Die artikel is deel van die navorsingsonderwerp "Gevorderde bioremediëringstegnologieë en sintetiese organiese verbindings (SOC) herwinningsprosesse". Bekyk al 14 artikels.
Lae molekulêre gewig polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's) soos naftaleen en gesubstitueerde naftalene (metielnaftaleen, naftoësuur, 1-naftiel-N-metielkarbamaat, ens.) word wyd gebruik in verskeie industrieë en is genotoksies, mutageen en/of karsinogeen vir organismes. Hierdie sintetiese organiese verbindings (SOS'e) of xenobiotika word as prioriteitsbesoedelingstowwe beskou en hou 'n ernstige bedreiging vir die globale omgewing en openbare gesondheid in. Die intensiteit van menslike aktiwiteite (bv. steenkoolvergassing, olieraffinering, voertuiguitlaatgasse en landboukundige toepassings) bepaal die konsentrasie, lot en vervoer van hierdie alomteenwoordige en aanhoudende verbindings. Benewens fisiese en chemiese behandelings-/verwyderingsmetodes, het groen en omgewingsvriendelike tegnologieë soos bioremediëring, wat mikroörganismes gebruik wat POS'e volledig kan afbreek of dit in nie-giftige neweprodukte kan omskep, na vore gekom as 'n veilige, koste-effektiewe en belowende alternatief. Verskeie bakteriese spesies wat behoort aan die filum Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, en Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus en Paenibacillus), en Actinobacteria (Rhodococcus en Arthrobacter) in die grondmikrobiota, het die vermoë getoon om verskeie organiese verbindings af te breek. Metaboliese studies, genomika en metagenomiese analise help ons om die kataboliese kompleksiteit en diversiteit wat in hierdie eenvoudige lewensvorme teenwoordig is, te verstaan, wat verder toegepas kan word vir doeltreffende biodegradasie. Die langtermyn bestaan ​​van PAK's het gelei tot die opkoms van nuwe degradasiefenotipes deur horisontale geenoordrag met behulp van genetiese elemente soos plasmiede, transposons, bakteriofage, genomiese eilande en integrerende konjugatiewe elemente. Sisteembiologie en genetiese manipulasie van spesifieke isolate of modelgemeenskappe (konsortia) kan omvattende, vinnige en doeltreffende bioremediëring van hierdie PAK's moontlik maak deur sinergistiese effekte. In hierdie oorsig fokus ons op die verskillende metaboliese weë en diversiteit, genetiese samestelling en diversiteit, en sellulêre reaksies/aanpassings van naftaleen en gesubstitueerde naftaleen-afbrekende bakterieë. Dit sal ekologiese inligting verskaf vir veldtoepassing en spanningsoptimalisering vir doeltreffende bioremediëring.
Vinnige ontwikkeling van nywerhede (petrochemikalieë, landbou, farmaseutiese produkte, tekstielkleursels, skoonheidsmiddels, ens.) het bygedra tot wêreldwye ekonomiese voorspoed en verbeterde lewenstandaarde. Hierdie eksponensiële ontwikkeling het gelei tot die produksie van 'n groot aantal sintetiese organiese verbindings (SOS'e), wat gebruik word om verskeie produkte te vervaardig. Hierdie vreemde verbindings of SOS'e sluit in polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK'e), plaagdoders, onkruiddoders, weekmakers, kleurstowwe, farmaseutiese produkte, organofosfate, vlamvertragers, vlugtige organiese oplosmiddels, ens. Hulle word in die atmosfeer, akwatiese en terrestriële ekosisteme vrygestel waar hulle multidimensionele impakte het, wat nadelige gevolge vir verskeie biovorme veroorsaak deur verandering van fisies-chemiese eienskappe en gemeenskapsstruktuur (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Baie aromatiese besoedelstowwe het sterk en vernietigende impakte op baie intakte ekosisteme/biodiversiteitsbrandpunte (bv. koraalriwwe, Arktiese/Antarktiese ysplate, hoë bergmere, diepseesedimente, ens.