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Biodegradation of organic pollutants by mono- and dioxygenation: Insights into rates and mechanisms from isotope effects of oxygen activation and substrate oxygenation

Titel Englisch Biodegradation of organic pollutants by mono- and dioxygenation: Insights into rates and mechanisms from isotope effects of oxygen activation and substrate oxygenation
Gesuchsteller/in Hofstetter Thomas
Nummer 172950
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Umweltchemie Eawag
Hochschule Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz - EAWAG
Hauptdisziplin Andere Gebiete der Umweltwissenschaften
Beginn/Ende 01.03.2018 - 28.02.2022
Bewilligter Betrag 700'000.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Andere Gebiete der Umweltwissenschaften
Biochemie

Keywords (10)

Compound-specific isotope analysis; naphthalene; kinetic isotope effect; Rieske non-heme iron oxygenase; soil and water contamination; oxygenation; flavin-dependent monooxygenase; organic pollutants; biodegradation; nitrobenzene

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Oxidationen gehören zu den wichtigsten Reaktionen beim biologischen Abbau von organischen Schadstoffen. Weil diese Prozesse in kontaminierten Böden, Sedimenten und Gewässsern nur langsam über Zeiträume von Jahren und Jahrzehnten ablaufen, können sie nicht mittels Konzentrationsmessungen quantifiziert werden. Eine vielversprechende Alternative bieten die Isotopenanalyse, mit welcher sich Abbaureaktionen anhand von veränderten Isotopenverhältnissen der Schadstoffe unabhängig vom Beobachtungszeitraum nachweisen lassen.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Wir untersuchen die Enzymkinetik und Reaktionsmechanismen der Oxidation von aromatischen Schadstoffen durch wichtige Mono- und Dioxygenasen. Diese Enzymklassen kommen in vielen Mikroorganismen vor und ermöglichen diesen, persistente chemische Verbindungen zu Produkten umzusetzen, welche in weiteren metabolischen Prozessen zur Biosynthese und Energiegewinnung genutzt werden können. Mit ausgewählten Modellsubstanzen für Schadstoffe wie Treibstoffe, Lösungsmittel und Sprengstoffe untersuchen wir wie die enzymatische Oxidationen deren Isotopenzusammensetzung verändern. Entscheidend für solche Isotopeneffekte ist dabei, wie Oxygenasen molekularen Sauerstoff, O2, aktivieren und wie effizient die reaktiven Sauerstoffspezies in die Schadstoffe eingebaut werden.
Während ein effizienter Einbau von Sauerstoff den Schadstoffabbau beg\"unstigt, können ``fehlgeleitete'', reaktiven Sauerstoffspezies Enzyme deaktivieren und überlebenswichtige Funktionen der Zelle nachhaltig stören.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Aus unseren Untersuchungen werden wir grundlegende Erkenntnisse über die Isotopeneffekte in enzymatischen Reaktionen gewinnen. Dieses Wissen ermöglicht die Interpretation der Isotopenverhältnisse von Schadstoffe in der Umwelt und trägt dazu bei, die Dynamik von natürlichen Abbauprozessen richtig zu quantifizieren.
 

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 03.10.2017

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Projektpartner

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
140545 Tracking Water Disinfection By-Product Formation by Multi-Element Isotope Fractionation Analysis 01.08.2012 Projektförderung (Abt. I-III)
153534 Tracking biotransformation of hexachlorocyclohexane isomers by compound specific isotope analysis 01.07.2014 Projektförderung (Abt. I-III)
141805 Assessment of micropollutant degradation using multi-element compound-specific isotope analysis 01.07.2013 Sinergia
139111 Expanding Compound-Specific Isotope Analysis Towards Polar Organic Micropollutants and Chlorine Isotopes 01.09.2012 R'EQUIP

Abstract

Enzyme-catalyzed oxygenations are among the most important bio\-degradation and detoxification reactions of organic pollutants in contaminated soil and water. Because such processes typically take place over timescales of decades and lead to products that are difficult to detect, it is very challenging to quantify the extent of oxidative biodegradation. These issues can be circumvented with compound-specific isotope analysis (CSIA), where the extent of transformation is inferred from the isotope fractionation measured in the remaining pollutant and a priori knowledge of isotope effects pertinent to enzymatic oxygenations. However, the kinetics of such reactions may be governed by enzymatic activation of molecular O2. Little is known to date about the relative contributions of O2 activation to the rate of oxidative pollutant removal from a contaminated environment and its implications for the assessment of biodegradation with CSIA.We propose to examine the rates and mechanisms of mono- and dioxygenation of organic pollutants by two important classes of enzymes that catalyze the initial steps of biodegradation and apply different strategies for the activation of molecular O2, namely Rieske non-heme iron dioxygenases and flavin-dependent monooxygenases. Our goal is (1) to understand the kinetics and mechanisms of pollutant oxygenations in the context of enzymatic O2 activation and (2) to elucidate the substrate and enzyme specificity of the observable pollutant isotope fractionation and the corresponding kinetic isotope effects. We hypothesize that in Rieske non-heme iron dioxygenases, the contributions of O2 activation to the rate and isotope fractionation of pollutant oxygenation will correlate with the efficiency of dioxygenation vs. uncoupling. Native substrates are oxygenated most efficiently and with the smallest substrate isotope fractionation due to optimized strategies to avoid the formation of reactive oxygen species that could potentially damage enzymes and other cellular components. The catalytic cycles of flavin-dependent monooxygenases, on the other hand, can be distinguished by the formation of flavin (hydro)peroxides before or after substrate binding but only in the first case does one observe pollutant isotope fractionation.Our approach is based on the analysis of the kinetics and stable isotope fractionation of a series of structurally related substrates, their oxygenation products, and dissolved O2 in laboratory model systems ranging from pure cultures of pollutant degrading microorganisms to purified enzyme systems as well as through computational enzymology using density functional theory models. Kinetic isotope effects of substrate dioxygenation and O2 activation will reveal rate-limiting steps of the enzymatic cycle, the mechanism of pollutant oxygenation, and the nature of the reactive oxygen species. This project involves the work of 2 PhD students and one postdoctoral fellow in national and international collaborations. The outcome of this project is directly relevant for the assessment of rates of pollutant oxygenation as well as for practical applications of CSIA at contaminated sites.
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