Der Abbau von Fluorbenzol und seinen Homologen durch Burkholderia fungorum FLU 100

Abstract

Der Stamm Burkholderia fungorum FLU 100 besitzt die unter den Bakterien äußerst selten zu findende Eigenschaft, Fluorbenzol als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen zu können. Außerdem kann der Stamm auch die anderen Monohalogenbenzole sowie Benzol und Toluol - als Reinstoff oder in beliebigen Mischungen - vollständig produktiv verwerten. In dieser Arbeit wurden ein Teil des Abbauweges sowie die Einsatzmöglichkeiten des Stammes im Rahmen der biologischen Abluftreinigung erforscht. Der Stamm FLU 100 kann mit Halogenatomen oder Alkylgruppen di- und höher substituierte Benzole nicht abbauen. 3-Fluorphenol ist hingegen abbaubar, jedoch wird hierzu, abweichend vom Fluorbenzolabbauweg, mindestens ein weiteres Enzym, eine Phenoloxygenase exprimiert. Zur Aufklärung der Aromatenabbauwege wurde Burkholderia fungorum FLU 100 mittels einer Tn5 Variante (pCro2) mutiert. Die Untersuchung der gewonnenen Transposonmutanten lieferte zahlreiche Metabolite des oberen Abbauweges. Das initiale Dioxygenasesystem greift die angebotenen benzoiden Substrate stets in Orthoposition zum Substituenten an. Dadurch wird die Aromatizität aufgehoben, es werden in 3 Position substituierte Cyclohexa 3,5 dien 1,2 diole (Diendiole) gebildet, welche beim Abbau von Monohalogenaromaten das Halogenatom in 3 Position tragen. Diese Metabolite werden zu den entsprechenden, an der 3 Position substituierten Catecholen zyklisiert, welche wiederum zu 2 substituierten Muconaten oxidativ gespalten werden. Aus den Muconaten entstehen in einem weiterem Schritt Muconolactone. Die Catechol-1,2-dioxygenase weist dabei klassische Typ – II Kinetik auf. Der Stamm FLU 100 verfügt über eine bemerkenswert hohe Fluorid – Toleranz. Er stellt das Wachstum erst ab 200 mmol/L im Medium ein. Zwei Biotricklingfilter im Technikumsmaßstab wurden konstruiert und über anderthalb Jahre hinweg betrieben. Als Packungsmaterial kam Blähton zum Einsatz. Es zeigte sich, dass fluorbenzolbelastete Abluft mit einer geringen Eliminationskapazität von ca. 5 g/m3h abgereinigt werden konnte, der Wirkungsgrad lag dabei um die 50 %. Eine äquimolare Mischung aus Fluorbenzol und Chlorbenzol konnte mit einer Eliminationskapazität zwischen 6 und 10 g/m3h behandelt werden. Dabei lag der Wirkungsgrad bezüglich des Fluorbenzols bei ca. 50 %, der des Chlorbenzols bei ca. 90 %. In den Reaktorsümpfen sammelten sich Fluorwasserstoff und Chlorwasserstoff als saure Metabolite an. Diese konnten mit Natriumhydrogencarbonat neutralisiert werden. Weiße, kristalline Ablagerungen traten mit der Zeit in den Reaktorsümpfen auf. Diese enthielten entgegen den Erwartungen nur sehr wenig Calciumfluorid (Fluoranteil 5 %), sondern vor allem Calcium, Sauerstoff, Phosphor und Silizium.

The strain Burkholderia fungorum FLU 100 offers the very rare potential to utilize fluorobenzene as sole source of carbon and energy. In addition, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, toluene and benzene are mineralized, even in random mixing ratios. In this work this potential is explored with respect to application in waste air purification. The work consists of two major parts, first, the investigation of the biochemical degradation pathway of the fluorobenzene degrading bacterium FLU 100, second, construction, operation and application of a biotrickling filter system. The degradation by FLU 100 is characterized by the fact that it - after a change of the substrate (or mixture type) - proceeds without a lag phase. FLU 100 mineralizes mono-halogen benzenes almost stoichiometrically, the conversion of toluene is more complex, in dependence of the pH, metabolites may appear. FLU 100 attacs higher halogenated or alkylated aromatic compounds, but they are not degraded and dead-end metabolites appear. Transposon mutants of FLU 100 revealed that these substrates are degraded via an initial dioxygenation in direct vicinity of the substituent, yielding a 3 substituted cyclohexa 3,5 diene 1,2-diol ("dienediole"). This metabolite is then dehydrogenated resulting in a 3 substituted catechol, which is then cleaved by a catechol 1,2 dioxygenase to 2 halo- or 2 methylmuconate. A catechol 2,3 cleaving (metypyrocatechase) activity was never observed in FLU 100. The kinetics of this enzyme matches that of the type II ortho cleavage enzymes. Strain FLU 100 is very resistant to free fluoride anions in the growth medium. It also degrades 3 fluorophenol and 3-chlorophenol completely, after induction of a phenol monooxygenase. Two biotrickling filters were constructed on a laboratory scale and operated over one and a half years. The packing consisted of expanded clay balls with diameters beyond 11 mm. One reactor was used to investigate the degradation efficiency for fluorobenzene. The efficiency was about 50 %. The elimination capacity was 5 g/m3h on average which is still low for economically productive biofiltration. The other biotrickling filter was used to clean an air stream, polluted with a mixture of chlorobenzene and fluorobenzene in the same quantity of material. This experiment yielded a degradation efficiency on average of 90 % for chlorobenzene and 50 % for fluorobenzene. The overall elimination capacity was between 6 and 10 g/m3h. In both reactors the mineral acids produced in the swamp by the biological were neutralized by sodium hydrogen carbonate. In the swamps of the reactors were some white crystallic residues that, in contrast to the expectations, contained only a small amount (5 %) of calcium fluoride but mainly calcium, oxygen, phosphorus and silicon from the medium and from the packing of the filters.