- Abstract
- 1. Johdanto
- 2. Peroksidaasin lähteet
- 3. Peroksidaasi(e)n ominaisuudet
- 4. Sovellukset ja peroksidaasien biokatalyysi ympäristön epäpuhtauksien hallinnassa
- 4.1. Synteettisten väriaineiden värinpoisto
- 4.2. Jäteveden bioremediaatio: Teollisuuden aiheuttama saastuminen on ollut merkittävä tekijä, joka on aiheuttanut ympärillämme olevan ympäristön tilan heikkenemistä, mikä vaikuttaa käyttämäämme veteen; sen laatuun ja ihmisten terveyteen liittyvät kysymykset liittyvät suoraan. Veden laadun parantaminen ja määrän lisääminen toisi mukanaan terveyshyötyjä. Turvallinen vesi poistaa veden välityksellä leviäviin tauteihin liittyvät tartunnanaiheuttajat; suuremman vesimäärän saatavuus voi parantaa terveyttä parantamalla henkilökohtaista hygieniaa. Vesien pilaantuminen aiheutti teollisuusjätteiden pääsyn järviin, jokiin ja muihin vesistöihin, mikä teki merielämästä vieraanvaraista. Peroksidaaseja on sovellettu fenoleilla, kresoleilla ja klooratuilla fenoleilla saastuneiden jätevesien bioremediaatioon. Aromaattiset yhdisteet, kuten fenolit ja aromaattiset amiinit, ovat yksi tärkeimmistä pilaavien aineiden luokista. Niitä esiintyy monenlaisten teollisuudenalojen jätevesissä, kuten hiilen jalostuksessa, öljynjalostuksessa, hartseissa ja muoveissa, puunsuojauksessa, metallien pinnoituksessa, väriaineissa ja muissa kemikaaleissa, tekstiiliteollisuudessa, kaivostoiminnassa ja jalostuksessa sekä massa- ja paperiteollisuudessa . Tekstiiliteollisuuden käsitellyissä vesissä esiintyvien fenolien ja halogenoitujen fenolien tiedetään olevan myrkyllisiä, ja jotkut niistä ovat myös vaarallisia syöpää aiheuttavia aineita, jotka voivat kerääntyä ravintoketjuun .
- 4.2.1. HRP-H2O2-fenolireaktion mekanismi
- 4.3. Fentonin reagenssin muodostuminen tapahtuu O2-dismutoitumalla H2O2:ksi. Hormonitoimintaa häiritsevien kemikaalien (EDC:t)
- 4.4. Polykloorattujen bifenyylien (PAH-yhdisteiden) hajoaminen Torjunta-aineet
- 4.5. Kloorattujen alkaanien ja alkeneiden hajoaminen
- 4.6. Fenoksialkano- ja triatsiinirikkakasvien torjunta-aineiden hajoaminen
- 4.7. Kloorattujen dioksiinien hajoaminen
- 4.8. Kloorattujen hyönteismyrkkyjen hajoaminen
- 4.9. Peroksidaasi biosensoreina
- 4.10. Käyttö sellu- ja paperiteollisuudessa
- 5. Johtopäätös
- Kiitokset
Abstract
Teollisuuden käsittelemättömien jätevesien päästöt vesistöihin ja päästöt ilmaan ovat huonontaneet veden ja ilman laatua. Teollisesta toiminnasta peräisin olevien epäpuhtauksien valtava määrä on uhka ympäristölle ja ekologiselle tasapainolle. Fenolit ja halogenoidut fenolit, polysykliset aromaattiset hiilivedyt (PAH), hormonitoimintaa häiritsevät kemikaalit (EDC), torjunta-aineet, dioksiinit, polyklooratut bifenyylit (PCB), teolliset väriaineet ja muut ksenobioottiset aineet ovat tärkeimpiä epäpuhtauksia. Peroksidaasit ovat entsyymejä, jotka pystyvät muuntamaan erilaisia yhdisteitä vapaiden radikaalien mekanismin mukaisesti, jolloin syntyy hapettuneita tai polymeroituneita tuotteita. Näiden epäpuhtauksien peroksidaasimuunnokseen liittyy niiden myrkyllisyyden väheneminen biologisen aktiivisuuden häviämisen, biologisen hyötyosuuden vähenemisen tai vesifaasista poistumisen vuoksi, erityisesti silloin, kun epäpuhtaus esiintyy vedessä. Katsauksessa kuvataan peroksidaasien lähteitä, niiden katalysoimia reaktioita ja niiden sovelluksia ympäristön epäpuhtauksien hallinnassa.
