15. Metabolizm węglowodorów (ropy
naftowej)
Prof.dr hab. inż. Korneliusz Miksch
Silesian University of Technology, Gliwice, Poland
Environmental Biotechnology Department
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 C1 do C4 są
gazami (w normalnych warunkach ciśnienia i temperatury), od
C5 do C15  cieczami, a powyżej C15- 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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Skład ropy naftowej
Kolejną liczną grupę związków węglowodorowych w ropie
naftowej stanowiÄ… cykloparafiny tzw. zwiÄ…zki 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 sÄ…: 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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Charakterystyka wybranych PAH, obecnych w ropie
naftowej
Temp. topnienia
Kancerogenność/
[0C]
Nazwa węglowodoru Masa molowa
Mutagenność
128 80 - / -
naftalen
152 92-3 - / -
acenaftylen
154 96,2 - / -
acenaften
178 100 - / -
fenantren
178 218 - / -
antracen
252 178,1 + / +
benzo[a]piren
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Schemat przeróbki ropy naftowej do produktów handlowych
Frakcje destylacji Klasy produktów
ropy naftowej naftowych
Ropa
naftowa
Gaz suchy i płynny
200C
Benzyna lekka
1500C
Benzyna ciężka
Paliwa
2400C
Nafta
Lekki olej napędowy
3500C
Frakcja P-30
Oleje
Destylat próżniowy lekki
smarowe
Destylat próżniowy średni
Smary plastyczne
Destylat próżniowy ciężki
Pozostałość próżniowa (gudron)
Kolumna rektyfikacyjna
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Niekontrolowane z
ródła wycieków ropy naftowej
Operacje w strefie akwenów wodnych (wiercenia poszukiwawcze,
wydobycie, załadunek, transport, katastrofy tankowców)
Rafinerie i przetwórnie
ropy i produktów
naftowych
45 % %
3 % %
8 %
9 %
%
35 % %
%
Wycieki samoistne
Węglowodory naftowe z
atmosfery
Gospodarka komunalna
i działalność przemysłowa
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Niekontrolowane z
ródła wycieków ropy naftowej
Oszacowano, że w latach 1980-2003 do środowiska przedostało
siÄ™ 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).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 C10-C18, nieco
trudniej alkanów rozgałęzionych, następnie alkenów,
cykloalkanów aż po grupę związków wykazujących wysoką
oporność na biodegradację np. benzenu i wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Główne procesy przemian węglowodorów w środowisku
Heterotrofy tlenowe
O2
H20
Fotoautotrofy
C02
Biomasa
światło
Węglowodory
Cn Hm
Biomasa
NO3- N2
C02
C02
Biomasa
Fe(III) Fe(II)
C02
Biomasa
SO42- H2S
C02
Heterotrofy beztlenowe
Biomasa
CH4
C02
Biomasa
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 czÄ…steczka H2O2 lub H2O. Do tego
zespołu należą m.in. oksydazy cytochromowe.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Enzymy w szlakach biodegradacji węglowodorów
Oksygenazy - katalizujÄ… 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, katalizujÄ…ce reakcje hydroksylacji substratu
oraz drugi typ dioksygenaz nie wymagający udziału NAD(P)H,
katalizujący rozerwanie pierścienia aromatycznego
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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:
O2 H2O
RX RX-OH
NADPH + H+ NADP+
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Enzymy w szlakach biodegradacji węglowodorów
Dehydrogenazy  katalizują odrywanie atomów wodoru od
utlenionego substratu i przenoszÄ… 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
czÄ…steczek wody.
