Charakterystyka i zastosowanie mikroorganizmów w procesach biodegradacji produktów ropopochodnych

Co to są produkty ropopochodne?

Ropa naftowa to mieszanina wielu związków chemicznych.
Podstawowymi węglowodorami znajdującymi się w ropie naftowej są:
-węglowodory parafinowe,
-węglowodory gazowe – od CH4 do C4H10, „Wyższe” alkany – ciekłe (od

pentanu do heksadekanu) oraz stałe (od heptadekanu wzwyż).

-węglowodory naftenowe – cykloalkany – stanowią drugi, obok parafin,

podstawowy składnik ropy naftowej.

-węglowodory aromatyczne - z szeregu benzenu, naftalenu i antracenu.

Z tych właśnie składników ropy naftowej otrzymujemy podczas przeróbki

ropy

różne produkty(oleje silnikowe, oleje przemysłowe, oleje technologiczne,

oleje

opałowe, gaz płynny, asfalty rozpuszczalniki, smary, płyny eksploatacyjne,
kosmetyki i całą chemię samochodową), które zanieczyszczają środowisko
podczas eksploatacji, wycieku lub innych mechanicznych, chemicznych
uszkodzeń.

Kluczowa rola mikroorganizmów

Mikroorganizmy są istotne w procesie biodegradacji z kilku powodów:

• Wprowadzone do środowiska skażenie jest dla nich źródłem

pokarmu, energii lub akceptorem elektronów.

• Są powszechne, występują w każdym środowisku a z powodu

małych rozmiarów oraz właściwości chemotaktycznych są zdolne

dotrzeć do każdego zanieczyszczenia będącego w stężeniu

optymalnym dla ich wzrostu.

• W skali globalnej są w stanie skutecznie zaatakować i

zmineralizować każde zanieczyszczenie dzięki ogromnej

bioróżnorodności posiadanych enzymów katabolicznych,

aranżować nowe szlaki metaboliczne związane z obecnością

określonego skażenia.

• Ich biomasa jest zbliżona do biomasy wszystkich wyższych

organizmów występujących w biosferze.

• Biomasa mikroorganizmów gromadzi 10x więcej azotu i fosforu.

Tak więc każdy związek zarówno naturalny, jak i

sztuczny(ksenobiotyki)

wprowadzony do środowiska ulega biodegradacji z udziałem
mikroorganizmów, nawet bez wspomagania z zewnątrz.

Skład mikroorganizmów w

glebie

Bakterie(w tym ważne ekologiczne

promieniowce)

Archeony
Grzyby

W łyżeczce gleby ogrodowej z poziomu ornego
znajduje się: ponad 1 mld bakterii i

archaeonów,

około 120 tys. grzybów i około 25 tys. glonów.

Naukowcy wymieniają następujące

mikroorganizmy, które są zdolne do

biodegradacji ropopochdnych:

Bakterie:

Achromobacter, Acinetobacter, Actinomyces,

Alcaligenes, Arthrobacter, Aeromonas, Bacillus, Brevibacterium,
Burkholderia, Corynebacterium, Flavobacterium, Micrococcus,
Mycobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Streptomyces, Vibro;

Grzyby:

Aspergillus, Aureobasidium, Cladosporium, Cunninhamella

Elegans, Fusarium, Mortierella, Mucor, Paecilomyces, Penicillium,
Phanaerochaete chryzosporium, Sporotrichum, Yerticillium;

Drożdże:

Candida, Debaryomyces, Hansenula, Pichia,

Rhodosporidium, Rhodotorula, Saccharomyces, Sporobolomyces,
Torulopsis, Trichosporium;

Cyjanobakterie i glony:

Anabena, Chlorella, Chlamydomonas,

Nostoc, Oscilatoria, Scenedesmus

• Hydroksylacja do alkoholu przeprowadzana przez

mikroorganizmy. W tej reakcji biorą udział enzymy
oksygenazy związane z łańcuchem oddechowym. Taki
proces mogą prowadzić np. przez bakterie z grupy
Mycobacterium sp.

• Kometabolizm – spotykany głównie przy cykloalkanach.

Na ten proces składa się szereg reakcji biochemicznych
rozpoczynający się hydroksylacją

• Tlenowa biodegradacja – przy węglowodorach

aromatycznych zachodzi na skutek wprowadzenia do
cząsteczki atomów tlenu. Dalej taka cząsteczka znów
przechodzi szereg reakcji z udziałem mikroorganizmów.

Procesy prowadzone przez mikroorganizmy wspomagające
biodegradację:

Biodegradacja krok po kroku

Głównym czynnikiem mającym wpływ na biodegradację jest
dostępność hydrofobowych cząsteczek węglowodorów dla
mikroorganizmów. Wstępny rozkładu ksenobiotyku, zwłaszcza
związków wielkocząsteczkowych, zachodzić poza komórką
bakteryjną, ponieważ proces pobierania pokarmu zachodzi z udziałem
błony komórkowej.
Drobnoustroje te wyposażone są w ektoenzymy, czyli takie enzymy,

które

wydzielane są do środowiska otaczającego komórkę. Poza nimi,
mikroorganizmy produkują także inne substancje w celu ułatwienie
wchłaniania pokarmu. Są to substancje o charakterze związków
powierzchniowo czynnych. Należą do nich biosurfaktanty, których rola
biologiczna nie została jeszcze w pełni poznana. Przypuszcza się, że

biorą

udział w zwiększeniu degradacji związków praktycznie

nierozpuszczalnych

w wodzie.