1. Johdanto
Kaksi ennennäkemätöntä haastetta ihmiskunnalle ovat energia ja ympäristö. Koko yhteiskunnan toiminta ja sen tuleva kehitys ovat riippuvaisia uusien ja uusiutuvien energialähteiden saatavuudesta ja kyvystä vaihtaa saastuttavat tuotantoprosessit uusiin ympäristöystävällisiin prosesseihin. Yhdessä nämä kehityssuuntaukset ovat johtaneet siihen, että ympäristötieteiden keskeisestä merkityksestä ollaan yhä tietoisempia, kun ihmiskunta pyrkii siirtymään kestävämpään suhteeseen maapallon ja sen luonnonvarojen kanssa. Peroksidaaseilla on potentiaalia vähentää ympäristön pilaantumista fenoleita, kresoleita ja kloorattuja fenoleita sisältävän jäteveden biologisella puhdistamisella, synteettisten tekstiilien atsovärien biopulppauksella ja värinpoistolla. Peroksidaasit (EC 1.11.1.7) ovat oksidoreduktaaseja, jotka katalysoivat peroksidien, kuten vetyperoksidin (H2O2), pelkistymistä ja erilaisten orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden hapettumista. Erityisesti peroksidaasiaktiivisuuteen kuuluu elektronien luovuttaminen, jotka sitoutuvat muihin substraatteihin, kuten ferrisyanideihin ja askorbaattiin, hajottaakseen ne vaarattomiksi komponenteiksi.
Peroksidaaseilla on potentiaalia fenoleilla, kresoleilla ja klooratuilla fenoleilla saastuneen jäteveden biopuhdistuksessa, biopulping-biopulping-biovalkaisussa paperiteollisuudessa, tekstiiliväriaineiden hajotuksessa ja peroksidin poistamisessa materiaaleista, kuten elintarvikkeista ja teollisuusjätteistä. Tekstiilitehtaiden prosessivesi on usein voimakkaasti värjäytynyttä, koska siinä on rodamiiniväriaineita, jotka kestävät tavanomaista valkaisukäsittelyä ja joita peroksidaasi voi hajottaa. Valkomädän sienien ainutlaatuinen kyky hajottaa ligniiniä johtuu suurelta osin niiden solunulkoisten peroksidaasien suorittamista epäspesifisistä vapaiden radikaalien välittämistä hapetusreaktioista. Peroksidaasi hapettaa dimetoksibentseeniä, ligniinidimeerejä, fenoleja, amiineja, väriaineita ja aromaattisia alkoholeja ilman Mn(II):ta; peroksidaasi hapettaa fenolisia ja muita kuin fenolisia substraatteja. Vielä toisen peroksidaasin, Agaricus-tyyppisistä sienistä peräisin olevan väriaineita värjäämättömän peroksidaasin, on raportoitu katalysoivan väriaineiden ja fenolisten yhdisteiden hapettumista. Eri lähteistä peräisin olevat peroksidaasit ovat suhteellisen epäspesifisiä, ja ne antavat valkomädän sienille ainutlaatuisen kyvyn hajottaa ulkomailla erilaisia ympäristösaasteita, kuten dioksiineja, polykloorattuja bifenyylejä, öljyhiilivetyjä, ampumatarvikejätteitä (kuten trinitrotolueenia), teollisuuden väriainepäästöjä, rikkakasvien torjunta-aineita ja torjunta-aineita .
2. Peroksidaasin lähteet
Peroksidaaseja (EC 1.11.1.7) esiintyy laajalti luonnossa. Näitä entsyymejä tuottavat monet eri lähteet, kuten kasvit, eläimet ja mikrobit. Mikrobilähteistä, kuten bakteereista (Bacillus sphaericus, Bacillus subtilis, Pseudomonas sp., Citrobacter sp.), syanobakteereista (Anabaena sp.), sienistä (Candida krusei, Coprinopsis cinerea, Phanerochaete chrysosporium), aktinomykeeteistä (Streptomyces sp., Thermobifida fusca) ja hiivoja käytetään epäpuhtauksien hajottamiseen, eläinperäisten raaka-aineiden ja raaka-aineiden tuotantoon kemian-, maatalous- ja paperiteollisuudessa, tekstiilivärin hajottamiseen, paperimassateollisuudessa ligniinin hajottamiseen, väriaineiden värinpoistoon, jäteveden käsittelyyn ja myös biosensoreina. Peroksidaasien tuotantoon on raportoitu monia kasvilähteitä, kuten piparjuuri, papaija (Carica papaya), banaani (Musa paradisiacal) ja paljas (Acorus calamus). Piparjuuresta saatua peroksidaasia (HRP) käytetään laajalti diagnostisissa sarjoissa, ELISA-testissä vasta-aineen merkitsemiseen, erilaisten aromaattisten kemikaalien synteesissä ja peroksidien poistossa materiaaleista, kuten elintarvikkeista ja teollisuusjätteistä (kuva 1).
Yleinen reaktio, jota HRP:n katalysoi.
3. Peroksidaasi(e)n ominaisuudet
Peroksidaasit ovat oksidoreduktaaseja, jotka katalysoivat erilaisia reaktioita, kuten peroksidien, kuten vetyperoksidin, pelkistymistä ja erilaisten orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden hapettumista. Ne ovat hemiproteiineja ja sisältävät rauta(III)protoporfyriini IX:ää proteettisena ryhmänä. Niiden molekyylipaino on 30-150 kDa. Termi peroksidaasi edustaa ryhmää erityisiä entsyymejä, kuten NADH-peroksidaasia (EC 1.11.1.1.1), glutationiperoksidaasia (EC 1.11.1.9) ja jodiperoksidaasia (EC 1.11.1.1).8), sekä erilaisia epäspesifisiä entsyymejä, joita kutsutaan yksinkertaisesti peroksidaaseiksi.
