Alai

4.3. Usuwanie substancji chemicznych zaburzających gospodarkę hormonalną (EDCs)

Kilka klas enzymów utleniających okazała się obiecująca dla efektywnego usuwania EDCs, które są odporne na konwencjonalne oczyszczanie ścieków. Chociaż kinetyka reakcji pomiędzy poszczególnymi EDCs i wybranymi enzymami utleniającymi, takimi jak HRP, jest dobrze udokumentowana w literaturze, niewiele badań dotyczyło reakcji z mieszaninami EDCs. EDCs to grupa związków, które ze względu na swoją budowę chemiczną mogą działać jako agoniści lub antagoniści hormonów. Mogą one zaburzać syntezę, wydzielanie, transport, wiązanie, działanie i eliminację endogennych hormonów, które są odpowiedzialne za utrzymanie homeostazy, reprodukcję, rozwój i integralność w organizmach żywych i ich potomstwie. Są one szeroko rozproszone w środowisku, ale głównie znajdują się w ściekach. W kilku pracach opisywano utlenianie EDC przez peroksydazę manganową. Przy użyciu 10 U/mL peroksydazy manganowej z Pleurotus ostreatus, 0,4 mM bisfenolu zostało wyeliminowane w ciągu 1 godziny. Peroksydazy są również pomocne w usuwaniu lub degradacji innych silnych zanieczyszczeń środowiska, takich jak chloroaniliny i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.

4.4. Degradacja polichlorowanych bifenyli (PAHs) Pestycydy

Pestycydy obejmują szeroki zakres substancji najczęściej stosowanych do kontroli owadów, chwastów i grzybów. Narażenie na pestycydy u ludzi jest związane z przewlekłymi problemami zdrowotnymi lub objawami zdrowotnymi, takimi jak problemy z oddychaniem, zaburzenia pamięci, choroby dermatologiczne, nowotwory, depresja, deficyty neurologiczne, poronienia i wady wrodzone. Biologiczny rozkład pestycydów jest najważniejszym i najbardziej efektywnym sposobem usuwania tych związków ze środowiska. Mikroorganizmy mają zdolność do oddziaływania, zarówno chemicznego jak i fizycznego, z substancjami prowadzącymi do zmian strukturalnych lub całkowitej degradacji cząsteczki docelowej. Feroksydazy wyodrębnione z niektórych gatunków grzybów mają duży potencjał do przekształcania kilku pestycydów w nieszkodliwą formę(y). Transformacja pestycydów fosforoorganicznych przez grzyby białej zgnilizny była badana, a transformacja kilku pestycydów fosforoorganicznych przez chloroperoksydazę z Caldariomyces fumago została opisana. WWA składają się z dwóch lub więcej stopionych pierścieni aromatycznych i są składnikami ropy naftowej, kreozotu i węgla. Większość zanieczyszczeń WWA powstała w wyniku szerokiego stosowania paliw kopalnych jako źródła energii. Peroksydazy i oksydazy fenolowe mogą działać na poszczególne WWA przekształcając je w produkty mniej toksyczne lub łatwiejsze do rozkładu. WWA są utleniane przez peroksydazy, takie jak peroksydaza ligninowa i peroksydaza manganowa. Pomimo ich wszechstronności i potencjalnego zastosowania w procesach środowiskowych, peroksydazy nie są jeszcze stosowane na dużą skalę. Różne wyzwania, takie jak stabilność, potencjał redoks i produkcja dużych ilości, powinny być rozwiązane w celu zastosowania peroksydaz w transformacji zanieczyszczeń. Peroksydazy wyodrębnione z niektórych gatunków grzybów mają duży potencjał do przekształcania pestycydów w nieszkodliwą formę(y). Pomimo ich wszechstronności i możliwości wykorzystania w procesach środowiskowych, peroksydazy nie są jeszcze stosowane na szeroką skalę. Różne wyzwania, takie jak stabilność, potencjał redoks i produkcja dużych ilości, powinny być rozwiązane w celu zastosowania peroksydaz w transformacji zanieczyszczeń.

