Alai

Abstract

Industrielle Einleitungen von unbehandelten Abwässern in Gewässer und Emissionen in die Luft haben die Qualität des Wassers bzw. der Luft verschlechtert. Die große Menge an Schadstoffen aus der Industrie stellt eine Bedrohung für die Umwelt und das ökologische Gleichgewicht dar. Zu den wichtigsten Schadstoffen gehören Phenole und halogenierte Phenole, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), endokrin wirksame Chemikalien (EDC), Pestizide, Dioxine, polychlorierte Biphenyle (PCB), Industriefarbstoffe und andere Xenobiotika. Peroxidasen sind Enzyme, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Verbindungen nach dem Prinzip der freien Radikale umzuwandeln und dabei oxidierte oder polymerisierte Produkte zu erzeugen. Die Peroxidase-Umwandlung dieser Schadstoffe geht mit einer Verringerung ihrer Toxizität einher, die auf den Verlust der biologischen Aktivität, die Verringerung der Bioverfügbarkeit oder die Entfernung aus der wässrigen Phase zurückzuführen ist, insbesondere wenn der Schadstoff in Wasser vorkommt. Die Übersicht beschreibt die Quellen der Peroxidasen, die von ihnen katalysierten Reaktionen und ihre Anwendungen im Umgang mit Schadstoffen in der Umwelt.

1. Einleitung

Zwei unvorhergesehene Herausforderungen für die Menschheit sind Energie und Umwelt. Das Funktionieren der Gesellschaft als Ganzes und ihr künftiger Fortschritt hängen von der Verfügbarkeit neuer und erneuerbarer Energiequellen und von der Fähigkeit ab, umweltbelastende Produktionsverfahren durch neue umweltfreundliche Verfahren zu ersetzen. Zusammengenommen haben diese Entwicklungen zu einem wachsenden Bewusstsein für die zentrale Bedeutung der Umweltwissenschaften geführt, wenn die Menschheit versucht, zu einer nachhaltigeren Beziehung zur Erde und ihren natürlichen Ressourcen überzugehen. Peroxidasen haben das Potenzial, die Umweltverschmutzung durch Bioremediation von Abwässern, die Phenole, Kresole und chlorierte Phenole enthalten, sowie durch Biopulping und Entfärbung von synthetischen Azofarbstoffen in Textilien zu verringern. Peroxidasen (EC 1.11.1.7) sind Oxidoreduktasen, die die Reduktion von Peroxiden, wie Wasserstoffperoxid (H2O2), und die Oxidation einer Vielzahl organischer und anorganischer Verbindungen katalysieren. Bei der Peroxidaseaktivität werden Elektronen abgegeben, die sich an andere Substrate wie Ferricyanide und Ascorbat binden, um sie in unschädliche Bestandteile zu zerlegen.

Peroxidasen haben ein Potenzial für die Bioremediation von Abwässern, die mit Phenolen, Kresolen und chlorierten Phenolen verunreinigt sind, für die Biobleiche in der Papierindustrie, den Abbau von Textilfarben und die Entfernung von Peroxid aus Materialien wie Lebensmitteln und Industrieabfällen. Prozesswasser aus Textilfabriken weist häufig eine starke Färbung auf, die auf das Vorhandensein von Rhodamin-Farbstoffen zurückzuführen ist, die gegen die herkömmliche Bleichbehandlung resistent sind und durch Peroxidase abgebaut werden können. Die einzigartige Fähigkeit der Weißfäulepilze, Lignin abzubauen, ist größtenteils auf die durch unspezifische freie Radikale vermittelten Oxidationsreaktionen zurückzuführen, die von ihren extrazellulären Peroxidasen durchgeführt werden. Peroxidase oxidiert Dimethoxybenzol, Lignindimere, Phenole, Amine, Farbstoffe und aromatische Alkohole in Abwesenheit von Mn(II); Peroxidase oxidiert phenolische und nichtphenolische Substrate. Eine weitere Peroxidase, die als farbstoffentfärbende Peroxidase aus Agaricus-Pilzen bezeichnet wird, katalysiert die Oxidation von Farbstoffen und phenolischen Verbindungen. Peroxidasen aus verschiedenen Quellen sind relativ unspezifisch und verleihen Weißfäulepilzen die einzigartige Fähigkeit, im Ausland eine Reihe von Umweltschadstoffen wie Dioxine, polychlorierte Biphenyle, Erdölkohlenwasserstoffe, Munitionsabfälle (wie Trinitrotoluol), industrielle Farbstoffabwässer, Herbizide und Pestizide abzubauen .

