Wpływ stresu metabolicznego na biodegradację chloropochodnych toluenu i modyfikację właściwości powierzchniowych komórek szczepu Raoultella planticola SA2

Pacholak, A.; Smułek, W.; Kaczorek, E.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wpływ stresu metabolicznego na biodegradację chloropochodnych toluenu i modyfikację właściwości powierzchniowych komórek szczepu Raoultella planticola SA2

Autorzy

Pacholak A. , Smułek W. , Kaczorek E.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Impact of metabolic stress on biodegradation of chlorotoluene derivatives and modification of Raoultella planticola SA2 surface characteristics

Języki publikacji

Abstrakty

Izomery chlorotoluenu są stosowane w wielu dziedzinach przemysłu, a ich szerokie wykorzystanie wiąże się z niekontrolowanym uwalnianiem do środowiska. Stąd konieczne jest ich usuwanie przede wszystkim ze środowiska gruntowo-wodnego. Do usuwania zanieczyszczeń organicznych ze środowiska wykorzystuje się wiele metod fizykochemicznych, których podstawową wadą jest problem z dalszym ich zagospodarowaniem. Z tego względu coraz większym zainteresowaniem cieszą się metody biologiczne, wykorzystujące zdolności drobnoustrojów do degradacji związków organicznych. W badaniach laboratoryjnych określono wpływ długotrwałego kontaktu szczepu Raoultella planticola SA2 z izomerami chlorotoluenu na przebieg biodegradacji tych związków. Istotnym elementem badań była także ocena wpływu każdego z izomerów chlorotoluenu na właściwości powierzchniowe mikroorganizmów prowadzących ich biodegradację. W tym celu określono zmiany w przepuszczalności błony komórkowej, potencjału dzeta komórek bakteryjnych oraz hydrofobowości ich powierzchni. Sprawdzono również, czy podatność wybranych izomerów na biodegradację zmienia się po długotrwałym kontakcie mikroorganizmów z degradowanymi związkami (tzw. stres metaboliczny). Obserwowane różnice między biodegradacją poszczególnych izomerów chlorotoluenu wykazały, że związki te – mimo podobnych właściwości fizycznych – w różnym stopniu ulegały biodegradacji oraz bardzo różnie oddziaływały na komórki mikroorganizmów. Stwierdzono, że ważnym elementem podczas biodegradacji chlorowych związków aromatycznych był długotrwały kontakt mikroorganizmów z tymi związkami. Wyniki badań wykazały także istotny wpływ położenia atomu chloru w izomerach chlorotoluenu na ich biodegradację związków oraz właściwości powierzchniowe mikroorganizmów. Drobnoustroje poddane długotrwałemu oddziaływaniu z izomerami chlorotoluenów przeprowadzały ich biodegradację szybciej i bardziej skutecznie. Zmianom uległy również właściwości powierzchniowe komórek mikroorganizmów.

Chlorotoluene isomers are used in a number of industries and their wide application results in the uncontrolled release of these compounds to the environment. Therefore, their removal is required primarily from the soil-water environment. Numerous physicochemical methods are in use to remove organic compounds from the ecosystem. However, their primary disadvantage is a question of further utilization of substances removed. Therefore, biological methods that employ microbial ability to degrade toxic organic compounds become increasingly popular. In the study, effect of a long-term contact between the Raoultella planticola SA2 strain and chlorotoluene isomers on biodegradation of these compounds was determined. Impact evaluation of each isomer on surface characteristics of microorganisms involved in the biodegradation process was another significant component of the research. Therefore, changes in the membrane permeability, zeta potential and bacterial cell surface hydrophobicity were measured. Further, effect of prolonged contact with the microorganisms (so-called metabolic stress) on susceptibility of selected isomers to biodegradation was examined. The observed differences between biodegradation of individual chlorotoluene isomers demonstrated that despite similar physical characteristics, a degree of their biodegradation varied as well as their effects on the microbial cells. The long-term contact of chloroaromatic compounds with the microorganisms was an important factor during their biodegradation. Moreover, the results indicated that the chlorine atom position had a strong impact on the chlorotoluene isomer biodegradation and the bacterial surface properties. Bacteria under the long-term stress conditions were able to degrade the chlorotoluene isomers faster and more effectively. Their surface characteristics changed as well.

