High Permeation Rates in Liposome Systems Explain Rapid Glyphosate Biodegradation Associated with Strong Isotope Fractionation.
Environ Sci Technol · 2018 · 52:7259-7268 · PMID 29790342 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 물질과 작용기전 > AMPA·분해 · 미생물
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광범위하게 사용되는 제초제인 글리포세이트와 같은 전하를 띤 유기 오염물질의 박테리아 흡수는 일반적으로 능동 수송체에 기인하는 것으로 여겨지며, 수동적 막 투과(passive membrane permeation)는 흡수 경로로 인해 보통 간과된다. 1-팔미토일-2-올레오일-sn-글리세로-3-포스콜린(POPC) 리포솜을 이용한 연구에서 핵자기공명분광법(NMR) 분광학으로 측정한 글리포세이트의 pH 의존적 유효 막 투과 계수($P_{app}$)는 $P_{app}$ (pH 7.0) = $3.7 (\pm 0.3) \times 10^{-7} \text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$에서 $P_{app}$ (pH 4.1) = $4.2 (\pm 0.1) \times 10^{-6} \text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$까지 변화하였다. 이 놀랍도록 빠른 막 투과 정도는 글리포세이트의 종(speciation)에 의존했으며, 중성 pH 조건에서는 극성이 없고 전하를 띠지 않은 분자들의 범위에 있었다. 이러한 발견은 글리포세이트 생분해 과정 중 수동적 막 투과가 잠재적인 흡수 경로임을 시사한다. 이 가설을 검증하기 위해, 글리포세이트 처리된 토양에서 격리한 그람 음성 글리포세이트 분해균인 *Ochrobactrum* sp. FrEM을 이용하였으며, 리포솜 모델 시스템으로부터 추론된 글리포세이트 투과 속도를 박테리아 분해 속도와 비교하였다. 추정된 최대 투과 속도는 실제로 글리포세이트의 분해 속도보다 2배 높은 것으로 나타났다. 또한, 밀리몰 농도의 글리포세이트 생분해는 $1.014 \pm 0.003$의 유효 동위원소 비율 효과($\text{AKIE}_{\text{carbon}}$)를 가진 뚜렷한 탄소 동위원소 분별을 야기하였다. 이 값은 비가려진 효소적 동위원소 분별의 전형적인 범위에 속하며, 글리포세이트 생분해가 물질 전달 제한을 받지 않았으며 세포막을 통한 글리포세이트 교환이 효소적 전환 속도에 비해 빠름을 입증하였다.ORIGINAL ABSTRACT
Bacterial uptake of charged organic pollutants such as the widely used herbicide glyphosate is typically attributed to active transporters, whereas passive membrane permeation as an uptake pathway is usually neglected. For 1-palmitoyl-2-oleoyl- sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) liposomes, the pH-dependent apparent membrane permeation coefficients ( Papp) of glyphosate, determined by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, varied from Papp (pH 7.0) = 3.7 (±0.3) × 10-7 m·s-1 to Papp (pH 4.1) = 4.2 (±0.1) × 10-6 m·s-1. The magnitude of this surprisingly rapid membrane permeation depended on glyphosate speciation and was, at circumneutral pH, in the range of polar, noncharged molecules. These findings point to passive membrane permeation as a potential uptake pathway during glyphosate biodegradation. To test this hypothesis, a Gram-negative glyphosate degrader, Ochrobactrum sp. FrEM, was isolated from glyphosate-treated soil and glyphosate permeation rates inferred from the liposome model system were compared to bacterial degradation rates. Estimated maximum permeation rates were, indeed, 2 orders of magnitude higher than degradation rates of glyphosate. In addition, biodegradation of millimolar glyphosate concentrations gave rise to pronounced carbon isotope fractionation with an apparent kinetic isotope effect, AKIEcarbon, of 1.014 ± 0.003. This value lies in the range typical of non-masked enzymatic isotope fractionation demonstrating that glyphosate biodegradation was not subject to mass transfer limitations and glyphosate exchange across the cell membrane was rapid relative to enzymatic turnover.| 저자 | Ehrl, B. N.; Mogusu, E. O.; Kim, K.; Hofstetter, H.; Pedersen, J. A.; Elsner, M. |
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| 저널 | Environmental science & technology |
| 권·호·쪽 | 52(13), 7259-7268 |
| PMID | 29790342 |
| DOI | 10.1007/s00216-011-5541-y |
| MeSH | Biodegradation, Environmental; Glycine; Herbicides; Liposomes; Glyphosate |