| Bioremédiation par Trametes versicolor - champignon de la pourriture blanche |
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1. La bioremédiation 2. Le règne des champignons 3. La bioremédiation par les champignons 4. Les champignons de la pourriture blanche et brune ("White / brown rot fungi") 5.Processus global de dégradation des lignines et des composés polycycliques aromatiques |
6. Le champignon Trametes versicolor 7. Les peroxydases 8. Les laccases 9. Les oxalate décarboxylases 10. Liens Internet et références bibliographiques |
Ce projet de bioremédiation de résidus médicamenteux et de micropolluants dans l'environnement par un champignon est piloté par Maxime Pontié, Professeur en génie des procédés à l'Université d'Angers. |
1. La bioremédiation La bioremédiation est une stratégie efficace pour nettoyer les contaminants organiques, tels que les hydrocarbones aromatiques polycycliques ("Polycyclic Aromatic Hydrocarbons" - PAH) qui sont des molécules à haut potentiel mutagène, cancérogène et reprotoxique (CMR) et certains composés pharmaceutiques. La bioremédiation utilise les processus biochimiques (le métabolisme) de microorganismes (algues, bactéries et champignons) pour transformer les contaminants (polluants) en substances inertes. Exemples de domaines et de lieux où la bioremédiation a complètement dégradé les contaminants : sols contaminés par du goudron de houille, par du créosote, par des hydrocarbures, par du compost, par du pyrène, des boues de pétrole, par des déchets solides municipaux, boues d'épuration ou sédiments marins contaminés. |
2. Le règne des champignons (eumycota, fungus, fungi) On dénombre environ 100.000 organismes du règne des champignons (eucaryotes, hétérotrophes, unicellulaires ou pluricellulaires filamenteux) qui comprend les levures, les rouilles, les charbons, les moisissures et les champignons. On suppose qu'il en existe plusieurs millions. Il existe :
Principaux groupes de champignons : Chytridiomycota, Zygomycota, Glomeromycota, Ascomycota et Basidiomycota.
Source : Introductory Mycology BOT 461/561 La majorité (environ 98%) des espèces fongiques décrites sont des membres du clade dikarya qui comprend les phyla Ascomycota et Basidiomycota :
Source : MycoCosm ("The fungal genomics resource") |
3. La bioremédiation par les champignons L'utilisation des champignons comme agents de bioremédiation fait l'objet de travaux de recherche du fait du potentiel de leurs enzymes oxydantes dans la transformation enzymatique de polluants dans l'environnement. C'est le cas notamment de champignons appartenant aux Ascomycètes (Ascomycota) et aux Zygomycètes (Zygomycota). Les composés pharmaceutiques Ils recouvrent un large éventail de structures chimiques, généralement classées selon leur fonction thérapeutique : lipides régulateurs, médicaments anti-inflammatoires, analgésiques ou psychiatriques, antibiotiques, β-bloquants, oestrogènes, produits de contraste iodés, et autres ... Ils sont généralement composés d'hétérocycles (contenant de l'azote, de l'oxygène ou du soufre) constitués de 3 ou 4 noyaux aromatiques ou composés de macrocycles. Les structures aromatiques confèrent aux composés pharmaceutiques des propriétés liées à l'aromaticité, aux réaction de substitution électrophile et des propriétés de stabilisation par résonance : il en résulte une faible solubilité dans l'eau. Les composés pharmaceutiques sont donc difficilement