Die Rolle von Weißfäulepilzen bei der Herbizidumwandlung
Umwandlung von Herbiziden durch Weißfäulepilze
Es ist gut dokumentiert, daß eine breite Palette von Schadstoffen, einschließlich Pestiziden, durch WRF umgewandelt und abgebaut wird: Pentachlorphenole, Isoproturon, Derivate von Isoxaflutol, Atrazin, Simazin, Propazin, Lindan, Atrazin, Diuron, Terbuthyazin, Metalaxyl, DDT, Dieldrin, Aldrin, Heptachlor, Chlordan usw. . Diese Liste könnte noch erweitert werden, da das Abbaupotenzial von WRF für verschiedene Schadstoffklassen gut belegt ist. Die Daten zum Herbizidabbau durch WRF sind teilweise in Tabelle 2 zusammengefasst. Es ist zu erwähnen, dass eine große Anzahl von Arbeiten unter stationären Bedingungen in flüssigen Medien und unter Fermentationsbedingungen in festen Systemen durchgeführt wurden. Es gibt jedoch widersprüchliche Daten über den Grad des Herbizidabbaus, die Rolle der ligninolytischen Enzyme in diesem Verfahren und den Mechanismus des Abbaus.
Pilz | Herbizid | Anbau | Abbau, % | ||
Typ | Tage | ||||
Agrocybe semiorbicularis | Atrazin | Stat | 42 | 40 | |
Diuron | 42 | 70 | |||
Terbuthylazin | 42 | 60 | |||
Auricularia auricola | Atrazin | Stat | 42 | 16 | |
Diuron | 42 | 10 | |||
Terbuthylazin | 42 | 37 | |||
Cerrena maxima | Atrazin | Sub | 40 | 83 | |
Cerrena maxima& Coriolus hirsutus |
Atrazin | Sub | 40 | 78 | |
Coriolopsis fulvocinerea | Atrazin | Sub | 40 | 88 | |
Coriolus hirsutus | Atrazin | Sub | 40 | 91 | |
Coriolus versicolor | Atrazin | Stat | 42 | 86 | |
Chlornitrofen | 12 | 30 | |||
Diuron | 42 | 99 | |||
Nitrofen | 12 | 80 | |||
Terbuthylazin | 42 | 63 | |||
Dichotomitus squalens | Atrazin | Stat | 42 | 25 | |
Diuron | 42 | 21 | |||
Terbuthylazin | 42 | 52 | |||
Flammulina velupites | Diuron | Stat | 42 | 6 | |
Terbuthylazin | 42 | 30 | |||
Ganoderma lucidum | Bentazon (5 mM) | Stat | 10 | 88 | |
Bentazon (20 mM) | 10 | 55 | |||
Bentazon (50 mM) | Sol | 10 | 90 | ||
Diuron (30 μM) | Stat | 10 | 55 | ||
Picloram | 10 | 0 | |||
Hypholoma fasciculare | Atrazin | Stat | 42 | 57 | |
Diuron | 42 | 71 | |||
Terbuthylazin | 42 | 97 | |||
Phanerochaete chrysosporium | Atrazin | Stat | 14 | 0 | |
Stat | 10 | 60 | |||
42 | 20 | ||||
Bentazon | Sol | 33 | 55 | ||
20 | 65 | ||||
Diketonitril (Derivat von Isoxaflutol) | Stat | 15 | 42 | ||
Diuron | Stat | 10 | 94 | ||
42 | 3 | ||||
Isoproturon | Bio-Betten | 28 | 78 | ||
100 | >99 | ||||
MCPA | Sol | 20 | 75 | ||
Propazin | 8 | 45 | |||
Simazin | 8 | 5 | |||
Terbuthylazin | 42 | 53 | |||
8 | 95 | ||||
Pleurotus ostreatus | Atrazin | Stat | 42 | 15 | |
Diuron | 42 | 12 | |||
Terbuthylazin | 42 | 30 | |||
Stereum hirsutum | Atrazin | Stat | 42 | 57 | |
Diuron | 42 | 80 | |||
Terbuthylazin | 42 | 88 | |||
Trametes sp. | Picloram | Stat | 10 | 0 | |
Trametes versicolor | Diketonitril (Derivat von Isoxaflutol) | Stat | 15 | 34 |
Tabelle 2.
