Alai

4.3. Rimozione di sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino (EDC)

Diverse classi di enzimi ossidativi hanno dimostrato di essere promettenti per la rimozione efficiente degli EDC che sono resistenti ai trattamenti convenzionali delle acque reflue. Sebbene la cinetica delle reazioni tra i singoli EDC e gli enzimi ossidativi selezionati come l’HRP sia ben documentata in letteratura, ci sono state poche indagini sulle reazioni con le miscele di EDC. Gli EDC sono un gruppo di composti che a causa della loro struttura chimica sono in grado di agire come agonisti o antagonisti degli ormoni. Possono disturbare la sintesi, la secrezione, il trasporto, il legame, l’azione e l’eliminazione degli ormoni endogeni, che sono responsabili del mantenimento dell’omeostasi, della riproduzione, dello sviluppo e dell’integrità degli organismi viventi e della loro progenie. Sono ampiamente dispersi nell’ambiente, ma si trovano principalmente negli effluenti delle acque reflue. Diversi lavori hanno riportato l’ossidazione dell’EDC da parte della manganese perossidasi. Usando 10 U/mL di manganese perossidasi da Pleurotus ostreatus, 0,4 mM di bisfenolo è stato eliminato in 1 ora. Le perossidasi sono anche utili nella rimozione o degradazione di altri potenti inquinanti ambientali come cloroaniline e idrocarburi policiclici aromatici. Degradazione dei bifenili policlorurati (IPA) Pesticidi

I pesticidi includono una vasta gamma di sostanze più comunemente usate per controllare insetti, erbacce e funghi. L’esposizione ai pesticidi nell’uomo è associata a problemi di salute cronici o sintomi di salute come problemi respiratori, disturbi della memoria, condizioni dermatologiche, cancro, depressione, deficit neurologici, aborti e difetti di nascita. La decomposizione biologica dei pesticidi è il modo più importante ed efficace per rimuovere questi composti dall’ambiente. I microrganismi hanno la capacità di interagire, sia chimicamente che fisicamente, con le sostanze che portano a cambiamenti strutturali o alla completa degradazione della molecola bersaglio.

Le perossidasi estratte da alcune specie di funghi hanno un grande potenziale per trasformare diversi pesticidi in forme innocue. È stata studiata la trasformazione di pesticidi organofosforici da parte di funghi della carie bianca, ed è stata riportata la trasformazione di diversi pesticidi organofosforici da parte della cloroperossidasi di Caldariomyces fumago. Gli IPA sono composti da due o più anelli aromatici fusi e sono componenti del petrolio grezzo, del creosoto e del carbone. La maggior parte della contaminazione da IPA ha avuto origine dall’ampio uso di combustibili fossili come fonti di energia. Le perossidasi e le fenolossidasi possono agire su specifici IPA trasformandoli in prodotti meno tossici o più facili da degradare. Gli IPA sono ossidati dalle perossidasi come la lignina perossidasi e la manganese perossidasi. Nonostante la loro versatilità e l’uso potenziale nei processi ambientali, le perossidasi non sono ancora applicate su larga scala. Diverse sfide, come la stabilità, il potenziale redox e la produzione di grandi quantità, dovrebbero essere affrontate per applicare le perossidasi nella trasformazione degli inquinanti. Le perossidasi estratte da alcune specie fungine hanno un grande potenziale per trasformare diversi pesticidi in forme innocue. Nonostante la loro versatilità e l’uso potenziale nei processi ambientali, le perossidasi non sono ancora applicate su larga scala. Diverse sfide, come la stabilità, il potenziale redox e la produzione di grandi quantità, dovrebbero essere affrontate per applicare le perossidasi nella trasformazione degli inquinanti.

