Phthalate esters degradation mechanisms by enzymes

Abstract

Phthalate esters (PAEs) stand out as the priority toxicants due to their carcinogenic, mutagenic, and teratogenic properties. The enzymatic degradation is hailed for its recognized safe and environmentally friendly properties. This study delved into PAEs' degradation, especially dibutyl phthalate (DBP) and diethylhexyl phthalate (DEHP) by recombinant esterase from Geobacillus sp. isolated from Balçova Geothermal region in İzmir. The esterase exhibited efficient degradation of DBP but had limited effectiveness in degrading DEHP. Many experiments were conducted to compare the ability of recombinant esterase to degrade DBP and DEHP with that of commercially available enzymes secreted from various microorganisms. Among these enzymes, Bacillus subtilis esterase and Rhizomucor miehei lipase had the highest ability. They were immobilized on halloysite nanotubes (HNTs) by adsorption method to enhance their stability and prolong their activity in applications. To investigate the impact of immobilization methods, two bionanocomposites were formed by immobilization of Bacillus subtilis esterase to HNTs with chitosan (CTS) and alginate (ALG) by the cross-linking method. Two fixed-bed reactors with CTS-HNT-EST and ALG-HNT-EST were operated in batch and continuous modes for PAEs' degradation. CTS-HNT-EST exhibited superior efficacy and durability in PAEs' removal for both modes. Lastly, bioremediation experiments were conducted in PAEs-contaminated soils using Bacillus subtilis esterase and recombinant esterase. Although both esterase had the same active site triad, recombinant esterase had a less significant effect on PAEs' degradation. This fact can be attributed to different substrate specificity and enzyme dynamics. Despite variations in their degradation capabilities, both commercial and newly engineered recombinant enzymes demonstrate considerable potential for breaking down PAEs.

Fitalat Esterleri (PAE'ler) kanserojen ve teratojenik özellikler gösteren ve endokrin bozulmasıyla ilişkilendirilmiş öncelikli toksik maddeler olarak bilinmektedir. Enzimatik degradasyon güvenli ve çevre dostudur. Bu çalışma İzmir Balçova Jeotermal bölgesinden izole edilen termofilik Geobacillus sp.'lerden rekombinant esteraz enzimi elde edilip, kullanılarak DBP ve DEHP'lerin enzimatik degradasyonununa odaklandı. Rekombinant esteraz, DBP'yi etkili bir şekilde degrade etmesine rağmen, DEHP'nin degradasyonunda daha düşük bir performans sergilemiştir Rekombinant esterazın DBP ve DEHP'yi parçalama yeteneğini, çeşitli mikroorganizmalardan salgılanan ticari enzimlerle karşılaştırmak için pek çok deney gerçekleştirildi. Bu enzimler arasından Bacillus subtilis esterazı ve Rhizomucor miehei lipazı, dibütil ftalat (DBP) ve dietilhekzil ftalat (DEHP) için kısa sürede yüksek degradasyon performansı sergilemiştir. Enzimler, stabilitelerini geliştirmek, kullanım sürelerini artırmak ve uygulamalarda aktivitelerini korumak için halloysite nanotüplere (HNT'ler) adsorpsiyon yöntemiyle immobilize edildi. Immobilizasyon metodlarının etkisini araştırmak amacıyla, Bacillus subtilis esterazı kitosan (CTS) ve aljinat (ALG) ile modifiye edilmiş HNT'lere çapraz bağlama metoduyla immobilize edildi ve iki biyonanokompozit oluşturuldu. CTS-HNT-EST ve ALG-HNT-EST biyokompozitleriyle doldurulmuş iki sabit yataklı reaktör, PAE'leri degrade etmek için kesikli ve sürekli modlarda çalıştırılmıştır. CTS-HNT-EST iki modta da PAE'lerin degradasyonunda üstün bir performans ve dayanıklılık göstermiştir. Son olarak, PAE'lerce kirlenmiş topraklarda, recombinant ve Bacillus subtilis esterazları varlığında enzimatik biyoremediasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. İki esteraz aynı aktif bölge üçlüsüne sahip olmasına rağmen, rekombinant esterazın DBP ve DEHP degradasyonu üzerinde daha az etkisi olmuştur. Bu durum, farklı substrat spesifisitesine ve enzim dinamiklerine bağlanmaktadır. Bozunma yeteneklerindeki farklılıklara rağmen, hem ticari hem de yeni tasarlanmış rekombinant enzimlerin, PAE'leri parçalamak için önemli bir potansiyel gösterir.