Mikrobielle Lösungen gegen chlorierte Alkangel

Chlorierte Alkane, wie Chloroform (CF) und Dichlormethan (DCM), sind Chemikalien, die Grundwasser verunreinigen können. Diese Substanzen werden oft in verschiedenen Industrieprozessen eingesetzt, wo sie als Lösungsmittel und Reiniger dienen. Diese weitverbreitete Nutzung hat zu einer erheblichen Kontamination von Trinkwasserquellen geführt. CF entsteht auch, wenn Wasser behandelt wird, um Keime abzutöten, und kann produziert werden, wenn eine andere Chemikalie, Tetrachlorkohlenstoff, abgebaut wird. Während CF und DCM natürlich vorkommen können, produzieren menschliche Aktivitäten sie in viel grösseren Mengen. Beide Chemikalien stellen Gesundheitsrisiken dar, einschliesslich Toxizität und Krebs. CF kompliziert besonders die Umweltbedingungen, indem es die natürlichen Prozesse stört, die helfen, andere kontaminierte Substanzen an Mischverschmutzungsstellen abzubauen.

Um das Problem von CF und DCM im kontaminierten Grundwasser anzugehen, haben Forscher auf Mischgruppen von Mikroorganismen zurückgegriffen, die oft aus kontaminierten Standorten stammen und helfen können, diese Chemikalien abzubauen. Diese mikrobiellen Gemeinschaften können die schädlichen Substanzen durch verschiedene Prozesse effektiv entfernen.

#Mikrobielle Kulturen und Schadstoffe

Viele Studien haben sich auf spezifische Arten von Mikroorganismen konzentriert, die mit CF und DCM umgehen können. Allerdings betrachten die meisten dieser Studien entweder CF oder DCM alleine. Wenn Mikroorganismen, die CF abbauen, eingesetzt werden, erzeugen sie oft DCM als Nebenprodukt, bauen aber das DCM nicht ab. Umgekehrt können Kulturen, die sich auf den Abbau von DCM konzentrieren, empfindlich auf CF-Niveaus reagieren, was es schwierig macht, Mischungen aus beiden Chemikalien nacheinander zu reinigen.

Zum Beispiel geschah der Abbau von DCM nicht, bis viele Tage vergangen waren, nachdem CF bereits in DCM umgewandelt wurde, wenn bestimmte CF-abbaubende Kulturen mit DCM-abbaubenden Kulturen kombiniert wurden. Diese Verzögerung hebt einen signifikanten Unterschied hervor, wie diese Mikroorganismen CF und DCM verarbeiten, obwohl die beiden Chemikalien strukturell ähnlich sind.

Die bekannten Mikroorganismen, die CF abbauen können, gehören hauptsächlich zur Gruppe Dehalobacter, mit Ausnahme eines Stammes von Desulfitobacterium. Diese Mikroorganismen können Organohalide wie CF als Energiequelle nutzen und sie durch einen Prozess namens reduktive Dechlorierung abbauen. Dieser Prozess wandelt CF in DCM um, mithilfe spezifischer Proteine, die als reduzierte Dehalogenasen (RDasen) bekannt sind. Jeder Typ von Dehalobacter hat seine eigene einzigartige RDase, die ihm hilft, CF zu verarbeiten.

Um die verschiedenen RDasen besser zu verstehen und zu klassifizieren, gruppieren Forscher sie basierend auf Ähnlichkeiten in ihren Proteinsequenzen. Alle bekannten CF-Abbauer haben RDasen, die zusammen gruppiert werden, aber diese Enzyme haben unterschiedliche Fähigkeiten, mit verschiedenen Chemikalien umzugehen, einschliesslich verwandter Moleküle.

#Die Mechanismen der Dehalogenierung

Jeder der bekannten anaeroben Mikroorganismen, die CF abbauen können, gehört zu einer spezifischen Gruppe namens Dehalobacter. Diese Mikroorganismen verwenden ihre einzigartigen RDasen, um CF zu verarbeiten und es in DCM umzuwandeln. Die Enzyme katalysieren die Reaktion, die die chemischen Bindungen in CF bricht und DCM als Ergebnis produziert.

Obwohl verschiedene RDasen Ähnlichkeiten aufweisen, kann der spezifische Mechanismus, mit dem sie arbeiten, selbst bei eng verwandten Organismen unterschiedlich sein. Forscher versuchen, diese Enzyme im Detail zu untersuchen, um zu verstehen, wie sie effektiv zusammenarbeiten können, um sowohl CF als auch DCM aus kontaminierten Umgebungen zu entfernen.

Neben Mikroorganismen, die CF abbauen können, gibt es auch solche, die sich auf den Abbau von DCM spezialisiert haben. Diese Organismen nutzen DCM in etablierten biochemischen Wegen. Der Abbau von DCM kann zwei Wege folgen, die beide den Wood-Ljungdahl-Weg nutzen, einen wichtigen Prozess zur Energieproduktion und Kohlenstoffassimilation in diesen Mikroorganismen.

Einer der Wege führt zur Zersetzung von DCM in Chloridionen und schliesslich zur Produktion anderer Nebenprodukte wie Formiat und Acetat. Der zweite Weg mineralisiert DCM zu Kohlendioxid und Wasserstoff. Allerdings gab es nur wenig genomische Beweise, um die Behauptungen zu unterstützen, dass bestimmte Dehalobacter-Stämme DCM effizient abbauen können.

#Forschungsfokus

Unsere bisherigen Forschungen haben Mikroorganismen identifiziert, die in kontaminierten Umgebungen CF und DCM abbauen können. Wir arbeiten mit einer mikrobiellen Gemeinschaft namens SC05, die sich als effektiv beim Dechlorieren von CF zu DCM erwiesen hat, während sie auch DCM in harmlose Endprodukte abbaut.