2. Quellen von Peroxidase

Peroxidasen (EC 1.11.1.7) sind in der Natur weit verbreitet. Diese Enzyme werden von einer Vielzahl von Quellen wie Pflanzen, Tieren und Mikroben produziert. Peroxidasen aus mikrobiellen Quellen wie Bakterien (Bacillus sphaericus, Bacillus subtilis, Pseudomonas sp., Citrobacter sp.), Cyanobakterien (Anabaena sp.), Pilzen (Candida krusei, Coprinopsis cinerea, Phanerochaete chrysosporium), Actinomyceten (Streptomyces sp., Thermobifida fusca) und Hefen werden für den Abbau von Schadstoffen, die Erzeugung von Tierfutter und Rohstoffen für die Chemie-, Agrar- und Papierindustrie, den Abbau von Textilfarbstoffen, die Papierindustrie für den Abbau von Lignin, die Entfärbung von Farbstoffen, die Abwasserbehandlung und auch als Biosensoren verwendet. Es wurde über viele pflanzliche Quellen für die Herstellung von Peroxidasen berichtet, wie Meerrettich, Papaya (Carica papaya), Banane (Musa paradisiacal) und Kahlfrucht (Acorus calamus). Die aus Meerrettich gewonnene Peroxidase (HRP) wird in großem Umfang in Diagnosekits, in ELISA zur Markierung von Antikörpern, zur Synthese verschiedener aromatischer Chemikalien und zur Entfernung von Peroxiden aus Materialien wie Lebensmitteln und Industrieabfällen verwendet (Abbildung 1).

Abbildung 1

Eine allgemeine, von HRP katalysierte Reaktion.

3. Merkmale der Peroxidase(n)

Peroxidasen sind Oxidoreduktasen, die eine Vielzahl von Reaktionen katalysieren, z. B. die Reduktion von Peroxiden wie Wasserstoffperoxid und die Oxidation einer Vielzahl von organischen und anorganischen Verbindungen. Sie sind Häm-Proteine und enthalten Eisen(III)-Protoporphyrin IX als prosthetische Gruppe. Sie haben ein Molekulargewicht von 30 bis 150 kDa. Der Begriff Peroxidase steht für eine Gruppe spezifischer Enzyme, wie die NADH-Peroxidase (EC 1.11.1.1), die Glutathion-Peroxidase (EC 1.11.1.9) und die Jod-Peroxidase (EC 1.11.1.8), sowie eine Vielzahl von unspezifischen Enzymen, die einfach als Peroxidasen bezeichnet werden.

4. Anwendungen und Peroxidase-Biokatalyse im Management von Umweltschadstoffen

4.1. Entfärbung von synthetischen Farbstoffen

Farbstoffabfälle stellen eine der problematischsten Gruppen von Schadstoffen dar, die als Xenobiotika gelten und biologisch schwer abbaubar sind. Diese Farbstoffe werden hauptsächlich in der Textilfärberei, im Papierdruck, in der Farbfotografie und als Zusatzstoff in Erdölprodukten verwendet. Wenn diese synthetischen Farbstoffe in die Industrieabwässer gelangen, verursachen sie eine Umweltverschmutzung. Die Textilindustrie spielt eine wichtige Rolle für den wirtschaftlichen Aufschwung in Indien. Wasser ist eines der wichtigsten Produkte der Natur, das von den Menschen in großem Umfang genutzt wird, und es ist nicht unnatürlich, dass jede wachsende Gemeinschaft enorme Abwässer erzeugt. Für den biologischen Abbau von umweltgefährdenden Stoffen stellen Weißfäulepilze eine wertvolle Alternative dar. Die Fähigkeit zur Oxidation beruht auf der Fähigkeit der Weißfäulepilze, oxidative Enzyme wie Laccase, Manganperoxidase und Ligninperoxidase zu produzieren. Diese Oxidasen und Peroxidasen sind als ausgezeichnete Oxidationsmittel zum Abbau von Farbstoffen bekannt.