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Onlangse geomikrobiologiese studies het getoon dat die afsetting van sintetiese organiese materiaal (bv. aromatiese besoedelstowwe) en hul derivate op die oppervlaktes van kunsmatige strukture (beboude omgewing) (bv. kulturele erfenisterreine en monumente van graniet, klip, hout en metaal) hul agteruitgang versnel (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Menslike aktiwiteite kan die biologiese agteruitgang van monumente en geboue versterk en vererger deur lugbesoedeling en klimaatsverandering (Liu et al. 2020). Hierdie organiese besoedelstowwe reageer met waterdamp in die atmosfeer en vestig op die struktuur, wat fisiese en chemiese agteruitgang van die materiaal veroorsaak. Biodegradasie word wyd erken as ongewenste veranderinge in die voorkoms en eienskappe van materiale wat deur lewende organismes veroorsaak word en wat hul bewaring beïnvloed (Pochon en Jaton, 1967). Verdere mikrobiese werking (metabolisme) van hierdie verbindings kan strukturele integriteit, bewaringseffektiwiteit en kulturele waarde verminder (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Aan die ander kant is in sommige gevalle bevind dat mikrobiese aanpassing aan en reaksie op hierdie strukture voordelig is, aangesien hulle biofilms en ander beskermende korste vorm wat die tempo van verval/ontbinding verminder (Martino, 2016). Daarom vereis die ontwikkeling van effektiewe langtermyn volhoubare bewaringsstrategieë vir klip-, metaal- en houtmonumente 'n deeglike begrip van die sleutelprosesse wat by hierdie proses betrokke is. In vergelyking met natuurlike prosesse (geologiese prosesse, bosbrande, vulkaniese uitbarstings, plant- en bakteriese reaksies), lei menslike aktiwiteite tot die vrystelling van groot volumes polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's) en ander organiese koolstof (OS) in ekosisteme. Baie PAK's wat in die landbou (insekdoders en plaagdoders soos DDT, atrasien, karbariel, pentachlorofenol, ens.), nywerhede (ru-olie, olieslyk/afval, petroleum-afgeleide plastiek, PCB's, weekmakers, skoonmaakmiddels, ontsmettingsmiddels, berokingsmiddels, geure en preserveermiddels), persoonlike versorgingsprodukte (sonskerms, ontsmettingsmiddels, insekafweermiddels en polisikliese muskus) en ammunisie (plofstof soos 2,4,6-TNT) gebruik word, is potensiële xenobiotika wat 'n impak op die planeet se gesondheid kan hê (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna en Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Hierdie lys kan uitgebrei word om petroleum-afgeleide verbindings (brandstofolies, smeermiddels, asfaltene), hoë molekulêre gewig bioplastiek en ioniese vloeistowwe in te sluit (Amde et al., 2015). Tabel 1 lys verskeie aromatiese besoedelstowwe en hul toepassings in verskeie nywerhede. In onlangse jare het antropogeniese uitlatings van vlugtige organiese verbindings, sowel as koolstofdioksied en ander kweekhuisgasse, begin toeneem (Dvorak et al., 2017). Antropogeniese impakte oorskry egter natuurlike impakte aansienlik. Daarbenewens het ons gevind dat 'n aantal SOC's in baie omgewingsomgewings