Dehalorespiration: R-Cl + 2 [H] → R

Bakterielle Dechlorierung an O2-freien Standorten
Prof. Dr. Gabriele Diekert
Ansprechpartner: Dr. Torsten Schubert
Institut für Mikrobiologie
Lehrstuhl für Angewandte und Ökologische Mikrobiologie
Philosophenweg 12
07743 Jena
Die Substrate: Tetrachlorethen/Perchlorethylen (PCE)
PCE wird weltweit in der chemischen Reinigung von Textilien und
zur Materialentfettung in der Metall-/Automobilindustrie eingesetzt.
In den 1990er Jahren wurden in Westeuropa, den USA und Japan
ca. 500.000 Tonnen benötigt. PCE ist eine der häufigsten
Kontaminationen in Grundwasser und Boden. Tetrachlorethen ist
ein Gift, es wirkt karzinogen und schädigt bei anhaltender Exposition
die inneren Organe.
Synthetische chlorierte
Kohlenwasserstoffe
Die Substrate: Chlorierte zyklische Kohlenwasserstoffe
Chlorierte Kohlenwasserstoffe
biologischen Ursprungs
Biologisch erzeugte halogenierte (-Chlorid, -Bromid, -Fluorid, -Jodid)
Verbindungen sind ubiquitär auf der Erde verbreitet. Die
Hauptsyntheseleistung erbringen Organismen mariner Standorte.
Halogenierende Organismen terrestrischer Habitate (Pflanzen,
Pilze, Flechten, Bakterien, Insekten) produzieren vornehmlich
chlorierte organische Verbindungen. In unseren Wäldern
vorkommende Weißfäule-Pilze (z.B. Bjerkandera adusta) sind in der
Lage hochmolekulares Lignin im Holz in niedermolekulare
aromatische Verbindungen abzubauen. Diese Pilze zeigen die
Fähigkeit
bei
der
Ligninspaltung
chlorierte
zyklische
Kohlenwasserstoffe zu produzieren.
Die Mikroorganismen:
Sulfurospirillum multivorans / Desulfitobacterium hafniense
Co-Kultivierung mit
Holz-abbauenden Pilzen
Sulfurospirillum multivorans und Desulfitobacterium
hafniense Stamm PCE-S sind Bakterien, die nur in
Abwesenheit von Sauerstoff wachsen können. Im
Gegensatz zu aeroben Organismen, wie z. B. dem
Menschen, welcher Luftsauerstoff bei der Atmung zu
Wasser reduziert und diese Reduktion an die
Energiegewinnung koppelt, reduzieren beide strikt
anaeroben Bakterien chlorierte Kohlenwasserstoffe und
erzeugen damit Energie. Diesen Prozess nennt man
Dehalorespiration: R-Cl + 2 [H] → R-H + H+ + Cl-.
Im Verlauf der biochemischen Reaktion wird Chlor
abgespalten und freigesetzt.
100 nm
Abb. 1: Detektion der dechlorierenden Enzyme (Proteine) auf
der Aussenseite der Zellhüllmembran eines Bakteriums
mittels Immunogoldmarkierung (schwarze Punkte) nach dem
Gefrierbruch der Zellen. In Zusammenarbeit mit Dr. M.
Westermann, Zentrum für Elektronenmikroskopie der FSU
Jena.
Das Enzym: Tetrachlorethen-Dehalogenase
Abb. 2: Norpseudovitamin B12
Ein Schlüsselenzym des dehalorespiratorischen Stoffwechsels von Sulfurospirillum multivorans
ist die reduktive PCE-Dehalogenase. Die PCE-Dehalogenase ist ein exoplasmatisches Enzym,
d. h. das Protein wird aus der Bakterienzelle transportiert (Abb. 1). Außerhalb der Zelle baut die
PCE-Dehalogenase PCE über Trichlorethen (TCE) zu cis-Dichlorethen (cDCE) ab. Das Enzym
benötigt für seine biologische Aktivität metallhaltige Kofaktoren. Dies sind zum einen ein
neuartiges Derivat des Cobalt-tragenden Vitamin B12 (Abb. 2), zum anderen Eisen-SchwefelZentren. Die Forschungsschwerpunkte am Institut für Mikrobiologie liegen in der Aufklärung des
exakten Reaktionsmechanismus des Enzyms, seines Reifungsprozesses in der Zelle sowie der
Regulation der Genexpression. Des Weiteren wird die biotechnologische Einsetzbarkeit der
PCE-Dehalogenase geprüft.