Halorespiration - Halorespiration

Halorespiration или дыхание или органогалогенидное дыхание использование галогенированных соединений в качестве конечных акцепторы электронов в анаэробное дыхание.[1][2][3]Halorespiration может играть роль в микробное биоразложение. Наиболее распространенными субстратами являются хлорированные алифатические соединения (PCE, TCE), хлорированные фенолы и хлороформ. Дегалоидные бактерии очень разнообразны. Этот признак обнаружен у некоторых протеобактерий, хлорофлекси (зеленые несерные бактерии), грамположительных клостридий с низким содержанием G + C.[4] и ультрамикробактерии.[5]

Процесс Halorespiration

В процессе ореола дыхания, или дегалоодыхания, используются восстановительное дегалогенирование для производства энергии, которая может быть использована дышащим микроорганизмом для своего роста и метаболизма.[6] Галогенированные органические соединения используются в качестве терминала акцептор электронов, что приводит к их дегалогенированию.[6] Восстановительное дегалогенирование - это процесс, при котором это происходит.[6] Он включает восстановление галогенированных соединений путем удаления галогенных заместителей с одновременным добавлением электронов к соединению.[7] Гидрогенолиз и вицинальное восстановление - два известных процесса этого механизма, которые были идентифицированы.[7] В обоих процессах удаленные галогеновые заместители высвобождаются в виде анионов.[7] Восстановительное дегалогенирование катализируется восстановительные дегалогеназы, которые являются ассоциированными с мембранами ферментами.[6][8][3] Предполагается, что ряд не только ассоциированных с мембраной, но и цитоплазматических гидрогеназ, в некоторых случаях как часть белковых комплексов, будет играть роль в процессе дегалореспирации.[9] Большинство этих ферментов содержат кластеры железо-сера (Fe-S) и корриноид кофактор на их активных сайтах.[6] Хотя точный механизм неизвестен, исследования показывают, что эти два компонента фермента могут участвовать в восстановлении.[6]

Используемые субстраты и значение для окружающей среды

Обычные субстраты, которые используются в качестве концевых акцепторов электронов при дегалоидыхании хлорорганические соединения пестициды, арилгалогениды и алкильные растворители.[7] Многие из них стойкие и токсичные. загрязняющие вещества который может быть разрушен только анаэробно путем дегалогенодыхания, частично или полностью.[6][7] Трихлорэтилен (ТВК) и тетрахлорэтилен (PCE) являются двумя примерами таких загрязнителей, и их деградация была в центре внимания исследований.[6][7][10] PCE - это алкильный растворитель, который ранее использовался в химической чистке, обезжиривании оборудования и других областях.[6][7] Он остается обычным загрязнителем грунтовых вод.[6][7] Бактерии, которые способны полностью разлагать PCE до этен, нетоксичное химическое вещество, были изолированы.[10] Было обнаружено, что они принадлежат к роду Dehalococcoides и использовать H2 как их донор электронов.[10] Процесс дегалогенодыхания был применен к in situ биоремедиация PCE и TCE в прошлом.[6][8] Например, усиленное восстановительное дехлорирование использовалось для обработки загрязненных грунтовых вод путем введения доноров электронов и дегалоидыхающих бактерий на загрязненный участок, чтобы создать условия, которые стимулируют рост бактерий и дегалогенодыхание.[8] При усиленном восстановительном дехлорировании загрязнители действуют как акцепторы электронов и полностью восстанавливаются с образованием этена в серии реакций.[8]

Использование в биоремедиации

Экологически значимым аспектом бактериального ореола дыхания является снижение тетрахлорэтен (PCE) и Трихлорэтен (ТВК); антропогенные загрязнители с высоким уровнем нейро- и гепатотоксичность.[11] Их присутствие в качестве загрязнителей окружающей среды возникло в результате их широкого промышленного использования в качестве обезжиривающих веществ для металлов в 1920-1970 годах.[12] Эти ксенобиотические соединения имеют тенденцию образовывать частично нерастворимые слои, называемые плотными жидкостями в неводной фазе (DNAPL), на дне грунтовых вод. водоносные горизонты, которые растворяются медленно, подобно резервуару, что делает TCE и PCE одними из наиболее распространенных загрязнителей подземных вод.[13]

