- Abstract
- 1. Introduction
- 2. Sources de peroxydase
- 3. Caractéristiques de la (des) peroxydase(s)
- 4. Applications et biocatalyse des peroxydases dans la gestion des polluants environnementaux
- 4.1. Décoloration des colorants synthétiques
- 4.2. Biorémédiation des eaux usées : Élimination des contaminants phénoliques et des composés connexes
- 4.2.1. Mécanisme de la réaction HRP-H2O2-phénol
- 4.3. Élimination des produits chimiques perturbateurs endocriniens (EDC)
- 4.4. Dégradation des biphényles polychlorés (HAP) Pesticides
- 4.5. Dégradation des alcanes et alcènes chlorés
- 4.6. Dégradation des herbicides phénoxy alcaniques et triaziniques
- 4.7. Dégradation des dioxines chlorées
- 4.8. Dégradation des insecticides chlorés
- 4.9. Peroxydase comme biocapteurs
- 4.10. Utilisation dans les industries de la pâte à papier
- 5. Conclusion
- Remerciements
Abstract
Les rejets industriels d’effluents non traités dans les masses d’eau et les émissions dans l’air ont détérioré la qualité de l’eau et de l’air, respectivement. L’énorme quantité de polluants dérivés des activités industrielles représente une menace pour l’environnement et l’équilibre écologique. Les phénols et les phénols halogénés, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH), les perturbateurs endocriniens (EDC), les pesticides, les dioxines, les polychlorobiphényles (PCB), les colorants industriels et d’autres xénobiotiques sont parmi les polluants les plus importants. Les peroxydases sont des enzymes capables de transformer une variété de composés selon un mécanisme de radicaux libres, donnant ainsi des produits oxydés ou polymérisés. La transformation peroxydasique de ces polluants s’accompagne d’une réduction de leur toxicité, due à la perte d’activité biologique, à la réduction de la biodisponibilité ou à l’élimination de la phase aqueuse, notamment lorsque le polluant se trouve dans l’eau. Cette revue décrit les sources des peroxydases, les réactions catalysées par celles-ci, et leurs applications dans la gestion des polluants dans l’environnement.
1. Introduction
Deux défis imprévisibles pour l’être humain sont l’énergie et l’environnement. Le fonctionnement de la société dans son ensemble et ses progrès futurs dépendent de la disponibilité de sources d’énergie nouvelles et renouvelables et de la capacité à changer les processus productifs polluants pour de nouveaux processus respectueux de l’environnement. Ces évolutions ont conduit à une prise de conscience croissante de l’importance centrale des sciences de l’environnement, alors que l’humanité tente de passer à une relation plus durable avec la Terre et ses ressources naturelles. Les peroxydases ont le potentiel de réduire la pollution environnementale par la bioremédiation des eaux usées contenant des phénols, des crésols et des phénols chlorés, pour la biopulpe et la décoloration des azo-colorants textiles synthétiques. Les peroxydases (EC 1.11.1.7) sont des oxydoréductases qui catalysent la réduction des peroxydes, tels que le peroxyde d’hydrogène (H2O2) et l’oxydation d’une variété de composés organiques et inorganiques. Plus précisément, l’activité peroxydase implique le don d’électrons qui se lient à d’autres substrats tels que les ferricyanures et l’ascorbate, afin de les décomposer en composants inoffensifs.
