Aerobní Biodegradace: Klíčový Proces v Rozkladu Organických Látek

Aerobní bakterie jsou mikroorganismy, které ke svému životu a aktivitě potřebují kyslík. Aerobní bakterie využívají kyslík k rozkladu organických látek na jednodušší sloučeniny, jako je oxid uhličitý (CO2), voda (H2O) a minerální látky. Bez aerobních bakterií by příroda ztratila efektivní nástroj pro rozklad organických látek.

Využití Aerobních Bakterií

Aerobní bakterie hrají klíčovou roli v rozkladu organického odpadu na humus. Díky kyslíku proces probíhá rychleji a bez vzniku nepříjemných pachů. V průmyslovém kompostování se často používají ventilační systémy pro optimální přívod vzduchu. Ačkoliv samotná produkce bioplynu probíhá anaerobně, aerobní fáze je klíčová pro předúpravu substrátu. Aerobní bakterie se používají i při čištění vzduchu v průmyslových provozech.

Aerobní bakterie jsou nenahraditelným pomocníkem v přírodě i v technických procesech. Jejich schopnost efektivně rozkládat organické látky z nich dělá ideální řešení pro čištění vody (bakterie do ČOV), kompostování (urychlovače kompostu) nebo péči o zahradní jezírka (bakterie do jezírek). Správné podmínky, zejména dostatek kyslíku a optimální teplota, zajistí jejich maximální účinnost.

Faktory Ovlivňující Biodegradaci

Existuje celá řada faktorů, které mají přímý vztah k biologické úpravě odpadů. Jednou z nejčastějších limitací pro využívání biologických metod bývá teplota. Důležitá je také přítomnost látek, které mikrobiální činnost umožňují, a jejich zapravení do odpadu bývá snadno proveditelné a nenákladné.

Mezi další faktory patří:

Čtěte také: Proces biodegradace: Vysvětlení

• Teplota: Nejefektivněji fungují při teplotách mezi 25-35 °C. Existují různé druhy aerobních bakterií, které se liší svou odolností vůči teplotám. Při zvýšené teplotě dochází k rychlejší degradaci organických sloučenin v půdě. Při zvýšení teploty o 10 °C se degradační rychlost zdvojnásobí. Zvýšením teploty se snižuje adsorpce kontaminantů, což zvyšuje dostupnost organických sloučenin k degradaci. Pokud dojde ke snížení teploty, mikrobiologická degradační rychlost se naopak sníží. Pro biodegradaci ropných látek se může použít i nízkých teplot (5 °C a výše).
• Vlhkost a pH: Ideální pH se pohybuje mezi 6,5 a 8,5. Při vlhkosti od 50 % do 70 % je aerobní biodegradace organických látek nejúčinnější.
• Množství kyslíku: K aerobní biodegradaci organických kontaminantů se přibližně požadují tři části kyslíku ku jedné části organických látek při dosažení úplné mineralizace.
• Výskyt nutrietů: Při mikrobiální degradaci organických sloučenin je vyžadována přítomnost nutrietů (živin) potřebných k pomoci bakteriím zvýšit jejich schopnost degradovat organické sloučeniny a tím pádem umožnit optimální biologický růst. Nutriety rozdělujeme na mikroživiny a makroživiny.
• Rozpustnost polutantů: Rozhodujícím procesem biodegradace je dostupnost odbourávané sloučeniny pro mikroorganismy. Sloučeniny více rozpustné ve vodě jsou dostupnější pro degradující enzymy a naopak. Celá řada mikroorganismů může vytvářet emulgátory, které zvyšují povrchovou plochu substrátu, popřípadě mohou modifikovat své buněčné povrchy tak, aby znásobily svou afinitu k hydrofilním uhlovodíkům pro zlepšení jejich absorpce.
• Disperze a difúze polutantů: Vlivem podzemní vody dochází k rozšíření rozpuštěných kontaminantů v půdě. Tato disperze je výsledkem molekulární difúze a mechanického mísení mezi kontaminanty a podzemní vodou.
• Sorpce polutantů: Patří mezi nejdůležitější faktory ovlivňující chování organických látek v půdě. Jejich afinita na hlavní složky půdy ve většině případů ovlivňuje rychlost vypařování, difúze, výluhu a mikrobiologickou degradaci. Pokud dojde k ustavení sorpční rovnováhy, sorpce končí.

