Obsah sborníku | Časopis BIOM, články a sborníky | Domovská stránka     

Rozklad polyaromatických uhlovodíků (PAH) dřevokaznými houbami v půdě

Dr.František Zadražil

Institut für Bodenbiologie, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft

Bundesallee 50, 38116 Braunschweig, Deutschland

Úvod

Mnohé dřevokazné vyšší houby (Basidiomycetes) jsou nejenom schopné rozkládat lignin, ale i mnoho různých, těžko rozložitelných (persistentních) látek. Tuto vlastnost by bylo možné využít při sanování znečištěných půd. Touto problematikou se v současně době zabývá mnoho vědeckých pracovišť. V předloženém textu k přednášce budou biologické a chemické základy této problematiky diskutovány.

Půdně-biologické procesy je možno charakterizovat jako komplexní a těžce definovatelné. Z tohoto důvodu je nutno tuto přednášku chápat jen jako pokus o zjednodušené znázornění v půdě se odehrávajících procesů a závislostí.

Biologie dřevokazných hub

V přírodních podmínkách vstupuje tato skupina hub do koloběhu organických látek mineralizací lignocelulóz. Část těchto hub je schopna rozkládat lignin, jednu z nejodolnějších přírodních sloučenin. Lignolytické dřevokazné houby jsou charakterizovány nespecifickými enzymy, které se na tomto procesu podílejí. Nejlépe prostudovány jsou tyto enzymatické systémy u Phanerochaete chrisosporium, přestože tato houba nesplňuje ekologické a technologické předpoklady na její využité k technické, selektivní delignifikaci (např. pro biologickou produkci papíru a nebo konverzi lignocelulóz na krmiva).

Při rozkladu ligninu ve dřevě je zapojeno mnoho enzymů, o jejichž působení na lignin je prakticky málo známo. Přesto, že část těchto enzymů je zvána “lignináza”, doposud se nepodařilo enzymaticky rozložit lignin bez přítomnosti houbového mycelia. Ligninázy jsou inaktivovány v přítomnosti ligninu během 20 minut. Na druhé straně je fakt, že mnoho hub je schopno rozkládat lignin specificky na základě druhově podmíněných cest degradace. Sekvence aktivity jednotlivých enzymů je ovlivněna geneticky-druhovými vlastnostmi a podmínkami, ve kterých se houba nachází (teplota, složeni plynné fáze - obsah kyslíku a oxidu uhličitého, přítomnost živin atd.).

Pro praktické využití těchto hub je třeba nejenom hodnotit houby podle jejich enzymatických schopností, ale i jejich ekologických vlastností, které silně ovlivňují jejich praktické využití. V následujícím přehledu bude princip výběru hub pro rozklad xenobiotik v houbových substrátech a v půdě znázorněn a diskutován.

Jako první charakteristiku bychom měli uvažovat schopnost houby kolonizovat substráty, které budou zaneseny spolu s houbou do půdy. Nosič inokula (lignocelulóza) by měla být zdrojem živin a energie pro růst houby v půdě. První vlastnost houby by měla být vysoká saprofytická schopnost kolonizovat přírodní substráty (lignocelulózy) a prorůstat z nich do okolní půdy. Jako další vlastnost pro výběr by měla být schopnost rozkládat těžce rozložitelné a pro mnoho mikroorganismů jedovaté látky (např. antibiotikum enrofloxacin -Martens et al. 1996, PAH´s - Martens und Zadražil, 1992, 1998).

Selekce hub

Výběr hub můžeme provádět v tekutých, a nebo pevných substrátech. Tekuté substráty jsou jednodušší pro další chemické vyhodnocení rozkladu. Pevné substráty (například lignocelulózy) jsou jednodušší a jistější jako komplexní nositelé energie a živin.