Dekarboksylazy  należą do klasy liaz tj. enzymów
katalizujących rozerwanie pojedynczych wiązań  C-C-węgiel-
węgiel.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Mechanizmy biodegradacji
węglowodorów w warunkach
tlenowych
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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- CH2CH3 + O2 + NAD(P)H + H+
R- CH2CH2OH + H2O + NAD(P)+
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Mechanizm utleniania n-alkanów z udziałem
monooksygenazy zwiÄ…zanej z cytochromem P-450
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 H2O) z
wytworzeniem pierwszorzędowego alkoholu.
mechanizm wolnorodnikowej oksydacji
Rozpad czÄ…steczki 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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Rozkład n-alkanów
Właściwości fizykochemiczne alkanów oraz struktura
przestrzenna czÄ…steczek sÄ… istotnymi parametrami
wpływającymi na tempo ich utlenienia i metabolizowania przez
mikroorganizmy. Alkany od C1 do C4 występują w postaci
gazowej i sÄ… wykorzystywane jako z
ródło węgla przez niewiele
szczepów bakterii. Alkany o liczbie atomów węgla C5- C9
charakteryzują się stosunkowo wysoką toksycznością, a
biodegradacji ulegają jedynie w niskich stężeniach. Najmniej
toksyczne i najłatwiej metabolizowane są alkany o liczbie
atomów wÄ™gla C10­-C22. SpoÅ›ród nich bardziej oporne sÄ… zwiÄ…zki
o łańcuchach rozgałęzionych w porównaniu do związków o
prostych łańcuchach. Węglowodory o dłuższych łańcuchach
węglowych (powyżej C22) są metabolizowane znacznie wolniej.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Rozkład n-alkanów
Biorąc pod uwagę strukturę chemiczną związku oraz skład i
aktywność flory bakteryjnej - rozkład n-alkanów może odbywać
siÄ™ na drodze:
" oksydacji terminalnej,
" oksydacji subterminalnej,
" bÄ…dz
É- 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), bÄ…dz
działając na dwa peryferyjne
atomy węgla utleniają cząsteczkę do diolu, tzw. oksydacja
diterminalna. Dalsze utlenianie terminalne alkoholi, przez
odpowiednie aldehydy i kwasy organiczne, koÅ„czy proces ²-
oksydacji.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja n-alkanów- oksydacja mono- i diterminalna
CH3  (CH2) n- CH2- CH3
O2
NAD(P)H + H+
1-monooksygenaza
alkanowa EC 1.14.15.3
- H2O
NAD(P)+
CH3  (CH2) n- CH2- CH2OH
Oksydacja diterminalna Oksydacja monoterminalna
O2
NAD(P)H + H+
dehydrogenaza
2H+ + 2e
alkoholowa EC 1.1.1.1
NAD(P)+
- H2O
HOCH2  (CH2) n- CH2- CH2OH CH3  (CH2) n- CH2- CHO
NAD(P)++ H2O
dehydrogenaza
aldehydowa EC 1.2.1.3
NAD(P)H + H+
CH3  (CH2) n- CH2- COOH
-
É oksydacja
monooksygenaza syntaza
(É acylo-CoA
-hydroksylujÄ…ca)
EC 6.2.1.3
HOCH2  (CH2) n- CH2- COOH
HOOC  (CH2) n- CH2- COOH
²- oksydacja
HS-CoA
AMP+ PPi ATP
R  CH2- CH2- R  CH2- CH2-
acylo-CoA
CO<" CoA-SH COOH
SCoA
FAD
R  CO- CH2-
FADH2 3+ketoacylo-CoA
CO<"SCoA
CH3-
NAD+
R  CH= CH-
acetylo-CoA
Trans-?2-enoilo- CoA CO<"SCoA
+
CO<"SCoA NADH+H+
H2O
R- CO<"SCoA
acylo-CoA krótszy o dwa
R  HOCH- CH2-
atomy węgla
L-3-hydroksyacylo-CoA
CO<"
SCoA
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja n-alkanów- oksydacja subterminalna (1.9)
CH3  (CH2) n- CH2- CH2- CH3
O2
NAD(P)H + H+
monooksygenaza
alkanowa
- H2O
NAD(P)+
OH
CH 3  (CH2) n- CH2- CH- CH3
2H+ + 2e
dehydrogenaza
alkoholowa
O
?
CH3  (CH2) n- CH2- C- CH3
Reakcja
Baeyer-Villager
O
?