Abbau von Herbiziden durch Weißfäulepilze
Stat – Stationäre Bedingungen auf flüssigen Medien
Sub – Submerskultivierung auf flüssigen Medien
Sol – Feststoffkultivierung
Verschiedene Pilze, wie Agrocybe semiorbicularis, Auricularia auricula, Coriolus versicolor, Dichomitus squalens, Flammulina velupites, Hypholoma fasciculare, Pleurotus ostreatus, Phanerochaete velutina und Stereum hirsutum haben die Fähigkeit gezeigt, verschiedene Herbizide wie Atrazin, Diuron und Terbuthyazin mit unterschiedlicher Effizienz abzubauen. Coriolus versicolor, Hypholoma fasciculare und Stereum hirsutum bauten in sechs Wochen mehr als 86 % von Diuron, Atrazin und Terbuthyazin ab. Sie waren auch bei der Produktion ligninolytischer Enzyme am aktivsten. Die Fähigkeit der WRF, die aromatischen Herbizide Diuron, Atrazin und Terbuthyazin abzubauen, korrelierte jedoch nicht mit ihrer ligninolytischen Aktivität, die im Poly R-478-Entfärbungstest (der als Indikator für ligninolytische Aktivität verwendet wird) bestimmt wurde. Eine mögliche Erklärung für diese Ergebnisse sind die unterschiedlichen LME-Muster, die die Pilze in Flüssigkulturen produzieren. Interessant ist, dass in Feldversuchen der wirksamste Stamm S. hirsutum beim Herbizidabbau inaktiv war, während die anderen Stämme C. versicolor und H. fasciculare in 6 Wochen 30 % des Chloropyriphos abbauten.
Die Weißfäulepilze Phanerochaete chrysosporium und Trametes versicolor wandelten bis zu 35-40 % des Diketonitrils (ein Bodenumwandlungsprodukt des Herbizids Isoxaflutol) nach 15 Tagen unter stationären Bedingungen auf Flüssigmedien in ein inaktives Benzoesäureanalogon um. Der Gehalt an ligninolytischen Enzymen wie Laccasen, die während der Fermentation produziert wurden, schien mit dem Herbizidabbau korreliert zu sein, was die Rolle dieser Enzyme bei den Abbauprozessen bestätigt. Die Autoren betonten jedoch, dass die Induktion der Laccase-Produktion um das Sechsfache durch Zugabe von 2,5-Xylidin nicht zu einer signifikanten Steigerung der Diketonitrilspaltung führte.
Es wurde gezeigt, dass Coriolus hirsutus, Cerrena maxima, Coriolopsis fulvocinerea und die Co-Kultur von Coriolus hirsutus/Cerrena maxima Atrazin in Submerskultur abbauen können; der Herbizidabbau betrug 77-91 % nach 40 Tagen Kultur. Es ist interessant zu erwähnen, dass vernachlässigbare Mengen von Atrazin vom Myzel absorbiert wurden. Die Aktivität der Laccase war ziemlich hoch, was die Annahme zulässt, dass Laccase am Atrazinabbau durch diese Pilze beteiligt ist. Diese Hypothese wurde durch die Untersuchung des Atrazinabbaus in Anwesenheit von Laccaseinduktoren (Guayacol und Syringaldezin) in Submerskultur bestätigt. Die Effizienz des Herbizidabbaus war in induzierten Kulturen um 78-98 % höher, und der höchste Grad an Atrazinabbau wurde bei Coriolopsis fulvocinerea unter Verwendung von Guajakol als Induktor erreicht.
