The switch to unleaded fuels in the 1970s and the high air pollution in areas of high population density due to traffic particularly since the 1990s required the use of alternative fuel additives to achieve an improvement of the combustion. The utilization of oxygenated hydrocarbons as antiknock additives and so-called oxygenates provided a more complete and efficient combustion with simultaneously less harmful and polluting emissions.
These include the synthetic ethers methyl tert-butyl ether (MTBE), ethyl tert-butyl ether (ETBE), tert-amyl methyl ether (TAME) and tert-amyl ethyl ether (TAEE). MTBE has a particular position as within some years it became the dominant oxygenate worldwide.
Since then, over 100.000 leakages, most often in close proximity to gas stations, resulted in just as many oxygenate-contaminated sites of soil and groundwater within few years. The high water solubility of these ethers leads to an especially fast and extensive spread of the contamination plumes.
Ether-contaminated groundwater has a turpentine-like taste that is noticed already in really low concentrations. Thus, such water can no longer serve as drinking water and requires a counter-measure. The chemical parameters of oxygenates decrease the efficiency of otherwise successfully applied techniques such as adsorption or aeration. In addition the ethers proved recalcitrant against microbial attack.
The search for microorganisms that could degrade these synthetic oxygenates indeed resulted in the enrichment of many isolates. The majority of these isolates oxidize the ethers in a cometabolic manner either partially or completely to CO2. However, only few cultures are capable of independent growth on these oxygenates. These include the beta-proteobacteria Methylibium petroleiphilum PM1 and Aquincola tertiaricarbonis L108, of which the latter is of particular interest for the present work. Strain L108 is characterized by good growth on MTBE and is presently the only known isolate which is able to mineralize ETBE, TAME and TAEE at similar rates.
This work examined the seemingly particularly well adapted oxygenate ether metabolism of strain L108, that was formerly isolated from an aquifer highly contaminated with MTBE. Via diverse deletion studies key enzymes of the degradative metabolism and their genetic background were clearly identified. Hence, the results of this work contribute to verify so far just hypothesized metabolic steps by detailed enzymatic and genetic studies.
Based on detected metabolites, first studies on MTBE biodegradation already postulated an oxidative pathway via TBA, 2-methyl-1,2-propane-diol (MPD) and 2-HIBA.
In case of a monoxygenatic hydroxylation of the methoxy group of MTBE a hemiacetale results as reaction product, from which the tertiary alcohol TBA can be formed easily in subsequent reactions.
By comparing wild type strain L108 with the spontaneous mutant strain L10, we were now able to clearly show that the cytochrome P-450 monoxygenase system EthABCD accounts solely for this MTBE-oxidizing activity. It is also the only enzyme catalyzing the corresponding hydroxylation of ETBE, TAME and TAEE. In strain L108 this enzyme complex is expressed constitutively.
TBA, which is also generated from hydroxylation of ETBE, is, as postulated and verified by this study, degraded by a different monoxygenase resulting in MPD. Via Tn5-mediated mutations this enzyme was confirmed as Rieske non-heme mononuclear iron monooxygenase MdpJ. MPD is further altered to the corresponding branched acid 2-HIBA, presumably by two dehydrogenation reactions.
For the degradation of 2-HIBA, diverse hypotheses exist on the basis of known enzymatic reactions. Another Tn5 mutation now gave evidence, that in the mentioned beta-proteobacteria the novel mutase HcmAB linearizes 2-HIBA to 3-hydroxybutyric acid (3-HB) dependent on cobalamin and coenzyme A (CoA). Sequence comparison revealed, that strain L108 acquired all three key enzyme complexes, EthABCD, MdpJ and HcmAB via horizontal gene transfer (HGT).
For TAME and TAEE a completely new degradation pathway was found. In strain L108, the resulting degradation product tert-amyl alcohol (TAA) of these ethers is, like TBA, also specifically oxidized by MdpJ.
In Tn5-deletion studies and metabolite analyzes, however, no hydroxylation could be detected. Instead, TAA is rather desaturated. Therefore within the metabolism no diols or acids analogue to MPD or 2-HIBA were formed. Instead, via MdpJ TAA is initially degraded to the unsaturated tertiary alcohol and hemiterpene 2-methyl-3-butene-2-ol.
Prenol (3-methyl-2-buten-2-ol), prenal (3-methyl-2-buten-2-al) and 3-methyl crotonic acid were detected as additional metabolites. Hence, an isomerization of the branched acid by HcmAB is apparently irrelevant in TAA biodegradation. Accordingly it could be shown, that deletion mutants for HcmAB indeed could not grow on TBA, but are still able to grow on TAA, just as fast as the wild type, in fact.
The tertiary alcohol 2-methyl-3-butene-2-ol is presumably transformed via another isomerase resulting in the primary alcohol prenol. Prenol is further oxidized by postulated dehydrogenases to 3-methyl crotonic acid. This would also be in correlation to the already observed degradation pathway of the monoterpene linalool in other bacteria. However, the responsible enzymes in strain L108 are not yet identified.
