

2

)

n

- CH

2

- CH

2

OH

dehydrogenaza

aldehydowa EC 1.2.1.3

NAD(P)

+

+ H

2

O

NAD(P)H + H

+

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- COOH

1-monooksygenaza

alkanowa EC 1.14.15.3

HOCH

2

– (CH

2

)

n

- CH

2

- COOH

ω

- oksydacja

monooksygenaza

(

ω

-hydroksylująca)

HOOC

– (CH

2

)

n

- CH

2

- COOH

β

- oksydacja

Oksydacja diterminalna

R

– CH

2

- CH

2

-

COOH

HS-CoA

ATP

AMP+ PP

i

R

– CH

2

- CH

2

-

CO

∼

SCoA

acylo-CoA

R

– CH= CH-

CO

∼

SCoA

H

2

O

FAD

FADH

2

R

– HOCH- CH

2

-

CO

∼

SCoA

L-3-hydroksyacylo-CoA

R

–CO- CH

2

-

CO

∼

SCoA

3+ketoacylo-CoA

NAD

+

NADH+H

+

CoA-SH

CH

3

-

CO

∼

SCoA

acetylo-CoA

R- CO

∼

SCoA

acylo-CoA krótszy o dwa

atomy węgla

Trans-?

2

-enoilo- CoA

+

syntaza

acylo-CoA

EC 6.2.1.3

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja n-alkanów- oksydacja subterminalna (1.9)

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- CH

2

- CH

3

NAD(P)H + H

+

NAD(P)

+

- H

2

O

O

2

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- CH- CH

3

OH

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- C- CH

3

O

?

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

-O- C- CH

3

O

?

HOOC- CH

3

+

CH

3

– (CH

2

)

n

- CH

2

- OH

β

- oksydacja

C

6

C

5

C

4

C

4

Cykl

Krebsa

NADH

CO

2

NADH

CO

2

NADH

FADH

2

GTP

monooksygenaza

alkanowa

dehydrogenaza

alkoholowa

2H

+

+ 2e

Reakcja

Baeyer-Villager

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja alkanów rozgałęzionych

Przykładem związku z szeregu izoparafin jest pristan

(2,6,10,14- tetrametylopentadekan). Związek ten ze względu na

wyjątkową oporność na rozkład mikrobiologiczny jest często

stosowany jako marker lub standard wewnętrzny w procesach

utleniania mieszanin węglowodorów.

Próby rozkładu pristanu z udziałem szczepów należących do

rodzaju:

Brevibacterium

,

Corynebacterium

i 

Rhodococcus

wykazały możliwość degradacji tego typu związków poprzez

β

-

i 

ω

-oksydację. Obecność podstawników jest czynnikiem

hamującym proces

β

- oksydacji.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja alkanów rozgałęzionych (1.10)

+

COOH

COOH

HOOC

COOH

HOOC

COOH

HOOC

COOH

HOOC

COOH

HOOC

HOOC

COOH

COOH

HOOC

pristan

(2,6,10,14-

tetrametylopentadekan)

kwas 2,6,10,14-
tetrametylopentadekanowy

kwas 2,6,10,14-
tetrametylopentadekanodiowy

kwas 2,6,10-
trimetylotridekanodiowy

kwas 2,6,10-
trimetyloundekanodiowy

kwas 2,6-
dimetylononanodiowy

kwas 2,6-
dimetyloheptanodiowy

kwas 2-
metylopentanodiowy

kwas 2-
metylomalonowy

kwas

bursztynow

y

C

3

C

2

C

3

C

3

C

2

C

2

C

3

COOH

kwas 4,8,12-
trimetylotridekanowy

C

2

COOH

kwas 2,6,10-
trimetyloundekanowy

C

3

Degradacja ?

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja cykloalkanów

Cykloalkany to związki pierścieniowe zbudowane z połączonych

wiązaniami pojedynczymi atomów węgla, zwane też

cykloparafinami bądź naftenami.

Biodegradacja cykloalkanów zachodzi głównie z udziałem

konsorcjum mikroorganizmów, na drodze kometabolizmu.

Cykloalkany o małych masach cząsteczkowych wykazują zwykle

znaczną toksyczność w stosunku do mikroorganizmów, stąd też

metabolizowane są jedynie w niskich stężeniach i w obecności

substratów wspomagających. Jak wynika z opublikowanych

dotąd danych, zdolność do metabolizowania związków

alicyklicznych w charakterze substartu wzrostowego wykazuje

zaledwie kilka gatunków mikroorganizmów. Wśród bakterii

główną rolę pełnią bakterie z rodzaju:

Brevibacterium,

Acinetobacter i Pseudomonas

.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja cykloalkanów (1.11)

NAD(P)

NAD(P)H

NAD(P)H

NAD(P)

O

2

H

2

O

O

2

H

2

O

NAD(P)H

NAD(P)

O

O

H

2

O

COOH

CH

2

OH

COOH

CHO

O

COOH

COOH

NAD(P)H

NAD(P)

NAD(P)

NAD(P)H

O

H

β

- oksydacja

Cykloheksan

Cykloheksanol

Cykloheksanon

ε

-kaprolakton

Kwas

6-

hydroksyheksanow

y

Kwas

6-

oksoheksanowy

Kwas

adypinowy

monooksygenaza

butanowa

EC 1.14.15.-

dehydrogenaza

cykloheksanolowa

EC 1.1.1.245

1,2-

monooksygenaza

cykloheksanonowa

sprzężona z NADPH

EC 1.14.13.22

hydrolaza

ε

-kaprolaktonowa

EC 3.1.1.-

dehydrogenaza

6-hydroksyheksanianowa

sprzężona z NAD (NADP)

EC 1.1.1.258

dehydrogenaza

6-oksoheksanianowa

sprzężona z NAD (NADP)

EC 1.2.1.6.3

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja alkenów

Alkeny (olefiny) stanowią grupę węglowodorów nienasyconych,

zawierających jedno lub więcej wiązań podwójnych pomiędzy

atomami węgla. Metabolizm alkenów może przebiegać poprzez

utlenienie podwójnego wiązania, bądź oksydację w dowolnej

części łańcucha węglowodorowego, tak jak ma to miejce w

przypadku asymilacji alkanów.