CH3  (CH2) n- CH2-O- C- CH3
CH3  (CH2) n- CH2- OH
+ HOOC- CH3
² oksydacja
-
C6
NADH
C4 Cykl
NADH
Krebsa
CO2
C5
FADH
2
NADH
C4
GTP CO2
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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
wykazaÅ‚y możliwość degradacji tego typu zwiÄ…zków poprzez ²-
i É-oksydacjÄ™. Obecność podstawników jest czynnikiem
hamujÄ…cym proces ²- oksydacji.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja alkanów rozgałęzionych (1.10)
pristan (2,6,10,14-
tetrametylopentadekan)
COOH
kwas 2,6,10,14-
tetrametylopentadekanowy
HOOC COOH
kwas 2,6,10,14-
C3
tetrametylopentadekanodiowy
C3
HOOC COOH
COOH
kwas 2,6,10- kwas 4,8,12-
trimetylotridekanodiowy trimetylotridekanowy
C2
C2
HOOC COOH
COOH
kwas 2,6,10- kwas 2,6,10-
trimetyloundekanodiowy trimetyloundekanowy
C3
C3
HOOC COOH
Degradacja ?
kwas 2,6-
dimetylononanodiowy
C2
HOOC COOH
kwas 2,6-
dimetyloheptanodiowy
C3 C2
kwas
HOOC COOH
HOOC COOH
bursztynow
kwas 2- kwas 2-
y +
metylopentanodiowy metylomalonowy
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja cykloalkanów
Cykloalkany to związki pierścieniowe zbudowane z połączonych
wiązaniami pojedynczymi atomów węgla, zwane też
cykloparafinami bÄ…dz
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja cykloalkanów (1.11)
Cykloheksan
O2
NAD(P)H
monooksygenaza
NAD(P)
butanowa
H2O
EC 1.14.15.-
O H
Cykloheksanol
NAD(P)
dehydrogenaza
cykloheksanolowa
NAD(P)H
EC 1.1.1.245
O
Cykloheksanon
NAD(P)H
O2
1,2-
monooksygenaza
H2O NAD(P)
cykloheksanonowa
O
sprzężona z NADPH
O
EC 1.14.13.22
-kaprolakton
µ
hydrolaza
H2O
-kaprolaktonowa
µ
COOH
EC 3.1.1.-
Kwas
CH2OH
6-
hydroksyheksanow
dehydrogenaza NAD(P)
6-hydroksyheksanianowa y
NAD(P)H
sprzężona z NAD (NADP)
COOH
EC 1.1.1.258
CHO
Kwas
6-
NAD(P)
oksoheksanowy
dehydrogenaza
NAD(P)H
6-oksoheksanianowa
sprzężona z NAD (NADP) COOH
COOH
EC 1.2.1.6.3
Kwas
adypinowy
-
² oksydacja
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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, bądz
oksydacjÄ™ 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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Drogi degradacji alkenów (powyżej 6 atomów węgla) (1.12)
CH3 - (CH2)n  CH = CH2
1 1 1 1
HOCH2-(CH2)n- CH3-(CH2)n-CH-
O
CH=CH2 CH2
2 CH3-(CH2)n-CH-
CH3-(CH2)n-CHOH- 1
O
CH2
CH3
(*)
2 HOCH2-(CH2)n-CH-CH2
HOOC-(CH2)n-
O
CH=CH2
2
CH3-(CH2)n-CHOH-
CH3-(CH2)n-CO-
CH2OH
2
CH3 4
HOOC -(CH2)n-CH-CH2
O
CH3-(CH2)n-O-CO-
CH3-(CH2)n-CHOH-
CH3
2
COOH
3
CH3-(CH2)n-1-
CH2OH 2
CH3-(CH2)n-COOH +
CO2
CH3-(CH2)n-1-
COOH
²- oksydacja
1 - monooksygenaza 3 - dekarboksylaza
alkenowa (*) - reakcja spontaniczna
2 - dehydrogenaza
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 ²-oksokwasu.