Verschiedene bakterielle Peroxidasen wurden zur Entfärbung von synthetischen Textilfarbstoffen verwendet. Die Entfernung von Chromat Cr (VI) und Azofarbstoff Acid Orange 7 (AO7) mit Brevibacterium casei unter nährstofflimitierenden Bedingungen wurde untersucht. AO7 wurde von dem Reduktionsenzym von Brevibacterium casei als Elektronendonor für die Reduktion von Cr (VI) verwendet. Das reduzierte Chromat Cr(III) bildete mit dem oxidierten AO7 ein violettes Zwischenprodukt. Die Entfärbung verschiedener Azofarbstoffe durch Phanerochaete chrysosporium RP 78 unter optimierten Bedingungen wurde anhand des Reaktionsmechanismus über den Azofarbstoff untersucht. Die Peroxidase wurde unter aeroben Bedingungen als Sekundärmetabolit in der stationären Phase produziert. Bacillus sp. VUS, der aus mit Textilabwässern kontaminiertem Boden isoliert wurde, zeigte die Fähigkeit, eine Vielzahl von Farbstoffen abzubauen. Die Produktion von ligninolytischen Peroxidasen, die aromatische Verbindungen direkt oxidieren, wurde bei Pilzen beschrieben. In Mikroorganismen, die für den biologischen Abbau von Industriefarbstoffen verantwortlich sind, wurden neben der Ligninperoxidase weitere Peroxidasen nachgewiesen. Der essbare makroskopische Pilz Pleurotus ostreatus produzierte eine extrazelluläre Peroxidase, die Remazolblau und andere strukturell unterschiedliche Gruppen wie Triarylmethane, heterozyklische Azofarbstoffe und polymere Farbstoffe entfärben kann. Bromphenolblau wurde am besten entfärbt (98 %), während Methylenblau und Toluidinblau O am wenigsten entfärbt wurden (10 %). Es wurde festgestellt, dass HRP industriell wichtige Azofarbstoffe wie Remazolblau abbauen kann. Dieser Farbstoff enthält mindestens eine aromatische Gruppe in seiner Struktur, was ihn zu einem möglichen Substrat für HRP macht. Die in den Boden sickernden Schadstoffe der Färbe- und Bleichanlage haben das Grundwasser verunreinigt, so dass es für den Verbrauch ungeeignet ist (Tabelle 1).

4.2. Bioremediation von Abwässern: Entfernung von phenolischen Verunreinigungen und verwandten Verbindungen

Die industrielle Verschmutzung ist ein wichtiger Faktor für die Verschlechterung der Umwelt um uns herum, die sich auf das von uns genutzte Wasser auswirkt; seine Qualität und die menschliche Gesundheit stehen in direktem Zusammenhang. Eine bessere Qualität und größere Menge an Wasser würde sich positiv auf die Gesundheit auswirken. Sicheres Wasser beseitigt die Erreger von Krankheiten, die durch Wasser übertragen werden; die Verfügbarkeit einer größeren Wassermenge kann die Gesundheit verbessern, da sie eine bessere persönliche Hygiene ermöglicht. Die Wasserverschmutzung führt dazu, dass Industrieabfälle in Seen, Flüsse und andere Gewässer gelangen, die das Leben im Meer nicht mehr lebenswert machen. Peroxidasen wurden zur Bioremediation von Abwässern eingesetzt, die mit Phenolen, Kresolen und chlorierten Phenolen kontaminiert sind. Aromatische Verbindungen, darunter Phenole und aromatische Amine, stellen eine der wichtigsten Schadstoffklassen dar. Sie kommen in den Abwässern einer Vielzahl von Industriezweigen vor, z. B. in der Kohleumwandlung, der Erdölraffination, in Harzen und Kunststoffen, im Holzschutz, in der Metallbeschichtung, in Farbstoffen und anderen Chemikalien, in der Textilindustrie, im Bergbau und der Aufbereitung sowie in der Zellstoff- und Papierindustrie. Phenole und halogenierte Phenole, die in den Abwässern der Textilindustrie vorkommen, sind bekanntermaßen giftig, und einige von ihnen sind gefährliche Karzinogene, die sich in der Nahrungskette anreichern können.

