Mikrobiálna degradácia polychlórovaných bifenylov

Až do objavenia ich toxických účinkov voči organizmom predstavovali tieto inertné zlúčeniny s vysokou termálnou stabilitou, chemickou rezistenciou a vynikajúcimi dielektrickými vlastnosťami komerčne veĺmi úspešné produkty. Sú značne stále a nepodliehajú samovoĺnému rozpadu pod vplyvom chemických alebo fyzikálnych faktorov. PCB sú po DDT najrozšírenejšími chlórovanými aromatickými uhĺovodíkmi v životnom prostredí.

Väčšinou sú antropogénneho pôvodu, do životného prostredia sa môžu dostávať minoritne aj vulkanickou činnosťou. Cesty ich vstupu do životného prostredia sú rozmanité, zahŕňajú skládky, havárie, vyplavovanie z kontaminovaných miest alebo nádrží, cielené aplikácie v priemysle a poĺnohospodárstve. Nízka vodná rozpustnosť a vysoká hydrofóbnosť týchto zlúčenín sú príčinou ich akumulácie v životnom prostredí a v článkoch potravinového reťazca. PCB patria medzi potenciálne mutagény a karcinogény.

V životnom prostredí môžu chlóraromáty podliehať mikrobiálnej degradácii, ktorá predstavuje jeden z dôležitejších procesov, určujúcich osud organických chemikálií v pôde.

Mikrobiálna degradácia

Schopnosť metabolizovať xenobiotiká, akými sú aj PCB, bola preukázaná u baktérií, húb i aktinomycét. Mikrobiálna aktivita môže viesť k úplnej detoxikácii substrátu. Mikroorganizmus môže využívať niektoré xenobiotiká ako zdroje uhlíka a dusíka alebo iných živín pre rast. Pôvodná molekula substrátu môže byť premenená v katabolickom procese na metabolity začlenené následne do metabolických dráh, ktoré vedú k tvorbe nových látok, alebo mineralizovaná až na anorganické koncové produkty (CO_2, NH₃, H₂O ai.).

Môže vyvstať otázka, ako získava mikroorganizmus svoju degradačnú schopnosť, t.j. vybavenie enzýmovým systémom schopným atakovať také syntetické materiály, ako sú napr. PCB, s ktorými sa vo svojom fylogenetickom vývoji nestretol. Úlohu tu hrajú pravdepodobne niektoré adaptačné mechanizmy, napr. syntéza induktívnych enzýmov, náhodné mutácie genetického vybavenia, vývoj a expresia nových kvalít genómu, extra-chromozomálne genetické prenosy medzi mikroorganizmami a v neposlednom rade postupy génového inžinierstva.

Metabolické dráhy

Dlho sa predpokladalo, že PCB sú biologicky prakticky neodbúrateĺné. Prvé práce o aeróbnych baktériách rastúcich na monochlórbifenyloch ako jedinom zdroji uhlíka sa objavili v sedemdesiatych rokoch. Postupom času boli izolované rôzne baktérie so schopnosťou degradovať PCB, ale ich aktivita bola obmedzená len na nižšie chlórované kongenéry. Zvyšovaním počtu chlórov sa oxidácia PCB stáva energeticky málo výhodná a taktiež sa na bifenylových jadrách zmenšuje pravdepodobnosť výskytu miest, ktoré by mohli byť atakované bakteriálnymi dioxygenázami.

V súčasnosti sa za hlavnú dráhu metabolického rozkladu PCB považujú bakteriálne degradácie. Identifikované boli dve skupiny baktérií, ktoré degradujú PCB dvoma rozličnými mechanizmami: aeróbnou degradáciou a reduktívnou dechloráciou za anaeróbnych podmienok.

Aeróbne baktérie atakujú nižšie chlórované PCB oxidatívne, štiepením uhlíkového kruhu a rozkladom zlúčenín. Anaeróby, na strane druhej, nechávajú bifenylové kruhy intaktné a odstraňujú atómy chlóru. Anaeróbna dechlorácia degraduje vysoko chlórované zlúčeniny na menej chlórované deriváty.

Biodegradácia PCB aeróbnymi baktériami je pomerne dobre preštudovaná. Väčšina baktérií schopných aeróbnej degradácie PCB sú Gram-negatívne paličky (tyčinky) a koky. Najdôležitejšie z nich patria do rodov Acinetobacter, Achromobacter, Alcaligenes, Commamonas a Pseudomonas. Zriedkavejšie sú Gram-pozitívne degradujúce mikroorganizmy a aktinomycéty. Schopnosť aeróbne rozkladať PCB majú aj niektoré huby, používajú však na to odlišný mechanizmus ako baktérie -do procesu zapájajú enzýmy degradácie lignínu.

Mikrobiálnu degradáciu PCB v životnom prostredí ovplyvňujú:

fyzikálna a chemická povaha kongenérov PCB -stupeň chlorácie, poloha substituovaných atómov chlóru, rozpustnosť vo vode a prchavosť,

mikrobiálne aspekty -výskyt a distribúcia mikroorganizmov degradujúcich PCB a ich schopnosť prežívať a degradovať,

enviromentálne faktory -fotolýza slnečnými lúčmi, pH, teplota, kyslík, výživa, adsorpcia PCB na pôdach, sedimentoch, kaloch a biologickom materiáli.