Istnieją cztery drogi inicjujące proces degradacji alkenów:

•oksydacja terminalnych grup metylowych do odpowiednich

nienasyconych alkoholi i kwasów,

•subterminalne utlenienie do odpowiednich alkoholi i kwasów,

•utlenienie w miejscu podwójnego wiązania do odpowiednich

epoksydów,

.utlenienie w miejscu podwójnego wiązania do odpowiednich

dioli.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi degradacji alkenów (powyżej 6 atomów węgla) (1.12)

CH

3

- (CH

2

)

n

– CH = CH

2

HOCH

2

-(CH

2

)

n

-

CH=CH

2

HOOC-(CH

2

)

n

-

CH=CH

2

CH

3

-(CH

2

)

n

-CHOH-

CH

3

CH

3

-(CH

2

)

n

-CO-

CH

3

CH

3

-(CH

2

)

n

-O-CO-

CH

3

CH

3

-(CH

2

)

n-1

-

CH

2

OH

CH

3

-(CH

2

)

n-1

-

COOH

CH

3

-(CH

2

)

n

-CH-

CH

2

O

HOCH

2

-(CH

2

)

n

-CH-CH

2

O

HOOC -(CH

2

)

n

-CH-CH

2

O

CH

3

-(CH

2

)

n

-CH-

CH

2

O

CH

3

-(CH

2

)

n

-CHOH-

CH

2

OH

CH

3

-(CH

2

)

n

-CHOH-

COOH

CH

3

-(CH

2

)

n

-COOH +

CO

2

β

- oksydacja

1

-

monooksygenaza

alkenowa

2

- dehydrogenaza

3

- dekarboksylaza

(*)

- reakcja spontaniczna

1

1

1

1

2

1

2

(*)

2

3

2

4

2

2

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja alkenów krotkołańcuchowych

Mechanizm oksydacji alkenów krótkołańcuchowych oparty jest

o szereg reakcji prowadzących w efekcie końcowym

do karboksylacji epoksydów z udziałem koenzymu M (CoM, kwas

2-merkaptoetanosulfonowy)

i

powstania

β

-oksokwasu.

Cząsteczka alkenu przy udziale monooksygenazy alkenu ulega

transformacji do epoksyalkanu, a następnie z udziałem CoM do

2-hydroksyalkilo-CoM

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja alkenów krotkołańcuchowych (1.13)

C

CH

3

C

H

H

H

C

C

O

H

H

H

CH

3

C

C

O

H

H

H

CH

3

NADH

+

H

+

+

O

2

NAD

+

+ H

2

O

R-epoksypropan

S-epoksypropan

C

O

H

CH

3

CH

2

O

3

S-CH

2

-CH

2

-S

H

-

C

O

CH

2

O

3

S-CH

2

-CH

2

-S

H

H

CH

3

-

-

O

3

S-CH

2

-CH

2

-SH

( CoM )

-

O

3

S-CH

2

-CH

2

-SH

2-R-hydroksypropylo-CoM

2-S-hydroksypropylo-CoM

O

3

S- CH

2

- CH

2

- S

-CH

2

- C- CH

3

O

-

2-ketopropylo-CoM

NADPH

+ CO

2

-

O

3

S-CH

2

-CH

2

-SH

+ NADP

+

O- C-

CH

2

- C- CH

3

O

O

-

Szlaki metabolizmu pośredniego

acetylooctan

monooksygenaza alkenowa

EC 1.14.13.69

liaza 2-hydroksypropylo-CoM

EC 4.4.1.23

NAD

+

NADH

NAD

+

NADH

dehydrogenaza

2-S-hydroksypropylo-CoM

EC 1.1.1.269

dehydrogenaza

2-R-hydroksypropylo-CoM

EC 1.1.1.268

reduktaza

2-oksopropylo-CoM

EC 1.8.1.5

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych

Węglowodory aromatyczne (areny) stanowią liczną grupę

związków zawierających od jednego do kilku, a nawet

kilkunastu pierścieni aromatycznych w cząsteczce. Liczne

badania potwierdzają obecność mikroorganizmów zdolnych do

rozkładu tej grupy związków na drodze metabolicznej, bądź w

procesie kometabolizmu. Większość spośród związków

aromatycznych występujących w przyrodzie, w pierwszym

etapie mikrobiologicznej degradacji ulega oksydacji do

katecholu bądź kwasu protokatechowego

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Związki aromatyczne rozkładane do katecholu (1.14)

CHOH

COOH

C

H

2

CHNH

2

COOH

COOH

OH

COOH

OH

COOH

NH

2

N

R

H

OH

OH

naftalen

kwas benzoesowy

kwas salicylowy

katechol

rodnik alkilowy

antracen

alkilobenzen

kwas

migdałowy

fenyloanalina

benzen

fenol

bifenyl

antranilan

Grupa alkilowa

Kwas antranilowy

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Związki rozkładane do kwasu protokatechowego (1.15)

CH

3

COOH

OH

COOH

OH

COOH

OH

O

H

OH

C

3

O

O

COOH

COOH

OH

COOH

OH

OH

COOH

OCH

3

OH

C

3

OCH

3

OH

grupa alkilowa

kwas

toluilowy

kwas hydroksy-

benzoesowy

alkilofenol

n

kwas

szikimowy

lignina

kwas

benzoesowy

kwas

hydroksy-

benoesowy

kwas

waniliowy

kwas
protokatechowy

p- alkilofenol

Kwas m-

hydroksy-

benzoesowy

wanilinowy

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych

Do katecholu degradowane są pojedynczo lub podwójnie (w

pozycji 1,2-) podstawione pierścienie aromatyczne, np. w

fenyloalaninie, toluenie, benzenie itp. Pierścienie aromatyczne

podstawione w pozycjach 1,3- i 1,4- oraz pierścienie

podstawione wielokrotnie są przekształcane do kwasu

protokatechowego.

