A szennyezés, mint tápanyag

1. KÖRNYEZETSZENNYEZŐ ANYAGOK, XENOBIOTIKUMOK,ÉS EGYÉB NEHEZEN BONTHATÓ VEGYÜLETEK MIKROBIÁLIS ELTÁVOLÍTÁSA A KÖRNYEZETBŐL

2. A szennyezés, mint tápanyag • A mikroorg. szaporodásukhoz, fennmaradásukhoz számos természetes, vagy szintetikus vegyszert képesek hasznosítani. Ezeket szén-, energia, nitrogén, foszfor, kén, stb. forrásként hasznosítják. Szempontunkból a legfontosabb amikor a körny-ben fellelhető vegyületeket a mikrobák szénforrásként hasznosítják • Ha szénforrásként hasznosul,ekkor nő a biomassza tömege,miközben a vegyület eltűnika sejtek környezetéből. EkkorCO2 és víz is keletkezik. • Természetes környezetbena biokonverzió hatékonyságanem adható meg pontosan(legtöbb esetben a környezetbefolyásolja az eredményt)

3. A szennyezés, mint tápanyag • Gyakran a szennyezés nem szénforrásként hasznosul, hanem N, P, S (pl. egyes Rhodococcus fajok kénforrásként haszn a dibenzotiofént, egy Sphingomonas faj a szulfanilsavat C, N, S forrásként is) • Bár vannak kivételek, az a jellemző, hogy egy szerves szubsztrátnak csak egyféle elemét használja fel a mikroorganizmus szaporodásához • Mivel a legtöbb esetben a C forrás a limitáló tényező, így ha egy „váratlan” C forrás jut a környezetbe, az azt támadni/hasznosítani képes faj szelektív előnyhöz jut

4. Lappangási periódus • A biodegradációt megelőzően gyakran megfigyelhetünk egy periódust, mely alatt a vegyület bontása nem mutatható ki, ezt hozzászokási vagy adaptációs vagy lag periódusnak nev • A lag periódus után viszont gyakran igen gyors a vegyület lebontása • A lappangási periódus hossza nagyon változó, függ a koncentrációtól, a körny-i feltételektől. Néha különösen hosszú lehet, pl. anaerob körny-ben klór tart-ú molekulák esetén • A lag periódus oka lehet a kezdeti alacsony mikroba konc, más – a mikroba aktivitását gátló- anyag jelenléte, diauxia (két szénforrás), a bontásban résztvevő egy v több enzim indukálható, … • Ha a biodegradáció folyamata közben ismét adunk uabból a vegyületből a rendszerhez, akkor a lappangási fázis nagyon lerövidül v elmarad, így a lebontás folyamatosan megy

5. Méregtelenítés • Toxikológiailag aktív anyagok inaktívvá tétele biológiai úton, mely során a mikroorg kevésbé káros anyaggá alakítja az eredetileg veszélyes vegyületet • Sokféle enzimatikus reakció szerepet játszhat ebben pl. hidrolizis, hidroxiláció, halogén eltávolítás, metiláció, nitro csop redukció,… • Sajnos néha az elenkezője is megtört, amikor egy vegyületet toxikus formára alakít a mikroba (aktiváció) pl. triklóretilén (TCE) átalakítása során vinil klorid (potenciális karcinogén) keletkezik (Cl2C=CHCl ClHC=CH2) • Minden új technológia kockázatot rejthet magában, ezért fontos alaposan megvizsgálni minden lépést, mielőtt alkalmaznánk

6. kinetika • A biodegr kinetikájának ismerete nagyon fontos, hogy meghatározhassuk a szennyezőa perzisztenciáját. • Először figyelembe kell venni a környezeti faktorokat, melyek befolyásolják, hogy egységnyi idő alatt mennyi anyag alakul át, majd a folyamat időbeli lefutását • Gyakran abból következtetünk a folyamatra, hogy a kiindulási vegyületből mennyi van még jelen, ez azonban nem elégséges • A kinetika függ attól, hogy a vegyület szén- és energiaforrásként hasznosul-e, van-e másik szubsztrát jelen, vagy csak átalakít a sejt de nem haszn fel szaporodásához • Mennyi sejt van jelen, növekszik-e a sejtszám az átalakítás során, • Milyen konc-ban van jelen a vegyület, túl kevés/túl sok