4. Sovellukset ja peroksidaasien biokatalyysi ympäristön epäpuhtauksien hallinnassa
4.1. Synteettisten väriaineiden värinpoisto
Värjäysjätteet edustavat yhtä ongelmallisimmista pilaavien aineiden ryhmistä, joita pidetään ksenobiootteina, jotka eivät ole helposti biohajoavia . Näitä väriaineita käytetään enimmäkseen tekstiilien värjäyksessä, paperin painamisessa, värivalokuvauksessa ja öljytuotteiden lisäaineena. Kun näitä synteettisiä väriaineita päästetään teollisuusjätevesiin, ne aiheuttavat ympäristön pilaantumista. Tekstiiliteollisuudella on tärkeä rooli Intian talouskasvussa. Vesi on yksi tärkeimmistä luonnontuotteista, jota ihmiset käyttävät valtavasti, eikä ole luonnotonta, että missä tahansa kasvavassa yhteisössä syntyy valtavasti jätevettä tai jätevesiä. Ympäristölle vaarallisten yhdisteiden biologisen hajoamisen aikaansaamiseksi valkoiset lahottajasienet ovat arvokas vaihtoehto. Hapetuskyky perustuu valkomädän sienien kykyyn tuottaa hapettavia entsyymejä, kuten lakkaasia, mangaaniperoksidaasia ja ligniiniperoksidaasia . Nämä oksidaasit ja peroksidaasit on raportoitu erinomaisiksi hapettimiksi hajottamaan väriaineita .
Useita bakteeriperoksidaaseja on käytetty synteettisten tekstiiliväriaineiden värinpoistoon. Kromaatti Cr (VI):n ja atsoväriaine Acid Orange 7:n (AO7) poistamista Brevibacterium casei -bakteerilla ravinteita rajoittavissa olosuhteissa on tutkittu. Brevibacterium casein pelkistysentsyymi käytti AO7:ää elektronin luovuttajana Cr (VI):n pelkistämiseen. Hapettuneen AO7:n kanssa kompleksoitunut pelkistynyt kromaatti Cr (III) muodosti violetin värisen välituotteen. Eri atsovärien värinpoistoa Phanerochaete chrysosporium RP 78:lla optimoiduissa olosuhteissa tutkittiin reaktiomekanismin avulla atsovärin kautta. Peroksidaasia tuotettiin aerobisissa olosuhteissa sekundaarisena metaboliittina stationaarisessa vaiheessa. Tekstiilijäteveden saastuttamasta maaperästä eristetty Bacillus sp. VUS osoitti kykenevänsä hajottamaan erilaisia väriaineita. Sienissä on kuvattu ligninolyyttisten peroksidaasien tuotantoa, jotka hapettavat suoraan aromaattisia yhdisteitä . Muita peroksidaaseja havaittiin mikro-organismeissa, jotka vastaavat teollisten väriaineiden biohajoamisesta yhdessä ligniiniperoksidaasin kanssa . Syötävä makroskooppinen sieni Pleurotus ostreatus tuotti solunulkoista peroksidaasia, joka pystyy värinpoistamaan remazol-briljantinsinistä ja muita rakenteellisesti erilaisia ryhmiä, mukaan lukien triarylmetaani, heterosykliset atso- ja polymeerivärit. Bromifenolisininen värjäytyi parhaiten (98 %), kun taas metyleenisininen ja toluidiinisininen O värjäytyivät vähiten (10 %). HRP:n havaittiin hajottavan teollisesti tärkeitä atsoväriaineita, kuten remazolisinistä. Tämän väriaineen rakenteessa on ainakin yksi aromaattinen ryhmä, mikä tekee siitä mahdollisen HRP:n substraatin. Maahan tihkuvat värjäys- ja valkaisuyksikön epäpuhtaudet ovat saastuttaneet pohjaveden tehden siitä kulutukseen kelpaamatonta (taulukko 1).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4.2. Jäteveden bioremediaatio: Teollisuuden aiheuttama saastuminen on ollut merkittävä tekijä, joka on aiheuttanut ympärillämme olevan ympäristön tilan heikkenemistä, mikä vaikuttaa käyttämäämme veteen; sen laatuun ja ihmisten terveyteen liittyvät kysymykset liittyvät suoraan. Veden laadun parantaminen ja määrän lisääminen toisi mukanaan terveyshyötyjä. Turvallinen vesi poistaa veden välityksellä leviäviin tauteihin liittyvät tartunnanaiheuttajat; suuremman vesimäärän saatavuus voi parantaa terveyttä parantamalla henkilökohtaista hygieniaa. Vesien pilaantuminen aiheutti teollisuusjätteiden pääsyn järviin, jokiin ja muihin vesistöihin, mikä teki merielämästä vieraanvaraista. Peroksidaaseja on sovellettu fenoleilla, kresoleilla ja klooratuilla fenoleilla saastuneiden jätevesien bioremediaatioon. Aromaattiset yhdisteet, kuten fenolit ja aromaattiset amiinit, ovat yksi tärkeimmistä pilaavien aineiden luokista. Niitä esiintyy monenlaisten teollisuudenalojen jätevesissä, kuten hiilen jalostuksessa, öljynjalostuksessa, hartseissa ja muoveissa, puunsuojauksessa, metallien pinnoituksessa, väriaineissa ja muissa kemikaaleissa, tekstiiliteollisuudessa, kaivostoiminnassa ja jalostuksessa sekä massa- ja paperiteollisuudessa . Tekstiiliteollisuuden käsitellyissä vesissä esiintyvien fenolien ja halogenoitujen fenolien tiedetään olevan myrkyllisiä, ja jotkut niistä ovat myös vaarallisia syöpää aiheuttavia aineita, jotka voivat kerääntyä ravintoketjuun .