Słowa kluczowe

środowisko gruntowo-wodne toksyczne związki organiczne izomery chlorotoluenu biodegradacja szczep Raoultella planticola SA2 potencjał dzeta przepuszczalność błony komórkowej hydrofobowość powierzchni komórki stres metaboliczny

soil-water environment toxic organic compounds chlorotoluene isomers biodegradation Raoultella planticola SA2 strain zeta potential membrane permeability cell surface hydrophobicity metabolic stress

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2018

Tom

Vol. 40, nr 2

Strony

23--29

Opis fizyczny

Bibliogr. 41 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pacholak A.

Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań

autor

Smułek W.

wojciech.smulek@put.poznan.pl

Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań

autor

Kaczorek E.

Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań

Bibliografia

1. C. TRELLU, E. MOUSSET, Y. PECHAUD, D. HUGUENOT, E.D. van HULLEBUSCH, G. ESPOSITO, M. A. OTURAN: Removal of hydrophobic organic pollutants from soil washing/flushing solutions: A critical review. Journal of Hazardous Materials 2016, Vol. 306, pp. 149–174.
2. D. DOBSLAW, K. H. ENGESSER: Degradation of 2-chlorotoluene by Rhodococcus sp. OCT 10. Applied Microbiology and Biotechnology 2012, Vol. 93, pp. 2205–2214.
3. G. EIBES, G. FEIJOO, J. M. LEMA, M. T. MOREIRA: Enzymatic technologies for remediation of hydrophobic organic pollutants in soil. Applied Microbiology and Biotechnology 2015, Vol. 99, No. 21, pp. 8815–8829.
4. M. ROSSBERG, W. LENDLE, G. PFLEIDERER, A. TÖGEL, E.-L. DREHER, E. LANGER, H. RASSAERTS, P. KLEINSCHMIDT, H. STRACK, R. COOK, U. BECK, K.-A. LIPPER, T. R. TORKELSON, E. LÖSER, K. K. BEUTEL, T. MANN: Chlorinated hydrocarbons. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2006.
5. I. MALISZEWSKA, J. URBANIAK: Zastosowanie pleśni z rodzaju Penicillium do biodegradacji związków chloroorganicznych (Biodegradation of chlororganic compounds by mildew of the Penicillium genus). Ochrona Środowiska 1999, vol. 21, nr 2, ss. 25–28.
6. M. B. NINKOVIC, R. D. PETROVIC, M. D. LAUSEVIC: Removal of organochlorine pesticides from water using virgin and regenerated granular activated carbon. Journal of the Serbian Chemical Society 2010, Vol. 76, No. 4, pp. 565–573.
7. P. BATTISTONI, E. COLA, F. FATONE, D. BOLZONELLA, A. L. EUSEBI: Micropollutants removal and operating strategies in ultrafiltration membrane systems for municipal wastewater treatment: preliminary result. Industrial and Engineering Chemistry Research 2007, Vol. 46, pp. 6716–6723.
8. M. BODZEK: Przegląd możliwości wykorzystania technik membranowych w usuwaniu mikroorganizmów i zanieczyszczeń organicznych ze środowiska wodnego. Inżynieria i Ochrona Środowiska 2013, vol. 16, nr 1, ss. 5–37.
9. P. KIM, J. LLOYD, J. W. KIM, N. ABDOULMOUMINE, N. LABB: Recovery of creosote from used railroad ties by thermal desorption. Energy 2016, Vol. 111, pp. 226–236.
10. O. BRAASS, C. TIFFERT, J. HÖHNE, X. LUO, B. NIEMEYER: Decontamination of polyaromatic hydrocarbons from soil by steam stripping: mathematical modeling of the mass transfer and energy requirement. Environmental Science and Technology 2003, Vol. 37, pp. 5001–5007.
11. A. ŻARCZYŃSKI, A. STOPCZYK, M. ZABOROWSKI, Z. GORZKA, M. KAŹMIERCZAK: Usuwanie związków chloroorganicznych ze ścieków przemysłowych ze szczególnym uwzględnieniem metody termokatalitycznego utleniania (Removal of chloroorganic compounds from industrial effluents using various methods: Advantages of thermocatalytic oxidation). Ochrona Środowiska 2010, vol. 32, nr 1, ss. 49–54.
12. C. S. KARIGAR, S. S. RAO: Role of microbial enzymes in the bioremediation of pollutants: A review. Enzyme Research 2011, Vol. 2011, pp. 1–11.