Hiratsuka et al. berichteten, dass Coriolus versicolor IFO 30340 nach 12 Tagen Kultivierung unter stationären Bedingungen auf Flüssigmedien 30 % von Chloronitrofen (CNP) und 80 % von Nitrofen (NIP) abbaute. Die Herbizidabbaurate hing von der Stickstoffkonzentration im Medium ab und war unter stickstoffarmen Bedingungen höher, was darauf hindeutet, dass das Ligninabbausystem für den Herbizidabbau verantwortlich war. LiP, MnP und Laccase sowie das Kulturfiltrat oxidierten die Herbizide jedoch nicht. Weder Chloronitrofen noch Nitrofen wurden durch das Laccase-Redox-Vermittler-System unter Verwendung von HBT, einem bekannten Laccase-Redox-Vermittler, oxidiert. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass extrazelluläre ligninolytische Enzyme nicht an der ersten Stufe des CNP- oder NIP-Abbaus durch Coriolus versicolor IFO 30340 beteiligt waren. Die sequentielle Identifizierung der Produkte, die während des Metabolismus von CNP und seinen Zwischenprodukten durch C. versicolor gebildet werden, ermöglichte es den Autoren, vier verschiedene Wege für den Abbau von CNP vorzuschlagen: aromatische Hydroxylierung, oxidative Dechlorierung, reduktive Dechlorierung und die Reduktion der Nitrogruppe zu Amin. Es wurde angenommen, dass die aromatische Hydroxylierung zu 2,4,6-Trichlor-3-hydroxy-4′-nitrodiphenylether und die oxidative Dechlorierung zu 2,4-Dichlor-6-hydroxy-4′-nitrodiphenylether durch Enzyme vom Typ Cytochrom P450 katalysiert werden, da diese Wege durch die exogene Zugabe von Piperonylbutoxid, einem P450-Inhibitor, effizient unterbunden wurden. Die Umwandlung von CNP in NIP durch Coriolus versicolor IFO 30340 sollte eine reduktive Dechlorierung sein. Reduktive Dechlorierungsreaktionen waren am Abbau von Pentachlorphenol durch P. chrysosporium beteiligt. CNP wurde auch von C. versicolor in 2,4,6-Trichlor-4′-aminodiphenylether umgewandelt. Die reduktive Dechlorierung und die Nitro-Reduktionsreaktion wurden ebenfalls als Anfangsreaktionen beim CNP-Abbau festgestellt, die durch die Zugabe des Cytochrom-P450-Inhibitors verstärkt wurden. Aromatische Hydroxylierung und oxidative Dechlorierung wurden ebenfalls bei der pilzlichen Umwandlung von NIP beobachtet; Die gebildeten Produkte wurden jedoch nicht identifiziert – es wurde angenommen, dass es sich entweder um 2,4-Dichlor-3-hydroxy-4′-nitrodiphenylether oder 2,4-Dichlor-6-hydroxy-4′-nitrodiphenylether und 2-Chlor-4-hydroxy-4′-nitrodiphenylether bzw. 2-Hydroxy-4-chlor-4′-nitrodiphenylether handelt. Die pilzliche Umwandlung von NIP wurde auch durch Piperonylbutoxid wirksam gehemmt.
Aufgrund der erzielten Ergebnisse nahmen die Autoren an, dass Cytochrom P450 eine wichtige Rolle bei der Senkung des Ionisierungspotenzials von umweltbeständigen Aromaten und bei der Bereitstellung geeigneter Substrate für ligninolytische Ein-Elektronen-oxidierende Enzyme für einen wirksamen Abbau spielt. Bei Zugabe von Diphenylether, 4-Chlordiphenylether und 4-Nitrodiphenylether zu der Pilzkultur wurden 4-Hydroxydiphenylether, 4-Chlor-4′-hydroxydiphenylether bzw. 4-Nitro-4′-hydroxydiphenylether als Hauptprodukte identifiziert. 4-Chlorphenol und 4-Nitrophenol wurden in Spuren aus 4-Chlordiphenylether bzw. 4-Nitrodiphenylether nachgewiesen, das Gegenstück Hydrochinon wurde jedoch nicht beobachtet. Diese Daten deuten darauf hin, dass die Bildung von phenolischen Produkten aus dem A- oder B-Ring von CNP über einen anderen Weg erfolgt und dass die direkte Etherspaltung möglicherweise nicht stattgefunden hat. Diese Ergebnisse belegen, dass Pilze Herbizide über verschiedene Wege abbauen, indem sie ihre multiplen Stoffwechselsysteme nutzen.
Ganoderma lucidum erwies sich als resistent gegen die Herbizide Diuron und Bentazon: die Obergrenzen lagen bei 80 µM bzw. 20 mM. Dieser Befund lässt sich durch die höhere Toxizität der bei der Diuronumwandlung gebildeten Metaboliten erklären. Es wurde bereits berichtet, dass einige der Metaboliten, die bei der pilzlichen Umwandlung von Diuron entstehen, sogar noch toxischer sein können als die Ausgangsverbindung. G. lucidum war in der Lage, nach 10 Tagen Kultivierung in Flüssigkulturen 55 % von Diuron und 88 % von Bentazon effizient zu entfernen. Sowohl Bentazon als auch Diuron verbesserten die Produktion von Laccase durch den Pilz stark, indem sie eine der beiden Laccase-Isoformen induzierten. Die native PAGE-Analyse der extrazellulären Enzyme ergab, dass die Verbesserung der Laccase-Aktivität als Reaktion auf die Herbizide nicht auf die Expression einer neuen Laccase, sondern auf die Überproduktion einer bereits vorhandenen Isoform in den nicht induzierten Kulturen zurückzuführen war. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Trametes versicolor und Abortiporus biennis erzielt, wo ihre konstitutiven Laccasen in Gegenwart von Paraquat, einem quaternären Stickstoffherbizid, überproduziert wurden. Die elektrophoretische Analyse der extrazellulären Enzyme von G. lucidum zeigte, dass Laccase1 das dominierende Enzym unter nicht induzierten Bedingungen war. Interessanterweise induzierten die Herbizide nur die Laccase2-Isoform, während die Laccase1 in diesen Kulturen unterdrückt wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Laccase2 wahrscheinlich die Isoform ist, die stärker am Abwehrsystem des Pilzes beteiligt ist, wenn man bedenkt, dass beide Herbizide das Wachstum des Pilzes stark hemmten. Diese Beobachtungen zeigen, dass diese Enzymtypen zumindest teilweise eine wichtige Rolle beim Abbau von Schadstoffen unter In-vivo-Bedingungen spielen.