biodégradables par les micro-organismes. Les composés pharmaceutiques contiennent des groupes fonctionnels donneurs d'électrons tels que le groupe hydroxyle (paracétamol), le groupe carbonyle (quinolones), le groupe amine (carbamazépine, triméthoprime), un chlore électronégatif (triclosan, diclofénac) ou des groupes fluorés (ciprofloxacine). En regard de cette large diversité de structures chimiques, et en l'absence de données quant au contenu en enzymes d'un micro-organisme donné (au moins sous la forme de la séquence du génome) il est difficile de prévoir les réactions du métabolisme de ce micro-organisme, donc ses capacités de dégradation de tel composé. |
| Polluants chimiques et pharmaceutiques | M.M. (g/mol) | Solubilité dans H20 |
| Drogues illicites : eaux usées municipales et des hôpitaux | ||
| methylphenethylamine (amphétamine) (C9H13N) | 135,2 | faible |
| N-methylamphetamine (methamphétamine) (C10H15N) | 149,2 | 500 000 mg/L |
| Médicaments : Excrétions humaines et déchets pharmaceutiques dans les eaux usées municipales, des hôpitaux et des décharges | ||
| Acétaminophène (Paracetamol) (C8H9NO2) | 151,2 | 14 000 mg/L |
| Carbamazepine (C15H12N2O) | 236,3 | 18 mg/L |
| Ciprofloxacine (C17H18FN3O3) | 331,3 | 30 000 mg/L |
| Acide clofibrique (C10H11ClO3) | 214,7 | 583 mg/L |
| Diazepam (C16H13ClN2O) | 284,7 | 66 mg/L |
| Diclofénac (C14H11Cl2NO2) | 296,1 | 2,4 mg/L |
| Flumequine (C14H12FNO3) | 261,3 | 2,2 mg/mL |
| Furosemide (C12H11ClN2O5S) | 330,7 | 1 mg/mL |
| Gemfibrozil (C15H22O3) | 250,3 | 11 mg/L |
| Ibuprofène (C13H18O2) | 206,3 | 21 mg/L |
| Metoprolol (C15H25NO3) | 267,4 | 16 000 mg/L |
| Naproxène (C14H14O3) | 230,3 | 15,9 mg/L |
| Omeprazole (C17H19N3O3S) | 345,4 | 3,5 10-2 mg/mL |
| Sulfamethoxazole (C10H11N3O3S) | 253,3 | 610 mg/L |
| Triclosan (C12H7Cl3O2) | 289,5 | 10 mg/L |
| Trimethoprim (C14H18N4O3) | 290,3 | 400 mg/L |
| Acide valproique (C8H16O2) | 144,2 | 2 000 mg/L |
| Warfarine (C19H16O4) | 308,3 | 1,7 10-2 mg/mL |
| Effluents domestiques et industriels | ||
| Benzophenone (C13H10O) | 182,2 | 137 mg/L |
| Ethylhexyl methoxycinnamate (C18H26O3) | 290,4 | 0,2 mg/L |
| Galaxolide (C18H26O) | 258,4 | 1,8 mg/L |
| Hormones : traitement humain et vétérinaire. Effluents hospitaliers et domestiques | ||
| 17-beta-estradiol (C18H24O2) | 272,4 | 3,9 mg/L |
| Estriol (C18H24O3) | 288,4 | 27,3 mg/L |
| Estrone (C18H22O2) | 270,4 | 12,4 mg/L |
| Mestranol (C21H26O2) | 310,4 | 1,1 mg/L |
| Autres | ||
| Bisphenol A (C15H16O2) | 228,3 | 300 mg/L |
| Nonylphenol (C15H24O) | 220,4 | 600 mg/L |
| Dioxyde de titane (TiO2) | 79,9 | 1 mg/mL |
| Source : Olicon-Hernandez et al. (2017) | ||
4. Les champignons de la pourriture blanche et brune ("White / brown rot fungi") Les parois cellulaires végétales sont des mélanges complexes de biopolymères, notamment la cellulose, les lignines et l'hémicellulose. Le bois (xylème secondaire) est enrichi en lignines et peut également contenir des métabolites secondaires très variables. La dégradation enzymatique des parois cellulaires végétales est une propriété des champignons. Les quelques 27.000 taxons qui constituent actuellement le phylum basidiomycètes sont divisés en 3 sous-phyla : Agaricomycotina, Pucciniomycotina et Ustilaginomycotina. Les principaux champignons qui décomposent le bois sont les Agaricomycètes. Ils sont généralement été classés en tant que pourriture blanche ("white rot") et pourriture brune ("brown rot").
