David Hardman

Biotransformation of Halogenated Compounds

As a result of natural production and contamination of the environment by xenobiotic compounds, halogenated substances are widely distributed in the biosphere. Concern arises as a result of the toxic, carcinogenic, and potential teratogenic nature of these substances. The biotransformations of such halogenated substances are reviewed, with particular emphasis on the biocatalytic cleavage of the carbon-halogen bonds. The physiology, biochemistry, and genetics of the biological system involved in the dehalogenation reactions are discussed for three groups of organohalogens: (1) the haloacids, (2) the haloaromatics, and (3) the haloalkanes. Finally, the biotechnological applications of these microbial transformations are discussed. This includes prospects for their future application in biosynthetic processes for the synthesis of halogenated intermediates or novel compounds and also the use of such systems for the detoxification and degradation of environmental pollutants.

Der Einsatz von Biotechnologien bei der Behandlung von Organischen Schadstoffen

Toxische organische Verbindungen, die Produkte unserer modernen Gesellschaft, werden zunehmend als extreme Bedrohungen der Selbstregulierungsfahigkeit der Biosphare angesehen. Die komplexen, in Kapitel 5 beschriebenen Kreislaufe des organischen Materials, die die uns bekannte bewohnbare Umwelt herausgebildet und aufrechterhalten haben, werden anscheinend zunehmend uberlastet. Ein wachsendes offentliches und politisches Bewustsein uber diese Probleme hat zu der Erkenntnis gefuhrt, das ein groser Bedarf dafur besteht, Umweltverschmutzungen zu verhindern bzw. zu rehabilitieren.

Stickstoff und Phosphor in der Umwelt

Stickstoff und Phosphor liegen auf der Erde zum grosten Teil in Formen vor, die der Lebewelt nicht ohne weiteres zuganglich sind. Stickstoff tritt hauptsachlich in molekularer Form als N2 in der Atmosphare auf, wahrend der Nachschub des Phosphors in den Gesteinen und Boden der Erde fixiert ist. Nachschub und Umweltkreislaufe der verfugbaren Formen dieser Nahrstoffelemente hangen im wesentlichen von der biologischen Zersetzung der N- und P-enthaltenden Verbindungen ab, die sich in der Lebewelt angesammelt haben. Wegen der Bedeutung der Zersetzung laufen die Kreislaufe von in der lebenden Biomasse angesammelten Elementen nicht unabhangig voneinander ab. Umsetzung und Zersetzung von Biomasse schwanken zwischen den einzelnen Lebensraumen stark und hangen von Grose und Aktivitat der jeweiligen Mikroben- und Pilzgemeinschaften ab. In feuchtwarmen oxidierenden Umgebungen laufen Zersetzung und Freisetzung von Nahrstoffen schnell ab. In tropischen Regenwaldern betragt die Verweilzeit von Kohlenstoff in der Laubstreu nur etwa 3 Monate, in gemasigten Waldern hingegen 4–16 Jahre, und in borealen Systemen kann sie sogar uber 100 Jahre betragen (Recklefs, 1990). Die bakterielle Zersetzung wird haufig durch die Verfugbarkeit von Stickstoff begrenzt. Das durchschnittliche C: N-Verhaltnis in bakterieller Biomasse betragt etwa 10:1, d. h. fur 11 g mikrobieller Biomasse wird 1 g N benotigt. Dieser Wert kann als Mas fur den Bedarf der Mikroben an diesen beiden Elementen gelten. Typische Pflanzenmaterialien weisen C:N-Verhaltnisse von 40–80:1 auf und damit ein Defizit an N, weshalb eine rasche Zersetzung von Pflanzenmaterialien von der Verfugbarkeit externer N-Quellen abhangt. Uberreste von Tieren, deren C:N-Verhaltnis dem der sie abbauenden Organismen ahnlich ist, werden rasch abgebaut (Swift et al, 1979; Begon et al, 1990). Die Zersetzung tierischer Biomasse wird auch durch das Fehlen nicht leicht aufzubrechender Polymere wie Lignin und Zellulose erleichtert, sowie durch die Tatsache, das dabei ein groser Teil der Biomasse anfanglich in flussiger Form vorliegt. Das C:N-Verhaltnis ist mit einem Wert um 10 erstaunlich konstant, obwohl der Wert in wassergesattigten oder sauren Boden, in denen die Zersetzung behindert wird, bis auf 17 steigen kann. Begon etaL (1990) bemerkten, das das System der Bodenabbauer ausergewohnlich stabil ist und wiesen darauf hin, dao im allgemeinen bei einer Zugabe von Material mit weniger als 1,2–1,3 % N zu Boden alle verfugbaren Ammoniumionen adsorbiert werden, wahrend bei Materialien mit mehr als 1,8 % N Ammoniumionen zunehmend freigesetzt werden.

