Mikrobiyal biyolojik bozunma - Microbial biodegradation
Mikrobiyal biyolojik bozunma , mikrobiyal ksenobiyotik metabolizmasının hidrokarbonlar (örneğin yağ), poliklorlu bifeniller (PCB'ler), poliaromatik hidrokarbonlar (PAH'ler), heterosiklik bileşikler dahil olmak üzere çevresel kirleticileri parçalama, dönüştürme veya biriktirme konusunda doğal olarak oluşan yeteneğinden yararlanmak için biyoremediasyon ve biyodönüşüm yöntemlerinin kullanılmasıdır. ( piridin veya kinolin gibi ), farmasötik maddeler, radyonüklidler ve metaller.
Kirleticilerin mikrobiyal biyolojik bozunmasına olan ilgi son yıllarda yoğunlaşmıştır ve son zamanlardaki büyük metodolojik atılımlar, çevresel olarak ilgili mikroorganizmaların ayrıntılı genomik, metagenomik, proteomik, biyoinformatik ve diğer yüksek verimli analizlerini mümkün kılarak biyolojik bozunma yollarına ve organizmaların yeteneklerine dair yeni anlayışlar sağlamıştır. değişen çevre koşullarına uyum sağlamak.
Biyolojik süreçler, kirleticilerin uzaklaştırılmasında önemli bir rol oynar ve bu tür bileşikleri parçalamak veya dönüştürmek için mikroorganizmaların katabolik çok yönlülüğünden yararlanır. Çevresel olarak mikrobiyoloji , genom küresel çalışmalar metabolik ve düzenleyici ağların anlayışı artırmak yanı sıra değişen çevre koşullarına bozulma yolları ve moleküler adaptasyon stratejilerinin evrimi hakkında yeni bilgiler sağlanmaktadır tabanlı.
Kirleticilerin aerobik biyolojik bozunması
Artan miktarda bakteriyel genomik veri, organik kirleticilerin bozunmasının genetik ve moleküler temellerini anlamak için yeni fırsatlar sunmaktadır . Aromatik bileşikler bu kirleticilerin en kalıcıları arasındadır ve Burkholderia xenovorans LB400 ve Rhodococcus sp.'nin son genomik çalışmalarından dersler çıkarılabilir . suşu RHA1, bugüne kadar tamamen dizilen en büyük bakteri genomlarından ikisi. Bu çalışmalar, bakteri katabolizması , organik bileşiklere katabolik olmayan fizyolojik adaptasyon ve büyük bakteri genomlarının evrimi konusundaki anlayışımızı genişletmeye yardımcı oldu . İlk olarak, filogenetik olarak çeşitli izolatlardan elde edilen metabolik yollar , genel organizasyona göre çok benzerdir. Bu nedenle, başlangıçta pseudomonadlarda belirtildiği gibi , çok sayıda "periferik aromatik" yol, bir dizi doğal ve ksenobiyotik bileşiği sınırlı sayıda "merkezi aromatik" yola yönlendirir. Bununla birlikte, bu yollar, b-ketoadipat ve Paa yollarıyla örneklendiği gibi, genetik olarak cinse özgü şekillerde düzenlenir. Karşılaştırmalı genomik çalışmalar ayrıca bazı yolların başlangıçta düşünülenden daha yaygın olduğunu ortaya koymaktadır. Bu nedenle Box ve Paa yolları, aerobik aromatik bozunma süreçlerinde oksijenolitik olmayan halka bölünme stratejilerinin yaygınlığını gösterir. Fonksiyonel genomik çalışmalar, yüksek sayıda homolog enzim barındıran organizmaların bile birkaç gerçek fazlalık örneği içerdiğini belirlemede faydalı olmuştur . Örneğin, belirli rodokokal izolatlardaki halka parçalayıcı dioksijenazların çokluğu, farklı terpenoidlerin ve steroidlerin kriptik aromatik katabolizmasına bağlanabilir. Son olarak, analizler, son zamanlardaki genetik akışın, LB400'ler gibi bazı büyük genomların evriminde diğerlerinden daha önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Bununla birlikte, ortaya çıkan eğilim, LB400 ve RHA1 gibi güçlü kirletici indirgeyicilerin geniş gen repertuarlarının esas olarak daha eski süreçler yoluyla evrimleşmiş olmasıdır. Bunun filogenetik olarak çeşitli türlerde doğru olması dikkat çekicidir ve ayrıca bu katabolik kapasitenin eski kökenini gösterir.