Ces champignons sont robustes (températures élevées, large gamme de pH) et tolèrent des environnements toxiques : ils sont particulièrement adaptés pour un emploi de bioremédiation. Exemples de champignons filamenteux : Trametes versicolor, Rhizopus sp., Aspergillus niger, Aspergillus clavatus, Aspergillus nidulans, Aspergillus fumigatus, Aspergillus oryzae, Penicillium sp., Cunninghamella elegans. |
| pourriture blanche ("white rot") | pourriture brune ("brown rot") |
Les champignons responsables de la pourriture blanche possèdent :
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Les champignons responsables de ce type de pourriture :
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Les champignons de ces 2 catégories n'ont pas évolué de la même manière : ceux responsables de la pourriture brune dégradent plus efficacement les polysaccharides. Inversement, ils ont perdu une partie de leur matériel enzymatique et sont moins apte à dégrader les lignines et ils utilisent des mécanismes oxydatifs pour les modifier chimiquement. La modification ds lignines par des mécanismes oxydatifs s'effectue notamment par des espèces de l'oxygène hautement réactives telles que le radical hydroxyle généré non enzymatiquent par la réaction de Fenton : Fe3++ H2O2 => Fe2++ .OH + -OH |
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Exemples (les liens renvoient vers la taxonomie au NCBI) : |
Exemples (les liens renvoient vers la taxonomie au NCBI) : |
5. Processus global de dégradation des lignines et des composés polycycliques aromatiques La plupart des champignons basidiomycètes de la pourriture blanche sont capables de minéraliser complètement la lignine en CO2 et en H20. La dégradation de la lignine met en jeu :
La dégradation de la lignine dépend d'un ensemble d'enzymes, notamment :
Chaque enzyme de dégradation de la lignine agit différemment sur les organo-polluants et, ensemble, elles agissent sur différentes parties pour dégrader l'ensemble.
Figure ci-dessous : réactions possibles de dégradation de l'anthracène par Trametes versicolor. Lors de la dernière étape, l'acide benzène dicarboxylique (acide phtalique) est ouvert pour former un acide dicarboxylique à chaîne droite : celui-ci peut être métabolisé en CO2 par la β-oxydation des acides gras et le cycle de Krebs en dioxyde de carbone.
Adapté de B. Goblirsch & M. Turnbull (2007) - base de données "Biocatalysis/Biodegradation Database" Exemples d'enzymes :
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La dégradation du kétoprofène (initiée par le cytochrome P450) le convertit :
La laccase semble n'avoir aucun rôle dans la dégradation du kétoprofène. |
La dégradation du naproxène aboutit à la formation du :
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Le triclosan :
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6. Le champignon Trametes versicolor Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, versicolor = "de plusieurs couleurs") est un champignon polypore (champignons qui forment des fructifications avec des pores ou des tubes sur la face inférieure) trouvé partout sur terre.
Source : NCBI |
| Quelques caractéristiques de Trametes versicolor | ||
| Taxonomie : Eukaryota; Opisthokonta; Fungi; Dikarya; Basidiomycota; Agaricomycotina; Agaricomycetes; Agaricomycetes incertae sedis; Polyporales; Polyporaceae |
Genre: Trametes Espèce: versicolor |
Mycobank : 281625 NCBI : 5325 |
Le génome (FP-101664 SS1) de Trametes versicolor (L.) Lloyd a été séquencé dans le cadre d'un projet multi-génome (Floudas et al., 2012). Il a une longueur de 44,79 millions de paires de bases (% GC = 57,3) codant pour 14302 protéines. Les substrats de Trametes versicolor sont essentiellement des bois d'angiospermes (exemples : Populus sp, Quercus sp). Conditions de culture in vitro de Trametes versicolor (NBRC4937) Kummer (type: Florida) (ATCC no. MYA-2306) : transfert periodique sur un milieu "Potato Dextrose Yeast extract agar" (milieu PDY) : dextrose de pomme de terre 24 g.L-1; extrait de levure 5 g.L-1; agar 15 g.L-1) . |
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| Contenu en enzymes | ||
de dégradation de la lignine et de composés aromatiques :
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de dégradation des polysaccharides - classement selon la base de données CAZy ("Carbohydrate-Active enZYmes Database") :
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| Voir la liste des enzymes de Trametes versicolor impliquées dans le métabolisme de xénobiotiques. | ||
Trametes versicolor est un champignon capable de dégrader :
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Dégradation du diclofénac par Trametes versicolor
La bioremédiation par le champignon de la pourriture blanche Trametes versicolor forme divers intermédiaires plus ou moins toxiques (Marco-Urrea et al., 2010).