Besides this principal gain of knowledge in the degradation of xenobiotic ether structures and the evolution of degradative microorganism, the now confirmed key enzymes EthB, MdpJ and HcmAB, respectively their coding genes, can be used as specific markers to monitor natural degradation processes in in situ studies.
On this basis, the presence of active microorganisms and additionally - derived from the confirmed single key enzymes - a potentially complete degradation can be concluded. In the long run, it might be possible to stimulate the natural microbiological activity, e.g. via bioaugmentation with degradation specialists.
Furthermore, regarding the potential progress of remediation procedures, potentially limiting steps can be distinguished via respective markers and narrowed down as possible cause of deficient degradation activity.
However, such function-based monitoring requires specific verification. Therefore, subsequent studies have to analyze, if there is a sequence diversity among these three key enzymes. Previous sequence comparisons hypothesize that up to 60% accordance in the protein sequence in homologues of MdpJ and HcmA they can still be assumed to possess the same enzymatic function. This diversity has to be considered in the development of specific probes. / Die Einführung bleifreien Benzins in den 1970er-Jahren und die hohe Emissionsbelastung von Ballungszentren durch den Straßenverkehr insbesondere seit den 1990er-Jahren erforderte den Einsatz alternativer Benzinadditive, um eine Verbesserung der Verbrennung zu erreichen. Die Nutzung sauerstoffhaltiger Kohlenwasserstoffe als Antiklopfmittel und als sogenannte Oxygenate bot sich an, da diese eine effizientere Verbrennung mit gleichzeitig niedrigeren gesundheits- und umweltschädigenden Emissionen fördern.
Zu den Oxygenaten gehören die synthetischen Ether Methyl-tert-butylether (MTBE), Ethyl-tert-butylether (ETBE), tert-Amylmethylether (TAME) und tert-Amylethylether (TAEE). Eine herausragende Stellung nimmt MTBE ein. Innerhalb weniger Jahre wurde es zum hauptsächlich verwendeten Oxygenat weltweit.
Seitdem führten jedoch über 100.000 Leckagen, zumeist in Tankstellennähe, innerhalb weniger Jahre zu ebenso zahlreichen Kontaminationen des Grundwassers mit Oxygenaten. Aufgrund der hohen Wasserlöslichkeit kommt es dabei zu einer besonders schnellen und großflächigen Ausbreitung der Ether.
Derart belastetes Grundwasser weist schon bei geringsten Etherkonzentrationen einen als terpentinartig wahrgenommenen Geruch und Geschmack auf und kann daher nicht mehr als Trinkwasserzufuhr genutzt werden. Es bedarf einer Lösung dieses Problems.
Die chemischen Parameter der Ether senken allerdings die Effizienz anderweitig erfolgreich genutzter technischer Sanierungsverfahren auf Basis von z. B. Adsorption oder Aerisierung. Auch gegenüber mikrobiellen Abbau erweisen sie sich als rekalzitrant.
Die Suche nach oxygenatabbauenden Mikroorganismen führte zwar zur Anreicherung vieler Isolate, welche die Oxygenate cometabolisch partiell oder sogar komplett oxidieren, nur sehr wenige Kulturen sind aber zu autarkem Wachstum auf diesen Ethern fähig. Dazu gehören die Beta-Proteobacteria Methylibium petroleiphilum PM1 und der dieser Arbeit zugrunde liegende Aquincola tertiaricarbonis L108. Der Stamm L108 zeichnet sich durch ein vergleichsweise gutes Wachstum auf MTBE aus und ist als bisher einzig bekanntes Isolat in der Lage, auch ETBE, TAME und TAEE ähnlich schnell zu mineralisieren.
Die vorliegende Arbeit handelt von dem scheinbar besonders gut an den Oxygenatabbau adaptierten Stoffwechsel des ursprünglich aus MTBE-kontaminiertem Grundwasser angereicherten Stammes L108. Durch verschiedene Deletionsstudien wurden Schlüsselenzyme des Abbaus und deren genetischer Hintergrund eindeutig identifiziert. Die Ergebnisse der genetischen, enzymatischen und physiologischen Studien des Wildtyps im Vergleich zu den erzeugten Deletionsstämmen tragen dazu bei, bisher nur postulierte Reaktionsschritte zu verifizieren.
Schon seit den ersten Studien zum MTBE-Abbau wird anhand markanter Metabolite ein oxidativer Abbau via TBA, 2-Methyl-1,2-propandiol (MPD) und 2-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBA) vermutet.
Im Fall einer Hydroxylierung der Methoxygruppe von MTBE wird ein Hemiacetal als Reaktionsprodukt erzeugt, aus dem nachfolgend leicht der tertiäre Alkohol TBA entstehen kann. Durch den Vergleich des Wildtyps mit der Spontanmutante Stamm L10 konnte jetzt gezeigt werden, dass hierfür allein das Cytochrom-P450-Monooxygenasesystem EthABCD verantwortlich ist. Dieses katalysiert auch exklusiv die entsprechende Hydroxylierung von ETBE, TAME und TAEE. In Stamm L108 wird das Enzym konstitutiv exprimiert.
