Aerober co-metabolischer Abbau von Alkylbenzothiophenen und Methyldibenzothiophenen durch Pseudomonas-Reinkulturen

Die biologische Abbaubarkeit von organischen Schwefelverbindungen gewinnt aufgrund des okotoxikologischen Potentials dieser Substanzen und ihrer globalen Verbreitung durch den Einsatz fossiler Brennstoffe zunehmend an Bedeutung. Bisherige Untersuchungen zurn mikrobiellen Umsatz der Schwefelheterocyclen beziehen sich vorwiegend auf den Einsatz von Rohöl und den Modellschwefelverbindungen Benzothiophen und Dibenzothiophen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Metaboliten des aeroben mikrobiellen Abbaus von Alkylbenzothiophenen und Methyl-Dibenzothiophenen identifiziert und Erkenntnisse über die beteiligten Stoffwechselwege gewonnen werden. Zehn alkylierte Benzothiophene und vier Methyldibenzothiophen-Isomere wurden jeweils als Substrat fiir die drei Pseudornonas-Stämme BT1, W1 und F eingesetzt. Keine der Substanzen konnte als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle eingesetzt werden, eine Umsetzung aber erfolgte co-metabolisch in Gegenwart von 1-Methylnaphthalin oder Glucose als Wachstumssubstrat. Die Batchansatze wurden 2 - 14 Tage aerob bei 28°C inkubiert, anschließend angesauert und mit Dichlormethan extrahiert. Schwefelhaltige Abbauprodukte wurden mittels GC-MS und GC-FTIR analysiert und wenn rnoglich, durch den Vergleich mit Referenzsubstanzen identifiziert. Der Stamm BT1 setzte 4-Methylbenzothiophen, 5-Methylbenzothiophen und 6-Methylbenzothiophen zu den entsprechenden 2,3-Chinonen um. Sulfoxide waren die Hauptprodukte des co-metabolischen Abbaus von 2-Methylbenzothiophen, 2,3-Dimethylbenzothiophen, 2,7-Dimethylbenzothiophen und 3,7-Dimethylbenzothiophen. Aber auch Sulfone wurden als Abbauprodukte der letztgenannten Substanzen identifiziert. Der co-metabolische Umsatz von 7-Methylbenzothiophen und 7-Ethylbenzothiophen führte zu einer Vielfalt von Produkten, wobei unter den 7-Methylbenzothiophen-Metaboliten eindeutig das entsprechende 2,3-Chinon, Sulfoxid und Sulfon nachgewiesen werden konnte. Von den Abbauprodukten des 7-Ethylbenzothiophens konnten nur das entsprechende Sulfoxid und Sulfon identifiziert werden. Es scheint, daß die Alkylierung in Position sieben auch ausschlaggebend für die Bildung zahlreicher Produkte ist. Weitere Metaboliten des 7-Met.ljylbenzothiophens und 7-Ethylbenzothiophens wurden bisher noch nicht bestimmt. Der Abbau des 3,5-Dimethylbenzothiophens durch den Stamm BT1 führte zur Bildung von 5-Methylbenzothiophen-2,3-Chinon und lieB auf eine Abspaltung der Methylgruppe am Thiophenring mit anschließender Oxidation zum Chinon schlieBen. Als einziger Metabolit, der auf eine Ringspaltung des Benzothiophens zurückzuführen war, trat m-Tolylmethylsulfoxid auf, ein Abbauprodukt des 6-Methylbenzothiophens. Mit Ausnahme von 7-Methylbenzothiophen, 7-Ethylbenzothiophen und 3,5-Dimethylbenzothiophen zeigten die Ergebnisse aus Untersuchungen wit dem Stamm BT1, daß der co-metabolische Umsatz von Alkylbenzothiophenen, die eine Methylgruppe am Thiophenring tragen, zur Bildung von Sulfoxiden und Sulfonen fuhrte. Dagegen ergab der co-metabolische Abbau von Methylbenzothiophenen mit Substituenten am Benzolring vorwiegend die entsprechenden 2,3-Chinone. Untersuchungen mit dem Stamm W1 zeigten ebenfalls, daß die Umsetzung vonBenzothiophenen, die ausschließlich Substituenten am Benzolring aufwiesen, zur Bildung von 2,3-Chinonen führte. Sulfoxide und Sulfone als Metabolite traten beim Stamm W1 nur in Kulturen auf, die 3-Methylbenzothiophen, 2,3-Dimethylbenzothiophen oder 3,7-Dimethylbenzothiophen enthielten. Im Gegensatz zur Umsetzung der Methylbenzothiophene durch den Stamm BT1, in der die Substitution am Thiophenring zur Bildung von Sulfonen und Sulfoxiden führte, bildete das Isolat W1 hauptsächlich Hydroxymethyl-Benzothiophene und HydroxyMethylbenzothiophene als Abbauprodukte dieser Substanzen. Die Produkte konnten jedoch nicht eindeutig mit der GC-MS-Analytik nachgewiesen werden, da entsprechende Referenzsubsranzen fehlten. Die GC-MS-Daten gaben ebenfalls einen Hinweis auf das Vorkommen von Benzothiophen- und Methylbenzothiophen-Carbonsauren als Metaboliten. AIle drei Pseudomonas Stämme BT1, W1 und F, die in Experimenten zum co-metabolischen Umsatz von Methyldibenzothiophenen eingesetzt wurden, bauten Dibenzothiophen zu 3-Hydroxy-2-formyl-benzothiophen (HFBT) ab. Jeweils ein Methyl-HFBT und Methylbenzothiophen-2,3-Chinon konnten als Abbauprodukte der vier eingesetzten Methyldibenzothiophen-Isomere identifiziert werden. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, daß der nicht substituierte Ring bevorzugt oxidiert wird. Weitere Metaboliten, die gewöhnlich auftraten, waren Hydroxy-Methyldibenzothiophene, Dibenzothiophenmethanole und einige Methyldibenzothiophen-Sulfone. Keines der Produkte trat in entsprechenden sterilen Kontrollen auf. Der Umsatz der Schwefelheterocyclen war nicht auf die Induktion durch ein aromatisches Wachstumssubstrat angewiesen. Die Produktion der beschriebenen Metaboliten erfolgte auch wenn die Kulturen mit Glucose als Co-Substrat wuchsen

