15. Metabolizm węglowodorów 

(ropy naftowej)

Prof.dr hab. inż. Korneliusz Miksch

Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Environmental Biotechnology Department

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Wycieki ropy i produktów naftowych 

 

Zużywanie  w  światowej  energetyce  i  transporcie 
olbrzymich  ilości  ropy  naftowej  dochodzące  w  2003 
roku  do  18  mln  ton  związane  jest  w  sposób 
nieunikniony  z  przedostawaniem  się  części  tych 
materiałów  do  środowiska.  Surowa  ropa  naftowa  i  jej 
produkty  przedostają  się  do  środowiska  na  skutek 
procesów wydobywczych ropy, jej przerobu oraz awarii 
podczas 

transportu 

i magazynowania. 

Wśród 

produktów  uwalnianych  do środowiska  gruntowego  i 
wodnego  należy  wyróżnić:  benzynę  silnikową,  paliwa 
dieslowe,  oleje  opałowe,  oleje  smarowe,  smary 
plastyczne,  substancje  żywiczno-asfaltowe,  a  także 
zużyte oleje i płyny hydrauliczne. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Niekontrolowane źródła wycieków ropy naftowej

 

35 % 
%

9 % 
%

8 % 
%

45 % 
%

3 % %

Wycieki samoistne

Operacje 

w 

strefie 

akwenów 

wodnych 

(wiercenia 

poszukiwawcze,  wydobycie,  załadunek,  transport,  katastrofy 
tankowców)

Węglowodory naftowe z 

atmosfery

Gospodarka komunalna

i działalność przemysłowa

Rafinerie i 

przetwórnie ropy i 

produktów naftowych

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji 

węglowodorów

 

W  procesy  degradacyjne  produktów  naftowych  (w 
warunkach  tlenowych)  włączone  są  głównie  enzymy 
należace 

do 

klasy 

oksydoreduktaz 

(oksydazy, 

oksygenazy, 

dehydrogenazy), 

hydrolaz 

i 

liaz 

(dekarboksylazy). 

Oksydazy  -  stanowią  grupę  enzymów  katalizujących 
odrywanie się elektronów od utlenionego substratu i dwu- 
lub  czteroelektronową  redukcję  cząsteczki  tlenu.  Po 
połączeniu  się  z  protonami  powstaje  cząsteczka  H

2

O

2

  lub 

H

2

O. 

Do tego 

zespołu 

należą 

m.in. 

oksydazy 

cytochromowe.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji 

węglowodorów

 

Oksygenazy  -    katalizują  proces  wbudowywania  tlenu  w 
cząsteczkę.  Wyróżnia  się  oksygenazy  właściwe  tj. 
dioksygenazy  oraz  monooksygenazy,  do  których  zalicza 
się  hydroksylazy.
Dioksygenazy-  włączają  dwa  atomy  tlenu  do  substratu. 
Istnieją  dwa  rodzaje  diooksygenaz.  Dioksygenazy 
wymagające  udziału  NADH  i  NADPH,  katalizujące  reakcje 
hydroksylacji  substratu  oraz  drugi  typ  dioksygenaz  nie 
wymagający  udziału  NAD(P)H,  katalizujący  rozerwanie 
pierścienia aromatycznego
       

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji 

węglowodorów

 

Monooksygenazy  –  katalizują  włączenie  jednego  z 
atomów  tlenu  do hydroksylowanego  substratu,  podczas 
gdy  drugi  atom  tlenu  wiązany  jest  w  cząsteczkę  wody  z 
udziałem NADH lub NADPH, zgodnie z równaniem: 

RX

RX-OH

 

O

2 

H

2

O 

NADP

H

 

+

 

H

+

 

NADP

+

 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Enzymy w szlakach biodegradacji 

węglowodorów

 

Dehydrogenazy  –  katalizują  odrywanie  atomów  wodoru 
od  utlenionego  substratu  i  przenoszą  je  na  inne  enzymy 
czy  związki  pośrednie.  Nie  mają  zdolności  przenoszenia 
elektronów  bezpośrednio  na  tlen.  Akceptorem  atomów 
wodoru może być: NAD

+

, NADP

+

, FMN lub FAD. 