CzÄ…steczka alkenu przy udziale monooksygenazy alkenu ulega
transformacji do epoksyalkanu, a następnie z udziałem CoM do
2-hydroksyalkilo-CoM
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja alkenów krotkołańcuchowych (1.13)
H
CH3
C C
H
H
NADH + H++ O2
monooksygenaza alkenowa
EC 1.14.13.69
NAD+ + H2O
O O
H H H
CH3
C C C C
CH3
H H
H
R-epoksypropan S-epoksypropan
- -
liaza 2-hydroksypropylo-CoM
O3S-CH2-CH2-SH O3S-CH2-CH2-SH
EC 4.4.1.23
( CoM )
O O
H H
- H
CH3 -
O3S-CH2-CH2-S CH2 C O3S-CH2-CH2-S CH2 C
H
CH3
2-R-hydroksypropylo-CoM
2-S-hydroksypropylo-CoM
NAD+
dehydrogenaza NAD+ dehydrogenaza
2-R-hydroksypropylo-CoM 2-S-hydroksypropylo-CoM
NADH
NADH
EC 1.1.1.268 EC 1.1.1.269
O
-
O3S- CH2- CH2- S-CH2- C- CH3
2-ketopropylo-CoM
NADPH + CO2
reduktaza
2-oksopropylo-CoM
-
O3S-CH2-CH2-SH + NADP+
EC 1.8.1.5
O O
-
O- C- CH2- C- CH3
acetylooctan
Szlaki metabolizmu pośredniego
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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, bądz
w
procesie kometabolizmu. Większość spośród związków
aromatycznych występujących w przyrodzie, w pierwszym
etapie mikrobiologicznej degradacji ulega oksydacji do
katecholu bÄ…dz
kwasu protokatechowego
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Związki aromatyczne rozkładane do katecholu (1.14)
Grupa alkilowa
rodnik alkilowy
CHOH COOH H2C CHNH2 COOH
kwas
antracen fenyloanalina
alkilobenzen
migdałowy
COOH OH
naftalen kwas benzoesowy bifenyl
benzen fenol
COOH
OH
R
COOH
OH
OH
NH2
N
kwas salicylowy
katechol
H
Kwas antranilowy
antranilan
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Związki rozkładane do kwasu protokatechowego (1.15)
grupa alkilowa
CH3
OH
COOH
kwas
alkilofenol
toluilowy
COOH COOH
C3
p- alkilofenol
HO OH
O
OH OH
O
n
kwas
kwas hydroksy-
szikimowy
benzoesowy
lignina
COOH COOH
COOH COOH C3
OH OCH3
OH OCH3
kwas
OH OH OH
Kwas m-
hydroksy-
kwas
kwas
kwas
benoesowy
hydroksy-
waniliowy
benzoesowy
wanilinowy
benzoesowy protokatechowy
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 ulegajÄ… oksydacji poprzez utlenienie grupy
metylowej do karboksylowej, a następnie oksydację pierścienia
aromatycznego do katecholu. Podstawniki zaÅ› chlorowe,
nitrowe i sulfonowe są zastępowane grupami hydroksylowymi.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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) bÄ…dz
kwasu 3-karboksy-
cis, cis- mukonowego (produkt rozszczepienia kwasu proto-
katechowego). Produkty tych reakcji ulegajÄ… 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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Rozszczepienie orto- i meta- pierścienia benzenu
Benzen
O2
NADH
NAD+
1
H
OH
cis-cykloheksa- 3,5-dien-
OH
1,2- diol
H
NAD+
2
NADH + H+
OH
Katechol
OH
O2 O2
3 3
orto- meta-
CHO
COOH
COOH
COOH
Kwas cis, cis- Semialdehyd 2-
OH
mukonowy hydroksymukonowy
4
4
COOH
COOH
O
COOH
O Mukono- Kwas 2-hydroksy
lakton mukonowy
5 OH
5
COOH
COOH
O
COOH
O 4-adypin- 3- Kwas -