voortduur en geïdentifiseer is as opkomende besoedelstowwe met nadelige gevolge vir biome (Figuur 1). Omgewingsagentskappe soos die Verenigde State se Omgewingsbeskermingsagentskap (USEPA) het baie van hierdie besoedelstowwe in hul prioriteitslys ingesluit as gevolg van hul sitotoksiese, genotoksiese, mutageniese en karsinogene eienskappe. Daarom is streng wegdoeningsregulasies en effektiewe strategieë vir afvalbehandeling/verwydering uit besmette ekosisteme nodig. Verskeie fisiese en chemiese behandelingsmetodes soos pirolise, oksidatiewe termiese behandeling, lugbelugting, storting, verbranding, ens. is ondoeltreffend en duur en genereer korrosiewe, giftige en moeilik behandelbare neweprodukte. Met toenemende wêreldwye omgewingsbewustheid trek mikroörganismes wat hierdie besoedelingstowwe en hul derivate (soos gehalogeneerde, nitro, alkiel en/of metiel) kan afbreek, toenemende aandag (Fennell et al., 2004; Haritash en Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Die gebruik van hierdie inheemse kandidaat-mikroörganismes alleen of in gemengde kulture (kolonies) vir die verwydering van aromatiese besoedelingstowwe het voordele in terme van omgewingsveiligheid, koste, doeltreffendheid, effektiwiteit en volhoubaarheid. Navorsers ondersoek ook die integrasie van mikrobiese prosesse met elektrochemiese redoksmetodes, naamlik bioelektrochemiese stelsels (BES), as 'n belowende tegnologie vir die behandeling/verwydering van besoedelingstowwe (Huang et al., 2011). BES-tegnologie het toenemende aandag getrek as gevolg van sy hoë doeltreffendheid, lae koste, omgewingsveiligheid, kamertemperatuurwerking, bioversoenbare materiale en die vermoë om waardevolle neweprodukte (bv. elektrisiteit, brandstof en chemikalieë) te herwin (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Die koms van hoë-deurset genoomvolgordebepaling en omika-instrumente/metodes het 'n magdom nuwe inligting verskaf oor die genetiese regulering, proteomika en fluksomika van die reaksies van verskeie afbrekende mikroörganismes. Deur hierdie instrumente met sisteembiologie te kombineer, het ons begrip van die seleksie en fyn afstemming van teikenkataboliese weë in mikroörganismes (d.w.s. metaboliese ontwerp) verder verbeter om doeltreffende en effektiewe biodegradasie te bereik. Om effektiewe bioremediëringsstrategieë te ontwerp met behulp van geskikte kandidaat-mikroörganismes, moet ons die biochemiese potensiaal, metaboliese diversiteit, genetiese samestelling en ekologie (outo-ekologie/sinekologie) van mikroörganismes verstaan.
Fig. 1. Bronne en weë van lae-molekulêre PAK's deur verskeie omgewingsomgewings en verskeie faktore wat biota beïnvloed. Stippellyne verteenwoordig interaksies tussen ekosisteemelemente.
In hierdie oorsig het ons gepoog om die data oor die afbraak van eenvoudige PAK's soos naftaleen en vervangende naftalene deur verskeie bakteriese isolate op te som, wat metaboliese weë en diversiteit, ensieme betrokke by afbraak, geensamestelling/inhoud en diversiteit, sellulêre reaksies en verskeie aspekte van bioremediëring dek. Begrip van die biochemiese en molekulêre vlakke sal help om geskikte gasheerstamme en hul verdere genetiese manipulasie vir effektiewe bioremediëring van sulke prioriteitsbesoedelingstowwe te identifiseer. Dit sal help met die ontwikkeling van strategieë vir die vestiging van terreinspesifieke bakteriese konsortiums vir effektiewe bioremediëring.