Eine vergleichende Studie zum Abbau des Herbizids Bentazon durch Ganoderma lucidum in Flüssig- und Feststoffkulturen unter Verwendung von Maiskolben als Substrat wurde durchgeführt. Der Pilz war resistenter gegen das Herbizid und effizienter beim Herbizidabbau in Feststoffkulturen im Vergleich zu Flüssigkulturen: 50 mM gegenüber 20 mM bzw. 90 % gegenüber 55 %. Die Autoren schlugen zwei mögliche Erklärungen vor, die sich nicht gegenseitig ausschließen: eine geringere Verfügbarkeit des Herbizids aufgrund seiner Adsorption an das unlösliche Substrat Maiskolben und die höhere Aktivität von Laccase und Mn-Peroxidase in Feststoffkulturen im Vergleich zu den Flüssigkulturen, in denen eine hohe Laccase-Aktivität festgestellt wurde. In den kombinierten wässrigen und methanolischen Extrakten wurden jedoch keine Metabolitprodukte gefunden. Die G. lucidum-Rohfiltrate, die Laccase und Mn-Peroxidase enthalten, bauen in vitro Bentazon ab. Die Experimente mit der Zugabe von Mn2+, ABTS, Tween 80 und H2O2 zu den Rohfiltraten zeigten Synergieeffekte beim Bentazon-Abbau, was darauf hindeutet, dass sowohl Laccase als auch Mn-Peroxidase am Bentazon-Abbau beteiligt sind. Es ist bekannt, dass ABTS die Oxidation von nicht-phenolischen Verbindungen des Lignins vermittelt und die Anwesenheit von ungesättigten Fettsäuren (Tween 80) den durch Mn-Peroxidasen und Laccasen katalysierten Oxidationsprozess aufgrund der Bildung von Lipidperoxyl- oder Alkoxylradikalen verbessert. Der hypothetische Mechanismus des Bentazon-Abbaus könnte folgender sein: Mn-Peroxidase und Laccase erzeugen Lipidperoxyl- oder Alkoxyl-Radikale; in Gegenwart dieser Radikale oxidiert Mn-Peroxidase Mn2+ zu Mn3+, das wiederum Bentazon oxidiert, während Laccase ABTS als Redox-Vermittler für die Bentazon-Oxidation verwendet. In Flüssigkulturen wurde jedoch kein Abbau von Picloram G. lucidum und Trametes sp. beobachtet, was möglicherweise auf die hohe Substitution des aromatischen Rings zurückzuführen ist. Dieses Herbizid steigerte die Produktion von Laccase durch Trametes sp., während die Enzymproduktion von G. lucidum unterdrückt wurde. Die Autoren vermuteten, dass die Hemmung der Enzymproduktion auf der mRNA-Ebene erfolgen könnte, nachdem Picloram in die Zelle eingedrungen ist, oder durch eine Enzymmodifikation vor oder nach der Sekretion. Die Exposition von G. lucidum und Trametes sp. gegenüber Picloram offenbarte einen besonderen Mechanismus der vorübergehenden Bioakkumulation des Herbizids durch beide Pilze.
