Bakterie węglowodoroklastyczne

Bakterie węglowodoroklastyczne (znane również jako bakterie rozkładające węglowodory , bakterie rozkładające olej lub HCB ) to heterogenna grupa prokariotów , które mogą rozkładać i wykorzystywać związki węglowodorowe jako źródło węgla i energii. Pomimo obecności w większości środowisk na całym świecie, kilka z tych wyspecjalizowanych bakterii żyje w morzu i zostało wyizolowanych z zanieczyszczonej wody morskiej.

Taksonomia i dystrybucja

Olej w morzu.

Różnorodność taksonomiczna bakterii rozkładających węglowodory nie zmieniła się dramatycznie, jeśli weźmiemy pod uwagę wyższe taksony, wiele badań dostarczyło informacji na temat 25 rodzajów bakterii rozkładających węglowodory i 25 rodzajów grzybów wyizolowanych ze środowisk morskich. Wykazano , że rodzaje bakterii, takie jak Gordonia , Brevibacterium , Aeromicrobium , Dietzia , Burkholderia i Mycobacterium wyizolowane z oleju, są potencjalnymi organizmami do degradacji węglowodorów. Cerniglia i in. zaobserwowali, że dziewięć cyjanobakterii, pięć zielonych alg, jedna czerwona alga, jedna brunatna alga i dwie okrzemki mogą utleniać naftalen. Temperatura ma kluczowe znaczenie, ponieważ wpływa na fizjologię i różnorodność drobnoustrojów; szybkość biodegradacji generalnie maleje wraz ze spadkiem temperatury.

Bakterie węglowodoroklastyczne są diazofilami, to znaczy mogą żyć w środowiskach skrajnie ubogich w związki azotu, co pozwala im na rozprzestrzenianie się w całym środowisku. Są niezwykle przydatne w przyjaznej dla środowiska biosanitarnej; najszybsza i najpełniejsza degradacja zachodzi w warunkach tlenowych.

Węglowodory występują w środowiskach morskich, w których dochodzi do wycieków ropy , co pozwala nam zrozumieć, że są one niezależne pod względem odżywczym od źródeł azotu, co jest charakterystyczne ze względu na ich zdolność do wiązania azotu atmosferycznego. W mieście Lagos w Nigerii dziewięć szczepów bakterii Pseudomonas fluorescens , P. aeruginosa , Bacillus subtilis , Bacillus sp., Alcaligenes sp., Acinetobacter lwoffi , Flavobacterium sp., Micrococcus roseus i Corynebacterium sp, wyizolowane z zanieczyszczonego strumienia, które mogą powodować degradację ropy naftowej ; wykryto je również w północno-wschodnich Indiach. Podczas incydentu w Luizjanie w Zatoce Meksykańskiej wykryto i zbadano około 100 szczepów, ujawniając, że wszystkie izolaty należą do typu Proteobacteria i trzech klas ( Alteromonadales , Rhodospirillales i Enterobacteriales ).

Organizmy te są zwykle obecne w bardzo małych ilościach, co daje im przewagę nad węglowodorami, takimi jak węgiel i energia, ponieważ szybko rosną i rozmnażają się. Bakterie podobne do Alcanivorax wykryto w środowiskach dotkniętych ropą na całym świecie, w tym w USA , Niemczech , Wielkiej Brytanii , Hiszpanii , Włoszech , Singapurze , Chinach , zachodnich Filipinach , Japonii , na grzbiecie środkowoatlantyckim w pobliżu Antarktydy oraz z osadów głębinowych we wschodniej części Oceanu Spokojnego .

Fizjologia i metabolizm

dioksygenazy związane z błoną oraz (2) mechanizmy optymalizujące kontakt z węglowodorami nierozpuszczalnymi w wodzie. Biodegradacja mikrobiologiczna zachodzi wszędzie tam, gdzie występuje zanieczyszczenie olejem. Jednak tempo biodegradacji jest powolne, w wyniku czego występują poważne skutki toksyczne dla życia morskiego w wodzie i na wybrzeżu.

Węglowodory zawarte w ropie naftowej mają różne zachowanie w wodzie w zależności od ich charakteru chemicznego. Ten proces nazywa się wietrzeniem , te o niskiej masie cząsteczkowej ulatniają się, gdy docierają do powierzchni.