Peroksidaasit muodostavat tärkeän entsyymiluokan, joka kykenee katalysoimaan monenlaisten fenolisten yhdisteiden oksidatiivisia kytkentäreaktioita . Ligniiniperoksidaasi Phanerochaete chrysosporiumista, HRP, myeloperoksidaasi, laktoperoksidaasi, mikroperoksidaasi-8, monipuolinen peroksidaasi Bjerkandera adustasta ja klooriperoksidaasi Caldariomyces fumagosta kykenivät muuttamaan pentakloorifenolin tetrakloori-1,4-bentsokinoniksi oksidatiivisella dehalogenoinnilla H2O2:n läsnä ollessa. Solunulkoinen mangaaniperoksidaasi, jota tuottavat P. chrysosporium, P. sordida, C. subvermispora, P. radiata, D. squalens ja P. rivulosu. Tämän solunulkoisen peroksidaasin kahden elektronin hapettuminen H2O2:lla tuottaa yhdisteen I, joka käy läpi kaksi peräkkäistä yhden elektronin pelkistysvaihetta hapettamalla Mn2+:n Mn3+:ksi, joka puolestaan hapettaa fenolisia yhdisteitä . Monia myrkyllisiä aromaattisia ja alifaattisia yhdisteitä esiintyy useiden teollisuudenalojen jätevesissä. Näistä fenoli on yleisin aromaattinen epäpuhtaus, jota esiintyy myös saastuneessa juomavedessä. Fenoli voi olla myrkyllinen, jos sen pitoisuus on koholla, ja sen tiedetään olevan syöpää aiheuttava. Se vaikuttaa terveyteen jo pieninä pitoisuuksina. Laboratoriossa fenolia käsiteltiin naurisjuuren entsyymiuutteella (peroksidaasi) H2O2:n läsnä ollessa hapettimena vastaavien vapaiden radikaalien muodostamiseksi. Vapaat radikaalit polymerisoituvat muodostaen veteen huonommin liukenevia aineita. Saostumat poistettiin sentrifugoimalla ja jäännösfenoli arvioitiin. Tulokset osoittivat, että naurisjuuren entsyymiuute hajotti fenolia tehokkaammin. Toinen monipuolinen peroksidaasi, jota tuottivat P. eryngii ja P.. ostreatus hapetti Mn2+:n Mn3+:ksi samalla tavalla kuin MnP:n toiminta, ja myös korkean redox-potentiaalin aromaattisilla yhdisteillä, kuten LiP:llä, oli laaja spesifisyys ja hapetti ei-fenolisia yhdisteitä .
4.2.1. HRP-H2O2-fenolireaktion mekanismi
Horseradish-peroksidaasi käy läpi syklisen reaktion reagoidessaan fenolisten substraattien kanssa. Tämä sekvenssi on tiivistetty seuraaviin reaktioihin: Entsyymi alkaa natiivissa muodossaan (E) ja H2O2 hapettaa sen muodostaen aktiivisen väliyhdisteen, joka tunnetaan nimellä yhdiste 1 (Ei). Yhdiste 1 hapettaa yhden molekyylin fenolia (PhOH) muodostaen fenolista vapaan radikaalin (PhO), josta tulee yhdiste II (Eii). Yhdiste II hapettaa toisen fenolimolekyylin muodostaen toisen vapaan fenoliradikaalin ja täydentää syklin palaamalla alkuperäiseen muotoonsa E. Vapaat radikaalit polymerisoituvat ja muodostavat liukenemattomia yhdisteitä, jotka saostuvat liuoksesta . Polymerisaatioreaktiota on havainnollistettu kuvassa Vielä toisen peroksidaasin, nimeltään väriaineita värjäämättömäksi peroksidaasiksi (EC 1 : 1 : 1 : ), joka on peräisin Agaricus-tyyppisistä sienistä, on raportoitu katalysoivan väriaineiden ja fenolisten yhdisteiden hapettumista (kuva 2).
