Microbiologia per il disinquinamento

IDROCARBURI ALIFATICI INSATURI

Contengono almeno un doppio legame di carbonio (C=C). La prima reazione è sempre una monossigenasi che può inserire O in uno dei carboni della catena (esterni o intermedi). Nel caso centrale l'ossigeno O viene legato a 2 carboni diversi tramite 2 legami singoli (epossido). Una successiva ossidazione forma un diolo (2 OH), poi un acido grasso ossidrilato. L'ossidrile (CH -OH) viene rimosso insieme ad un C2 tramite decarbossilazione che ha come esito la formazione di un acido grasso che può così entrare in βossidazione.

Appunti non ufficiali presi a lezione - Laura Pattaro

IDROCARBURI AROMATICI

A SINGOLO ANELLO BENZENE

L'espansione verticale che permette ai microrganismi di metabolizzare i composti aromatici si collega alla via del catecolo. Altre molecole che seguono la stessa via sono l'acido benzoico, vanillinato, fenolo, benzo anilina,...

Prendendo come esempio quello della molecola di...

benzene la via si articola in 2 step:

1. DIOSSIGENAZIONE: o doppia monossigenazione che forma una molecola non aromatica instabile con 2 sostituzioni di H e 2 sostituzioni di OH.
2. DEIDROGENAZIONE: ha come esito la formazione del catecolo che si ricollega all'amonima via che confluisce al TCC.

IDROCARBURI AROMATICI POLICICLICI (+ anelli) → A DUE ANELLI BIFENILE

Sono composti da più anelli (naftalene, diossina, dibenzofurano, bifenile, ...)

Gli idrocarburi policiclici aromatici vengono metabolizzati seguendo lo stesso schema di degradazione del benzene (ossigenazione + deidrogenazione) operando in serie prima su un anello e poi sull'altro.

1. DIOSSIGENASI per formare su uno dei due anelli un anello non aromatico instabile.
2. DEIDROGENASI che porta uno dei due anelli ad assumere la forma del catecolo. Da qui tale anello viene sottoposto alla via del catecolo.
3. DIOSSIGENASI serve per aprire la molecola e l'IDROLISI per staccare la molecola alifatica così ottenuta.

DIOSSIGENASI dell'anello rimasto che ha la forma di un acido aromatico (-COOH)5. DECARBOSSILAZIONE per ottenere nuovamente il catecolo che entrerà nella via e poi al TCC.

A TRE ANELLI

La via metabolica si articola allo stesso modo: ogni anello preso singolarmente viene uno dopo l'altro aperto ricorrendo alle reazioni della via del catecolo fino ad ottenere un aromatico a catena singola che viene successivamente trasformato a catecolo a sua volta.

Gli aromatici a 4 o più anelli benzenici (sono i più tossici) non vengono metabolizzati e quindi non sono biodegradabili! Non tutti gli aromatici quindi si possono rimuovere biologicamente.

Il grado di saturazione del composto e il numero di anelli influenzano la velocità di biodegradazione. Anche la presenza e la posizione dei sostituenti influenzano l'efficienza di rimozione.

63Appunti non ufficiali presi a lezione - Laura Pattaro A DUE ANELLIA TRE ANELLI64Appunti non ufficiali presi a lezione

– Laura Pattaro

DEGRADAZIONE FUNGINA DEGLI AROMATICI

I funghi degradano la lignina (white rot) e quindi i loro enzimi esocellulari (laccasi) sono in grado di degradare una certa classe di composti aromatici: la degradazione è sempre parziale. Spesso i funghi convertono sostanze aromatiche complesse e difficilmente biodegradabili dai batteri in prodotti più semplici e instabili più facili per i batteri da metabolizzare.

Molte laccasi fungine attaccano gli aromatici dando dei prodotti radicali che reagiscono tra loro portando alla formazione di oligomeri e polimeri più difficili da degradare ma meno solubili in acqua diminuisce la biodisponibilità del composto (minor tossicità).

Altre volte i funghi possono peggiorare la situazione rendendo i composti più biodisponibili (aggiungono gruppi sostitutivi all’anello aromatico aumentandone la polarità):

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Appunti non ufficiali presi a lezione – Laura Pattaro

Quella successiva tra il catecolo e l'entrata in TCC (solitamente succede solo nei bassoclorurati). I prodotti dell'espansione orizzontale sono prodotti simili al catecolo ma alogenati.

VIA DEL CATECOLO: apertura in posizione -orto e -meta. A seconda della posizione dei sostituenti Cl nei clorocatecoli risultanti dall'espansione verticale che rende possibile la metabolizzazione degli aromatici si distinguono diversi casi: talvolta i prodotti derivati dai clorocatecoli sottoposti all'via del catecolo inibiscono gli enzimi in grado di assimilare completamente il substrato.