enolakton (2-okso)-heks-4eno-
6
1,6- diowy O
CO
2
6
O
COOH CH2 COOH
Kwas Kwas 2-oksopent- 4-
COOH
3-oksoadypinowy enowy
O
H O
2
7 Kwas 4-hydroksy- 7
O CH3 COOH
2-oksowalerianowy
CO-SCoA
O
HO
COOH
CoA
8
8 Acetylo-CoA
COOH COOH
CoA CH3CHO
+
CO-S-CoA
Bursztynylo-
O
H3C
CoA
Kwas pirogronowy Aldehyd
octowy
Kwas
COOH
bursztynowy
COOH
Cykl Krebsa
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Proponowane drogi biodegradacji toluenu (1.17)
Toluen
cis- 2,3- p- krezol
Cis-
dihydroksytoluen
dihydrotoluen
CH3
CH3
CH3
H
OH
OH
H
OH
CH2OH CH3
CH3
OH
OH
Alkohol o- krezol m- krezol
benzylowy
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Drogi biodegradacji toluenu (1.18a)
a)
Toluen
CH3
CH2OH CH3
1 6
Alkohol 4-hydroksy-
2
benzylowy toluen OH
7
CHO
CH2OH
Benzaldehyd Alkohol 4-hydroksy-
benzylowy
3
COOH OH
8
Kwas
CHO
benzoesowy
4-hydroksy-
4
benzaldehyd
COOH
Kwas 3-hydroksy-
OH
benzoesowy
9
Kwas 4-hydroksy-
COOH
OH
COOH
benzoesowy
5 10
OH
OH
OH
Kwas
11
protokatecho
wy
HOOC HOOC
COOH
12 13
COOH COOH
O
O
CO
COOH CO
CO
2
Kwas 3-karboksy- 4-karboksy- 4- adypin- 3- eno-
-cis,cis- mukonowy mukonolakton lakton
14
Kwas
O
COOH
3-oksoadypinowy
COOH
15
Co
O
Cykl A 16
CO-SCoA
bursztyni bursztynylo-
Krebs
COOH
an CoA
a
3-ketoadypilo-CoA
acetylo-CoA
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Drogi biodegradacji toluenu (1.18b)
b) CH3
Toluen
dioksygenaza
2-monooksygenaza
toluenowa
3-monooksygenaza
toluenowa
EC 1.14.12.11
toluenowa
EC 1.14.13.-
EC 1.14.13.-
CH3 CH3 CH3
H
OH
OH
OH
OH
H
o- krezol m- krezol
2-monooksygenaza
toluenowa
CH3
3-monooksygenaza
dehydrogenaza cis-
toluenowa OH
dihydrotoluenowa
OH
3-metylokatechol
Kwas pirogronowy + Aldehyd octowy
Cykl Krebsa
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 1.2.1.64http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Drogi biodegradacji o-,m-, p-ksylenu (1.19)
CH3 CH3 CH3
H3C
CH3
CH3
m- o-
p-
ksylen ksylen
O2 EC 1.14.13.- O2
EC 1.14.13.-
ksylen
O2 EC 1.14.13.-
CH2OH
CH2OH CH2OH
CH3
CH3
Alkohol m-metylobenzylowy Alkohol o-metylobenzylowy
CH3
Alkohol p-metylobenzylowy
EC 1.1.1.90
EC 1.1.1.90 EC 1.1.1.90
CHO CHO
CHO
CH3
CH3
CH3
Aldehyd m-toluilowy Aldehyd o-toluilowy
Aldehyd p-toluilowy
EC 1.2.1.7
EC 1.2.1.7 EC 1.2.1.7
COOH
COOH
COOH
CH3
CH3
CH3
Kwas o-toluilowy
Kwas m-toluilowy Kwas p-toluilowy
EC 1.14.12.-
EC 1.3.1.68
EC 1.14.12.10 EC 1.14.12.10
EC 1.3.1.67
OH
OH
OH
HO CH3
OH
OH
CH3
CH3
3-metylokatechol
3-metylokatechol
4-metylokatechol EC 1.13.11.2
EC 1.13.11.2
Kwas pirogronowy + aldehyd octowy
Kwas pirogronowy + aldehyd octowy
Cykl Krebsa
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Drogi mikrobiologicznej degradacji WWA (naftalen) (1.20)
Naftalen
1,2- dioksygenaza
EC 1.14.12.12
OH
H naftalenowa
OH
H
cis-1,2-
dihydroksy-1,2-
dehydrogenaza cis 1,2-
dihydronaftalen
dihydroksy-1,2-
OH
dihydronaftalenowa
EC 1.3.1.29
OH
1,2-
dihydroksynaftale
dioksygenaza 1,2-
n
dihydroksynaftalenowa
O
EC 1.13.-
OH
O
O
2-
hydroksychromeno-
2- karboksylan
(HCCA) ??