Rôles biologiques :
Article : Pontié et al. (2018) "Enhanced direct oxidation of diclofenac (DCF) at a carbon paste electrode (CPE) modified with cellulose and its biodegradability by Scedosporium dehoogii" Res. Rev. Electrochem. 9, 114 - 128 |
Dégradation de l'ibuprofène L'ibuprofène (C13H18O2) appartient à la classe des composés acides phenylpropanoiques.
Rôles biologiques :
Métabolites probables formés lors de la biodégradation de l'ibuprofène L'oxydation de la chaîne isopropyle de l'ibuprophène par Trametes versicolor forme le 1-hydroxy ibuprophène et le 2-hydroxy ibuprophène, eux-mêmes transformés en 1,2-dihydroxy ibuprofène (figure ci-dessous) qui n'est pas dégradé : l'écotoxicité des effluents traités est donc supérieure à celle de la solution initiale. Ces métabolites ont été identifiés par RMN (Marco-Urrea et al., 2009).
La biodégradation par l'algue Navicula sp. (figure ci-dessous) forme les métabolites probables TP 225, 239, 353 et 369 identifiés par spectrométrie de masse en tandem (Ding et al., 2017).
Figure ci-dessous : réactions possibles pour la biodégradation de l'ibuprofène par la bactérie Sphingomonas sp.. Cette voie semble plausible puisqu'il a été suggéré que la monooxygénase et la catéchol 1,2-dioxygénase participent à la dégradation de l'ibuprofène par la souche B1 de B. thuringiensis. Cette figure est adaptée de Ellis L. (2011) "Biocatalysis/Biodegradation Database, Ibuprofen Pathway Map".
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| Autres exemples de biotransformation de composés pharmaceutiques par Trametes versicolor | |||
| Groupe | Composé | Eaux urbaines souillées - culture en conditions stériles | |
| Concentration (μg.L-1) | Dégradation (%) | ||
| Analgésiques / anti-inflammatoires | Naproxène | 35.58 | 100 |
| Ibuprofène | 12.61 | 100 | |
| Acétaminophène | 3.87 | 100 | |
| Acide salicylique | 0.85 | 46 | |
| Ketoprofen | 0.48 | 35 | |
| Codéine | 0.02 | 100 | |
| Antibiotiques | Erythromycine | 0.33 | 100 |
| Metronidazole | 0.05 | 100 | |
| Médicaments psychiatriques | Carbamazepine (CBZ) | 0.7 | 37 |
| 10,11-epoxy CBZ | 19.82 | 100 | |
| 2-Hydroxy CBZ | 0.5 | 46 | |
| Acridinone | 1.01 | 100 | |
| Citalopram | 0.1 | 100 | |
| Source : Cruz-Morato et al. (2013) L'acide 2-(6-hydroxynaphthalen-2-yl)propanoique et la 1-(6-methoxynaphthalen-2-yl)ethanone sont des intermédiaires de la dégradation du Naproxen. |
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Divers |
caféine | 149 103 | 39 |
| Aténolol | 3000 | 75 | |
| Métoprolol | 19 | 95 | |
| Propanolol | 60 | 100 | |
| Antipyrine | 497 | 96 | |
| Gemfibrozil | 5 | 95 | |
| Triclosan | 5 | 95 | |
| 17-α éthinylestradiol 17-β estradiol |
5 | 95 | |
| Octocrylene | 5 | 94 | |
| Voltaren (analgésique) Source : Marco-Urrea et al. (2010c) |
Diclofénac produit de dégradation : 4-(2,6-dichlorophenylamino)-1,3-benzenedimethanol |
Condition de concentration de laboratoire (CCL) : 10.000 μg.L-1 |
100 |
| Benzenesulfonamides (antibiotiques) Source : Rodriguez-Rodriguez et al. (2012) |
Sulfapyridine et sulfathiazole sulfamethazine |
CCL : 10.000 μg.L-1 | 100 88 |
| Alkylphenols (perturbateurs endocriniens) Source : Catapane et al. (2013) |
Octylphenol et nonylphenol | Laccase purifiée et immobilisée | |
| Alkylphenols (perturbateurs endocriniens) Source : Pezzella et al. (2017) |
Bisphenol A, nonylphenol, methyl-parabène et butyl-parabène, dimethyl phthalate | 100 μM individuel et 20 μM en mélange | |
| Fluoroquinolones (antibiotiques) Source : Cvancarova et al. (2015) |
Norfloxacine, ofloxacine et ciprofloxacine | Implication probable de la peroxidase à manganèse dans les processus de dégradation | |
7. Les peroxydases - oxydation extracellulaire Les principales peroxydases à haut potentiel rédox de champignons dites de classe II, sont impliquées dans la biodégradation de la ligno-cellulose avec une gamme exceptionnelle de substrats organiques et inorganiques. Les peroxydases sont des enzymes contenant un seul hème (protoporphyrine IX), de sorte que le spectre d'absorption de ces enzymes a un maximum d'absorbance particulier à 406-409 nm. Les peroxydases sont divisées en plusieurs types.
