Degradace organických xenobiotik mangan-redukujícími mikroorganismy

Bc. Barbora Černá

Master's thesis

Degradation of xenobiotic compound by manganese-reducing bacteria

Abstract:

Polutanty antropogenního původu se mohou dostávat do pitných vod a zemědělské půdy, kde se mohou akumulovat a také přecházet do potravin. Jednou z možností, jak určité kontaminující látky z životního prostředí buď úplně odstranit nebo alespoň snížit jejich nebezpečnost, je bioremediace. Podmínkou tohoto procesu je přítomnost vybraných mikroorganismů a dále přítomnost akceptorů a donorů elektronů, které budou základem pro redoxní reakce. Mikroorganismy disponují enzymatickým aparátem, který zprostředkovává výměnu elektronů mezi donory a akceptory a polutanty se tímto způsobem degradují. Vzniklý tok elektronů jsou mikroorganismy schopné využít jako zdroj energie pro metabolické pochody uvnitř svých buněk. Cílem této diplomové práce bylo zjistit, jaké by bylo možné využití mangan-redukujících mikroorganismů v procesu bioremediace vybraných organických polutantů. Pro srovnání byly stejné parametry degradace měřeny také v nitrát-, železo- a síran- redukujících podmínkách. V nádobovém pokusu byly jako akceptory elektronů použity dusičnany, sírany, oxid železa a oxid manganu, tedy alternativní zdroje kyslíku. Oxid železa byl dodán ve formě goethitu a oxid manganu ve formě birnesitu. Jako donory elektronů byly vybrány organické polutanty benzotriazole, sulfamethoxazol, diklofenak a flukonazol. Z výsledků pokusu vyplývá, že benzotriazole byl bioticky nejlépe degradován v prostředí s přídavkem acetátu a dusičnanů. Sulfamethoxazol a diklofenak nejrychleji degradovaly v biotickém prostředí s přídavkem acetátu a oxidu železa. Degradace flukonazolu pomocí mikroorganismů probíhala pouze v případě experimentu bez acetátu a za těchto podmínek nejrychleji degradoval v prostředí s přídavkem oxidu manganu. V případě, že došlo v průběhu experimentu k dostatečnému poklesu koncentrace, byly vyhodnoceny kinetické parametry pro jednotlivé organické polutanty. Nejdelší poločas rozkladu byl vypočten u flukonazolu v dusičnanovém prostředí bez přídavku acetátu, a naopak nejkratší poločas rozkladu byl patrný u sulfamethoxazolu v prostředí s přídavkem acetátu a goethitu. Ze získaných výsledků lze tedy závěrem usoudit, že přítomnost acetátu napomáhala k plynulejšímu a rychlejšímu snižování koncentrace vybraných organických polutantů v čase. Mangan-redukující mikroorganismy se ukázaly jako jediné schopné degradovat flukonazol ve zvolených podmínkách

Abstract:

Pollutants of anthropogenic origin can enter potable water and agricultural soil, from which they can be transferred into food resources. One method for the elimination or at least reducing the risk of certain contaminants in the environment is bioremediation. A condition for this process is the presence of selected microorganisms and the presence of electron acceptors and donors, which will become the basis for redox reactions. Microorganisms have an enzymatic apparatus that mediates the exchange of electrons between donors and acceptors. The degradation of pollutants is dependent on these redox processes . The resulting flow of electrons can be used by microorganisms as a source of energy for their metabolic processes. The goal of this thesis was to find out the potential use of manganese reducing microorganisms in the process of bioremediation of selected organic pollutants. The same degradation parameters were also measured in the presence of nitrate, iron sulfate as alternative electron acceptors. Nitrates, sulfates, iron oxide and manganese oxide, i.e. alternative oxygen sources, were used as electron acceptors in the bottle experiment. Iron oxide was supplied in the form of goethite and manganese oxide from a birnessite. Organic pollutants benzotriazole, sulfamethoxazole, diclofenac and fluconazole were selected as electron donors. The results of the experiment show that benzotriazole was best biotically degraded in an environment with the addition of acetate and nitrates. Sulfamethoxazole and diclofenac degraded most rapidly in a biotic environment with the addition of acetate and iron oxide. Degradation of fluconazole by microorganisms only occurred in the case of the acetate-free experiment, and under these conditions, it degraded most rapidly in the environment with the addition of manganese oxide. The kinetic parameters for the organic pollutants were also evaluated in the case of significant degradation. The longest half-life was calculated for fluconazole in nitrate medium without added acetate and, conversely, the shortest half-life was observed for sulfamethoxazole in medium with added acetate and goethite. From the obtained results, it can be concluded that the presence of acetate conducive to faster decrease in the concentration of selected organic pollutants over time. Manganese reducing microorganisms are the only ones capable of degrading fluconazole under selected conditions.

Keywords

redukce manganu, bioremediace, xenobiotika, bakterie, metabolismus

Keywords

manganese reduction, bioremediation, xenobiotics, bacteria, metabolism

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 4. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Hana Šubrtová Salmonová, Ph.D.
• Reader: Barbora Hudcová, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Food Quality and Processing of Agricultural Products