Information

17.2: Bioremediering - Biologi

17.2: Bioremediering - Biologi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Bioremediering är en avfallshanteringsteknik som involverar användning av organismer som växter, bakterier och svampar för att avlägsna eller neutralisera föroreningar från en förorenad plats. Enligt United States EPA är bioremediering en "behandling som använder naturligt förekommande organismer för att bryta ner farliga ämnen till mindre giftiga eller icke-giftiga ämnen".

Bioremediering används i stor utsträckning för att behandla mänskligt avloppsvatten och har även använts för att avlägsna jordbrukskemikalier (bekämpningsmedel och gödningsmedel) som läcker från marken till grundvattnet. Vissa giftiga metaller, såsom selen och arsenikföreningar, kan också avlägsnas från vatten genom biosanering. Kvicksilver är ett exempel på en giftig metall som kan avlägsnas från en miljö genom biosanering. Kvicksilver är en aktiv ingrediens i vissa bekämpningsmedel och är också en biprodukt från vissa industrier, till exempel batteriproduktion. Kvicksilver finns vanligtvis i mycket låga koncentrationer i naturliga miljöer, men det är mycket giftigt eftersom det ackumuleras i levande vävnader. Flera arter av bakterier kan utföra biotransformationen av giftigt kvicksilver till ogiftiga former. Dessa bakterier, som t.ex Pseudomonas aeruginosa, kan omvandla Hg2+ till Hg, vilket är mindre giftigt för människor.

Förmodligen ett av de mest användbara och intressanta exemplen på användningen av prokaryoter för biosanering är saneringen av oljeutsläpp. Prokaryoternas betydelse för petroleumbiosanering har visats i flera oljeutsläpp de senaste åren, såsom Exxon Valdez-utsläppet i Alaska (1989) (Figur (PageIndex{1})), oljeutsläppet Prestige i Spanien (2002) ), utsläppet till Medelhavet från ett kraftverk i Libanon (2006) och på senare tid, oljeutsläppet från BP i Mexikanska golfen (2010). För att sanera dessa spill främjas biosanering genom att lägga till oorganiska näringsämnen som hjälper bakterier som redan finns i miljön att växa. Kolvätenedbrytande bakterier livnär sig på kolvätena i oljedroppen och bryter ner dem till oorganiska föreningar. Vissa arter, som t.ex Alcanivorax borkumensis, producerar ytaktiva ämnen som solubiliserar oljan, medan andra bakterier bryter ned oljan till koldioxid. Vid oljeutsläpp i havet tenderar pågående, naturlig biosanering att inträffa, eftersom det finns oljeförbrukande bakterier i havet innan utsläppet. Under idealiska förhållanden har det rapporterats att upp till 80 procent av de icke-flyktiga komponenterna i olja kan brytas ned inom 1 år efter utsläppet. Forskare har genmanipulerat andra bakterier för att konsumera petroleumprodukter; faktiskt, den första patentansökan för en biosaneringsansökan i USA var för en genetiskt modifierad oljeätande bakterie.

Det finns ett antal kostnads-/effektivitetsfördelar med biosanering, som kan användas i områden som är otillgängliga utan schaktning. Till exempel kan kolväteutsläpp (särskilt oljeutsläpp) eller vissa klorerade lösningsmedel förorena grundvattnet, vilket kan vara lättare att behandla med biosanering än mer konventionella metoder. Detta är vanligtvis mycket billigare än schaktning följt av bortskaffande på annat håll, förbränning eller andra behandlingsstrategier utanför anläggningen. Det minskar eller eliminerar också behovet av "pump and treat", en praxis som är vanlig på platser där kolväten har förorenat rent grundvatten. Att använda prokaryoter för bioremediering av kolväten har också fördelen att bryta ned föroreningar på molekylär nivå, i motsats till att helt enkelt kemiskt sprida föroreningen.


Hypomyeliniserande leukodystrofier – reda ut myelinbiologin

Hypomyeliniserande leukodystrofier utgör en undergrupp av genetiska sjukdomar i vit substans som kännetecknas av en primär brist på myelinavlagring. De flesta patienter med allvarlig hypomyelinisering uppträder i spädbarnsåldern eller i tidig barndom och utvecklar allvarliga neurologiska störningar, men den kliniska presentationen kan också vara mild med debut av symtom i tonåren eller vuxen ålder. MRT kan användas för att visualisera myeliniseringsprocessen i detalj, och MRT-mönsterigenkänning kan ge en klinisk diagnos hos många patienter. Nästa generations sekvensering ger en definitiv diagnos hos 80-90 % av patienterna. Gener associerade med hypomyelinisering inkluderar de som kodar för strukturella myelinproteiner men också många som kodar för proteiner involverade i RNA-translation och vissa lysosomala proteiner. De exakta patomekanismerna återstår att belysa. Förbättrad förståelse för myeliniseringsprocessen, de metaboliska axonala stödfunktionerna hos myelin och det föreslagna bidraget från myelin till CNS-plasticitet ger möjliga förklaringar till varför nästan alla patienter med hypomyelinisering upplever långsam klinisk nedgång efter en lång fas av stabilitet. I den här recensionen ger vi en översikt över de hypomyeliniserande leukodystrofierna, framstegen i vår förståelse av myelinbiologi och av generna som är involverade i dessa sjukdomar, och de insikter som dessa framsteg har gett i deras kliniska presentationer och evolution.


