E. Szczyrba1, A. Gąszczak1, G. Bartelmus1, D. Janecki2
1) Polska Akademia Nauk, Instytut Inżynierii Chemicznej, Gliwice, PL; 2) Uniwersytet Opolski, Katedra Inżynierii Procesowej, Opole, PL

MODELOWANIE PROCESU KOMETABOLICZNEGO ROZKŁADU 4-CHLOROFENOLU PRZEZ SZCZEP STENOTROPHOMONAS MALTOPHILIA KB2 W OBECNOŚCI FENOLU JAKO SUBSTRATU WZROSTOWEGO


Chlorowane związki organiczne stanowią jedną z głównych grup zanieczyszczeń środowiska. Ze względu na toksyczność, jaką wykazują nawet w niewielkich stężeniach oraz zdolność do bioakumulacji, zostały one umieszczone przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA) na liście priorytetowych zanieczyszczeń. Przykładem takiego związku jest 4-chlorofenol (4-CP). Jest to związek toksyczny przede wszystkim dla układu nerwowego, przyczyniający się do demielinizacji włókien nerwowych oraz obniżenia stężenia wszystkich neuroprzekaźników. 4-CP jest wykorzystywany w przemyśle jako półprodukt w syntezie insektycydów, herbicydów, konserwantów, środków antyseptycznych i dezynfekujących. Stosowany jest również do produkcji leków, barwników oraz jako selektywny rozpuszczalnik w procesach rafinacji olejów mineralnych. Jego obecność w środowisku spowodowana jest głównie chlorowaniem ścieków, procesami bielenia w przemyśle tekstylnym i papierniczym oraz rozpadem herbicydów. W literaturze znaleźć można informacje na temat mikrobiologicznego rozkładu chlorofenoli, jednak tylko nieliczne mikroorganizmy są w stanie wykorzystać je jako jedyne źródło węgla i energii; najczęściej są one transformowane w procesach kometabolicznych. Kinetyka kometabolicznych przemian może być etapem limitującym w procesach oczyszczania ścieków i bioremediacji gleby, stąd konieczność opracowania wyrażeń matematycznych opisujących szybkość tego procesu. Kinetyka tych przemian jest często bardzo złożona, a tym samym trudna do opisania, ponieważ aktywne miejsca enzymów katalizujących reakcje kometaboliczne łączyć się mogą z oboma substratami, stąd wystąpić mogą pomiędzy nimi różnego typu interakcje. Przeanalizowano dużą grupę modeli dostępnych w literaturze, poczynając od prostych modeli, opisujących transformację kometabolitu przez komórki w fazie spoczynku, kończąc na bardzo złożonych modelach, uwzględniających różnego typu oddziaływania pomiędzy substratami i biomasą. Jako bazę porównawczą dla analizowanych modeli wykorzystano własną bazę danych eksperymentalnych, odnoszących się do procesu kometabolicznej biodegradacji 4-CP przez szczep Stenotrophomonas Maltophilia KB2, pochodzący z kolekcji Katedry Biochemii Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ w Katowicach, w obecności fenolu jako substratu wzrostowego. Wymagało to wykonania czterech serii badań: biodegradacji różnych dawek czystego fenolu, biodegradacji różnych dawek czystego 4-CP, biodegradacji 4-CP w obecności fenolu przy różnym stosunku stężeń obu substratów oraz biodegradacji 4-CP przez komórki w fazie spoczynku, indukowane wstępnie fenolem. W oparciu o tę bazę danych obliczono współczynniki wydajności transformacyjnej biomasy w stosunku do kometabolitu i współczynnik wydajności biomasy w stosunku do substratu wzrostowego. Następnie, stosując metodę Runge-Kutta 4 rzędu, rozwiązywano układ trzech równań różniczkowych, opisujących zmiany w czasie stężeń fenolu, 4-CP i biomasy i - dopasowując profile eksperymentalne i obliczeniowe - estymowano stałe testowanych modeli. Stwierdzono, że model uwzględniający inhibicję współzawodniczącą pomiędzy substratami najlepiej przybliża eksperymentalne dane.

Słowa kluczowe: kometabolizm, kinetyka, 4-chlorofenol, fenol