Mgr Hanna Studnik – II rok studiów



Biodegradacja poliaminopolifosfonianów przez cyjanobakterie

Promotor: prof. dr hab. inż. Paweł Kafarski

Słowa kluczowe: ksenobiotyki fosfonoorganiczne, cyjanobakterie, biodegradacja


Cele projektu

Celem projektu jest ocena możliwości wykorzystania różnych gatunków cyjanobakterii w procesach biodegradacji kwasów poliaminopolifosfonowych, jak również scharakteryzowanie struktury powstałych produktów degradacjii, a także określenie mechanizmów tych procesów.

Związki fosfonowe charakteryzują się obecnością, w swojej strukturze, atomu fosforu połączonego kowalencyjnie z atomem węgla (wiązanie C-P). Relatywnie wysoka energia aktywacji sprawia, że połączenie to jest bardzo stabilne i decyduje o trwałości związków, spośród których wiele wykazuje aktywność biologiczną. Biogennie wytwarzane fosfoniany wchodzą m.in. w skład fosfolipidów i białek, jako analogi strukturalne aminokwasów konkurują o centra aktywne wielu enzymów z strukturalnymi odpowiednikami karboksylowymi. Niektóre jako wtórne produkty metabolizmu mikroorganizmów w istotny sposób wpływaja na procesy życiowe innych drobnoustrojów. Synteza tych związków na skalę przemysłową rozpoczęła się na początku XX wieku i od tej pory znalazły one zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Możliwość wpływania na funkcjonowanie wielu szlaków metabolicznych sprawiło,że znalazły zastosowanie jako środki ochrony roślin (pestycydy), jak również leki oraz gazy bojowe stosowane podczas II Wojny Światowej, które działają na układ nerwowy człowieka jako silne neurotransmitery. Z powodu właściwości kompleksujących jony metali, fosfoniany stosuje się w procesach oczyszczania ścieków przemysłowych, procesach zwiększających wydobycie ropy naftowej, odsalania wód słonych. Znalazły zastosowanie również jako dodatki do detergentów, gdzie ujawniają zdolność chelatacji jonów odpowiedzialnych za twardość wody, stosuje się je również jako inhibitory korozji, uniepalniacze, a także czynniki chelatujące w procesach wybielania z użyciem nadtlenku wodoru. Skuteczność tych związków oraz coraz to szersze zastosowanie jest powodem wzrastającej ich produkcji, co jednocześnie staje się przyczyną przybywania z roku na rok większych ilości toksycznych związków w środowisku naturalnym. Z powodu braku efektywnych metod przemysłowych utylizacji tych związków, zintensyfikowane zostały badania nad wykorzystaniem mikroorganizmów do degradacji fosfonianów. W ostatnich latach pojawiły się publikacje ujawniające zdolność niektórych szczepów bakterii i gatunków grzybów strzępkowych do rozkładu wiązania C-P, a także wykorzystania fosfonianów jako źródła fosforu i węgla. W literaturze pojawiły się również doniesienia o możliwości degradacji tego typu związków przez cyjanobakterie. Uwagę w kierunku tych organizmów warto zwrócić z powodu ich autotroficznego sposobu odżywiania. Dotychczasowe wyniki eksperymentów prowadzonych w Katedrze Chemii Analitycznej i Ekologicznej Wydziału Chemii Uniwersytetu Opolskiego, wskazują na znaczny potencjał cyjanobakterii, w aspekcie biodegradacji pochodnych fosfonowych.


Planowane metody i narzędzia badawcze

Rozkład ksenobiotyków fosfonoorganicznych oraz możliwości mineralizacji tych substancji sprawdzone zostaną z wykorzystaniem hodowli mikroorganizmów – na pożywkach modyfikowanych wybranymi związkami poliaminopolifosfonowymi – jak i za pomocą odpowiednich technik NMR. Ponadto ubytek testowanych ksenobiotyków fosfonowych sprawdzany będzie metodami chromatograficznymi (HPLC, GC). Badanie molekularnego przebiegu procesów biotransformacji dokonywane będzie przy użyciu klasycznych technik biochemicznych.


Innowacyjność oraz przydatność dla rozwoju regionu

Celem badań prowadzonych podczas realizacji niniejszego projektu będzie ocena możliwości wykorzystania cyjanobakterii w procesach biotechnologicznych.

Innowacyjność badań polega na zastosowaniu relatywnie łatwych w hodowli i nie produkujących toksyn cyjanobakterii, do rozkładu związków polifosfonowych obecnych w ponadnormatywnych ilościach w środowisku przyrodniczym. Badania te mogą doprowadzić do opracowania bezpiecznych i tanich sposobów detoksykacji wód powierzchniowych. Ma to niezwykle istotne znaczenie w naszym regionie, gdyż rolnictwo i przemysł chemiczny są tutaj wysoce rozwinięte. Z powodu powszechnego stosowania nadmiernych ilości łatwo rozpuszczalnych w wodzie połączeń fosforu i azotu, nasz region boryka się z problemem zakwitu wód, zwanego eutrofizacją przykładem są Jeziora Turawskie, gdzie pogorszenie jakości wód doprowadziło do praktycznie całkowitego zaniku turystyki na tym obszarze. Masowy niekontrolowany rozwój sinic, które jako jedne z nielicznych organizmów, zasiedlają takie biotopy, sugeruje istnienie sprawnego metabolizmu fosforu i azotu, dzięki czemu sinice są wstanie mineralizować tego rodzaju zanieczyszczenia.

Nowością w badaniach nad rozkładem mikrobiologicznym związków fosfonoorganicznych jest także wprowadzenie metody magnetycznego rezonansu jądrowego, a w szczególności techniki in vivo 31P NMR do śledzenia bieżących zmian zawartości i przemian różnych form fosforu w środowisku życia mikroorganizmów.





dol