Aerober co-metabolischer Abbau von Alkylbenzothiophenen und Methyldibenzothiophenen durch Pseudomonas-Reinkulturen

Die biologische Abbaubarkeit von organischen Schwefelverbindungen gewinnt aufgrund des okotoxikologischen Potentials dieser Substanzen und ihrer globalen Verbreitung durch den Einsatz fossiler Brennstoffe zunehmend an Bedeutung. Bisherige Untersuchungen zurn mikrobiellen Umsatz der Schwefelheterocyclen beziehen sich vorwiegend auf den Einsatz von Rohöl und den Modellschwefelverbindungen Benzothiophen und Dibenzothiophen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Metaboliten des aeroben mikrobiellen Abbaus von Alkylbenzothiophenen und Methyl-Dibenzothiophenen identifiziert und Erkenntnisse über die beteiligten Stoffwechselwege gewonnen werden. Zehn alkylierte Benzothiophene und vier Methyldibenzothiophen-Isomere wurden jeweils als Substrat fiir die drei Pseudornonas-Stämme BT1, W1 und F eingesetzt. Keine der Substanzen konnte als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle eingesetzt werden, eine Umsetzung aber erfolgte co-metabolisch in Gegenwart von 1-Methylnaphthalin oder Glucose als Wachstumssubstrat. Die Batchansatze wurden 2 - 14 Tage aerob bei 28°C inkubiert, anschließend angesauert und mit Dichlormethan extrahiert. Schwefelhaltige Abbauprodukte wurden mittels GC-MS und GC-FTIR analysiert und wenn rnoglich, durch den Vergleich mit Referenzsubstanzen identifiziert. Der Stamm BT1 setzte 4-Methylbenzothiophen, 5-Methylbenzothiophen und 6-Methylbenzothiophen zu den entsprechenden 2,3-Chinonen um. Sulfoxide waren die Hauptprodukte des co-metabolischen Abbaus von 2-Methylbenzothiophen, 2,3-Dimethylbenzothiophen, 2,7-Dimethylbenzothiophen und 3,7-Dimethylbenzothiophen. Aber auch Sulfone wurden als Abbauprodukte der letztgenannten Substanzen identifiziert. Der co-metabolische Umsatz von 7-Methylbenzothiophen und 7-Ethylbenzothiophen führte zu einer Vielfalt von Produkten, wobei unter den 7-Methylbenzothiophen-Metaboliten eindeutig das entsprechende 2,3-Chinon, Sulfoxid und Sulfon nachgewiesen werden konnte. Von den Abbauprodukten des 7-Ethylbenzothiophens konnten nur das entsprechende Sulfoxid und Sulfon identifiziert werden. Es scheint, daß die Alkylierung in Position sieben auch ausschlaggebend für die Bildung zahlreicher Produkte ist. Weitere Metaboliten des 7-Met.ljylbenzothiophens und 7-Ethylbenzothiophens wurden bisher noch nicht bestimmt. Der Abbau des 3,5-Dimethylbenzothiophens durch den Stamm BT1 führte zur Bildung von 5-Methylbenzothiophen-2,3-Chinon und lieB auf eine Abspaltung der Methylgruppe am Thiophenring mit anschließender Oxidation zum Chinon schlieBen. Als einziger Metabolit, der auf eine Ringspaltung des Benzothiophens zurückzuführen war, trat m-Tolylmethylsulfoxid auf, ein Abbauprodukt des 6-Methylbenzothiophens. Mit Ausnahme von 7-Methylbenzothiophen, 7-Ethylbenzothiophen und 3,5-Dimethylbenzothiophen zeigten die Ergebnisse aus Untersuchungen wit dem Stamm BT1, daß der co-metabolische Umsatz von Alkylbenzothiophenen, die eine Methylgruppe am Thiophenring tragen, zur Bildung von Sulfoxiden und Sulfonen fuhrte. Dagegen