OH
EC 5.3.99.-
O
Trans-o-
hydroksybenzylide
O
no-pirogronian
O
aldolaza kwasu trans-o-
(tHBPA)
hydroksy-
OH
EC 4.2.1.-
benzylopirogronianowego
Aldehyd
O
Kwas
salicylowy
dehydrogenaza
gentyzowy
salicyloaldehydow
EC 1.2.1.65
OH OH
a
Salicylan
5-hydroksylaza salicylowa
O O
EC 1.14.13.-
HO
O
OH
1-monooksygenaza
OH
EC 1.14.13.1
salicylanowa
Cykl Krebsa
Katechol
OH
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Drogi mikrobiologicznej degradacji WWA (fenentren) (1.21)
fenantren
dioksygenaza
fenantrenowa
EC 1.13.11-
OH
H
dehydrogenaza cis-3,4-
H
dihydrofenantreno-3,4-
OH
HO
dioksygenaza 3,4-
diolowa
HO
fenantrenowa
EC 1.3.1.49
EC 1.13.11-
cis-3,4-dihydroksy-
3,4-dihydrofenantren
3,4-dihydroksyfenantren
HOOC
OH
hydrataza-aldolaza cis-4- OH O O
(1"-hydroksynaft-2"ylo)-
izomeraza
COO-
2-oksobut-3-enianowa
EC 5.1.2-
EC 4.2.1-
cis-4-(1"-hydroksynaft- 2-hydroksy-2H benzo[h]-
2"ylo)-2-oksobut-3-enian chromeno-2-karboksylan
OH
OH
O
CHO dehydrogenaza
COO-
+ EC 1.2.1-
COO-
pirogronian 1-hydroksynaftaleno-
1-hydroksynaftaleno-
2-karboaldehyd
2-karboksylan
1,2-dioksygenaza 1-
hydroksylaza
hydroksy-2-
COO-
EC 1.14.13-
naftenianowa
OH
EC 1.13.11.38
COO-
OH
1,2-dihydroksy-
O
trans 4-(o-karboksyfenylo)-
naftalen
but-3-enian
EC 1.13. -
aldolaza 4-(2-karboksyfenylo)-2-
oksobut-3-enonianowa EC 4.1.2.34
O COO-
COO-
+
dehydrogenaza
COO-
Szlaki
CHO
EC 1.2.1.-
metabolizmu
COO-
pośredniego
Kwas 2-
pirogronian
formylobenzoesowy
o-ftalan
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Mechanizm biodegradacji
węglowodorów w warunkach
beztlenowych
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Akceptory elektronów uczestniczące w procesach
beztlenowego rozkładu węglowodorów
Akceptor Produkt
Typ oddychania Mikroorganizmy
elektronów redukcji
Bacillus,
Denitryfikac-
NO3- NO2-, NH3,
Pseudomonas
ja
N2
SO42- S, H2S redukcja Desulfovi-
siarczanów brio
CO2 CH4, fermentacja
metanowa
Fe3+
Fe2+ redukcja żelaza Shewanella
putrefaciens
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Mechanizm biodegradacji węglowodorów w warunkach
beztlenowych
Wielocząsteczkowe substancje organiczne ulegają rozkładowi
do prostszych połączeń wg poniższej zależności:
Substrat + (NO3-, Mn4+, Fe3+, SO42-, CO2)
Biomasa + CO2 + ( N2,,, Mn2+,Fe,S, CH4)
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 ²-oksydacji. Inny mechanizm rozkÅ‚adu n-alkanów
obserwowano z udziałem bakterii denitryfikujących. Istotna
różnica dotyczyła mechanizmu inicjacji rozpadu cząsteczki n-
alkanu. W wyniku reakcji wolnorodnikowej czÄ…steczki 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) koÅ„czy proces ²-oksydacji.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Szlaki degradacji n-alkanów w warunkach beztlenowych (1)
szczep redukujÄ…cy siarczany, (2) -szczep redukujÄ…cy azotany
(1) (2)
1
COO-
R
H3C CH2 CH2 R
Reakcja wolnorodnikowa
COO-
COO-
+ CO2
2
R
HSCoA
COO-
(+ energia)