Der am meisten untersuchte WRF ist P. chrysosporium, von dem gezeigt wurde, dass er eine breite Palette von Herbiziden unter verschiedenen Bedingungen abbaut. MCPA und Bentazon wurden von P. chrysosporium innerhalb von 20 Tagen zu 65 % bzw. 75 % abgebaut. P. chysosporium baute Isoproturon, das zur Phenylharnstoffgruppe gehört, Atrazin und auch Diuron ab. Nach Angaben von P. chysosporium wurde jedoch kein Atrazin-Abbau durch diesen Pilz in Flüssigkulturen beobachtet. Die Abbauleistung von P. chrysosporium war in Feststoffkulturen höher als in Flüssigkulturen. Es wurden zwei Mechanismen für den Herbizidabbau vorgeschlagen: die Wirkung ligninolytischer Enzyme und die Wirkung intrazellulärer Enzyme, insbesondere von Cytochrom P450. In wurde der Abbau von Diuron durch P. chrysosporium untersucht, einschließlich der Identifizierung der gebildeten Produkte und der Bewertung der Rolle von Cytochrom P450. Zwei Ergebnisse waren von großer Bedeutung: die beträchtlichen Mengen an Diuron, DCPMU und DCPU, die in frischen Myzelien gefunden wurden, und die Hemmung des Diuron-Abbaus durch ABT (1-Aminobenzotriazol), einen Cytochrom-P450-Inhibitor. Diese Ergebnisse bestätigten den intrazellulären Mechanismus dieses Herbizidabbaus, der zur N-Demethylierung führt. Nach 5 Tagen waren jedoch die Konzentrationen von DCPMU und DCPU in den Kulturfiltraten höher als in den Myzel-Extrakten, was auf eine mögliche Beteiligung lignolytischer Enzyme am Abbau dieser Metaboliten schließen lässt. Nach da Silva Coelho-Moreira et al. bauten enzymatische Rohextrakte, die mit einer Kombination aus Veratrylalkohol H2O2 und Mn2+ versorgt wurden, das Herbizid nicht ab, so dass es möglich ist, dass DCPMU und DCPU durch MnP weiter transformiert werden können.
P. chrysosporium ist auch in der Lage, Atrazin, sein Transformationsprodukt und andere s-Triazin-Herbizide zu transformieren. Der erste und wichtigste Schritt im Abbauweg von chlorierten s-Triazinen durch den Pilz war die Mono-N-Dealkylierung. Hydroxyatrazin war das wichtigste Abbauprodukt, das in mit Atrazin behandelten Böden und in Flüssigkulturen gefunden wurde. P. chrysosporium wandelte Hydroxyatrazin aktiv in eine unbekannte Verbindung um, die sich im Kulturmedium anreicherte. Es wurde festgestellt, dass für die Mono-N-Dealkylierung von Atrazin durch P. chrysosporium sowohl Alkylgruppen als auch Chlor an der 2-Position erforderlich sind. Folglich sollte die Bildung von Desethylhydroxyatrazin in Flüssigkulturen aus der Hydrolyse von Deethylatrazin resultieren. Experimente mit Terbuthylazin, Atrazin und Simazin zeigen ebenfalls, dass die Entfernung der Ethyl-Seitenkette die bevorzugte Reaktion ist und möglicherweise von der Masse der zweiten Alkylgruppe abhängt. Mit anderen Worten, bei Verbindungen mit einer massereichen Gruppe, die an einen Aminosubstituenten gebunden ist, wird eine stärkere N-Dealkylierung erwartet, die die andere Kette beeinträchtigt. Die symmetrischen Verbindungen Propazin und Simazin wurden ebenfalls langsamer abgebaut als Atrazin. Weder LiPs noch MnPs transformierten Atrazin und seine N-dealkylierten Metaboliten. Es wurde gezeigt, dass die N-Dealkylierung von Atrazin in Gegenwart eines Cytochrom-P450-Inhibitors abnahm. Außerdem wurde der Herbizidabbau durch das Myzel unterstützt. Daher wurde eine Beteiligung von Cytochrom P450 am Atrazin-Abbau angenommen. Diese Daten stehen im Einklang mit früher veröffentlichten Studien über den Abbau von Atrazin durch Pleurotus pulmonarius, an dem Enzyme wie Lipoxygenase, Peroxidase und Cytochrom P450 beteiligt sind. Mn2+, das diese Enzyme aktiviert, stimulierte die Umwandlung von Atrazin in N-dealkylierte und propylhydroxylierte Metaboliten, während Antioxidantien und Inhibitoren von Lipoxygenase und Peroxidase (Nordihydroguaiaretinsäure) sowie Cytochrom P-450 (Piperonylbutoxid) den Abbau unterdrückten.
Um die in Tabelle 2 dargestellten Daten zu analysieren, wurde die Rate des Herbizidabbaus als Verhältnis des Abbaus (%) zur Dauer des Abbaus (Tage) berechnet, gefolgt von einer Durchschnittswertberechnung für jedes Herbizid (Abb. 1). In Anbetracht der Auswirkung der Kultivierungsbedingungen auf den Herbizidabbau durch Pilze wurden nur Daten über stationäre Bedingungen auf flüssigen Medien auf diese Weise behandelt.