Reszta jest atakowana przez bakterie, które są w stanie to zrobić. Bakterie te nie przylegają do oleju i nie wykazują dużej hydrofobowości powierzchni komórkowej. W kolejnym etapie degradacji uczestniczą mikroorganizmy o wysokiej hydrofobowości powierzchni komórkowej, które mogą przylegać do resztkowych węglowodorów o dużej masie cząsteczkowej. Adhezja jest spowodowana hydrofobowymi fimbriami, fibrylami, lipidami i białkami błony zewnętrznej oraz niektórymi małymi cząsteczkami powierzchni komórki, takimi jak gramicydyna S i prodigiozyna .

Wszystkie produkty ropopochodne pochodzą z ropy naftowej, której głównymi składnikami są węglowodory, które można podzielić na cztery frakcje: nasyconą , aromatyczną , żywiczną i asfaltenową . Podatność węglowodorów na degradację mikrobiologiczną można ogólnie uszeregować następująco: alkany liniowe alkany rozgałęzione > małe związki aromatyczne > alkany cykliczne. Niektóre związki, takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne ( WWA ) o dużej masie cząsteczkowej, mogą w ogóle nie ulegać degradacji, asfalteny i żywice są uważane za oporne do biodegradacji.

Szlaki degradacji alkanów

Alkany łatwo ulegają biodegradacji tlenowej w morzu na kilka różnych sposobów.

Utlenianie końcowe

Degradacja średniej długości przez Pseudomonas putida rozpoczyna się od hydroksylazy alkanowej, enzym ten składa się z trzech składników: oksygenazy związanej z błoną i dwóch rozpuszczalnych składników zwanych rubredoksyną i reduktazą rubredoksyny.

Z utleniania grupy metylowej n-alkanów przez hydroksylazę alkanową uwalniane są n- alkanole , które są dalej utleniane przez związaną z błoną dehydrogenazę alkoholową do n- alkanali . N-alkanale są następnie przekształcane w kwasy tłuszczowe , a następnie w acylo-CoA , odpowiednio przez dehydrogenazę aldehydową i syntetazę acylo-CoA .

$${\ Displaystyle {\ ce {CH3-R -CH3 -> CH3-R-CH2OH -> CH3-R-CHO -> CH3-R-COOH -> (CH2OH)-R-COOH}}}$$

$${\ Displaystyle {\ ce {CH3-R -CH2OH -> (CH2OH)-R-CH2OH -> (CH2OH)-R-CHO -> (CH2OH)-R-COOH}}}$$

$${\ Displaystyle {\ ce {(CH2OH) -R-COOH -> CHO-R-COOH -> HOOC-R-COOH} }}$$

Utlenianie subterminalne

Droga ta prowadzi do uwolnienia drugorzędowych alkoholi . n-alkany są utleniane przez monooksygenazę do drugorzędowych alkoholi, następnie do ketonów i ostatecznie do kwasów tłuszczowych.

$${\ Displaystyle {\ ce {R1- (CH2) (CH2) -R2 -> R1- (CH2) (CHOH) -R2 -> R1- (CH2) (CO)-R2 -> R1-(CH2)O(CO)-R2 -> R1-COOH + R2-COOH}}}$$

Szlaki degradacji cykloalkanów

Cykloalkany są degradowane przez mechanizm współutleniania, proces prowadzący do powstania cyklicznego alkoholu i ketonu. Monooksygenaza wprowadza tlen do cyklicznego ketonu i cykliczny pierścień zostaje rozszczepiony.

Rozbieżne ścieżki tlenowej degradacji toluenu

Szlaki degradacji węglowodorów aromatycznych

W przypadku związków aromatycznych istnieją różne szlaki, biorąc pod uwagę toluen , znanych jest co najmniej pięć, z których każdy jest obecny w określonych gatunkach bakterii, Burkholderia sp. szczep JS150 jest wyjątkowy w wykorzystaniu wielu szlaków metabolizmu toluenu:

• Ścieżka TOL : Ta ścieżka przyjmuje nazwę homonimicznego plazmidu , który ją koduje. Toluen rozkłada się do alkoholu do benzylu, do benzaldehydu, a następnie do benzoesanu, który jest dalej przekształcany w półprodukty cyklu TCA .
• Szlak F1 : P.putida jest w stanie podjąć ten szlak, który polega na wprowadzeniu do toluenu dwóch grup hydroksylowych, tworząc dihydrodiol cis-toluenu. Ten związek pośredni jest następnie przekształcany w 3-metylokatechol.
• Szlak KR1 : Pseudomonas mendocina KR1 jest w stanie przekształcić toluen w p-krezol przez enzym 4-monooksygenazę toluenu. Następnie w wyniku utleniania bocznego łańcucha metylowego powstaje p-hydroksybenzoesan.
• PK01 : Pseudomonas pickettii PKO1 utlenia toluen za pomocą enzymu 3-monooksygeazy toluenu do m-krezolu, który jest dalej utleniany do 3-metylokatecholu przez inną monooksygenazę.
• G4 : Szlak G4 zaobserwowano w Bukholderia cepacia G4, gdzie toluen jest przekształcany w o-krezol przez 2-monooksygenazę toluenu, a następnie inna monooksygenaza przekształca go w 3-metylokatechol.