Xenobiotiska föreningar: betydelse, faror och biologisk nedbrytning

I den här artikeln kommer vi att diskutera om: - 1. Betydelsen av Xenobiotiska föreningar 2. Typer av motstridiga främlingsfientliga föreningar 3. Faror 4. Allmänna egenskaper för biologisk nedbrytning 5. Sammetabolism och omotiverad metabolism 6. Biologisk nedbrytning av halogenerade föreningar 7. Ursprunget till förmågan att bryta ned främlingsfientliga läkemedel.

Betydelsen av Xenobiotiska föreningar:

Xenobiotiska föreningar är konstgjorda kemikalier som finns i miljön i onaturligt höga koncentrationer. De främlingsfientliga föreningarna produceras antingen inte naturligt eller produceras i mycket lägre koncentrationer än människan. Mikroorganismer har förmågan att bryta ned alla naturligt förekommande föreningar, detta är känt som principen om mikrobiell ofelbarhet som föreslogs av Alexander 1965.

Mikroorganismer kan också bryta ned många av de främlingsfientliga föreningarna, men de kan inte bryta ner många andra. De föreningar som motstår biologisk nedbrytning och därigenom finns kvar i miljön kallas motsträviga.

De främlingsfientliga föreningarna kan vara motsträviga på grund av ett eller flera av följande skäl:

(i) De känns inte igen som substrat av befintliga nedbrytande enzymer,

(ii) De är mycket stabila, d.v.s. kemiskt och biologiskt inerta på grund av närvaron av substitutionsgrupper som halogener, nitro-, sulfonat-, amino-, metoxi- och karbamylgrupper,

(iii) De är olösliga i vatten eller adsorberas till externa matriser som jord,

(iv) De är mycket rävande eller ger upphov till giftiga produkter på grund av mikrobiell aktivitet,

(v) Deras stora molekylstorlek förhindrar inträde i mikrobiella celler,

(vi) Oförmåga hos föreningarna att inducera syntesen av nedbrytande enzymer, och

(vii) Jack av perm-lätthet som behövs för deras transport in i de mikrobiella cellerna.

Typer av motstridiga xenobiotiska föreningar:

De motsträviga främlingsfientliga föreningarna kan grupperas i följande 6 typer:

(ii) Polyklorerade bifenyler,

(iv) Alkylbensylsulfonater,

De strukturella egenskaperna som gör dessa föreningar resistenta mot mikrobiell nedbrytning inkluderar följande:

(i) Förekomst av halogener i stället för väte i molekylen kol-halogenbindningen är mycket stabil och dess klyvning kräver avsevärd energi,

(ii) Substitution av H med andra grupper som nitro-, sulfonat-, metoxi-, amino- och karbomylgrupper,

(iii) Cykliska strukturer, aromatiska föreningar, cykloalkaner och heterocykliska föreningar är mer motsträviga än linjärkedjiga eller alifatiska föreningar,

(iv) Förgrenade linjära kedjor motstår biologisk nedbrytning etc.

I allmänhet gäller att ju mer komplex strukturen hos en främlingsfientlig förening är, desto mer motståndskraftig är den mot biologisk nedbrytning. Många andra xenobiotika motstår biologisk nedbrytning på grund av sin stora molekylstorlek och olöslighet i vatten.

Dessa föreningar innehåller olika antal halogenatomer (t.ex. Cl, Br, F (fluor), I) i stället för H-atomer. De används som lösningsmedel (kloroform, CHCI3), som drivmedel i sprayburkar av kosmetika, färger etc., i kondensorenheter i kylsystem (Freons, CCI3F, CCl2F2, CClF3CF4), och som insekticider (DDT, BHC, lindan etc.) och herbicider (dalapon, 2, 4-D, 2, 4, 5-T etc.).

C1-C2 haloalkaner som kloroform, freoner etc. är flyktiga och flyr ut i atmosfären där de förstör det skyddande ozonet (O3) lager som leder till ökad UV-strålning. Bekämpningsmedel (herbicider, fungicider och insekticider) appliceras på grödor varifrån de läcker ut i vattendrag, många av dem är föremål för bioförstoring.

(ii) Polyklorerade bifenyler (PCB’s):

Dessa föreningar har två kovalent kopplade bensenringar med halogener som ersätter H. PCB’s används som mjukgörare, isolatorkylmedel i transformatorer och som värmeväxlingsvätskor. De är både biologiskt och kemiskt inerta i olika grad, vilket ökar med antalet kloratomer som finns i molekylen.

Den motsträviga naturen hos ovanstående två grupper av föreningar beror på deras halogenering och även deras cykliska struktur (PCB’s).

(iii) Syntetiska polymerer:

Dessa föreningar tillverkas som plaster, t.ex. polyeten, polystyren, polyvinylklorid etc. och nylon som används som plagg, omslagsmaterial etc. De är motsträviga främst på grund av sin olöslighet i vatten och molekylstorlek.

(iv) Alkylbensylsulfonater:

Dessa är ytaktiva tvättmedel som är överlägsna tvål. Sulfonatet (— SO3 – ) grupp som finns i ena änden motstår mikrobiell nedbrytning, medan den andra änden (icke-polär alkylände) blir motsträvig om den är förgrenad (motståndet ökar med graden av förgrening). För närvarande används alkylbensylsulfonater med icke-grenade alkyländar, dessa bryts ned biologiskt genom p-oxidation från deras alkyländar.