Szlaki rozkładu węglowodorów aromatycznych prowadzą przez

szereg reakcji: hydroksylacji, demetylacji i dekarboksylacji

podstawników alkilowych w pierścieniu aromatycznym z

udziałem różnych grup enzymów, po rozszczepienie pierścienia

aromatycznego i w efekcie końcowym włączenie produktów

przemian do szlaków metabolizmu pośredniego.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych

Mikrobiologiczny rozkład węglowodorów aromatycznych

rozpoczyna się procesem przyłączenia do pierścienia grup

hydroksylowych. W przypadku związków niefenolowych

struktura 1,3- dihydroksybenzenu (rezorcyny), niezbędna do

rozszczepienia pierścienia, powstaje na skutek podwójnej

hydroksylacji katalizowanej przez diooksygenazy, podczas gdy

dla związków fenolowych wprowadzenie atomu tlenu do

cząsteczki zachodzi z udziałem monooksygenaz. Pochodne

metylowe benzenu ulegają oksydacji poprzez utlenienie grupy

metylowej do karboksylowej, a następnie oksydację pierścienia

aromatycznego do katecholu. Podstawniki zaś chlorowe,

nitrowe i sulfonowe są zastępowane grupami hydroksylowymi.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych

Nastepny etap mikrobiologicznego rozkładu związków

aromatycznych obejmuje proces rozszczepienia pierścienia

aromatycznego z udziałem dioksygenaz i wbudowanie tlenu

cząsteczkowego. Rozszczepienie pierścienia w pozycji

orto-

(tj. między dwoma sąsiadującymi hydroksylowanymi atomami

węgla) prowadzi do powstania kwasu

cis, cis

- mukonowego

(produkt rozszczepienia katecholu) bądź kwasu 3-karboksy-

cis, cis

- mukonowego (produkt rozszczepienia kwasu proto-

katechowego). Produkty tych reakcji ulegają dalszym

przemianom metabolicznym poprzez ten sam związek pośredni

tj. kwas 3-oksoadypinowy, a następnie w wyniku aktywacji z

udziałem transferazy-CoA do bursztynylo-CoA i acetylo-CoA,

które w końcowym etapie procesu degradacji są włączane

do szlaków metabolizmu pośredniego.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych

Rozszczepienie pierścienia w pozycji

meta-

(tj. między

hydroksylowanym i niehydroksylowanym atomem węgla),

katalizowane przez dioksygenazy powoduje powstanie

semialdehydu kwasu 2-hydroksymukonowego, który następnie

wchodzi w szlaki metabolizmu pośredniego poprzez pirogronian,

aldehyd octowy i inne produkty pośrednie, zależnie od typu

podstawienia powstałych kwasów alifatycznych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, zawierające

struktury skondensowane, rozkładne są przez sukcesywne

otwieranie kolejnych pierścieni, a mechanizm rozszczepiania

pierścieni zbliżony jest do mechanizmu rozszczepiania

benzenu.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Rozszczepienie orto- i meta- pierścienia benzenu

OH

OH

H

H

OH

OH

COOH

COOH

O

O

COOH

O

O

COOH

COOH

COOH

O

COOH

O

CO-SCoA

CO-S-CoA

COOH

COOH

COOH

CoA

Cykl Krebsa

NAD

+

O

2

NADH + H

+

NAD

+

O

2

O

2

COOH

OH

CHO

COOH

OH

COOH

COOH

COOH

O

COOH

CH

2

O

COOH

O

CH

3

O

H

COOH

O

C

H

3

CH

3

CHO

Katechol

Benzen

cis-cykloheksa- 3,5-dien-

1,2- diol

meta-

orto-

Kwas cis, cis-

mukonowy

4-adypin- 3-

enolakton

+

Mukono-

lakton

Kwas

3-oksoadypinowy

Kwas

bursztynowy

Bursztynylo-

CoA

Acetylo-CoA

Semialdehyd 2-

hydroksymukonowy

Kwas 2-hydroksy

mukonowy

Kwas -

(2-okso)-heks-4eno-

1,6- diowy

Kwas 2-oksopent- 4-

enowy

Kwas 4-hydroksy-

2-oksowalerianowy

Kwas pirogronowy

Aldehyd

octowy

NADH

1

2

3

4

5

6

7

8

3

4

5

6

7

8

CO

2

H

2

O

CoA

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy uczestniczące w rozszczepieniu pierścienia benzenu

