KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA
Download
1 / 37

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA - PowerPoint PPT Presentation


  • 126 Views
  • Uploaded on

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA. BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ. A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek, az egyes elemekre h ató ártalmak a környezet egészére kihatnak. Ha a fennálló egyensúlyt megbontjuk,

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA' - meryl


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA

BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ

A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek,az egyes elemekrehatóártalmak a környezet egészére kihatnak.Ha a fennálló egyensúlyt megbontjuk,

beláthatalan környezetvédelmi problémákkal találhatjuk szembe magunkat.

Fejlődő ipar felhalmozódó hulladék

veszélyes anyagok

A Föld mikroflórájának válasza az újonnan megjelenő anyagokra

adaptáció


  • Alapfogalmak

    • biotechnológia

      “biotechnologie - (EREKY Károly, 1917) all work by which products areproduced from raw materials with the help of living organisms” [Ereky]

    • alkalmazott mikrobiológia

      - biokonverzió, biotranszformáció

      különböző (toxikus) vegyületek mikrobiális átalakítása

      - biodegradáció

      nemkívánatos, környezetrekárosanyagok lebontásamikrobiális úton

      - bioremediáció (= tisztítás)

      a környezetmegtisztításaa toxikus hulladékoktól mikrobiális módszerekkel

    • környezetvédelem

      - megelőzés

      - tervszerű környezetfejlesztés

      - környezetünk megóvása, védelme


  • A biotechnológiában fontos mikroorganizmus csoportok

    • Metanogének

    • Metilotrófok

    • Clostridiumok

    • Tejsav baktériumok

    • Bacillusok

    • Pseudomonasok

    • Fotoszintetizáló baktériumok, algák

    • Streptomycesek

    • Élesztők

    • Fonalas gombák


    • Pseudomonasok: enzimek

      • aerob

      • heterotróf, Gram negatívok

      • exopoliszaharidok

      • biodegradáció

  • Fotoszint. baktériumok, algák:

    • aerob vagy anaerob

    • biopolimerek

    • Fotoszintézis, CO2 fixálás

  • Streptomycesek:

    • aerob, spórázó szervezetek

    • antibiotikum termelők

    • extracelluláris enzimek

  • Élesztők:

    • alkoholgyártás

    • pékélesztő

  • Fonalas gombák:

    • heterotróf eukaryota

    • szaprofita vagy parazita

    • jellegzetes sejtfal

    • spóraképzők

    • antibiotikumok

    • biokonverzió

    • Metanogének:

      • archea

      • obligát vagy strict anaerobok

      • biogáz

  • Metilotrófok:

    • aerobok

    • C1-C3 szénforrások hasznosítása

    • pl. Metanotrófok metán oxidáció

  • Clostridiumok:

    • obligát anaerobok

    • Gram pozitívok

    • hőstabil endospóra

    • rendkívül sokféle reakcióra képesek

  • Tejsav baktériumok:

    • anaerobok

    • Gram pozitívok

    • élelemiszeripar

  • Bacillusok:

    • aerobok

    • endospóra

    • extracelluláris enzimek


  • XENOS = IDEGEN SZINTETIKUS = NEM TERMÉSZETES EREDETŰ

    Példák: peszticidek, herbicidek, oldószerek, egyes szerves vegyületek

    Lebontásukra megoldás: - fizikai

    - kémiai módszerek

    - biológiai

    Az 1960-as évek elején felfedezték, hogy számos talajlakó mikroorganizmus képes a xenobiotikumok bontására

    Egyféle szennyezés ritkán fordul elő, ált. vegyes hulladék

    sokféle enzim, mikroorg. szükséges

    Legproblémásabb vegyületek az aromás, valamint halogén elem tartalmú vegyületek


    Szerves oldószer hatása az organizmusra EREDETŰ

    egyik fő támadáspont a membrán

    ahogy az oldószer akkumulálódik a membránban sérülnek annak funkciói:

    1, aspecifikus permeabilizáció

    E. coli : fenol jelenlétében ATP és K+ szabadul ki a sejtekből

    toluol hatására RNS, foszfolipid és fehérje szivárgás

    2, H+ és más ionok passzív áramlása membránon keresztül

     sérül az ATP szintézis

    3, membránban lévő fehérjék funkciója is sérül

    4, megváltozik, nő a membrán fluiditása  változik a membrán struktúrája, stabilitása és

    membránon belüli kölcsönhatások

    membránfelszín hidrációs tulajdonságai változnak

    membrán vastagság változik

    membrán felszín növekedés


    Adaptációs mechanizmusok EREDETŰ

    védekezési mechanizmusok törzsről törzsre változnak

    I. Citoplazma és külső membrán adaptáció: mind lipid mind fehérje szinten

    cél: szolvens által megzavart membrán fluiditásának, stabilitásának újrateremtése

    I/1. zsírsav összetétel

    - megváltozik telített és telítetlen zsírsavak aránya

    alkohol és aceton növeli

    telítetlen zsírsavak arányát a membránban

    apoláris oldószerek pl. benzol csökkenti

    szaturáció változás  fluiditás változás  szolvens hatását kompenzálja

    "homoviszkózus adaptáció"

