11 BIODEGRADACE - Fakulta životního prostředí

11 BIODEGRADACE
Biodegradací se obecně rozumí biologické odbourávání organických látek. Biodegradace provádějí
zejména mikroorganismy vzhledem k jejich bohatšímu metabolismu ve srovnání s vyššími organismy.
Biodegradace se týká jak přírodních látek, tak zejména látek, které se do životního prostředí dostaly
lidskou činností (antropogenní původ). Většinu těchto látek nazýváme polutanty 1 . V EU jsou
mezinárodní úmluvou definovány tzv. perzistentní polutanty, což jsou látky splňující tato kritéria:
• Vykazují pravděpodobný toxický vliv pro člověka a životní prostředí
• Jsou persistentní (trvanlivé, obtížně rozložitelné)
• Akumulují se v potravním řetězci
• Jsou v prostředí přenášeny na větší vzdálenosti
Perzistenntí polutanty bývají často hydrofobní látky (špatně rozpustné ve vodě, naopak dobře
rozpustné v tucích a organických rozpouštědlech), což se částečně podílí na jejich škodlivosti
(zejména na toxicitě a akumulaci v potravním řetězci).
Mezi nejzávažnější persistentní polutanty patří pesticidy (např. DDT nebo HCH), průmyslové
chemikálie (např. uhlovodíky nebo polychlorované bifenyly), nežádoucí vedlejší produkty
chemických výrob (např. dibenzo-p-dioxiny nebo polycyklické aromatické uhlovodíky).
Proces, při kterém jsou využity mikroorganismy (ale často i makroorganismy, zejména rostliny) pro
očistu znečištěné oblastí, se nazývá bioremediace.
11.1 METABOLISMUS POLUTANTŮ
Mnoho mikroorganismů disponuje schopností rozkladu některých polutantů. Některé mikroorganismy
umí rozložit polutanty kompletně, jiné provádějí jen částečné přeměny. Metabolismus polutantu může
organismu přinášet užitek (zdroj uhlíku a energie), být bez užitku nebo dokonce škodit (vznik
toxických meziproduktů).
Metabolismus různých polutantů může být jak aerobní, tak anaerobní, anaerobně může probíhat jak
fermentace tak i respirace. Fakultativně aerobní organismy umí přepínat metabolismus z aerobního na
anaerobní a využívat tak běžný růstový substrát (zejména sacharidy) několika různými způsoby. U
polutantů toto obvykle neplatí, většina organismů umí odbourat polutant jen jedním způsobem.
Při metabolismu polutantů se významně uplatňuje tzv. kometabolismus. Jedná se o pochod, při
kterém jsou rozkládány polutanty s podobnou strukturou některému přirozenému substrátu nebo
metabolitu. Kometabolismus je umožněn nižší specifitou některých enzymů a organismu obvykle
nepřináší žádný užitek, často mu spíše škodí.
Příkladem může být rozklad chlorovaných bifenylů. Některé bakterie jsou schopné využít aerobně bifenyl
jako zdroj uhlíku a energie. Meziproduktem odbourávání je kyselina benzoová. Tyto bakterie jsou obvykle
schopné rozložit kometabolismem i některé chlorované bifenyly (PCB), přičemž vznikají chlorované
benzoové kyseliny. Ty už obvykle nejsou dále přeměňovány a organismus tak nezíská z chlorovaných
bifenylů žádnou energii. Benzoové kyseliny se pak hromadí v prostředí.
11.1.1 BAKTERIÁLNÍ METABOLISMUS POLUTANTŮ
Nejvýznamnější postavení mezi degradačními organismy zaujímají bakterie. Ty disponují často
celými metabolickými drahami pro rozklad nejrůznějších polutantů. Současné znalosti o těchto
bakteriálních metabolických drahách se dají zobecnit do následujících bodů:
• Geny pro jednotlivé enzymy příslušné dráhy jsou obvykle sdruženy do operonů (viz kapitoly 5
a 6).