Drogi degradacji beztlenowej

Składniki ropy uwięzione w osadach morskich mają tendencję do utrzymywania się w warunkach beztlenowych . Niektóre węglowodory mogą ulec utlenieniu w warunkach beztlenowych, gdy redukcja azotanów , redukcja siarczanów, produkcja metanu, redukcja Fe ³⁺ lub fotosynteza są połączone z utlenianiem węglowodorów.

Szczep bakterii beztlenowych HD-1 rośnie na CO ₂ w obecności H
₂ lub tetradekanu. W przypadku braku H
₂ tetradekan ulega degradacji, a głównym produktem pośrednim metabolizmu jest 1-dodecen

Beztlenowa degradacja toluenu

Czynniki wpływające na biodegradację

Biodegradacja węglowodorów jest ograniczona przez szereg czynników chemicznych, fizycznych i biologicznych.

Udział biosurfaktanta (ramnolipidu) wytwarzanego przez Pseudomonas sp. w pobieraniu węglowodorów.

• Biosurfaktanty: Kontakt między bakteriami a węglowodorami ma fundamentalne znaczenie, ponieważ pierwszy etap degradacji obejmuje użycie oksygenazy. Kontaktowi sprzyjają mechanizmy przylegania i emulgowania. Bakterie rozkładające węglowodory często wytwarzają bioemulgatory jako wtórne metabolity . Można je podzielić na cząsteczki o niskiej masie cząsteczkowej, które skutecznie obniżają napięcia powierzchniowe i międzyfazowe, oraz polimery o wysokiej masie cząsteczkowej, które mocno wiążą się z powierzchniami. Niektóre bioemulsyfikatory sprzyjają rozwojowi bakterii na podłożach hydrofobowych nierozpuszczalnych w wodzie poprzez zwiększenie ich biodostępności, zwiększenie ich powierzchni, desorpcję z powierzchni oraz zwiększenie rozpuszczalności. Biosurfaktanty mają amfifilowy , który pozwala mikroorganizmom, które je wytwarzają, wykorzystywać substraty hydrofobowe, umożliwiając ruchliwość, unikając konkurentów. Część hydrofobowa zwykle zawiera nasycone lub nienasycone kwasy tłuszczowe, hydroksykwasy tłuszczowe lub alkohole tłuszczowe o długości łańcucha od 8 do 18 atomów węgla. Składniki hydrofilowe składają się albo z małych hydroksylowych , fosforanowych lub karboksylowych , albo z części węglowodanów lub peptydów . Przeważają biosurfaktanty anionowe i niejonowe .
• Wymagania żywieniowe dla wzrostu : HCB potrzebują również dużych ilości azotu i fosforu. Oszacowano, że na 1 kg utlenionego węglowodoru potrzeba 150 g azotu i 30 g fosforu.
• Temperatura: Biodegradacja węglowodorów ropopochodnych zachodzi w optymalnej temperaturze między 20°C a 50°C, natomiast w niższych temperaturach tempo rozkładu jest wolniejsze.
• pH i tlen: Bakterie wymagają neutralnego pH, a ten sam olej może pomóc zneutralizować środowiska, które są zbyt kwaśne dla rozwoju drobnoustrojów. Tlen ma kluczowe znaczenie dla degradacji tlenowej.

Ekologia

Obecnie większość badań ekologii bakterii węglowodorowych dotyczy szerokiej grupy rodzajów występujących głównie w środowiskach morskich. Ponieważ każdy z nich charakteryzuje się innym metabolizmem, organizmy te współpracują ze sobą w celu bardzo wydajnego rozkładu wszystkich rodzajów związków węglowodorowych. Odgrywają również fundamentalną rolę w cyklu biogeochemicznym węgla , a kilka badań pokazuje, że niektóre gatunki mogą tworzyć skomplikowane relacje z różnymi organizmami morskimi.