Przebieg procesów mikrobiologicznego rozkładu

węglowodorów zależy od struktury chemicznej związków i
ich stężenia w środowisku. Najłatwiej przebiega
biodegradacja alkanów i alkenów. Rozgałęzienia łańcucha
węglowodorowego oddziałują negatywnie na biochemiczny
rozkład. Szybkość mikrobiologicznego rozkładu
alkilobenzenów zależy od liczby grup alkilowych w
pierścieniu. Policykliczne węglowodory aromatyczne
wykazują odporność na biodegradację.

R-CH

+ O

+ H

-> R-CH

OH +H

R-CH

OH -> R-CH2-CHO -> R-CH2-COOH ->oksydacja

Zwiększenie stopnia biodegradacji węglowodorów jest

spowodowane jednym

z dwóch mechanizmów:

• biosurfaktanty zwiększają rozpuszczalność węglowodorów,

dzięki temu zwiększa się biodostępność substancji olejowych

dla komórek mikroorganizmów,

• oddziaływanie między naturalnymi substancjami

powierzchniowo czynnymi a komórkami degradującymi,

przyczynia się do zwiększenia hydrofobowości komórki, co z

kolei ułatwia jej wchłanianie substratów którymi są związki

ropopochodne.

Znanych jest kilka podstawowych grup biosurfaktantów:

• glikolipidy (ramnolipidy, trehalozolipidy, soforolipidy),

• lipopeptydy,

• lipoproteiny,

• fosfolipidy,

• kwasy tłuszczowe,

• surfaktanty polimeryczne (emulsan, liposan, biodyspersan i

inne kompleksy węglowodanowo-proteinowe),

• biosurfaktanty specyficzne (membrany pęcherzykowate,

surfaktanty strzępiaste, całe komórki).

Metody detekcji produktów biodegradacji węglowodorów:

• pomiar liczby drobnoustrojów w czasie procesu,

• oznaczanie zużycia tlenu,

• oznaczanie ilości wydzielanego dwutlenku węgla.

• analiza wagowa, czyli ekstrakcja lotnym rozpuszczalnikiem (chloroform, chlorek etylu,

pentan, heksan, eter dietylowy ,eter naftowy) substancji ropopochodnych z

zanieczyszczonego środowiska (grunt, woda),analiza chromatograficzna, gdzie jako

wzorzec dodawana jest substancja wolno ulegająca biodegradacji np.: hopan (17-alfa,

21-beta).

Liczne doświadczenia dowodzą możliwości zastosowania w
bioremediacji gleb drobnoustrojów, wykorzystujących produkty
ropopochodne jako jedyne źródło węgla i energii. Stanowią one
niewielką ilość w ogólnej liczbie bakterii glebowych (0,01-1%).
Liczebność jednostek propagacyjnych bakterii powinna być większa od
105 / 1g s. m. gruntu. Należy zapewnić różnorodność gatunkową
drobnoustrojów synergistycznie zależnych od siebie przy wykluczeniu
mikroorganizmów chorobotwórczych tj.: Pseudomonas aeruginosa czy
Kliebsiella pneumoniae.

Poza standardowymi metodami oceny ilościowej i jakościowej drobnoustrojów proponuje się
oznaczanie fosfolipidów, informujących o zmianach w biomasie bakterii G- oraz

zastosowanie technik

molekularnych, w tym metody PCR (reakcja łańcuchowej polimeryzacji). Polimeraza

amplifikuje geny

16S rRNA, które służą do klasyfikacji bakterii. Analiza w żelu denaturującym pozwala

charakteryzować

bakterie przez porównanie sekwencji amplifikowanych metodą PCR z ich genów kodujących

16S rRNA.

Bakterie z rodzaju Pseudomonas sp. wykorzystano w badaniach nad
identyfikacją genów kodujących białka enzymów etapu inicjacji
degradacji. Geny oznaczone jako dox, pah, nah i ndo posiadają w 90 %
identyczne sekwencje. Geny te są szeroko rozpowszechnione u bakterii
degradujących WWA co umożliwia ich szybkie wykrycie i monitorowanie
występowania w środowisku glebowym.

Nowym typem testów na obecność substancji szkodliwych dla środowiska
glebowego np.: oleju napędowego ,jest system Mikrotox stosowany w
krajach Unii Europejskiej i w USA. System ten polega na wykorzystaniu
bakterii luminescencyjnych Photobacterium (Vibrio) fisheri, P.
photosporeum i Benecka harveyi. Posiadają one enzym Lucyferaza
katalizujący utlenienie mononukleotydu flawinowego. Objawem jest
luminescencja świetlna tychże bakterii mierzona fotometrycznie. W
warunkach normalnych komórki bakterii zużywają 10% energii na
świecenie a w obecności związków wysoce szkodliwych dla
mikroorganizmów glebowych jak ropopochodne ich luminescencja zanika.

Podwyższona koncentracja manganu i żelaza w wodach gruntowych
obszarów skażonych produktami ropopochodnymi świadczy o
występowaniu mikrobiologicznych procesów samooczyszczania obszaru
gruntowo-wodnego.

Document Outline