Biologische Behandlung von Metallen und Radionukliden

Lebende Organismen benotigen bestimmte Elemente fur ihr Wachstum und zur Aufrechterhaltung ihrer physikalischen Struktur, der Stoffwechselaktivitaten und der Fortpflanzungsfahigkeit. Sie haben geeignete Mechanismen zur Aufnahme der fur den Stoffwechsel wesentlichen Elemente ausgebildet. Bei bestimmten Gelegenheiten konnen toxische Metalle aufgenommen werden, die zu physiologischem Schaden fur den Organismus und sogar zu seinem Tod fuhren konnen. Selbst die in geringen Mengen oder Spuren fur die normalen Zellfunktionen benotigten Metallelemente konnen behindernde oder toxische Auswirkungen zeigen, wenn sie in ubermasiger Konzentration vorhanden sind (Kap. 13). Viele Organismen haben Entgiftungsmechanismen entwickelt, um den schadlichen Auswirkungen der Metalle zu entgehen. Bei Mikroorganismen haben sich dafur verschiedene Resistenzmechanismen herausgebildet, darunter z. B. Umbildungen der toxischen Metalle, die dazu fuhren, das das Metall in einer anderen physikalischen und/oder chemischen Form freigesetzt wird, wie dies bei einer Metallalkylierung stattfindet. Einige der von Organismen katalysierten Verfahren zur Aufnahme und Umbildung von Metallen konnen auch zur Behandlung metallhaltiger Abfalle eingesetzt werden.

Umwelt und Umweltverschmutzung

Holgate (1979) definierte Umweltverschmutzung als „durch den Menschen verursachte Einbringung von Stoffen oder Energie in die Umwelt, die das menschliche Leben gefahrden, lebende Ressourcen schadigen und okologische Schaden auslosen konnen, sowie die Behinderung legitimer Nutzungen der Umwelt“. Die Schadstoffe sind verschiedenartigster Natur und umfassen u. a. bestimmte Metalle, ein breites Band verschiedener organischer Verbindungen und einige Gase. Die Bedeutung, die einem bestimmten Schadstoff beigemessen wird, hangt ublicher weise von seiner angenommenen Giftigkeit fur den Menschen ab. Die Europaische Union (EU) fast die Verbindungen mit der hochsten Giftigkeit in einer „Schwarzen Liste“ zusammen und die weniger giftigen in einer „Grauen Liste“. In vergleichbarer Weise erfast die US-amerikanische Umweltbehorde (EPA) 129 Chemikalien in seiner Liste der Prioritatsschadstoffe (Tabelle 1.1). Die Verbindungen der „Schwarzen Liste“ der EU und die Prioritatsschadstoffe der EPA sind meist nicht nur stark toxisch sondern auch sehr bestandig und neigen zur Bioakkumulation (Kap. 2). Bei dem Stoff oder dem Schadstoff kann es sich um eine synthetische Verbindung handeln oder um ein in der Natur vorkommendes Element oder eine Verbindung, deren Konzentration durch menschliche Aktivitaten auf eine Hohe gebracht wird, die entweder toxisch wirkt oder die Okologie eines Gebietes nachhaltig storen kann.

Verbleib und Auswirkungen von Metallen und Radionukliden in der Umwelt

Echt metallische Elemente wie z. B. Cd, Cu, Pb und Zn sind gute elektrische Leiter, besitzen eine glanzende Oberflache und gehen in Reaktionen ublicherweise als positiv geladene Kationen ein. Insgesamt verfugen 108 Elemente uber diese Eigenschaften und werden daher als echte Metalle angesehen. Weitere sieben, wie z. B. As, Se und Te werden als „Halbmetalle“ oder Metalloide bezeichnet. Sie verfugen uber die physikalischen Eigenschaften von Metallen, reagieren chemisch aber mehr wie nichtmetallische Elemente.