Die erzielten Ergebnisse stimmen gut mit der Studie überein, in der festgestellt wurde, dass das Vorhandensein von Alkylgruppen für den Abbau von s-Triazin-Herbiziden durch P. chrysosporium über Mono-N-Dealkylierung notwendig ist. Darüber hinaus scheint sich die Fähigkeit der WRF-Pilze, s-Triazine abzubauen, mit zunehmender Menge an genau verzweigten Alkylgruppen zu verbessern. Um diese vorläufige Beobachtung zu bestätigen oder zu widerlegen, sollten jedoch detaillierte quantitative Studien zur Strukturabbauaktivität durchgeführt werden. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung ist der deutlich negative Einfluss des Chlors im Herbizidmolekül auf die Abbaurate, was aus dem Vergleich der Abbaurate von Nitrofen (ein Atom Chlor) und Clornitrofen (drei Atome Chlor) und der höchsten Abbaurate von Bentazon, dem einzigen chlorfreien Herbizid in der vorgestellten Reihe, hervorgeht (Abb. 1). Daher zeigen die in Abb. 1 dargestellten Daten deutlich die dringende Notwendigkeit weiterer QSAR-Studien. Zusammen mit den Kenntnissen über die wichtigsten enzymatischen Wege des Herbizidabbaus werden diese die vorläufige Bewertung der Abbaubarkeit von WRF im Vergleich zu Herbiziden bekannter Struktur erheblich verbessern.
Die widersprüchlichen Daten über die Beteiligung ligninolytischer Enzyme am Herbizidabbau und an der Umwandlung erlaubten es nicht, ihre genaue Rolle bei diesen Prozessen zu bestimmen. Wir haben die Daten über die Effizienz einzelner ligninolytischer Enzyme, ihrer Mischungen und von Enzym-Redox-Vermittler-Systemen beim Herbizidabbau in Tabelle 3 zusammengefasst. Wie zu sehen ist, wurde für MnP- und LiP-Rohextrakte und gereinigte Enzyme aus P. chrysosporium, Trametes versicolor und Coriolus versicolor selbst in Gegenwart von Redox-Mediatoren kein Abbau von Diketonitril, Diuron, Atrazin, Chlornitrofen, Nitrofen und Glyphosat beobachtet. MnP aus P. chrysosporium baute jedoch Irgarol 1081 nach 24 Stunden bis zu 37 % ab, und LiP aus P. chrysosporium baute Bentazon nach 4 Stunden bis zu 100 % ab. Darüber hinaus wurde Bentazon durch Laccase mit Catechol, Laccase und MnP-Rohextrakte mit dem Redox-Mediator ABTS, rekombinantes MnP effektiv umgewandelt. Die Analyse der in Tabelle 3 zusammengefassten Daten führt zu der Schlussfolgerung, dass MnP, Laccase und Laccase-Redox-Mediator-Systeme die effizientesten Werkzeuge für den Abbau einer breiten Palette von Herbiziden sind – Diketonitril, Glyphosat, Pesticide Mix 34, Chloroxuron, Atrazin und Dymron, allerdings mit wenigen Ausnahmen, nämlich Choronitrofen und Nitrofen . Es sollte betont werden, dass die Effizienz von Laccase-Redox-Mediator-Systemen gegenüber verschiedenen Herbiziden stark vom verwendeten Redox-Mediator abhängt, der wiederum von den Mechanismen der Oxidation der Mediatoren durch das Enzym und der Reaktivität der Zwischenprodukte der Mediatoren abhängig ist.
