Μελέτη της βιοαποικοδόμησης φαινολικών ενώσεων από μικροοργανισμούς
Authors: Νάζος Θεοχάρης 
Published: September 2021

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η αποικοδόμηση φαινολικών ενώσεων από δύο φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε το μικροφύκος Chlamydomonas reinhardtii που αποτελεί έναν οργανισμό μοντέλο και ένα μικροφύκος που απομονώθηκε από ένα επιβαρυμένο σημείο στον ποταμό Γιόφυρο στην πόλη του Ηρακλείου.Από τα αποτελέσματα της διατριβής αποδείχθηκε πως η αποικοδόμηση των φαινολικών ενώσεων, οι οποιές μελετήθηκαν, από το μικροφύκος Chlamydomonas reinhardtii είναι μία αυστηρά βιοενεργητική διαδικασία. Σε συνθήκες έλλειψης εναλλακτικής πηγής άνθρακα το μικροφύκος βρέθηκε να αποικοδομεί τη φαινόλη κυρίως για να εξασφαλίσει αποθέματα άνθρακα, ενώ ταυτόχρονα η βιοαποικοδόμηση υψηλών αρχικών συγκεντρώσεων φαινόλης φάνηκε να είναι μία αερόβια και φωτοελεγχόμενη διαδικασία. Το μικροφύκος χρησιμοποιεί το αερόβιο μονοπάτι αποικοδόμησης με την παραγωγή ενός ενδιαμέσου κατεχόλης. Το μικροφύκος μπόρεσε να αποικοδομήσει τη φαινόλη στο σκοτάδι μόνο όταν του παρασχέθηκε εξωγενώς το απαιτούμενο οξυγόνο. Η παρουσία εναλλακτικής πηγής άνθρακα επηρέασε σημαντικά τη διαδικασία αποικοδόμησης. Η παρουσία διοξειδίου του άνθρακα ως εναλλακτική πηγή σχεδόν εξαφάνισε την ικανότητα του μικροφύκους να αποικοδομήσει τη φαινόλη ενώ αντίθετα το οξικό οξύ διετέλεσε επικουρικό ρόλο ώστε το μικροφύκος να αποικοδομήσει τη φαινόλη όταν αυτή βρισκόταν σε υψηλές συγκεντρώσεις οδηγώντας ταυτόχρονα σε αύξηση της βιομάζας και στη μείωση των επιπτώσεων της ουσίας στο φωτοσυνθετικό μηχανισμό. Η αναστολή στην ανάπτυξη που προκλήθηκε από τη φαινόλη έδειξε πως η φαινόλη ωθεί το μεταβολισμό του μικροφύκους Chlamydomonas σε κατάσταση συντηρησης. Από τα αποτελέσματα αποδείχθηκε ότι το καθοριστικό βήμα στην αποικοδόμηση της φαινόλης είναι η διάσπαση του ενδιαμέσου της κατεχόλης. Το μικροφύκος Chlamydomonas φάνηκε ικανό να αποικοδομήσει μερικώς και μονοϋποκατεστημένες μεθυλοφαινόλες. Η σχετική θέση των υποκαταστατών στον αρωματικό δακτύλιο σε συνδυασμό με την παροχή ή όχι εναλλακτικής πηγής άνθρακα καθόρισαν το ποσοστό της αποικοδόμησης. Τα ορθο και μετα ισομερή επέδειξαν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στην αποικοδόμηση σε σχέση με το αντίστοιχο παρα ισομερές και σε αυτή την περίπτωση αποδείχθηκε για άλλη μία φορά η σημασία της παρουσίας οξικού οξέος ως εναλλακτική πηγή άνθρακα στο μέσο καλλιέργειας. Οι μελέτες αποικοδόμησης της φαινόλης από ακινητοποιημένα κύτταρα Chlamydomonas reinhardtii σε σφαιρίδια αλγινικού ασβεστίου έδειξαν ότι τα ακινητοποιημένα κύτταρα είναι σε θέση να αποικοδομήσουν τη φαινόλη εξίσου ή περισσότερο αποτελεσματικά στις περισσότερες περιπτώσεις σε σχέση με τα ελεύθερα κύτταρα. Από τις μετρήσεις της μέγιστης φωτοσυνθετικής απόδοσης αποδείχθηκε πως η πολυμερική μήτρα προσέφερε προστασία στα κύτταρα από την επίδραση της φαινόλης. Τα κύτταρα παρέμειναν μεταβολικά ενεργά για ένα συνολικό διάστημα 15 ημερών, ενώ συνεισφορά στη διαδικασία αποικοδόμησης είχαν τα κύτταρα της εξωτερικής επιφάνειας των σφαιριδίων. Η απελευθέρωση των κυττάρων βρέθηκε να συσχετίζεται τόσο με την αρχική συγκέντρωση του αλγινικού, όσο και με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονταν τα ακινητοποιημένα κύτταρα.Στο τρίτο και τελευταίο μέρος μελετήθηκε ένα φωτοσυνθετικό μικροφύκος που απομονώθηκε από τον ποταμό Γιόφυρο. Το μικροφύκος αυτό φέρει μια εξωκυττάρια μήτρα που περιβάλλει το κυτταρικό τοίχωμα, η οποία λειτουργεί ως φυσικός φραγμός και το προστατεύει από μία σειρά χημικών αναστολέων που μελετήθηκαν όπως τα αντιβιοτικά και η DCMU. Το μικροφύκος εμφάνισε την ικανότητα να αναπτυχθεί σε αυτούς τους αναστολείς και ταυτόχρονα να κρατήσει ενεργή τη λειτουργία του φωτοσυνθετικού μηχανισμού του, συγκριτικά με το μικροφύκος Chlamydomonas reinhardtii το οποίο δεν είχε αυτή τη δυνατότητα. Όσο αφορά τη μελέτη απομάκρυνσης της φαινόλης, φάνηκε πως η ουσία δεν είχε ισχυρή επίδραση στο μικροφύκος από τον ποταμό Γιόφυρο εξαιτίας της προστασίας που του παρέχει η εξωκυττάρια μήτρα. Το μικροφύκος εμφάνισε ικανότητα αποικοδόμησης της φαινόλης μόνο απουσία εναλλακτικής πηγής άνθρακα από το μέσο καλλιέργειας. Βασικό συμπέρασμα της παρούσας διατριβής είναι πως η αποικοδόμηση των φαινολικών ενώσεων από τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς είναι μία βιοενεργητική διαδικασία που εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες καλλιέργειας και τα χαρακτηριστικά του εκάστοτε οργανισμού. Οι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί λειτουργούν ως «καλοκουρδισμένες βιοενεργητικές μηχανές» που διαχειρίζονται με το βέλτιστο τρόπο τα παρεχόμενα αποθέματα ενέργειας και βρίσκουν το κατάλληλο ισοζύγιο ανάμεσα στην ανάπτυξη, το στρες και τη βιοαποικοδόμηση των ξενοβιοτικών ουσιών.