Kirleticilerin anaerobik biyolojik bozunması
İnatçı organik kirleticilerin anaerobik mikrobiyal mineralizasyonu büyük çevresel öneme sahiptir ve ilgi çekici yeni biyokimyasal reaksiyonlar içerir. Özellikle hidrokarbonların ve halojenli bileşiklerin oksijen yokluğunda bozunabilir olduklarından uzun süredir şüphe duyulmaktadır, ancak son on yıllarda şimdiye kadar bilinmeyen anaerobik hidrokarbon bozundurucu ve indirgeyici şekilde halojensizleştirici bakterilerin izolasyonu, doğada bu işlemler için nihai kanıt sağlamıştır. Bu tür araştırmalar başlangıçta çoğunlukla klorlu bileşikleri içeriyor olsa da , son çalışmalar aromatik pestisitlerde brom ve iyot kısımlarının indirgeyici halojensizleşmesini ortaya çıkardı . Toprak mineralleri tarafından biyolojik olarak indüklenen abiyotik indirgeme gibi diğer reaksiyonların, nispeten kalıcı anilin bazlı herbisitleri aerobik ortamlarda gözlemlenenden çok daha hızlı bir şekilde etkisiz hale getirdiği gösterilmiştir. İlgili metabolik yolakları etkinleştiren birçok yeni biyokimyasal reaksiyon keşfedildi, ancak bu bakterilerin moleküler anlaşılmasındaki ilerleme, genetik sistemlerin çoğu için kolayca uygulanamadığı için oldukça yavaştı. Bununla birlikte, çevresel mikrobiyoloji alanında genomiklerin artan uygulamasıyla, bu yeni metabolik özelliklere moleküler anlayışlar elde etmek için yeni ve umut verici bir bakış açısı artık elinizin altında. Son birkaç yılda anaerobik organik kirletici bozunma yeteneğine sahip bakterilerden birkaç tam genom dizisi belirlendi. Fakültatif denitrifiye edici Aromatoleum aromaticum suşu EbN1'in ~4.7 Mb genomu , bir anaerobik hidrokarbon indirgeyici için ( substrat olarak toluen veya etilbenzen kullanılarak) ilk belirlenen genomdu . Genom sekansı, iki düzine hakkında ortaya gen kümeleri (birkaç dahil paraloglar aromatik bileşiklerin anaerobik ve aerobik çürütme için karmaşık bir katabolik ağ kodlayan). Genom sekansı, yolakların ve enzim yapılarının düzenlenmesiyle ilgili güncel ayrıntılı çalışmaların temelini oluşturur . Anaerobik hidrokarbon parçalayıcı bakterilerin diğer genomları, demir azaltıcı türler Geobacter metallireducens (katılım nr. NC_007517) ve perklorat azaltıcı Dechloromonas aromatica (katılım nr. NC_007298) için yakın zamanda tamamlandı , ancak bunlar henüz resmi yayınlarda değerlendirilmedi. Halorespirasyon yoluyla halojenli hidrokarbonların anaerobik bozunması yeteneğine sahip bakteriler için tam genomlar da belirlendi : Dehalococcoides ethenogenes suşu 195 ve Dehalococcoides sp.'nin ~1.4 Mb genomları . CBDB1 suşu ve Desulfitobacterium hafniense suşu Y51'in ~5.7 Mb genomu . Tüm bu bakteriler için karakteristik olan, indirgeyici dehalojenazlar için çoklu paralog genlerin varlığıdır ve bu, organizmaların önceden bilinenden daha geniş bir halojen giderici spektrumunu ima eder. Dahası, genom dizileri, indirgeyici halojensizleştirmenin evrimi ve niş adaptasyonu için farklı stratejiler hakkında eşi görülmemiş bilgiler sağladı.
