Biodegradabilità degli idrocarburi
CATEGORIE
Alcani
Aromatici
Eteroatomici
Asfalteni e
metallorganici
SOTTOCATEGORIE
Lineari
Ramificati
Ciclici
DEGRADABILITA’
+
+
_
Monociclici
Policiclici
Alchil derivati
Contenenti ossigeno
Contenenti azoto
Contenenti zolfo
Asfalteni
Porfirine
_
•Esiste una relazione diretta tra peso molecolare, solubilità in acqua e
biodegradabilità
•Alcuni idrocarburi esplicano un’azione tossica sui microrganismi esercitando
1 un
“effetto solvente” sulla parete cellulare (benzene, esano, naftalene…)
BIODEGRADAZIONE DEGLI
IDROCARBURI
1. “Cattura” degli idrocarburi dall’ambiente
2. Trasporto degli idrocarburi attraverso gli
involucri cellulari
3. Ossidazione enzimatica degli idrocarburi ad
anidride carbonica (CO2) ed acqua (H2O)
2
CATTURA E TRASPORTO
1. Come catturare gli idrocarburi in un mezzo acquoso in cui sono
praticamente insolubili;
2. Come fare in modo che, una volta catturati, essi attraversino la parete cellulare
di natura idrofilica
• produzione di surfattanti ionici che favoriscono la formazione di emulsioni
idrocarburo-acqua. Gli idrocarburi emulsionati acquistano caratteristiche di
idrofilicità tali da potere attraversare la parete cellulare
• variazione della natura della parete cellulare mediante produzione di polimeri
con strutture di surfattanti non ionici che, aderendo alla superficie del
microrganismo, rendono la cellula lipofila e quindi capace di convivere
3
normalmente con gli idrocarburi
Biosintesi dei ramnolipidi in Pseudomonas aeruginosa
Fig 6.8: Biosintesi dei ramnolipidi in P. aeruginosa. La timidina.difosfo ramnosio (TDP-ramnosio) agisce da donatore del ramnosio in due
reazioni sequenziali catalizzate dalla ramnosiltransferasi 1 e ramnosiltransferasi 2. Nelle due reazioni prima il 3-idrossidecanoil-3idrossidecanoato, e poi l’ L-ramnosil-3-idrossidecanoil-3-idrossidecanoato, agiscono da accettori del ramnosio.
Ref.: Ochsner UA, Fiechter A, Reiser J.
4
Isolation, characterization, and expression in Escherichia coli of the Pseudomonas aeruginosa rhlAB genes encoding a rhamnosyltransferase
involved in rhamnolipid biosurfactant synthesis.
J Biol Chem. 1994 Aug 5;269(31):19787-95.
Ossidazione degli idrocarburi
(Ref. Brock)
La degradazione degli idrocarburi avviene
principalmente in condizioni aerobiche
OSSIGENASI: enzimi che catalizzano
l’incorporazione di O2 in composti organici
MONOSSIGENASI:
incorporazione di un solo
atomo di O sotto forma di
gruppo OH
DIOSSIGENASI:
incorporazione di
entrambi gli atomi di O
nella molecola 5
BIODEGRADAZIONE DEGLI IDROCARBURI
CARATTERI GENERALI:
•Il primo step ossidativo, catalizzato dagli enzimi monossigenasi o diossigenasi,
porta alla formazione di alcoli;
•Gli step successivi portano alla formazione di intermedi costituiti da acidi
carbossilici;
•Sia gli alcoli sia gli acidi carbossilici possono essere secreti dalla cellula per
essere utilizzati come surfattanti per aumentare la dispersione degli idrocarburi
nell’acqua;
•La rottura progressiva delle strutture idrocarburiche avviene a carico degli
acidi carbossilici con un meccanismo definito di β-ossidazione. Con tale
meccanismo due atomi di carbonio vengono staccati per formare acido acetico;
•L’acido acetico è il substrato dell’ultimo step ossidativo che porta ad anidride
carbonica ed acqua.
