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

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

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

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 - 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 -oksydacji.

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

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

Metabolizm-podsumowanie

w

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
- 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.
 - 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

- oksydacja. Proces - oksydacji jest charakterystyczny

dla degradacji alkanów rozgałęzionych. Obecność
podstawników jest czynnikiem hamującym proces -

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.