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8. Les laccases - oxydation extracellulaire Les laccases (E.C. 1.10.3.2) sont des oxydoréductases à cuivre (4 atomes de cuivre par enzyme) trouvées dans de nombreuses plantes, champignons et micro-organismes. Ces enzymes ont une masse molaire ≥ 60 kDa (supérieures à celles des peroxydases) et un point isoélectrique acide. Les laccases sont glycosylées (asparagine). Voir Q12718 (LAC2_TRAVE). Les laccases catalysent l'oxydation directe de divers phénols, des polyphénols et des anilines, très présents chez les végétaux supérieurs, les champignons et les bactéries. Exemple de réaction d'oxydation avec échange d'électrons (réduction de O2 en H2O avec 4 électrons) : 4 benzène-diol + O2 <=> 4 benzo-semiquinone + 2 H2O Valeur du potentiel rédox : E0' = +0,4 V à +0,8 V. |
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L'acide oxalique est le principal acide organique formé par les champignons qui hydrolysent la lignine du bois. Chez les champignons, l'acide oxalique est synthétisé par le cycle de l'acide tricarboxylique dans les mitochondries et par le cycle du glyoxylate dans les glyoxysomes. L'oxalate décarboxylase (E.C. 4.1.1.2 ) des champignons est une enzyme contenant du manganèse qui décompose l'acide oxalique en acide formique et en CO2.
Voir Q9UVK4 (Q9UVK4_FLAVE). Les oxalate décarboxylases appartiennent à la superfamille des cupines. Elles contiennent 2 motifs cupine de liaison aux ions métalliques avec un repliement global en tonneau β. L'activité de l'oxalate décarboxylase a été criblée dans le mycélium de 12 champignons responsables de la pourriture blanche. L'activité de l'ODC a été détectée dans le mycélium de Dichomitus squalens, de Phanerochaete sanguinea, de Trametes ochracea et de Trametes versicolor après addition d'acide oxalique 5 mM dans le milieu de culture liquide. |
| 10. Liens Internet et références bibliographiques | |
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Biocatalysis/Biodegradation Database MycoBank MycoCosm "FungiDB: The Fungal and Oomycete Genomics Resource" "David Moore's World of Fungi: where mycology starts" JGI ("Joint Genome Institute") |
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Marco-Urrea et al. (2009) "Ability of white-rot fungi to remove selected pharmaceuticals and identification of degradation products of ibuprofen by Trametes versicolor" Chemosphere 74, 765 - 772 Gao et al.(2010) "The University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database: improving public access" Nucleic Acids Res. 38, D488 - D491 Marco-Urrea et al. (2010a) "Oxidation of atenolol, propranolol, carbamazepine, and clofibric acid by a biological Fenton-like system mediated by the white rot fungus Trametes versicolor" Water Res. 44, 521 - 532 |
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Marco-Urrea et al. (2010b) "Biodegradation of the analgesic naproxen by Trametes versicolor and identification of intermediates using HPLC-DAD-MS and NMR" Bioresource Technol. 101, 2159 - 2166 Marco-Urrea et al. (2010c) "Degradation of the drug sodium diclofenac by Trametes versicolor pellets and identification of some intermediates by NMR" J. Hazard. Mater. 176, 836 - 842 Harms et al. (2011) "Untapped potential: exploiting fungi in bioremediation of hazardous chemicals" Nat. Rev. Microbiol. 9, 177 - 192 Floudas et al. (2012) "The Paleozoic origin of enzymatic lignin decomposition reconstructed from 31 fungal genomes" Science 336, 1715 - 1719 |