Les peroxydases ont un potentiel pour la biorémédiation des eaux usées contaminées par des phénols, des crésols et des phénols chlorés, pour le bioblanchiment du biopulpage dans l’industrie du papier, la dégradation des colorants textiles et l’élimination du peroxyde de matériaux tels que les aliments et les déchets industriels. Les eaux de traitement des usines textiles présentent souvent une forte coloration due à la présence de colorants rhodamine qui résistent aux traitements de blanchiment classiques et peuvent être dégradés par la peroxydase. La capacité unique des champignons de la pourriture blanche à dégrader la lignine est en grande partie attribuable aux réactions d’oxydation non spécifiques médiées par des radicaux libres et réalisées par leurs peroxydases extracellulaires. La peroxydase oxyde le diméthoxybenzène, les dimères de lignine, les phénols, les amines, les colorants et les alcools aromatiques en l’absence de Mn(II) ; la peroxydase oxyde les substrats phénoliques et non phénoliques. Une autre peroxydase, appelée peroxydase de décoloration des colorants, provenant de champignons de type Agaricus, a été signalée comme catalysant l’oxydation des colorants et des composés phénoliques. Les peroxydases de différentes sources sont relativement non spécifiques et confèrent aux champignons de la pourriture blanche la capacité unique de dégrader à l’étranger un éventail de polluants environnementaux tels que les dioxines, les biphényles polychlorés, les hydrocarbures pétroliers, les déchets de munitions (tels que le trinitrotoluène), les effluents de teintures industrielles, les herbicides et les pesticides .
2. Sources de peroxydase
Les peroxydases (EC 1.11.1.7) sont largement répandues dans la nature. Ces enzymes sont produites par une variété de sources, y compris les plantes, les animaux et les microbes. Les peroxydases produites à partir de sources microbiennes telles que les bactéries (Bacillus sphaericus, Bacillus subtilis, Pseudomonas sp., Citrobacter sp.), les cyanobactéries (Anabaena sp.), les champignons (Candida krusei, Coprinopsis cinerea, Phanerochaete chrysosporium), les actinomycètes (Streptomyces sp, Thermobifida fusca) et les levures sont utilisés pour la décomposition des polluants, la production de matières premières animales et de matières premières pour l’industrie chimique, l’agriculture, l’industrie du papier, la dégradation des colorants textiles, l’industrie de la pâte à papier pour la dégradation de la lignine, la décoloration des colorants, le traitement des eaux usées et également comme biocapteurs. De nombreuses sources végétales pour la production de peroxydases ont été rapportées telles que le raifort, la papaye (Carica papaya), la banane (Musa paradisiacal), et l’acore (Acorus calamus). La peroxydase obtenue à partir du raifort (HRP) est largement utilisée dans les kits de diagnostic, en ELISA pour le marquage d’un anticorps, la synthèse de divers produits chimiques aromatiques, et l’élimination des peroxydes de matériaux tels que les aliments et les déchets industriels (Figure 1).
Une réaction générale catalysée par la HRP.
3. Caractéristiques de la (des) peroxydase(s)
Les peroxydases sont des oxydoréductases qui catalysent une variété de réactions telles que la réduction des peroxydes comme le peroxyde d’hydrogène et l’oxydation d’une variété de composés organiques et inorganiques. Ce sont des protéines de l’hème et contiennent de la protoporphyrine IX de fer (III) comme groupe prosthétique. Elles ont un poids moléculaire compris entre 30 et 150 kDa. Le terme peroxydase représente un groupe d’enzymes spécifiques, telles que la NADH peroxydase (EC 1.11.1.1), la glutathion peroxydase (EC 1.11.1.9) et l’iode peroxydase (EC 1.11.1.8), ainsi qu’une variété d’enzymes non spécifiques qui sont simplement connues sous le nom de peroxydases.
4. Applications et biocatalyse des peroxydases dans la gestion des polluants environnementaux
4.1. Décoloration des colorants synthétiques
Les déchets de colorants représentent l’un des groupes les plus problématiques de polluants considérés comme des xénobiotiques difficilement biodégradables . Ces colorants sont principalement utilisés dans la teinture des textiles, l’impression du papier, la photographie couleur et comme additif dans les produits pétroliers. Lorsque ces colorants synthétiques sont rejetés dans les effluents industriels, ils provoquent une pollution de l’environnement. Les industries textiles jouent un rôle essentiel dans la croissance économique de l’Inde. L’eau est l’un des principaux produits de la nature utilisés par les êtres humains, et il n’est pas anormal que toute communauté en croissance génère d’énormes eaux usées ou eaux d’égout. Pour parvenir à la biodégradation des composés dangereux pour l’environnement, les champignons de pourriture blanche apparaissent comme une alternative précieuse. La capacité d’oxydation est basée sur la capacité des champignons de pourriture blanche à produire des enzymes oxydantes telles que la laccase, la manganèse peroxydase et la lignine peroxydase . Ces oxydases et peroxydases ont été signalées comme d’excellents agents oxydants pour dégrader les colorants .
