Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6162
Main Title: Anaerobic transformation of brominated aromatic compounds by Dehalococcoides mccartyi strain CBDB1
Translated Title: Anaerobe Transformation von bromierten aromatischen Verbindungen durch Dehalococcoides mccartyi Stamm CBDB1
Author(s): Yang, Chao
Advisor(s): Neubauer, Peter
Adrian, Lorenz
Referee(s): Neubauer, Peter
Adrian, Lorenz
Lechner, Ute
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Brominated flame retardants are widely used compounds for fire safety in our daily life. Many of them have been reported to be toxic to humans and identified as environmental contaminants. Dehalococcoides mccartyi strains are well known for their dependence on organohalide respiration as an energy conserving process and have therefore been intensively studied. So far, much less investigations were done on brominated than on chlorinated compounds with D. mccartyi strains. D. mccartyi strain CBDB1 uses a wide range of halogenated compounds as electron acceptors for organohalide respiration. Most of its electron acceptors e.g. chlorinated benzenes, dioxins and polychlorinated biphenyls have the basic chemical structure of aromatic compounds and are bigger molecules than simple halogenated acyclic hydrocarbons such as chlorinated ethenes. From this point, brominated flame retardants share structural similarity with halogenated compounds which were demonstrated to be dehalogenated by D. mccartyi strain CBDB1 before. Therefore, in this study, D. mccartyi strain CBDB1 was chosen as the model organism and incubated with several brominated organic compounds including brominated flame retardants to investigate reductive debromination. D. mccartyi strain CBDB1 completely dehalogenated brominated benzenes, tetrabromobisphenol A and bromophenol blue to the non-brominated forms as the final products. Such debromination processes revealed a further dehalogenation extent compared to reductive dechlorination catalyzed by the strain. Neither debromination activities nor cell growth were detected in the cultures of strain CBDB1 incubated with either decabromodiphenyl ether or hexabromocyclododecane. Growth yields of 2.4 × 1013 to 4.6 × 1013 cells mol-1 bromide released were obtained in the cultures of strain CBDB1 incubated with hexabromobenzene or 1,3,5-tribromobenzene as the electron acceptor. Reductive debromination of the two brominated phenols was achieved only when they were supplied at low concentration. Growth yields of 2.7 × 1014 to 3.6 × 1014 cells mol-1 bromide released were obtained in the cultures incubated with bromophenol blue but no cell growth was detected in cultures incubated with tetrabromobisphenol A. This suggests different extents of toxicity are caused by the two brominated phenols. Toxicity tests with bromophenol blue revealed that the debromination reaction and cell growth of strain CBDB1 were continuously delayed with the increase of initial concentrations of bromophenol blue. Resting cell activity assays analyzed by gas chromatography demonstrated that strain CBDB1 debrominated tetrabromobenzenes to tribromobenzenes. With a photometric activity assays, both cultures of strain CBDB1 grown with hexabromobenzene or 1,3,5-tribromobenzene showed higher specific activities on 1,2,4-tribromobenzene and 1,2-dibromobenzene but lower specific activities on 1,3,5-tribromobenzene and the other tested halogenated benzenes. Results of shotgun proteomics showed that the same dominant reductive dehalogenases were involved in the dehalogenation of brominated benzenes and chlorinated benzenes indicating that these reductive dehalogenases are not strictly substrate-specific. Additionally, several reductive dehalogenase homologous proteins were specifically induced by hexabromobenzene or oligocyclic brominated phenols in cultures of strain CBDB1. This suggests the molecular size and chemical properties of an electron acceptor can influence the expression of reductive dehalogenases. Compound specific isotope analysis revealed identical carbon isotope enrichment factors for 1,2-dibromobenzene and 1,3-dibromobenzene, but significant lower enrichment factors were determined for 1,2,4-tribromobenzene and 1,3,5-tribromobenzene. Identical carbon isotope enrichment factors were determined for live cultures and in vitro activity assay with the same electron acceptor indicating the isotope fractionation was not affected by the physiological status of the cells.