V obou substrátech je třeba mít možnost analyticky posoudit rychlost rozkladu a tvorbu metabolitů. Nejpřesnějsí metodou, jak posoudit rychlost rozkladu a osud metabolitů, je využití sloučenin s radioaktivně značeným uhlíkem. Tímto, když známe místo radioaktivního uhlíku můžeme posoudit i postup rozkladu. U aromatických sloučenin je nutné značeni uhlíku v benzenovém jádře. Z množství uvolněného 14C CO₂ je možno stanovit kinetiku rozkladu. Frakcionováním substrátu je možno posoudit vlastnosti metabolitů a způsob jejich zabudováni do různých komponentů systému, např. humusových frakcí.

Při práci s neradioaktivními sloučeninami je nutná izolace všech aplikovaných sloučenin a jejich bilancováni. Toto je jen omezeně možné. Hlavně u pevných substrátů část studovaných sloučenin je poutána v myceliu a na organické matrici substrátu nebo půd (bounded residues). Z tohoto důvodu je všeobecně dávána přednost radioaktivním metodám.

Sorpce a desorpce pyrenu z různých substrátů bude znázorněna na obrázcích a podrobně diskutována v Wolter et al. 1998.

Na obrazcích budou sumárně znázorněny výsledky selekce 54 různých druhů hub na rozklad pyrenu v půdě. Z výsledků je vidět, že je možné rozdělit zkoušené druhy hub zhruba do dvou skupin podle způsobu kolonizace půdy (Martens.und Zadražil, 1992, 1998).

První skupina hub prorůstá do půdy, druha neprorůstá. Dále je zřejmé, že obě skupiny hub se liší v kinetice rozkladu a jejím mechanismu. Houby, které půdu neprorůstají, mají kulminaci rozkladu později než ty, které půdu prorůstají. U hub půdu prorůstajících byl dokázán nižší rozklad snadněji rozložitelných PAH´s (pyren, benzantracen) oproti kontrole (půda se slámou, ale bez houby). V tomto případe se rozkladu zúčastnily jen půdní mikroorganismy, které mají schopnost relativně snadno rozložitelné PAH`s rozkládat. Jejich aktivita je při rozkladu persistentních PAH`s zanedbatelná. V tomto případě jsou pouze houby bílé hniloby schopny rozkládat tyto perzistentní sloučeniny (in der Wiesche et al. 1998).

Vztah houby k půdní flóře

Zajímavý je vztah houby k půdní flóře jako takové a výměně energetických látek a živin. Podrobně je tato otázka diskutována (Martens.und Zadražil, 1992, 1998). Mimo jiné bylo dokázáno, že houby, které nejsou schopné samy pyren rozložit a půdu neprorůstají, mohou stimulovat půdní flóru a tím i rozklad PAH´s. Jak je vidět, antagonistické a synergetické vztahy mezi dřevokaznými houbami a půdními mikroorganismy byly prokázány.

Afinita PAH`s k různým půdám, případně k půdě znečišťujícím látkám (antracenový olej, uhlí, minerální oleje atd.) byla stanovena u Wolter et al., 1998. Jako výsledek jsou příklady poutání různých PAH´s na půdy, případně různé substráty. Výsledky budou znázorněny v následujícím obrázku. Závěrem k této otázce je možné shrnout, že chemická sorpce a desorpce nejsou vždy v přímém vztahu k biologické přístupnosti xenobiotik různými houbami.

Dřevokazné houby rozkládají nejenom lignin, ale i xenobiotika druhově-specificky. Tato charakteristika bude znázorněna na obrázku. Zde jsou vidět rozdíly mezi jednou houbou hnědé (Flammulina velutipes) a třemi houbami bíle hniloby (Pleurotus spp, Sporotrichum pulverulentum a Dichomitus squalens).

Flammulina velutipes není schopna oproti houbám bíle hniloby rozložit pyren až na oxid uhličitý. Zde je dále zajímavé, že velká část radioaktivity je pevně poutána na substrát, jako bounded residue. Tato frakce je u hub bíle hniloby poměrně nižší a velká část je mineralizována na 14C-CO2.. Další informace je možné najít v publikaci Wolter et al. 1998.