  Hydrolazy  –katalizują  proces  rozpadu  substratu  z 
udziałem cząsteczek wody. 

Dekarboksylazy  –  należą  do  klasy  liaz  tj.  enzymów 
katalizujących  rozerwanie  pojedynczych  wiązań  –C-C-
węgiel- węgiel.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Rozkład n-alkanów

Właściwości  fizykochemiczne  alkanów  oraz  struktura 
przestrzenna    cząsteczek  są  istotnymi  parametrami 
wpływającymi  na  tempo  ich  utlenienia  i metabolizowania 
przez  mikroorganizmy.  Alkany  od  C

1

  do  C

4

  występują 

w postaci gazowej i są wykorzystywane jako źródło węgla 
przez niewiele szczepów bakterii. Alkany o liczbie atomów 
węgla  C

5

-  C

9

  charakteryzują  się  stosunkowo  wysoką 

toksycznością,  a  biodegradacji  ulegają  jedynie  w  niskich 
stężeniach. 

Najmniej 

toksyczne 

i 

najłatwiej 

metabolizowane są alkany o liczbie atomów węgla C

10 

-C

22

. 

Spośród  nich  bardziej  oporne  są  związki  o  łańcuchach 
rozgałęzionych  w  porównaniu  do  związków  o  prostych 
łańcuchach.  Węglowodory  o  dłuższych  łańcuchach 
węglowych  (powyżej  C

22

)  są  metabolizowane  znacznie 

wolniej. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Rozkład n-alkanów

Biorąc  pod  uwagę  strukturę  chemiczną  związku  oraz 

skład  i  aktywność  flory  bakteryjnej  -  rozkład  n-alkanów 
może odbywać się na drodze:

•   oksydacji terminalnej, 

•   oksydacji subterminalnej, 

•   bądź - oksydacji.

 Droga  terminalnej  oksydacji  n-alkanów  polega  na 

wstępnym 

utlenieniu 

węglowodoru 

do 

alkoholu 

pierwszorzędowego. 

W 

procesie 

tym 

pośredniczą 

monooksygenazy, 

które 

działając 

na 

jeden 

z 

peryferyjnych atomów węgla, przekształcają cząsteczkę w 
alkohol  (tzw.  oksydacja  monoterminalna),  bądź 
działając  na  dwa  peryferyjne  atomy  węgla  utleniają 
cząsteczkę  do  diolu,  tzw.  oksydacja  diterminalna. 
Dalsze  utlenianie  terminalne  alkoholi,  przez  odpowiednie 
aldehydy i kwasy organiczne, kończy proces -oksydacji. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja alkenów 

Alkeny 

(olefiny) 

stanowią 

grupę 

węglowodorów 

nienasyconych,  zawierających  jedno  lub  więcej  wiązań 
podwójnych  pomiędzy  atomami  węgla.  Metabolizm 
alkenów może przebiegać poprzez utlenienie podwójnego 
wiązania,  bądź  oksydację  w  dowolnej  części  łańcucha 
węglowodorowego,  tak  jak  ma  to miejce  w  przypadku 
asymilacji alkanów.
Istnieją cztery drogi inicjujące proces degradacji alkenów:

•oksydacja 

terminalnych 

grup 

metylowych 

do 

odpowiednich nienasyconych alkoholi i kwasów,

•subterminalne  utlenienie  do  odpowiednich  alkoholi  i 
kwasów,

•utlenienie  w  miejscu  podwójnego  wiązania  do 
odpowiednich epoksydów,
.utlenienie 

w 

miejscu 

podwójnego 

wiązania 

do 

odpowiednich dioli. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych 

Węglowodory  aromatyczne  (areny) stanowią liczną grupę 
związków  zawierających  od  jednego  do  kilku,  a  nawet 
kilkunastu pierścieni aromatycznych w cząsteczce. Liczne 
badania 

potwierdzają 

obecność 

mikroorganizmów 

zdolnych  do  rozkładu  tej  grupy  związków  na  drodze 
metabolicznej, 

bądź 

w 

procesie 

kometabolizmu. 