4.5. Degradacja chlorowanych alkanów i alkenów

Zanieczyszczenie gleb i warstw wodonośnych przez alifatyczne halowęglowodory trichloroetylen (TCE) i perchloroetylen (PCE) szeroko stosowane jako rozpuszczalniki odtłuszczające stanowi poważny problem zanieczyszczenia środowiska. TCE podlega in vitro redukcyjnej dehalogenacji katalizowanej przez LiP z P. chrysosporium w obecności alkoholu trzeciorzędowego, H2O2 i EDTA (lub szczawianu), co prowadzi do wytworzenia odpowiednich zredukowanych rodników chlorkowych. Z gleby skażonej IMZT wyizolowano jeden szczep bakterii IM-4 zdolny do degradacji imazetapyru (IMZT). Szczep ten wykazywał również zdolność do degradacji innych herbicydów imidazolinonowych, takich jak imazapyr, imazapic i imazamox. Wykazano również, że zewnątrzkomórkowe rodniki hydroksylowe wytwarzane przez T. versicolor, poprzez cykl redoks chinonu, katalizują degradację PCE i TCE. TCE jest mineralizowany przez kultury P. chrysosporium hodowane w warunkach tlenowych. Badacze ci zaproponowali, że TCE podlega in vitro redukcyjnej dehalogenacji katalizowanej przez LiP z P. chrysosporium w obecności alkoholu trzeciorzędowego, H2O2 i EDTA (lub szczawianu), co prowadzi do wytworzenia odpowiednich zredukowanych rodników chlorkowych .

4.6. Degradacja fenoksy alkanowych i triazynowych herbicydów

Najczęściej stosowanymi na świecie herbicydami o szerokich liściach są kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (2,4-D) i 2,4,5-trichlorofenoksyoctowy (2,4,5-T). 2,4-D i być może 2,4,5-T są składnikiem Agent Orange, który był szeroko stosowany jako defoliant. 2,4-D jest dość podatny na degradację bakteryjną i generalnie nie utrzymuje się długo w środowisku. Z drugiej strony 2,4,5-T jest stosunkowo bardziej odporny na degradację mikrobiologiczną i ma tendencję do utrzymywania się w środowisku. Został on obwiniony za poważne choroby u wielu weteranów wojny w Wietnamie, gdzie zostali narażeni na działanie Agent Orange, który był używany jako defoliant. Stwierdzono również, że są to czynniki mutagenne, a zatem bardzo toksyczne dla ludzi. Ligninolityczne peroksydazy P. chrysosporium i Dichomitus qualens były zaangażowane w degradację chlorowanych fenolowych produktów pośrednich 2,4-D i 2,4,5-T. Wyniki te opierały się na zwiększonej degradacji chlorowanych fenolowych produktów pośrednich 2,4-D i 2,4,5-T. Wyniki te oparto na zwiększonej degradacji 2,4,5-T i 2,4-D znakowanych pierścieniami i łańcuchami bocznymi przez D. squalens po dodaniu do pożywki Mn2+ (znanego induktora MnP) oraz na zwiększonej degradacji przez P. chrysosporium w pożywce z ograniczeniem azotu (w której indukowana jest produkcja zarówno LiP, jak i MnP). Atrazyna jest powszechnie stosowanym herbicydem triazynowym i jest degradowana przez szereg grzybów białej zgnilizny wytwarzających lakazy i peroksydazy .

4.7. Degradacja chlorowanych dioksyn

Polichlorowane dibenzodioksyny (PCDD) to grupa wysoce toksycznych zanieczyszczeń środowiska, które są potwierdzonymi czynnikami rakotwórczymi dla ludzi i mają tendencję do bioakumulacji u ludzi i zwierząt ze względu na swoje właściwości lipofilowe. Wykazano, że polichlorowane dibenzodioksyny (PCDD) i polichlorowane dibenzofurany (PCDF) są degradowane przez kilka gatunków grzybów białej zgnilizny, co sugeruje możliwy udział LiP i MnP. Grzyb P. sordida wytworzył MnP, ale nie wytworzył LiP; a surowy MnP wykazał degradację dioksyn.

4.8. Degradacja chlorowanych insektycydów

Lindan (izomer c heksachlorocykloheksanu) był w przeszłości szeroko stosowanym pestycydem i szacuje się, że w latach 1950-2000 na całym świecie wyprodukowano 600 000 ton lindanu. Obecnie obowiązuje światowy zakaz stosowania lindanu z powodu jego trwałości jako substancji zanieczyszczającej środowisko. Stwierdzono, że P. chrysosporium hodowany w warunkach ligninolitycznych częściowo mineralizuje lindan w hodowlach płynnych i w glebie wzbogaconej kolbami kukurydzy zaszczepionej P. chrysosporium, ale degradacji lindanu nie zaobserwowano in vitro przy użyciu oczyszczonych LiP i MnP z P. chrysosporium. DDT (1,1,1-trichloro-2,2-bis etan), pierwszy z chlorowanych insektycydów organicznych, był dość intensywnie stosowany po II wojnie światowej. Wysoki poziom DDT w glebach rolniczych jest przedmiotem głębokiej troski, ponieważ stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa żywnościowego i zdrowia ludzi. Wykazano, że grzyby białej zgnilizny P. chrysosporium, P. ostreatus, T. versicolor i Phellinus weirii mineralizują DDT .