Enzym | Herbizid | Redox-Mediator | Reaktionsbedingungen | Dauer h | Abbau, % | Pilz | Ref. |
Laccase | Atrazin | Nein | 25°C, pH 4.5 | 240 | 0 | Coriolopsis fulvocinerea | Koroleva & Gorbatova (unveröffentlichte Daten) |
0 | |||||||
PF6, | 0 | ||||||
HBT | 70 | ||||||
Syringaldezin | 0 | ||||||
Bentazon | Catechol | 25°C, pH 4.0 | 0.5 | 100 | Polyporus pinsitus | ||
Chlornitrofen | Nein | 0 | Coriolus versicolor | ||||
HBT | 0 | ||||||
Diketonitril (Derivat von Isoxaflutol) | ABTS | pH 3.0 | 0.3-0.4 nmol /(h Einheit) | Trametes versicolor | |||
Dymron | Nein | 37°C | 24 | 0 | Trametes versicolor | ||
ABTS | 60°C | 24 | >90 | ||||
HBA | 90 | ||||||
MeHBA | 90 | ||||||
NNDS | >90 | ||||||
Glyphosat | Nein | pH 6.0, Mn2+ + H2O2 + Tween 80 | 24 | 90 | Trametes versicolor | ||
Nein | pH 6.0, Mn2+ + Tween 80 | 90 | |||||
Nitrofen | Nein | 0 | Coriolus versicolor | ||||
HBT | 0 | ||||||
Laccase, immobilisiert | Chloroxuron | Nein | 30°C, pH 4.5 | 0,5 | 80 | Trametes versicolor | |
3-HAA | 0.5 | 80 | |||||
HBT | 0.3 | 100 | |||||
Syrinaldehyd | 0.5 | 80 | |||||
LiP | Atrazin | Nein | 30°C, pH 5, Veratrylalkohol + Mn2+ + H2O2 | 1 | 0 | Phanerochaete chrysosporium | |
Bentazon | Nein | pH 3.5, Veratrylalkohol + H2O2 | 4 | ∼100 | Phanerochaete chrysosporium | ||
Chlornitrofen | Nein | 0 | Coriolus versicolor | ||||
Nein | 0 | Phanerochaete chrysosporium | |||||
Glyphosat | Nein | pH 3.0, Veratrylalkohol + Mn2+ + H2O2 + Tween 80 | 24 | 0 | Trametes versicolor | ||
Nitrofen | Nein | 0 | Coriolus versicolor | ||||
Nein | 0 | Phanerochaete chrysosporium | |||||
MnP | Atrazin | Nein | 30°C, pH 5, Veratylalkohol + Mn2+ + H2O2 | 1 | 0 | Phanerochaete chrysosporium | |
Bentazon | Nein | pH 4.5, Mn2+ + Tween 80 | 168 | ∼700 | Aspergillus oryzae | ||
Chlornitrofen | Nein | 0 | Coriolus versicolor | ||||
Glyphosat | Nein | pH 4.5, Mn2+ + H2O2 + Tween 80 | 24 | 100 | Nematoloma frowardii | ||
Nein | pH 4.5, Mn2+ + Tween 80 | 100 | |||||
Irgarol 1051 | Nein | 30°C, Mn2+ + Glucose + Glucoseoxidase | 24 | 37 | Phanerochaete chrysosporium | ||
Nitrophen | Nein | 0 | Coriolus versicolor | ||||
Pestizidmischung 34 | Nein | 35°C, pH 4.5, Mn2+ + H2O2 + Tween 80 | 144 | 20-100 | Nematoloma frowardii | ||
Lac+MnP | Bentazon | ABTS | Mn2+ + H2O2 + Tween 80 | 24 | 98 | Ganoderma lucidum | |
LiP+MnP | Atrazin | Nein | 39°C, Veratrylalkohol + Mn2+ + H2O2 | 24 | 0 | Phanerochaete chrysosporium | |
Nein | 30°C, pH 5, Veratylalkohol + Mn2+ + H2O2 | 1 | 0 | ||||
Diketonitril (Derivat von Isoxaflutol) | Nein | 30°C, pH 3 oder 5, H2O2 | 12 | 0 | Phanerochaete chrysosporium | ||
1-HBT | 0 | ||||||
3-HAA | 0 | ||||||
ABTS | 0 | ||||||
Diuron | Nein | pH 3.0, Veratrylalkohol + Mn2+ + H2O2 | 24 | 0 | Phanerochaete chrysosporium |
Tabelle 3.