    - membránban telítetlen zsírsavak cis  trans izomerizációja

     emeli a membrán rendezettségét és csökkenti a fluiditást


    I/2. változik lipidek fejcsoportjainak összetétele EREDETŰ

    P. putida: difoszfatidil-glicerol (kardiolipin) aránya nő

    P. putida Idaho: foszfatidiletanolamin nő

    I/3. foszfolipid szintézis fokozódik

    I/4. változik fehérje összetétel

    I/5. lipopoliszacharid összetétel változás külső membránban

    magának lipopoliszacharidoknak és lipoproteineknek is nő a mennyisége

    LPS hidrofóbicitás csökkentő hatása van

    I/6. külső membrán porinjai

    P. putida OmpL mutáns: hiperszenzitív szolvensekre

    P. aeruginosa OmpF hiány növeli a toleranciát

    I/7. zsíroldékony vegyületek

    Zymomonas mobilis: etanol jelenlétében hopanoidok mennyisége nő

    Staphylococcus aureus: olajsav jelenlétében karotenoid szintézis nő


    II. sejtfelszín hidrofóbicitás EREDETŰ

    csökkenése növeli a szolvens toleranciát

    P. putida toluol adaptáció után sejtek felszíne kevésbé hidrofób (sok fehérje és LPS)

    III. ionok stabilizáló szerepe

    Mg2+, Ca2+ stabilizálják Gr(-)-ok külső membránját

    pl.: Pseudomonas sp. - toluol

    IV. Szerves oldószerek degradációja vagy kevésbé toxikus formává való transzformációja

    V. Aktív exkréció a sejtből

    Biotechnológiai potenciál

    bioremediáció

    új, szerves oldószerekben stabil proteázok, lipázok egyéb enzimek


    A biodegradációs eljárásokban legismertebb, EREDETŰ

    leggyakrabban előforduló mikroorganizmusok

    Pseudomonasok

    Sphingomonasok

    Rhodococcusok

    Bacillusok

    Sugárgombák

    A (szubsztituált) aromás szerves oldószerek lebontására

    az oxigenáz, dehalogenáz enzimek alkalmasak


    LEBONTÁSI ÚTVONAL LEHET AEROB, ANAEROB EREDETŰ

    aerob: mono- és dioxigenázok

    anaerob: reduktív dehalogenáció, oxidált vegyületek: szulfát, nitrát





    Mono EREDETŰoxigenázok (hidroxilázok)

    Monooxigenázok:

    az O2 molekula egyik atomját építik be a célmolekulába

    SH2 + O2= SO + H2O (internal monooxigenáz, a szubsztrátról jön az elektron)

    S + O2+ H2X = SO(H) + OH-_ + X (external monooxigenáz)

    • Példák:

    • p-hydroxybenzoát hydroxiláz család

    • phenol 2-hidroxiláz

    • alkil csoport hidroxiláz (metán monooxigenáz)

    • kámfor 5 monooxigenáz (Citokróm P-450 család)


    O EREDETŰ

    H

    O

    H

    H

    O

    H

    O

    NADH+H

    +

    NAD

    X

    X

    O

    H

    4-X-katekolát

    C

    O

    O

    H

    proximal-extradiol cleaving/

    C

    H

    O

    2,3-dioxygenases

    R

    O

    H

    O

    H

    C

    O

    O

    H

    C

    O

    O

    H

    +

    O

    intradiol cleaving/ 3,4-dioxygenases

    2

    R

    R

    C

    O

    O

    H

    O

    H

    C

    H

    O

    distal-extradiol cleaving/

    4,5-dioxygenases

    R

    Dioxigenázok, hidroxilázok

    Aromás gyűrű hidroxilázok

    +

    Y

    Sztereospecifikus hidroxilálás

    enzimatikus szintézisek

    O

    2

    X

    hidroxiláz

    4-X-dihidroxihexadién

    Aromás gyűrűt hasító dioxigenázok





    METANOTR EREDETŰÓFOK: MMO=metán monooxigenáz

    Két fajta enzim: membrán kötött (pMMO, Cu+), citoplazmatikus szolubilis (sMMO, Cu-)

    pMMO

    sMMO

    A metán oxidációja mellett NADH oxidáció (regenerálni kell)

