Biodegradation of synthetic surfactants : linear alkylbenzenesulfonates (LAS) and related compounds

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2003
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Biodegradation of synthetic surfactants: linear alkylbenzenesulfonates (LAS) and related compounds
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Dissertation
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Zusammenfassung

Das handelsübliche Tensid Lineares-Alkylbenzolsulfonat (LAS) ist die mengenmäßig bedeutendste xenobiotische Verbindung, die in die Umwelt freigesetzt wird. LAS wird unter oxischen Bedingungen vollständig biologisch abgebaut, z.B. in Kläranlagen. Obwohl dies seit 40 Jahren bekannt ist, gelang die Isolierung eines repräsentativen Mikroorganismus, der LAS für sein heterotrophes Wachstum nutzen kann, erst im Jahr 2000. Dieser Stamm, DS-1T, greift die LAS-Alkylseitenkette durch omega-Oxygenierung und beta-Oxidation an, wobei aus den 20 Einzel-verbindungen des handelsüblichen LAS viele verschiedene Sulfophenylcarboxylate (SPC) und ähnliche Verbindungen gebildet werden. Diese SPCs werden von anderen Organismen vollständig abgebaut. In dieser Arbeit wurde die Mikrobiologie der bakteriellen Gemeinschaft, sowie die chemische Analytik und die Biochemie des LAS-Abbaus weiter erforscht.
Stamm DS-1T kann LAS und viele weitere anionische und nichtionische Tenside zum Wachstum nutzten, wobei er Biofilm bildet. Bei Wachstum mit Acetat oder Oktan wird kein Biofilm gebildet. Basierend auf 16S rDNA Sequenzvergleichen und der Analyse der Membrankomponenten wurde Stamm DS-1T als Typ-Stamm einer neuen Art in einer neuen Gattung innerhalb der alpha-Proteobakterien eingeordnet und der Name Parvibaculum lavamentivoransT vorgeschlagen.
Die Enzyme des LAS-Abbauwegs in Stamm DS-1T waren während des Wachstums mit LAS und während des Wachstums mit Acetat aktiv. In Zellsuspensionen war spezifische LAS-abhängige Sauerstoffaufnahme meßbar, einhergehend mit LAS-Abbau und SPC-Bildung, nicht aber in Zellextrakten. Viele weitere Tenside und auch Oktan führten zu einer Sauerstoffaufnahme. Zell-suspensionen bauten LAS in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff nicht ab und nicht in Anwesenheit von molekularem Sauerstoff, wenn die Zellen mit dem Cytochrom-P450-spezifischen Inhibitor Metyrapone vorbehandelt waren. Die lösliche Fraktion des Zellextrakts zeigte Absorptionsmaxima spezifisch für ein Cytochrom-P450-ähnliches Protein. Es wird vermutet, dass die omega-Oxygenierung von LAS in Stamm DS-1T durch ein lösliches, P450-abhängiges Oxygenasesystem katalysiert wird.
Stamm DS-1T wuchs mit dem Tensid Lineares-Alkyldiphenyletherdisulfonat (LADPEDS), ein komplexes Gemisch, und bildete viele Disulfodiphenylethercarboxylate (DSDPEC). DSDPEC als Kohlenstoffquelle wurden durch Bakterien aus Klärschlamm nicht weiter abgebaut. Jedoch nutzt ein Neuisolat, Rhodococcus opacus ISO-5, DSDPEC als Schwefelquelle und desulfoniert diese quantitativ. Durchschnittlich wurde eine Sulfonatgruppe pro DSDPEC-Verbindung entfernt und größtenteils Monosulfodiphenylethercarboxylat-Phenole (MSDPEC-Phenole) gebildet. MSDPEC-Phenole unterlagen einem weitgehenden Abbau durch Bakterien aus Klärschlamm.