ergab der co-metabolische Abbau von Methylbenzothiophenen mit Substituenten am Benzolring vorwiegend die entsprechenden 2,3-Chinone. Untersuchungen mit dem Stamm W1 zeigten ebenfalls, daß die Umsetzung vonBenzothiophenen, die ausschließlich Substituenten am Benzolring aufwiesen, zur Bildung von 2,3-Chinonen führte. Sulfoxide und Sulfone als Metabolite traten beim Stamm W1 nur in Kulturen auf, die 3-Methylbenzothiophen, 2,3-Dimethylbenzothiophen oder 3,7-Dimethylbenzothiophen enthielten. Im Gegensatz zur Umsetzung der Methylbenzothiophene durch den Stamm BT1, in der die Substitution am Thiophenring zur Bildung von Sulfonen und Sulfoxiden führte, bildete das Isolat W1 hauptsächlich Hydroxymethyl-Benzothiophene und HydroxyMethylbenzothiophene als Abbauprodukte dieser Substanzen. Die Produkte konnten jedoch nicht eindeutig mit der GC-MS-Analytik nachgewiesen werden, da entsprechende Referenzsubsranzen fehlten. Die GC-MS-Daten gaben ebenfalls einen Hinweis auf das Vorkommen von Benzothiophen- und Methylbenzothiophen-Carbonsauren als Metaboliten. AIle drei Pseudomonas Stämme BT1, W1 und F, die in Experimenten zum co-metabolischen Umsatz von Methyldibenzothiophenen eingesetzt wurden, bauten Dibenzothiophen zu 3-Hydroxy-2-formyl-benzothiophen (HFBT) ab. Jeweils ein Methyl-HFBT und Methylbenzothiophen-2,3-Chinon konnten als Abbauprodukte der vier eingesetzten Methyldibenzothiophen-Isomere identifiziert werden. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, daß der nicht substituierte Ring bevorzugt oxidiert wird. Weitere Metaboliten, die gewöhnlich auftraten, waren Hydroxy-Methyldibenzothiophene, Dibenzothiophenmethanole und einige Methyldibenzothiophen-Sulfone. Keines der Produkte trat in entsprechenden sterilen Kontrollen auf. Der Umsatz der Schwefelheterocyclen war nicht auf die Induktion durch ein aromatisches Wachstumssubstrat angewiesen. Die Produktion der beschriebenen Metaboliten erfolgte auch wenn die Kulturen mit Glucose als Co-Substrat wuchsen

Planktonic-Cell Yield of a Pseudomonad Biofilm

Biofilm cells differ phenotypically from their free-floating counterparts. Differential growth rates in biofilms are often referred to, particularly in response to limited diffusion of oxygen and nutrients. We observed growth rates of attached Pseudomonas sp. strain CT07 cells that were notably higher than the maximum specific growth rate measured in batch culture. Despite dilution rates in continuous flow cells that exceeded the maximum planktonic specific growth rate by 58 times, sampling of the effluent revealed >10(9) cells ml(−1), suggesting that biofilms function as a source of planktonic cells through high cell yield and detachment. Further investigation demonstrated considerable planktonic cell yield from biofilms as young as 6 h, indicating that detachment is not limited to established biofilms. These biofilm-detached cells were more sensitive to a commercial biocide than associated biofilm- and chemostat-cultivated populations, implying that detached biofilm cells exhibit a character that is distinct from that of attached and planktonic cell populations