Die teenwoordigheid van 'n groot aantal giftige en gevaarlike aromatiese verbindings (wat voldoen aan die Huckel-reël 4n + 2π-elektrone, n = 1, 2, 3, ...) hou 'n ernstige bedreiging in vir verskeie omgewingsmedia soos lug, grond, sedimente, en oppervlak- en grondwater (Puglisi et al., 2007). Hierdie verbindings het enkele benseenringe (monosikliese) of veelvuldige benseenringe (polisiklies) wat in lineêre, hoekige of trosvorm gerangskik is en vertoon stabiliteit (stabiliteit/onstabiliteit) in die omgewing as gevolg van hoë negatiewe resonansie-energie en traagheid (inertheid), wat verklaar kan word deur hul hidrofobisiteit en gereduseerde toestand. Wanneer die aromatiese ring verder vervang word deur metiel- (-CH3), karboksiel- (-COOH), hidroksiel- (-OH) of sulfonaat- (-HSO3) groepe, word dit meer stabiel, het dit 'n sterker affiniteit vir makromolekules, en is dit bioakkumulatief in biologiese stelsels (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Sommige polisikliese aromatiese koolwaterstowwe met 'n lae molekulêre gewig (LMWAK's), soos naftaleen en die derivate daarvan [metielnaftaleen, naftoesuur, naftaleensulfonaat en 1-naftiel-N-metielkarbamaat (karbariel)], is deur die Amerikaanse Omgewingsbeskermingsagentskap as genotoksies, mutageen en/of karsinogeen ingesluit in die lys van prioriteitsorganiese besoedelingstowwe (Cerniglia, 1984). Die vrystelling van hierdie klas NM-PAK's in die omgewing kan lei tot bioakkumulasie van hierdie verbindings op alle vlakke van die voedselketting, wat die gesondheid van ekosisteme beïnvloed (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Die bronne en weë van PAK's na biota is hoofsaaklik deur migrasie en interaksies tussen verskillende ekosisteemkomponente soos grond, grondwater, oppervlakwater, gewasse en die atmosfeer (Arey en Atkinson, 2003). Figuur 1 toon die interaksies en verspreiding van verskillende lae molekulêre gewig PAK's in ekosisteme en hul weë na biota/menslike blootstelling. PAK's word op oppervlaktes neergelê as gevolg van lugbesoedeling en deur die migrasie (drywing) van voertuiguitlaatgasse, industriële uitlaatgasse (steenkoolvergassing, verbranding en kooksproduksie) en hul neerslag. Industriële aktiwiteite soos die vervaardiging van sintetiese tekstiele, kleurstowwe en verf; houtpreservering; rubberverwerking; sementvervaardigingsaktiwiteite; plaagdoderproduksie; en landboukundige toepassings is belangrike bronne van PAK's in terrestriële en akwatiese stelsels (Bamforth en Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Studies het getoon dat gronde in voorstedelike en stedelike gebiede, naby snelweë en in groot stede meer vatbaar is vir polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's) as gevolg van uitlatings van kragsentrales, residensiële verhitting, lug- en padverkeerslaste, en konstruksieaktiwiteite (Suman et al., 2016). (2008) het getoon dat PAK's in grond naby paaie in New Orleans, Louisiana, VSA so hoog as 7189 μg/kg was, terwyl dit in oop ruimtes slegs 2404 μg/kg was. Net so is PAK-vlakke so hoog as 300 μg/kg aangemeld in gebiede naby steenkoolvergassingsterreine in verskeie Amerikaanse stede (Kanaly en Harayama, 2000; Bamforth en Singleton, 2005). Daar is berig dat gronde van verskeie Indiese stede soos Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni en Venkataraman, 2000) en Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) hoë konsentrasies PAK's bevat. Aromatiese verbindings word makliker geadsorbeer aan gronddeeltjies, organiese materiaal en kleiminerale, en word dus belangrike koolstofputte in ekosisteme (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Die hoofbronne van PAK's in akwatiese ekosisteme is neerslag (nat/droë neerslag en waterdamp), stedelike afloop, afvalwaterafvoer, grondwateraanvulling, ens. (Srogi, 2007). Daar word beraam dat ongeveer 80% van PAK's in mariene ekosisteme afkomstig is van neerslag, sedimentasie en afvalafvoer (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Hoër konsentrasies PAK's in oppervlakwater of loogwater van vaste afvalstortingsterreine lek uiteindelik in grondwater, wat 'n groot bedreiging vir die openbare gesondheid inhou, aangesien meer as 70% van die bevolking in Suid- en Suidoos-Asië grondwater drink (Duttagupta et al., 2019). 