LIGNINBONTÓ BIOLÓGIAI RENDSZEREK

LIGNINBONTÓ BIOLÓGIAI RENDSZEREK

Dr. Barta Zsolt

22-08-20

A lignin

• A lignin aromás polimer, mely fenil-propán egységekből épül föl igen változatos módon

• A hemicellulóz frakcióhoz kovalensen kötődik, míg a cellulóz rostokat hálóként veszi körül

• Három lignintípust különböztetünk meg: a p-hidroxibenzil (H), a gvajakil (G) és a sziringil lignint (S)

• A puhafák gvajakil lignint (G)

a keményfák gvajakil és sziringil lignint (GS)

a lágyszárúak p-hidroxibenzil, gvajakil és sziringil lignint (HGS) tartalmaznak

p-kumaril-alkohol coniferil-alkohol szinapil-alkohol H lignin monomer G lignin monomer S lignin monomer

A fa rothadása

• Fehér, barna, vagy lágy rothadás

– Fehér rothadásnál a lignin degradálódik

– Barna rothadásnál a poliszacharid frakció bomlik le, a lignin csak módosul

– Lágy rothadásnál minden frakció degradálódik, a folyamat sebessége azonban elmarad az előzőekétől

• általában nedves környezetben

• avar bomlása

• Fehér rothadást okozó gombák

– Náluk hatékonyabb ligninbontó organizmust nem ismerünk – Bazídiumos gombák (Basidiomycotina) és tömlős gombák

(Ascomycotina)

– Az első csoport a keményfákat és a puhafákat is képes támadni, ellenben a második jellemzően csak a keményfákat

– Szelektívek (csak a ligint bontják):

Phanerochaete chrysosporium és a Phlebia radiata

Ligninbontó enzimek

• A legfontosabb ligninbontó enzimek:

– a lignin-peroxidázok (LiP), a mangán-peroxidázok (MnP) és a lakkázok

• egyéb enzimek:

– cellobióz-kinon-oxidoreduktázok (CBQ), a cellobióz-dehidrogenázok (CDH), a glioxalát-oxidázok (GlOx), a glükóz-oxidázok, a veratril- alkohol-oxidázok (VAO) és néhány észteráz

• Fehér rothadást okozó gombák:

– LiP/MnP: hatékony ligninbontók

szintetikus ligninből (DHP - modellszubsztrát) CO₂-ot szabadítanak föl Phanerochaete chrysosporium, Phlebia radiata

– MnP/lakkáz: szelektív ligninbontó gombák Mérsékelt DHP bontás jellemző

Dichomitus squalens, Rigidoporus lignosus – LiP/lakkáz: gyenge DHP bontók

Phlebia ochraceofulva és a Junghuhnia separabilima

Enzimek és mediátorok

• Megfigyelés:

– Tisztított enzimek nem képesek ligninmentesítésre – Tisztított enzim + enzimet nem termelő sejt igen – Feltárt gombasejtek igen

• A lignolitikus rendszer megfelelő működéséhez egyéb aktív vegyületre is szükség van (MEDIÁTOROK)

• Kis molekulatömegű vegyületek, melyek szükségesek az oxidatív enzimek mellett

• Számuk máig ismeretlen

A lakkáz aktív centruma és reakciómechanizmusa

A mediátor molekula hidroxibenzotriazol (HBT) vagy annak származéka, mely a ma ismert leghatékonyabb mediátorok egyike

HBT

A lakkáz enzim

• Előfordulás:

– Magasabb rendű növények

– Gombák (még a Phanerochaete chrysosporium is)

– Baktériumokban csak lakkázszerű fenol-oxidáz aktivitás

• Szubsztrátok: szerkezet és redoxpot. a meghatározó

o- és p-difenolok, aminofenolok, polifenolok, poliaminok, aril-diaminok, a lignin és néhány szervetlen ion

• Kofaktor: O

(ipari folyamatban kellő mennyiségben)

• Termékinhibíciót nem írnak le vele kapcsolatban

• Anionok (azidok, cianidok, tiocianidok, fluoridok) inhibeálják Reverzibilis inhibíció: a rezet komplexbe vivő vegyületek

lakkáz

2 2

4 DH + O  4D +2H O

Papíripari alkalmazás Lignozym®-technológia

• I. generáció

– Lignolitikus enzimek + fenolos és nem fenolos komponensek + redukáló/oxidáló vegyületek (redoxpot. 200-500 mV)

– Komplex, sok komponensű redox rendszer

• II. módosított

– Lignolitikus enzimek + fenolos és nem fenolos komponensek + redukáló/oxidáló vegyületek + kelátképzők (EDTA, DTPA, NTA) – Komplex, sok komponensű redox kaszkád

• III. Lignozym®

– Lakkáz + egy komponens (N–OH–, N–oxid–, oxim– vagy hidroxámsav tartalmú vegyületek)

– Egyszerű rendszer

Lignozym®-technológia kísérleti fehérítőüzem

• Lakkázos (L) – extrakciós (E) – kelátos (Q) – peroxidos (P) szakaszok

• L-szakasz:

45 °C, pH 4,5, 120 min

Enzim (lakkáz), mediátor (HBT), O2 adagolás

• 4*10⁷ IU/tonna pép enzimdózis és 13 kg/tonna pép mediátordózis mellett 50-60%- os ligninmentesítés érhető el

L E Q P

A lignin-peroxidáz és mangán-peroxidáz elsősorban szennyvíztisztítási szempontból

• Lignin-peroxidáz

– ellenálló aromás komponenseket, policiklikus aromás vegyületeket degradál

– szerepet kaphat a szennyvíztisztításban és talajok bioremediációjában

• Mangán-peroxidáz

– katalizálja monoaromás fenolok és aromás festékek oxidációját, azonban működéséhez nagy koncentrációban igényel mangán ionokat, így szennyvíztisztításban való alkalmazhatósága kérdéses – 2 Mn(II) + 2 H⁺ + H2O2 2 Mn(III) + 2 H2O