Klórozott szénhidrogének lebontására illetve hasznosítására képes mikroorganizmusok törzsfejlesztése
Előzmények:
A biotechnológia egyik legdinamikusabban fejlődő területe a biológiai remediáció, vagyis élőlények (elsősorban mikroorganizmusok) felhasználása olyan anyagok lebontására, melyek fizikai és kémiai úton csak nagyon nehezen (drágán) közömbösíthetők. A fejlődés oka elsősorban a mikrovilág szinte elképzelhetetlen sokszínűségében rejlik: becslések szerint az ismert (leírt, nyilvántartásba vett) mikrobiális fajszám néhány ezreléke csupán a Földön ténylegesen élő baktérium, gomba és algafajoknak. Az élőlények a rendelkezésükre álló tápanyagokat a lehető leghatékonyabban igyekeznek felhasználni, melybe az ember számára káros, sőt mérgező anyagok hasznosítása is beletartozhat. Másodsorban, a sokszor csupán percekben mérhető generációs idő (az az időtartam, amely alatt a mikróbasejt osztódik egyet) lehetőséget teremt az irányított mutagenezisre, azaz emberi léptékkel nézve rövid időtartam alatt genetikai értelemben új fajokat hozhatunk létre, melyek fenotípusukat tekintve jócskán eltérhetnek a kiindulási törzstől. A változás az esetek többségében semleges, néhány mutáns azonban – a nagy számok törvénye alapján – a mi szempontunkból nézve kedvezőbb tulajdonságokkal fog rendelkezni.
A fent leírtak miatt számos vállalkozás foglalkozik világszerte (így Magyarországon is) környezetvédelmi szempontból káros anyagok mikrobiológiai eltávolításával. Más cégek inkább a törzsfejlesztést tekintik elsődleges céljuknak: olyan mikroorganizmusokat próbálnak izolálni vagy laboratóriumban létrehozni, melyek fokozottan alkalmasak definiált szennyezők metabolizálására. Kutatásaink alapját is ez a megközelítés képezi: megpróbálunk olyan baktériumtörzseket izolálni és szelektálni, melyek fokozott mértékben alkalmasak a klórozott szénhidrogének hasznosítására, és ezen keresztül történő közömbösítésére.
Rövid áttekintés
A környezeti szennyezések mikrobiális eltávolítására háromféle stratégia létezik. Az elsőben csupán monitorozzuk a változásokat, vagyis analitikai kémiai módszerekkel követjük nyomon a szennyezőanyag koncentrációjának csökkenését. A talajban vagy vízben lévő szennyezőanyagok ugyanis – néhány kivételtől (pl. M = 500 fölötti alkánok, nitro-aromás molekulák) eltekintve – a környezetben eleve jelenlévő mikroorganizmusok enzimei számára szubsztrátumként szolgálnak, vagyis az esetek többségében bizonyos idő elteltével a terület emberi beavatkozás nélkül is megtisztul.
Amennyiben a szennyezés megújulása várható, vagy a tisztulást gyorsítani szeretnénk, a biostimuláció stratégiáját kell követnünk. Ennek során a környezetben természetes módon meglévő lebontó potenciált stimuláljuk pl. bizonyos tápanyagoknak a rendszerbe juttatásával, vagy a levegőztetés fokozásával. Az előbbire példa a nitrogén vagy foszfor adagolása – az InipolEAP nitrogénforrásként karbamidot, foszfát-forrásként lauril foszfátot tartalmazó oleofil „műtrágya”, mikroemulzió formájában. Az Amoco Cadiz (Franciaország, 1978) és az Exxon Valdez (Alaszka, 1989) tankerek hajótörése esetében is sikerrel használták. Alkalmazásának elvi háttere, hogy az élőlények második és harmadik legfontosabb tápanyagformája a nitrogén (aminosav-bioszintézis, fehérjék) és a foszfor (nukleinsavak) – ezt fölös mennyiségben kapják meg, ellenben a legfontosabbat (szénforrás) az adalék nem tartalmazza. Ennek következtében a mikroorganizmusok szénváz-lebontási aktivitása fokozottan fordul a környezetükben lévő széntartalmú anyagok, pl. a kiömlött szénhidrogének felé.
Ami a levegőztetést illeti, ez általában az oxigén limitáció megszüntetésére irányul. Különösen víz alatti területeken vagy nedves területeken lehet jelentős hatása. Technikai megoldás lehet a szárítás, a föld keverése vagy hidrogén-peroxidos permetezés (~ 100 ppm). Egyes esetekben azonban (pl. 2, 4, 6 trinitro-toluol, TNT) az anaerob lebontás gyorsabb az aerobnál. Ilyenkor oxigén limitáció kialakítása a cél.
A legintenzívebb bioremediációs stratégia a bioaugmentáció, azaz mikroorganizmusok bejuttatása a szennyezés környezetébe. Ezek a készítmények kereskedelmi forgalomban is kaphatók; bioreaktorban és in situ történő biodegradáció kivitelezésére is használják őket. Egyes fajok egészen speciális lebontási reakciók kivitelezésére képesek: egy Phanerochaete genusba tartozó gombafaj pl. képes a peszticidek (pl. DDT), robbanószerek (pl. TNT), nagy molekulatömegű sokgyűrűs aromás vegyületek (pl. benzopirén) és műanyagok (pl. polietilén) lebontására is.
Hogyan lehet hozzájutni ilyen törzsekhez? A természetes környezetből történő izolálás meglehetősen fáradságos és sok szerencsét igénylő vállalkozás. Egy igazán jó törzs – csaknem bizonyosan – laboratóriumi törzsfejlesztés eredménye.
A bioremediációs projekt anyagi hátterét az alábbi pályázat biztosította:
Kémiai és biotechnológiai alapkutatások vízzáró rétegek és talajvizek halogénezett szénhidrogén szennyezőinek eltávolítására (TÁMOP-4.2.2-08/1/2008-0012 (IKUT); 2009-2011; 288.683 eFt, témavezető: Prof. Dr. Fábián István).
Tanszéki résztvevők:
- Dr. Karaffa Levente
- Dr. Fekete Erzsébet
- Fekete Éva
- Fekete Zoltán
- Luczai Brigitta (II. évf. Biomérnök MSc)
Együttműködő partnerek:
- TEVA Gyógyszergyár ZRt. (Debrecen)
A témához kapcsolódó publikációink:
- Karaffa L, Fekete E, Fekete É, Luczai B (2011): Biotechnológiai eljárás triklór etilén talajvizből történő eltávolítására (szabadalom benyújtás alatt)