Większość 

spośród 

związków 

aromatycznych 

występujących  w  przyrodzie,  w  pierwszym  etapie 
mikrobiologicznej degradacji ulega oksydacji do katecholu 
bądź kwasu protokatechowego 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Związki aromatyczne rozkładane do katecholu  

(1.14)

 

CHOH

COOH

C

H

2

CHNH

2

COOH

COOH

OH

COOH

OH

COOH

NH

2

N

R

H

OH

OH

naftalen

kwas benzoesowy

kwas salicylowy

katechol

rodnik alkilowy

antracen

alkilobenzen

  kwas

migdałowy

fenyloanalina

benzen

fenol

bifenyl

antranilan

Grupa alkilowa 

Kwas antranilowy 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Związki rozkładane do kwasu protokatechowego 

 (1.15)

 

CH

3

COOH

OH

COOH

OH

COOH

OH

O

H

OH

C

3

O

O

 

COOH

COOH

OH

COOH

OH

OH

COOH

OCH

3

OH

C

3

OCH

3

OH

grupa alkilowa

  kwas

toluilowy

kwas hydroksy-

 benzoesowy

alkilofenol

n

  kwas

szikimowy

lignina

  kwas

benzoesowy

  kwas

hydroksy-

benoesowy

  kwas

waniliowy

        kwas
protokatechowy

p- alkilofenol 

Kwas m- 

hydroksy-

benzoesowy 

wanilinowy 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych 

Do  katecholu  degradowane  są  pojedynczo  lub  podwójnie 
(w pozycji 1,2-) podstawione pierścienie aromatyczne, np. 
w  fenyloalaninie,  toluenie,  benzenie  itp.  Pierścienie 
aromatyczne  podstawione  w  pozycjach  1,3-  i  1,4-  oraz 
pierścienie podstawione wielokrotnie są przekształcane do 
kwasu protokatechowego. 
  Szlaki  rozkładu  węglowodorów  aromatycznych  prowadzą 
przez  szereg  reakcji:  hydroksylacji,  demetylacji  i 
dekarboksylacji  podstawników  alkilowych  w pierścieniu 
aromatycznym  z  udziałem  różnych  grup  enzymów, 
po rozszczepienie  pierścienia  aromatycznego  i  w  efekcie 
końcowym  włączenie  produktów  przemian  do  szlaków 
metabolizmu pośredniego.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych 

Mikrobiologiczny  rozkład  węglowodorów  aromatycznych 
rozpoczyna się procesem przyłączenia do pierścienia grup 
hydroksylowych.  W  przypadku  związków  niefenolowych 
struktura  1,3-  dihydroksybenzenu  (rezorcyny),  niezbędna 
do  rozszczepienia  pierścienia,  powstaje  na  skutek 
podwójnej 

hydroksylacji 

katalizowanej 

przez 

diooksygenazy,  podczas  gdy  dla  związków  fenolowych 
wprowadzenie  atomu  tlenu  do  cząsteczki  zachodzi  z 
udziałem  monooksygenaz.  Pochodne  metylowe  benzenu 
ulegają  oksydacji  poprzez  utlenienie  grupy  metylowej  do 
karboksylowej, 

a 

następnie 

oksydację 

pierścienia 

aromatycznego  do  katecholu.  Podstawniki  zaś  chlorowe, 
nitrowe 

i 

sulfonowe 

są zastępowane 

grupami 

hydroksylowymi.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych 

Nastepny  etap  mikrobiologicznego  rozkładu  związków 
aromatycznych 

obejmuje 

proces 

rozszczepienia 

pierścienia  aromatycznego  z  udziałem  dioksygenaz  i 
wbudowanie 

tlenu 

cząsteczkowego. 