Часто используемой стратегией удаления ТВК и ПКЭ из подземных вод является использование биоремедиация посредством усиленного восстановительного дехлорирования (ERD).[14] ERD включает на месте инъекции дегалоидыхающих бактерий среди ферментируемых органических субстратов, служащих доноры электронов, в то время как два загрязнителя, ТВК и ПКЭ, действуют как акцепторы электронов.[14] Это облегчает последовательное дехлорирование PCE и TCE до вредных веществ. цис-дихлорэтен (DCE) и Винилхлорид (VC), которые затем подходят в качестве акцепторов электронов для полного дехлорирования до безвредных этен.[14]

Широкий спектр бактерий разных родов обладает способностью частично дехлорировать PCE и TCE в СНГ-DCE и VC.[14] Одним из таких примеров является Магнитоспириллы бактерия, штамм MS-1, которая может восстанавливать PCE до цис-DCE в аэробных условиях.[15] Однако эти дочерние субстраты имеют более высокие профили токсичности, чем их родительские соединения.[14] Таким образом, эффективное дехлорирование СНГ-DCE и VC в безвредный этен имеет решающее значение для биоремедиации водоносных горизонтов, загрязненных PCE и TCE.[14] В настоящее время бактерии Dehalococcoides родов - единственные известные организмы, которые могут полностью дехлорировать PCE в этен. Это связано с их специфическими трансмембранными восстановительными дегалогеназами (RDases), которые метаболизируют атомы хлора в ксенобиотических загрязнителях для получения энергии клеток.[16] Особенно, Dehalococcoides Изоляты VS и BAV1 кодируют RDases винилхлорида, которые метаболизируют VC в безвредный этен, что делает их необходимыми видами в системах ERD, используемых для биоремедиации PCE и TCE.[16]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Holliger, C .; Wohlfarth, G .; Дикерт, Г. (1998). «Восстановительное дехлорирование в энергетическом обмене анаэробных бактерий» (PDF). Обзор микробиологии FEMS. 22 (5): 383. Дои:10.1111 / j.1574-6976.1998.tb00377.x.
  2. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Эртан, Халук; Бол, Сюзанна; Ли, Мэтью; Маркиз, Кристофер П .; Мэнфилд, Майкл (2016). «Органогалогенидные респираторные бактерии и восстановительные дегалогеназы: ключевые инструменты в биоремедиации органо-галогенидов». Границы микробиологии. 7: 249. Дои:10.3389 / fmicb.2016.00249. ISSN  1664-302X. ЧВК  4771760. PMID  26973626.
  3. ^ а б Югдер, Бат-Эрдене; Эртан, Халук; Ли, Мэтью; Мэнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П. (01.10.2015). «Восстановительные дегалогеназы достигают зрелости при биологическом разрушении галогенидов». Тенденции в биотехнологии. 33 (10): 595–610. Дои:10.1016 / j.tibtech.2015.07.004. ISSN  0167-7799. PMID  26409778.
  4. ^ Хираиши, А. (2008). «Биоразнообразие дехлориновых бактерий с особым упором на полихлорированные бифенил / дехлоринаторы диоксина». Микробы и окружающая среда. 23 (1): 1–12. Дои:10.1264 / jsme2.23.1. PMID  21558680.
  5. ^ Дуда, В. И .; Сузина, Н.Е .; Поливцева, В. Н .; Боронин, А. М. (2012). «Ультрамикробактерии: формирование концепции и вклад ультрамикробактерий в биологию». Микробиология. 81 (4): 379–390. Дои:10.1134 / S0026261712040054. S2CID  6391715.
  6. ^ а б c d е ж г час я j k Футагами, Тайки; Гото, Масатоши; Фурукава, Кенске (1 января 2008 г.). «Биохимические и генетические основы дегало-дыхания». Химический рекорд. 8 (1): 1–12. Дои:10.1002 / tcr.20134. ISSN  1528-0691. PMID  18302277.