Społeczności drobnoustrojów rozkładające ropę i sukcesje ekologiczne

Kiedy uwalnianie ropy (lub jakiegokolwiek innego związku węglowodorowego) ma miejsce w określonym obszarze morskim, wiele gatunków bakterii zaczyna go kolonizować, zmieniając społeczność drobnoustrojów już tam obecną. Analiza dynamiki tych zbiorowisk doprowadziła do odkrycia wspólnych wzorców związanych z biodegradacją, a informacje te mogą być przydatne do doskonalenia metod bioremediacji. Społeczność drobnoustrojów in situ tasuje się, ponieważ ilość składników odżywczych zmienia się wraz ze wzrostem obecności węglowodorów: ta sytuacja ekologiczna jest w stanie wybrać tylko te organizmy, które mogą wykorzystywać węglowodory jako źródło energii i posiadają wszystkie enzymy, aby to zrobić. Ponadto większość gatunków ulegających biodegradacji w oleju wymaga określonych ilości fosforu i azotu do przeprowadzenia procesów katabolicznych. Można zatem stwierdzić, że liczebność bakterii węglowodoroklastycznych jest ograniczona głównie dostępnością azotu i fosforu.

Kilka eksperymentów przeprowadzonych zarówno in vitro, jak i in situ wykazało fundamentalną rolę OHCB (obowiązkowych bakterii węglowodorowych) podczas zdarzeń takich jak wyciek ropy. Pierwsze populacje mikroorganizmów, które rozkwitają, gdy uwalniane są węglowodory, to tak zwani generaliści, którzy mogą rozrywać (poprzez określone enzymy) najprostsze wiązania w węglowodorach (ogólnie są to degradatory n-alkanów); wśród nich najpowszechniejszym rodzajem jest Alcanivorax (najważniejszym gatunkiem jest Alcanivorax borkumensis ), które mogą rozkładać alifatyczne związki węglowodorowe. Następnie specjaliści zastępują generalistów, aby zdegradować silniejsze i bardziej złożone granice; wśród nich jednym z najbardziej znanych rodzajów jest Cycloclasticus , który może na przykład rozkładać węglowodory aromatyczne, takie jak WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne).

Do tej pory nie znaleziono żadnych węglowodoroklastycznych gatunków Archaea, ponieważ wydaje się, że są one zbyt wrażliwe na skutki wycieku ropy, o czym świadczy wiele badań przeprowadzonych na plażach i wodach przybrzeżnych . Niemniej jednak gatunki Archaea mogą być wykorzystywane jako wskaźniki stanu ekologicznego środowiska.

Relacje z innymi organizmami morskimi w procesach bioremediacji

Bakterie węglowodoroklastyczne tworzą tylko część sieci ekologicznej podczas procesów bioremediacji i biodegradacji, co wiąże się z wieloma bezpośrednimi i pośrednimi relacjami i interakcjami z innymi społecznościami, a także z otaczającym środowiskiem. Takie interakcje obejmują rywalizację o ograniczenie składników odżywczych, drapieżnictwo ze strony pierwotniaków , lizę przez fagi i interakcje kooperacyjne, które mogą zmniejszać lub zwiększać degradację węglowodorów.

Dostępność składników odżywczych, a także recykling składników odżywczych to ważne aspekty społeczności biodegradowalnych. Jak wspomniano wcześniej, ilość fosforu i azotu może modyfikować strukturę populacji drobnoustrojów, aw konsekwencji skład społeczności, który jest kształtowany przez obecność określonych cząsteczek w ekosystemie.

Drapieżnictwo i interakcje z fagami również wpływają na rozwój społeczności bakterii hydrokarbonoklastycznych. Niewykluczone, że zwiększenie obrotu biomasy (co można uzyskać poprzez stymulację aktywności lizy bakteriofagów lub żerowania pierwotniaków) mogłoby przynieść korzyści populacjom hydrokarbonoklastycznym poprzez stymulację remediacji biologicznej. W rzeczywistości obecność ropy w środowisku może wywoływać profagi i późniejsza liza ogromnej liczby bakterii. Jednocześnie recykling składników odżywczych spowodowany lizą fagów może wywołać rozkwit tych gatunków, którym sprzyja obecność zarówno składników odżywczych, jak i węglowodorów (wykorzystywanych jako źródło energii). Z drugiej strony obecność pierwotniaków może stworzyć sytuację odwrotną (ma to negatywny wpływ na biodegradację), poprzez ograniczenie wzrostu populacji bakterii w ekosystemie. Dlatego interakcje z drapieżnikami mają fundamentalne znaczenie w środowiskach morskich. Niemniej jednak w określonych przypadkach obecność drapieżników może przyspieszyć degradację bakterii, jak ma to miejsce w przypadku benzenu lub toluenu. Co więcej, podobnie jak w przypadku fagów, aktywność drapieżników tworzy pętlę żywieniową , ponieważ drapieżniki mogą remineralizować składniki odżywcze, co zwiększa wzrost bakterii.