Valkomädän sienien hydroksyyliradikaalin tuotantoon osallistuva reaktiokaavio kinonien redox-kierron kautta . 1,4-bentsokinoni (BQ) pelkistyy kinonireduktaasin (QR) avulla tuottaen hydrokinonia (BQH2), joka hapetetaan jollakin ligniiniä muokkaavalla entsyymillä semikinoniksi . Superoksidi-anioniradikaalien tuotantoa autoksidaatiossa katalysoi pääasiassa Fe3+ , joka pelkistyy Fe2+ :ksi. Fentonin reagenssin muodostuminen tapahtuu O2-dismutoitumalla H2O2:ksi.
4.3. Fentonin reagenssin muodostuminen tapahtuu O2-dismutoitumalla H2O2:ksi. Hormonitoimintaa häiritsevien kemikaalien (EDC:t)
Useat hapettavien entsyymien luokat ovat osoittautuneet lupaaviksi sellaisten EDC:iden tehokkaaksi poistamiseksi, jotka kestävät tavanomaisia jätevesikäsittelyjä. Vaikka yksittäisten EDC-yhdisteiden ja valittujen hapettavien entsyymien, kuten HRP:n, välisten reaktioiden kinetiikka on kirjallisuudessa hyvin dokumentoitu, EDC-seosten kanssa tapahtuvia reaktioita on tutkittu vain vähän. EDC-yhdisteet ovat ryhmä yhdisteitä, jotka kemiallisen rakenteensa vuoksi voivat toimia hormonien agonisteina tai antagonisteina. Ne voivat häiritä sellaisten endogeenisten hormonien synteesiä, eritystä, kuljetusta, sitoutumista, toimintaa ja eliminaatiota, jotka ovat vastuussa homeostaasin, lisääntymisen, kehityksen ja eheyden ylläpitämisestä elävissä organismeissa ja niiden jälkeläisissä . Ne ovat laajalti levinneet ympäristöön, mutta niitä esiintyy pääasiassa jätevesipäästöissä. Useissa töissä on raportoitu EDC:n hapettumisesta mangaaniperoksidaasilla. Käyttämällä 10 U/mL Pleurotus ostreatus -kasvintuhoojasta peräisin olevaa mangaaniperoksidaasia 0,4 mM bisfenolia poistui 1 tunnissa . Peroksidaaseista on apua myös muiden voimakkaiden ympäristösaasteiden, kuten kloorianiliinien ja polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen, poistamisessa tai hajottamisessa.
4.4. Polykloorattujen bifenyylien (PAH-yhdisteiden) hajoaminen Torjunta-aineet
Torjunta-aineet sisältävät laajan valikoiman aineita, joita käytetään yleisimmin hyönteisten, rikkaruohojen ja sienten torjuntaan. Ihmisen altistuminen torjunta-aineille liittyy kroonisiin terveysongelmiin tai terveysoireisiin, kuten hengitystieongelmiin, muistihäiriöihin, ihotauteihin, syöpään, masennukseen, neurologisiin häiriöihin, keskenmenoihin ja synnynnäisiin epämuodostumiin . Torjunta-aineiden biologinen hajoaminen on tärkein ja tehokkain tapa poistaa näitä yhdisteitä ympäristöstä. Mikro-organismeilla on kyky olla sekä kemiallisessa että fysikaalisessa vuorovaikutuksessa aineiden kanssa, mikä johtaa kohdemolekyylin rakenteellisiin muutoksiin tai täydelliseen hajoamiseen .
Joistakin sienilajeista uutetuilla peroksidaaseilla on suuri potentiaali muuntaa useita torjunta-aineita vaarattomaan muotoon. Orgaanisten fosforitorjunta-aineiden muuntumista valkomädän sienillä on tutkittu , ja useiden orgaanisten fosforitorjunta-aineiden muuntumista Caldariomyces fumagon kloroperoksidaasilla on raportoitu. PAH-yhdisteet koostuvat kahdesta tai useammasta sulautuneesta aromaattisesta renkaasta, ja ne ovat raakaöljyn, kreosootin ja hiilen komponentteja. Suurin osa PAH-yhdisteiden aiheuttamasta saastumisesta on peräisin fossiilisten polttoaineiden laajamittaisesta käytöstä energialähteinä. Peroksidaasit ja fenolioksidaasit voivat vaikuttaa tiettyihin PAH-yhdisteisiin muuttamalla ne vähemmän myrkyllisiksi tai helpommin hajoaviksi tuotteiksi. PAH-yhdisteitä hapettavat peroksidaasit, kuten ligniiniperoksidaasi ja mangaaniperoksidaasi . Vaikka peroksidaasit ovat monipuolisia ja niitä voidaan käyttää ympäristöprosesseissa, niitä ei vielä käytetä laajamittaisesti. Jotta peroksidaaseja voitaisiin käyttää epäpuhtauksien muuntamisessa, olisi ratkaistava erilaisia haasteita, kuten stabiilisuus, redox-potentiaali ja suurten määrien tuottaminen. Joistakin sienilajeista uutetuilla peroksidaaseilla on suuri potentiaali muuntaa useita torjunta-aineita vaarattomaan muotoon (vaarattomiin muotoihin). Huolimatta niiden monipuolisuudesta ja mahdollisesta käytöstä ympäristöprosesseissa peroksidaaseja ei vielä käytetä laajamittaisesti. Jotta peroksidaaseja voitaisiin käyttää epäpuhtauksien muuntamisessa, olisi ratkaistava erilaisia haasteita, kuten stabiilisuus, redox-potentiaali ja suurten määrien tuotanto.