• Tyto operony jsou obvykle kódovány na plazmidech, méně často přímo na chromozómu.
• Tyto operony jsou obvykle regulovány, nejčastěji jsou induktivní (jsou zapínány polutantem)
a často podléhají ještě represi (jsou obvykle vypínány snadněji využitelnými živinami,
zejména sacharidy).
• Enzymy těchto drah mají obvykle širší strukturní specifitu a přeměňují i mnohé látky
polutantu strukturně podobné.
1 Z latinského polluo = znečištuji, kálím
11-1

• Celá dráha bývá rozčleněna na tzv. horní dráhu a spodní dráhu. Horní dráhy obvykle
přeměňují polutant na určitý klíčový meziprodukt, spodní dráhy pak přeměňují tento
meziprodukt na konečné produkty metabolismu.
• Biochemické přeměny probíhají obvykle intracelulárně (uvnitř buněk).
Příkladem splňujícím většinu těchto pravidel je metabolická dráha naftalenu. Ta se skládá ze dvou drah.
Horní dráha přeměňuje naftalen na salicylovou kyselinu, spodní dráha přeměňuje salicylovou kyselinu až
na vodu a oxid uhličitý. Geny jsou sdružené do dvou operonů (jeden pro horní dráhu, druhý pro dolní) a oba
operony jsou pozitivně indukovatelné meziproduktem odbourávání – salicylovou kyselinou. Většina bakterií
schopných rozkládat naftalen má tyto operony umístěné na plazmidu, některé je ale mají i integrované do
genomu. Jak naftalen tak salicylová kyselina slouží pak těmto mikroorganismům jako zdroj uhlíku a energie.
Spolu s nimi je metabolizována i celá řada látek strukturně podobných naftalenu nebo salicylové kyselině
(např. methylester salicylové kyseliny, substituované naftaleny apod.), některé také jako zdroj uhlíku a
energie, jiné pouze kometabolismem bez užitku pro organismus.
Degradační dráhy kódované na plazmidech mohou být předávány konjugací mezi bakteriemi, často i
nepříbuzných druhů. To umožňuje šíření genů v prostředí.
Zajímavá je otázka evoluce biodegradačních drah polutantů. Mikroorganismy schopné biodegradace
polutantu nacházíme nejčastěji v místech, které je tímto polutantem kontaminováno. Dále jsou známé i
mikroorganismy degradující látky vyráběné a používané jen několik desítek let. Na základě těchto
poznatků se předpokládá, že evoluce biodegradačních drah je velice rychlá. K tomu pravděpodobně
přispívá i rychlé rozmnožování bakterií. Při troše trpělivosti je možné evoluci některých
metabolických drah simulovat i v laboratoři na bakteriálních kulturách.
Většina biodegradačních drah vznikla pravděpodobně rozšířením standardních metabolických drah.
Tímto rozšířením může být např. evoluce nového enzymu, který katalyzuje přeměnu látky na některý
standardní metabolit. Stávající enzym může také rozšířit svou specifitu k různým substrátům. Může
také vzniknout „spojovací“ enzym mezi dvěma standardními metabolickými drahami.
Příkladem může být aerobní odbourávání alifatických uhlovodíků. Většina aerobních heterotrofních bakterií
umí odbourávat mastné kyseliny β-oxidací, po které následuje citrátový cyklus a dýchací řetězec. Většina
těchto organismů také disponuje enzymem alkoholdehydrogenázou a aldehyddehydrogenázou, které
převedou alkoholy přes aldehydy na mastné kyseliny. Vznik degradačních schopností pak spočívá jen ve
vzniku enzymu oxygenázy, který katalyzuje oxidaci alifatického uhlovodíku kyslíkem za vzniku alkoholu.
Ten je pak dále přeměňován stávajícími metabolickými drahami až na oxid uhličitý a vodu.