Koncentrace PAH`s

Koncentrace PAH´s a všeobecný stav znečištění půdy by mělo být rozhodující kritérium pro způsob a technologii sanování půdy. Jsou známa stanoviště, kde znečištěná půda obsahuje převážně organické, antropogenní sloučeniny. Takovéto půdy jsou každopádně nevhodné pro biologické sanování, protože doba rozkladu by byla příliš dlouhá a možnost využití těchto substrátů po biologické detoxikaci nejasná. Takovéto “půdy” jsou jen termicky sanovatelné, případně je nutné zabezpečit je na stanovišti proti dalšímu přenosu.

Biologicky sanovatelné jsou jen půdy, které obsahují nižší koncentrace xenobiotik. O této problematice neexistují ekonomické studie, které by jednotlivé technologie preferovali.

Shrnutí

Mezi dřevokaznými houbami, prorůstajícími z lignocelulóz do půdy, a půdní mikroflórou vznikají těžko definovatelné a jednoznačně popsatelné vztahy. Z houbového substrátu difundují do půdy organické sloučeniny vznikající při rozkladu lignocelulóz houbami.

Stejně tak jsou z houbového mycelia vylučovány do půdy enzymy, antibioticky účinné i rezervní látky (antibiotika, org. kyseliny, houbové polysacharidy atd.).Tyto sloučeniny mohou zvýšit aktivitu půdní flóry v hyfosféře a nebo v okolí houbových substrátů.

Přežití dřevokazných hub v půdě je oproti tomu závislé od konkurenční schopnosti houby vůči půdní flóře. Z tohoto hlediska můžeme rozlišit vysoce dominantní (Pleurotus spp. Stropharia rugosoannulata) a méně dominantní (Dichomitus squalens) druhy hub.

Živiny dřevokazných hub v půdě je možné koncentrovat na houbové substráty. Z tohoto důvodu je také možné selektivně ovlivnit proces rozkladu antropogenních látek v půdě. Houby prorůstají ze substrátu do okolní půdy a jsou schopny rozkládat půdu znečišťující sloučeniny.

Při nasazení dřevokazných hub v půdě a posuzovaní jejich rozkladné činnosti je třeba rozlišovat od schopností půdní flóry a dřevokazných hub. Z tohoto důvodu kontrolní varianta - bez houby- je při každém pokusu nutná.

Výhled pro možnosti orientace Českého výzkumu a nového průmyslového zaměřeni

Jak v této přednášce bylo znázorněno, je třeba mít velké množství teoretických vědomostí a praktických zkušeností pro sanování půd. V západní Evropě před cca. 5-10 lety byla tato problematika cílem mnoha vědeckých pracovišť i velkých průmyslových firem. Změny v ekonomii zpomalily tento vývoj, který v současné době je zaměřen převážně na základní výzkum. Zde se naskýtá možnost pro vypracování vlastního “know how” pro české výzkumné pracoviště a vývoz technologie v budoucnosti. Pro úspěch je nutná dobrá spolupráce průmyslových firem a vědeckých pracovišť.

Poděkování

V této publikaci jsou shrnuty výsledky práce v autorově laboratoři a laboratoři Dr. Martense. Jak je z citovaných publikací vidět, na těchto výsledcích se podíleli Dr. Elke Lang, Dipl. Chem. Martin Wolter, Dipl. Biol. Carsten in der Wiesche, Karri Stefan, Gundula Eller, und Ilona Kleeberg. Za technickou asistenci děkujeme Frau Kerstin Höpker, Andrea Kremling und Thi Phuong-Tuong Nguen, und Annete Krüger. Tato práce byla podpořena Ministerstvem pro vědu a výzkum, Ministerstvem Zemědělství a Lesnictví a Deutsche Forschungsgemeinschaft. Část výsledku vznikla ve spolupráci s Českou Akademií věd, pod vedením Dr. Neruda v rámci Česko-Německé spolupráce.