7. kinetika • A természetes környezet ált nagyon összetett, heterogén mikrobiális közösségek vannak jelen, sok abiotikus tényező is hatással van a valós kinetikára: • Diffúziós barrier • Egyes vegyületek szorbeálódnak a talajkomponensekhez • Más metabolizálható szervesa is jelen van • Tápanyagok jelenléte/hiánya, hozzáférése • Több faj bontja ugyanazt az anyagot • Predátorok aktivitása • Elbontandó anyag csekély vízoldékonysága • A mikrokolóniák kinetikája más mint az szabadon mozgó sejteké

8. küszöb • A szerves szennyezések gyakran alacsony konc-ban vannak jelen. Ez két problémát is felvet, egyrészt így is lehet toxikus, másrészt nem éri el azt a konc. ami kell a sejtek aktivizálódásához • Az a konc, amelynél a sejtek túlélnek, anyagcserét folytatnak, de tömegük nem nő (nem szaporodnak), ez a szervesanyag konc a küszöb koncentráció. • A küszöbkonc lecsökkenhet, ha a sejtek számára alternatív C forrás is jelen van. Ugyanakkor egy másik szubsztrát jelenléte miatt a küszöb magasabb is lehet, mint eredetileg lenne. • A küszöb konc nemcsak a C forrásra vonatk, hanem más tápanyagok esetén is megfigyelhető

9. A szennyezőanyag megkötődése • Vannak anyagok, melyek bizonyos feltételek mellett nem bonthatóak biol úton (pl szintetikus polimerek). Sok vegyület noha potenciálisan alanya a mikrobiális támadásnak mégsem bomlik el • Fontos különbséget tenni azon kifejezések között, hogy egy vegyület lebontható és bizonyos feltételek mellett nem lebomlott le – okai: • Túl magas a konc, és toxikus • Túl alacsony konc • Egyéb tápanyag hiány • A vegyület nem hozzáférhető – okai: • Vegyület szorpciója • nem vizes fázisban van jelen • „csapdába került” - a talaj, üledék anyagába csomagolódott

10. A szennyezőanyag megkötődése • A szilárd felszín drámai hatással lehet a jelenlévő mikroorg-ok aktivitására, ugyanis módosíthatja a szervesanyag hozzáférést, és egyéb paraméterekre is hat pl. szerves, szervetlen tápa-k mennyisége, pH, O2, extracelluláris enzimek • A szilárd felszín lehet agyagásvány, a talaj, üledék szerves frakciója (huminanyagok), más komplexek, Fe, Al oxidok vagy hidroxidok • A szilárd felülethez gyakran adszorpcióval kapcs a szerves vegyület, és így az oldatból a szilárd frakcióba megy át, vagy abszorpcióval a szilárd anyag belsejébe jut. A szorpció fogalom mindkettőt kifejezi • A szilárd felszínhez közeli mikrokörnyezetben zajlanak e folyamatok, számos paraméter befolyásolja (kationok jelenléte, specifikus felszín nagysága) • Az adszorpció lehet fizikai, vagy van der Waals erők, hidrogén kötés, ioncsere, kemiszorpció

11. A szennyezőanyag megkötődése • A talaj szervesanyagaihoz különösen szeretnek kötődni hidrofób molekulák. Ennek jellemzésére találták ki az oktanol-víz particiós koefficienst, mely a vegyület hidrofóbicitását méri (Kow), és a talaj szerves széntart-t %-ban. Minél nagyobb a talaj szervesa tart-a, annál több hidrofób molekula szorbeálódik • Az agyagásványok és kolloidális szervesanyagok negatív töltéssel bírnak, így a pozitív töltésű szerves molekulák képesek ezekre szorbeálódni, míg az anionos vegyületek alig • Előfordul, hogy kovalens kötés jön létre egy kis molek tömegű vegyület és a komplex huminanyagok között