11.1.2 HOUBOVÝ METABOLISMUS POLUTANTŮ
Podobně jako bakterie i mnohé houby mají schopnost přeměňovat nejrůznější polutanty. U
jednobuněčných kvasinek je tato strategie obvykle podobná bakteriální strategii, spektrum známých
metabolizovatelných polutantů není ale zdaleka tak velké jako u bakterií.
Významnou roli v biodegradacích polutantů hrají houby, které produkují do prostředí nejrůznější
extracelulární enzymy rozkládající polymerní přírodní látky. Jejich strukturní specifita nebývá tak
velká a díky tomu často rozkládají i mnohé polutanty. Rozklad pak probíhá extracelulárně, tedy mimo
houbové buňky. Důležitou roli v tomto směru hrají houby schopné rozkládat trvanlivější přírodní
materiál, zejména celulózu a lignin. Jedná se zejména o dřevokazné a saprotrofní houby. Jejich
oxidativní lignolytické enzymy jsou velice nespecifické a rozkládají nejrůznější polymerní látky, např.
polyaromatické uhlovodíky nebo i některé plasty.
11.2 PRAKTICKÉ VYUŽITÍ BIODEGRADACÍ
Schopnosti nejrůznějších mikroorganismů rozkládat polutanty pochopitelně vede ke snaze využít je
prakticky pro odstraňování ekologických zátěží. Alternativou k biodegradacím je chemické a
mechanické čištění, které ale obvykle vyžaduje i transport nemalého množství zeminy. Praktická
bioremediace ale často naráží na nejrůznější problémy.
Pravděpodobně nejvýznamnějším problémem je biologická dostupnost (bioavailability) polutanu.
Polutant v konkrétním prostředí není obvykle volný, ale bývá často vázaný (a často velice pevně) na
nejrůznější částice, např. prachové, jílové apod. Je-li vazba příliš pevná, organismus není schopen
takto vázaný polutant metabolizovat a ten pak zůstává v prostředí. Svoji roli hraje také tvar částic,
polutant může být vázán jen relativně slabě, ale v místě, kam se ani malá bakterie nevejde a polutant
11-2

nemůže metabolizovat. Biologickou dostupností se obvykle myslí podíl (procento) volného
(metabolizovatelného) polutantu. Biologická dostupnost souvisí zejména s rozpustností látek ve vodě
(rozpustnější látky jsou dostupnější) a s rozdělovacím koeficientem látky mezi oktanol a vodu 2
(hydrofilnější látky jsou dostupnější). Zvýšit biologickou dostupnost lze proto např. přídavkem
vhodných (nejedovatých) detergentů. Biodostupný podíl látky také obvykle klesá s časem
kontaminace, tj. delším stykem s půdou se látka pevněji váže.
Dalším problémem může být nedostatek živin, zejména minerálních, vody a kyslíku. Nedostatek
některé živiny pak limituje růst mikroorganismů a tím pádem i celý bioremediační proces. Chybí-li
voda, pak je obvykle snaha zvýšit hladinu spodní vody vhodným geologickým zásahem. Chybí-li
kyslík, je možné udělat sérii vrtů a půdu provzdušnit. Chybí-li nějaká živina, je možné ji v podobě
roztoku do půdy přidat, přídavku ale musí předcházet důkladná analýza, jak množství živin, tak i
kvality půdy, aby bylo zajištěno rozptýlení tekuté živiny do většiny znečištěné půdy a zároveň
nedocházelo k únikům do spodní vody. Všechny tyto operace ale celý bioremediační proces
pochopitelně prodražují.
Dalším obvyklým problémem bývá toxicita polutantů. Koncentrace polutantu může být tak vysoká, že
působí i na degradační mikroorganismy toxicky a brzdí tak celý bioremediační proces. Obvyklé také
je, že polutant není v půdě sám, ale je tam ve směsi s dalšími polutanty. Obvyklé jsou např. těžké kovy
nebo některé neodbouratelné látky strukturně podobné toxikantu. Takovou směs obvykle neumí
odbourat jeden mikroorganismus a jiné příměsi na něj mohou působit toxicky. V takovém případě je
pak třeba nebiologickým způsobem snížit toxicitu, např. částečným odstraněním některého polutantu.