Literatura

Gabriel, J., Capelari, M., Rychlovsky, P., Krenzelok, M. and Zadražil, F. (1996b): Influence of cadmium on the growth of Agrocybe perfecta and two Pleurotus spp and translocation from polluted substrate and soil to fruitbodies. Toxicological and Environmental Chemistry, Vol.56, 141-146.

Lang, E., Eller, G. and Zadražil, F. (1997): Lignocellulose Decomposition and Production of Ligninolytic Enzymes during Interaction of White Rot Fungi with Soil Microorganisms. Microbial Ecology 34: 1-10

Lang, E., Kleeberg, I. and Zadražil, F. (1997): Competition of Pleurotus sp. and Dichomitus squalens with soil microorganisms during lignocellulose decomposition. Bioresource Technology 60: 95-99

Lang, E., Nerud, F., Novotna, E., Zadražil, F. and Martens R.(1996): Production of Ligninolytic Exoenzymes and 14C- Pyrene Mireralization by Pleurotus sp. in Lignocellulose Substrate. Folia Microbiologica, 41(6), 489-493.

Martens, R., Wetzstein, H-G., Zadražil, F.,Capelari,M., Hoffmann, P., and Schmeer,N. (1996): Degradation of the Fluoroquinolone Enrofloxacin by Wood -Rotting Fungi. Applaied and Environmental Microbiology, Vol. 62, No.:11, 4206-4209.

Martens, R., Zadražil, F. (1998): Screening of white rot fungi for their ability to mineralize polycyclic aromatic hydrocarbons in soil. Folia Microbiologica, im Druck

Sack, U., Zadražil, F., Martens, R., Wolter, M., Fritsche, W. (1995): Pilze mineralisieren PAK: Screeningmethoden zum Auffinden abbauaktiver Stämme. Terra Tech, 5, 61 - 63.

Wolter, M., Zadražil, F., Martens, R., Bahadir, M. (1998): Degradation of eight high condensed EPA-PAHs by Pleurotus Florida in solid wheat straw substrate. Applied Microbiology and Biotechnology, im Druck

Wolter, M., Zadražil, F., Martens, R., Bahadir, M. (1998): PAH-degradation by white-rot fungi. In: Rosen, Tel-Or, Hadar, Chen (Eds.) Modern Agriculture and the Environment. Kluwer Academic Publisher, im Druck

Zadražil, F. (1992): Mobilität von Schwermetallen im Ökosystem. Der Champingnon, 368, 128-132.

Zadražil, F. (1992): Stoffliche Grundlagen für die Bodensanierung mit Komposten. Haus der Technik, 11. 05. 1992.

Zadražil, F. (1996): Mobilisierung von Schwermetallen aus Komposten durch mikrobielle ktivität, Haus der Technik, F-40-219-0092-6, Essen. in der Wiesche, C., Martens, R. and Zadražil, F. (1996): Two-step degradation of pyrene by white-rot fungi and soil microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology 46: 653-659

Résumé :

Decomposition of Polyaromatic Hydrocarbons by Wood Fungi in Soil.

Hardly defined and unambiguously describable relationships among the soil microflora and the wood fungi, which grow through from lignocelluloses into the soil, are created. Organic substances, which are created during the lignocellulose decomposition by fungi, diffuse into the soil from fungi substrate.

Enzymes, antibiotically active and reserve substances (antibiotics, organic acids, fungi polysacharides and so on) are secreted from fungi mycelium into the soil at that time. These substances can increase the activity of soil flora in hyphosphere or in the environs of fungi substrate.

The nutrients of wood fungi can be concentrated in the soil into the fungi substrates. For this reason, there is also possible the selective control of the decomposition process of the these substances in soil. Fungi grown from the substrate into the soil environs and they are able to decompose the substances, which contaminate the soil.

There is also necessary to make a distinction between the soil flora and the wood fungi. As a consequence of this fact, a control variant is necessary in each experiment.