Olja är en naturprodukt, har många komponenter och är biologiskt nedbrytbar, de olika komponenterna bryts ned i olika hastighet. Biologisk nedbrytning klarar av att hantera små oljeläckage. Men när stora utsläpp inträffar blir problemet med föroreningar akut. Olja är motsträvig främst på grund av dess olöslighet i vatten och på grund av toxiciteten hos några av dess komponenter.

(vi) Andra främlingsfientliga föreningar:

Ett antal bekämpningsmedel är baserade på alifatiska, cykliska ringstrukturer innehållande substitution av nitro-, sulfonat-, metoxi-, amino- och karbomylgrupper, dessutom innehåller de halogener. Dessa byten gör dem motsträviga.

Faror från främlingsfientliga föreningar:

Xenobiotika utgör ett antal potentiella faror för människan och miljön som kortfattat listas nedan.

Många främlingsfientliga läkemedel som halogenerade och aromatiska kolväten är giftiga för bakterier, lägre eukaryoter och till och med människor. Vid låga koncentrationer kan de orsaka olika hudproblem och minska reproduktionspotentialen.

(ii) Cancerframkallande egenskaper:

Vissa halogenerade kolväten har visat sig vara cancerframkallande.

(iii) Många främlingsfientliga läkemedel är motsträviga och kvarstår i miljön så att deras koncentration ökar med tiden.

(iv) Många främlingsfientliga läkemedel inklusive DDT och PCB’ är motsträviga och lipofila som en konsekvens av att de visar bioackumulering eller bioförstoring ofta med en faktor på 10 4 – 10 6 .

Bioförstoring sker främst på grund av följande två skäl:

(i) Dessa föreningar tas kontinuerligt upp från miljön och ackumuleras i kroppens lipidavlagringar, t.ex. en 100-faldig ackumulering av DDT av plankton från vatten,

(ii) Sådana organismer konsumeras av andra organismer på ett sekventiellt sätt som utgör näringskedjan, t.ex. plankton → liten fisk → stor fisk → havsörnar koncentrationen av främlingsfientliga ämnen byggs upp när vi rör oss uppåt i näringskedjan (tabell 32.1) .

I fallet med DDT sker en 10 5 –-faldig ökning hos havsörnar jämfört med den koncentration som finns i vattenmiljön som ett resultat av vilken havsörnar lägger sköra ägg. DDT och PCB’ har hittats i mänskliga vävnader i höga men subletala koncentrationer i de länder där de har använts, även om människor ofta inte var i direkt kontakt med dessa kemikalier.

(v) De produceras och används i stora mängder vilket gynnar deras ackumulering i naturen.

Allmänna egenskaper för biologisk nedbrytning av främlingsfientliga läkemedel:

Eftersom xenobiotika består av en mängd olika föreningar sker deras nedbrytning via ett stort antal metaboliska vägar.

Nedbrytning av alkaner och aromatiska kolväten sker vanligtvis enligt följande:

(i) Ett oxygenas introducerar först en hydroxylgrupp för att göra föreningen reaktiv,

(ii) Hydroxylgruppen oxideras sedan till en karboxylgrupp,

(iii) Ringstrukturen öppnas upp (vid cykliska föreningar),

(iv) Den linjära molekylen bryts ned genom β-oxidation för att ge acetyl CoA som metaboliseras på vanligt sätt. Till exempel oxideras en n-alkan enligt följande.

På liknande sätt oxideras ett alicykliskt kolväte, t.ex. cyklohexan, enligt följande:

(i) Först lägger ett oxygenas till en -OH-grupp i ringen,

(ii) Sedan bildar ett annat oxygenas en ester i form av en lakton,

(iii) Som sedan hydrolyseras för att öppna ringstrukturen för att ge en linjär molekyl (Fig. 32.12).

I båda dessa oxidationer är monooxygenaser involverade som tillför syre till en enda position i molekylen. Däremot kan oxidation av bensenringen involvera ett dioxygenas som tillför syre i två positioner i molekylen i ett enda steg (Fig. 32.13).

Både mono- och di-oxygenaser är av en mängd olika typer: vissa reagerar bäst med kortkedjiga alkaner, medan andra verkar på cykliska alkaner. Men dessa enzymer är inte särskilt specifika och varje enzym oxiderar ett begränsat antal föreningar. Således bryts xenobiotika ned av en mängd olika mikroorganismer, som var och en bryter ned ett litet urval av föreningar.

Ofta involverar oxidation av xenobiotika cytokrom P450 eller rebredoxin. Dessutom modifieras eller avlägsnas halogenerna och/eller andra substituentgrupper vanligtvis som en av de initiala reaktionerna eller ibland uppnås det senare i processen.

Kolvätenedbrytning:

Nedbrytningen av kolväten beskrivs kortfattat nedan:

(i) Halometaner:

Halometaner överförs till metanol av enzymet metanmonooxygenas som använder dem som substrat. Detta enzym förekommer i ett antal metylotrofer. Alternativt katalyserar ett glutationberoende hydrolas oxidativ deklorering av halometaner till metanol. Denna reaktion är anaerob och använder syre som härrör från vatten. Metanol oxideras till CO2 + H2O via formaldehyd och myrsyra.

Cyanid (HCN) är giftigt för biologiska system och till och med mikroorganismer som kan bryta ned cyanid tål inte en hög koncentration av HCN. Vissa av cyaniderna, t.ex. HCN och CH3CN, är flyktiga. Därför är kassering av cyanid strikt kontrollerad.