Die lateral-substituierte LAS-Verbindung 2-(4-Sulfophenyl)dodekan (2-C12-LAS) wurde von Stamm DS-1T überwiegend zu 3-(4-Sulfophenyl)butyrat (3-C4-SPC) abgebaut, sowie 3-C12-LAS überwiegend zu 4-C6-SPC, und 2-C11-LAS überwiegend zu 4-C5-SPC. Viele weitere SPC-Nebenprodukte wurden gebildet, z.B. alpha,beta-ungesättigtes SPC. Es konnten Stämme isoliert werden, die 3-C4-SPC abbauen, Comamonas testosteroni SPB-2 und KF-1, sowie ein Stamm, der 4-C6-SPC enantioselektiv abbaut, Delftia acidovorans SPH-1. Der SPC-Abbau erfolgt offensichtlich über 4-Sulfocatechol und über induzierbare 4-Sulfocatechol-1,2-Dioxygenasen. Substratabhängige Sauerstoffaufnahme durch ganze Zellen der C. testosteroni Stämme während des Wachstums mit 3-C4-SPC oder mit 4-Sulfophenol, deutete auf induzierbare Oxygenierung von 3-C4-SPC und von 4-Sulfophenol hin. Es wird vermutet, dass 4-Sulfophenol ein Intermediat des 3-C4-SPC-Abbauwegs ist. Das Wachstum von Stamm DS-1T in Gemeinschaft mit Stamm SPB-2 (oder KF-1) und Stamm SPH-1 mit handelsüblichem LAS deutete darauf hin, dass jedes der neuen Isolate nur ein enges Substratspektrum für SPC besitzt. Diese Gemeinschaft baut vier SPC-Hauptprodukte, gebildet aus acht von 20 LAS-Einzelverbindungen, vollständig ab, wobei insgesamt vermutlich 11 SPC-Hauptprodukte aus allen 20 Verbindungen entstehen. Somit sind sehr viel mehr Organismen notwendig, um handelsübliches LAS vollständig abzubauen.
Die zentral-substituierte LAS-Verbindung 5-C10-LAS wurde von Stamm DS-1T überwiegend zu 4-C8-SPC (und Nebenprodukte) abgebaut, sowie zu Sulfophenyldicarboxylaten (SPdC) der Kettenlängen C6, C8 und C10. Der Abbau von 6- und 5-C12-LAS führte überwiegend zu C8-SPC-Verbindungen, sowie zu C6-, C8-, C10- und C12-SPdC-Verbindungen. Eine Präparation aus 7-, 6- und 5-C13-LAS wurde zu C9- und C7-SPC-Verbindungen, sowie zu C5-, C7-, C9-, C11-, und C13-SPdC-Verbindungen, abgebaut. Diese Daten bestätigen, dass handelsübliches LAS von Stamm DS-1T zu 11 SPC-Hauptprodukten abgebaut wird, und dass SPdC nur im Zuge des Abbaus der zentral-substituierten LAS-Verbindungen entsteht. Die Produkte umfassen somit 11 SPC-Hauptprodukte, jeweils ein SPC- und SPC-2H-Nebenprodukt, sowie bis zu 17 verschiedene SPdC-Verbindungen. Das Spektrum der Produkte, das aus handelsüblichem LAS durch Abbau von Stamm DS-1T gebildet wird, ist somit weit umfangreicher als ursprünglich angenommen.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Commercial linear alkylbenzenesulfonate (LAS) surfactant is the major, xenobiotic compound released into the environment, and is completely biodegraded under oxic conditions, e.g. in sewage-treatment plants, as has been known for more than 40 years. The first representative, heterotrophic organism, a bacterium, proven to utilise LAS was not reported until 2000. Strain DS-1T catalyses the omega-oxygenation of the LAS sidechain and spirals of beta-oxidation, and a wide range of sulfophenylcarboxylates (SPCs), and related compounds, is formed from commercial LAS, which nominally comprises 20 compounds. Other organisms mineralise these SPCs. In this thesis, the microbiology of the bacterial community, the analytical chemistry, and the biochemistry involved in LAS-degradation were further explored.
Strain DS-1T utilised LAS and many other anionic and nonionic surfactants concomitant with formation of a biofilm. The organism also grew with e.g. acetate or octane, but required no biofilm. Strain DS-1T was indicated as type strain of a species in a new genus within the alpha-subclass of Proteobacteria, based on 16S-rDNA sequence comparison, and analysis of the lipid components. The name Parvibaculum lavamentivoransT was proposed.