'n Onlangse studie deur Duttagupta et al. (2020) van rivier- (32) en grondwater- (235) ontledings van Wes-Bengale, Indië, het bevind dat 'n geraamde 53% van stedelike inwoners en 44% van landelike inwoners (altesaam 20 miljoen inwoners) blootgestel kan word aan naftaleen (4.9–10.6 μg/L) en sy derivate. Differensiële grondgebruikspatrone en verhoogde grondwateronttrekking word beskou as die hooffaktore wat die vertikale vervoer (adveksie) van lae molekulêre gewig PAK's in die ondergrond beheer. Daar is gevind dat landbou-afloop, munisipale en industriële afvalwaterstortings, en vaste afval/vullisstortings deur PAK's in rivierkomme en ondergrondse sedimente beïnvloed word. Atmosferiese neerslag vererger PAK-besoedeling verder. Hoë konsentrasies PAK's en hul alkielderivate (51 in totaal) is in riviere/opvanggebiede wêreldwyd aangemeld, soos die Fraserrivier, Louanrivier, Densorivier, Missouririvier, Anacostiarivier, Ebrorivier en Delawarerivier (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). In die Gangesrivierkoms-sedimente is naftaleen en fenantreen die belangrikste gevind (opgespoor in 70% van die monsters) (Duttagupta et al., 2019). Verder het studies getoon dat chlorinering van drinkwater kan lei tot die vorming van meer giftige suurstofryke en gechloreerde PAK's (Manoli en Samara, 1999). PAK's versamel in graankosse, vrugte en groente as gevolg van opname deur plante uit besmette grond, grondwater en neerslag (Fismes et al., 2002). Baie waterorganismes soos visse, mossels, gaarmossels en garnale word met PAK's besmet deur die verbruik van besmette voedsel en seewater, sowel as deur weefsels en vel (Mackay en Fraser, 2000). Kook-/verwerkingsmetodes soos braai, rooster, rook, braai, droogmaak, bak en houtskoolkook kan ook lei tot beduidende hoeveelhede PAK's in voedsel. Dit hang grootliks af van die keuse van rookmateriaal, fenoliese/aromatiese koolwaterstofinhoud, kookprosedure, verwarmertipe, voginhoud, suurstoftoevoer en verbrandingstemperatuur (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's) is ook in melk teen verskillende konsentrasies (0.75–2.1 mg/L) opgespoor (Girelli et al., 2014). Die ophoping van hierdie PAK's in voedsel hang ook af van die fisies-chemiese eienskappe van voedsel, terwyl hul toksiese effekte verband hou met fisiologiese funksies, metaboliese aktiwiteit, absorpsie, verspreiding en liggaamsverspreiding (Mechini et al., 2011).
Die toksisiteit en skadelike effekte van polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's) is al lank bekend (Cherniglia, 1984). Lae molekulêre gewig polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (LMW-PAK's) (twee tot drie ringe) kan kovalent bind aan verskeie makromolekules soos DNS, RNS en proteïene en is karsinogeen (Santarelli et al., 2008). As gevolg van hul hidrofobiese aard word hulle geskei deur lipiedmembrane. By mense oksideer sitochroom P450 monooksigenases PAK's na epoksiede, waarvan sommige hoogs reaktief is (bv. baediol-epoksied) en kan lei tot die transformasie van normale selle in maligne selle (Marston et al., 2001). Daarbenewens is die transformasieprodukte van PAK's soos kinone, fenole, epoksiede, diole, ens. meer toksies as die ouerverbindings. Sommige PAK's en hul metaboliese tussenprodukte kan hormone en verskeie ensieme in metabolisme beïnvloed, wat sodoende groei, die sentrale senuweestelsel, die voortplantings- en immuunstelsels nadelig beïnvloed (Swetha en Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Daar is berig dat korttermyn blootstelling aan lae molekulêre gewig PAK's verswakte longfunksie en trombose by asmalyers veroorsaak en die risiko van vel-, long-, blaas- en gastroïntestinale kankers verhoog (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Dierestudies het ook getoon dat PAK-blootstelling nadelige gevolge vir voortplantingsfunksie en -ontwikkeling kan hê en katarakte, nier- en lewerskade, en geelsug kan veroorsaak. Verskeie PAK-biotransformasieprodukte soos diole, epoksiede, kinone en vrye radikale (katione) het getoon dat hulle DNA-addukte vorm. Daar is getoon dat stabiele addukte die DNS-replikasiemasjinerie verander, terwyl onstabiele addukte DNS kan depurineer (hoofsaaklik na adenien en soms na guanien); beide kan foute genereer wat tot mutasies lei (Schweigert et al. 2001). Daarbenewens kan kinone (benso-/pan-) reaktiewe suurstofspesies (ROS) genereer, wat noodlottige skade aan DNS en ander makromolekules veroorsaak, en sodoende weefselfunksie/lewensvatbaarheid beïnvloed (Ewa en Danuta 2017). Chroniese blootstelling aan lae konsentrasies pireen, bifeniel en naftaleen is aangemeld as 'n oorsaak van kanker in eksperimentele diere (Diggs et al. 2012). As gevolg van hul dodelike toksisiteit, is die opruiming/verwydering van hierdie PAK's van geaffekteerde/besmette plekke 'n prioriteit.