Rezistencia niektorých kongenérov voči biodegradácii viedla k formulácii piatich základných princípov degradácie PCB, založených na vzťahu medzi ich štruktúrou a biodegradabilitou:

biodegradabilita klesá so stúpajúcim počtom atómov chlóru,

dva atómy chlóru v polohách orto (tzn. 2,6 a 2,2') zvyšujú rezistenciu k biodegradácii,

kongenéry s nesubstituovaným kruhom sú transformované rýchlejšie než kongenéry so substitúciou na oboch kruhoch,

izoméry PCB s dvomi atómami chlóru v pozícii 2,3 na jednom kruhu, sú prístupnejšie mikrobiálnej degradácii než ostatné tetra-a pentachlórbifenyly,

preferenčné štiepenie obvykle prebieha na menej substituovanom kruhu.

Rýchlosť biodegradácie PCB je charakterizovaná rýchlostnou konštantou. Tá určuje, aké množstvo PCB sa rozloží za jednotku času. Rýchlostná konštanta v sebe zahŕňa celý zložitý viacstupňový proces. V suspenzii buniek sa musia molekuly PCB najprv dostať cez bunkovú membránu, transportovať k enzýmom, ktoré ich degradujú a naviazať sa na ich aktívne miesto, kde dôjde k samotnej transformácii alebo degradácii molekuly. Každý z týchto krokov môže byť pre rýchlostnú konštantu tým rozhodujúcim, čo ju určuje a preto nie je jednoduché hĺadať s ňou koreláciu.

Syntetické molekuly, akými sú aj PCB, pravdepodobne vstupujú do buniek pasívnou difúziou cez lipidovú membránu. Keby rýchlosť tohto transportu určovala rýchlosť biodegradácie, dalo by sa očakávať, že existuje korelácia s hydrofóbnosťou PCB. Ukázalo sa však, že takáto jednoduchá korelácia neexistuje a že existuje korelácia aj s elektrónovými a stérickými parametrami substituovaných chlórov. Tento fakt naznačuje, že rýchlosť biodegradácie je určená väzbou molekuly na aktívne miesto enzýmu alebo rýchlosťou niektorého kroku samotnej degradačnej reakcie.

Anaeróbne prostredie

Napriek intenzívnemu výskumu biodegradácie PCB aeróbnymi mikroorganizmami sa donedávna veĺmi málo vedelo o osude týchto látok v anaeróbnom prostredí. Při pozorovanii zmen v zložení PCB v anaeróbnych sedimentoch riek a jazier sa častejšie objavovali nižšie chlórované kongenéry na úkor ich vyššie chlórovaných derivátov.

Pokusy o izoláciu čistého anaeróbneho kmeňa schopného reduktívne dehalogenovať PCB boli prakticky neúspešné. To, že v sedimentoch ide skutočne o mikrobiálnu činnosť, je dokazované zväčša nepriamymi metódami.

Keďže schopnosť anaeróbnych mikroorganizmov narúšať samotné aromatické jadro je veĺmi zriedkavá, logickým riešením problematiky degradácie vyššie chlórovaných kongenérov sa zdá byť použitie sekvenčného anaeróbno-aeróbneho biologického systému, v ktorom by sa PCB počiatočným anaeróbnym atakom transformovali na nižšie chlórované deriváty a tie by sa následným aeróbnym procesom rozložili až na konečné biodegradačné produkty .

Aj keď väčšina doterajších experimentov bola uskutočnená pomocou baktérií, riešením vyššie uvedených metabolických problémov môže byť práve použitie iného, než bakteriálneho enzýmového systému.

Genetické aspekty

Oxidačná metabolická dráha PCB vyžaduje štyri enzýmy, kódované bph génmi. Tieto gény boli izolované a využité na konštrukciu rekombinantných mikroorganizmov schopných účinnejšie degradovať PCB. Z výsledkov viacerých prác vyplýva, že mikroorganizmy môžu v prostredí prijímať a prenášať PCB-degradačné gény.

Enzýmy kódované bph génmi, nemajú obmedzenú substrátovú špecificitu a teda môžu metabolizovať mnohé bifenylové deriváty. Široká substrátová špecificita bph enzýmov a hojný výskyt baktérií degradujúcich bifenyl a PCB v životnom prostredí naznačujú, že tieto mikroorganizmy zrejme primárne degradovali rastlinný lignín, ktorý je zdrojom rôznych aromatických zlúčenín, medzi inými aj benzénu a derivátov bifenylu.

V súčasnosti celosvetovo silnejú tendencie riešiť dekontamináciu prostredia skôr biologickými, než fyzikálno-chemickými postupmi. Biologické postupy, využívajúce degradačnú schopnosť mikroorganizmov, sa javia pre remediačné technológie nielen ako ekologickejšie, ale zároveň aj ekonomickejšie postupy. Bioremediačná stratégia využíva predovšetkým dva postupy: biostimuláciu (prídavok živín) a bioaugmentáciu (prídavok inokula), prípadne ich vzájomnú kombináciu, alebo ich kombináciu s technicky účinnými postupmi (biosparging, bioventing, biostripping).

Katarína Dercová,

Katedra biochemickej technológie, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, Slovenská technická univerzita

(Práca vznikla s podporou grantu VEGA č. 1/9131/02).