Peroxidasen bilden eine wichtige Klasse von Enzymen, die in der Lage sind, die oxidativen Kupplungsreaktionen eines breiten Spektrums von Phenolverbindungen zu katalysieren. Ligninperoxidase aus Phanerochaete chrysosporium, HRP, Myeloperoxidase, Laktoperoxidase, Mikroperoxidase-8, eine vielseitige Peroxidase aus Bjerkandera adusta und Chloroperoxidase aus Caldariomyces fumago waren in der Lage, Pentachlorphenol durch eine oxidative Dehalogenierung in Gegenwart von H2O2 in Tetrachlor-1,4-benzochinon umzuwandeln. Eine extrazelluläre Manganperoxidase, die von P. chrysosporium, P. sordida, C. subvermispora, P. radiata, D. squalens und P. rivulosu produziert wird. Bei der Zwei-Elektronen-Oxidation dieser extrazellulären Peroxidase durch H2O2 entsteht die Verbindung I, die zwei aufeinanderfolgende Reduktionsschritte mit einem Elektron durchläuft, wobei Mn2+ zu Mn3+ oxidiert wird, das wiederum phenolische Verbindungen oxidiert. Viele giftige aromatische und aliphatische Verbindungen kommen in den Abwässern zahlreicher Industrien vor. Unter diesen ist Phenol der häufigste aromatische Schadstoff, der auch in verunreinigtem Trinkwasser vorkommt. Phenol kann bei erhöhter Konzentration giftig sein und gilt als krebserregend. Es wirkt sich schon bei geringen Konzentrationen auf die Gesundheit aus. In einem Labor wurde Phenol mit Rübenwurzel-Enzymextrakt (Peroxidase) in Gegenwart von H2O2 als Oxidationsmittel behandelt, um entsprechende freie Radikale zu bilden. Die freien Radikale polymerisieren und bilden Substanzen, die in Wasser weniger löslich sind. Die Ausfällungen wurden durch Zentrifugation entfernt und das verbleibende Phenol wurde geschätzt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Enzymextrakt aus der Rübenwurzel das Phenol effizienter abbaut. Eine weitere vielseitige Peroxidase, die von P. eryngii und P. ostreatus oxidierte Mn2+ zu Mn3+ ähnlich der Wirkung von MnP, und auch aromatische Verbindungen mit hohem Redoxpotential, wie LiP, hatten eine breite Spezifität und oxidierten nicht-phenolische Verbindungen.

4.2.1. Mechanismus der HRP-H2O2-Phenol-Reaktion

Die Meerrettichperoxidase durchläuft eine zyklische Reaktion, wenn sie mit phenolischen Substraten reagiert. Dieser Ablauf ist in den folgenden Reaktionen zusammengefasst: Das Enzym beginnt in seiner nativen Form (E) und wird durch H2O2 oxidiert, um eine aktive Zwischenverbindung zu bilden, die als Verbindung 1 (Ei) bezeichnet wird. Verbindung 1 oxidiert ein Molekül Phenol (PhOH) zu einem freien Phenolradikal (PhO) und wird zu Verbindung II (Eii). Die Verbindung II oxidiert ein zweites Phenolmolekül, um ein weiteres freies Phenolradikal zu bilden und den Zyklus zu vervollständigen, indem sie in ihre ursprüngliche Form E zurückkehrt. Die freien Radikale polymerisieren und bilden unlösliche Verbindungen, die aus der Lösung ausfallen. Die Polymerisationsreaktion ist in Noch eine andere Peroxidase, die als farbstoffentfärbende Peroxidase (EC 1 : 1 : 1 : ) aus Agaricus-Pilzen bezeichnet wird, katalysiert die Oxidation von Farbstoffen und phenolischen Verbindungen (Abbildung 2).

Abbildung 2

Reaktionsschema bei der Erzeugung von Hydroxylradikalen durch Weißfäulepilze über den Chinon-Redox-Zyklus. 1,4-Benzochinon (BQ) wird durch Chinon-Reduktase (QR) unter Bildung von Hydrochinon (BQH2) reduziert, das durch eines der ligninmodifizierenden Enzyme zu Semichinonen oxidiert wird. Die Bildung von Superoxidanion-Radikalen durch Autoxidation wird hauptsächlich durch Fe3+ katalysiert, das zu Fe2+ reduziert wird. Die Bildung des Fenton-Reagens erfolgt durch O2-Dismutation zu H2O2.