Plusieurs peroxydases bactériennes ont été utilisées pour la décoloration des colorants textiles synthétiques. L’élimination du chromate Cr (VI) et du colorant azoïque Acid Orange 7 (AO7) en utilisant Brevibacterium casei dans des conditions limitant les nutriments a été étudiée. L’AO7 a été utilisé comme donneur d’électrons par l’enzyme de réduction de Brevibacterium casei pour la réduction du Cr (VI). Le chromate réduit Cr (III) complexé avec l’AO7 oxydé a formé un intermédiaire pourpre. La décoloration de différents colorants azoïques par Phanerochaete chrysosporium RP 78 dans des conditions optimisées a été étudiée par le mécanisme de réaction via le colorant azoïque. La peroxydase a été produite dans des conditions aérobies comme métabolite secondaire dans la phase stationnaire. Bacillus sp. VUS isolé d’un sol contaminé par des effluents textiles a montré sa capacité à dégrader une variété de colorants. La production de peroxydases ligninolytiques oxydant directement les composés aromatiques a été décrite chez les champignons. D’autres peroxydases ont été détectées dans les microorganismes responsables de la biodégradation des colorants industriels, ainsi que la lignine peroxydase . Un champignon macroscopique comestible, Pleurotus ostreatus, a produit une peroxydase extracellulaire qui peut décolorer le bleu brillant de rémazol et d’autres groupes structurellement différents, notamment les colorants triarylméthane, azoïques hétérocycliques et polymères. Le bleu de bromophénol a été le mieux décoloré (98%), tandis que le bleu de méthylène et le bleu de toluidine O ont été les moins décolorés (10%). On a constaté que la HRP dégradait les colorants azoïques importants pour l’industrie, comme le bleu de rémazol. Ce colorant contient au moins un groupe aromatique dans sa structure, ce qui en fait un substrat possible de la HRP . Les contaminants de l’unité de teinture et de blanchiment s’infiltrant dans le sol ont pollué l’eau souterraine la rendant impropre à la consommation (tableau 1).
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4.2. Biorémédiation des eaux usées : Élimination des contaminants phénoliques et des composés connexes
La pollution industrielle a été un facteur majeur causant la dégradation de l’environnement autour de nous, affectant l’eau que nous utilisons ; sa qualité et la santé humaine sont des questions directement liées. L’amélioration de la qualité et l’augmentation de la quantité d’eau apporteraient des avantages pour la santé. Une eau saine élimine les agents infectieux associés aux maladies d’origine hydrique ; la disponibilité d’une plus grande quantité d’eau peut améliorer la santé en permettant une meilleure hygiène personnelle. La pollution de l’eau entraîne le rejet de déchets industriels dans les lacs, les rivières et d’autres plans d’eau, ce qui rend la vie marine moins hospitalière. Les peroxydases ont été appliquées à la biorémédiation des eaux usées contaminées par des phénols, des crésols et des phénols chlorés. Les composés aromatiques, dont les phénols et les amines aromatiques, constituent l’une des principales classes de polluants. On les trouve dans les eaux usées d’une grande variété d’industries, notamment la conversion du charbon, le raffinage du pétrole, les résines et les plastiques, la préservation du bois, le revêtement des métaux, les teintures et autres produits chimiques, les textiles, l’exploitation minière et l’habillage, ainsi que les industries de la pâte et du papier . Les phénols et les phénols halogénés présents dans les eaux traitées des industries textiles sont connus pour être toxiques et aussi certains d’entre eux sont des cancérigènes dangereux qui peuvent s’accumuler dans la chaîne alimentaire .