Przegląd części biotycznej globalnego obiegu węgla, związanego głównie z metabolizmem węglowodorów.

Rola w biogeochemicznym obiegu węgla

Ponieważ bakterie węglowodoroklastyczne mogą utleniać długie związki węglowe, ich metabolizm obejmuje część dużej rodziny reakcji biotycznych w biogeochemicznym obiegu węgla . Węglowodory, zwłaszcza alkany, są wytwarzane przez niezliczone organizmy jako odpady, w celach obronnych, jako elementy strukturalne i jako chemoatraktanty. Dlatego ten rodzaj biodegradacji stanowi jedno z głównych pochłaniaczy związków węglowodorowych i jedno ze źródeł dwutlenku węgla w środowiskach morskich.

Podsumowując, bakterie węglowodoroklastyczne mogą mobilizować węglowodory ze źródeł naturalnych i wykorzystywać utlenione atomy węgla oraz wprowadzać je do swoich centralnych szlaków metabolicznych. Te utlenione cząsteczki wchodzą w fazę biotyczną cyklu węglowego i mogą zostać zasymilowane przez konsumentów pierwotnych i wtórnych poprzez drapieżnictwo lub mogą przejąć je po śmierci komórki.

Zastosowania biotechnologiczne

Bakterie rozkładające węglowodory mają wiele różnych zastosowań, ale szczególnie ważna jest ich rola w dziedzinie mikrobiologii środowiskowej .

Morskie bakterie węglowodoroklastyczne są potężnymi narzędziami do bioremediacji , ponieważ mogą rozkładać i przekształcać zanieczyszczające oleje ze względu na ich wszechstronność kataboliczną. W ten sposób za pomocą biotechnologii możliwe jest przyspieszenie oczyszczania zanieczyszczonego miejsca, takiego jak regiony przybrzeżne i morskie, po wycieku ropy lub zanieczyszczenia spowodowanego działalnością człowieka, ale także możliwe jest powstrzymanie i złagodzenie ich szkód. Zwykle kwitną po wycieku ropy lub innym zanieczyszczeniu, a ponieważ są bardzo wszechstronne metabolicznie, mogą rosnąć na minimalnych podłożach. Jednym z przykładów jest bakteria wiążąca azot i rozkładająca ciężki olej Azospirillum oleiclasticum, który wyizolowano z mieszaniny do produkcji oleju. Ale A. oleiclasticum nie jest jedynym szczepem, który może rosnąć na oleju, badanie z 2013 roku wykazało, że istnieje co najmniej 125 szczepów przystosowanych do wzrostu na podłożu minimalnym uzupełnionym ropą naftową. Dominującymi bakteriami wykrywanymi metodami były Proteobacteria, a najliczniejszymi gatunkami były rodzaje Acinetobacter i Stenotrophomons .

Są również wykorzystywane w biosyntezie, ponieważ stanowią niezwykłe archiwum enzymów, takich jak mono i dioksygenazy, oksydazy, dehydrogenazy i inne. Ponadto, ponieważ są przystosowane do wzrostu w środowiskach bogatych w węglowodory, często syntetyzują charakterystyczne związki, takie jak polimerowe substancje magazynujące o znaczeniu przemysłowym i biodetergenty o wysokiej aktywności emulgującej. Jednym z przykładów jest zastosowanie oleistych drożdży Yarrowia lipolytica . Ponieważ drożdże te mają wszechstronny metabolizm lipidów, dzięki połączeniu ze specyficznymi genami bakteryjnymi mogą wykorzystywać określone szlaki enzymatyczne do biokonwersji różnych lipidów (ropa naftowa, alkany, oleje roślinne, kwasy tłuszczowe), tłuszczów i olejów w wartościowe przemysłowo związki pochodzące z lipidów, takie jak izoprenoid pochodne (karotenoidy, polienowe estry karotenoidów), estry woskowe (WE), polihydroksyalkaniany (PHA) i wolne hydroksylowane kwasy tłuszczowe (HFA).

Linki zewnętrzne

• Media związane z bakteriami hydrokarbonoklastycznymi w Wikimedia Commons