Ein spezifischer Teil dieser Gemeinschaft, SC05-UT, wurde über einen längeren Zeitraum nur mit CF gehalten, was seine Fähigkeit zeigt, Wasserstoffgas zu produzieren, das für die Dechlorierung von CF notwendig ist. Diese Kultur hat einen nachhaltigen Ansatz zum Abbau dieser chlorierten Alkane gezeigt.

Durch die Untersuchung der Gene in SC05-UT und einer verwandten Kultur namens DCME können wir die spezifischen Enzyme und genetischen Maschinen aufdecken, die am Abbau dieser schädlichen Verbindungen beteiligt sind.

#Metagenomische Analyse

Durch metagenomische Analysen haben wir Genome aus den Kulturen SC05-UT und DCME zusammengefügt. Diese Analysen haben wertvolle Informationen über die vorhandenen Mikroorganismen und ihre potenziellen Fähigkeiten enthüllt.

Insgesamt haben wir Genome aus dem Metagenom von DCME und SC05-UT konstruiert. Aus SC05-UT haben wir ein spezifisches Genom von Dehalobacter extrahiert, das ein hohes Mass an Vollständigkeit aufweist. Das aus DCME zusammengefügte Metagenom hat jedoch aufgrund seiner fragmentierten Natur eine geringere genetische Vollständigkeit gezeigt.

Innerhalb des Metagenoms von SC05-UT entdeckten wir ein Gen, das eine spezifische RDase kodiert, die für den Abbau von CF verantwortlich ist. Dies sticht unter anderen identifizierten RDasen hervor, weil es hohe Ausdrucksniveaus zeigt, was darauf hindeutet, dass es eine entscheidende Rolle im Dechlorierungsprozess spielt.

Die identifizierte RDase ist bekannt dafür, ähnliche Sequenzen zu anderen RDasen zu haben, zeigt jedoch einen klaren Wirkungsmechanismus. Diese spezielle RDase kann CF effektiv abbauen und hat dabei eine geringe Aktivität bei DCM.

#Experimentieren mit AcdA

Um die Aktionen der RDase in Bezug auf den CF-Abbau besser zu verstehen, haben wir das native Gen in einem Laborbakterium namens Escherichia coli exprimiert. Diese Expression ermöglichte es uns, die Leistung des Enzyms unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.

Unsere Experimente zeigten, dass das neue Enzym, das als AcdA bezeichnet wird, CF effizient abbauen konnte und einige Aktivität bei anderen chlorierten Verbindungen zeigte. Allerdings war seine Fähigkeit, DCM zu verarbeiten, im Vergleich zu CF minimal. Das deutet darauf hin, dass AcdAs Hauptrolle im Dechlorierungsprozess von CF liegt und nicht bei DCM.

Wir haben die Aktivität von AcdA mit anderen bekannten RDasen verglichen, um seine Leistung zu bewerten. Die Ergebnisse hoben hervor, dass AcdA zwar mit CF effektiv ist, aber DCM nicht signifikant abbaut, was darauf hindeutet, dass es wahrscheinlich andere Schlüsselenzyme für den DCM-Abbau gibt.

#Die Rolle des Mec Cassette

Das mec Cassette ist eine Gruppe von Genen, die spezifische Proteine kodieren, die am Abbau von DCM beteiligt sind. Wir haben festgestellt, dass das mec Cassette nur in den Dehalobacter-Genomen vorhanden ist, die aus SC05-UT und DCME assemblierte wurden.

Durch genomische Sequenzierung haben wir die Struktur des mec Cassette bestimmt und festgestellt, dass es in der Nähe des acdA-Gens liegt. Diese Ko-Lokalisierung deutet darauf hin, dass die von diesem Cassette kodierten Enzyme möglicherweise zusammen mit AcdA arbeiten, um DCM in einfachere Formen abzubauen.

Interessanterweise haben wir beobachtet, dass das mec Cassette in ihren jeweiligen Genomen einige Variationen aufwies, was auf eine genetische Differenzierung zwischen den Populationen in SC05-UT und DCME hinweist. Zukünftige Arbeiten werden darauf abzielen, die vollständige mec Cassette-Sequenz zu verbinden, um zu bestätigen, dass sie im DCM-abbaubenden Prozess richtig funktioniert.

#Fazit

Die Ergebnisse unserer Untersuchungen bieten ein klareres Bild der Mikroorganismen, die am Abbau schädlicher chlorierter Alkane wie CF und DCM beteiligt sind. Unser Fokus auf die SC05-Kultur hat wichtige Enzyme und genomische Merkmale aufgedeckt, die mit einer effektiven Dechlorierung verbunden sind.

Die Identifizierung von AcdA als entscheidende RDase erweitert unser Verständnis darüber, wie Mikroben genutzt werden können, um kontaminierte Standorte zu reinigen. Darüber hinaus zeigt die Präsenz eines vollständigen mec Cassette in den Dehalobacter-Genomen eine vielversprechende Richtung für zukünftige Forschungen zum DCM-Abbau.

Unsere Ergebnisse werden wesentlich zu den laufenden Bemühungen beitragen, Bioremediation-Strategien zu entwickeln, die Mikroorganismen nutzen, um die Auswirkungen industrieller Kontaminationen effektiv zu mildern. Die fortgesetzte Erforschung dieser mikrobiellen Systeme wird helfen, die Technologien, die in Umweltbereinigungsmassnahmen eingesetzt werden, zu verfeinern und zu verbessern.