BIOKONVERZIJA KSENOBIOTIKA U OKOLIU

Uzroci poveane akumulacije toksinih tvari u okoliu

Vrste i izvori toksinih tvari u okoliu

TOKSINE TVARI U OKOLIUljudski faktor antibiotici i ostali lijekovi izlueni urinom/fecesom u otpadne vode; antibiotici iz stone hrane u gnojivu-zemlji herbicidi, pesticidi u tlu i zraku teki metali kao nus produkti, teki metali kao osnovni sastojak konanih produkata u tlu i vodi aditivi, konzervansi, steroidi, sredstva za pranje, fosfati u otpadnim vodama ostali faktori metaboliki produkti mikroorganizama i/ili biljaka (aflatoksini, antibiotici, sekundarni metaboliki produkti)

image.dnevnik.hr

U Rovinju je od 2007. godine u funkciji novo odlagalite otpada Procjedne vode se skupljaju u vodootporni sabirnik i transportiraju u jedinicu za proiavanje Proiena voda se otputa u okolinu

Metode utvrivanja stupnja oneienja Odreivanje kemijskog sastava sedimenata, tla i vode Ekstrakcija vodene faze iz tla-pokazatelj sastava tvari kojima je zaista izloeno korjenje biljaka i mikroorganizmi Procjena rizika-nuno uzeti u obzir mobilne i biodostupne frakcije zagaivaa

SUDBINA KSENOBIOTIKA Jednom kada se nau u tlu, vodi ili hrani to se s njima dogaa?

Izloenost mikroorganizmima, biljkama i drugim ivotinjskim vrstama

Parametri toksinostilipofilnost slaba (bio)razgradivost izvori izloenosti biodostupnost bioakumulacija biomagnifikacija sinergizam, potencijacija, antagonizam izmeu vie spojeva metabolizam i produkti koji nastaju metabolizmom

Ciljne molekule djelovanja Stanine makromolekule: DNA, RNA, proteini, stanini lipidi Interferiranje s osnovnim metabolikim putevima Izravne posljedice na tkiva i organizam Kronina izloenost?

Vrste odgovora na toksine spojeve

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Najei primjer biokonvrzija pesticida iz tla i antibiotika iz tla i vode Problematina tla smanjena aktivnost pesticida zbog visoke stope degradacije Druga je krajnost pojaana akumulacija pesticida zbog njihove otpornosti na razgradnju Razgradni produkti pesticida vezani za tlo Kao i u votinja, biokonverzija znai detoksifikacija Zbog prirode procesa detoksifikacije, u odreenim uvjetima nastaju toksini metaboliti

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI

Hidroliza amidne i esterske skupine razgrauju se hidrolitikom aktivnou do anilida, feniluree, estera karbamatne, tiokarbamatne, fosfatne, tiofosfatne kiseline Mikrobne hidrolaze su ekstracelularni enzimi, niske specifinosti

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Dehalogenacija mnogi ksenobiotici sadravaju halogene atome na alifatskim ili aromatskim ugljikovodicima Do danas je otkriveno da dehalogenacija moe biti hidrolitika, oksidacijska ili redukcijska Nije utvren nain na koji dolazi do dehalogenacije aromatskih spojeva primjer DDT-a ukazuje da se ona ipak dogaa

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Oksidacija vaan proces koji prati hidrolizu i dehalogenaciju. Osnovne reakcije su hidroksilacija, koja slijedi nakon razgradnje aromatskog prstena, oksidacijska O- i Ndealkilacija i epoksidacija. Derivati aromatskih kiselina potpuno se razgrauju ovim mehanizmom

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Redukcija proces koji se odvija u anaerobnim uvjetima u prvim fazama anaerobne razgradnje. Tu spadaju redukcijska deklorinacija, redukcija nitro spojeva (nitroreduktaze) Redukcija nitro spojeva odvija se uz prisustvo NADH, a stimulacija reakcije mogua je uz Mn, Fe ione i FADH2 Niska specifinost prema spojevima Nastale amino skupine otporne su na daljnju transformaciju zbog nastanka graninih rezidua

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Bakterije su najodgovornije za razgradnju pesticida i antibiotika u tlu i vodi Kvasci i gljive imaju manju ulogu u tom procesu Mikroalge i Protozoae vrlo rijetko sudjeluju u biokonverziji Bacili vrlo esto provode hidrolizu Pseudomodiji vre hidrolizu, dehalogenaciju, hidroksilaciju, razgradnju aromatskih prstenova i redukciju nitro skupina Acinetobacter, Arthrobacter, Rhodococcus i Penicillium provode biokonverziju S-triazina