4.3. Entfernung von endokrinen Chemikalien (EDCs)

Verschiedene Klassen von oxidativen Enzymen haben sich als vielversprechend für die effiziente Entfernung von EDCs erwiesen, die gegenüber herkömmlichen Abwasserbehandlungen resistent sind. Obwohl die Reaktionskinetik zwischen einzelnen EDCs und ausgewählten oxidativen Enzymen wie HRP in der Literatur gut dokumentiert ist, wurden die Reaktionen mit EDC-Gemischen bisher kaum untersucht. EDCs sind eine Gruppe von Verbindungen, die aufgrund ihrer chemischen Struktur als Agonisten oder Antagonisten von Hormonen wirken können. Sie können die Synthese, die Sekretion, den Transport, die Bindung, die Wirkung und die Ausscheidung endogener Hormone stören, die für die Aufrechterhaltung der Homöostase, der Fortpflanzung, der Entwicklung und der Unversehrtheit lebender Organismen und ihrer Nachkommen verantwortlich sind. Sie sind in der Umwelt weit verbreitet, werden aber hauptsächlich in Abwässern gefunden. In mehreren Arbeiten wurde über die Oxidation von EDC durch Manganperoxidase berichtet. Unter Verwendung von 10 U/mL Manganperoxidase aus Pleurotus ostreatus wurden 0,4 mM Bisphenol in 1 Stunde eliminiert. Peroxidasen sind auch hilfreich bei der Entfernung oder dem Abbau anderer starker Umweltschadstoffe wie Chloraniline und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.

4.4. Abbau von polychlorierten Biphenylen (PAK) Pestizide

Pestizide umfassen eine breite Palette von Substanzen, die am häufigsten zur Bekämpfung von Insekten, Unkraut und Pilzen eingesetzt werden. Die Pestizidexposition beim Menschen wird mit chronischen Gesundheitsproblemen oder Gesundheitssymptomen wie Atembeschwerden, Gedächtnisstörungen, dermatologischen Erkrankungen, Krebs, Depressionen, neurologischen Defiziten, Fehlgeburten und Geburtsfehlern in Verbindung gebracht. Der biologische Abbau von Pestiziden ist die wichtigste und wirksamste Methode, um diese Verbindungen aus der Umwelt zu entfernen. Mikroorganismen haben die Fähigkeit, sowohl chemisch als auch physikalisch mit Substanzen zu interagieren, was zu strukturellen Veränderungen oder zum vollständigen Abbau des Zielmoleküls führt.

Peroxidasen, die aus einigen Pilzarten extrahiert werden, haben ein großes Potenzial, verschiedene Pestizide in harmlose Formen umzuwandeln. Die Umwandlung von Organophosphor-Pestiziden durch Weißfäulepilze wurde untersucht, und es wurde über die Umwandlung mehrerer Organophosphor-Pestizide durch die Chloroperoxidase aus Caldariomyces fumago berichtet. PAK bestehen aus zwei oder mehr verschmolzenen aromatischen Ringen und sind Bestandteil von Rohöl, Kreosot und Kohle. Der größte Teil der Verschmutzung durch PAK ist auf die extensive Nutzung fossiler Brennstoffe als Energiequelle zurückzuführen. Peroxidasen und Phenoloxidasen können auf bestimmte PAK einwirken, indem sie diese in weniger giftige oder leichter abbaubare Produkte umwandeln. PAK werden durch Peroxidasen wie Ligninperoxidase und Manganperoxidase oxidiert. Trotz ihrer Vielseitigkeit und ihres potenziellen Einsatzes in Umweltprozessen werden Peroxidasen noch nicht in großem Maßstab eingesetzt. Um Peroxidasen bei der Schadstoffumwandlung einsetzen zu können, müssen verschiedene Probleme gelöst werden, z. B. die Stabilität, das Redoxpotenzial und die Produktion großer Mengen. Peroxidasen, die aus einigen Pilzarten gewonnen werden, haben ein großes Potenzial, verschiedene Pestizide in unschädliche Formen umzuwandeln. Trotz ihrer Vielseitigkeit und ihrer potenziellen Verwendung in Umweltprozessen werden Peroxidasen noch nicht in großem Maßstab eingesetzt. Verschiedene Herausforderungen wie Stabilität, Redoxpotential und die Produktion großer Mengen sollten angegangen werden, um Peroxidasen bei der Schadstoffumwandlung einsetzen zu können.