Tyto procesy jsou ale obvykle obtížně proveditelné a drahé. Jiná možnost je tzv. adaptace kultury. Ta
spočívá v izolaci mikrobiální kultury ze zasaženého místa a její opakované kultivaci. Při této kultivaci
je kultura vystavována postupně se zvyšující koncentraci polutantu a toxikantů. Tím dochází
k selektivnímu tlaku, kterým jsou zvýhodněny odolnější jedinci v kultuře. Po určitém čase (řádově
měsíce) vznikne adaptovaná kultura, která je odolnější k vyšším koncentracím polutantu i toxikantu
a která může být po vhodném namnožení inokulována zpět do půdy.
V zasažené lokalitě se také nemusí nacházet kultura schopná biodegradace přítomných polutantů. Pak
je možné provést buď adaptaci přirozené kultury nebo přidat kulturu izolovanou z jiné lokality.
V tomto případě je možné připravit kulturu „na míru“ konkrétnímu znečištění popř. použít i upravené
mikroorganismy. Také se může stát, že kultura přítomná v prostředí je sice degradace schopná, ale
koncentrace mikroorganismů je nízká. Pak je možné tuto kulturu izolovat, laboratorně pomnožit a opět
vrátit do půdy.
Častým jevem při praktických bioremediacích je vznik toxických meziproduktů degradace. Některé
polutanty jsou sice metabolizovány, ale ne kompletně, toxické meziprodukty této degradace se pak
hromadí v prostředí a celkový přínos bioremediačního procesu je dokonce záporný (došlo ke zvýšení
toxicity). V takovém případě je opět nutné upravit (obohatit) vhodně přítomnou kulturu
mikroorganismů tak, aby byla degradace úplná. Jinou možností je upravit podmínky biodegradace
(např. vzdušnit nebo naopak zamezit přístupu kyslíku) popř. nasadit nějaký nebiologický faktor.
Příkladem je odbourávání chlorovaných ethenů. Podle počtu atomů chlóru v molekule známe – chlorethen
(vinylchlorid – VC), dichlorethen (DCE), trichlorethen (TCE) a tetrachlorethen (perchlorethylen – PCE). Čím
více atomů chloru je v molekule, tím nižší je toxicita těchto látek. PCE a TCE jsou tak prakticky neškodné,
zatímco VC je jedovatý a navíc prokázaný karcinogen (způsobuje rakovinu). Při degradaci se uplatňují
zejména anaerobní organismy, které provádějí tzv. reduktivní dechloraci. Při tomto procesu je odštěpován
chlorovodík a vzniká ethen chudší o jeden chlor. Mikroorganismus tímto procesem získává energii a reakce
proto probíhají lépe na molekulách s více atomy chloru. PCE a TCE jsou proto degradovány velice rychle,
zatímco DCE pomalu a VC prakticky vůbec. Výsledkem procesu je tedy odstranění relativně neškodného
PCE a TCE a jeho náhrada toxickým VC v prostředí, celkově tedy zhoršení výchozí situace.
2 Rozdělovací koeficient udává poměr mezi množstvími látky, které přejde do dvou různých vzájemně
nemísitelných kapalin. Nejčastěji se používá rozdělovací koeficient mezi n-oktanol a vodu. Čím je látka
lipofilnější, tím větší podíl látky přejde do oktanolu a menší do vody. Vzhledem k řádově rozdílným číslům se
obvykle v literatuře pracuje s logaritmem rozdělovacího koeficientu (Log P O/W ). Silně lipofilní látky mají Log
PO/W vyšší (3 až 5), silně hydrofilní nižší (-2 až +2).
11-3