Les peroxydases comprennent une classe importante d’enzymes capables de catalyser les réactions de couplage oxydatif d’une large gamme de composés phénoliques . La lignine peroxydase de Phanerochaete chrysosporium, la HRP, la myéloperoxydase, la lactoperoxydase, la microperoxydase-8, une peroxydase polyvalente de Bjerkandera adusta, et la chloroperoxydase de Caldariomyces fumago ont été capables de transformer le pentachlorophénol en tétrachloro-1,4-benzoquinone par une déshalogénation oxydative en présence de H2O2. Une peroxydase extracellulaire de manganèse produite par P. chrysosporium, P. sordida, C. subvermispora, P. radiata, D. squalens, et P. rivulosu. L’oxydation à deux électrons de cette peroxydase extracellulaire par H2O2 donne le composé I qui subit deux étapes consécutives de réduction à un électron en oxydant Mn2+ en Mn3+ qui à son tour oxyde les composés phénoliques. De nombreux composés aromatiques et aliphatiques toxiques sont présents dans les eaux usées d’un certain nombre d’industries. Parmi ceux-ci, le phénol est le polluant aromatique le plus courant et on le retrouve également dans l’eau potable contaminée. Le phénol peut être toxique lorsqu’il est présent à un niveau élevé et est connu pour être cancérigène. Il a un effet sur la santé même à faible concentration. Un phénol de laboratoire a été traité avec un extrait d’enzyme de racine de navet (peroxydase) en présence de H2O2 comme oxydant pour former les radicaux libres correspondants. Les radicaux libres se polymérisent pour former des substances qui sont moins solubles dans l’eau. Les précipités ont été éliminés par centrifugation et le phénol résiduel a été estimé . Les résultats ont montré que l’extrait enzymatique de la racine de navet dégradait le phénol plus efficacement. Une autre peroxydase polyvalente produite par P. eryngii et P. ostreatus oxydait Mn2+ en Mn3+ similaire à l’action de MnP, et aussi les composés aromatiques à haut potentiel redox, comme le fait LiP, avait une large spécificité et oxydait les composés non phénoliques .
4.2.1. Mécanisme de la réaction HRP-H2O2-phénol
La peroxydase du raifort subit une réaction cyclique lorsqu’elle réagit avec des substrats phénoliques. Cette séquence est résumée dans les réactions suivantes : L’enzyme commence sous sa forme native (E) et est oxydée par H2O2 pour former un composé intermédiaire actif appelé composé 1 (Ei). Le composé 1 oxyde une molécule de phénol (PhOH) pour former un radical libre de phénol (PhO) et devenir le composé II (Eii). Le composé II oxyde une seconde molécule de phénol pour produire un autre radical libre de phénol et complète le cycle en retournant à sa forme native E. Les radicaux libres se polymérisent et forment des composés insolubles qui précipitent de la solution. La réaction de polymérisation est illustrée dans Pourtant, une autre peroxydase, désignée peroxydase de décoloration des colorants (EC 1 : 1 : 1 : ) provenant de champignons de type Agaricus, a été signalée pour catalyser l’oxydation des colorants et des composés phénoliques (Figure 2).
Schéma de réaction impliqué dans la production de radical hydroxyle par les champignons de pourriture blanche via le cycle redox de la quinone . La 1,4-benzoquinone (BQ) est réduite par la quinone réductase (QR) produisant de l’hydroquinone (BQH2), qui est oxydée par l’une des enzymes modifiant la lignine en semiquinones . La production de radicaux d’anions superoxyde par autoxydation est principalement catalysée par Fe3+ qui est réduit en Fe2+. La formation du réactif de Fenton est accomplie par la dismutation de O2 en H2O2.