Verskeie fisiese en chemiese metodes is gebruik om PAK's uit besmette terreine/omgewings te verwyder. Prosesse soos verbranding, dechlorering, UV-oksidasie, fiksasie en oplosmiddelekstraksie het baie nadele, insluitend die vorming van giftige neweprodukte, proseskompleksiteit, veiligheids- en regulatoriese kwessies, lae doeltreffendheid en hoë koste. Mikrobiese biodegradasie (genoem bioremediëring) is egter 'n belowende alternatiewe benadering wat die gebruik van mikroörganismes in die vorm van suiwer kulture of kolonies behels. In vergelyking met fisiese en chemiese metodes is hierdie proses omgewingsvriendelik, nie-indringend, koste-effektief en volhoubaar. Bioremediëring kan op die geaffekteerde terrein (in situ) of op 'n spesiaal voorbereide terrein (ex situ) uitgevoer word en word dus as 'n meer volhoubare remediëringsmetode as tradisionele fisiese en chemiese metodes beskou (Juhasz en Naidu, 2000; Andreoni en Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Om die mikrobiese metaboliese stappe betrokke by die afbraak van aromatiese besoedelstowwe te verstaan, het enorme wetenskaplike en ekonomiese implikasies vir ekologiese en omgewingsvolhoubaarheid. Na raming word 2.1×1018 gram koolstof (C) wêreldwyd in sedimente en organiese verbindings (d.w.s. olie, natuurlike gas en steenkool, d.w.s. fossielbrandstowwe) gestoor, wat 'n beduidende bydrae tot die globale koolstofsiklus lewer. Vinnige industrialisering, fossielbrandstofonttrekking en menslike aktiwiteite put egter hierdie litosferiese koolstofreservoirs uit, wat jaarliks ​​na raming 5.5×1015 g organiese koolstof (as besoedelstowwe) in die atmosfeer vrystel (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Die meeste van hierdie organiese koolstof beland in terrestriële en mariene ekosisteme deur sedimentasie, vervoer en afloop. Daarbenewens besoedel nuwe sintetiese besoedelstowwe afgelei van fossielbrandstowwe, soos plastiek, weekmakers en plastiekstabiliseerders (ftalate en hul isomere), mariene, grond- en akwatiese ekosisteme en hul biota ernstig, wat die globale klimaatrisiko's vererger. Verskeie soorte mikroplastiek, nanoplastiek, plastiekfragmente en hul giftige monomeerprodukte afgelei van poliëtileentereftalaat (PET) het in die Stille Oseaan tussen Noord-Amerika en Suidoos-Asië opgehoop en die "Groot Stille Oseaan-vullisvlek" gevorm, wat seelewe skade berokken (Newell et al., 2020). Wetenskaplike studies het bewys dat dit nie moontlik is om sulke besoedelingstowwe/afval deur enige fisiese of chemiese metodes te verwyder nie. In hierdie konteks is die nuttigste mikroörganismes dié wat besoedelingstowwe oksidatief kan metaboliseer in koolstofdioksied, chemiese energie en ander nie-giftige neweprodukte wat uiteindelik ander voedingstofsiklusprosesse (H2, O2, N2, S2, P2, Fe2, ens.) binnedring. Dus is die begrip van die mikrobiese ekofisiologie van aromatiese besoedelingsmineralisasie en die omgewingsbeheer daarvan van kritieke belang vir die beoordeling van die mikrobiese koolstofsiklus, netto koolstofbegroting en toekomstige klimaatsrisiko's. Gegewe die dringende behoefte om sulke verbindings uit die omgewing te verwyder, het verskeie eko-industrieë wat op skoon tegnologieë fokus, na vore gekom. Alternatiewelik word die valorisering van industriële afval/afvalchemikalieë wat in ekosisteme opgehoop word (d.w.s. die afval-tot-rykdom-benadering) beskou as een van die pilare van die sirkelekonomie en volhoubare ontwikkelingsdoelwitte (Close et al., 2012). Daarom is die begrip van die metaboliese, ensiematiese en genetiese aspekte van hierdie potensiële afbraakkandidate van die uiterste belang vir die effektiewe verwydering en bioremediëring van sulke aromatiese besoedelstowwe.