Biologická Úprava Odpadů

Biologické úpravy odpadů mohou sledovat několik zcela rozdílných cílů, například snížení nebezpečnosti. Cílem je degradovat škodlivou látku, transformovat ji na neškodné produkty nebo změnit její vlastnosti tak, že ztratí svoji nebezpečnost. Tento proces je využitelný pro plynné, kapalné i pevné odpady, liší se pouze použité technologie. Biologické metody zahrnují biosolidifikaci, snížení koncentrace nebezpečné látky a biosorpci.

Při biosorpci se využívá specifický pochod, kdy mikroorganismy absorbují a koncentrují látky z prostředí. Tento proces se využívá pro odstraňování rozpuštěných látek, zejména iontů těžkých kovů. Výsledkem je snížení objemu nebezpečného odpadu, popřípadě úplné zbavení nebezpečnosti.

Biologické Odbourávání Specifických Látek

Alifatické Uhlovodíky

Alifatické uhlovodíky jsou obvykle degradovány za aerobních podmínek. Nejlépe jsou rozkládány nerozvětvené alkany (n-alkany) o deseti až osmnácti uhlících. Degradace n-alkanů s dlouhým řetězcem je komplikována jejich nízkou rozpustností ve vodě. Některé mikroorganismy jsou však schopny rozkládat i n-alkany s velkým počtem uhlíků. Krátké n-alkany (s méně než deseti atomy uhlíku v molekule) jsou sice méně hydrofobní, zato více toxické. Vysoce rozvětvené a cyklické alkany jsou obvykle odolnější vůči mikrobiální degradaci než n-alkany. Kromě výše zmíněné biodegradace za aerobních podmínek mohou být n-alkany, rozvětvené alkany i cykloalkany rozkládány i anaerobně. K tomu je potřeba, aby organismy využívaly jiný akceptor elektronů a protonů než kyslík, např. nitrát, síran nebo oxid uhličitý.

Halogenderiváty Alifatických Uhlovodíků

Halogenderiváty alifatických uhlovodíků mohou být mikroorganismy rozkládány několika mechanismy. Nejdůležitějšími z nich jsou hydrolýza, oxidace a redukce. Kterou cestou bude degradace v daném případě probíhat, záleží na druhu polutantu (na délce řetězce, stupni halogenace), podmínkách prostředí (redoxním potenciálu, koncentraci molekulového kyslíku, přítomnosti primárních substrátů, pokud je polutant kometabolisován) a fyziologických schopnostech přítomných mikroorganismů. Hydrolýza vazby mezi atomy uhlíku a halogenu je katalyzována halogenalkandehalogenázami. Většina halogenovaných alifatických uhlovodíků může podléhat jak oxidaci, tak redukci. Jsou-li podmínky prostředí anaerobní a lokalita je kontaminována vysoce halogenovanými alifatickými uhlovodíky, je vhodné se při sanaci zaměřit na posílení procesu reduktivní dehalogenace. Za aerobních podmínek a přítomnosti primárních substrátů (např.

Monoaromatické Uhlovodíky

Monoaromatické uhlovodíky mohou být rozkládány aerobně i anaerobně. Biodegradace za aerobních podmínek je v prostředí rozšířenější, protože je energeticky výhodnější a rychlejší než anaerobní. Degradace BTEX (benzen, toluen, ehtylbenzen, xylen) za aerobních podmínek je iniciována mono- nebo dioxygenázami, které katalyzují navázání hydroxylové skupiny na aromatické jádro, po němž následuje rozštěpení kruhu. Na druhou stranu, místa znečištěná monoaromatickými uhlovodíky bývají často téměř bezkyslíkatá a proto je výzkum anaerobní degradace těchto látek neméně důležitý. Dle výsledků lze tyto látky seřadit podle jejich biodegradovatelnosti za aerobních podmínek takto: toluen > p-xylen > m-xylen a ethylbenzen > benzen > o-xylen. Přítomnost toluenu může podporovat degradaci benzenu a p-xylenu.