4.5. Abbau von chlorierten Alkanen und Alkenen

Die Verunreinigung von Böden und Grundwasserleitern durch die aliphatischen Halogenkohlenwasserstoffe Trichlorethylen (TCE) und Perchlorethylen (PCE), die häufig als Entfettungslösungsmittel verwendet werden, ist ein ernstes Problem für die Umwelt. TCE unterliegt in vitro einer reduktiven Dehalogenierung, die durch LiP von P. chrysosporium in Gegenwart von tertiärem Alkohol, H2O2 und EDTA (oder Oxalat) katalysiert wird und zur Bildung der entsprechenden reduzierten chlorierten Radikale führt. Ein Bakterienstamm IM-4, der Imazethapyr (IMZT) abbauen kann, wurde aus dem mit IMZT kontaminierten Boden isoliert. Dieser Stamm zeigte auch die Fähigkeit, andere Imidazolinon-Herbizide wie Imazapyr, Imazapic und Imazamox abzubauen. Extrazelluläre Hydroxylradikale, die von T. versicolor über Chinon-Redox-Zyklen produziert werden, katalysieren nachweislich auch den Abbau von PCE und TCE. TCE wird von aerob gewachsenen P. chrysosporium-Kulturen mineralisiert. Diese Forscher schlugen vor, dass TCE in vitro einer reduktiven Dehalogenierung unterliegt, die durch LiP von P. chrysosporium in Gegenwart von tertiärem Alkohol, H2O2 und EDTA (oder Oxalat) katalysiert wird, was zur Bildung der entsprechenden reduzierten chlorierten Radikale führt.

4.6. Abbau von Phenoxyalkano- und Triazinherbiziden

Die weltweit am häufigsten verwendeten Blattherbizide sind 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) und 2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure (2,4,5-T). 2,4-D und möglicherweise 2,4,5-T sind ein Bestandteil von Agent Orange, das in großem Umfang als Entlaubungsmittel eingesetzt wurde. 2,4-D ist recht anfällig für bakteriellen Abbau und verbleibt im Allgemeinen nicht lange in der Umwelt. 2,4,5-T hingegen ist relativ widerstandsfähiger gegenüber mikrobiellem Abbau und neigt dazu, in der Umwelt zu verbleiben. Es wird für schwere Krankheiten bei vielen Veteranen des Vietnamkriegs verantwortlich gemacht, die Agent Orange ausgesetzt waren, das als Entlaubungsmittel verwendet wurde. Es wurde auch berichtet, dass diese Stoffe mutagen sind und daher sehr giftig für den Menschen. Ligninolytische Peroxidasen von P. chrysosporium und Dichomitus qualens waren am Abbau von chlorierten phenolischen Zwischenprodukten von 2,4-D und 2,4,5-T beteiligt. Diese Ergebnisse stützen sich auf den verstärkten Abbau von ring- und seitenkettenmarkiertem 2,4,5-T und 2,4-D durch D. Squalens bei Zugabe von Mn2+ (einem bekannten Induktor von MnP) zum Medium und auf den verstärkten Abbau durch P. chrysosporium in stickstofflimitiertem Medium (in dem die Produktion von LiP und MnP induziert wird). Atrazin ist ein häufig verwendetes Triazin-Herbizid und wird von einer Reihe von Weißfäulepilzen abgebaut, die Laccasen und Peroxidase produzieren.

4.7. Abbau chlorierter Dioxine

Polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) sind eine Gruppe hochgiftiger Umweltschadstoffe, die nachweislich krebserregend für den Menschen sind und aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften zur Bioakkumulation in Mensch und Tier neigen. Es hat sich gezeigt, dass polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) und polychlorierte Dibenzofurane (PCDF) von mehreren Arten von Weißfäulepilzen abgebaut werden, was auf eine mögliche Beteiligung von LiP und MnP schließen lässt. Ein Pilz P. sordida produzierte MnP, aber kein LiP; und rohes MnP zeigte den Abbau der Dioxine.

4.8. Abbau von chlorierten Insektiziden

Lindan (c-Isomer von Hexachlorcyclohexan) war in der Vergangenheit ein weit verbreitetes Pestizid, und zwischen 1950 und 2000 wurden weltweit schätzungsweise 600.000 Tonnen Lindan produziert. Heute ist die Verwendung von Lindan weltweit verboten, da es sich um einen langlebigen Umweltschadstoff handelt. Von P. chrysosporium, das unter ligninolytischen Bedingungen gezüchtet wird, wurde berichtet, dass es Lindan in Flüssigkulturen und in einem mit Maiskolben versetzten Boden, der mit P. chrysosporium angeimpft wurde, teilweise mineralisiert, aber der Abbau von Lindan wurde in vitro mit gereinigtem LiP und MnP aus P. chrysosporium nicht beobachtet. DDT (1,1,1-Trichlor-2,2-bis-ethan), das erste der chlorierten organischen Insektizide, wurde nach dem Zweiten Weltkrieg sehr stark eingesetzt. Hohe DDT-Konzentrationen in landwirtschaftlich genutzten Böden geben Anlass zu großer Sorge, da sie eine ernsthafte Bedrohung für die Ernährungssicherheit und die menschliche Gesundheit darstellen. Die Weißfäulepilze P. chrysosporium, P. ostreatus, T. versicolor und Phellinus weirii können nachweislich DDT mineralisieren.

