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

Abstract

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.