4.3. Élimination des produits chimiques perturbateurs endocriniens (EDC)
Plusieurs classes d’enzymes oxydantes se sont révélées prometteuses pour l’élimination efficace des EDC qui sont résistants aux traitements conventionnels des eaux usées. Bien que la cinétique des réactions entre les EDC individuels et certaines enzymes oxydantes telles que la HRP soit bien documentée dans la littérature, les réactions avec les mélanges d’EDC ont été peu étudiées . Les EDC sont un groupe de composés qui, en raison de leur structure chimique, sont capables d’agir comme agonistes ou antagonistes des hormones. Ils peuvent perturber la synthèse, la sécrétion, le transport, la liaison, l’action et l’élimination des hormones endogènes, qui sont responsables du maintien de l’homéostasie, de la reproduction, du développement et de l’intégrité des organismes vivants et de leur progéniture. Ils sont largement dispersés dans l’environnement mais se retrouvent principalement dans les effluents d’eaux usées. Plusieurs travaux ont rapporté l’oxydation de l’EDC par la manganèse peroxydase. En utilisant 10 U/mL de peroxydase de manganèse provenant de Pleurotus ostreatus, 0,4 mM de bisphénol a été éliminé en 1 h . Les peroxydases sont également utiles pour éliminer ou dégrader d’autres polluants environnementaux puissants tels que les chloroanilines et les hydrocarbures aromatiques polycycliques .
4.4. Dégradation des biphényles polychlorés (HAP) Pesticides
Les pesticides comprennent une large gamme de substances le plus souvent utilisées pour lutter contre les insectes, les mauvaises herbes et les champignons. L’exposition aux pesticides chez l’homme est associée à des problèmes de santé chroniques ou à des symptômes de santé tels que des problèmes respiratoires, des troubles de la mémoire, des affections dermatologiques, des cancers, des dépressions, des déficits neurologiques, des fausses couches et des anomalies congénitales . La décomposition biologique des pesticides est le moyen le plus important et le plus efficace d’éliminer ces composés de l’environnement. Les micro-organismes ont la capacité d’interagir, à la fois chimiquement et physiquement, avec des substances conduisant à des changements structurels ou à la dégradation complète de la molécule cible .
Les peroxydases extraites de certaines espèces fongiques ont un grand potentiel pour transformer plusieurs pesticides en forme(s) inoffensive(s). La transformation des pesticides organophosphorés par les champignons de la pourriture blanche a été étudiée , et la transformation de plusieurs pesticides organophosphorés par la chloroperoxydase de Caldariomyces fumago a été rapportée. Les HAP sont composés de deux ou plusieurs cycles aromatiques fusionnés et sont des composants du pétrole brut, de la créosote et du charbon. La plupart des contaminations par les HAP proviennent de l’utilisation extensive des combustibles fossiles comme sources d’énergie. Les peroxydases et les phénol-oxydases peuvent agir sur des HAP spécifiques en les transformant en produits moins toxiques ou plus faciles à dégrader. Les HAP sont oxydés par des peroxydases telles que la lignine peroxydase et la manganèse peroxydase . Malgré leur polyvalence et leur utilisation potentielle dans les processus environnementaux, les peroxydases ne sont pas encore appliquées à grande échelle. Divers défis, tels que la stabilité, le potentiel redox et la production de grandes quantités, doivent être relevés afin d’appliquer les peroxydases à la transformation des polluants. Les peroxydases extraites de certaines espèces fongiques ont un grand potentiel pour transformer plusieurs pesticides en forme(s) inoffensive(s). Malgré leur polyvalence et leur utilisation potentielle dans les processus environnementaux, les peroxydases ne sont pas encore appliquées à grande échelle. Divers défis, tels que la stabilité, le potentiel redox et la production de grandes quantités, doivent être relevés afin d’appliquer les peroxydases dans la transformation des polluants.