  Enzymy pośredniczące w rozszczepieniu

orto-

pierścienia benzenu

•

.       1,2- dioksygenaza benzenowa

EC 1.14.12.3

•

.     dehydrogenaza cis- 1,2-dihydrobenzeno-1,2-diolowa

EC 1.3.1.19

•

.     1,2- dioksygenaza katecholowa

EC 1.13.11.1

•

.     cykloizomeraza mukonianowa

EC 5.5.1.1

•

.     izomeraza mukonolaktonowa

EC 5.3.3.4

•

.     enololaktonaza 3-oksoadypinianowa

EC 3.1.1.24

•

.     transferaza 3-oksoadypino-CoA

EC 2.8.3.6

•

.     C-acetylotransferaza acetylo-CoA

EC 2.3.1.16

    Enzymy pośredniczące w rozszczepieniu

meta-

pierścienia benzenu

•

.       1,2- dioksygenaza benzenowa

EC 1.14.12.3

•

.     dehydrogenaza cis- 1,2-dihydrobenzeno-1,2-diolowa

EC 1.3.1.19

•

.     2,3- dioksygenaza katecholowa

EC 1.13.11.2

•

.     hydrolaza semialdehydu 2-hydroksymukonianowego

EC 3.7.1.9

•

.     izomeraza

•

.     dekarboksylaza

•

.     hydrataza 2-okso-4-pentenianowa

EC 4.2.1.80

•

.     aldolaza 4-hydroksy-2-oksowalerianowa

EC 4.1.3.17

 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Proponowane drogi biodegradacji toluenu

(1.17)

CH

3

CH

3

OH

OH

H

H

CH

2

OH

CH

3

OH

CH

3

OH

CH

3

OH

Cis

-

dihydrotoluen

p- krezol

Toluen

Alkohol

benzylowy

o- krezol

m- krezol

cis- 2,3-
dihydroksytoluen

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi biodegradacji toluenu

(1.18a)

CH

2

OH

CHO

COOH

COOH

OH

CH

3

OH

OH

CH

2

OH

OH

CHO

OH

COOH

COOH

COOH

HOOC

CO

COOH

HOOC

O

CO

COOH

O

COOH

COOH

O

COOH

O

CO-SCoA

bursztynylo-
CoA

bursztyni
an

Co
A

Cykl

Krebs

a

Toluen

CH

3

Alkohol

benzylowy

Benzaldehyd

Kwas

benzoesowy

4-hydroksy-

toluen

Kwas 3-hydroksy-

benzoesowy

Alkohol 4-hydroksy-

benzylowy

4-hydroksy-

benzaldehyd

Kwas 4-hydroksy-

benzoesowy

COOH

OH

OH

Kwas

protokatecho

wy

Kwas 3-karboksy-

-

cis,cis

- mukonowy

4-karboksy-

mukonolakton

4- adypin- 3- eno-

lakton

Kwas

3-oksoadypinowy

3-ketoadypilo-CoA

CO

2

acetylo-CoA

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

a)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi biodegradacji toluenu

(1.18b)

CH

3

CH

3

OH

CH

3

OH

CH

3

OH

OH

H

H

CH

3

OH

OH

Kwas pirogronowy

Aldehyd octowy

+

Cykl Krebsa

o- krezol

m- krezol

Toluen

2-monooksygenaza

toluenowa

EC 1.14.13.-

dioksygenaza

toluenowa

EC 1.14.12.11

3-monooksygenaza

toluenowa

EC 1.14.13.-

3-metylokatechol

3-monooksygenaza

toluenowa

dehydrogenaza cis-

dihydrotoluenowa

2-monooksygenaza

toluenowa

b)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy uczestniczące w rozszczepieniu pierścienia toluenu

 

•

.     monooksygenaza toluenowa

EC 1.14.13.-

•

.    

dehydrogenaza benzylowa

EC 1.1.1.90

•

.     dehydrogenaza benzaldehydowa

EC 1.2.1.28

•

.     3-monooksygenaza benzoesanowa

EC 1.14.13.12

•

.     3-monooksygenaza hydroksybenzoesowa

EC 1.14.13.2

•

.     4-monooksygenaza toluenowa

EC 1.14.13.-

•

.     4-monooksygenaza hydroksytoluenowa

•

.     dehydrogenaza 4-krezolowa

EC 1.17.99.1

•

.     dehydrogenaza 4-hydroksybenzaldehydowa

EC 1.2.1.64

10.    3-monooksygenaza 4-hydroksybenzoesanowa

EC 1.14.13.2

•

1.    3,4-dioksygenaza protokatechanowa

EC 1.13.11.3

•

2.    izomeraza 3-karboksymukonianowa

•

3.    dekarboksylaza 4-karboksymukonolaktonowa

•

4.    enololaktonaza 3-oksoadypinianowa

EC 3.1.1.24

•

5.    transferaza 3-oksoadypino-CoA

EC 2.8.3.6

•

6.    C-acetylotransferaza acetylo-CoA

EC 2.3.1.16

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi biodegradacji o-,m-, p-ksylenu (1.19)

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

C

H

3

m-

ksylen

p-

ksylen

o-

ksylen

CH

3

CH

2

OH

CH

3

CH

2

OH

Alkohol m-metylobenzylowy

Alkohol p-metylobenzylowy

Alkohol o-metylobenzylowy

CH

3

CHO

CH

3

CHO

Aldehyd m-toluilowy

Aldehyd p-toluilowy

Aldehyd o-toluilowy

CH

3

COOH

CH

3

COOH

Kwas m-toluilowy

Kwas p-toluilowy

Kwas o-toluilowy

CH

3

OH

OH

CH

3

OH

OH

O

2

O

2

O

2

EC 1.14.13.-

EC 1.1.1.90

EC 1.14.13.-

EC 1.1.1.90

CH

3

CH

2

OH

CH

3

CHO

COOH

CH

3

CH

3

OH

O

H

3-metylokatechol

Kwas pirogronowy + aldehyd octowy

Cykl Krebsa

4-metylokatechol

3-metylokatechol

Kwas pirogronowy + aldehyd octowy

EC 1.2.1.7

EC 1.2.1.7

EC 1.14.12.10

EC 1.13.11.2

EC 1.2.1.7

EC 1.14.12.10
EC 1.3.1.67

EC 1.14.13.-

EC 1.1.1.90

EC 1.14.12.-
EC 1.3.1.68

EC 1.13.11.2

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi mikrobiologicznej degradacji WWA (naftalen) (1.20)

OH

OH

H

H

OH

OH

O

OH

O

O

OH

O

O

O

OH

O

OH

O

O

OH

OH

Naftalen

cis

-1,2-

dihydroksy-1,2-

dihydronaftalen

1,2-

dihydroksynaftale

n

2-

hydroksychromeno-

2- karboksylan

(HCCA)

??

