Odstranjevanje težkih kovin s pomočjo bakterijskih eksopolisaharidov: biosinteza, mehanizem in strategije remediacije

Bacterial Exopolysaccharide mediated heavy metal removal: A Review on biosynthesis, mechanism and remediation strategies

Težke kovine

Pb, Cr, Cd, Ni, Zn, Cu, Hg itd. Nekateri od naštetih elementov so v sledeh esencialni za življenje, vendar imajo v malo večjih količinah (1 mg/L) že toksične učinke. Pri industrijskih procesih se jih uporablja v veliko večjih količinah od praga toksičnosti in njihove ravni se večajo tako v zemlji kot vodnih sistemih. Ker niso biorazgradljive, se dolgo zadržijo v okolju, dobra topnost pa povzroči dobro biodostopnost in posledično nevarnost za zdravje. Povzročijo lahko neravnovesje prostih radikalov in oksidativni stres, zamenjavo kofaktorjev, preluknjanje celične membrane, spremembe ionskih kanalčkov, poškodbe DNA in proteinov ter vezava na pomembne proteine, nalaganje v organih, itn. Zaenkrat odstranjevanje temelji na koagulaciji, kemični precipitaciji, elektrodializi, nanofiltraciji, reverzni osmozi in drugih, nam bolj tujih tehnikah. Čeprav so učinkovite, so običajno drage zaradi porabe velike količine energije ter reagentov; pri njih pa nastajajo tudi toksični stranski produkti, ki dodatno onesnažujejo okolje.

Eksopolisaharidi (EPS)

EPS bakterije proizvajajo za obrambo pred ostrimi pogoji (stradanje, ekstremne temperature in pH). Njegova negativno nabita površina omogoča lovljenje ionov težkih kovin. Prokariontska in evkariontska živa in mrtva biomasa je sposobna privzeti težke kovine in jih tako odstraniti iz okolja na ekološki način. EPS varuje bakterijske celice pred infiltracijo toksičnih kovinskih ionov tako, da jih adsorbira. Na polisaharidno ogrodje se lahko pripnejo stranske verige in funkcionalne skupine. Več kot je negativno nabitih skupin, bolj učinkovito lahko EPS veže težko-kovinske ione. Nekateri ustrezni EPS so alginat, gelan, hialuronan in galaktopol. Mogoče so tudi modifikacije stranskih skupin, vendar je študij na to temo le malo.

Biosinteza

Biosinteza EPS ni natančno poznana. Pri sintezi sodeluje veliko encimov, transportnih proteinov in regulatornih molekul. Sinteza poteka preko aktiviranih (fosforiliranih) monomernih sladkornih molekul do UDP- oz. dTDP-glukoze. Glikosiltransferaza nato aktivirane molekule priključi nastajajočemu polisaharidu. Polisaharidi zavzamejo določeno obliko glede na način povezovanja monomerov, ki je odvisna od okoljskih pogojev. Na osnovno verigo se nato prilepijo različne stranske verige, funkcionalne skupine in substituenti, ki niso ogljikovi hidrati.

Mehanizem odstranjevanja težkih kovin

Če želimo zmanjšati škodljivost težkih kovin v okolju, jim moramo preprečiti biodostopnost in mobilnost. Celice morajo biti odporne na povišane koncentracije težko-kovinskih ionov v okolju. Sinteza EPS je pogosto odgovor na to. Za bioremediacijo z mikrobi je pomembna predvsem biosorpcija. Deluje pasivno preko interakcij pozitivno nabitih kovinskih ionov in negativno nabitega EPS ter celične površine. Pri tem so ključne skupne acetamido skupina, aminske, sulfhidralne, hidroksilne in fosfodiestrske skupine, ter fosfati. Imobilizacija ionov poteka preko ionske izmenjave, nastanka kompleksov (keliranje) in precipitacije. Žive celice pri povišani koncentraciji ionov težko ohranjajo viabilnost. Mrtve celice te omejitve nimajo, zato so shranjevanje, akumulacija in ponovna uporaba bolj učinkoviti ter zahtevajo bolj blage pogoje pH in temperature. Vendar se je v študijah z mrtvo biomaso izkazalo, da je precej manj učinkovita od imobiliziranih živih celic, ponovitve pa je mogoče uspešno izvesti v 5-10 ciklih. Zaradi raznolikih pogojev, v katerih bi biomasa odstranjevala težko-kovinske ione, si želimo čim večji nabor bakterij, sposobnih sinteze EPS in bioremediacije. Raziskovalne skupine so se osredotočile predvsem na dobro opisane bakterije, morske mikrobe in bakterije s statusom GRAS.

Zaključek

Bakterijska biomasa sposobna proizvajati EPS, ki je zanimiv zaradi svoje sposobnosti hitrega, učinkovitega in občutljivega odziva na ione težkih kovin v okolju. Biosorbcija le-teh je kompleksna in ima nepredvidljivo dinamiko. Od okoljskih in fizikalno-kemijskih faktorjev, v katerih EPS nastaja, je odvisna njegova sestava in struktura. Pozitivno nabiti težko-kovinski ioni se ulovijo na negativno nabite stranske skupine EPS. Izkazalo se je, da je mogoče težko-kovinske ione le delno regenerirati iz EPS, ter da je maksimalna koncentracija ionov, ki jo je EPS še sposoben privzeti, relativno nizka. Biosorpcija je bolj ali manj nespecifična. Modifikacije EPS po predvidevanjih povečajo njegov neto negativni naboj, lahko potencialno povečajo selektivnost in ponovno uporabnost, vendar zaenkrat prebojev na tem področju ni bilo. Prav tako so vsi poskusi potekali le v laboratorijskem merilu. Še nobeni skupini ni uspel prehod na industrijski nivo. Mikrobe, namenjene proizvodnji EPS in biorememdiaciji je preprosto pridobivati in nikjer nisem naletela na gensko preminjanje v smeri povečane proizvodnje EPS ali bolj robustnih sevov.

Viri

Gupta, P. in Diwan, B. "Bacterial Exopolysaccharide mediated heavy metal removal: A Review on biosynthesis, mechanism and remediation strategies". Biotechnology Reports, 2017

Tchounwou, P. B. et al. "Heavy Metals Toxicity and the Environment". Experientia Supplementum, 2012; 101

Nazaj na stran MBT seminarji