Det degraderas enligt följande:

(iii) Alifatiska kolväten:

Alifatiska kolväten kan vara mättade eller omättade, n-alkaner med 10-24 kol är de lättast biologiskt nedbrytbara. På liknande sätt är mättade alifater lättare att bryta ned än omättade och grenade kedjor visar minskad biologisk nedbrytning. Biologisk nedbrytning av n-alkaner katalyseras av oxygenaser för att producera karboxylsyra, som sedan bryts ned genom β-oxidation.

Oxidation kan involvera metangruppen i ena änden av n-alkanmolekylen, eller så kan den ske vid en β-metylengrupp (Fig. 32.14). Ibland oxideras båda terminala metylgrupperna för att ge en dikarboxylsyra. Denna reaktion används av många mikroorganismer för biologisk nedbrytning av grenkedjiga n-alkaner.

(iv) Alicykliska kolväten:

Alicykliska kolväten finns naturligt i vaxer från växter, råolja, mikrobiella lipider etc. och representeras av främlingsfientliga medel som används som bekämpningsmedel och även i petroleumprodukter. O-substituerade cyklohexanringar oxideras enligt konturerna i Fig. 32.12.

(v) Aromatiska kolväten:

Aromatiska kolväten är ganska stabila.

Dessa oxideras av di-oxygenascs (Fig. 32.13) till katekol som vidare metaboliseras av två separata vägar:

(i) Vid orto-ringklyvningsväg klyver ett 1,2-dioxygenas ringen mellan de två intilliggande hydroxylgrupperna och sekventiell katabolism av produkten cis, cis-mukonat ger succinat + acetyl CoA (Fig. 32.13).

(ii) Alternativt klyver enzymet 2,3-dioxygenas ringen mellan kolatomen som har en OH-grupp och ett intilliggande kol som saknar en OH-grupp (meta-klyvning) produkterna i slutet av reaktionssekvensen är acetaldehyd och pyruvat . Både orto- och metavägar är involverade i nedbrytning av aromatiska kolväten. Bensen bryts ned av metavägen.

(vi) Polycykliska kolväten:

Polycykliska kolväten innehåller två eller flera ringar. I allmänhet angrips en av de terminala ringarna av ett dioxygenas, vilket leder till ringklyvning och nedbrytning så att till slut finns en enda ring kvar som kataboliseras på ett sätt som liknar det som beskrivs ovan (Fig. 32.13).

Nedbrytning av komplexa molekyler som innehåller alifatiska, aromatiska, alicykliska eller heterocykliska komponenter är svår att generalisera men följande egenskaper observeras:

(i) Amid-, ester- eller eterbindningar angrips först och ytterligare nedbrytning av de så genererade produkterna äger rum

(ii) Om dessa bindningar saknas eller otillgängliga bryts alifatiska kedjor ned

(iii) Om alifatiska kedjor är grenade kan den aromatiska komponenten i komplexa molekyler angripas,

(iv) Platsen och angreppssättet beror på den molekylära strukturen, den involverade mikroorganismen och miljöförhållandena,

(v) I allmänhet ökar motstridighet av olika bensenderivat med substituentgrupperna (i metaposition) enligt följande: COOH = OH < -NH2 < -O—CH3 < -SO3 – < -NEJ2 – .

Ju större antalet substituentgrupper på bensenringen, desto högre är graden av motstridighet. (ii) Substitutionspositionen påverkar också recalcitrance som meta > orto > para i motstridighet (Fig. 32.15).

Sammetabolism och omotiverad metabolism av främlingsfientliga föreningar:

Vissa främlingsfientliga föreningar, t.ex. cyklohexan, halogenerade föreningar etc., bryts ned av mikrober, men dessa föreningar används sällan, om aldrig, som energi- och kolkällor av dem.

Nedbrytning av sådana föreningar beror därför på närvaron av en annan förening som inducerar de nödvändiga enzymerna, och vars metabolism ger både energi och reducerande ekvivalenter för nedbrytningen av främlingsfientliga föreningar (och den C, energi etc. som behövs för mikrobiell tillväxt).

Tydligen i sådana fall beror nedbrytning av främlingsfientliga föreningar på närvaron och metabolismen av ett lämpligt substrat som kallas sam-metabolit, en sådan nedbrytning kallas sam-metabolism.

Däremot bryts flera främlingsfientliga föreningar ned av en existerande väg och används av mikrober som energikällor och reducerande ekvivalenter, detta är känt som gratis metabolism. I en sådan metabolism induceras de nödvändiga enzymerna redan av en annan förening som inte behövs som en sammetabolit.

De främlingsfientliga ämnen som bryts ned av både gratis och sam-metabolism är mycket lika de naturliga substraten för enzymerna som är involverade i deras nedbrytning. Ofta kanske en främlingsfientlig förening inte bryts ned fullständigt av omotiverad metabolism, men produkten kan vara mindre förorenande eller kan användas som substrat av vissa organismer.

Biologisk nedbrytning av halogenerade föreningar:

Biologisk nedbrytning av sådana föreningar involverar två distinkta steg:

(i) Eliminering av halogengrupperna, och

(ii) Nedbrytning av den icke-halogenerade produktmolekylen.

Avlägsnande av halogenmolekyler kan ske antingen direkt involverande avlägsnande av vätehalogenid (t.ex. HCI, Fig. 32.16), eller så kan det involvera ersättning av halogen med —H (Fig. 32.16B), -OH (Fig. 32.16C) eller en -tiogrupp (fig. 32.16D).