COO-
3
R
Przegrupowanie
CO-SCoA
szkieletu węglowego
COOH
COO-
CH R
H3C CH2 4
R
CO-SCoA
Szlak
CO2
alternatywny
R
CO-SCoA
5
- C2
² -
HOOC
CH2 R
[H]
oksydacja
6
² -oksydacja R
CO-SCoA
[H] Kolejne etapy degradacji
CO2
CH3CO-SCoA
Materiał
[H]
budulcowy
Terminalna oksydacja
komórki
Redukcja akceptora
CO
elektronów
2
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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) bÄ…dz
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 ²- oksydacjÄ™ do
centralnych metabolitów tj. acetylo-CoA i CO2.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Beztlenowa biodegradacja benzenu i jego pochodnych(1.24)
CH3 CH3
CH3
CH3
CH2
benzen
OH
OH
toluen etylobenze
CH3
m, p-
fenol
n
m,o, p-
krezol
ksylen
COOH
HOOC COOH HOOC
COOH
COOH
CH3
kwas
HOOC
CO
OH
benzoesow
Kwas 4- y
Kwas COOH
hydroksybenzoesowy
benzylobursztynowy
OH
Kwas p-
acetofenon
hydroksybenzylo-
bursztynowy
CH3 COOH
CO-SCoA
Kwas p-
CH2
metylobenzylo-
CO
bursztynowy
OH
4-hydroksy-
benzoilo-CoA
CO-SCoA
CO-SCoA
CH3
4-metylo-
Benzoilo-CoA
benzoilo-CoA
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Proponowane drogi beztlenowej degradacji benzenu (1.25)
hydroksylac metylowanie
H2O CH3-X
ja H+ X
benze
n
OH CH3
COOH
CO2
COOH
fenol toluen
addycja do
karboksylac
kwasu
fumarowego
ja
HOOC
COOH
COOH
Kwas 2- fenylobursztynowy
Kwas
benzoesowy
CoASH + ATP
AMP + PPi
COSCoA
CO2
Benzoilo-CoA
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Metabolizm toluenu i dalsze losy benzoilo-CoA (1.26)
CH3
toluen
COOH
fumaran
1 2
Acetylo-CoA
COOH
CO-SCoA
COOH COSCoA
CoASH
H2O COOH COOH
CoASH
2 ETFox
COOH
2 ETFred
Kwas
Benzylobursztynylo-CoA
benzylobursztynowy
2 ETFox
2 ETFred
COSCoA
CoASH CoASH O COSCoA
COOH
COOH 2 [H]
COOH
bursztynylo-CoA
AMP + PPi H2O
Benzoilo-
bursztynylo-CoA
Fenyloitakonylo-CoA
CO-SCoA
benzoilo-
2 ATP
CoA
2 [H]
OH
2 ADP + Pi
OH
2 [H]
CO-SCoA
CO-SCoA
CO-SCoA
O
H2O H2O
1,5-Cykloheksadienylo-
6-hydroksy-1-cyklo- 2-okso-6-hydroksycyklo-
1-karboksylo- CoA
heksenylo-1-karboksylo CoA heksylo-1-karboksylo- CoA
H2O
CO-SCoA 2 [H]
CO-SCoA
2 [H] + CO2 Acetylo-CoA
OH
CO-SCoA
Krotonylo-CoA
H2O
COOH COOH
CoASH
CoASH
Glutarylo- CoA
3-hydroksypimelinylo-
2 [H]
CoA
2 acetylo-CoA
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Biodegradacja naftalenu i jego pochodnych (1.28)
COOH
CoASH
CH3
COOH CO-SCoA
COOH
COOH COOH
2- metylonaftylo-
Kwas 2- metylonaftylo -
bursztynylo-CoA
bursztynowy
2-
metylonaftalen
2 [H]
O OH
H2O
CO-SCoA CO-SCoA
CO-SCoA
COOH
COOH
COOH
2-oksometylonaftylo- 2 [H] 2-hydroksymetylonaftylo- 2- metylenonaftylo-
bursztynylo-CoA bursztynylo-CoA bursztynylo-CoA
COOH
COOH
hydrogenacja
Bursztynylo-CoA
Kwas 5,6,7,8-tetrahydro-2-
naftalenokarboksylowy
Kwas 2-
naftalenokarboksylowy
COOH
OH
Karboksylacja
naftale
n
COOH
Kwas oksodekahydro-2-
O
naftalenokarboksylowy
COOH
COOH
lub
COOH
COOH
COOH
Kwas
2-karboksycykloheksylooctowy ?