13. M. FARHADIAN, D. DUCHEZ, C. LARROCHE: In situ bioremediation of monoaromatic pollutants in groundwater: A review. Bioresource Technology 2008, Vol. 99, No. 13, pp. 5296–5308.
14. J. R. JEON, K. MURUGESAN, I. H. NAM, Y. S. CHANG: Coupling microbial catabolic actions with abiotic redox processes: A new recipe for persistent organic pollutant (POP) removal. Biotechnology Advances 2013, Vol. 31, No. 2, pp. 246–256.
15. S. E. HEID, M. K. WALKER, H. I. SWANSON: Correlation of cardiotoxicity mediated by halogenated aromatic hydrocarbons to aryl hydrocarbon receptor activation. Toxicological Sciences 2001, Vol. 61, No 1, pp. 187–196.
16. E. KACZOREK, W. SMUŁEK, A. ZDARTA, A. SAWCZUK, A. ZGOŁA-GRZEŚKOWIAK: Influence of saponins on the biodegradation of halogenated phenols. Ecotoxicology and Environmental Safety 2016, Vol. 131, pp. 127–134.
17. B. E. HAIGLER, J. C. SPAIN: Degradation of p-chlorotoluene by a mutant of Pseudomonas sp. strain JS6. Applied and Environmental Microbiology 1989, Vol. 55, No 2, pp. 372–379.
18. U. BRINKMANN, W. REINEKE, B. U. WUPPERTAL, C. M. WUPPERTAL: Degradation of chlorotoluenes by in vivo constructed hybrid strains: Problems of enzyme specificity, induction and prevention of meta-pathway. FEMS Microbiological Letters 1992, Vol. 96, No 1, pp. 81–87.
19. K. NORDIN, M. UNELL, J. K. JANSSON: Novel 4-chlorophenol degradation gene cluster and degradation route via hydroxyquinol in Arthrobacter chlorophenolicus A6. Applied and Environmental Microbiology 2005, Vol. 71, No 11, pp. 6538–6544.
20. M. I. M. FERREIRA, J. R. MARCHESI, D. B. JANSSEN: Degradation of 4-fl uorophenol by Arthrobacter sp. Strain IF1. Applied Microbiology and Biotechnology 2008, Vol. 78, No. 4, pp. 709–717.
21. Q. ZHAO, J.-Y. ZHANG, L.-Z. CHEN, J.-X. ZHENG, L. ZHAO, H.-M. YIN: Cell-surface hydrophobicity and degradation characteristics of hydrophobic hydrocarbon degrading bacteria. Huanjing Kexue/Environmental Science 2005, Vol. 26, No 5, pp. 132–136.
22. C. O. OBUEKWE, Z. K. AL-JADI, E. S. AL-SALEH: Hydrocarbon degradation in relation to cell-surface hydrophobicity among bacterial hydrocarbon degraders from petroleumcontaminated Kuwait desert environment, International Biodeterioration and Biodegradation 2009, Vol. 63, No 3, pp. 273–279.
23. H. TEBYANIAN, S. H. MIRHOSSEINY, O. SARRAFI, E. ALIAKBARI, M. HASSANSHAHIAN: Relationship between cell surface hydrophobicity and degradation of hexadecane. International Journal of Advanced Biological and Biomedical Research 2014, Vol. 2, No. 5, pp. 1613–1619.
24. Z. ZHAO, A. SELVAM, J. WOON-CHUNG WONG: Effects of rhamnolipids on cell surface hydrophobicity of PAH degrading bacteria and the biodegradation of phenanthrene. Bioresource Technology 2011, Vol. 102, No. 5, pp. 3999–4007.
25. S. JORDAN, M. I. HUTCHINGS, T. MASCHER: Cell envelope stress response in Gram-positive bacteria. FEMS Microbiology Reviews 2008, Vol. 32, No 1, pp. 107–146.
26. W. SMUŁEK, A. ZDARTA, U. GUZIK, B. DUDZIŃSKA-BAJOREK, E. KACZOREK: Rahnella sp. strain EK12: Cell surface properties and diesel oil biodegradation after longterm contact with natural surfactants and diesel oil. Microbiological Research 2015, Vol. 176, pp. 38–47.
27. W. SMULEK, A. ZDARTA, A. PACHOLAK, A. ZGOŁA-GRZESKOWIAK, Ł. MARCZAK, M. JARZĘBSKI, E. KACZOREK: Saponaria officinalis L. extract: Surface active properties and impact on environmental bacterial strains. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2017, Vol. 150, pp. 209–215.
28. D. C. BRESSLEER, M. R. GRAY: Transport and reaction processes in bioremediation of organic contaminants. 1. Review of bacterial degradation and transport. International Journal of Chemical Reactor Engineering 2003, Vol. 1, No. 1, pp. 1–16.