Appunti non ufficiali presi a lezione - Laura Pattaro

METABOLISMO ANAEROBICO DEI BATTERI (COMPOSTI ORGANICI NON BIOGENI)

Ricordiamo che in condizioni di anaerobiosi i batteri competono tra di loro per i substrati o si trovano in condizione di sinetrofia. Oltre alle respirazioni anaerobiche sono presenti anche le fermentazioni che rilasciano nell'ambiente prodotti come CO4, SO4, ecc.

2REPISRAZIONI ANAEROBICHEDEGRADAZIONE DEI COMPOSTI ALIFATICI

In mancanza di ossigeno il microrganismo introduce O nella molecola addizionando una molecola di CO 2DEGRADAZIONE AROMATICIAvviene la stessa cosa. L’intermedio chiave nel caso delle condizioni anaerobiche non può essere il catecolo (perché richiede un’ossidasi per poter aprire l’anello) ma sarà invece l’acido benzoico.La via dell’acido benzoico procede alternando un’ossidazione e una deidrogenasi finio ad arrivare a un acidobicarbossilico.CASO DEL BENZENE: carbossilazioneAROMATICI CON SOSTITUENTI METILICI: tolueneIDROCARBURI POLICICLICI AROMATICI 67Appunti non ufficiali presi a lezione – Laura PattaroDEGRADAZIONE ANAEROBICA IDROCARBURI ALOGENATIEsistono tre vie principali →1. IDROCARBURI ALOGENATI COME SUBSTRATI: via ossidativadealogenazione del composto e utilizzo del back-bone come fonte di E e di C strutturale→-2. IDROCARBURI ALOGENATI COME

1. via riduttiva-I composti vengono utilizzati come accettori di e in un processo detto dehalorespirazione.
2. IDROCARBURI ALOGENATI COME ACCETTORI FINALI DI e (fortuiti): via riduttiva
   • Di solito sono solfato-riduttori
   • Gli alogenati sono caratterizzati da alto potenziale di riduzione e sono dunque degli ottimi accettori finali di e. In generale il potenziale redox è tanto più alto quanti più sono i sostituenti Cl all'interno della molecola. Verranno in primis ridotti gli altoclorurati, convertiti a bassoclorurati.
   • Ad ogni step riduttivo la molecola alogenata abbassa il proprio potenziale di riduzione diventando sempre meno propensa ad accettare e (il potere di essere un buon accettore di elettroni viene meno). Tipicamente in aerobiosi non si giunge mai alla completa dealogenazione ma si ha una conversione delle molecole altoclorurate in bassoclorurate.
3. L'energia associata a una reazione di ossidoriduzione con

accettore di e alogenato e tipicamente molto alta3- 4--(compatibile alla riduzione con accettore NO ) e molto più vantaggiosa delle reazioni che utilizzano CO e SO .2Ecco perché certi microrganismi si sono specializzati nella riduzione dei composti alogenati.68Appunti non ufficiali presi a lezione – Laura Pattaro

RIMOZIONE DEGLI ALTOCLORURATI

Per una completa riduzione degli altoclorurati l’unico modo è quello di operare in serie uno step anaerobico (in cui glialtoclorurati vengono convertiti a bassoclorurati) e successivamente a uno step aerobico in cui è possibile la completamineralizzazione delle sostanze bassoclorurate (ma non si può sempre fare).

L’unico microrganismo in grado di operare una completa dealogenazione (da tetra-cloro-etilene ad etilene) è il Mccarty (dealogenazione obbligatoria). Può dealogenare anche aromatici a singolo anello e a doppio anello, mono opoliclorurati.

DEALORESPIRANTI

Quali sono i donatori

di elettroni?? L'idrogeno H o gli acidi organici a basso peso molecolare (prodotti dalla fermentazione).

2 - Se il nostro inquinante è clorurato dobbiamo fornire il donatore di e (H). Per fare ciò devo favorire la crescita dei microrganismi che producono H. In più devo sfavorire tutte le altre specie che competono per H.

269 Appunti non ufficiali presi a lezione - Laura Pattaro

BIOTECNOLOGIE PER LA BONIFICA DEI SITI CONTAMINATI

Il terreno può essere visto composto da due zone: la zona insatura superficiale e quella satura (acquifero) profondo.

Lo sversamento di inquinanti sul piano campagna determina accumuli degli stessi nell'una o nell'altra zona a seconda della densità dell'inquinante. Se lo sversamento è prolungato e la conformazione del terreno adatta, le concentrazioni dell'inquinante possono diventare molto alte. Se esiste un moto di filtrazione l'inquinante può essere mobilitato e diffondersi.