4.9. Peroksydazy jako biosensory

Biosensory zostały zdefiniowane jako urządzenia analityczne, które ściśle łączą elementy biopoznawcze z fizycznymi przetwornikami do wykrywania związku docelowego. Kilka przykładów biosensorów opracowano dla istotnych zanieczyszczeń środowiska. Biosensory mogą być użyteczne, na przykład, do ciągłego monitorowania zanieczyszczonego obszaru. Mogą one również prezentować korzystne cechy analityczne, takie jak wysoka specyficzność i czułość (właściwa dla danego biologicznego testu rozpoznawczego). H2O2 jest uważany za mediatora biochemii patologii komórkowej i może być zaangażowany w etiologię starzenia się i postępujących chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona. Ze względu na kluczową rolę H2O2 w neurochemii, oznaczanie jego stężenia stanowi bardzo interesujący obszar badawczy. Metody elektrochemiczne oparte na biosensorach peroksydazowych okazały się być bardzo korzystne dla nauk biologicznych ze względu na możliwość bezpośredniego pomiaru w czasie rzeczywistym i praktyczne zastosowanie. Nowy biosensor trzeciej generacji dla nadtlenku wodoru został skonstruowany poprzez usieciowanie HRP na elektrodzie modyfikowanej wielościennymi nanorurkami węglowymi. Jednocześnie biosensory oferują możliwość określania nie tylko konkretnych substancji chemicznych, ale także ich efektów biologicznych, takich jak toksyczność, cytotoksyczność, genotoksyczność czy efekty zaburzające gospodarkę hormonalną, czyli istotnych informacji, które w niektórych przypadkach mają większe znaczenie niż skład chemiczny. Biosensory enzymatyczne opierają się na selektywnym hamowaniu specyficznych enzymów przez różne klasy związków, przy czym spadek aktywności unieruchomionego enzymu w obecności docelowego analitu jest parametrem często wykorzystywanym do kwantyfikacji.

Opracowano nowy elektrochemiczny biosensor oparty na mioglobinie, bazujący na nanokompozycie przygotowanym z wielościennych nanorurek węglowych, które zostały pokryte nanocząstkami ceru. Innym zastosowaniem biosensorów całokomórkowych jest oznaczanie biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT). Pestycydy (herbicydy, fungicydy i insektycydy) są szeroko stosowane w rolnictwie i przemyśle na całym świecie ze względu na ich wysoką aktywność owadobójczą. Biosensory są potencjalnie użyteczne, ponieważ szybko wykrywają pestycydy i są aktywne w tym obszarze badań od kilku lat. Opracowano kolejny cenny biosensor oparty na HRP, w którym nanowłókna z poliwinylopirolidonu (PVP) zostały przędzone z wbudowanym enzymem HRP. Za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) potwierdzono, że nanowłókna mają strukturę nietkaną, a ich średnia średnica wynosi 155 ± 34 nm. Włókna zawierające HRP badano pod kątem zmiany aktywności po procesie elektroprzędzenia i podczas przechowywania. W celu scharakteryzowania aktywności HRP zastosowano test kolorymetryczny polegający na reakcji z matami z nanowłókien na płytce mikrotitracyjnej i monitorowaniu zmiany absorpcji w czasie. Szybkie i czułe metody detekcji mają ogromne znaczenie w identyfikacji patogenów związanych z bezpieczeństwem i higieną pracy. Peroksydaza stosowana w opracowaniu testu lateralnego przepływu opartego na sekwencji kwasu nukleinowego, który osiąga niską granicę wykrywalności przy użyciu chemiluminescencji i enzymatycznego wzmacniania sygnału .