Trans

-o-

hydroksybenzylide

no-pirogronian

(tHBPA)

Aldehyd

salicylowy

Salicylan

Kwas

gentyzowy

Katechol

Cykl Krebsa

1,2- dioksygenaza
naftalenowa

dehydrogenaza

cis

1,2-

dihydroksy-1,2-

dihydronaftalenowa

dioksygenaza 1,2-

dihydroksynaftalenowa

aldolaza kwasu trans-o-

hydroksy-

benzylopirogronianowego

dehydrogenaza

salicyloaldehydow

a

OH

O

O

H

OH

5-hydroksylaza salicylowa

EC 1.14.13.-

1-monooksygenaza

salicylanowa

EC 1.14.12.12

EC 1.3.1.29

EC 1.13.-

EC 5.3.99.-

EC 1.2.1.65

EC 1.14.13.1

EC 4.2.1.-

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drogi mikrobiologicznej degradacji WWA (fenentren) (1.21)

EC 1.13.11-

H

H

OH

O

H

OH

O

H

O

OH

HOOC

COO-

O

OH

OH

CHO

COO-

O

+

OH

COO-

OH

OH

COO-

COO-

O

COO-

O

COO-

CHO

+

Szlaki

metabolizmu

pośredniego

fenantren

cis-3,4-dihydroksy-

3,4-dihydrofenantren

3,4-dihydroksyfenantren

2-hydroksy-2H benzo[h]-

chromeno-2-karboksylan

cis-4-(1΄-hydroksynaft-

2΄ylo)-2-oksobut-3-enian

pirogronian

1-hydroksynaftaleno-

2-karboaldehyd

1-hydroksynaftaleno-

2-karboksylan

trans 4-(o-karboksyfenylo)-

but-3-enian

1,2-dihydroksy-

naftalen

Kwas 2-

formylobenzoesowy

pirogronian

o-ftalan

dioksygenaza

fenantrenowa

dehydrogenaza

cis-3,4-

dihydrofenantreno-3,4-

diolowa

dioksygenaza 3,4-

fenantrenowa

izomeraza

hydrataza-aldolaza

cis-4-

(1΄-hydroksynaft-2΄ylo)-

2-oksobut-3-enianowa

dehydrogenaza

1,2-dioksygenaza 1-

hydroksy-2-

naftenianowa

hydroksylaza

aldolaza 4-(2-karboksyfenylo)-2-

oksobut-3-enonianowa

EC 4.1.2.34

dehydrogenaza

COO-

COO-

EC 1.13.11-

EC 1.3.1.49

EC 5.1.2-

EC 4.2.1-

EC 1.2.1-

EC 1.14.13-

EC 1.13.11.38

EC 1.13. -

EC 1.2.1.-

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Mechanizm biodegradacji

węglowodorów w warunkach

beztlenowych

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Mechanizm biodegradacji węglowodorów w warunkach

beztlenowych

Do niedawna najczęściej badano rozkład węglowodorów

przebiegający wwarunkach tlenowych, w których tlen pełnił rolę

końcowego akceptora elektronów.

Obecnie istotnym postępem w procesach biodegradacji

węglowodorów jest wzrastająca ilość badań dotycząca

stosowania innych niż tlen atmosferyczny akceptorów

elektronów. Mogą to być siarczany, węglany, jak również

azotany wykorzystywane przez drobnoustroje anaerobowe jako

nieorganiczne akceptory elektronów w procesach beztlenowego

rozkładu węglowodorów.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Akceptory elektronów uczestniczące w procesach

beztlenowego rozkładu węglowodorów

Akceptor

elektronów

Produkt

redukcji

Typ oddychania

Mikroorganizmy

S, H

2

S

NO

2

-

, NH

3,

N

2

Denitryfikac-

ja

Bacillus,

Pseudomonas

SO

4

2-

NO

3

-

redukcja

siarczanów

Desulfovi-

brio

CO

2

CH

4,

fermentacja

metanowa

Fe

3+

Fe

2+

redukcja żelaza

Shewanella

putrefaciens

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Mechanizm biodegradacji węglowodorów w warunkach

beztlenowych

Wielocząsteczkowe substancje organiczne ulegają rozkładowi

do prostszych połączeń wg poniższej zależności:

 

Substrat + (

NO

3

-

, Mn

4+

, Fe

3+

, SO

4

2-

, CO

2

)

→

Biomasa + CO

2

+ (

N

2,,,

Mn

2+

,Fe,S

,

CH

4

)

 Istotne znaczenie w przebiegu metabolizmu degradacji

węglowodorów w warunkach beztlenowych odgrywają reakcje o

charakterze

oksydoredukcyjnym,

w

których

związki

nieorganiczne (jony azotanowe, siarczanowe, węglanowe oraz

jony żelaza i manganu) pełnią funkcję akceptora elektronów

(tab. 1.7.). W zależności od rodzaju obecnego w danym

środowisku akceptora elektronów procesy biodegradacji

węglowodorów mogą być prowadzone przez bakterie

denitryfikujące, redukujące siarczany i żelazo oraz bakterie

metanogenne.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja n-alkanów

W szlaku degradacji n-alkanów z udziałem szczepów

redukujących

siarczany

rozkład

zachodzi

poprzez

karboksylację łańcucha alkilowego w pozycji C3, a następnie

eliminację dwóch atomów węgla (w pozycji C1 i C2)

i przekształcenie

cząsteczki

węglowodoru

do

kwasu

tłuszczowego. Kwasy tłuszczowe dalej są degradowane na

drodze

β

-oksydacji. Inny mechanizm rozkładu n-alkanów

obserwowano z udziałem bakterii denitryfikujących. Istotna

różnica dotyczyła mechanizmu inicjacji rozpadu cząsteczki n-

alkanu. W wyniku reakcji wolnorodnikowej cząsteczki alkanu

(1)

z fumaranem powstaje (1-metyloalkilo)-bursztynian

(2)

.