Det direkta halogenavlägsnandet ger en dubbelbindning och är relativt snabb till sin natur. Mekanismen som involverar halogensubstitution, speciellt med -OH, är mycket vanligare, särskilt för helt reducerade alifatiska eller aromatiska föreningar.

Den aeroba nedbrytningen av halogenerade aromatiska föreningar involverar vanligtvis följande steg:

(i) Tillsats av -OH-grupp med ett dioxygenas för att ge klorerade katekoler (som i fallet med normal bensen Fig. 32.13),

(ii) Klyvning av ringen genom ortlio- eller metaklyvning (metaklyvning resulterar ofta i att halogenen inte elimineras från den alifatiska produkten, vilket kan leda till ackumulering av toxiska metaboliter),

(iii) Eliminering av halogenen från den rakkedjiga (alofatiska) produkten, och slutligen,

(iv) Nedbrytning av det på detta sätt framställda alifatiska kolvätet (icke-halogenerat). När det gäller fenoler (som redan har en —OH-grupp), katalyseras steg 1-reaktionen av ett hydroxylas som adderar en annan —OH-grupp för att ge katekolerna.

I sällsynta fall kan emellertid halogenen avlägsnas före klyvning av den aromatiska ringen. Vanligtvis sker avlägsnandet av halogen’ genom att den ersätts med en -H- eller -OH-grupp, den resulterande icke-halogenerade aromatiska föreningen metaboliseras sedan som avbildas i Fig. 32.13.

Ursprunget till förmågan att bryta ned främlingsfientliga läkemedel:

Fortsatt exponering av mikroorganismer för främlingsfientliga föreningar kan ofta leda till utvecklingen av metaboliska processer som behövs för att helt eller delvis bryta ner främlingsfientliga ämnet.

Dessa funktioner kan uppstå på grund av:

(ii) Överföring av plasmidburna gener.

Genmutation sker spontant med låg frekvens. Men den korta generationstiden och mycket stora populationer av mikroorganismer gör mutation till en potent källa till genetisk variation.

Mutationer kan förväntas antingen modifiera det aktiva stället för ett enzym så att det har en ökad affinitet för främlingsmedlet, eller så kan det eliminera regulatoriska kontroller och förbättra dess produktion. Sådana förändringar ökar bara nedbrytningshastigheten av ett främlingsfientligt medel, de genererar sällan, om någonsin, en ny enzymfunktion.

Ofta förvärvas nya enzymaktiviteter genom plasmidöverföring (vanligtvis genom konjugering) eftersom många av nyckelenzymerna som är involverade i xenobiotisk metabolism är plasmidburna. De flesta bakterier som innehåller sådana plasmider är gramnegativa aerober huvudsakligen från generna Pseudomonas. Vissa plasmider kodar för hela vägen för xenobiotisk nedbrytning, t.ex. TOL-plasmider kodar för enzymerna för toluennedbrytning.

Men många plasmider kodar bara för några av de nedbrytande enzymerna, t.ex. pAC21 för p-klorbifenylnedbrytning och pAC25 för 3-klorbensoatnedbrytning i sådana fall, de återstående enzymerna som är involverade i nedbrytningen måste tillhandahållas antingen av cellens kromosomala gener eller genom en annan mikroorganism.

Plasmidöverföringar tillåter en mikroorganism:

(i) Att förvärva de gener som behövs för att fullborda vägen för en främlingsfientlig metabolism, och/eller

(ii) Att få gener som förbättrar hastigheten och/eller karaktären av nedbrytning.

Förmågan hos plasmidöverföring kan utnyttjas för att skapa mikroorganismer med nya egenskaper. Till exempel, Alcaligenes sp. bryt ned 4-klorfenol till 5-klor-2-hydroximukonisk semialdehyd (genom metaklyvning av ringen) som är giftig.

När koncentrationen av 4-klorfenol är högre än 4 mmol/1, blir halten av denna intermediär giftig och förhindrar dess ytterligare nedbrytning. Däremot har Pseudomonas stam B13 en plasmidburen gen som kodar för enzymet 1,2-dioxygenas. Detta enzym klyver 4-klorfenol genom orto-väg som undviker produktionen av toxiska mellanprodukter (Fig. 32.17).

När en blandning av Alcaligenes sp. och Pseudomonas stam B13 hölls i laboratoriet, Alcaligenes sp. förvärvade plasmiden och förmågan till ortoringklyvning från Pseudomonas stam B13. Detta är ett exempel på produktionen av en naturlig rekombinant art av bakterier. Försök görs att utveckla genetiskt modifierade bakterier med rekombinanta vägar för nedbrytning av främlingsfientliga föreningar.

De strategier som mest sannolikt kommer att lyckas är:

(i) Att överföra gener som kodar för enzymer med en bredare specificitet för substrat, och

(ii) Att modifiera regulatoriska element i syfte att förbättra enzymsyntesen, för att främja assimilering av den främlingsfientliga föreningen i cellen etc.

Möjligheterna att skapa en ‘superbugg’ som kan bryta ned en mängd olika främlingsfientliga föreningar under ett antal förhållanden i stabil förening med inhemska mikroorganismer verkar orealistiska.

Detta beror på att mikroorganismer som bär ytterligare rekombinant DNA är dåliga konkurrenter mot inhemska mikroorganismer. Dessutom är utsläpp av genetiskt modifierade mikrober (GEM) i miljön olagligt i många länder.