Der Einfluß von Schwefel und Stickoxiden auf die Umwelt

Die moglichen Gesundheitsrisiken beim Einatmen von mit SO2 und NOx, den Stickoxiden NO und NO2, verunreinigter Luft sind eindeutig belegt und verfugen uber eine lange Geschichte, die sich bis zur Einfuhrung der Kohle als allgemeinem Brennstoff fur Haushalte und Industrie zuruckverfolgen last. Wegen des unangenehmen Geruchs wurde das Verbrennen von „sealecoal“, einer Kohle mit hohem Schwefelgehalt in der Stadt London 1306 durch Konig Edward I von England verboten. In dieser Zeit war die Qualitatder Luft in London so schlecht, das das Verbrennen von Kohle wahrend der Parlamentssitzungen vollig verboten war. Zur Einhaltung der das Verbrennen von Kohle regelnden Gesetze wurde sogar die Todesstrafe eingefuhrt. Es wird vermutet, das mindestens ein unglucklicher Burger hingerichtet wurde, weil er wahrend einer Parlamentssitzung Kohle verbrannt hatte. Das bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe wie besonders Kohle und Ol entstehende Schwefeldioxid fohrt zu Atembeschwerden. In der Atmosphare wird es rasch zu Schwefelsaure umgebildet, die sich haufig auf Rus- und Rauchpartikeln anreichert. Eingeatmet wirken solche Teilchen stark korrodierend und schadigen das Lungengewebe. An vier Tagen im Dezember 1952 fuhrte in London ein strenger Smog, eine Mischung aus Rauch (smoke) und Nebel (fog) aus der Verbrennung von Kohle zum verbreiteten Auftreten von Atemwegsbeschwerden bzw. zu deren Verscharfung und zum Tod von schatzungsweise 4.000 Menschen. Es war im wesentlichen auf diesen Vorfall zuruckzufuhren, das 1956 das Gesetz zur Reinhaltung der Luft (Clean Air Act) erlassen wurde, das die Verbrennung von Kohle in Haushalten und der Industrie dadurch regelte, das es raus hfreie Zonen einfuhrte, in denen nur „rauchfreie“ Brennstoffe zum Einsatz kommen durften. Glucklicherweise sind heutzutage in den meisten Industrielan-dern Smog-Vorfalle ein Ding der Vergangenheit. Gesundheitsrisiken sind heute meist nur noch an Arbeitsstatten zu finden, an denen sie auf hohe Freisetzungsraten uber kurze Zeitraume zuruckzufuhren sind oder auf geringere Expositionsraten uber langere Zeitraume. In den USA liegt die empfohlene Arbeitsplatzkonzentration bei < 2 ppm SO2 bzw. bei 5 ppm bei entsprechend kurzerer Exposition. Allerdings liegen auch Beweise dafur vor, das langere Exposition bei Konzentrationen von weniger als 1 ppm SO2 Atembeschwerden bei empfindlichen Personen verursachen konnen, die eine Vorbelastung durch Asthma oder andere Krankheiten der Atemorgane aufweisen (Goldsmith, 1986).

Die Auswahl von Biokatalysatoren und ihre Genetische Modifikation

Die Untersuchungen von Umweltmikrobiologen, die Mikrobenphysiologie, Biochemie, Genetik und Okologie zusammenbringen, richten sich auf das Studium der Wechselwirkung von Mikroben mit ihrer belebten und unbelebten Umwelt. Diese Arbeiten fuhrten zu der Erkenntnis, das innerhalb naturlicher Mikrobengemeinschften ein bestimmter Grad von biochemischer und genetischer Plastizitat besteht, die die Mikroben in die Lage versetzt, auf ihre Umwelt zu reagieren, d. h. ihre Physiologie abzuandern, um ihre Konkurrenzfahigkeit in einer sich standig andernden Welt zu bewahren. Die Fahigkeit von Mikroben, ihre Physiologie durch phanotypische anstatt durch mehr permanente genotypische Adaption (Mutation) zu verandern, stellt eine reversible Antwort auf Veranderungen der Umwelt dar. Genotypische Reaktionen mussen mehr im Sinne Darwinscher Selektion betrachtet werden. Der genetische Aufbau der Organismen wird durch genetische Umbauten und Selektion uber langere Zeitraume bestimmt. Diese Art von Plastizitat „befahigt“ den Organismus gegenuber seiner Umwelt uber grosere Zeitraume, d. h. gewissermasen wahrend der durchschnittlichen Bedingungen, unter denen er lebt. Die phanotypischen, durch den Genotyp definierten Reaktionen ermoglichen die Adaption an sich gleitend verandernde Bedingungen. Die Definition der Zeit im Rahmen der mikrobiellen Evolution ist schwierig, insbesondere in Anbetracht der raschen Generationenfolge und ihrer Fahigkeit, neues genetisches Material zu erwerben (s. unten).