4.5. Degradazione di alcani e alcheni clorurati

La contaminazione dei suoli e delle falde acquifere da parte degli alocarburi alifatici tricloroetilene (TCE) e percloroetilene (PCE) ampiamente usati come solventi sgrassanti è un serio problema di inquinamento ambientale. Il TCE è soggetto alla dealogenazione riduttiva in vitro catalizzata dal LiP di P. chrysosporium in presenza di alcool terziario, H2O2, e EDTA (o ossalato) portando alla produzione dei corrispondenti radicali clorurati ridotti. Un ceppo di batterio IM-4 capace di degradare l’imazethapyr (IMZT) è stato isolato dal suolo contaminato da IMZT. Questo ceppo ha anche mostrato la capacità di degradare altri erbicidi imidazolonici come imazapyr, imazapic e imazamox. I radicali idrossilici extracellulari prodotti da T. versicolor, attraverso il ciclo redox del chinone, hanno anche dimostrato di catalizzare la degradazione di PCE e TCE. Il TCE è mineralizzato dalle culture di P. chrysosporium coltivate aerobicamente. Questi ricercatori hanno proposto che il TCE è soggetto alla dealogenazione riduttiva in vitro catalizzata dal LiP di P. chrysosporium in presenza di alcol terziario, H2O2 e EDTA (o ossalato) che porta alla produzione dei corrispondenti radicali clorurati ridotti. Degradazione di fenossi alcanoici e triazinergicidi

Gli erbicidi a foglia larga più comunemente usati nel mondo sono l’acido 2,4-diclorofenossiacetico (2,4-D) e il 2,4,5-triclorofenossiacetico (2,4,5-T). Il 2,4-D e forse il 2,4,5-T sono un componente dell’Agente Arancio che fu ampiamente usato come defoliante. Il 2,4-D è abbastanza suscettibile alla degradazione batterica e generalmente non persiste a lungo nell’ambiente. D’altra parte il 2,4,5-T è relativamente più resistente alla degradazione microbica e tende a persistere nell’ambiente. È stato accusato di gravi malattie in molti veterani della guerra del Vietnam, dove sono stati esposti all’Agente Arancio che era usato come defoliante. Questi sono stati anche segnalati come agenti mutageni e quindi molto tossici per gli esseri umani. Le perossidasi ligninolitiche di P. chrysosporium e Dichomitus qualens erano coinvolte nella degradazione degli intermedi fenolici clorurati di 2,4-D e 2,4,5-T. Questi risultati sono stati basati sull’aumento della degradazione di 2,4,5-T e 2,4-D marcati ad anello e a catena laterale da parte di D. Squalens all’aggiunta di Mn2+ (un noto induttore di MnP) al mezzo e sull’aumento della degradazione da parte di P. chrysosporium in mezzo limitato all’azoto (in cui è indotta la produzione sia di LiP che di MnP). L’atrazina è un erbicida triazinico comunemente usato ed è degradato da un certo numero di funghi della carie bianca prodotti laccasi e perossidasi.

4.7. Degradazione delle diossine clorurate

Le dibenzodiossine policlorurate (PCDD) sono un gruppo di inquinanti ambientali altamente tossici che sono cancerogeni per l’uomo e tendono a bioaccumularsi nell’uomo e negli animali a causa delle loro proprietà lipofile. Le policlorodibenzodiossine (PCDD) e i policlorodibenzofurani (PCDF) hanno dimostrato di essere degradati da diverse specie di funghi della carie bianca, suggerendo il possibile coinvolgimento di LiP e MnP. Un fungo P. sordida ha prodotto MnP ma nessun LiP; e MnP grezzo ha mostrato la degradazione delle diossine.

4.8. Degradazione degli insetticidi clorurati

Il lindano (isomero c dell’esaclorocicloesano) era un pesticida ampiamente usato in passato, e si stima che 600.000 tonnellate di lindano siano state prodotte globalmente tra l’anno 1950 e il 2000. Ora c’è un divieto globale sull’uso del lindano a causa della sua persistenza ambientale come inquinante. È stato riportato che il P. chrysosporium coltivato in condizioni ligninolitiche mineralizza parzialmente il lindano in colture liquide e in un terreno inoculato con P. chrysosporium, ma la degradazione del lindano non è stata osservata in vitro utilizzando LiP e MnP purificati dal P. chrysosporium. Il DDT (1,1,1-tricloro-2,2-bis etano), il primo degli insetticidi organici clorurati, è stato usato molto dopo la seconda guerra mondiale. Gli alti livelli di DDT trovati nei terreni agricoli sono di grande preoccupazione, perché presentano gravi minacce alla sicurezza alimentare e alla salute umana. I funghi del marciume bianco P. chrysosporium, P. ostreatus, T. versicolor e Phellinus weirii hanno dimostrato di mineralizzare il DDT.