Przyłączenie fumaranu katalizowane przez syntetazę

bursztynianową zachodzi w pozycji C2 łańcucha alkilowego.

Dalsze utlenianie przez odpowiednio: (1-metyloalkilo)-

bursztynylo-CoA

(3)

, (2-metyloalkilo)-malonylo-CoA

(4)

, 4-

metyloalkanoilo-CoA

(5)

kończy proces

β

-oksydacji.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Szlaki degradacji n-alkanów w warunkach beztlenowych

(1)–

szczep redukujący siarczany,

(2)

-szczep redukujący azotany

C

H

3

CH

2

CH

2

R

+ CO

2

C

H

3

CH

2

R

CH

COOH

- C

2

CH

2

R

HOOC

β

-oksydacja

CO

2

Materiał

budulcowy

komórki

R

R

COO-

COO-

R

COO-

CO-SCoA

R

CO-SCoA

R

COO-

CO-SCoA

β

-

oksydacja

R

CO-SCoA

Kolejne etapy degradacji

Terminalna oksydacja

CH

3

CO-SCoA

CO

2

COO-

COO-

Szlak

alternatywny

[H]

[H]

[H]

Redukcja akceptora

elektronów

(1)

(2)

Reakcja wolnorodnikowa

HSCoA

(+ energia)

Przegrupowanie

szkieletu węglowego

CO

2

1

2

3

4

5

6

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych

Rozkład

węglowodorów

aromatycznych

w

warunkach

anaerobowych jest procesem skomplikowanym. Trudność

degradacji tego typu związków wynika z dużej stabilności

układów aromatycznych, jak również z braku tlenu

cząsteczkowego

ułatwiającego

rozerwanie

pierścienia

aromatycznego. Beztlenowa biodegradacja węglowodorów

aromatycznych jest procesem dwustopniowym:

•1. w pierwszym etapie związki aromatyczne są przekształcane

do jednego z trzech centralnych metabolitów tj. floroglucyny

(1,

3,

5-

trihydrosybenzenu),

rezorcyny

(1,

3-

dihydroksybenzenu) bądź benzoilo-CoA (który ma największe

znaczenie, rys. 1.24.);

•2. w drugim etapie następuje kolejno redukcja pośredników do

związków

alicyklicznych,

rozerwanie

pierścienia

i

transformacja produktów reakcji poprzez

β

- oksydację do

centralnych metabolitów tj. acetylo-CoA i CO

2.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Beztlenowa biodegradacja benzenu i jego pochodnych(1.24)

CH

3

OH

OH

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

m, p-

krezol

fenol

benzen

toluen

m,o, p-

ksylen

etylobenze

n

OH

COOH

HOOC

OH

COOH

COOH

kwas

benzoesow

y

CO-SCoA

OH

COOH

HOOC

COOH

HOOC

CH

3

CO

CH

3

CO

CH

2

COOH

CH

3

CO-SCoA

CO-SCoA

Benzoilo-CoA

Kwas p-

hydroksybenzylo-

bursztynowy

Kwas 4-

hydroksybenzoesowy

Kwas

benzylobursztynowy

acetofenon

Kwas p-

metylobenzylo-

bursztynowy

4-hydroksy-

benzoilo-CoA

4-metylo-

benzoilo-CoA

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Proponowane drogi beztlenowej degradacji benzenu (1.25)

OH

H

2

O

H

+

fenol

CH

3

toluen

benze

n

CH

3

-X

X

COOH

COOH

COOH

HOOC

COOH

CO

2

Kwas

benzoesowy

CoASH + ATP

AMP + PP

i

COSCoA

Benzoilo-CoA

CO

2

metylowanie

karboksylac

ja

addycja do

kwasu

fumarowego

hydroksylac

ja

Kwas 2- fenylobursztynowy

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

2 ETF

ox

2 ETF

red

CH

3

CO-SCoA

COOH

COOH

CO-SCoA

COOH

COOH

COOH

COSCoA

COOH

COSCoA

COOH

COSCoA

O

CO-SCoA

CO-SCoA

OH

CO-SCoA

O

OH

CO-SCoA

COOH

CO-SCoA

CO-SCoA

COOH

OH

2 acetylo-CoA

toluen

benzoilo-

CoA

CoASH

H

2

O

2 [H]

CoASH

bursztynylo-CoA

COOH

COOH

Acetylo-CoA

CoASH

H

2

O

CoASH

AMP + PP

i

2 ATP

2 ADP + P

i

2 [H]

H

2

O

H

2

O

2 [H]

H

2

O

Acetylo-CoA

CoASH

2 [H]

2 [H] + CO

2

H

2

O

CoASH

2 [H]