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Arantes et al. (2012) "Peculiarities of brown-rot fungi and biochemical Fenton reaction with regard to their potential as a model for bioprocessing biomass" Appl. Microbiol. Biotechnol. 94, 323 - 338 Rodarte-Morales et al. (2012) "Biotransformation of three pharmaceutical active compounds by the fungus Phanerochaete chrysosporium in a fed batch stirred reactor under air and oxygen supply" Biodegradation 23, 145 - 156 Rodriguez-Rodriguez et al. (2012) "Continuous degradation of a mixture of sulfonamides by Trametes versicolor and identification of metabolites from sulfapyridine and sulfathiazole" J. Hazard. Mater. 213, 347 - 354 Nguyen et al. (2013) "Removal of trace organic contaminants by an MBR comprising a mixed culture of bacteria and white-rot fungi" Bioresour. Technol. 148, 234 - 241 Cruz-Morato et al. (2013) "Degradation of pharmaceuticals in non-sterile urban wastewater by Trametes versicolor in a fluidized bed bioreactor" Water Res. 47, 5200 - 5210 Cruz-Morato et al. (2014) "Hospital wastewater treatment by fungal bioreactor: removal efficiency for pharmaceuticals and endocrine disruptor compounds" Sci. Total. Environ. 493, 365 - 376 |
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Pollegioni et al. (2015) "Lignin-degrading enzymes" FEBS J. 282, 1190 - 1213 Blasi et al. (2016) "Pathogenic yet environmentally friendly ? Black fungal candidates for bioremediation of pollutants" Geomicrobiol. J. 33, 308 - 317 Mbokou et al. (2016a) "Electroanalytical performance of a carbon paste electrode modified by coffee Husks for the quantification of acetaminophen in quality control of commercialized pharmaceutical tablets" Int. J. Electrochem. 2016, Art. ID 1953278 Ding et al. (2017) "Toxicity, degradation and metabolic fate of ibuprofen on freshwater diatom Navicula sp" J. Hazard. Mater. 330, 127 - 134 |
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Blasi et al. (2017) "Genomic and transcriptomic analysis of the toluene degrading black yeast Cladophialophora immunda" Sci. Rep. 7, 11436 Gao et al. (2017) "Proteomic analysis reveals large amounts of decomposition enzymes and major metabolic pathways involved in algicidal process of Trametes versicolor F21a" Sci. Rep. 7, 3907 Mazlan et al. (2017) "A New Laccase Based Biosensor for Tartrazine" Sensors (Basel) 17, 2859 Sys et al. (2017) "Electrochemical study of trametes versicolor laccase compatibility to different polyphenolic substrates" Chemosensors 5, 9 Olicon-Hernandez et al. (2017) "Overview on the biochemical potential of filamentous fungi to degrade pharmaceutical compounds" Front. Microbiol. 8, 1792 |
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Asif et al. (2017) "Degradation of Pharmaceuticals and Personal Care Products by White-Rot Fungi - a Critical Review" v Pontié et al. (2018) "Enhanced direct oxidation of diclofenac (DCF) at a carbon paste electrode (CPE) modified with cellulose and its biodegradability by Scedosporium dehoogii" Res. Rev. Electrochem. 9, 114 - 128 Ecker & Fulop (2018) "Lignin peroxidase ligand access channel dysfunction in the presence of atrazine" Sci. Rep. 8, 5989 Vermaas et al. (2019) "Systematic parameterization of lignin for the CHARMM force field" Green Chem. DOI: 10.1039/C8GC03209B |
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