4.5. Kloorattujen alkaanien ja alkeneiden hajoaminen
Laajasti rasvanpoistoliuottimina käytettyjen alifaattisten halogeenihiilivetyjen trikloorieteenin (TCE) ja perkloorieteenin (PCE) aiheuttama maaperän ja pohjavesien saastuminen on vakava ympäristön pilaantumisongelma. TCE:lle tapahtuu in vitro reduktiivinen dehalogenointi, jota katalysoi P. chrysosporiumin LiP tertiäärisen alkoholin, H2O2:n ja EDTA:n (tai oksalaatin) läsnäollessa ja joka johtaa vastaavien pelkistettyjen kloorattujen radikaalien tuotantoon. IMZT:n saastuttamasta maaperästä eristettiin yksi IM-4-bakteerikanta, joka pystyy hajottamaan imatsetapyyriä (IMZT). Tämä kanta osoitti myös kykenevänsä hajottamaan muita imidatsolinoniherbisidien, kuten imatsapyrin, imatsapicin ja imatsamoxin kaltaisia rikkakasvien torjunta-aineita. T. versicolor -bakteerin tuottamien solunulkoisten hydroksyyliradikaalien osoitettiin myös katalysoivan PCE:n ja TCE:n hajoamista kinoni-redox-kierron avulla. Aerobisesti kasvatetut P. chrysosporium -viljelmät mineralisoivat TCE:tä. Nämä tutkijat ehdottivat, että P. chrysosporiumin LiP:n katalysoima TCE altistuu in vitro reduktiiviselle dehalogenoinnille tertiäärisen alkoholin, H2O2:n ja EDTA:n (tai oksalaatin) läsnäollessa, mikä johtaa vastaavien pelkistettyjen kloorattujen radikaalien tuotantoon .
4.6. Fenoksialkano- ja triatsiinirikkakasvien torjunta-aineiden hajoaminen
Yleisimmin käytetyt laajalehtiset rikkakasvien torjunta-aineet ympäri maailmaa ovat 2,4-dikloorifenoksietikkahappo (2,4-D) ja 2,4,5-trikloorifenoksietikkahappo (2,4,5-T). 2,4-D ja ehkä myös 2,4,5-T ovat osa Agent Orangea, jota käytettiin laajalti lehtipuiden poistoon. 2,4-D on varsin herkkä bakteerien hajotettavaksi, eikä se yleensä säily pitkään ympäristössä. Toisaalta 2,4,5-T on suhteellisen vastustuskykyisempi mikrobiologiselle hajoamiselle, ja sillä on taipumus säilyä ympäristössä. Sitä on syytetty vakavista sairauksista monilla Vietnamin sodan veteraaneilla, jotka olivat altistuneet lannoitteenpoistoaineena käytetylle Agent Orange -aineelle. Näiden aineiden on myös raportoitu olevan mutageenisia aineita ja siten erittäin myrkyllisiä ihmisille. P. chrysosporiumin ja Dichomitus qualensin ligninolyyttiset peroksidaasit osallistuivat 2,4-D:n ja 2,4,5-T:n kloorattujen fenolisten välituotteiden hajottamiseen. Nämä tulokset perustuivat siihen, että D. qualens lisäsi rengasmerkityn ja sivuketjumerkityn 2,4,5-T:n ja 2,4-D:n lisääntynyttä hajoamista, kun väliaineeseen lisättiin Mn2+ (tunnettu MnP:n indusoija), ja että P. chrysosporium lisäsi P. chrysosporiumin lisääntynyttä hajoamista typpirajoitetussa väliaineessa (jossa sekä LiP:n että MnP:n tuotanto indusoituu). Atratsiini on yleisesti käytetty triatsiinikasvien torjunta-aine, ja sitä hajottavat useat valkomädän sienet, jotka tuottavat lakkaasia ja peroksidaasia .
4.7. Kloorattujen dioksiinien hajoaminen
Polyklooratut dibentsodioksiinit (PCDD:t) ovat ryhmä erittäin myrkyllisiä ympäristömyrkkyjä, jotka ovat vahvistetusti syöpää aiheuttavia ihmiselle ja joilla on taipumus kertyä bioakkumuloitumaan ihmisiin ja eläimiin niiden lipofiilisten ominaisuuksien vuoksi. Polykloorattujen dibentsodioksiinien (PCDD) ja polykloorattujen dibentsofuraanien (PCDF) on osoitettu hajoavan useiden valkomädän sienilajien toimesta, mikä viittaa LiP:n ja MnP:n mahdolliseen osuuteen. Sieni P. sordida tuotti MnP:tä, mutta ei LiP:tä; ja raaka MnP osoitti dioksiinien hajoamista.