Rozszczepienie 

pierścienia  w  pozycji  orto-  (tj.  między  dwoma 
sąsiadującymi 

hydroksylowanymi 

atomami 

węgla) 

prowadzi  do  powstania  kwasu  cis,  cis-  mukonowego 
(produkt  rozszczepienia  katecholu)  bądź  kwasu  3-
karboksy-  cis,  cis-  mukonowego  (produkt  rozszczepienia 
kwasu  proto-katechowego).  Produkty  tych  reakcji  ulegają 
dalszym  przemianom  metabolicznym  poprzez  ten  sam 
związek  pośredni  tj.  kwas  3-oksoadypinowy,  a następnie 
w  wyniku  aktywacji  z  udziałem  transferazy-CoA  do 
bursztynylo-CoA  i  acetylo-CoA,  które  w  końcowym  etapie 
procesu  degradacji  są  włączane  do szlaków  metabolizmu 
pośredniego. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Biodegradacja węglowodorów aromatycznych 

Rozszczepienie  pierścienia  w  pozycji  meta-  (tj.  między 
hydroksylowanym i niehydroksylowanym atomem węgla), 
katalizowane  przez  dioksygenazy  powoduje  powstanie 
semialdehydu  kwasu  2-hydroksymukonowego,  który 
następnie  wchodzi  w  szlaki  metabolizmu  pośredniego 
poprzez  pirogronian,  aldehyd  octowy  i  inne  produkty 
pośrednie,  zależnie  od  typu  podstawienia  powstałych 
kwasów alifatycznych.
Wielopierścieniowe 

węglowodory 

aromatyczne, 

zawierające struktury skondensowane, rozkładne są przez 
sukcesywne otwieranie kolejnych pierścieni, a mechanizm 
rozszczepiania  pierścieni  zbliżony  jest  do  mechanizmu 
rozszczepiania benzenu.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-podsumowanie 

w 

Generalnie  w  procesach  transformacji  węglowodorów  z 

udziałem  drobnoustrojów  do  związków  o  krótszym 
łańcuchu węglowodorowym bądź związków o zwiększonej 
podatności  na  degradację  (metabolitów  pośrednich) 
zachodzą następujące reakcje utleniania:
          Terminalna  oksydacja.  Najczęściej  włączenie 

(insercja)  aktywnego  tlenu  następuje  przy  końcowym 
węglu 

w 

łańcuchu 

alkilowym 

węglowodorów 

z wytworzeniem  alkoholu.  Dalsze  utlenianie  alkoholi, 
przez kolejno aldehydy i kwasy organiczne, kończy proces 
- oksydacji.

         Diterminalna oksydacja. Insercja tlenu następuje 

na  obu  końcach  łańcucha  alkilowego  alkanów,  co  w 
efekcie 

kolejnych 

reakcji 

utleniania 

daje 

kwas 

dikarboksylowy. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-podsumowanie

Subterminalna 

oksydacja. 

Oksydacja 

dotyczy 

atomów węgla położonych subterminalnie w cząsteczkach 
węglowodorów  i  prowadzi  do  przekształcenia  ich  w 
drugorzędowe alkohole, a następnie w ketony i estry.
 -  oksydacja.  Cykl  rozkładu  kwasów  tłuszczowych  w 

powtarzajacej  się  sekwencji  czterech  reakcji:  utlenienia 
przez FAD, uwodnienia, utlenienia sprzężonego z redukcją 
NAD

+

  oraz  tiolizy  przez  CoA.  W  rezultacie  każdego  cyklu 

tych  reakcji  łańcuch  węglowodorowy  grupy  acylowej  jest 
skracany  o dwa atomy węgla oraz powstaje FADH

