Biocatalytic Oxidation of Aromatic Hydroxy Derivatives

Abstract

The dissertation describes the enzyme catalyzed oxidation of phenol derivatives (FD). Based on the selected FD representatives, the model system was proposed, which was used for identification of FD biocatalytic oxidation processes. In order to avoid the enzyme inactivation during the biocatalytic FD oxidation, the surfactants were used. It was found that both surfactants and biosurfactants, used with concentrations lower than the critical micelle concentration (CMC), decrease or fully stop the enzyme inactivation and increase the conversion of FD. With surfactants and biosurfactants used over the CMC concentration, enzyme inactivation was detected during the peroxidase catalyzed FD oxidation. It was also shown that oxidation of hardly degrading compound bisphenol A can be increased by using newly discovered Coriolopsis byrsina laccase and PPSA mediator. The received results are important for intensification of biotechnological processes catalyzed by peroxidase and laccase enzymes. The dissertation consists of introduction, 3 chapters, references and the list of author's publications. In the Introductory Chapter, the research topic, the actuality, the aim and tasks, scientific novelty and practical value of the dissertation are discussed; author's publications and conference reports are presented. The First Chapter of Dissertation is dedicated for literature overview. The FD and their environmental impact, the enzymes, catalyzing the phenol derivatives oxidation and oxidation mechanisms are described. Overview of research performed by other authors on the biocatalytic oxidation of FD is also presented. The review covers the limitations of peroxidase and laccase catalysis: peroxidase inactivation dependence on hydrogen concentration; inactivation of peroxidases and laccases during phenol derivatives oxidation; slow oxidation of hardly degrading FD; measures for eliminating the described limitations. In the Second Chapter the materials and methods are presented: fluorimetric, spectrophotometric, light scattering and dynamic light scattering. The Third Chapter presents the experimental data on: peroxidase catalyzed oxidation of 4-hydroxyphenolacetic acid and 1-hydroxypyrene; peroxidase catalyzed oxidation of phenol, 1-naphthol, 2-naphthol, 1-hydroxypyrene, 2-hydroxyanthracene, 9-phenanthrol in presence of surfactants; laccase catalyzed oxidation of bisphenol A in presence of mediator. Mathematical modeling and optimization of biocatalyzed oxidation of all investigated FD is presented. The description of 1-hydroxypyrene peroxidase catalyzed oxidation practical application is provided. 4 articles were published on the topic of dissertation: 3 of them have been included into Thomson Reuters Web of Knowledge list. The results of the dissertation have been presented in 4 scientific conferences in Lithuania and abroad.

Disertacijoje aprašoma fermentais katalizuojama aromatinių hidroksi darinių (AHD), dar vadinamų fenolio darinių (FD) oksidacija. Parinkus keletą FD atstovų, buvo sukurta modelinė sistema, identifikuojanti biokatalizinės FD oksidacijos procesus. Norint išvengti biokatalizinės FD oksidacijos metu vykstančios fermento inaktyvacijos, buvo naudojamos paviršinio aktyvumo medžiagos (PAM). Nustatyta, kad sintetinės ir biologinės kilmės PAM, naudojant iki kritinių micelių koncentracijų (CMC), sumažina ar visiškai stabdo fermento inaktyvaciją bei didina FD konversiją. Naudojant didesnes nei CMC PAM koncentracijas, FD peroksidazinės oksidacijos metu vėl vyksta fermento inaktyvacija. Taip pat nustatyta, kad sunkiai degraduojamo junginio bisfenolio A oksidacija, naudojant neseniai atrastą Coriolopsis byrsina lakazę ir mediatorių PPSA, greitėja. Disertaciniame darbe gauti duomenys svarbūs peroksidazės ir lakazės kata-lizuojamų biotechnologinių procesų intensyvinime. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, naudotos literatūros sąrašas ir autorės publikacijų sąrašas. Įvadiniame skyriuje aptariama tiriamoji problema, darbo aktualumas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, darbo mokslinis naujumas ir praktinė reikšmė, pristatomos paskelbtos mokslinės publikacijos ir pranešimai konferencijose. Pirmasis disertacijos skyrius skirtas literatūros apžvalgai. Jame aprašomi FD, jų poveikis aplinkai. Smulkiau aprašomi fermentai, oksiduojantys FD – tai peroksidazės ir lakazės, jų veikimo mechanizmai. Literatūros apžvalgoje taip pat aprašomi tyrimai, atlikti biokatalizinės FD oksidacijos srityje. Apžvelgiami peroksidazinės ir lakazinės katalizės apribojimai: nuo vandenilio peroksido koncentracijos priklausanti peroksidazės inaktyvacija; lakazės ir peroksidazės inaktyvacija, vykstanti FD biokatalizinės oksidacijos metu, bei lėta sunkiai degraduojamų FD oksidacija. Apžvelgiami panaudoti sprendimai, šalinantys išvardintus apribojimus. Antrajame skyriuje aprašomi disertaciniame darbe naudoti metodai: fluorimetriniai, spektrofotometriniai, šviesos išbarstymo ir dinaminio šviesos išbarstymo metodai. Trečiajame skyriuje pateikiami eksperimentiniai duomenys apie 4-hidroksifenilacto rūgšties ir 1-hidroksipireno peroksidazinę oksidaciją; apie fenolio, 1-naftolio, 2-naftolio, 1-hidroksipireno, 2-hidroksiantraceno, 9-fenantrolio peroksidazinę oksidaciją, naudojant PAM; apie bisfenolio A lakazinę oksidaciją, naudojant mediatorių, bei atliekamas visų ištirtų FD biokatalizinės oksidacijos mechanizmų matematinis modeliavimas ir optimizavimas. Taip pat ištirtas 1-hidroksipireno peroksidazinės oksidacijos reakcijos pritaikymas žemų vandenilio peroksido koncentracijų nustatyme. Disertacijos tema paskelbti 3 straipsniai, įtraukti į Thomson Reuters Web of Knowledge sąrašą ir 1 straipsnis kitame leidinyje. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai paskelbti 4 mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir užsienyje.