  7. ^ а б c d е ж г час Mohn, W. W .; Тидже, Дж. М. (сентябрь 1992 г.). «Микробное восстановительное дегалогенирование». Микробиологические обзоры. 56 (3): 482–507. Дои:10.1128 / ммбр.56.3.482-507.1992. ISSN  0146-0749. ЧВК  372880. PMID  1406492.
  8. ^ а б c d Шойц, Шарлотта; Durant, Neal d .; Деннис, Филипп; Хансен, Мария Хейстерберг; Йоргенсен, Торбен; Якобсен, Расмус; Cox, Evan e .; Бьерг, Поул Л. (2008). «Одновременное образование этена и рост дехалококкоидов, содержащих гены восстановительной дегалогеназы винилхлорида, во время демонстрации усиленного восстановительного дехлорирования». Экологические науки и технологии. 42 (24): 9302–9309. Bibcode:2008EnST ... 42.9302S. Дои:10.1021 / es800764t. PMID  19174908.
  9. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Эртан, Халук; Вонг, Йе Куан; Брейди, Нади; Мэнфилд, Майкл; Маркиз, Кристофер П .; Ли, Мэтью (2016-08-10). «Геномный, транскриптомный и протеомный анализ Dehalobacter UNSWDHB в ответ на хлороформ». Отчеты по микробиологии окружающей среды. 8 (5): 814–824. Дои:10.1111/1758-2229.12444. ISSN  1758-2229. PMID  27452500.
  10. ^ а б c Maymó-Gatell, X .; Chien, Y .; Gossett, J.M .; Зиндер, С. Х. (1997-06-06). «Выделение бактерии, которая восстанавливает дехлорирование тетрахлорэтена до этена». Наука. 276 (5318): 1568–1571. Дои:10.1126 / science.276.5318.1568. ISSN  0036-8075. PMID  9171062.
  11. ^ Рудер, AM (сентябрь 2006 г.). «Возможные последствия для здоровья профессионального воздействия хлорированных растворителей». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 1076 (1): 207–227. Bibcode:2006НЯСА1076..207Р. Дои:10.1196 / летопись.1371.050. PMID  17119204. S2CID  43678533.
  12. ^ Бакке, Берит; Стюарт, Патрисия А .; Уотерс, Марта А. (ноябрь 2007 г.). «Использование воздействия трихлорэтилена в промышленности США: систематический обзор литературы». Журнал гигиены труда и окружающей среды. 4 (5): 375–390. Дои:10.1080/15459620701301763. PMID  17454505. S2CID  32801149.
  13. ^ Дугат-Бони, Эрик (март 2012 г.). «Деградация ТВК in situ, опосредованная сложными дегалоидными сообществами во время процессов биостимуляции». Микробная биотехнология. 5 (5): 642–653. Дои:10.1111 / j.1751-7915.2012.00339.x. ЧВК  3815876. PMID  22432919.
  14. ^ а б c d е ж Шойц, Шарлотта (ноябрь 2008 г.). «Одновременное образование этена и рост дехалококков, содержащих гены дегалогеназы, восстанавливающей винилхлорид, во время демонстрации поля усиленного восстановительного дехлорирования». Экологические науки и технологии. 42 (24): 9302–9309. Bibcode:2008EnST ... 42.9302S. Дои:10.1021 / es800764t. PMID  19174908.
  15. ^ Шарма, Прамод К. (март 1996 г.). «Выделение и характеристика факультативно аэробных бактерий, которые восстановительно дегалогенируют тетрахлорэтен до цис-1,2-дихлорэтилена». Прикладная и экологическая микробиология. 62 (3): 761–765. Дои:10.1128 / aem.62.3.761-765.1996. ЧВК  1388792. PMID  16535267.
  16. ^ а б Хошнуд, Бехранг (август 2015 г.). «Кинетика закрытия генома и транскрипции генов RDase у Dehalococcoides и их распространенность на очистных сооружениях». Библиотеки Национального университета Сингапура - через Proquest.

дальнейшее чтение