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Ossidazione di un idrocarburo alifatico
(Ref. Brock)
idrocarburo
alcol
deidrogenazione
aldeide
idratazione
deidrogenazione
Acido
carbossilico
Acido
7acetico
IL CICLO DELL’ACIDO CITRICO
(Ref. Brock)
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Ossidazione di un idrocarburo aromatico
(Ref. Brock)
•La degradazione degli idrocarburi aromatici ha spesso inizio con
una serie di reazioni che portano alla formazione di protocatecuato
o di catecolo, o di un composto strutturalmente simile;
•Questi composti, costituiti da un unico anello aromatico, sono poi
degradati fino a formare composti che entrano nel ciclo degli acidi
carbossilici (succinato, acetil-CoA e piruvato).
idrocarburo
Alcol
9
Ossidazione di un idrocarburo aromatico
(Ref. Brock)
Acido
carbossilico
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Degradazione anaerobica dei composti aromatici (Ref. Brock)
Gli idrocarburi non possono essere fermentati
Possono essere degradati da anaerobi (denitrificanti,
solfato-riduttori e ferro-riduttori)
Possono essere degradati da comunità microbiche
contenenti metanogeni, ottenendo CH4 come prodotto
finale
La reazione di ossigenazione è sostituita da una
reazione di carbossilazione:
CH3(CH2)14CH3 + CO2
CH3 (CH2)14CH2COOH
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Degradazione anaerobica del benzoato (Ref. Brock)
riduzione dell’anello aromatico
apertura dell’anello
12
I plasmidi catabolici
13
Il plasmide pWW0 TOL
Upper operon: geni coinvolti nella
trasformazione dei metilbenzeni nei
corrispondenti acidi metilbenzoici;
oriV
rep
tra
116.580/0
oriT
87.435
Lower operon: geni coinvolti nella formazione
dell’intermedio diidrossilato, dell’apertura
dell’anello aromatico e della sua trasformazione
in intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici
pWW0 TOL
29.145
58.290
IS1246
xylR
xylS
IS1246
xyl
xyl
Fig 6.1: Mappa genetica del plasmide pWW0 TOL. Il cerchio interno indica le dimensoni del plasmide in kilobasi. Il cerchio esterno
mostra la posizione di alcuni locus. In verde è mostrata la regione catabolica coinvolta nella biodegradazione di toluene, xilene e dei
loro prodotti di ossidazione. I geni codificanti gli enzimi coinvolti nella via di degradazione sono organizzati in due operoni,
xylUWCMABN e xylXYZLTEGFJQKIH, che sono positivamente regolati dai prodotti dei geni xylS e xylR. In blu: sequenze di
inserzione IS1246. In rosso: i geni coinvolti nel trasferimento coniugativo del plasmide (traABC) e l’origine di trasferimento (oriT). In
verde scuro: il sito di origine della replicazione (oriV) e un gene coinvolto nel processo replicativo (rep). Le frecce indicano la
direzione della trascrizione.
Ref. Greated A, Lambertsen L, Williams PA, Thomas CM.
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Complete sequence of the IncP-9 TOL plasmid pWW0 from Pseudomonas putida. Environ Microbiol. 2002 Dec;4(12):856-71.
L’operone xyl del plasmide pWW0
Benzoato: R = H; R’= H
3-metilbenzoato: R = H; R’= CH3
3-etilbenzoato: R = H; R’= CH2CH3
4-metilbenzoato: R = CH3; R’= H
Biidrossicicloesadiencarbossilato
deidrogenasi
Toluene biossigenasi
Catecol-2,3biossigenasi
idrolasi
?
2-oxo-4idrossipentonato
aldolasi
2-oxo-pent-4enoatoidratasi
4-ossalocrotonato
tautomerasi
4-ossalocrotonato
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Degradazione dello stirene (feniletene)
A
B
styA
styB
styC
styD
//
//
Fig 6.2: A. Degradazione dello stirene attraverso la via dell’acido fenilacetico. Il processo di degradazione è diviso in due fasi. Nella
prima fase (upper pathway), lo stirene è convertito in acido fenilacetico. Sotto ad ogni reazione è indicato l’enzima che la catalizza:
StyAB, stirene monoossigenasi; StyC, epossistirene isomerasi; StyD, fenilacetaldeide deidrogenasi. Gli enzimi Paa sono responsabili
del catabolismo dell’acido fenilacetico ad intermedi del ciclo di Krebs (lower pathway). B. Organizzazione genetica dell’operone
styABCD in Pseudomonas sp., ceppo Y2, di origine cromosomale.
Ref.: Paloma Lorenzo, Sergio Alonso, Ana Velasco, Eduardo Díaz, José L. García and Julián Perera.
Design of catabolic cassettes for styrene biodegradation.
Antonie Van Leeuwenhoek. 2003;84(1):17-24
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