2

, NADH 

i acetylo-CoA.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-podsumowanie

- oksydacja. Proces - oksydacji jest charakterystyczny 

dla  degradacji  alkanów  rozgałęzionych.  Obecność 
podstawników  jest  czynnikiem  hamującym  proces  -

oksydacji, z tego względu kwasy tłuszczowe są atakowane 
na  drugim  końcowym  węglu  prowadząc  do  powstania 
kwasów dikarboksylowych.
Oksydacja  podwójnego  wiązania.  Alkeny  terminalne 
są stosunkowo łatwo degradowane przez atak na końcowy 
atom  węgla  bądź  utlenienie  bezpośrednio  atomów  węgla 
połączonych  podwójnym  wiązaniem  z wytworzeniem 
epoksydów  lub  dioli.  Alkeny  z  wiązaniem  podwójnym 
zlokalizowanym  wewnątrz  cząsteczki  węglowodorowej  są 
rozkładane  w procesie  mikrobiologicznym  wolniej  niż 
alkeny  terminalne;  metabolitami  końcowymi  są  zarówno 
nasycone, jak i nienasycone kwasy tłuszczowe. 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-Podsumowanie

   

Oksydatywne 

rozszczepienie 

pierścienia 

aromatycznego. 

Rozszczepienie 

pierścienia 

aromatycznego  zachodzi  poprzez  wprowadzenie  dwóch 
atomów  tlenu  do  cząsteczki  z  udziałem  dioksygenaz,    a 
nastepnie  przez  reakcje  dehydrogenacji  do  pochodnych 
dihydroksylowych.  Rozerwanie  pierscienia  może  mieć 
miejsce 

między 

dwiema 

sąsiadującymi 

grupami 

hydroksylowymi  (rozszczepienie  typu  orto-)  albo  między 
hydroksylowanym  i  sąsiadującym  niehydroksylowanym 
atomem węgla (rozszczepienie typu meta-).

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Metabolizm-czynniki biologiczne

Obok  czynników  o  charakterze  fizyko-chemicznym 
zasadniczą  rolę  w  procesie  metabolizowania  produktów 
naftowych  odgrywają  czynniki  biologiczne  (tj.  skład 
jakościowy  i  ilościowy  drobnoustrojów,  ich  aktywność 
metaboliczna  i  zdolności  adaptacyjne).  Drobnoustroje 
zdolne do wykorzystywania węglowodorów w charakterze 
jedynego 

źródła 

węgla 

i 

energii 

są 

szeroko 

rozpowszechnione w przyrodzie.  Wśród nich znajdują się 
szczepy  zarówno  bakterii,  grzybów,  jak  i promieniowców. 
W środowisku  skażonym produktami naftowymi szybkość 
rozkładu  węglowodorów  oraz  liczebność  drobnoustrojów 
zdolnych do ich rozkładu stopniowo wzrasta od momentu 
skażenia.  Zjawisko  to  wynika  z  selekcji  drobnoustrojów, 
polegającej  na  eliminacji  gatunków  wrażliwych  na 
toksyczne  oddziaływanie  wprowadzonych  związków, 
a także  ze  stopniowej  adaptacji  mikroorganizmów  do 
nowego substratu wzrostowego.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Drobnoustroje zdolne do rozkładu węglowodorów

Mikroorganizmy  rozkładające  węglowodory  są  szeroko 
rozpowszechnione 

w 

przyrodzie, 

występują 

w 

ekosystemach  wodnych  i lądowych,  a  w  większych 
ilościach  w  miejscach  zanieczyszczonych  produktami 
naftowymi.
 Liczebność drobnoustrojów heterotroficznych zdolnych do 
rozkładu  węglowodorów  jest  różna  dla  poszczególnych 
ekosystemów wodnych i glebowych. 
Częstość występowania tego typu organizmów wśród:

•-         grzybów glebowych waha się od 0,13 % do 50 
%, 

•-         bakterii glebowych od 6 % do 82 % 

•-         bakterii wodnych od 0,03 % do 100 %

 w stosunku do ogólnej liczebności mikroorganizmów.