Beurteilung des Verbleibs Von Schadstoffen in der Umwelt und deren Möglicher Auswirkungen

Die Okotoxikologie ist als interdisziplinare Wissenschaft mit der Untersuchung und quantitativen Erfassung des Verbleibs von Schadstoffen in der Umwelt und ihren moglichen schadlichen Einflussen auf diese beschaftigt (Brouwer et al., 1970). In vielen Punkten kann sie als Fortentwicklung oder Ausweitung der traditionellen Toxikologie betrachtet werden. Obwohl sich die Okotoxikologie primar auf die Reaktion der Umwelt und der von Okosystemen auf bestimmten Ebenen und deren Einflusse konzentriert, basieren die ublicherweise zur Bewertung der potentiellen Umweltrisiken einer Chemikalie angewandten Beurteilungskriterien im wesentlichen auf der Betrachtung seiner physikochemischen Eigenschaften und seiner Toxizitat in einfachen Toxizitatstests mit Einzelarten (Moriarty, 1990). Darin zeigen sich zum Teil die Natur des Subjektes und die an dieses gestellten Anforderungen. Wenn Beurteilungen der Okotoxizitaten von Verbindungen effektiv in entsprechende Gesetzgebung eingebettet und zur Erstellung und Uberwachung akzeptierter Einleitungen eingesetzt werden sollen, mussen die Beurtei-lungsverfahren leicht wiederholbar und zuverlassig sein sowie eine eindeutige In-terpretation ermoglichen. Solche Verfahren wie z. B. Standardtoxizitatstests mit Einzelarten sind nicht dazu geeignet, unser Verstandnis der Mechanismen und Prozesse zu verbessern, und den Verbleib eines Schadstoffs in der Umwelt und seinen Einflus auf diese zu bestimmen. Der Bedarf fur einfache preiswerte Beur-teilungsverfahren ist leicht zu verstehen, wenn das Ausmas des Problems beruck-sichtigt wird. Es wird geschatzt, das sich weltweit etwa 63.000 Chemikalien in Gebrauch befinden und das jahrlich 200–1.000 neue synthetische Chemikalien auf den Markt gebracht werden (Moriarty, 1990). Bei vielen dieser Substanzen ist wenig oder gar nichts uber mogliche okologische Auswirkungen bekannt. Unsere Erfahrung mit organochloridischen Pestiziden und, in jungster Zeit, mit polychlorinierten Biphenylen (PCB) unterstreicht die Notwendigkeit, Chemikalien vor ihrer verbreiteten Verwendung und vor Einleitung in die Umwelt kritischer zu beurteilen (Kap. 1).

Beseitigung von Nitrat durch Mikroben

Die Einleitung von stickstoffhaltigen Abfallen durch die Industrie in Luft und Wasser sowie die Deponierung fester, Stickstoffverbindungen enthaltender Abfalle konnen zu erhohten Nitratgehalten in der Umwelt fuhren. Dies geschieht entweder durch die direkte Einleitung von Nitraten oder durch die Umwandlung anderer stickstoffhaltiger Abfalle zu Nitraten durch physikalische oder mikrobielle Prozesse in der Biosphare. So wie die Quellen der stickstoffhaltigen Abfalle sind auch die Arten der eingeleiteten Verbindungen vielfaltig (Robertson & Kuenen, 1993). Die Photoindustrie produziert betrachtliche Mengen an ammonthiosulfathaltigen Abwassern, wahrend eine Vielzahl anderer Industrien ammoniakreiche Abfalle produzieren, die in Aufbereitungsanlagen zu Nitraten umgewandelt werden. Durch die Erdolindustrie und die Verbrennung fossiler Brennstoffe werden grose Mengen stickstoffhaltiger Verbindungen in die Biosphare eingebracht. Ironischerweise kommt es dabei vor, das Prozesse, die die Einleitung des einen Schadstoffes in die Umwelt herabsetzen sollen, vereinzelt die Zufuhr eines anderen Schadstoffes erhohen. Ein gutes Beispiel dafur sind Rauchgasentschwefelungsanlagen, mit deren Hilfe die Freisetzung von Schwefel in die Umwelt herabgesetzt wird, wahrend dabei gleichzeitig Abwasser mit hohen Nitratgehalten (150–300 mg N l1) entstehen (Holm Kristensen & Jepsen, 1991).