4.9. Peroxidase als Biosensoren

Biosensoren wurden als analytische Geräte definiert, die biologische Erkennungselemente mit physikalischen Wandlern zum Nachweis der Zielverbindung eng miteinander verbinden. Mehrere Beispiele für Biosensoren wurden für relevante Umweltschadstoffe entwickelt. Biosensoren können z. B. für die kontinuierliche Überwachung eines kontaminierten Gebiets nützlich sein. Sie können auch vorteilhafte analytische Eigenschaften aufweisen, wie z. B. eine hohe Spezifität und Empfindlichkeit (die dem jeweiligen biologischen Erkennungs-Bioassay eigen ist). H2O2 gilt als Vermittler der Biochemie der Zellpathologie und ist möglicherweise an der Ätiologie des Alterns und fortschreitender neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinsonschen Krankheit beteiligt. Aufgrund seiner entscheidenden Rolle in der Neurochemie ist die Bestimmung der H2O2-Konzentration ein sehr interessantes Forschungsgebiet. Elektrochemische Methoden auf der Grundlage von Peroxidase-Biosensoren haben sich in den Biowissenschaften als sehr vorteilhaft erwiesen, da sie direkte Messungen in Echtzeit ermöglichen und sich für praktische Anwendungen eignen. Ein neuartiger Biosensor der dritten Generation für Wasserstoffperoxid wurde durch die Vernetzung von HRP auf einer mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen modifizierten Elektrode konstruiert. Gleichzeitig bieten Biosensoren die Möglichkeit, nicht nur bestimmte Chemikalien zu bestimmen, sondern auch deren biologische Wirkungen, wie Toxizität, Zytotoxizität, Genotoxizität oder endokrine Wirkungen, d. h. relevante Informationen, die in manchen Fällen aussagekräftiger sind als die chemische Zusammensetzung. Enzymatische Biosensoren basieren auf der selektiven Hemmung spezifischer Enzyme durch verschiedene Verbindungsklassen, wobei die Aktivitätsabnahme des immobilisierten Enzyms in Gegenwart des Zielanalyten der häufig zur Quantifizierung verwendete Parameter ist.

Ein neuartiger elektrochemischer Biosensor auf Myoglobinbasis wurde auf der Grundlage eines Nanokomposits aus mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, die mit Ceroxid-Nanopartikeln beschichtet wurden. Eine weitere Anwendung von Ganzzell-Biosensoren ist die Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB). Pestizide (Herbizide, Fungizide und Insektizide) werden aufgrund ihrer hohen insektiziden Wirkung weltweit in der Landwirtschaft und Industrie eingesetzt. Biosensoren sind potenziell nützlich, da sie Pestizide schnell nachweisen können, und werden seit einigen Jahren in der Forschung eingesetzt. Ein weiterer wertvoller HRP-basierter Biosensor wurde entwickelt, bei dem Polyvinylpyrrolidon (PVP)-Nanofasern gesponnen wurden, in die das Enzym HRP eingearbeitet wurde. Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) der gesponnenen Nanofasern bestätigte die nicht gewebte Struktur mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 155 ± 34 nm. Die HRP-haltigen Fasern wurden auf ihre Aktivitätsänderung nach dem Elektrospinnen und während der Lagerung getestet. Zur Charakterisierung der HRP-Aktivität wurde ein kolorimetrischer Test verwendet, bei dem mit den Nanofasermatten in einer Mikrotiterplatte reagiert und die Veränderung der Absorption über die Zeit beobachtet wurde. Schnelle und empfindliche Nachweismethoden sind für die Identifizierung von Krankheitserregern im Zusammenhang mit Gesundheit und Sicherheit von größter Bedeutung. Peroxidase, die bei der Entwicklung eines auf Nukleinsäuresequenzen basierenden Lateral-Flow-Assays verwendet wird, der mit Hilfe von Chemilumineszenz und enzymatischer Signalverstärkung eine niedrige Nachweisgrenze erreicht.