Användning av blandade mikrobiella populationer:

Användningen av blandade populationer av mikrober för nedbrytning av främlingsfientliga föreningar är önskvärd på grund av följande skäl:

(i) Två olika mikrober kan tillsammans bryta ned en främlingsfientlig substans fullständigt, medan någon av dem ensam inte är kapabel till denna bedrift. I ett sådant fall tjänar produkten av nedbrytning av en mikroorganism som substrat för den andra.

Till exempel, Acinetobacter sp. har plasmidburna gener för dihydroxylering av en av ringarna av 4-klorbifenyl, dess meta-ringklyvning och efterföljande nedbrytning för att producera 4-klorbensoat, men den kan inte bryta ned denna produkt ytterligare.

En Pseudomonas putida-stam klyver ringen av 4-klorbensoat genom orto-väg, för att i slutändan generera acetyl-CoA och succinat, men denna bakterie kan inte använda 4-klorbifenyl.’ Således agerar Acinetobacter och P. putida i tandem för att bryta ner xenobiotikumet fullständigt 4-klorbifenyl som ingen av dem kan åstadkomma på egen hand (Fig. 32.18).

(ii) En mikroorganism kan producera tillväxtfaktor/näringsämne som krävs av den andra. Till exempel, Nocardia sp. bryter ned cyklohexan men kan inte producera biotin. En Pseudomonas sp. stam producerar biotin men kan inte bryta ned cyklohexan. Nocardia sp. nedbrytning cyklohexan nedbrytningsprodukterna och Nocardia cell lysis produkter används av Pseudomonas stam som växer och frigör biotin.

Biotinet främjar i sin tur Nocardia-tillväxt och cyklohexannedbrytning. Således skulle en blandning av dessa två stammar bryta ned cyklohexan men ingen av dem kan göra det ensam.

(iii) Samodling kan leda till plasmidöverföring till en snabbare växande art och därigenom skapa en snabbare växande art som kan bryta ner främlingsfientliga organismen. Ett exempel är överföringen av plasmid från Pseudomonas sp. stam B13 till Alcaligenes sp. som växer snabbare än Pseudomonas sp. B13.

(iv) I naturliga miljöer finns blandningar av främlingsfientliga föreningar. Användning av blandade kulturer ökar sannolikheten för att de mikrobiella komponenterna i blandad kultur kan bryta ned alla de främlingsfientliga föreningar som finns.

(v) Det biologiska behandlingssystemet, det vill säga det mikrobiella samhället som används för att nedbryta främlingsfientliga läkemedel, är mer stabilt och kan motstå enstaka chockbelastningar.

(vi) Biologisk nedbrytningshastighet är vanligtvis högre på grund av de mikrobiella interaktioner som beskrivs ovan.

Praktiska tillvägagångssätt för xenobiotisk nedbrytning:

Biologisk nedbrytning av främlingsfientliga föreningar beror på deras koncentration (för hög koncentration kan vara giftig), mediets pH, temperatur, tillgången på vatten och andra näringsämnen och närvaron av organiska föreningar (dessa kan vara sammetaboliter, inhibitorer eller föredragna substrat, på plats av det främlingsfientliga, av mikroorganismer). I allmänhet bör den främlingsfientliga föreningen vara tillgänglig i en acceptabel koncentration och toxiska nivåer bör inte förekomma.

I ett behandlingssystem bör en konstant tillförsel av föreningen vara tillgänglig för selektivt underhåll av mikrober som kan nedbrytas. Dessutom bör inte störande organiska föreningar finnas i miljön.

Praktisk tillämpning av mikrober för främlingsfientlig nedbrytning underlättas av:

(i) Tillförsel av tillräckligt med näringsämnen eller sammetaboliter,

(ii) Underhåll av de främlingsfientliga föreningarna till icke-toxiska nivåer och

(iii) Tillhandahållande av mikrobiell population eller inokulum.

(i) Näringsämnen och sammetaboliter:

Alla näringsämnen som krävs för tillväxt och metabolism av mikrobiella celler måste finnas tillgängliga i lösningen som innehåller den främlingsfientliga föreningen. I allmänhet kan kväve, fosfor och ibland svavel behöva tillsättas lösningen.

Vid behov, tillräcklig 02 Tillförseln bör säkerställas genom luftning av mediet eftersom främlingsfientliga föreningar bryts ned aerobt. Dessutom kan vissa föreningar krävas som sammetaboliter för att inducera de nödvändiga enzymerna och för att tillhandahålla energin och de reducerande ekvivalenterna för xenobiotisk nedbrytning.

(ii) Xenobiotisk koncentration:

Om den främlingsfientliga koncentrationen är hög bör den minskas genom lämplig utspädning med, vanligtvis, vatten. I system för kontinuerlig behandling, t.ex. för avloppsvatten, bör mängden främlingsfientliga ämnen som kommer in i systemet inte överstiga den mängd som bryts ned av systemet.

Samtidigt bör främlingsfientliga medel alltid finnas i avloppsvattnet för att upprätthålla den nödvändiga mikrobiella populationen. Men när koncentrationen av den främlingsfientliga föreningen är relativt låg, kommer en högre densitet av de nedbrytande mikroberna att behövas för nedbrytning av föreningen.

(iii) Mikrobiellt inokulum:

I ett behandlingssystem kommer naturlig utveckling av den mikrobiella populationen att ta tid. Därför är det vanligt att inokulera systemet med en lämplig population av mikrober som har den nödvändiga nedbrytningsförmågan, detta kallas bio-augmentation. Ett antal ympmedel utformade för att bryta ned olika främlingsfientliga föreningar finns kommersiellt tillgängliga.