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Gljive provode metilaciju hidroksi i amino skupina i metala Gljiva Trichoderma virgatum metilira pentaklorfenol Aspergillus niger i Scopulariopsis brevicaulis metiliraju derivate arsena

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Mikroorganizmi razgrauju ukupno 20-70% pesticida iz tla Manji broj mikroorganizama moe koristiti te tvari ako izvor ugljika Kao izvor ugljika mogu sluiti jednostavniji spojevi kao to su dalapon, klorobenzoati.. Mijeane kulture mikroorganizama imaju prednost u toj mjeri to jedna kultura zapne s degradacijom, a produkti inicijalne razgradnje slue kao supstrat ostalim baktrerijskim kulturama. Nastanak rezistencije i prirodne mutacije izmeu prirodnih kultura potencijalni je uzrok potpune razgradnje ksenobiotika iz okoline

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Istraivanja pokazuju da su mikroorganizmi iz okoline u stanju u potpunosti razgraditi pesticide kao to su DDT, poliklorirani bifenili, difokol i dr. Naalost, mikrobnom aktivnou iz pesticida mogu nastati i puno otporniji spojevi koji se jo tee razgrauju u okolini od ishodnih pesticida Primjer: fenilamidni pesticidi hidrolizom daju kloroaniline koji mikrobnom aktivnou prelaze u tetraklorhidrazobenzene. Takvi poliklorirani aromatski spojevi pojavljuju se u biosferi i tri godine nakon obrade polja s ishodinim pesticidima

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Jo drastiniji primjer je sluaj s pesticidima koji imaju u svojoj kemijskoj strukturi duik Mikrobnom degradacijom takvih spojeva nastaju mutageni i kancerogeni spojevi Parakvat je pesticid koji se vrlo lako vee za tlo i ostaje nedostupan mikroorganizmima Neki se pesticidi lako razgrauju do fenola i anilina koji se veu za tlo i ponovo postaju nedostupni mikrobnoj aktivnosti

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Primjena biotehnologije u zatiti okolia: Tehnike genetikog inenjerstva otvorile su nova polja istraivanja mogue primjene mikroorganizama s pojaanom sposobnou razgradnje ksenobiotika u okoliu Metode koje se koriste u tu svrhu su direktni soj-soj transfer plazmida ili kloniranje gena Kloniranje gena omoguuje konstrukciju sojeva koji e metabolizirati tono odreenu vrstu spojeva, bez nastanka tetnih ili rezistentnih metabolita Problem je stabilnost i rezistentnost takvih sojeva u okolini Masovno otputanje takvih organizama okolinu dovodi u pitanje njihovu sposobnost da izmjenjuju genetiki materijal s drugim autohtonim sojevima, vijabilnost i genetiku stabilnost. To opet dovodi u pitanje naseljavanje novih ekolokih nia ovakvim sojevima

BIOKONVERZIJA I MIKROORGANIZMI Druga je metoda konstrukcija autohtonih sojeva kod kojih e biti induciran kometabolizam Aktivacija autohtone mikroflore

BIOKONVERZIJA I BILJKE U biljkama postoje esteraze i cyp P450 ovisne oksigenaze, enzimi faze II i ATP-ovisni vakuolarni transportni proteini CYP 450 ukljuen u metabolizam herbicida i pesticida Do danas je izolirano 25-30 cyp porodica iz biljaka Kao i u ivotinjskim stanicama kao donor elektrona slui NaDPH ovisna reduktaza

BIOKONVERZIJA I BILJKE Glutation se u biljkama sintetizira u dva, energetski ovisna koraka Ishodini spoj je cistein, a reakciju sinteze kataliziraju -glutamilcistein sintetaza i glutation sintetaza

BIOKONVERZIJA I BILJKE U biljkama uoeno postojanje slinih mehanizama detoksifikacije kao i u ivotinjskim stanicama Endogene molekule kao to su glutation i glukoza su u stanju konjugirati ksenobiotike koji se uklanjaju u vakuole iz citoplazme Transport iz citoplazme u vakuole omoguen je ABC transportnim proteinima Glutationski metaboliti se u vakuoli metaboliziraju do cisteinskih konjugata peptidaznom aktivnou Cisteinski konjugati se u citoplazmi metaboliziraju u druge produkte koji se u obliku vezanih rezidua izluuju u obliku apoplasta, isputaju u rizosferu ili izluuju preko listova u atmosferu ako se radi o hlapljivim spojevima