2

1

fumaran

Kwas

benzylobursztynowy

Benzylobursztynylo-CoA

Fenyloitakonylo-CoA

Benzoilo-

bursztynylo-CoA

1,5-Cykloheksadienylo-

1-karboksylo- CoA

6-hydroksy-1-cyklo-

heksenylo-1-karboksylo CoA

2-okso-6-hydroksycyklo-

heksylo-1-karboksylo- CoA

3-hydroksypimelinylo-

CoA

Glutarylo- CoA

Krotonylo-CoA

2 ETF

ox

2 ETF

red

Metabolizm toluenu i dalsze losy benzoilo-CoA (1.26)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja naftalenu i jego pochodnych

(1.28)

CH

3

COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

CO-SCoA

COOH

CO-SCoA

CoASH

2 [H]

COOH

CO-SCoA

OH

COOH

CO-SCoA

O

COOH

Karboksylacja

hydrogenacja

COOH

H

2

O

2 [H]

Bursztynylo-CoA

COOH

OH

COOH

O

COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

lub

2-

metylonaftalen

Kwas 2-

naftalenokarboksylowy

naftale

n

Kwas 2- metylonaftylo -

bursztynowy

2- metylonaftylo-

bursztynylo-CoA

2- metylenonaftylo-

bursztynylo-CoA

2-hydroksymetylonaftylo-

bursztynylo-CoA

2-oksometylonaftylo-

bursztynylo-CoA

Kwas 5,6,7,8-tetrahydro-2-

naftalenokarboksylowy

Kwas oksodekahydro-2-

naftalenokarboksylowy

Kwas

2-karboksycykloheksylooctowy

?

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-podsumowanie

Generalnie w procesach transformacji węglowodorów z

udziałem drobnoustrojów do związków o krótszym łańcuchu

węglowodorowym bądź związków o zwiększonej podatności na

degradację (metabolitów pośrednich) zachodzą następujące

reakcje utleniania:

Terminalna oksydacja.

Najczęściej włączenie (insercja)

aktywnego tlenu następuje przy końcowym węglu w łańcuchu

alkilowym węglowodorów z wytworzeniem alkoholu. Dalsze

utlenianie alkoholi, przez kolejno aldehydy i kwasy organiczne,

kończy proces

β

- oksydacji.

Diterminalna oksydacja

.

Insercja tlenu następuje na obu

końcach łańcucha alkilowego alkanów, co w efekcie kolejnych

reakcji utleniania daje kwas dikarboksylowy.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-podsumowanie

Subterminalna oksydacja. Oksydacja dotyczy atomów węgla

położonych subterminalnie w cząsteczkach węglowodorów i

prowadzi do przekształcenia ich w drugorzędowe alkohole, a

następnie w ketony i estry.

β

- oksydacja. Cykl rozkładu kwasów tłuszczowych w

powtarzajacej się sekwencji czterech reakcji: utlenienia przez

FAD, uwodnienia, utlenienia sprzężonego z redukcją NAD

+

oraz

tiolizy przez CoA. W rezultacie każdego cyklu tych reakcji

łańcuch węglowodorowy grupy acylowej jest skracany o dwa

atomy węgla oraz powstaje FADH

2

, NADH i acetylo-CoA.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-podsumowanie

ω

- oksydacja. Proces

ω

- oksydacji jest charakterystyczny

dla degradacji alkanów rozgałęzionych. Obecność podstawników

jest czynnikiem hamującym proces

β

-oksydacji, z tego względu

kwasy tłuszczowe są atakowane na drugim końcowym węglu

prowadząc do powstania kwasów dikarboksylowych.

Oksydacja podwójnego wiązania

.

Alkeny terminalne są

stosunkowo łatwo degradowane przez atak na końcowy atom

węgla bądź utlenienie bezpośrednio atomów węgla połączonych

podwójnym wiązaniem z wytworzeniem epoksydów lub dioli.

Alkeny z wiązaniem podwójnym zlokalizowanym wewnątrz

cząsteczki węglowodorowej są rozkładane w procesie

mikrobiologicznym wolniej niż alkeny terminalne; metabolitami

końcowymi są zarówno nasycone, jak i nienasycone kwasy

tłuszczowe.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-Podsumowanie

Oksydatywne rozszczepienie pierścienia aromatycznego.

Rozszczepienie pierścienia aromatycznego zachodzi poprzez

wprowadzenie dwóch atomów tlenu do cząsteczki z udziałem

dioksygenaz, a nastepnie przez reakcje dehydrogenacji do

pochodnych dihydroksylowych. Rozerwanie pierscienia może

mieć miejsce między dwiema sąsiadującymi grupami

hydroksylowymi (rozszczepienie typu

orto-

) albo między

hydroksylowanym i sąsiadującym niehydroksylowanym atomem

węgla (rozszczepienie typu

meta-

).

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-czynniki biologiczne

Obok czynników o charakterze fizyko-chemicznym zasadniczą

rolę w procesie metabolizowania produktów naftowych

odgrywają czynniki biologiczne (tj. skład jakościowy i ilościowy

drobnoustrojów, ich aktywność metaboliczna i zdolności

adaptacyjne). Drobnoustroje zdolne do wykorzystywania

węglowodorów w charakterze jedynego źródła węgla i energii

są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Wśród nich

znajdują się szczepy zarówno bakterii, grzybów, jak

i promieniowców. W środowisku skażonym produktami

naftowymi szybkość rozkładu węglowodorów oraz liczebność

drobnoustrojów zdolnych do ich rozkładu stopniowo wzrasta od

momentu skażenia. Zjawisko to wynika z selekcji

drobnoustrojów, polegającej na eliminacji gatunków wrażliwych

na toksyczne oddziaływanie wprowadzonych związków, a także

ze stopniowej adaptacji mikroorganizmów do nowego substratu

wzrostowego.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drobnoustroje zdolne do rozkładu węglowodorów

Mikroorganizmy rozkładające węglowodory są szeroko

rozpowszechnione w przyrodzie, występują w ekosystemach

wodnych i lądowych, a w większych ilościach w miejscach

zanieczyszczonych produktami naftowymi.