Son zamanlarda, başlangıçta klorofenoller üzerinde halorespirasyon için değerlendirilen Desulfitobacterium chlororespirans dahil olmak üzere bazı organizmaların, büyüme için elektron alıcıları olarak herbisit bromoksinil ve onun ana metaboliti gibi belirli bromlu bileşikleri de kullanabileceği ortaya çıkmıştır . İyotlu bileşikler de halojenden arındırılabilir, ancak işlem bir elektron alıcısı ihtiyacını karşılamayabilir.
Biyoyararlanım, kemotaksis ve kirleticilerin taşınması
Biyoyararlanım veya mikroorganizmalar tarafından fizyokimyasal olarak erişilebilir olan bir maddenin miktarı , kirleticilerin verimli biyodegradasyonunda kilit bir faktördür . O'Loughlin ve ark. (2000), dışında olduğunu göstermiştir kaolinit kil, en toprak killeri ve katyon değişim reçineleri biyolojik olarak parçalanmasını zayıflatılmış 2-pikolin ile Arthrobacter sp. substratın killere adsorpsiyonunun bir sonucu olarak suşu R1. Kemotaksi veya hareketli organizmaların ortamdaki kimyasallara doğru veya kimyasallardan uzağa yönlendirilmiş hareketi, ortamdaki moleküllerin etkin katabolizmasına katkıda bulunabilecek önemli bir fizyolojik tepkidir. Ek olarak, aromatik moleküllerin çeşitli taşıma mekanizmaları yoluyla hücre içi birikimi için mekanizmalar da önemlidir.
Petrol biyobozunması
Petrol yağı, çoğu yaşam formu için toksik olan aromatik bileşikler içerir. Çevrenin petrol tarafından epizodik ve kronik kirlenmesi , yerel ekolojik çevrede büyük bozulmalara neden olur. Kıyı bölgelerine yakın ve açık denizdeki petrol sızıntılarının kontrol altına alınması zor olduğundan ve azaltma çabalarını daha karmaşık hale getirdiğinden, özellikle deniz ortamları özellikle hassastır. İnsan faaliyetleri yoluyla kirlenmeye ek olarak, her yıl doğal sızıntılardan yaklaşık 250 milyon litre petrol deniz ortamına girmektedir. Toksisitesine rağmen, deniz sistemlerine giren petrol yağının önemli bir kısmı, mikrobiyal toplulukların, özellikle de yakın zamanda keşfedilen bir uzmanlar grubu olan hidrokarbonoklastik bakteriler (HCB) tarafından hidrokarbon bozundurucu faaliyetleri ile elimine edilir. Alcanivorax borkumensis , genomu dizilimi olan ilk HCB idi. Hidrokarbonlara ek olarak, ham petrol genellikle piridin gibi hidrokarbonlara benzer mekanizmalarla bozunmuş gibi görünen çeşitli heterosiklik bileşikler içerir .
kolesterol biyolojik bozunması
Bazı cinsel hormonlar gibi birçok sentetik steroidik bileşik, belediye ve endüstriyel atık sularda sıklıkla görülür ve ekosistemleri olumsuz yönde etkileyen güçlü metabolik aktivitelere sahip çevresel kirleticiler olarak hareket eder. Bu bileşikler birçok farklı mikroorganizma için ortak karbon kaynakları olduğundan, aerobik ve anaerobik mineralizasyonları kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu çalışmaların ilgi alanı, cinsel hormonların ve kortikoidlerin endüstriyel sentezi için sterol dönüştürücü enzimlerin biyoteknolojik uygulamalarında yatmaktadır. Çok yakın zamanda, kolesterolün katabolizması, patojen Mycobacterium tuberculosis'in ( Mtb ) enfektivitesinde rol oynadığı için yüksek bir önem kazanmıştır . Mtb , tüberküloz hastalığına neden olur ve bu organizmada ve diğer steroid kullanan bakterilerde kolesterol gibi steroid bileşiklerini bağlamak ve değiştirmek için yeni enzim mimarilerinin geliştiği gösterilmiştir. Bu yeni enzimler, steroid substratların kimyasal modifikasyonundaki potansiyelleri için ilgi çekici olabilir.