4.5. Dégradation des alcanes et alcènes chlorés
La contamination des sols et des aquifères par les halocarbures aliphatiques trichloroéthylène (TCE) et perchloroéthylène (PCE) largement utilisés comme solvants de dégraissage est un grave problème de pollution environnementale. Le TCE est soumis à une déshalogénation réductrice in vitro catalysée par la LiP de P. chrysosporium en présence d’alcool tertiaire, de H2O2 et d’EDTA (ou d’oxalate), ce qui entraîne la production des radicaux chlorés réduits correspondants. Une souche de la bactérie IM-4 capable de dégrader l’imazethapyr (IMZT) a été isolée du sol contaminé par l’IMZT. Cette souche a également montré sa capacité à dégrader d’autres herbicides à base d’imidazolinone tels que l’imazapyr, l’imazapic et l’imazamox. Il a également été démontré que les radicaux hydroxyles extracellulaires produits par T. versicolor, via le cycle redox de la quinone, catalysent la dégradation du PCE et du TCE. Le TCE est minéralisé par les cultures de P. chrysosporium en aérobiose. Ces chercheurs ont proposé que le TCE soit soumis à une déshalogénation réductrice in vitro catalysée par le LiP de P. chrysosporium en présence d’alcool tertiaire, de H2O2, et d’EDTA (ou d’oxalate) conduisant à la production des radicaux chlorés réduits correspondants .
4.6. Dégradation des herbicides phénoxy alcaniques et triaziniques
Les herbicides à larges feuilles les plus utilisés dans le monde sont l’acide 2,4-dichlorophénoxyacétique (2,4-D) et l’acide 2,4,5-trichlorophénoxyacétique (2,4,5-T). Le 2,4-D et peut-être le 2,4,5-T sont des composants de l’agent orange qui a été largement utilisé comme défoliant. Le 2,4-D est assez sensible à la dégradation bactérienne et ne persiste généralement pas longtemps dans l’environnement. En revanche, le 2,4,5-T est relativement plus résistant à la dégradation microbienne et a tendance à persister dans l’environnement. Il a été accusé d’être à l’origine de maladies graves chez de nombreux vétérans de la guerre du Vietnam, qui ont été exposés à l’agent orange, utilisé comme défoliant. On a également signalé qu’il s’agissait d’agents mutagènes et donc très toxiques pour les humains. Les peroxydases ligninolytiques de P. chrysosporium et de Dichomitus qualens ont été impliquées dans la dégradation des intermédiaires phénoliques chlorés du 2,4-D et du 2,4,5-T. Ces résultats sont basés sur une dégradation accrue des intermédiaires phénoliques chlorés. Ces résultats sont basés sur l’augmentation de la dégradation du 2,4,5-T et du 2,4-D marqués sur le cycle et sur la chaîne latérale par D. Squalens lors de l’ajout de Mn2+ (un inducteur connu de MnP) au milieu et sur l’augmentation de la dégradation par P. chrysosporium dans un milieu limité en azote (dans lequel la production de LiP et de MnP est induite). L’atrazine est un herbicide triazine couramment utilisé et est dégradé par un certain nombre de champignons de la pourriture blanche produits laccases et peroxydase .
4.7. Dégradation des dioxines chlorées
Les dibenzodioxines polychlorées (PCDD) sont un groupe de polluants environnementaux hautement toxiques qui sont des cancérigènes humains confirmés et ont tendance à se bioaccumuler chez les humains et les animaux en raison de leurs propriétés lipophiles. Il a été démontré que les dibenzodioxines polychlorées (PCDD) et les dibenzofuranes polychlorés (PCDF) sont dégradés par plusieurs espèces de champignons de pourriture blanche, ce qui suggère l’implication possible de LiP et de MnP. Un champignon P. sordida a produit du MnP mais pas de LiP ; et le MnP brut a montré une dégradation des dioxines.
4.8. Dégradation des insecticides chlorés
Le lindane (isomère c de l’hexachlorocyclohexane) était un pesticide largement utilisé dans le passé, et on estime que 600 000 tonnes de lindane ont été produites dans le monde entre l’année 1950 et 2000. L’utilisation du lindane est désormais interdite dans le monde entier en raison de sa persistance dans l’environnement en tant que polluant. Il a été rapporté que P. chrysosporium cultivé dans des conditions ligninolytiques minéralise partiellement le lindane dans des cultures liquides et dans des sols amendés par des épis de maïs inoculés avec P. chrysosporium, mais la dégradation du lindane n’a pas été observée in vitro en utilisant le LiP et le MnP purifiés de P. chrysosporium. Le DDT (1,1,1-trichloro-2,2-bis éthane), le premier des insecticides organiques chlorés, a été très largement utilisé après la Seconde Guerre mondiale. Les niveaux élevés de DDT trouvés dans les sols agricoles sont très préoccupants, car ils présentent de graves menaces pour la sécurité alimentaire et la santé humaine. Il a été démontré que les champignons de pourriture blanche P. chrysosporium, P. ostreatus, T. versicolor et Phellinus weirii minéralisent le DDT .