Onder die vele aromatiese besoedelstowwe gee ons spesiale aandag aan lae-molekulêre gewig PAK's soos naftaleen en gesubstitueerde naftalene. Hierdie verbindings is hoofkomponente van petroleum-afgeleide brandstowwe, tekstielkleursels, verbruikersprodukte, plaagdoders (motballe en insekafweermiddels), weekmakers en tanniene en is dus wydverspreid in baie ekosisteme (Preuss et al., 2003). Onlangse verslae beklemtoon die ophoping van naftaleenkonsentrasies in waterdraersedimente, grondwater en ondergrondse gronde, vadosesones en rivierbeddings, wat daarop dui dat dit bioakkumuleer in die omgewing (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabel 2 som die fisies-chemiese eienskappe, toepassings en gesondheidseffekte van naftaleen en sy derivate op. In vergelyking met ander hoë-molekulêre gewig PAK's, is naftaleen en sy derivate minder hidrofobies, meer wateroplosbaar en wyd versprei in ekosisteme, daarom word hulle dikwels as modelsubstrate gebruik om die metabolisme, genetika en metaboliese diversiteit van PAK's te bestudeer. 'n Groot aantal mikroörganismes is in staat om naftaleen en sy derivate te metaboliseer, en omvattende inligting is beskikbaar oor hul metaboliese weë, ensieme en regulatoriese kenmerke (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Daarbenewens word naftaleen en sy derivate aangewys as prototipe verbindings vir omgewingsbesoedelingsassessering as gevolg van hul hoë oorvloed en biobeskikbaarheid. Die Amerikaanse Omgewingsbeskermingsagentskap skat dat gemiddelde vlakke van naftaleen 5,19 μg per kubieke meter is van sigaretrook, hoofsaaklik van onvolledige verbranding, en 7,8 tot 46 μg van systroomrook, terwyl blootstelling aan kreosoot en naftaleen 100 tot 10 000 keer hoër is (Preuss et al. 2003). Daar is veral gevind dat naftaleen spesie-, streek- en geslagspesifieke respiratoriese toksisiteit en karsinogenisiteit het. Gebaseer op dierestudies, het die Internasionale Agentskap vir Navorsing oor Kanker (IARC) naftaleen geklassifiseer as 'n "moontlike menslike karsinogeen" (Groep 2B)1. Blootstelling aan gesubstitueerde naftalene, hoofsaaklik deur inaseming of parenterale (orale) toediening, veroorsaak longweefselskade en verhoog die voorkoms van longtumore in rotte en muise (Nasionale Toksikologie Program 2). Akute effekte sluit in naarheid, braking, buikpyn, diarree, hoofpyn, verwarring, oormatige sweet, koors, tagikardie, ens. Aan die ander kant is berig dat die breëspektrum karbamaat-insekdoder karbariel (1-naftiel N-metielkarbamaat) giftig is vir waterongewerweldes, amfibieë, heuningbye en mense, en dit is getoon dat dit asetielcholinesterase inhibeer wat verlamming veroorsaak (Smulders et al., 2003; Bulen en Distel, 2011). Daarom is die begrip van die meganismes van mikrobiese afbraak, genetiese regulering, ensiematiese en sellulêre reaksies van kritieke belang vir die ontwikkeling van bioremediëringstrategieë in besmette omgewings.