Atık biyolojik arıtma analizi
Sürdürülebilir kalkınma, çevre yönetiminin teşvik edilmesini ve artan antropojenik faaliyetler tarafından üretilen büyük miktarlardaki atıkları arıtmak için sürekli yeni teknolojilerin aranmasını gerektirir . Canlı organizmalar kullanılarak atıkların işlenmesi olan biyolojik arıtma, fiziko-kimyasal temizleme seçeneklerine göre çevre dostu, nispeten basit ve uygun maliyetli bir alternatiftir. Biyoreaktörler gibi kapalı ortamlar, yüksek kontrollü sistemlerde biyolojik arıtma proseslerinin fiziksel, kimyasal ve biyolojik sınırlayıcı faktörlerinin üstesinden gelmek için tasarlanmıştır. Kapalı ortamların tasarımındaki çok yönlülük, çok çeşitli atıkların optimize edilmiş koşullar altında işlenmesine olanak tanır. Doğru bir değerlendirme yapmak için, çeşitli genomlara ve eksprese edilmiş transkriptlere ve proteinlere sahip çeşitli mikroorganizmaları göz önünde bulundurmak gerekir . Genellikle çok sayıda analiz gereklidir. Geleneksel genomik teknikleri kullanarak, bu tür değerlendirmeler sınırlıdır ve zaman alıcıdır. Bununla birlikte, sınırlı ortamlarda biyolojik arıtmayı değerlendirmek için orijinal olarak tıbbi çalışmalar için geliştirilmiş birkaç yüksek verimli teknik uygulanabilir.
Metabolik mühendislik ve biyokatalitik uygulamalar
Çevredeki kalıcı organik kimyasalların akıbetinin incelenmesi, hazırlayıcı organik sentezde büyük bir potansiyele sahip , pilot ve hatta endüstriyel ölçekte bir dizi oksijenaz için halihazırda kullanılmış olan büyük bir enzimatik reaksiyon rezervuarını ortaya çıkardı . Yeni katalizörler, metagenomik kütüphanelerden ve DNA dizisine dayalı yaklaşımlardan elde edilebilir . Rasyonel ve rastgele mutajenez yoluyla katalizörleri belirli reaksiyonlara ve proses gereksinimlerine uyarlama konusundaki artan yeteneklerimiz , ince kimya endüstrisinde ve aynı zamanda biyobozunma alanında uygulama kapsamını genişletmektedir . Çoğu durumda, bu katalizörlerin tüm hücre biyodönüşümlerinde veya fermentasyonlarda kullanılması gerekir, bu da suş fizyolojisi ve metabolizmasını anlamak için sistem çapında yaklaşımlar ve sistemler alanında giderek daha fazla ortaya çıktıkça tüm hücrelerin mühendisliğine rasyonel yaklaşımlar gerektirir. biyoteknoloji ve sentetik biyoloji.
mantar biyolojik bozunması
Ekosistemde, farklı alemlerden organizmaların oluşturduğu konsorsiyumlar tarafından farklı substratlara farklı oranlarda saldırılır. Aspergillus ve diğer küfler , nişastaları, hemiselülozları, selülozları, pektinleri ve diğer şeker polimerlerini geri dönüştürmekte usta oldukları için bu konsorsiyumlarda önemli bir rol oynamaktadır. Bazı aspergiller, katı yağlar, sıvı yağlar, kitin ve keratin gibi daha refrakter bileşikleri parçalayabilir. Yeterli azot, fosfor ve diğer temel inorganik besinler olduğunda maksimum ayrışma meydana gelir. Mantarlar ayrıca birçok toprak organizması için besin sağlar.
İçin Aspergillus bozunma süreci besin elde aracıdır. Bu küfler insan yapımı substratları bozduğunda, sürece genellikle biyolojik bozulma denir. Hem kağıt hem de tekstil ürünleri (pamuk, jüt ve keten), Aspergillus bozulmasına karşı özellikle hassastır . Sanatsal mirasımız da Aspergillus saldırısına maruz kalıyor. Bir örnek vermek gerekirse, 1969'da İtalya'da Floransa'yı sel bastıktan sonra, Ognissanti kilisesindeki hasarlı Ghirlandaio freskinden izole edilenlerin %74'ü Aspergillus versicolor'du .
Ayrıca bakınız
- biyolojik bozunma
- biyoremediasyon
- biyotransformasyon
- biyoyararlanım
- kemotaksi
- Mikrobiyoloji
- Çevresel mikrobiyoloji
- Endüstriyel mikrobiyoloji