4.9. Peroxydase comme biocapteurs
Les biocapteurs ont été définis comme des dispositifs d’analyse qui combinent étroitement des éléments de biorécognition avec des transducteurs physiques pour la détection du composé cible. Plusieurs exemples de biocapteurs développés pour des polluants environnementaux pertinents. Les biocapteurs peuvent être utiles, par exemple, pour la surveillance continue d’une zone contaminée. Ils peuvent également présenter des caractéristiques analytiques avantageuses, telles qu’une spécificité et une sensibilité élevées (inhérentes au test biologique de reconnaissance particulier. Le H2O2 est considéré comme le médiateur de la biochimie de la pathologie cellulaire et pourrait être impliqué dans l’étiologie du vieillissement et des maladies neurodégénératives progressives telles que la maladie de Parkinson. En raison de son rôle crucial dans la neurochimie, la détermination de la concentration de H2O2 a été un domaine de recherche très intéressant. Les méthodes électrochimiques basées sur les biocapteurs à peroxydase se sont avérées très avantageuses pour les biosciences en raison de leurs mesures directes en temps réel et de leurs possibilités d’applications pratiques. Un nouveau biocapteur de troisième génération pour le peroxyde d’hydrogène a été construit en réticulant la HRP sur une électrode modifiée avec des nanotubes de carbone multi-parois. En même temps, les biocapteurs offrent la possibilité de déterminer non seulement des produits chimiques spécifiques mais aussi leurs effets biologiques, tels que la toxicité, la cytotoxicité, la génotoxicité ou les effets de perturbation endocrinienne, c’est-à-dire des informations pertinentes qui, dans certaines occasions, sont plus significatives que la composition chimique. Les biocapteurs enzymatiques sont basés sur l’inhibition sélective d’enzymes spécifiques par différentes classes de composés, avec la diminution de l’activité de l’enzyme immobilisée en présence de l’analyte cible comme paramètre fréquemment utilisé pour la quantification.
Un nouveau biocapteur électrochimique à base de myoglobine basé sur un nanocomposite préparé à partir de nanotubes de carbone multiparois qui ont été recouverts de nanoparticules de cérium a été développé . Une autre application des biocapteurs à cellules entières est la détermination de la demande biologique en oxygène (DBO). Les pesticides (herbicides, fongicides et insecticides) sont largement utilisés dans l’agriculture et l’industrie du monde entier en raison de leur forte activité insecticide. Les biocapteurs sont potentiellement utiles car ils détectent rapidement les pesticides et sont actifs dans le domaine de la recherche depuis quelques années. Un autre biocapteur précieux à base de HRP a été développé dans lequel des nanofibres de polyvinylpyrrolidone (PVP) ont été filées avec incorporation de l’enzyme HRP. La microscopie électronique à balayage (MEB) des nanofibres filées a été utilisée pour confirmer la structure non tissée qui avait un diamètre moyen de 155 ± 34 nm. Les fibres contenant la HRP ont été testées pour leur changement d’activité après l’électrofilage et pendant le stockage. Un test colorimétrique a été utilisé pour caractériser l’activité de la HRP en la faisant réagir avec les tapis de nanofibres dans une plaque de microtitration et en surveillant le changement d’absorption dans le temps. Les méthodes de détection rapides et sensibles sont de la plus haute importance pour l’identification des agents pathogènes liés à la santé et à la sécurité. Peroxydase utilisée dans le développement d’un test de flux latéral basé sur la séquence d’acide nucléique qui atteint une faible limite de détection en utilisant la chimiluminescence et l’amplification enzymatique du signal .