    sMMO: széles szubsztráspecificitás több száz szerves vegyület oxidációja

     bioremediáció

    CH4

    O2

    O2

    Xred

    NADH+H+

    Xox

    NAD+

    H2O

    H2O

    CH3OH

    további alkalmazás: metanolgyártás


    O EREDETŰ

    H

    O

    H

    H

    O

    H

    O

    NADH+H

    +

    NAD

    X

    X

    O

    H

    4-X-katekolát

    C

    O

    O

    H

    proximal-extradiol cleaving/

    C

    H

    O

    2,3-dioxygenases

    R

    O

    H

    O

    H

    C

    O

    O

    H

    C

    O

    O

    H

    +

    O

    intradiol cleaving/ 3,4-dioxygenases

    2

    R

    R

    C

    O

    O

    H

    O

    H

    C

    H

    O

    distal-extradiol cleaving/

    4,5-dioxygenases

    R

    Dioxigenázok, hidroxilázok

    Aromás gyűrű hidroxilázok

    +

    Y

    Sztereospecifikus hidroxilálás

    enzimatikus szintézisek

    O

    2

    X

    hidroxiláz

    4-X-dihidroxihexadién

    Aromás gyűrűt hasító dioxigenázok



    Hydroxilázok szerepe a bioorganikus kémiában EREDETŰ

    Sphingomonas yanoikuyae

    biphenil dioxigenáz

    sztereoszelektív szintézisek

    például még a morfin,

    vagy a vanília szintézisében is





    A gyűrűhasítás mechanizmusa biodegradációjában

    intradiol

    extradiol



    Szubsztrátspecificitás ortho útvonal

    Nem adaptált sejtek (periférikus útvonal)

    Adaptált sejtek (periférikus útvonal)


    Szubsztrátspecificitás II. ortho útvonal

    Centrális útvonal, specializálódott sejtek

    ezt az adott útvonal minden enzimjére meg kellene vizsgálni

    az útvonal mentén a specificitás változik

    az enzimek specfificitását bővíteni kell


    Szubsztrátspecificitás bővítése ortho útvonal

    a sejtek adaptációja, hosszú idő (6 – 8 hónap)

    irányított evolúció

    az útvonalak kombinálása egyesével, vagy...


    Plasmid ortho útvonal

    Size (kb)

    Conjugative

    Incompatibility group

    Substrate

    Host

    Reference

    Peripheral pathways

      TOL

    117

    +

    P-9

    Xylenes, toluene, toluate

    Pseudomonas putida

      NAH7

    83

    +

    P-9

    Naphthalene via salicylate

    Pseudomonas putida

      pWW60-1

    87

    +

    P-9

    Naphthalene via salicylate

    Pseudomonas sp.

      pDTG1

    83

    +

    P-9

    Naphthalene via salicylate

    Pseudomonas putida

      SAL1

    85

    +

    P-9

    Salicylate

    Pseudomonas putida

      pKF1

    82

    ND

    Biphenyl via benzoate

    Acinetobacter sp. (reclassified

    9

      as Rhodococcus globerulus)

    9, 100100, 101101, 102102, 172172

      pWW100

      200

    ND

    Biphenyl via benzoate

    Pseudomonas sp.

      methylbiphenyls via toluates

      pWW110

    >200

    ND

    ND

    Biphenyl via benzoate

    Pseudomonas sp.

      methylbiphenyls via toluates

    9

    9, 3737, 101101, 139139, 180180, 181181

      pCITI

    100

    ND

    ND

    Aniline

    Pseudomonas sp.

      pEB

    253

    ND

    ND

    Ethylbenzene

    Pseudomonas fluorescens

      pRE4

    105

    ND

    ND

    Isopropylbenzene

    Pseudomonas putida

      pWW174

    200

    +

    ND

    Benzene

    Acinetobacter calcoaceticus

    17

      pHMT112

    112

    ND

    ND

    Benzene

    Pseudomonas putida

    17

      pEST1005

    44

    ND

    ND

    Phenol

    Pseudomonas putida

      pVI150

    mega

    +

    P-2

    Phenol, cresols,

    Pseudomonas sp.

      3,4-Dimethylphenol

    Central pathways

    145

      pAC25

    117

    +

    P-9

    3-Chlorobenzoate

    Pseudomonas putida

    145

      pJP4

    77

    +

    P-1

    3-Chlorobenzoate, 2,4-D

    Ralstonia eutropha (formerly

    Alcaligenes eutrophus)

      pBR60

    85

    +

    ND

    3-Chlorobenzoate

    Alcaligenes sp.

      pRC10

    45

    ND

    ND

    2,4-D

    Flavobacterium sp.

    9

    9, 2222, 101101, 180180, 181181

      pP51

    100

    ND

    1,2,4-Trichlorobenzene

    Pseudomonas sp.

      pMAB1

    90

    ND

    ND

    2,4-D

    Burkholderia (formerly

    Pseudomonas cepacia

    aND, not determined; 2,4-D, 2,4-dichlorophenoxyacetate.

    5

    5, 5353

    105

    105

    18

    18

    2

    2

    12

    12

    38

    38, 3939

    175

    175

    157

    157

    94

    94

    8

    8, 146146

    26

    26

    33

    33

    179

    179

    28

    28

    165

    165

    14

    14

    A gének sokszor (mega)plazmidon vannak


    Operon struktúrák ortho útvonal

    benzoesav bontás

    bifenil bontás

    módosított orto útvonal


    Szabályozás ortho útvonal

    a transzkripciós faktor szubsztrátspecificitása


    Metabolikus útvonalak kombinálása keresztezéssel ortho útvonal

    2. plazmid

    3. plazmid

    4. plazmid

    1. plazmid

    konjug.

    konjug.

    A törzs

    B törzs

    C törzs

    D törzs

    Plazmidrekombináció

    konjugáció

    F törzs

    E törzs

    Strain G

    Problémák azért még vannak


    ad