4.8. Kloorattujen hyönteismyrkkyjen hajoaminen
Lindaani (heksakloorisykloheksaanin c-isomeeri) oli aiemmin laajalti käytetty torjunta-aine, ja vuosina 1950-2000 lindaania tuotettiin maailmanlaajuisesti arviolta 600 000 tonnia. Lindaanin käyttö on nyt maailmanlaajuisesti kielletty, koska se on ympäristössä pysyvänä saasteena. Ligninolyyttisissä olosuhteissa viljellyn P. chrysosporiumin raportoitiin osittain mineralisoivan lindaania nestemäisissä viljelmissä ja P. chrysosporiumilla inokuloidussa maissintähkällä käsitellyssä maaperässä, mutta lindaanin hajoamista ei havaittu in vitro käyttäen puhdistettua LiP:tä ja MnP:tä P. chrysosporiumista . DDT:tä (1,1,1,1-trikloori-2,2-bisietaani), ensimmäistä kloorattua orgaanista hyönteismyrkkyä, käytettiin melko paljon toisen maailmansodan jälkeen. Maatalousmaaperästä löydetyt korkeat DDT-pitoisuudet ovat erittäin huolestuttavia, koska ne uhkaavat vakavasti elintarviketurvaa ja ihmisten terveyttä. Valkomädän sienien P. chrysosporium, P. ostreatus, T. versicolor ja Phellinus weirii on osoitettu mineralisoivan DDT:tä .
4.9. Peroksidaasi biosensoreina
Biosensorit on määritelty analyyttisiksi laitteiksi, jotka yhdistävät tiukasti biotunnistuselementit fysikaalisiin muuntimiin kohdeyhdisteen havaitsemiseksi. Useita esimerkkejä biosensoreista, jotka on kehitetty asiaankuuluville ympäristön epäpuhtauksille. Biosensorit voivat olla hyödyllisiä esimerkiksi saastuneen alueen jatkuvassa seurannassa. Niillä voi olla myös edullisia analyyttisiä ominaisuuksia, kuten korkea spesifisyys ja herkkyys (jotka ovat luontaisia tietylle biologiselle tunnistusbiomääritykselle). H2O2:ta pidetään solupatologian biokemian välittäjänä, ja se saattaa olla osallisena ikääntymisen ja etenevien neurodegeneratiivisten sairauksien, kuten Parkinsonin taudin, etiologiassa. Koska H2O2:n merkitys neurokemiassa on ratkaiseva, H2O2:n pitoisuuden määrittäminen on ollut erittäin mielenkiintoinen tutkimusalue. Peroksidaasi-biosensoreihin perustuvat sähkökemialliset menetelmät ovat osoittautuneet biotieteiden kannalta huomattavan hyödyllisiksi, koska ne mahdollistavat suorat reaaliaikaiset mittaukset ja käytännön sovellukset. Uusi kolmannen sukupolven biosensori vetyperoksidille rakennettiin sitomalla HRP moniseinäisillä hiilinanoputkilla muunnettuun elektrodiin. Samalla biosensorit tarjoavat mahdollisuuden määrittää tiettyjen kemikaalien lisäksi myös niiden biologisia vaikutuksia, kuten myrkyllisyyttä, sytotoksisuutta, genotoksisuutta tai hormonitoimintaa häiritseviä vaikutuksia, eli merkityksellistä tietoa, joka on joissakin tapauksissa merkityksellisempää kuin kemiallinen koostumus. Entsymaattiset biosensorit perustuvat tiettyjen entsyymien selektiiviseen estämiseen eri yhdisteluokilla, jolloin immobilisoidun entsyymin aktiivisuuden väheneminen kohdeanalyytin läsnä ollessa on parametri, jota käytetään usein kvantifiointiin.
Uusi myoglobiiniin perustuva sähkökemiallinen biosensori, joka perustuu nanokomposiittiin, joka on valmistettu moniseinäisistä hiilinanoputkista, jotka on päällystetty ceria-nanohiukkasilla, on kehitetty . Toinen kokosolu-biosensoreiden sovellus on biologisen hapenkulutuksen (BOD) määrittäminen. Torjunta-aineita (rikkakasvien torjunta-aineita, sienitautien torjunta-aineita ja hyönteismyrkkyjä) käytetään laajalti maataloudessa ja teollisuudessa eri puolilla maailmaa niiden korkean hyönteismyrkkyaktiivisuuden vuoksi. Biosensorit ovat potentiaalisesti käyttökelpoisia, koska ne havaitsevat torjunta-aineet nopeasti, ja ne ovat olleet aktiivisia tutkimusalalla jo joitakin vuosia. Toinen arvokas HRP-pohjainen biosensori kehitettiin, jossa polyvinyylipyrrolidonin (PVP) nanokuidut kehrättiin ja siihen sisällytettiin entsyymi HRP. Kehrättyjen nanokuitujen pyyhkäisyelektronimikroskooppia (SEM) käytettiin vahvistamaan, että ne eivät olleet kudottuja ja niiden keskimääräinen halkaisija oli 155 ± 34 nm. HRP:tä sisältävien kuitujen aktiivisuuden muutosta testattiin sähkökehräämisen jälkeen ja varastoinnin aikana. HRP:n aktiivisuuden karakterisoimiseksi käytettiin kolorimetristä määritystä reagoimalla nanokuitumattojen kanssa mikrotiterilevyssä ja seuraamalla absorption muutosta ajan myötä. Nopeat ja herkät osoitusmenetelmät ovat erittäin tärkeitä terveyteen ja turvallisuuteen liittyvien taudinaiheuttajien tunnistamisessa. Peroksidaasia käytetään kehitettäessä nukleiinihapposekvenssiin perustuvaa lateraalivirtausmääritystä, jolla saavutetaan alhainen havaitsemisraja käyttämällä kemiluminesenssia ja entsymaattista signaalin vahvistusta .
