科学、技術、産業の進歩は、大量の下水や核廃棄物を生態系に放出し、人間が地球上で生き残るための深刻な問題を引き起こしています。廃棄物を処理する従来の方法は、廃棄物を埋めるために穴を掘ることです。この方法は、新しい埋め立て場所がないため、維持が困難です。廃棄物を処理する新しい方法は、高温焼却や化学分解を使用し、塩素除去のための塩基触媒やUV酸化などがあります。これらの方法はさまざまな汚染物質に対処するのに非常に効果的ですが、複雑で経済的ではないため、バイオレメディエーションが現在の適切な代替手段となっています。

バイオレメディエーションは、微生物による汚染物質の無害または低危険物質への変換または分解です。バイ菌、真菌、藻類、植物は、汚染物質の効果的なバイオレメディエーションに使用できます。植物が汚染物質のバイオレメディエーションに関与することをファイトレメディエーションと呼びます。ファイトレメディエーションプロセスは、土壌、堆積物、地下水、表面水、空気中の有毒化学物質の除去または分解を促進する新興のグリーンテクノロジーです。バイオレメディエーションプロセスは、主に微生物が酵素によって汚染物質を攻撃し、それを無害な生成物に変換することに依存しています。バイオレメディエーションは、環境条件が微生物の成長と活動を許可する場所で効果的であるため、その適用は通常、微生物の成長とより早い分解を可能にするために環境パラメータの操作を含みます。バイオレメディエーションは非常に遅いプロセスです。特定の種類のバイ菌や真菌のみが汚染物質を効果的に分解する能力を持ち、さまざまな細胞内および細胞外酵素の関与に依存して、難分解性物質やリグニン、オルガノポリュータントを修復します。

微生物酸化還元酵素

バイ菌、真菌、高等植物によるさまざまな化合物の解毒は、酸化的結合によって媒介される酸化還元酵素によって行われます。微生物は、これらの酵素媒介のエネルギー化学反応を通じてエネルギーを抽出し、化学結合を切断し、還元された有機基質から別の化合物への電子の移動を助けます。このような反応中に、汚染物質は最終的に無害な化合物に酸化されます。酸化還元酵素は、土壌中のリグニンの分解によって生成されるさまざまなフェノール性物質の腐植化に関与しています。同様に、酸化還元酵素は、重合、他の基質との共重合、またはフミック物質への結合によって有毒な外因性物質（例：フェノール化合物やアニリン化合物）を解毒することもできます。

多くのバイ菌は、可溶性の酸化形から不溶性の形に放射性金属を還元することができます。エネルギー生産の過程で、バイ菌は有機化合物から電子を吸収し、放射性金属を最終電子受容体として使用します。一部のバイ菌は、中間電子供与体の助けを借りて放射性金属を間接的に還元します。最終的な沈殿物は、金属還元バイ菌の酸化還元反応の結果と見なすことができます。

塩素化フェノール化合物は、製紙業界で最も豊富な汚染物質の一つです。これらの化合物は、パルプ漂白中にリグニンが部分的に分解されるときに生成されます。多くの真菌は、環境汚染物質から塩素化フェノール化合物を除去するのに適しています。真菌の活性は、主にラッカーゼ、マンガンペルオキシダーゼ、リグニンペルオキシダーゼなどの細胞外酸化還元酵素の作用によるものです。これらの酵素は、真菌の菌糸から周囲の環境に放出されます。

フェノール化合物で汚染された水は、根から分泌される酵素を持つ植物によって除染されることができます。Fabaceae、Gramineae、およびSolanaceaeの植物は、特定の土壌成分の酸化分解に関与する酸化還元酵素を放出します。有機汚染物質のファイトレメディエーションは、主に塩素化溶剤、爆薬、石油炭化水素の3種類の化合物に集中しています。

微生物ラッカーゼ

ラッカーゼ（p-ジフェノール：酸化還元酵素）は、主に植物、真菌、昆虫、バイ菌によって生成される多銅酸化酵素のファミリーを形成し、さまざまな還元フェノールおよび芳香族基質の酸化を触媒し、分子酸素が水に還元されます。ラッカーゼは、さまざまなアイソザイム形式で存在し、それぞれが別の遺伝子によってコードされており、場合によってはこれらの遺伝子の発現が誘導因子の性質に依存します。多くの微生物は、o-およびp-ジフェノール、アミノフェノール、ポリフェノール、ポリアミン、リグニン、アリールジアミン、特定の無機イオンの酸化を触媒する細胞内および細胞外ラッカーゼを生成します。ラッカーゼは、フェノールやメトキシフェノール酸を酸化するだけでなく、それらを脱炭酸し、メトキシ基を攻撃します（脱メチル化）。これらの酵素は、リグニンの脱重合に関与し、さまざまなフェノールを生成します。これらの化合物は、微生物の栄養源として使用されるか、ラッカーゼによってフミック物質に再重合されます。生物学において、ラッカーゼはバイオテクノロジーやバイオレメディエーションの応用に大きな可能性を持つ酸化還元酵素の普遍的なグループを表しています。

微生物ペルオキシダーゼ

ペルオキシダーゼ（供与体：過酸化水素酸化還元酵素）は、媒介物の存在下で過酸化水素（H₂O₂）の消費によってリグニンや他のフェノール化合物の酸化を触媒する普遍的な酵素です。ペルオキシダーゼは、ヘムまたは非ヘムタンパク質である可能性があります。哺乳類では、免疫系やホルモン調節などの生物学的プロセスに関与しています。植物では、オーキシンの代謝、リグニンやスベリンの形成、細胞壁成分の交差結合、病原体に対する防御、または細胞の伸長に関与しています。

ヘムペルオキシダーゼは2つのグループに分けられ、2番目のグループは3つのカテゴリに細分化されます。クラスIは、酵母シトクロムcペルオキシダーゼ、植物アスコルビン酸ペルオキシダーゼ（APX）、およびバイ菌の遺伝子重複カタラーゼペルオキシダーゼを含む細胞内酵素です。クラスIIは、分泌された真菌ペルオキシダーゼで構成され、例えば、Phanerochaete chrysosporiumのリグニンペルオキシダーゼ（LiP）やマンガンペルオキシダーゼ（Mnp）、Coprinus cinereusペルオキシダーゼ、またはArthromyces ramosusペルオキシダーゼ（ARP）があります。クラスIIペルオキシダーゼの主な役割は、木材中のリグニンを分解することです。クラスIIIは、ホースラディッシュ（HRP）、大麦、または大豆からの分泌植物ペルオキシダーゼを含みます。これらのペルオキシダーゼは、植物の細胞壁形成やリグニン化などのプロセスに関与する生合成酵素です。非ヘムペルオキシダーゼの間には進化的な関連はなく、チオールペルオキシダーゼ、アルキル過酸化水素酵素、非ヘムハロペルオキシダーゼ、マンガンカタラーゼ、NADHペルオキシダーゼを含む5つの別々のファミリーを形成しています。

参考文献

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1. Karigar C S, Rao S S. Role of microbial enzymes in the bioremediation of pollutants. [J]. Enzyme Research, 2011.