29. K. SAŁEK, A. ZGOŁA-GRZEŚKOWIAK, E. KACZOREK: Modification of surface and enzymatic properties of Achromobacter denitrificans and Stenotrophomonas maltophilia in association with diesel oil biodegradation enhanced with alkyl polyglucosides. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2013, Vol. 111, pp. 36–42.
30. E. KACZOREK, K. SAŁEK, U. GUZIK, B. DUDZIŃSKA-BAJOREK, A. OLSZANOWSKI: The impact of longterm contact of Achromobacter sp. 4(2010) with diesel oil – changes in biodegradation, surface properties and hexadecane monooxygenase activity. International Biodeterioration and Biodegradation 2013, Vol. 78, pp. 7–16.
31. K. POLLMANN, V. WRAY, D. H. PIEPER: Chloromethylmuconolactones as critical metabolites in the degradation of chloromethylcatechols: Recalcitrance of 2-chlorotoluene. Journal of Bacteriology 2005, Vol. 187, No 7, pp. 2332–2340.
32. K. POLLMANN, S. BEIL, D. H. PIEPER: Transformation of chlorinated benzenes and toluenes by Ralstonia sp. Strain PS12 tecA (tetrachlorobenzene dioxygenase) and tecB (chlorobenzene dihydrodiol dehydrogenase) gene products. Applied and Environmental Microbiology 2001, Vol. 67, No 9, pp. 4057–4063.
33. M. A. HARO, V. de LORENZO: Metabolic engineering of bacteria for environmental applications: Construction of Pseudomonas strains for biodegradation of 2-chlorotoluene. Journal of Biotechnology 2001, Vol. 85, No 2, pp. 103–113.
34. A. LEHNING, U. FOCK, R. M. WITTICH, K. N. TIMMIS, D. H. PIEPER: Metabolism of chlorotoluenes by Burkholderia sp. strain PS12 and toluene dioxygenase of Pseudomonas putida F1: Evidence for monooxygenation by toluene and chlorobenzene dioxygenases. Applied and Environmental Microbiology 1997, Vol. 63, No 5, pp. 1974–1979.
35. J. ZHANG, Z. SUN, Y. LI, X. PENG, W. LI, Y. YAN: Biodegradation of p-nitrophenol by Rhodococcus sp. CN6 with high cell surface hydrophobicity. Journal of Hazardous Materials 2009, Vol. 163, pp. 723–728.
36. H. GÓRNA, Ł. ŁAWNICZAK, A. ZGOŁA-GRZEŚKOWIAK, E. KACZOREK: Differences and dynamic changes in the cell surface properties of three Pseudomonas aeruginosa strains isolated from petroleum-polluted soil as a response to various carbon sources and the external addition of rhamnolipids. Bioresource Technology 2011, Vol. 102, pp. 3028–3033.
37. W. TIAN, J. YAO, R. LIU, M. ZHU, F. WANG, X. WU, H. LIU: Effect of natural and synthetic surfactants on crude oil biodegradation by indigenous strains. Ecotoxicology and Environmental Safety 2016, Vol. 129, pp. 171–179.
38. K. GUVEN, M. YOLCU, R. GUL-GUVEN, S. ERDOGAN, D.D. POMERAI: The effects of organic pesticides on inner membrane permeability in Escherichia coli ML35. Cell Biology and Toxicology 2005, Vol. 21, pp. 73–81.
39. H. B. SHEN, X. Y. YONG, Y. L. CHEN, Z. H. LIAO, R. W. SI, J. ZHOU, S. Y. WANG, Y. C. YONG, P. K. OU YANG, T. ZHENG: Enhanced bioelectricity generation by improving pyocyanin production and membrane permeability through sophorolipid addition in Pseudomonas aeruginosa – inoculated microbial fuel cells. Bioresource Technology 2014, Vol. 167, pp. 490–494.
40. S. LIU, C. GUO, X. LIANG, F. WU, Z. DANG: Nonionic surfactants induced changes in cell characteristics and phenanthrene degradation ability of Sphingomonas sp. GY2B. Ecotoxicology and Environmental Safety 2016, Vol. 129, pp. 210–218.
41. C. JING, L. MU, T. REN, B. LI, S. CHEN, W. NAN: Effect of 1-octyl-3-methylimidazolium chloride on cell replication and membrane permeability of Escherichia coli DH5a. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 2014, Vol. 93, pp. 60–63.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-887a4612-85ba-4763-a67d-4a05d3860b56