Bromierte Flammschutzmittel sind weit verbreitete Verbindungen die in unserem täglichen Leben im Bereich des Brandschutzes eingesetzt werden. Für viele von ihnen wurde berichtet, dass sie für den Menschen giftig sein könnten. Zudem wurden sie häufig als Schadstoffe in der Umwelt identifiziert. Dehalococcoides mccartyi Stämme können nur über Organohalid-Atmung Energie konservieren und wurden daher intensiv untersucht. Bisher wurden hauptsächlich Untersuchungen an chlorierten Verbindungen und seltener an bromierten Verbindungen mit D. mccartyi Stämmen durchgeführt. D. mccartyi Stamm CBDB1 verwendet diverse halogenierte Verbindungen als Elektronenakzeptoren für die Organohalid-Atmung. Die meisten seiner Elektronenakzeptoren, z.B. chlorierte Benzole, Dioxine und polychlorierte Biphenyle sind aromatisch und größer als einfache, halogenierte, acyclische Kohlenwasserstoffe wie z.B. chlorierte Ethene. In dieser Hinsicht haben bromierte Flammschutzmittel eine strukturelle Ähnlichkeit mit chlorierten Verbindungen, die durch D. mccartyi Stamm CBDB1 dehalogeniert werden. Daher wurde in dieser Studie D. mccartyi Stamm CBDB1 als Modellorganismus ausgewählt und mit mehreren bromierten organischen Verbindungen einschließlich bromierter Flammschutzmittel inkubiert, um die reduktive Debromierung zu untersuchen. D. mccartyi Stamm CBDB1 debromierte Benzole, Tetrabrombisphenol A und Bromphenolblau vollständig zu nicht-bromierten Endprodukten. Diese Debromierungsprozesse zeigten eine weitreichendere Dehalogenierung verglichen mit den reduktiven Dechlorierungen ähnlicher chlorierter Verbindungen. Weder Debromierungsaktivität noch Zellwachstum wurde in den Kulturen des Stammes CBDB1 detektiert, die entweder mit Decabromdiphenylether oder mit Hexabromcyclododecan inkubiert wurden. In Kulturen mit Hexabrombenzol oder 1,3,5-Tribrombenzol als Elektronenakzeptor wurden Wachstumsausbeuten von 2,4 × 1013 bis 4,6 × 1013 Zellen Mol-1 Bromid erhalten. Eine reduktive Debromierung der beiden bromierten Phenolverbindungen wurde nur dann erreicht, wenn sie in geringen Konzentrationen zugegeben wurden. Wachstumsausbeuten von 2,7 × 1014 bis 3,6 × 1014 Zellen Mol-1 Bromid wurden in den mit Bromphenolblau inkubierten Kulturen erhalten, aber kein Zellwachstum wurde in den mit Tetrabrombisphenol A inkubierten Kulturen nachgewiesen. Dies deutet auf einen unterschiedlichen Grad der Toxizität der beiden bromierten Phenolverbindungen hin. Toxizitätstests mit Bromphenolblau zeigten, dass die Debromierungsreaktion und das Zellwachstum des Stammes CBDB1 kontinuierlich mit dem Anstieg der Anfangskonzentration von Bromphenolblau verzögert wurden. Durch Gaschromatographie analysierte ruhenden Zellaktivitäts-Assays zeigten, dass Stamm CBDB1 Tetrabrombenzole zu Tribrombenzolen debromierte. In photometrischen Aktivitätsassays zeigten ruhenden Zellen von Stamm CBDB1, die zuvor mit Hexabrombenzol oder 1,3,5-Tribrombenzol kultiviert wurden, höhere spezifische Aktivitäten mit 1,2,4-Tribrombenzol und 1,2-Dibrombenzol als mit 1,3,5-Tribrombenzol und den anderen getesteten halogenierten Benzolen. Ergebnisse der Shotgun-Proteomik zeigten, dass die gleichen dominanten reduktiven Dehalogenasen an der Dehalogenierung von bromierten Benzolen und chlorierten Benzolen beteiligt waren. Dies weist darauf hin, dass diese reduktiven Dehalogenasen nicht streng substratspezifisch sind. Zusätzlich wurden mehrere Proteine, die homolog zu reduktiven Dehalogenasen sind, spezifisch durch Hexabrombenzol oder oligocyclische bromierte Phenole in Kulturen des Stammes CBDB1 induziert. Dies deutet darauf hin, dass die molekulare Größe und die chemischen Eigenschaften eines Elektronenakzeptors die Expression von reduktiven Dehalogenasen beeinflussen können. Die substanzspezifische Isotopenanalyse ergab identische Kohlenstoff-Isotopenanreicherungsfaktoren für 1,2-Dibrombenzol und 1,3-Dibrombenzol, aber es wurden signifikant niedrigere Anreicherungsfaktoren für 1,2,4-Tribrombenzol und 1,3,5-Tribrombenzol bestimmt. Identische Kohlenstoff-Isotopenanreicherungsfaktoren wurden für lebende Kulturen und in vitro-Aktivitätstest mit dem gleichen Elektronenakzeptor bestimmt, was darauf hinweist, dass die Isotopenfraktionierung nicht durch den physiologischen Status der Zellen beeinflusst wurde.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6736
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6162
Exam Date: 28-Aug-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 25-Sep-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
Subject(s): brominated flame retardants
organohalide respiration
reductive dehalogenases
toxicity
bromierte Flammschutzmittel
Organohalid-Atmung
reduktive Dehalogenasen
Toxizität
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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