4.9. Perossidasi come biosensori

I biosensori sono stati definiti come dispositivi analitici che combinano strettamente elementi di bioriconoscimento con trasduttori fisici per il rilevamento del composto target. Diversi esempi di biosensori sviluppati per inquinanti ambientali rilevanti. I biosensori possono essere utili, per esempio, per il monitoraggio continuo di un’area contaminata. Possono anche presentare caratteristiche analitiche vantaggiose, come l’alta specificità e sensibilità (inerenti al particolare biodosaggio di riconoscimento biologico. L’H2O2 è considerato il mediatore della biochimica della patologia cellulare e forse coinvolto nell’eziologia dell’invecchiamento e delle malattie neurodegenerative progressive come il morbo di Parkinson. A causa del suo ruolo cruciale nella neurochimica, la determinazione della concentrazione di H2O2 è stata un campo di ricerca molto interessante. I metodi elettrochimici basati su biosensori di perossidasi hanno dimostrato di essere significativamente vantaggiosi per le bioscienze grazie alle loro misure dirette in tempo reale e alla capacità di applicazioni pratiche. Un nuovo biosensore di terza generazione per il perossido di idrogeno è stato costruito reticolando HRP su un elettrodo modificato con nanotubi di carbonio a parete multipla. Allo stesso tempo, i biosensori offrono la possibilità di determinare non solo sostanze chimiche specifiche ma anche i loro effetti biologici, come la tossicità, la citotossicità, la genotossicità o gli effetti di interferenza endocrina, cioè informazioni rilevanti che in alcune occasioni sono più significative della composizione chimica. I biosensori enzimatici si basano sull’inibizione selettiva di enzimi specifici da parte di diverse classi di composti, con la diminuzione dell’attività dell’enzima immobilizzato in presenza dell’analita target come parametro frequentemente utilizzato per la quantificazione.

È stato sviluppato un nuovo biosensore elettrochimico a base di mioglobina basato su un nanocomposito preparato da nanotubi di carbonio a pareti multiple rivestiti con nanoparticelle di ceria. Un’altra applicazione dei biosensori a cellule intere è la determinazione della domanda biologica di ossigeno (BOD). I pesticidi (erbicidi, fungicidi e insetticidi) sono ampiamente utilizzati in agricoltura e nell’industria di tutto il mondo grazie alla loro elevata attività insetticida. I biosensori sono potenzialmente utili in quanto rilevano rapidamente i pesticidi e sono stati attivi nel settore della ricerca per alcuni anni. Un altro prezioso biosensore basato su HRP è stato sviluppato in cui le nanofibre di polivinilpirrolidone (PVP) sono state filate con l’incorporazione dell’enzima HRP. La microscopia elettronica a scansione (SEM) delle nanofibre filate è stata usata per confermare la struttura non tessuta che aveva un diametro medio di 155 ± 34 nm. Le fibre contenenti HRP sono state testate per il loro cambiamento di attività dopo l’elettrofilatura e durante la conservazione. Un test colorimetrico è stato utilizzato per caratterizzare l’attività dell’HRP attraverso la reazione con le nanofibre in una piastra per microtitolazione e il monitoraggio del cambiamento di assorbimento nel tempo. Metodi di rilevamento rapidi e sensibili sono di estrema importanza per l’identificazione di agenti patogeni legati alla salute e alla sicurezza. Perossidasi utilizzata nello sviluppo di un test di flusso laterale basato sulla sequenza dell’acido nucleico che raggiunge un basso limite di rilevazione utilizzando la chemiluminescenza e l’amplificazione enzimatica del segnale. Uso nell’industria della cellulosa e della carta