4.10. Utilisation dans les industries de la pâte à papier
Les sous-produits de la fabrication de la pâte à papier (liqueur noire) et les eaux usées des usines de pâte à papier posent un grave problème environnemental en raison de leur charge polluante élevée. La résolution des problèmes environnementaux des industries de la pâte et du papier est essentielle pour maintenir l’industrie forestière et répondre à l’évolution des besoins économiques des communautés forestières . La fabrication de la pâte dans les industries de la pâte à papier implique deux processus principaux, à savoir la digestion du bois et le blanchiment. Dans le processus de digestion du bois, les copeaux de bois sont cuits dans une solution d’hydroxyde de sodium et de sulfate de sodium à température et pression élevées pour briser les copeaux en masse de fibres. La réaction chimique avec les fibres de bois dissout tous les matériaux de dépôt difficiles à dégrader, et ces dérivés sont extraits de la fibre au cours du processus de lavage et de déshydratation. Les divers extraits obtenus au cours du lavage comprennent principalement des lignines, de la cellulose, des composés phénoliques, des résines, des acides gras et des tanins mélangés pour former un déchet alcalin visqueux noir foncé appelé liqueur noire. L’effluent alcalin ne représente que 10 à 15 % du total des eaux usées, mais contribue pour près de 90 à 95 % à la charge polluante totale en termes de pH élevé, de DBO, de DCO et de couleur, ce qui le rend très toxique pour l’environnement. Par conséquent, le traitement adéquat de la liqueur noire avant son rejet dans l’environnement est justifié. Les méthodes biologiques pour le traitement de la liqueur noire impliquant l’utilisation de champignons, de bactéries, d’algues et d’enzymes en une seule étape ou en combinaison avec d’autres méthodes physiques et chimiques semblent être plus économiques et plus respectueuses de l’environnement. Parmi les méthodes biologiques essayées jusqu’à présent, la plupart de la littérature se limite à quelques genres de champignons de pourriture blanche en raison de leur système enzymatique extracellulaire non spécifique (LiP, MnP, et Laccase) impliqué dans la biodégradation de la lignine .
5. Conclusion
L’importance des peroxydases dans la détoxification des environnements pollués repose sur leur capacité à catalyser la réduction des peroxydes, tels que le peroxyde d’hydrogène et l’oxydation d’une variété de composés organiques et inorganiques et la polymérisation des composés toxiques ou, par réaction croisée, avec d’autres phénoliques ou avec des cosubstrats ayant des caractéristiques toxiques et inoffensives et génère des produits polymériques (dimères, trimères, oligomères hybrides), qui vont très probablement s’accumuler dans le sol et/ou dans les systèmes d’eau. Les peroxydases ont un potentiel pour la bioremédiation des eaux usées contaminées par des phénols, des crésols et d’autres effluents industriels, pour la décoloration des colorants textiles, l’élimination des perturbateurs endocriniens, la dégradation des pesticides, des biphényles polychlorés, des alcanes et alcènes chlorés du sol, des herbicides phénoxyalcanoïques, des herbicides triaziniques, des dioxines chlorées et des insecticides chlorés. Les peroxydases sont également utilisées comme biocapteurs. Les progrès rapides dans l’utilisation des peroxydases pour la dégradation des polluants ont mis en lumière les stratégies de biorémédiation durable des composés polluants et la protection de l’environnement par l’utilisation de différentes enzymes. La protection de l’environnement est influencée par trois facteurs interdépendants : la législation environnementale, l’éthique et l’éducation. Chacun de ces facteurs joue un rôle important en influençant les décisions environnementales au niveau national et les valeurs et comportements environnementaux au niveau personnel. Pour que la protection de l’environnement devienne une réalité, il est important que les sociétés et les nations développent chacun de ces domaines qui, ensemble, informeront et conduiront les décisions environnementales.
Remerciements
Ce travail a été financé par le Council for Scientific and Industrial Research, New Delhi, dans le cadre de la bourse de recherche junior CSIR-NET accordée à l’un des auteurs (NB). Les auteurs remercient le CSIR, New Delhi, et le département de biotechnologie, Himachal Pradesh University, Shimla.