COOH
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Metabolizm-podsumowanie
Generalnie w procesach transformacji węglowodorów z
udziałem drobnoustrojów do związków o krótszym łańcuchu
węglowodorowym bądz
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,
koÅ„czy proces ²- oksydacji.
Diterminalna oksydacja. Insercja tlenu następuje na obu
końcach łańcucha alkilowego alkanów, co w efekcie kolejnych
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
reakcji utleniania daje kwas dikarboksylowy.
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.
²- oksydacja. Cykl rozkÅ‚adu kwasów tÅ‚uszczowych w
powtarzajacej siÄ™ 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 FADH2, NADH i acetylo-CoA.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Metabolizm-podsumowanie
É- oksydacja. Proces É- oksydacji jest charakterystyczny
dla degradacji alkanów rozgałęzionych. Obecność podstawników
jest czynnikiem hamujÄ…cym proces ²-oksydacji, z tego wzglÄ™du
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 bądz
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 sÄ…siadujÄ…cym niehydroksylowanym atomem
węgla (rozszczepienie typu meta-).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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 z
ródła 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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Metabolizm-czynniki biologiczne
W praktyce metody oparte na naturalnym doborze mikroflory,
nie zawsze pozwalajÄ… na szybkÄ… i skutecznÄ… biodegradacjÄ™
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
hydroksylazÄ… alkoholowÄ… tj. enzymami katalizujÄ…cymi dwa
pierwsze etapy utleniania węglowodorów aromatycznych.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport i metabolizm w A. Borkumensis (schemat)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Genome sequence of the ubiquitous hydrocarbon-
degrading marine bacterium Alcanivorax borkumensis
Susanne Schneiker1, 3, 8, Vítor AP Martins dos Santos2, 8, Daniela Bartels3, Thomas Bekel3,
Martina Brecht1, 3, Jens Buhrmester1, Tatyana N Chernikova2, 4, Renata Denaro5, Manuel
Ferrer2, 7, Christoph Gertler2, 4, Alexander Goesmann3, Olga V Golyshina2, 4, Filip Kaminski2, Amit
N Khachane2, Siegmund Lang6, Burkhard Linke3, Alice C McHardy3, 7, Folker Meyer3, Taras
Nechitaylo2, 4, Alfred Pühler1, 3, Daniela Regenhardt2, 7, Oliver Rupp3, Julia S Sabirova2, 4,
Werner Selbitschka1, 3, Michail M Yakimov2, 5, Kenneth N Timmis2, 4, Frank-Jörg Vorhölter1, 3,
Stefan Weidner1, 3, Olaf Kaiser1, 3, 8 & Peter N Golyshin2, 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.).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
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.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Dziękuję za uwagę
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl