Haben Sie sich schon einmal umgesehen und auf die bunten Produkte geachtet, die Sie kaufen, wie Kleidung, Kosmetika und Lebensmittel? Wenn Sie sich fragen, woher all diese Farben kommen, dann möchten Sie vielleicht mehr über Azofarbstoffe wissen.

Farbstoffe und ihre Auswirkungen auf die Umwelt

Azofarbstoffe sind zu wichtigen Ausgangsstoffen verschiedener Industriezweige geworden [1,2]. Sie ermöglichen es den Verbrauchern unter verschiedenen Farben eines gewünschten Produktes zu wählen. Ob Sie nun gelb, schwarz oder rot bevorzugen, diese Gruppe von Farbstoffen kann jede dieser Farben realisieren. Jedoch können Azofarbstoffe erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt haben [3]. Schon winzige Mengen führen mitunter zu visueller Umweltverschmutzung [4]. Ferner beeinträchtigen sie die biologische Aktivität in der aquatischen Umwelt, wenn sie den Gehalt an Sauerstoff verringern, den Wassertiere und -pflanzen zum Überleben benötigen [5]. Darüber hinaus sind einige Farbstoffe in hohen Konzentrationen krebserregend [6]. Obwohl nicht alle Azofarbstoffe schädlich sind, müssen eine sorgfältige Prüfung und Beurteilung erfolgen, bevor sie für verschiedene Produkte verwendet werden können.

Verschiedene Problemlösungen, u.a. physikalische und chemische Verfahren, sind vorgeschlagen worden, um diese Farbstoffe aus der Umwelt zu entfernen oder abzubauen [7]. Bei den physikalischen Verfahren kommen Techniken wie Adsorption, Filtration und Umkehrosmose [8] und verschiedene Materialien wie Holzkohle und Filter zum Einsatz. Bei den chemischen Verfahren setzt man Chemikalien ein, um die Farbstoffe abzubauen [8]. Beide Ansätze haben mehrere Nachteile. Zum einen können die notwendigen Investitionen in die benötigten Materialien und Anlagen für den Prozess in industriellem Maßstab ein Hindernis sein. Zum anderen würde die Verwendung von Materialien wie Holzkohle und Filtern zu neuen Umweltproblemen führen, wie der Abfallentsorgung. Ferner sind einige Farbstoffe gegen chemische Verfahren resistent, d.h. die Chemikalie zeigt keine Wirkung, und es können toxische Zwischenprodukte entstehen, die das Umweltproblem sogar noch verschlimmern würden. Da physikalische und chemische Verfahren erhebliche Nachteile aufweisen [9], muss nach einer umweltfreundlicheren Alternative gesucht werden.

Mikroben als Retter in der Not

Mikroorganismen leben überall. Diese winzigen Organismen können sich leicht an veränderte Bedingungen ihrer natürlichen Umgebung anpassen. Einige haben sich so entwickelt, dass sie Enzyme oder Stoffwechselprodukte herstellen, die medizinische Verwendung finden, z.B. als Antibiotika, oder für die Herstellung von Lebensmitteln nützlich sind, z.B. Probiotika. Dies veranschaulicht, welche Bedeutung Mikroorganismen heutzutage für unser tägliches Leben haben und veranlasst die Wissenschaft dazu, mehr über die Fähigkeiten der Mikroorganismen herauszubekommen. So ist der Einsatz von Mikroben zum Abbau von Umweltschadstoffen wie Kohlenwasserstoffen oder Schwermetallen in mehreren Studien dokumentiert worden [10,11]. Dieser spezielle Bereich der Umweltwissenschaften wird als Bioremediation bezeichnet.

Die Bioremediation erforscht die Fähigkeit von Mikroorganismen, Schadstoffe wie Azofarbstoffe in weniger schädliche Verbindungen umzuwandeln oder abzubauen [12]. Verschiedene Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Algen werden ausgiebig untersucht, um Azofarbstoffe zu entfärben und abzubauen. Hier hat die Bioremediation mehrere Vorteile gegenüber den verfügbaren physikalischen und chemischen Verfahren, z.B. hinsichtlich Umweltfreundlichkeit, Kosteneffizienz, der Menge des anfallenden Schlamms sowie giftiger oder ungiftiger Nebenprodukte [13,14]. Zweifelsohne ist die Bioremediation die umweltfreundlichere Option zur Bekämpfung des Problems.

full-screen

Abb. 1 Wachstum von Arthrobacter sp. in einem Kulturmedium, dem (A) Brillantschwarz und (B) Methylrot zugesetzt wurde, um mögliche farbstoffabbauende Organismen aus dem Boden zu untersuchen.

Die Fähigkeit von Mikroben, Azofarbstoffe zu entfärben (Abb. 1), ist ein komplexer Mechanismus, der von Organismus zu Organismus variieren kann. Jeder Organismus hat seine eigene Art und Weise, dies zu tun. Hefen wie Saccharomyces cerevisiae und Candida albicans wurden hauptsächlich auf ihre Biosorptionseigenschaften hin untersucht [8,15,16]. Bei diesem Mechanismus reichern sich die Farbstoffe in der Zellwand an und wirken als Adsorptionsmittel. Filamentöse Pilze wie Phanerochaete chrysosporium und Trametes versicolor haben intra- und extrazelluläre Enzyme, die verschiedene Verbindungen einschließlich komplexer Farbstoffe abbauen können [17,18,19]. Bakterien hingegen können die Azofarbstoffe adsorbieren oder Enzyme wie Azoreduktasen oder Farbstoffperoxidasen produzieren, die diese verstoffwechseln können. Einige Mikroorganismen kombinieren die beiden Mechanismen sogar [20].

Enzyme in Aktion

Enzyme sind zum Abbau der verschiedenen Arten gefährlicher Azo-Abfälle höchst effektiv. Mikroben stellen mehrere solcher Enzyme her, zum Beispiel Laccasen, Peroxidasen und Azoreduktasen [21].

full-screen

Abb. 2 Vom Screening zum Einsatz – die Suche nach farbstoffabbauenden Organismen und die Untersuchung ihrer Enzymaktivität. (A) Potenziell farbstoffabbauende Mikroorganismen werden häufig auf Nährböden wie Agarplatten oder in flüssigen Medien kultiviert, die den abzubauenden Farbstoff enthalten (B) Reinigung von farbstoffabbauenden Enzymen wie dieser Azoreduktase durch Chromatographie, wobei die gelbe Farbe auf einen Flavin-Cofaktor hinweist (C) Mechanismus von Azoreduktasen gegen den Azofarbstoff Methylrot

Laccasen sind Enzyme aus der Proteinfamilie der Multi-Kupfer-Oxidasen [21]. Sie sind für den Einsatz in der Bioremediation attraktiv, da sie verschiedene Schadstoffe wie Azofarbstoffe, Chinone, Aniline und Phenole abbauen [21, 22]. Diese Enzyme benötigen keine zusätzlichen Cofaktoren wie Vitamine. Die meisten bekannten Laccasen sind pilzlichen oder pflanzlichen Ursprungs [23].

Dagegen sind Peroxidasen hämhaltige Enzyme, die Wasserstoffperoxid zur Katalyse von Substratumwandlungen benötigen [21]. Diese Enzyme sind in fast allen Organismen vorhanden. Einige bekannte Peroxidasen, die am Farbstoffabbau beteiligt sind, sind Chlorperoxidasen [24], Manganperoxidasen [25] und Peroxidasen vom DyP-Typ [26].

Azoreduktasen hingegen sind farbstoffabbauende Enzyme, die die in Azofarbstoffen vorhandene Azobindung (-N=N-) spalten können (Abb. 2) [27]. Sie sind in Bakterien und Pilzen weit verbreitet. Es gibt zwei Gruppen: Flavin-abhängige [28] und Flavin-unabhängige [29] Azoreduktasen. Sie benötigen ebenfalls das Co-Substrat NAD(P)H und sind vielleicht die am besten charakterisierten Enzyme unter denjenigen, die für die Entwicklung einer biobasierten Abwasserbehandlung zur Verstoffwechselung von Azofarbstoffen herangezogen werden [30].

Mikroben weisen den Weg in die Zukunft

Die industrielle Revolution hat unseren Alltag sicherlich einfacher gemacht. Dies hatte jedoch erhebliche Auswirkungen auf unsere natürliche Umwelt. So sind wir mit einer Reihe von Herausforderungen im Zusammenhang mit gefährlichen Industrieabfällen wie farbstoffbelasteten Abwässern konfrontiert und es ist geboten, umweltfreundliche Alternativen oder Lösungen zur Bekämpfung dieser Probleme zu finden. Zweifellos kann die Erforschung von Mikroben, die in der Lage sind, Farbstoffe in Abwässern abzubauen, für die Menschen und die Umwelt von Nutzen sein. Wir müssen Wege oder Methoden finden, um dieses Potenzial zum Abbau von Farbstoffen, und auch anderen Gefahrstoffen, zu nutzen. Bioremediation bietet eine der vielversprechendsten Lösungen für die zunehmende Umweltbedrohung und -verschmutzung.

________________________________________________________________________________________

Kategorie: Umweltbiotechnologie | Bioremediation

Literatur:
[1] Sudha M, Saranya A, Selvakumar G, Sivakumar N. Microbial degradation of azo dyes: a review. Int J Curr Microbiol Appl Sci. 2014;3(2):670-690.
[2] Gao Y, Li C, Shen J, Yin H, An X, Jin H. Effect of food azo dye tartrazine on learning and memory functions in mice and rats, and the possible mechanisms involved. J Food Sci. 2011;76(6):T125-T129. DOI: 10.1111/j.1750-3841.2011.02267.x
[3] Chung KT. Azo dyes and human health: a review. J Environ Sci Health C. 2016;34(4):233-261. DOI: 10.1080/10590501.2016.1236602
[4] Hanis KKA, Nasri ARM, Farahiyah WKW, Rabani MYM. Bacterial Degradation of Azo Dye Congo Red by Bacillus sp. J Phys: Conf Ser. 2020;1529(2):022048. IOP Publishing. DOI: 10.1088/1742-6596/1529/2/022048
[5] Hu TL, Wu SC. Assessment of the effect of azo dye RP2B on the growth of a nitrogen fixing cyanobacterium–Anabaena sp. Bioresour technol. 2001;77(1):93-95. DOI: 10.1016/s0960-8524(00)00124-3
[6] Chequer FMD, Lizier TM, de Felício R, Zanoni MVB., Debonsi, H. M., et al. The azo dye Disperse Red 13 and its oxidation and reduction products showed mutagenic potential.Toxicology in Vitro, 2015 Oct;29(7):1906-1915. DOI: 10.1016/j.tiv.2015.08.001
[7] Vikrant K, Giri BS, Raza N, Roy K, Kim KH et al. Recent advancements in bioremediation of dye: current status and challenges. Bioresour Technol. 2018;253:355-367. DOI: 10.1016/j.biortech.2018.01.029
[8] Saratale RG, Saratale GD, Chang JS, Govindwar SP. Bacterial decolorization and degradation of azo dyes: a review. J Taiwan Inst Chem Eng. 2011;42(1):138-157. DOI: 10.1016/j.jtice.2010.06.006
[9] Robinson T, McMullan G, Marchant R, Nigam, P. Remediation of dyes in textile effluent: a critical review on current treatment technologies with a proposed alternative. Bioresour technol. 2001;77(3):247-255. DOI: 10.1016/S0960-8524(00)00080-8
[10] Varjani, SJ. Microbial degradation of petroleum hydrocarbons. Bioresour technol. 2017;223:277-286. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.10.037
[11] Colin VL, Villegas LB, Abate CM. Indigenous microorganisms as potential bioremediators for environments contaminated with heavy metals. International Biodeterioration & Biodegradation. 2012;69: 28-37. DOI: 10.1016/j.ibiod.2011.12.001
[12] Vidali M. Bioremediation. an overview. Pure and applied chemistry. 2001;73(7):1163-1172. DOI: 10.1351/pac200173071163
[13] Azubuike CC, Chikere CB, Okpokwasili GC. Bioremediation techniques-classification based on site of application: principles, advantages, limitations and prospects. World J Microbiol Biotechnol. 2016;32(11):1-18. DOI: 10.1007/s11274-016-2137-x
[14] Shah MP. Chapter 6 - Bioremediation of Azo Dye. Eds: Shah MP, Rodriguez-Couto S. In Microbial wastewater treatment. Elsevier. 2019:103-126. DOI: 10.1016/B978-0-12-816809-7.00006-3
[15] Jadhav JP, Parshetti GK, Kalme S, Govindwar SP. Decolourization of azo dye methyl red by Saccharomyces cerevisiae MTCC 463. Chemosphere. 2007;68(2):394-400. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2006.12.087
[16] Vitor V, Corso CR. Decolorization of textile dye by Candida albicans isolated from industrial effluents. J Ind Microbiol Biotechnol. 2008;35(11):1353-1357. DOI: 10.1007/s10295-008-0435-5
[17] Paszczynski A, Crawford RL. Degradation of azo compounds by ligninase from Phanerochaete chrysosporium: involvement of veratryl alcohol. Biochem Biophys Res Commun. 1991;178(3):1056-1063. DOI: 10.1016/0006-291x(91)90999-n
[18] Yu G, Wen, Li R, Qian Y. In vitro degradation of a reactive azo dye by crude ligninolytic enzymes from nonimmersed liquid culture of Phanerochaete chrysosporium. Process Biochemistry. 2006;41(9):1987-1993. DOI:10.1016/j.procbio.2006.04.008
[19] Heinfling A, Bergbauer M, Szewzyk U. Biodegradation of azo and phthalocyanine dyes by Trametes versicolor and Bjerkandera adusta. Applied Microbiology and Biotechnology. 1997;48(2):261-266. DOI: 10.1007/s002530051048
[20] Maas R, Chaudhari S. Adsorption and biological decolourization of azo dye Reactive Red 2 in semicontinuous anaerobic reactors. Process Biochem. 2005;40(2):699-705. DOI: 10.1016/j.procbio.2004.01.038
[21] Singh RL, Singh PK, Singh, RP. Enzymatic decolorization and degradation of azo dyes – A review. International Biodeterioration & Biodegradation. 2015;104:21-31. DOI: 10.1016/j.ibiod.2015.04.027
[22] Chivukula M, Renganathan V. Phenolic azo dye oxidation by laccase from Pyricularia oryzae. Applied and Environmental Microbiology. 1995;61(12):4374-4377. Chivukula M, Renganathan V. Phenolic azo dye oxidation by laccase from Pyricularia oryzae. Appl Environ Microbiol. 1995;61(12):4374-4377.
[23] Frasconi M, Favero G, Boer H, Koivula A, Mazzei F. Kinetic and biochemical properties of high and low redox potential laccases from fungal and plant origin. Biochim Biophys Acta. 2010;1804(4):899-908. DOI: 10.1016/j.bbapap.2009.12.018
[24] Li X, Zhang J, Jiang Y, Hu,M, Li S, Zhai Q. Highly efficient biodecolorization/degradation of Congo red and alizarin yellow R by chloroperoxidase from Caldariomyces fumago: catalytic mechanism and degradation pathway. Ind Eng Chem Res. 2013;52(38):13572-13579. DOI: 10.1021/ie4007563
[25] Harazono K, Watanabe Y, Nakamura K. Decolorization of azo dye by the white-rot basidiomycete Phanerochaete sordida and by its manganese peroxidase. J Biosci Bioeng. 2003;95(5):455-459. DOI: 10.1016/s1389-1723(03)80044-0
[26] Rajhans G, Sen SK, Barik A, Raut S. Elucidation of fungal dye‐decolourizing peroxidase (DyP) and ligninolytic enzyme activities in decolourization and mineralization of azo dyes. J Appl Microbiol. 2020;129(6):1633-1643. DOI: 10.1111/jam.14731
[27] Misal SA, Gawai, KR. Azoreductase: a key player of xenobiotic metabolism. Bioresour Bioprocess. 2018;5(17):1-9. DOI: 10.1186/s40643-018-0206-8
[28] Qi J, Schlömann M, Tischler D. Biochemical characterization of an azoreductase from Rhodococcus opacus 1CP possessing methyl red degradation ability. J Mol Catal B Enzym. 2016;130:9-17. DOI:10.1016/j.molcatb.2016.04.012
[29] Kumaran S, Ngo ACR, Schultes FPJ. Tischler, Draft genome sequence of Kocuria indica DP-K7, a methyl red degrading actinobacterium. 3 Biotech. 2020;10(4): 175. DOI: 10.1007/s13205-020-2136-3, Erratum in: 3 Biotech. 2021 Sep;11(9):417. DOI: 10.1007/s13205-021-02895-5
[30] Dong H, Guo T, Zhang W, Ying H, Wang P, Wang Y, Chen Y. Biochemical characterization of a novel azoreductase from Streptomyces sp.: Application in eco-friendly decolorization of azo dye wastewater. Int J Biol Macromol. 2019;140:1037-1046. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2019.08.196