12. Anaerob fázis Aerob fázis Kölcsönhatás a talaj mátrix anyagaival Kezdeti szorpció A folyamatos redukció kovalens kötésű származékokat generál Kemiszorpció amin-, amid-, és imin- kötéseken keresztül A szorbeálódott vegyületek a hidrolizis vagy a biológiai oxidáció hatására nem mobilizálódnak újra Hipotetikus ábra: a TNT redukciója és kemiszorpciója a talaj szervesanyagaihoz anaerob/aerob kezelés után A TNT redukált metabolitjainak kovalens kötéseit sárgával jelölték, melyeket NMR vizsgálatokkal igazoltak (Lenke és mtsai 2000; Achtnich és mtsai 2000).

13. A szennyezőanyag megkötődése • Néhány mikroba faj képes a szorbeált szervesanyagot is hasznosítani, de előfordul, hogy a szorbeált komponens teljesen ellenállóvá válik a mikrobiális támadással szemben • Érdekes, hogy a biodegradáció visszaeséséért nem maga a szorpció a fő felelős, hanem a talaj minősége, mert nagyobb szervesanyag tart-ú talajban nagyobb a gátlás, míg alacsonyabb humusz konc mellett kisebb • Gyakran azért nem tudja bontani a sejt a szorbeálódott anyagot, mert intracelluláris enzimkészlete a vegyület felvételét igényelné, ami ez esetben nem valósul meg. Ha extracelluláris az enzim, de sztérikus hatás miatt nem tud kialakulni a szubsztrát-enzim komplex • Azért lassú a biodegradáció, mert vagy a sejt is kötődik a felszínhez, és így sem a sejt sem a szubsztrát nem jut el a másikhoz • Az még bizonytalan, hogy valójában hogyan fér hozzá a mikroorg a szorbeált vegy-hez, valósz a folyamatos szorpció deszorpció során a deszorbeálódott komponenst „kapja”el. Néha olyan metabolitokat bocsájt ki a sejt, mely elősegíti a vegyület deszorpcióját. Esetleg a sejt közvetlen kapcsolatba kerül a szorbeált vegyülettel, mely rögtön a sejtbe jut, anélkül, hogy a folyadék fázisba kerülne

14. A nem vizes fázisban megtalálható szennyezőkNonaqueous-Phase Liquids (NAPLs) • Sok komponens nem vizes fázisban, de nem is szorbeálódva, hanem vízzel nem elegyedő folyadékban fordul elő. Ennek köszönhetően biodegradációjuk lehetősége – a biol hozzáférés- jelentősen csökken. NAPL –kal bárhol találkozhatunk (vízi körny-ben, talajban, üledékben…) pl. olajkiömléseket követően. Általában többféle szerves vegyület alkotja • Tipikusan a NAPL olyan vegyületek elegye, melyeknek alacsony a vízoldékonysága, viszont szerves oldószerekben jól oldódnak • Mivel a sejtek nem férnek hozzá könnyen, így gyors biodegradációjuk nem lehetséges, speciális mechanizmus kell felvételükhöz • Ennek ellenére számos NAPL vegyületet képesek mikroorganizmusok bontani (pl. nagy molekulatömegű alkánok, aromások)

