Formation of Alkenes via Degradation of tert -Alkyl Ethers and Alcohols by Aquincola tertiaricarbonis L108 and Methylibium spp

Abstract

Bacterial degradation pathways of fuel oxygenates such as methyl tert-butyl and tert-amyl methyl ether (MTBE and TAME, respectively) have already been studied in some detail. However, many of the involved enzymes are still unknown, and possible side reactions have not yet been considered. In Aquincola tertiaricarbonis L108, Methylibium petroleiphilum PM1, and Methylibium sp. strain R8, we have now detected volatile hydrocarbons as by-products of the degradation of the tert-alkyl ether metabolites tert-butyl and tert-amyl alcohol (TBA and TAA, respectively). The alkene isobutene was formed only during TBA catabolism, while the beta and gamma isomers of isoamylene were produced only during TAA conversion. Both tert-alkyl alcohol degradation and alkene production were strictly oxygen dependent. However, the relative contribution of the dehydration reaction to total alcohol conversion increased with decreasing oxygen concentrations. In restingcell experiments where the headspace oxygen content was adjusted to less than 2%, more than 50% of the TAA was converted to isoamylene. Isobutene formation from TBA was about 20-fold lower, reaching up to 4% alcohol turnover at low oxygen concentrations. It is likely that the putative tert-alkyl alcohol monooxygenase MdpJ, belonging to the Rieske nonheme mononuclear iron enzymes and found in all three strains tested, or an associated enzymatic step catalyzed the unusual elimination reaction. This was also supported by the detection of mdpJK genes in MTBE-degrading and isobutene-emitting enrichment cultures obtained from two treatment ponds operating at Leuna, Germany. The possible use of alkene formation as an easy-to-measure indicator of aerobic fuel oxygenate biodegradation in contaminated aquifers is discussed.The extensive use of methyl tert-butyl ether (MTBE) and related compounds as fuel oxygenates has resulted in contamination of numerous groundwater sites in the United States and Europe (13,26,33,51). Although MTBE is now banned in some countries and may be phased out in others (52), it will persist at polluted sites for a long time due to its poor biodegradability. Despite this enormous environmental prevalence, only a few strains capable of growth on MTBE, ethyl tert-butyl ether (ETBE), and tert-amyl methyl ether (TAME) have been found, and fuel oxygenate metabolism has not been elucidated in full detail (20,30,31,46). Since the pioneering works of Salanitro et al. and Steffan et al. (42,43,48), it is generally agreed that aerobic MTBE degradation proceeds via a monooxygenase-catalyzed ether cleavage resulting in formation of tert-butyl alcohol (TBA). The latter is hydroxylated to the corresponding diol, 2-methyl-1,2-propanediol (MPD), which is further oxidized to 2-hydroxyisobutyric acid (2-HIBA). This branched carboxylic acid is then introduced into common metabolic routes after isomerization to 3-hydroxybutyric acid (39). Since ETBE shares the tert-butyl structure with MTBE, it should have a similar degradation path via TBA (8, 30). The biochemistry of TAME catabol...

Bacterial Degradation of tert-Amyl Alcohol Proceeds via Hemiterpene 2-Methyl-3-Buten-2-ol by Employing the Tertiary Alcohol Desaturase Function of the Rieske Nonheme Mononuclear Iron Oxygenase MdpJ

“…Recently, the importance of MdpJ in TBA metabolism has also been demonstrated by 13 C metabolomic and proteomic stable isotope probing (SIP) approaches investigating oxygenate degradation in mixed cultures (3,4). It is likely that MdpJ is also involved in TAA degradation, as strains L108 and PM1 could metabolize TAME and TAA (31,38). However, the hydroxylation of TAA by MdpJ or other bacterial tert-alcohol monooxygenases has not been investigated so far.…”

Éter típusú üzemanyag-adalékok mikrobiális bontása

“…A két alegységes enzim egy nagyobb, szubsztrátkötő (HcmA), és egy kisebb kobalaminkötő alegységből (HcmB) áll, melyeket a hcmA, ill. a hcmB gének kódolnak. Az L108-ban az MTBE és az ETBE lebontása TBA-n keresztül történik, azonban kis mennyiségben, melléktermékként izobutilén is keletkezik [125]. Az izobutilén képződése TBA-ból alacsony oxigénkoncentráció mellett figyelhető meg és valószínűleg az MdpJK deszaturáz aktivitásának tulajdonítható.…”

“…Az izobutilén képződése TBA-ból alacsony oxigénkoncentráció mellett figyelhető meg és valószínűleg az MdpJK deszaturáz aktivitásának tulajdonítható. A TAME és a TAEE katabolikus útvonala TAA köztiterméken át vezet, melyből kevés oxigén jelenlétében számottevő mennyiségben β-és γ-izoamilén is képződik [125]. Elegendő oxigén mellett a TAA-ból az MdpJ deszaturáz aktivitása nyomán 2-metil-3-butén-2-ol keletkezik, mely prenol és prenal intermediereken keresztül 3-metilkrotonsavvá alakul, ami azután a leucin katabolikus útvonalába csatlakozhat be [126].…”

“…A PM1 jelű izolátumot végül később a Methylibium nemzetség első tagjaként, Methylibium petroleiphilum PM1-ként írták le [131]. A PM1 az alkil éterek és jelentősebb intermediereik közül az MTBE és a TAME, valamint a TBA, a TAA és a 2-HIBA nagy hatékonyságú lebontására képes [118,125,131]. A PM1 esetében az MTBE lebontási útvonalában három reakció enzimatikus és genetikai háttere ismert, melyek közül kettőt az L108-nál megismert enzimekhez nagymértékben hasonló fehérjék katalizálnak.…”

“…A teljes transzkriptom adatok vizsgálata feltárta továbbá azt is, hogy az MTBE-n történő növekedés során más vegyületcsoportok, így aromás vegyületek (toluol, fenol) és alkánok lebontási útvonalában szereplő gének is indukálódnak. A PM1 esetében is megfigyelhető a TBA-ból és a TAAból illékony, telítetlen szénhidrogén melléktermékek (izobutilén, ill. izoamilének) képződése alacsony oxigénkoncentráció mellett az L108-nál bemutatott mechanizmus szerint, de itt lényegesen kisebb intenzitású a folyamat [125]. A két törzsnél az mdpJ gén esetében megfigyelhető nagyfokú azonosság (~97%), valamint a csaknem egyforma génkörnyezet alapján feltételezik, hogy a TAA metabolizmusa a PM1-ben szintén az L108-nál leírt útvonalon megy végbe, melyet alátámaszt az a tény, hogy a PM1 képes a 2-metil-3-butén-2-ol egyedüli szén-és energiaforrásként történő hasznosítására [126].…”