Strain DS-1T displayed activity of the LAS-degradative enzymes during growth with LAS and during growth with acetate. Specific LAS-dependent oxygen uptake, concomitant with substrate degradation and formation of SPC, was measurable in whole cells, but not in cell-extracts. Many surfactants, or octane, caused oxygen uptake. Cell suspensions did not attack LAS in absence of molecular oxygen, or when pretreated with the cytochrome P450-specific inhibitor metyrapone in presence of molecular oxygen. Absorption maxima indicative of a cytochrome P450-like protein present in the soluble fraction of crude extract where detected. A soluble, P450-type oxygenase system, which catalyses omega-oxygenation of LAS in strain DS-1T is inferred.
Strain DS-1T utilised linear alkyldiphenyletherdisulfonate (LADPEDS) surfactant, a complex mixture, for growth, and formed characterised disulfodiphenylether carboxylates (DSDPECs). DSDPECs were not degraded when supplied as carbon source for bacteria from activated sludge, but DSDPECs were subject to quantitative desulfonation when supplied as sole source of sulfur for growth of an isolate obtained, Rhodococcus opacus ISO-5. On average, one sulfonate group was removed per DSDPEC species, and largely monosulfodiphenylethercarboxylate-phenols (MSDPEC-phenols) generated. MSDPEC-phenols were subject to extensive dissimilation by bacteria from activated sludge.
Strain DS-1T degraded the laterally-substituted, LAS congener 2-(4-sulfophenyl)dodecane (2-C12-LAS) largely to 3-(4-sulfophenyl)butyrate (3-C4-SPC), 3-C12-LAS largely to 4-C6-SPC, and 2-C11-LAS largely to 4-C5-SPC. Traces of many other SPCs were detected, e.g. alpha,beta-unsaturated SPC-species (SPC-2H). Comamonas testosteroni strains SPB-2 and KF-1, which utilised 3-C4-SPC, were isolated, as was Delftia acidovorans SPH-1, which utilised 4-C6-SPC enantioselectively. The SPC-degradative pathways apparently involved 4-sulfocatechol, and inducible 4-sulfocatechol-1,2-dioxygenase. Substrate-dependent oxygen uptake of whole cells of C. testosteroni indicated inducible oxygenation of 3-C4-SPC, and of 4-sulfophenol, in cultures grown with 3-C4-SPC, or 4-sulfophenol. 4-Sulfophenol was inferred as an intermediate of 3-C4-SPC degradation. Growth of strain DS-1T in community with strain SPB-2 (or strain KF-1) and strain SPH-1 with commercial LAS indicated, that each new isolates had only a narrow substrate range for SPC. This community mineralised four major SPCs derived from eight of the 20 LAS congeners and allowed the prediction that 11 major SPCs are generated from the degradation of all the 20 congeners of commercial LAS. Thus, many more organisms are needed to degrade commercial LAS fully.
Strain DS-1T degraded the centrally-substituted, LAS congener 5-C10-LAS largely to 4-C8-SPC (and minor SPCs), and to sulfophenyldicarboxylates (SPdC) of chain lengths of C6, C8, and C10. The degradation of 6- and 5-C12-LAS yielded largely C8-SPC species, and C6-, C8-, C10-, and C12-SPdC. A preparation of 7-, 6- and 5-C13-LAS was degraded to C9- and C7-SPCs, and to C5-, C7-, C9-, C11- and C13-SPdCs. This set of data confirmed the generation of the 11 predicted SPCs, and that SPdCs are only generated during degradation of the centrally-substituted LAS congeners by strain DS-1T. The range of products generated from commercial LAS includes 11 major SPCs, each with one minor SPC and SPC-2H-species, as well as about 17 SPdCs. Thus, the range of products generated from commercial LAS by strain DS-1T is more complex than previously realised.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
Lineares Alkylbenzolsulfonat, LAS, mikrobielle Gemeinschaft, Parvibaculum lavamentivorans, linear alkylbenzenesulfonate, LAS, biodegradation, microbial community, omega-oxygenation, beta-oxidation, Parvibaculum lavamentivorans
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690SCHLEHECK, David, 2003. Biodegradation of synthetic surfactants : linear alkylbenzenesulfonates (LAS) and related compounds [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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May 3, 2004
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