TBA, das auch aus der Hydroxylierung von ETBE resultiert, wird, wie postuliert und in dieser Arbeit verifiziert, durch eine weitere Monooxygenase zu MPD abgebaut. Durch eine Tn5-Transposon-vermittelte Mutation konnte verifiziert werden, dass es sich bei diesem Enzym um die Rieske-nicht-Häm-Monooxygenase MdpJ handelt. MPD wird im weiteren Verlauf voraussichtlich durch zwei Dehydrogenierungen zur korrespondierenden, verzweigten Säure 2-HIBA gewandelt.
Zum 2-HIBA-Abbau gibt es, basierend auf bekannten Enzymreaktionen, diverse Hypothesen. Anhand einer weiteren Tn5-Mutation konnte jetzt bestätigt werden, dass in den genannten beta-Proteobacteria die neuartige Mutase HcmAB wirksam ist, welche 2-HIBA abhängig von Cobalamin und Coenzym A (CoA) zu 3-Hydroxybuttersäure (3-HB) linearisiert. Sequenzvergleiche ergaben, dass Stamm L108 die Schlüsselenzyme des Etherabbaus, EthABCD, MdpJ und HcmAB, durch horizontalen Gentransfer erworben hat.
Für TAME und TAEE wurde ein völlig neuer Abbauweg gefunden. In Stamm L108 wird der beim Abbau dieser Ether entstehende tert-Amylalkohol (TAA) wie TBA ebenfalls exklusiv durch MdpJ oxidiert.
Durch die Tn5-Deletionsstudien und durch Analyse der Metabolite konnte allerdings keine Hydroxylierung nachgewiesen werden. TAA wird durch MdpJ vielmehr desaturiert. Somit entstehen im Abbauweg keine zu MPD und 2-HIBA analogen Diole und Säuren, sondern TAA wird zunächst durch MdpJ zu einem ungesättigten tertiären Alkohol, dem Hemiterpen 2-Methyl-3-buten-2-ol, abgebaut.
Prenol (3-Methyl-2-buten-2-ol), Prenal (3-Methyl-2-buten-2-al) und 3-Methylcrotonsäure wurden als weitere Metabolite des TAA-Stoffwechsels detektiert. Somit spielt eine Isomerisierung einer tertiär verzweigten Säure durch HcmAB im TAA-Abbauweg offensichtlich keine Rolle. Entsprechend konnte gezeigt werden, dass Deletionsmutanten für hcmAB zwar nicht mehr auf TBA, aber immer noch auf TAA wachsen können, und das genauso schnell, wie der Wildtyp.
Der tertiäre Alkohol 2-Methyl-3-buten-2-ol wird wahrscheinlich durch eine andere Isomerase zum primären Alkohol Prenol umgewandelt und dieser dann durch Dehydrogenasen zur Methylcrotonsäure oxidiert. Dies würde dem bereits in anderen Bakterien beobachteten Abbauweg des Monoterpens Linalool entsprechen. Die in Stamm L108 dafür verantwortlichen Enzyme wurden aber noch nicht identifiziert.
Neben diesem grundsätzlichen Erkenntnisgewinn zum Abbau der xenobiotischen Etherverbindungen und der Evolution degradativer Mikroorganismen, können die hier bestätigten Schlüssel-enzyme EthABCD, MdpJ und HcmAB bzw. deren codierende Gene als spezifische Marker zum Monitoring natürlicher Abbauprozesse für in-situ-Untersuchungen genutzt werden. Auf dieser Basis kann auf die Anwesenheit aktiver Mikroorganismen und zudem noch - abgeleitet aus der Präsenz der einzelnen Schlüsselenzyme - auf einen potenziell kompletten Abbau geschlossen werden.
Darauf aufbauend kann die natürliche mikrobiologische Aktivität durch nachfolgende biotechnologische Maßnahmen stimuliert werden, zum Beispiel durch eine Bioaugmentation mit Abbauspezialisten.
Des weiteren können mögliche limitierende Schritte hinsichtlich des potenziellen Verlaufs der Sanierungsmaßnahme über Präsenztiter der betreffenden Marker gezielter verfolgt und als etwaige Ursachen defizitärer Abbauleistungen eingegrenzt werden. Voraussetzung für dieses funktionsbasierte Monitoring ist allerdings der spezifische Nachweis. Somit sollte in nachfolgenden Studien analysiert werden, ob es bei den drei Schlüsselenzymen eine Sequenzdiversität gibt. Die bisherigen Sequenzvergleiche lassen zumindest vermuten, dass bis etwa 60% Übereinstimmung der Proteinsequenzen bei Homologen von MdpJ und HcmA noch mit der gleichen Enzymfunktion zu rechnen ist. Diese Diversität sollte bei der Entwicklung von spezifischen Sonden berücksichtigt werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:15-qucosa-142918 |
| Date | 14 May 2014 |
| Creators | Schuster, Judith Christina |
| Contributors | Universität Leipzig, Fakultät für Biowissenschaften, Pharmazie und Psychologie, Helmholtzzentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Umweltmikrobiologie, Professor Dr. Hauke Harms, Professor Dr. Hauke Harms, Professor Dr. Michael Schlömann |
| Publisher | Universitätsbibliothek Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German, English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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