4.10. Zastosowanie w przemyśle celulozowo-papierniczym

Produkty uboczne rozwłókniania (ług czarny) i ścieki z celulozowni stanowią poważny problem środowiskowy ze względu na wysoki ładunek zanieczyszczeń. Rozwiązanie problemów środowiskowych przemysłu celulozowo-papierniczego jest niezbędne dla utrzymania przemysłu leśnego i dostosowania się do zmieniających się potrzeb ekonomicznych społeczności leśnych. Produkcja masy papierniczej w przemyśle celulozowo-papierniczym obejmuje dwa główne procesy, tj. trawienie drewna i bielenie. W procesie trawienia drewna, zrębki drzewne są gotowane w roztworze wodorotlenku sodu i siarczanu sodu w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu w celu rozbicia zrębków na masę włóknistą. Reakcja chemiczna z włóknami drewna rozpuszcza wszystkie trudne do rozkładu materiały osadowe, a pochodne te są wypłukiwane z włókien podczas procesu mycia i odwadniania. Różne ekstrakty podczas mycia zawierają głównie ligniny, celulozę, fenole, żywice, kwasy tłuszczowe i garbniki, które zmieszane razem tworzą ciemnoczarny, lepki, alkaliczny odpad znany jako czarna ług. Alkaliczne ścieki składa się tylko w 10%-15% całkowitej ścieków, ale przyczynia się w prawie ponad 90%-95% całkowitego ładunku zanieczyszczeń w zakresie wysokiego pH, BZT, ChZT, i kolor, który czyni go znacznie toksyczne dla środowiska. Dlatego też uzasadnione jest odpowiednie oczyszczanie czarnego ługu przed jego odprowadzeniem do środowiska. Biologiczne metody oczyszczania czarnego ługu polegające na wykorzystaniu grzybów, bakterii, alg i enzymów jako pojedynczego etapu oczyszczania lub w połączeniu z innymi metodami fizycznymi i chemicznymi wydają się być bardziej ekonomiczne i przyjazne dla środowiska. Wśród metod biologicznych wypróbowanych do tej pory, większość literatury jest ograniczona do kilku rodzajów grzybów białej zgnilizny z powodu ich niespecyficznego zewnątrzkomórkowego systemu enzymatycznego (LiP, MnP i Laccase) zaangażowanego w biodegradację ligniny .

5. Wnioski

Ważność peroksydaz w detoksykacji zanieczyszczonych środowisk opiera się na ich zdolności do katalizowania redukcji nadtlenków, takich jak nadtlenek wodoru oraz utleniania różnych związków organicznych i nieorganicznych, a także polimeryzacji związków toksycznych lub, poprzez reakcję krzyżową, z innymi fenolami lub kosubstratami o właściwościach toksycznych i nieszkodliwych, i generuje produkty polimerowe (dimery, trimery, oligomery hybrydowe), które z dużym prawdopodobieństwem będą się akumulować w glebie i/lub w systemach wodnych. Peroksydazy mają potencjał w bioremediacji ścieków zanieczyszczonych fenolami, krezolami i innymi ściekami przemysłowymi, w dekoloryzacji barwników tekstylnych, usuwaniu chemikaliów zaburzających gospodarkę hormonalną, degradacji pestycydów, polichlorowanych bifenyli, chlorowanych alkanów i alkenów z gleby, herbicydów fenoksyalkanowych, herbicydów triazynowych, chlorowanych dioksyn i chlorowanych insektycydów. Peroksydazy są również wykorzystywane jako biosensory. Szybki postęp w wykorzystaniu peroksydaz do degradacji zanieczyszczeń rzucił więcej światła na zrównoważone strategie bioremediacji związków zanieczyszczających i ochronę środowiska poprzez wykorzystanie różnych enzymów. Na ochronę środowiska wpływają trzy splecione ze sobą czynniki: ustawodawstwo środowiskowe, etyka i edukacja. Każdy z tych czynników odgrywa ważną rolę w oddziaływaniu na decyzje środowiskowe na poziomie krajowym oraz na wartości i zachowania środowiskowe na poziomie osobistym. Aby ochrona środowiska stała się rzeczywistością, ważne jest, aby społeczeństwa i narody rozwijały każdy z tych obszarów, które razem będą informować i napędzać decyzje środowiskowe.

Podziękowania

Ta praca została sfinansowana przez Council for Scientific and Industrial Research, New Delhi, w ramach CSIR-NET Junior Research Fellowship przyznanego jednemu z autorów (NB). Autorzy są wdzięczni CSIR, New Delhi, i Department of Biotechnology, Himachal Pradesh University, Shimla.

.