Liczebność drobnoustrojów heterotroficznych zdolnych do

rozkładu węglowodorów jest różna dla poszczególnych

ekosystemów wodnych i glebowych.

Częstość występowania tego typu organizmów wśród:

•-         grzybów glebowych waha się od 0,13 % do 50 %,

•-         bakterii glebowych od 6 % do 82 %

•-         bakterii wodnych od 0,03 % do 100 %

w stosunku do ogólnej liczebności mikroorganizmów.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-czynniki biologiczne

W praktyce metody oparte na naturalnym doborze mikroflory,

nie zawsze pozwalają na szybką i skuteczną biodegradację

trudnorozkładalnych związków. Dlatego też, coraz częściej

prowadzi się badania nad przyśpieszaniem biodegradacji

stosując w charakterze inokulantów aktywne czyste kultury

drobnoustrojów wyizolowanych ze skażonych środowisk natu-

ralnych (bioaugmentacja). Szczególną rolę w adaptacji

genetycznej odgrywają plazmidy. Znane są wśród nich

plazmidy zawierające geny kodujące enzymy szlaków

degradacji węglowodorów np. CAM- alkany, TOL- toluen, TOM-

toluen czy metylofenole, NAH- naftalen. Obecnie wiele uwagi

poświęca się konstruowaniu techniką inżynierii genetycznej

mikroorga-nizmów degradujących wybrane węglowodory z

wysoką wydajnością. Przykładem jest

Pseudomonas putida

z

konstytu-tywnie wytwarzaną hydroksylazą n-alkanów i

hydroksylazą alkoholową tj. enzymami katalizującymi dwa

pierwsze etapy utleniania węglowodorów aromatycznych.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transport i metabolizm w

A. Borkumensis

(schemat)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Genome sequence of the ubiquitous hydrocarbon-

degrading marine bacterium

Alcanivorax borkumensis

Susanne Schneiker

1, 3, 8

, Vítor AP Martins dos Santos

2, 8

, Daniela Bartels

3

, Thomas Bekel

3

,

Martina Brecht

1, 3

, Jens Buhrmester

1

, Tatyana N Chernikova

2, 4

, Renata Denaro

5

, Manuel

Ferrer

2, 7

, Christoph Gertler

2, 4

, Alexander Goesmann

3

, Olga V Golyshina

2, 4

, Filip Kaminski

2

, Amit

N Khachane

2

, Siegmund Lang

6

, Burkhard Linke

3

, Alice C McHardy

3, 7

, Folker Meyer

3

, Taras

Nechitaylo

2, 4

, Alfred Pühler

1, 3

, Daniela Regenhardt

2, 7

, Oliver Rupp

3

, Julia S Sabirova

2, 4

,

Werner Selbitschka

1, 3

, Michail M Yakimov

2, 5

, Kenneth N Timmis

2, 4

, Frank-Jörg Vorhölter

1, 3

,

Stefan Weidner

1, 3

, Olaf Kaiser

1, 3, 8

 & Peter N Golyshin

2, 8

1

 Lehrstuhl für Genetik, Fakultät für Biologie, Universität Bielefeld, D-33594 Bielefeld,

Germany.

2

 Division of Microbiology, German Research Center for Biotechnology, D-38124 Braunschweig,

Germany.

3

 Center for Biotechnology (CeBiTec), Universität Bielefeld, D-33594 Bielefeld, Germany.

4

 Institute for Microbiology, Technical University of Braunschweig, D-38106 Braunschweig,

Germany.

5

 Istituto per l'Ambiente Marino Costiero (CNR), I-98122 Messina, Italy.

6

 Institute of Biochemistry and Biotechnology, Technical University of Braunschweig, D-38106

Braunschweig, Germany.

7

 Present adresses: Institute of Catalysis, Campus UAM, E-28049 Madrid, Spain (M.F.),

Bioinformatics & Pattern Discovery Group, IBM Thomas J Watson Research Center, Yorktown

Heights, New York 10598. USA (A.C.McH.), Division Biogeochemistry, Research Centre

Rossendorf, D-01314 Dresden, Germany (D.R.).

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transport i metabolizm w

A. Borkumensis

(opis)

The background is a transmission electron micrograph

(TEM) of an A. borkumensis cell grown on hexadecane

(courtesy of H. Lünsdorf). The insert in the right upper

corner shows a TEM of A. borkumensis SK2 cells at the

oil-water interface of hydrocarbon droplets in salt water.

Predicted pathways for alkane degradation are depicted in

marine blue. Predicted transporters are grouped by

substrate specificity: inorganic cations (gray), inorganic

anions (dark orange), amino acids/peptides/amines/puri-

nes/pyrimidines and other nitrogenous compounds (dark

green), carboxylates (light green), drug efflux and other

(dark gray). Export or import of solutes is designated by

the direction of the arrow through the transporter.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transport i metabolizm w

A. Borkumensis

(opis)

The energy coupling mechanisms of the transporters are

also shown: solutes transported by channel proteins are

shown with a double-headed arrow; secondary

transporters are shown with two arrowed lines indicating

both the solute and the coupling ion; ATP-driven

transporters are indicated by the ATP hydrolysis

reaction; transporters with an unknown energy-coupling

mechanism are shown with only a single arrow. The P-type

ATPases are shown with a double-headed arrow to

indicate they include both uptake and efflux systems.

Where multiple homologous transporters with similar

substrate predictions exist, the number of that type of

protein is indicated in parentheses.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Dziękuję za uwagę