Dessa ympmedel består av naturligt förekommande mikrobiella arter som har isolerats, renats och karakteriserats för olika egenskaper, inklusive deras främlingsfientliga nedbrytningsförmåga. Bestånden av olika isolat bevaras genom lufttorkning eller frystorkningsteknik.

Det kommersiella inokulatet framställs genom att välja de stammar som behövs för nedbrytning av de specificerade främlingsfientliga föreningarna, och sedan matcha och blanda dem bulkmedel, dispergeringskemikalier, vätmedel och näringsämnen tillsätts också. Ympmedlen är vanligtvis tillgängliga som torra pulver som är lätta att lagra, transportera och rekonstituera på plats (genom att helt enkelt tillsätta vatten).


Tekniker för bioremediering

Teknik på plats

In-situ-teknik kräver inte utgrävning av den förorenade marken, så det är en billigare teknik för biosanering i motsats till ex-situ-teknik. Den förorenade jorden behandlas på plats med hjälp av en lämpligt vald typ av biosanering. Även om denna teknik är billigare och skapar mindre mängd damm i jämförelse med ex-situ-teknik, kan den vara långsammare och svår att hantera. Det är mest effektivt på platser med genomsläpplig jord.

I aerob in-situ-teknik tillförs näringsämnen och syre till de mikroorganismer som är involverade i biosanering i marken. Följande tekniker används för att uppnå tillräcklig tillförsel av näringsämnen och syre:

Ex-situ teknik

Ex-situ biosaneringsprocesser innebär en schaktning av förorenad mark eller pumpning av grundvatten före och ibland efter själva biosaneringsbehandlingen. Denna teknik är vanligtvis snabbare, lättare att kontrollera och används för att behandla ett bredare spektrum av jordtyper och föroreningar än in situ-tekniker. Ex-situ techniques include

  • Slurry-phase bioremediation (Very useful when rapid remediation is of high priority)
  • Solid-phase bioremediation (Relatively easy to operate and maintain, requires more space, but, clean-ups take more time than slurry-phase bioremediation technology)

METODER

This study involved the analysis of qualitative data consisting of student-generated responses to four writing assignments and the corresponding peer feedback. Analysis of these data provided the research team with insight into the misconceptions present in students’ responses and the types of peer interactions that occurred during the WTL process. These data were quantitatively transformed to investigate the prevalence of certain misconceptions and to analyze the changes between initial and revised drafts of each assignment and the relationship of these changes to peer review.

Setting and Participants

This study took place at a large, midwestern university in an introductory-level cell and molecular biology course intended for first-year students. The course was taught by two professors. There were 36 students in the course. Demographics were collected from 35 of the 36 students using a precourse survey: of the 35 students who completed the survey, 17 were female, four were first-generation college students, and five were non–U.S. born. There were seven Asian, three Black American, and two Latino/a students. The majority of students indicated a major other than biology and had little experience with writing and peer review. The course consisted of in-class activities, semiweekly quizzes, and four WTL assignments. One of the four assignments was offered for extra credit, with 29 of the 36 students completing the assignment.

WTL Assignments

The four WTL exercises were assigned throughout the term and focused on protein structure, photosynthesis, recombinant DNA, and enzymes to support student learning of important and/or difficult concepts discussed in class (see WTL prompts in the Supplemental Material). Each assignment included clear learning outcomes presented in the prompt that were reflected in the rubrics guiding peer review and revision (see WTL prompts in the Supplemental Material). The assignments were developed by a team consisting of the primary course instructor (L.J.O.), the researcher (S.A.F.Q.), and two instructors from the campus writing center. For each WTL assignment, students wrote an initial draft in response to a prompt, participated in student-mediated anonymous peer review, and revised their original responses. Students gave peer-review comments to and received peer-review feedback from an average of three classmates (ranging from one to five classmates) for each of the assignments. The purpose of using peer review as part of the WTL assignments is twofold: 1) peer review supports additional student learning from their peers, and 2) it mitigates the need for instructors to evaluate student written work. Two peer writing tutors, students who had previously taken the course, were available to assist students with peer review or revision and to answer questions regarding the writing assignments and content involved. Credit was assigned based on effort and completion of the assignment students could lose points for minimal effort or a large number of errors. Assigning credit based on effort and completion, as opposed to content, further removes the need for instructors to provide detailed feedback to students and reduced the time spent on grading. Each assignment was comparable in magnitude to course homework.

Datainsamling och analys

The research team obtained institutional review board approval (HUM00115139) to collect and use student information and responses. Of the 36 students in the course, 35 gave consent to use their writing. Of those, 30 completed all steps of the WTL process for the protein structure assignment, 27 for the photosynthesis assignment, 26 for the enzymes assignment, and 29 for the recombinant DNA assignment (see Supplemental Table S1 for the number of students who completed each aspect of the assignments).

Initial and revised student responses to each writing assignment were collected in a single document using Track Changes in Microsoft Word and analyzed for existing and altered or added misconceptions to ensure that all modifications were visible between both drafts. Upon preliminary analysis of the four assignments, the research team noticed that many misconceptions were present in the student writing. Misconceptions were first identified by two members of the research team and discussed with two content experts. Once identified in both initial and revised drafts, the misconceptions were categorized into themes that were then refined by consultation with the primary course instructor. The initial and revised responses were then analyzed independently for the presence or absence of misconceptions, and each was given a score based on the number of misconceptions present. These misconceptions were identified as incorrect terminology, prompt-specific content, and misconceptions pertaining to general biology concepts. The prompt-specific content refers to misconceptions that are in fact misconceptions, but relate more to the assignment background information than the main learning outcomes for the assignment (see Tables 2 and 3 later in this article). After analysis of the writing, the peer feedback was analyzed by the same two members of the research team to identify whether peers commented on these same misconceptions in the papers they read.