BIOKONVERZIJA I BILJKE Proteini koji kataliziraju ove reakcije potencijalni su uzrok rezistencije biljaka na herbicide S druge strane, uoeno je da prijelazni metali (eljezo, bakar, nikal) mogu stimulirati rast biljaka ili djelovati toksino na njih Jedna od metoda spreavanja ulaska prijelaznih metala u hranidbeni lanac preko kontaminiranog tla je sadnja upravo takvih biljaka-fitoekstrakcija Visoki prinos biomase i otporne biljke doprinjele bi procesu fitoekstrakcije U tom je sluaju potrebno poznavati osnovne mehanizme koji kontroliraju nakupljanje metala u biljkama i uzroke njihove rezistencije na teke metale

BIOKONVERZIJA I BILJKE Postoje biljke, tzv. hiperakumulatori koje nakupljaju po nekoliko puta vie tekih metala iz okoline u odnosu na ostale biljke Do danas sam mehanizam zatite takvih biljaka od toksinog uinka tekih metala, kao i mehanizmi koji uzrokuju nakupljanje tekih metala nije poznat Uoeno je da u ksilemskom dijelu biljke dolazi do nakupljanja histidina koji kelira teke metale Smanjenje citosolne koncentracije metala

BIOKONVERZIJA, MIKROORGANIZMI I BILJKE Intenzivna istraivanja rizosfere u cilju proiavanja tla Inokulacija biljnog korjena s Pseudomonas sp. Aktivacija specifinih gena u biljkama koji odgovaraju na stres Rizosfera je optimalna okolina u kojoj moe doi do interakcije izmeu biljaka i mikroorganizama

IVOTINJE I LJUDI Dok biokonverzija pomou mikroorganizama i biljaka ima veu ulogu u zatiti okolia i saniranju oneienja, biokonverzija ivotinja i ljudi ima znaajnu primjenu u procjeni toksinosti nekog spoja Osim razliitih mehanizama biokonverzije vrste se razlikuju i po slijedeim karakteristikama: ivotinjske vrste meusobno se razlikuju po mehanizmima popravaka oteenja nastalih djelovanjem nekog spoja Neki sisavci (takori) nemaju sposobnost povraanja to poveava rizik od trovanja npr. fascironom organofosforni pesticidi inhibiraju kolinesteraznu aktivnost. ivotinjske vrste koje imaju receptore za organofosfate vie e biti osjetljive na toksini uinak tih spojeva

IVOTINJE I LJUDI Razlika postoji i u apsorpciji, distribuciji i izluivanju ksenobiotika Naravno, o tome e ovisiti i toksinost svakog pojedinog spoja to se metabolizma tie, pravilo je da manje ivotinje imaju bri metabolizam od velikih Razlika u poluivotu nekog spoja izmeu npr. psa i ovjeka je od 30 min do tri dana Ribe slabo provode oksidacijski metabolizam za razliku od mieva i takora Mjesto hidroksilacije aromatskih spojeva vaan je faktor koji odreuje toksinost spoja

Tako npr.make i psi metaboliziraju anilin do oaminofenola, a zeevi i hrci do p-aminofenola koji je manje toksian. Tako anilin ima jai toksini uinak na karnivore od herbivora Psi neke spojeve uope ne metaboliziraju, a izluuju ih putem ui i fecesa. Koncentracije koje su toksine u stvari inhibiraju transportne puteve koji omoguuju njihovo izluivanje iz ui Hrci te iste spojeve oksidiraju, a oksidacijski produkti se lako izluuju urinom i nemaju znaajan toksini uinak Hidrolitike reakcije malationa u sisavcima spreavaju da ovaj spoj djeluje toksino Insekti taj isti spoj oksidiraju, a nastali produkt djeluje kao jaki inhibitorn kolinesteraze

Glavni put konjugacije ksenobiotika u sisavaca je glukuronidacija Insekti preferiraju konjugaciju glukozom Sulfatacija je jedan od glavnih puteva konjugacije u gotovo svim organizmima osim u riba