Čtěte také: O biodegradaci a sanaci

Polyaromatické Uhlovodíky a Polychlorované Bifenyly

Polyaromatické uhlovodíky patří k nejhůře biodegradovatelným sloučeninám. S rostoucím počtem benzenových jader (popř. s rostoucí molární hmotností) jejich biodegradovatelnost klesá. Stejně jako monoaromatické uhlovodíky i PAU často znečišťují anaerobní prostředí. Obohacovat kyslíkem taková místa bývá velice nákladné, a je proto důležité zaměřit se ve výzkumu také na degradaci PAU za anaerobních podmínek. V tomto směru se jeví slibně hlavně procesy, které využívají jako konečný akceptor elektronů nitrát. Ukazuje se, že jsou téměř tak rychlé jako aerobní. Výhodou je i to, že nitráty jsou snadno dostupné a dobře rozpustné ve vodě.

Také polychlorované bifenyly jsou velmi odolné vůči biologickému rozkladu. Předpokládá se, že úplná biodegradace směsí PCB je možná pouze druhově velmi rozmanitým mikrobiálním společenstvem. Za aerobních podmínek mohou PCB s menším počtem atomů chloru sloužit jako růstový substrát nebo být oxidovány kometabolicky. Z vysoce halogenovaných kongenerů PCB jsou atomy chloru odstraňovány reduktivní dehalogenací. Reduktivní dehalogenace vede ke vzniku méně chlorovaných kongenerů. Navodit jejich aerobní degradaci lze obohacením prostředí kyslíkem, primárním substrátem a anorganickými živinami.

Molekulární Genetika a Biodegradace Chlorovaných Uhlovodíků

Chlorované uhlovodíky (ClU) patří mezi nejčastější kontaminanty životního prostředí. Pro odstraňování ClU je možné využít jak biologických, tak chemických metod či jejich vzájemných kombinací, které se v současnosti jeví jako nejefektivnější. Kombinace biologických a chemických metod se začaly hojněji využívat až v 90. letech minulého století. Rozvoj metod molekulární genetiky navíc umožnil rozsáhlé studium mechanismů biologické degradace ClU.

Reduktivní Dehalogenace

Reduktivní dehalogenace je hlavním degradačním pochodem v anaerobním prostředí. Kromě anaerobních podmínek je nutná přítomnost donoru elektronů - vodíku, který vzniká fermentací organických látek. Jako akceptor elektronů slouží přítomné ClU, přičemž energie uvolněná při dehalogenační reakci je využita pro růst bakterií. Rychlost reduktivní dehalogenace je ovlivněna jak biogeochemickými procesy, tak i množstvím dostupného vodíku. Akumulace toxických meziproduktů, konkrétně cis-DCE a VC, může být způsobena jak částečnou dechlorací, tak sníženou rychlostí dechlorace, eventuálně jejich vzájemnou kombinací. Jediným doposud známým mikroorganismem, který je schopný degradovat PCE až na etan/eten pomocí anaerobní reduktivní dehalogenace, je bakteriální rod Dehalococcoides.

Aerobní Biodegradace ClU

Další možnou cestou dekontaminace ClU je jejich aerobní biodegradace. Během ní jsou ClU využity jako donor elektronů, přičemž dostatečné jsou i velmi nízké koncentrace kyslíku. Aerobní biodegradace ClU je popsána pro TCE , cis-DCE a VC. Bakteriálních druhů schopných aerobní degradace VC je v porovnání s anaerobní biodegradací mnohem více. Při aerobní biodegradaci se uplatňují především enzymy mono- a dioxygenázy.