Abbau von Herbiziden durch ligninolytische Enzyme, die von Weißfäulepilzen produziert werden
Irgarol 1051 – Derivat des s-Triazin-Herbizids
3-HAA – 3-Hydroxyantranilsäure
1-HBT – 3-Hydroxybenzotriazol
HBA – 4-Hydroxybenzoesäure
MeHBA – Methyl-4-hydroxybenzoesäure
NNDS – 1-Nitroso-2naphtol-3,6-Disulfonsäure
Laccase iimmobilisiert – Laccase iimmobilisiert auf einer elektrogesponnenen Zein-Polyurethan-Nanofaser durch Vernetzung mit Glutaraldehyd
Bei der Untersuchung des Atrazinabbaus mit gereinigter Laccase aus Coriolopsis fulvocinerea, wurde kein Herbizidabbau beobachtet (Koroleva & Gorbatova, unveröffentlichte Daten). Das Screening von Redox-Mediatoren (Syringaldezin, PF6, , HBT) ergab, dass nur HBT die Abnahme der Atrazinkonzentration im System Laccase-Atrazin-Redox-Mediator verursachte. Eine genauere Untersuchung der Komponenten des Modellsystems „Atrazin/Laccase/HBT“ zeigte, dass HBT selbst mit Atrazin und anderen chlorhaltigen Atrazin-Derivaten direkt und ohne Beteiligung von Laccase reagierte und nicht mit den Hydroxy-Derivaten von Atrazin interagierte. Es ist bekannt, dass HBT in wässriger Lösung in eine ionische Form übergehen kann. Daher wurde vermutet, dass sich zwei Produkte bilden können, die beide aus HBT und Atrazin bestehen, und zwar durch die Bildung von (-N-O-C-)-Bindungen in Position (2) des Atrazins. Die Zugabe von Laccase zu einer Lösung von HBT/Atr führte zur Bildung mehrerer Produkte, von denen eines eine Retentionszeit hatte, die mit der der HBT-Atr-Verbindung übereinstimmte. Bei enzymatischen Reaktionen bildeten sich zwei weitere Produkte mit Retentionszeiten von 15,3 min und 19,4 min, die als Deethylatrazin (DEA) und die durch die Wechselwirkung von DEA und HBT gebildete Verbindung identifiziert wurden. Die Zugabe des Enzyms führte also zur Bildung neuer Produkte, die sich von denen unterscheiden, die bei der Reaktion von HBT mit Atrazin gebildet werden. Das Modellsystem „Atrazin/Lakase/HBT“ wurde bei verschiedenen Molverhältnissen von Atrazin/Vermittler (9:1 bis 1:9) und bei zwei verschiedenen Enzymkonzentrationen (0,02 μm und 1,0 μm) untersucht. Die stärkste Atrazinumwandlung – bis zu 70 % in 10 Tagen – wurde bei einem HBT/Atr-Verhältnis von 9/1 und einer Enzymkonzentration von 0,02 μm beobachtet. Protonenmagnetresonanz (1H-NMR) und HPLC-MS/MS ermöglichten die Bestätigung der Produktidentifizierung in den Modellsystemen „Atr/HBT“ und „Atr/HBT/laccase“: die Bildung von Atr-HBT im „Atr/HBT“-System und DEA und DEA-HBT im „Atr/HBT/laccase“-System. Atr-HBT lag in zwei Formen vor: protoniert (M.W. 315 g/mol) und diprotoniert (M.W. 316 g/mol). Bei der Reaktion „Atr/HBT/laccase“ entstehen DEA sowie protonierte (M.W. 287 g/mol) und diprotonierte (M.W. 288 g/mol) Formen des Produkts DEA-HBT. Auf der Grundlage der für die fünf etablierten Strukturen der Produkte erhaltenen Daten haben wir das Schema der Atrazin-Oxidation durch das „Laccase/HBT“-System (Abb. 2) vorgeschlagen, das nicht-enzymatische und enzymatische Stufen (Abb. 3) umfasst.
Während der nicht-enzymatischen Stufe wird ein Produkt aus Atrazin und HBT gebildet. Da sich die Substrate und die Produkte im „Atr/HBT“-System im Gleichgewicht befinden, bewirkt die Zugabe von Laccase zur Reaktion die Oxidation von HBT und die Bildung des HBT-Radikals. Das HBT-Radikal reagiert mit der Atr-HBT-Verbindung und löst die Dissoziation der (-NH-CH-)Bindungen aus, was zur Bildung von DEA-HBT und Ethylalkohol führt. DEA-HBT zersetzt sich seinerseits zu zwei Produkten: DEA und HBT. Die Fähigkeit von HBT, tautomere Formen zu bilden und direkt mit Atrazin zu reagieren, deutet darauf hin, dass HBT in der Reaktionsmischung abgebaut wird. Nach dem vorgeschlagenen Schema bildeten sich jedoch während der Hydrolyse von DEA-HBT DEA und HBT. Dies könnte einer der Gründe für die Wirksamkeit von HBT als Redox-Vermittler im Laccase-Redox-Vermittler-System sein.
Das hohe Potenzial von WRF sowie ihrer ligninolytischen Enzyme bei der Herbizidtransformation ist gut dokumentiert. Dennoch sind die Mechanismen des Abbaus und die Abbauwege für viele Herbizide noch nicht erforscht. Weitere Studien sind erforderlich, um den Mechanismus des Herbizidabbaus durch WRF und ligninolytische Enzyme zu klären und die gebildeten Metaboliten zu identifizieren.