4.10. Käyttö sellu- ja paperiteollisuudessa
Sellunvalmistuksen sivutuotteet (mustalipeä) ja sellutehtaan jätevedet aiheuttavat vakavia ympäristöongelmia suuren saastekuormansa vuoksi. Sellu- ja paperiteollisuuden ympäristöongelmien ratkaiseminen on olennaisen tärkeää metsäteollisuuden ylläpitämiseksi ja metsäyhteisöjen muuttuvien taloudellisten tarpeiden huomioon ottamiseksi. Sellun valmistukseen sellu- ja paperiteollisuudessa kuuluu kaksi pääprosessia, jotka ovat puun mädätys ja valkaisu. Puun mädätysprosessissa haketta keitetään natriumhydroksidin ja natriumsulfaatin liuoksessa korkeassa lämpötilassa ja paineessa hakkeen hajottamiseksi kuitumassaksi. Kemiallinen reaktio puukuitujen kanssa liuottaa kaikki vaikeasti hajoavat saostumat, ja nämä johdannaiset huuhtoutuvat pois kuidusta pesu- ja vedenpoistoprosessin aikana. Pesun aikana uuttuvat pääasiassa ligniinit, selluloosa, fenolit, hartsit, rasvahapot ja tanniinit, jotka sekoittuvat keskenään ja muodostavat tummanmustaa viskoosia emäksistä jätettä, jota kutsutaan mustalipeäksi. Emäksinen jätevesi muodostaa vain 10-15 prosenttia kokonaisjätevedestä, mutta sen osuus on lähes 90-95 prosenttia kokonaissaastekuormituksesta korkean pH:n, BOD:n, COD:n ja värin osalta, mikä tekee siitä erittäin myrkyllistä ympäristölle. Näin ollen mustalipeän asianmukainen käsittely ennen sen päästämistä ympäristöön on perusteltua. Mustalipeän biologiset käsittelymenetelmät, joissa käytetään sieniä, bakteereja, leviä ja entsyymejä yksivaiheisena käsittelynä tai yhdessä muiden fysikaalisten ja kemiallisten menetelmien kanssa, näyttävät olevan taloudellisempia ja ympäristöystävällisempiä. Tähän mennessä kokeilluista biologisista menetelmistä suurin osa kirjallisuudesta rajoittuu muutamaan valkomädän sienisukuun, koska niiden epäspesifinen solunulkoinen entsymaattinen järjestelmä (LiP, MnP ja lakkaasi) osallistuu ligniinin biohajoamiseen.
5. Johtopäätös
Peroksidaasien merkitys saastuneen ympäristön puhdistamisessa perustuu niiden kykyyn katalysoida peroksidien, kuten vetyperoksidin, pelkistymistä ja erilaisten orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden hapettumista sekä myrkyllisten yhdisteiden polymerisoitumista tai ristireaktiota muiden fenolien tai ominaisuuksiltaan myrkyllisten ja vaarattomien rinnakkaissubstraattien kanssa, jolloin syntyy polymeerituotteita (dimmereitä, trimmereitä, hybridioligomeerejä), jotka hyvin todennäköisesti kerääntyvät maaperään ja/tai vesistöön. Peroksidaaseja käytetään myös biosensoreina. Nopea edistyminen peroksidaasin käytössä pilaavien aineiden hajottamisessa on tuonut lisää valoa pilaavien yhdisteiden kestäviin bioremediaatiostrategioihin ja ympäristönsuojeluun käyttämällä erilaisia entsyymejä. Ympäristönsuojeluun vaikuttavat kolme toisiinsa kietoutunutta tekijää: ympäristölainsäädäntö, etiikka ja koulutus. Kullakin näistä tekijöistä on tärkeä rooli vaikutettaessa kansallisen tason ympäristöpäätöksiin ja henkilökohtaisen tason ympäristöarvoihin ja -käyttäytymiseen. Jotta ympäristönsuojelusta tulisi todellisuutta, on tärkeää, että yhteiskunnat ja kansakunnat kehittävät kutakin näistä osa-alueista, jotka yhdessä antavat tietoa ja ohjaavat ympäristöä koskevia päätöksiä.
Kiitokset
Tämän työn on rahoittanut Council for Scientific and Industrial Research, New Delhi, yhdelle kirjoittajista (NB) myönnetyn CSIR-NET-nuorisotutkimusapurahan puitteissa. Kirjoittajat ovat kiitollisia CSIR:lle, New Delhi, ja Himachal Pradeshin yliopiston biotekniikan laitokselle, Shimla.