Čtěte také: Více o anaerobní biodegradaci a jejích produktech

Kometabolická Biodegradace ClU

Kometabolická cesta biodegradace ClU probíhá jak za aerobních, tak za anaerobních podmínek. Při tomto procesu biodegradace jsou ClU degradovány „náhodně“. Tzn., že do metabolických drah příslušných bakterií vstupují ClU společně s jinými substráty, aniž by je bakterie degradovaly s jakýmkoliv ziskem energie či uhlíku. Tyto bakterie využívají jako primární substrát jiné látky než ClU (např. toluen, katechol, metan, etanol a jiné). Z tohoto důvodu jsou ClU při kometabolickém rozkladu degradovány enzymy s jinou substrátovou specifitou. Pokud poklesne koncentrace primárního substrátu pod určitou hladinu, dojde k zastavení celého kometabolického procesu. Enzymy zapojené do kometabolické biodegradace jsou převážně mono- a dioxygenázy.

Metody Molekulární Genetiky pro Sledování Biodegradace

V současné době jsou velmi intenzivně sledovány změny ve složení autochtonní mikroflóry podílející se na biodegradaci nejrůznějších kontaminantů z podzemních vod. V případě ClU se jedná především o proces reduktivní dehalogenace za anaerobních podmínek. S rozvojem molekulárně-genetických metod dochází k hlubšímu poznání nejen mikrobiálních společenstev, ale i enzymů zapojených do jednotlivých biodegradačních drah.

Polymerázová Řetězová Reakce (PCR)

Základní molekulárně-genetickou metodou, která umožňuje získat přehled o procesech probíhajících na kontaminované lokalitě, je polymerázová řetězová reakce (PCR). Jedná se o metodu, na jejímž principu a modifikaci je postavena většina dalších molekulárně-genetických analýz. V prvním kroku dojde k denaturaci molekul DNA pomocí vysoké teploty. Druhý krok slouží k navázání specifických primerů, což jsou krátké sekvence DNA, které se specificky váží na konkrétní místa genomu. V třetím kroku dochází k syntéze vlastního vlákna, a tedy ke vzniku nové kopie testované DNA. Výše popsané kroky se cyklicky opakují tak, aby došlo k dostatečnému namnožení testované sekvence a bylo možné signál vizualizovat.

Real-Time PCR

Jedná se o pokročilou formu PCR založené na detekci fluorescenčního signálu. Měření fluorescenčního signálu probíhá po skončení každého cyklu PCR reakce. Intenzita fluorescence následně slouží k výpočtu relativní nebo absolutní kvantity. V případě biodegradace ClU (aerobní i anaerobní cestou) lze pomocí real-time PCR sledovat jak pokles či nárůst signálu pro geny enzymů predikujících aktivně probíhající biodegradační proces, tak i jednotlivé bakteriální rody podílející se aktivně na biodegradaci ClU.

Sangerovo Sekvenování

Sangerovo sekvenování je verifikačním nástrojem sloužícím ke kontrole např. specifičnosti zvolených primerů nebo k přesnému taxonomickému zařazení čistých bakteriálních kultur získaných kultivačními metodami. Metodika je založená opět na principu PCR reakce a využívá možnosti fluorescenčního značení dideoxynukleotidů (ddNTP), za kterými již není možné pokračovat v syntéze nově vznikajícího řetězce DNA.

NGS Analýza (Next Generation Sequencing)

NGS analýza je relativně nový přístup molekulární genetiky, který nachází uplatnění v širokém spektru analýz. V případě environmentálních vzorků lze NGS metodou detailně analyzovat směsné vzorky bakteriálních komunit. Tato metoda, jako jediná, analyzuje složení komplexní bakteriální komunity bez nutnosti klonování sledovaných úseků DNA do vektorů a následné kultivace v buňce. Jediným omezením NGS metody je vstupní koncentrace izolované DNA, která musí být vyšší než 2 ng·µl-1. Metoda NGS též umožňuje sekvenovat celé bakteriální genomy, a to jak v případě směsných vzorků (metagenom), tak i komplexní genomy izolátů bakteriálních kmenů. V neposlední řadě je možné sledovat profily aktivně přepisovaných genů pro enzymy, které provádí konkrétní činnosti, nebo aktivně se množících bakteriálních kmenů pomocí sekvenace mRNA.