I sottoprodotti della spappolatura (liquore nero) e le acque reflue della cartiera causano gravi problemi ambientali a causa del loro alto carico di inquinamento. Risolvere i problemi ambientali delle industrie della pasta di legno e della carta è essenziale per mantenere l’industria forestale e soddisfare le mutevoli esigenze economiche delle comunità forestali. La produzione di pasta di cellulosa nelle industrie della carta coinvolge due processi principali, cioè la digestione del legno e la sbiancatura. Nel processo di digestione del legno, i trucioli di legno vengono cotti in una soluzione di idrossido di sodio e solfato di sodio a temperatura e pressione elevate per rompere i trucioli in massa di fibre. La reazione chimica con le fibre di legno dissolve tutti i materiali di deposito che sono difficili da degradare, e questi derivati vengono lavati via dalla fibra durante il processo di lavaggio e disidratazione. I vari estratti durante il lavaggio includono principalmente lignine, cellulosa, fenoli, resine, acidi grassi e tannini mescolati insieme per fare un rifiuto alcalino nero scuro e viscoso conosciuto come liquore nero. L’effluente alcalino consiste solo nel 10%-15% delle acque reflue totali, ma contribuisce quasi al 90%-95% del carico inquinante totale in termini di alto pH, BOD, COD, e colore che lo rende significativamente tossico per l’ambiente. Quindi, il trattamento adeguato del liquido nero prima del suo scarico nell’ambiente è garantito. I metodi biologici per il trattamento del liquido nero che coinvolgono l’uso di funghi, batteri, alghe ed enzimi come trattamento a fase singola o in combinazione con altri metodi fisici e chimici sembrano essere più economici ed ecologici. Tra i metodi biologici provati finora, la maggior parte della letteratura si limita a pochi generi di funghi della putrefazione bianca a causa del loro sistema enzimatico extracellulare aspecifico (LiP, MnP e Laccasi) coinvolto nella biodegradazione della lignina

5. Conclusione

L’importanza delle perossidasi nella disintossicazione di ambienti inquinati si basa sulla loro capacità di catalizzare la riduzione dei perossidi, come il perossido di idrogeno e l’ossidazione di una varietà di composti organici e inorganici e la polimerizzazione di composti tossici o, per reazione incrociata, con altri fenoli o con cosubstrati con caratteristiche tossiche e innocue e genera prodotti polimerici (dimeri, trimmers, oligomeri ibridi), che molto probabilmente si accumuleranno nel suolo e/o nei sistemi idrici. Le perossidasi hanno un potenziale per il biorisanamento di acque reflue contaminate da fenoli, cresoli e altri effluenti industriali, per la decolorazione di coloranti tessili, la rimozione di sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino, la degradazione di pesticidi, bifenili policlorurati, alcani e alcheni clorurati del suolo, erbicidi fenossi alcanoici, erbicidi triazinici, diossine clorinate e insetticidi clorurati. Le perossidasi sono anche utilizzate come biosensori. I rapidi progressi nell’uso della perossidasi per la degradazione degli inquinanti hanno gettato più luce sulle strategie di bioremediation sostenibile per i composti inquinanti e la protezione ambientale utilizzando diversi enzimi. La protezione dell’ambiente è influenzata da tre fattori intrecciati: legislazione ambientale, etica ed educazione. Ognuno di questi fattori gioca un ruolo importante nell’influenzare le decisioni ambientali a livello nazionale e i valori e i comportamenti ambientali a livello personale. Affinché la protezione dell’ambiente diventi una realtà, è importante che le società e le nazioni sviluppino ognuna di queste aree che insieme informeranno e guideranno le decisioni ambientali.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato finanziato dal Council for Scientific and Industrial Research, New Delhi, sotto CSIR-NET Junior Research Fellowship assegnato a uno degli autori (NB). Gli autori sono grati al CSIR, New Delhi, e al Dipartimento di Biotecnologia, Himachal Pradesh University, Shimla.