4.10. Verwendung in der Zellstoff- und Papierindustrie

Die Nebenprodukte der Zellstoffherstellung (Schwarzlauge) und die Abwässer der Zellstofffabriken verursachen aufgrund ihrer hohen Schadstoffbelastung ernsthafte Umweltprobleme. Die Lösung der Umweltprobleme der Zellstoff- und Papierindustrie ist für die Erhaltung der Forstwirtschaft und die Anpassung an die sich ändernden wirtschaftlichen Bedürfnisse der Waldgemeinden von wesentlicher Bedeutung. Die Zellstoffherstellung in der Zellstoff- und Papierindustrie umfasst zwei Hauptprozesse, nämlich den Holzaufschluss und das Bleichen. Beim Holzaufschluss werden die Holzschnitzel in einer Natriumhydroxid- und Natriumsulfatlösung bei erhöhter Temperatur und hohem Druck gekocht, um die Fasern zu zerkleinern. Die chemische Reaktion mit den Holzfasern löst alle schwer abbaubaren Ablagerungsstoffe auf, und diese Derivate werden während des Wasch- und Entwässerungsprozesses aus den Fasern herausgewaschen. Zu den verschiedenen Extrakten beim Waschen gehören vor allem Lignine, Zellulose, Phenole, Harze, Fettsäuren und Tannine, die zusammen einen dunkelschwarzen, viskosen, alkalischen Abfall bilden, der als Schwarzlauge bezeichnet wird. Das alkalische Abwasser macht nur 10-15 % des gesamten Abwassers aus, trägt aber mit einem hohen pH-Wert, einem hohen BSB- und CSB-Wert sowie einer hohen Farbkonzentration zu 90-95 % zur Gesamtverschmutzung bei, wodurch es für die Umwelt sehr giftig ist. Daher ist eine angemessene Behandlung der Schwarzlauge vor ihrer Einleitung in die Umwelt gerechtfertigt. Die biologischen Methoden zur Behandlung von Schwarzlauge, die den Einsatz von Pilzen, Bakterien, Algen und Enzymen als einstufige Behandlung oder in Kombination mit anderen physikalischen und chemischen Methoden vorsehen, scheinen wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu sein. Von den bisher erprobten biologischen Methoden beschränkt sich der größte Teil der Literatur auf einige wenige Gattungen von Weißfäulepilzen aufgrund ihres unspezifischen extrazellulären Enzymsystems (LiP, MnP und Laccase), das am biologischen Abbau von Lignin beteiligt ist.

5. Schlußfolgerung

Die Bedeutung von Peroxidasen bei der Entgiftung verschmutzter Umgebungen beruht auf ihrer Fähigkeit, die Reduktion von Peroxiden wie Wasserstoffperoxid und die Oxidation einer Vielzahl organischer und anorganischer Verbindungen sowie die Polymerisation toxischer Verbindungen zu katalysieren oder durch Kreuzreaktion mit anderen Phenolen oder mit Cosubstraten mit toxischen und unschädlichen Eigenschaften polymere Produkte (Dimmer, Trimmer, hybride Oligomere) zu erzeugen, die sich höchstwahrscheinlich im Boden und/oder in Wassersystemen anreichern. Peroxidasen haben ein Potenzial für die Bioremediation von Abwässern, die mit Phenolen, Kresolen und anderen industriellen Abwässern verunreinigt sind, für die Entfärbung von Textilfarbstoffen, die Beseitigung von Chemikalien mit endokriner Wirkung, den Abbau von Pestiziden, polychlorierten Biphenylen, chlorierten Alkanen und Alkenen des Bodens, Phenoxyalkano-Herbiziden, Triazin-Herbiziden, chlorierten Dioxinen und chlorierten Insektiziden. Peroxidasen werden auch als Biosensoren verwendet. Die raschen Fortschritte bei der Verwendung von Peroxidasen für den Abbau von Schadstoffen haben mehr Licht auf nachhaltige Bioremediationsstrategien für Schadstoffe und den Umweltschutz durch den Einsatz verschiedener Enzyme geworfen. Der Umweltschutz wird von drei miteinander verwobenen Faktoren beeinflusst: Umweltgesetzgebung, Ethik und Bildung. Jeder dieser Faktoren spielt eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung von Umweltentscheidungen auf nationaler Ebene und von persönlichen Umweltwerten und -verhaltensweisen. Damit der Umweltschutz Wirklichkeit wird, ist es wichtig, dass Gesellschaften und Nationen jeden dieser Bereiche entwickeln, die zusammen die Umweltentscheidungen informieren und vorantreiben.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom Council for Scientific and Industrial Research, New Delhi, im Rahmen des CSIR-NET Junior Research Fellowship finanziert, das einem der Autoren (NB) verliehen wurde. Die Autoren danken dem CSIR, Neu-Delhi, und dem Department of Biotechnology, Himachal Pradesh University, Shimla.