Jednou z možných metod NGS sekvenování je detekce změny hodnot pH pomocí přístroje Ion Torrent. Při detekci signálu se využívá principu amplifikace, kdy je při každém napojení báze uvolněn proton vodíku. Uvolněné protony vodíku změní hodnotu pH, která je následně detekována.

Případové Studie

Dvě různé lokality kontaminované ClU byly hodnoceny pomocí vybraných markerů a metody PCR. Lokalita 1 vykázala po zásaku syrovátky (organický substrát) pozitivní trend ve vývoji specifického bakteriálního osídlení, přičemž při posledním odběru byla detekována přítomnost všech sledovaných markerů, a tedy úspěšně probíhající proces biodegradace. Lokalita 2 vykazovala dlouhodobou stabilitu výskytu specifických biodegradérů a probíhající biodegradaci. Výhodou PCR reakce je její finanční nenáročnost, která tuto metodu řadí mezi nejlevnější molekulárně-genetické analýzy.

Real-time PCR reakce umožňuje přesnou kvantifikaci vývoje jednotlivých sledovaných markerů. Po aplikaci substrátu do vrtu došlo k nárůstu relativní četnosti u všech sledovaných markerů. Již jeden den po aplikaci byl pozorován vzestup hladin obou sledovaných specifických enzymů pro degradaci VC, tj. vcrA i bvcA. Třetí den od aplikace došlo také k nárůstu relativní četnosti markeru pro Dehalococcoides spp. Od třetího dne, kdy jednotlivé markery dosáhly nejvyšších hodnot relativní kvantity, byl dále pozorován jejich pokles, a to na hodnoty přibližně stejné jako před aplikací.

Cílem NGS analýzy bylo v tomto případě porovnat diverzitu bakterií v podzemní vodě kontaminované ClU s diverzitou bakterií narostlých na nanovlákenných nosičích umístěných ve stejné vodě. Dále byly analyzovány změny ve složení bakteriální komunity na této lokalitě mezi dvěma odběry, kdy byla do vrtu aplikována syrovátka jako substrát pro podporu biodegradačních procesů. Z výsledků analýz je patrné, že bakteriální diverzita se na úrovni kmene, v případě prvního odběru, podobala diverzitě bakterií detekované na nanovlákenném nosiči. Rozdíly mezi 1. a 2. odběrem, tedy před a po aplikaci syrovátky, byly však již znatelné. Došlo k potlačení kmene Proteobacteria a naopak k proliferaci kmene Firmicutes. Tato skupina je přímo spojována s degradací ClU a zároveň je přítomna v syrovátce. Byly pozorovány tři majoritní čeledi již dříve publikované v souvislosti s výskytem na lokalitách kontaminovaných chlorovanými etyleny (Ruminococcaceae, Moraxellaceae a Lachnospiracea). Souhrnně lze konstatovat, že NGS analýzy poskytují komplexní obraz o dané lokalitě z hlediska mikrobiálního osídlení.

Tabulka: Ilustrační Výsledky PCR Reakce

Následující tabulka ukazuje ilustrační výsledky PCR reakce ze dvou lokalit kontaminovaných ClU. Sanační zásah (aplikace syrovátky) byl proveden po prvním a druhém odběru.

tags: #aerobní #biodegradace #vznik

Oblíbené příspěvky:

• Legislativa pro skládky v ČR
• Cenné Papíry: CZ0009093209
• Činnosti Odboru životního prostředí v Šumperku
• Šumperk: Kvalita ovzduší
• Odpad pro myčku pod umyvadlo – návod