15. Néhány szerves vegyület oldékonysága vízben M. Alexander: Biodegradation and Bioremediation könyv alapján

16. Oktanol-víz megoszlási hányados (Kow) • Egy anyag fázisok közötti egyensúlyi megoszlását fontos ismernünk ahhoz, hogy a komponens viselkedését a körny-ben, és a biohozáférést meghatározhassuk. Ez a megoszlási állandó a két fázisban tört relatív oldékonyságon alapul. Egy hidrofób jellegű vegyület a NAPL fázisban lesz nagyobb konc-ban, míg egy hidrofil vegyület a vizes fázisban dúsul fel • A NAPL fázist a véletlenszerűen kiválasztott n-oktanol képviseli a meghatározások során, és a megoszlási hányados a Kow fejezi ki, azt, hogy a vizsgált anyag milyen mértékben oldódik oktanolban arányítva a vízben oldott értékkel (Kow = cokt: cvíz c = koncentráció). A Kow érték magas lehet, ezért a logaritmusát szokták megadni (log Kow) • Egy komponens, melynek magas a Kow értéke, hidrofób jellegű, és inkább a szerves fázisban, nem a vizes fázisban találjuk meg. • Mivel a szorpció mértéke a talaj, üledék szervesanyagaihoz összefüggésben van a molekula hidrofóbicitásával, így a log Kow ismeretében megjósolhatjuk az adott környezet humin frakciójához való kötődés mértékét.

17. NAPL biodegradáció • Mivel nem vízoldékonyak, így a hozzáférésük korlátozott • A NAPL folyadékok viszkozitása is befolyásolja a bonthatóságukat (lassabb diffúzió miatt) • Toxicitásuk a fő meghatározó tényező biodegradációjukban • Fázishatár felülete minél nagyobb annál gyorsabb a biodegr • Magas log Kow érték esetén a vegyület olyan alacsony konc-ban lehet jelen a vizes fázisban, mely a küszöb konc alatti

18. NAPL biodegradáció • Hogyan tudja hasznosítani v metabolizálni az alacsony vízoldékonyságú komponenseket a mikroorg? • Csak a vizes fázisban lévő vegyületet veszi fel • Ebben az esetben a vegyület vízbe beoldódásától nagymértékben függ a biodegr sebessége • A mikroorg olyan terméket bocsájt ki (felületaktív anyagok), melyek apró (< 1mm) cseppeket (micella) alkotnak a szubsztráttal (pszeudoszolubilizáció), és így fel tudja venni • Ha a biodegr gyorsabb, mint ahogy a spontán megoszlás mértéke alapján várnánk. Minél kisebb a micella mérete, annál nagyobb a felület, ezáltal gyorsul a biodegr. • A sejt közvetlen kapcsolatba lép a NAPL komponenssel • A sejtek hozzátapadnak a hidrofób szubsztráthoz, és aggregátumokat képeznek. Egyes fajok erősebben mások kevésbé erősen kapcs-nak a szubsztráthoz.

19. Hexadekán szubsztráton növesztett Rhodococcus erythropolis MK1

20. Hogyan javítható a NAPL biodegradáció? • Felületaktív (FA) anyag hozzáadásával • Nem minden FA segíti elő. Azok, melyeknek a hidrofil-lipofil hányados 11 v nagyobb, ált előnyösek. Vannak a sejtekre toxikus FA-k, és olyanok, melyek rontják a sejtek tapadását a szubsztrátra („szétverik” az aggreg-t). Ált elfogadott, hogy azok a FA-k előnyösek, melyek javítják a megoszlási arányt (a vizes fázis javára) v nagyobb határfelületi felszínt biztosítanak, ezáltal nagyobb lesz az anyagáram, és a mikrobiális kolonizáció is • Intenzív keveréssel/levegőztetéssel • Szervetlen tápanyagok adagolásával • Elsősorban olyan tápanyagok, melyek lipofil tul-k, így a NAPL-hoz kapcsoltan abban a mikrokörnyezetben javítják C:N:P arányt • Spec mikrobák hozzáadásával • NAPL toxicitásának csökkentésével • Lehet 3 fázisú rendszert alkalmazni, melyet a toxikus NAPL, egy nem toxikus NAPL és vizes fázis alkot. A nem toxikus NAPL, mint egy csapda, megakadályozza, hogy nagyobb mennyiségben belépjen a vizes fázisba