Sociograms were generated to visualize how the peer interactions influenced changes in student misconceptions (Scott, 1991 Kadushin, 2012 Grunspan et al., 2014). Each student, represented as a circle (or node) in Figures 1 and 2, received a score based on the number of misconceptions present in their drafts. Each circle is divided into halves, with the initial misconception score shown on the left and the revised misconception score on the right. The number of misconceptions is indicated by color, where zero is black, one is yellow, two is orange, three is red, and four is maroon. In two situations, a student corrected an initial misconception then added another misconception, showing a net change of zero in the sociogram, although remediation and addition occurred as a result of peer review. These were denoted with asterisks in the relevant sociogram (Supplemental Figure S1). The arrows (or edges) indicate the peer reviews given and are colored if misconceptions were addressed: red arrows show a peer review directly providing incorrect information, while green arrows show direct correct conceptual statements from peer review. Gray arrows indicate peer feedback that did not involve a misconception. Responses from students who did not participate in all three steps of the WTL assignment were not used when diagramming the social networks that occurred.

FIGURE 1. Example of a sociogram. Each circle represents a student, with the color indicating the number of misconceptions contained in the initial (left half) and revised (right half) drafts. The arrows represent peer reviews, with directionality indicated by the arrowhead green arrows indicate correct feedback, and red arrows indicate incorrect feedback. Peer reviews not pertaining to misconceptions are indicated in gray.

FIGURE 2. Sociogram of the photosynthesis assignment. This visual follows the peer reviews and misconceptions of students in the initial and revised drafts. The number of misconceptions in the initial draft is shown on the left half of each circle, while the number in the revised draft is shown on the right. The direction of the arrows indicates the direction of feedback, with the arrow pointing to the student who received feedback. Note that the student in Case B provided correct feedback on a misconception different from his/her own.

Examination of the sociograms for each of the four assignments led to the development of six profiles describing what roles peer review and revision played in the student writing containing misconceptions. The profiles were developed by examining unique cases of interactions between peers and generating a qualitative description for each. Following this, we determined the number of instances of each case among the four assignments.


17.2: Bioremediation - Biology

En prenumeration på J o VE krävs för att se detta innehåll. Du kommer bara att kunna se de första 20 sekunderna.

JoVE -videospelaren är kompatibel med HTML5 och Adobe Flash. Äldre webbläsare som inte stöder HTML5 och H.264-videokodec kommer fortfarande att använda en Flash-baserad videospelare. Vi rekommenderar att du laddar ner den senaste versionen av Flash här, men vi stöder alla versioner 10 och senare.

Om det inte hjälper, vänligen meddela oss.

Heavily polluted ecosystems can be detoxified by organisms such as bacteria, fungi, and plants. A process called bioremediation.

For example, after an oil spill, scientists can stimulate the growth of naturally occurring species of pseudomonas bacteria, by adding nutrients to the environment that can be used to break down the petroleum hydrocarbons from the spill.

However, many of these bacteria will degrade the hydrocarbons into carbon dioxide, another major pollutant. But some scientists are now modifying metabolic processes in cyanobacteria to increase glucose production and therefore increase the removal of carbon dioxide from the atmosphere.

27.12: Bioremediation

Bioremediation is the use of prokaryotes, fungi, or plants to remove pollutants from the environment. This process has been used to remove harmful toxins in groundwater as a byproduct of agricultural run-off and also to clean up oil spills.

Agricultural Bioremediation

Bioremediation is a useful process in which microbes and bacteria are used to remove toxins and pollutants from the environment. In agricultural practices, the use of fertilizers and pesticides can result in leaching of chemicals into the groundwater, streams and lakes. For example, atrazine&mdashan environmental toxin found in many fertilizers&mdashcan be broken down and removed from soils using two common environmental bacterial species, Rhizobium och Tricoderma sp.

Industrial Bioremediation

Oil spills often contribute to the loss of marine biodiversity. However, nutrient addition to aquatic areas affected by an oil spill promote the growth of hydrocarbon-degrading bacteria that will break down petroleum. For example, in one study, scientists tested the ability of a naturally occurring consortium of bacterial symbionts of the coral Mussismilia hartii, to break down oil. Not only can they degrade petroleum hydrocarbons minimizing effects of oil on the health of the coral species, but they can dually promote photosynthetic efficiency of the coral.

Azubuike, Christopher Chibueze, Chioma Blaise Chikere, and Gideon Chijioke Okpokwasili. &ldquoBioremediation Techniques&ndashClassification Based on Site of Application: Principles, Advantages, Limitations and Prospects.&rdquo World Journal of Microbiology & Biotechnology 32, nej. 11 (2016). [Källa]

Fragoso ados Santos, Henrique, Gustavo Adolpho Santos Duarte, Caio TavoraCoelho da Costa Rachid, Ricardo Moreira Chaloub, Emiliano Nicolas Calderon, Laura Fernandes de Barros Marangoni, Adalto Bianchini, et al. &ldquoImpact of Oil Spills on Coral Reefs Can Be Reduced by Bioremediation Using Probiotic Microbiota.&rdquo Vetenskapliga rapporter 5 (December 14, 2015): 18268. [Source]