Tabel 2. Gedetailleerde inligting oor die fisies-chemiese eienskappe, gebruike, identifikasiemetodes en geassosieerde siektes van naftaleen en sy derivate.
In besoedelde nisse kan hidrofobiese en lipofiele aromatiese besoedelstowwe 'n verskeidenheid sellulêre effekte op die omgewingsmikrobioom (gemeenskap) veroorsaak, soos veranderinge in membraanvloeibaarheid, membraandeurlaatbaarheid, lipied-dubbellaag-swelling, ontwrigting van energie-oordrag (elektrontransportketting/proton-dryfkrag), en aktiwiteit van membraangeassosieerde proteïene (Sikkema et al., 1995). Daarbenewens genereer sommige oplosbare tussenprodukte soos katechole en kinone reaktiewe suurstofspesies (ROS) en vorm addukte met DNS en proteïene (Penning et al., 1999). Dus oefen die oorvloed van sulke verbindings in ekosisteme selektiewe druk uit op mikrobiese gemeenskappe om doeltreffende afbrekers op verskeie fisiologiese vlakke te word, insluitend opname/vervoer, intrasellulêre transformasie, assimilasie/benutting en kompartementalisering.
'n Soektog van die Ribosomale Databasisprojek-II (RDP-II) het aan die lig gebring dat 'n totaal van 926 bakteriese spesies geïsoleer is uit media of verrykingskulture wat met naftaleen of sy derivate besmet is. Die Proteobacteria-groep het die hoogste aantal verteenwoordigers gehad (n = 755), gevolg deur Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), en ongeklassifiseerde bakterieë (8) (Figuur 2). Verteenwoordigers van γ-Proteobacteria (Pseudomonadales en Xanthomonadales) het alle Gram-negatiewe groepe met hoë G+C-inhoud (54%) oorheers, terwyl Clostridiales en Bacillales (30%) Gram-positiewe groepe met lae G+C-inhoud was. Daar is berig dat Pseudomonas (die hoogste getal, 338 spesies) naftaleen en sy metielderivate in verskeie besoedelde ekosisteme (steenkoolteer, petroleum, ru-olie, slyk, oliestortings, afvalwater, organiese afval en stortingsterreine) sowel as in intakte ekosisteme (grond, riviere, sedimente en grondwater) kan afbreek (Figuur 2). Verder het verrykingsstudies en metagenomiese analise van sommige van hierdie streke aan die lig gebring dat ongekweekte Legionella- en Clostridium-spesies moontlik afbrekende kapasiteit het, wat dui op die behoefte om hierdie bakterieë te kweek om nuwe weë en metaboliese diversiteit te bestudeer.
Fig. 2. Taksonomiese diversiteit en ekologiese verspreiding van bakteriese verteenwoordigers in omgewings wat besmet is met naftaleen en naftaleenderivate.
Onder die verskeie aromatiese koolwaterstof-afbrekende mikroörganismes, is die meeste in staat om naftaleen as die enigste bron van koolstof en energie af te breek. Die volgorde van gebeure betrokke by naftaleenmetabolisme is beskryf vir Pseudomonas sp. (stamme: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 en CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 en ander stamme (ND6 en AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis en Zylstra, 2004; Sota et al., 2006); Metabolisme word geïnisieer deur 'n multikomponent dioksigenase [naftaleen dioksigenase (NDO), 'n ringhidroksilerende dioksigenase] wat die oksidasie van een van die aromatiese ringe van naftaleen kataliseer deur molekulêre suurstof as die ander substraat te gebruik, wat naftaleen na cis-naftaleendiol omskakel (Figuur 3). Cis-dihidrodiol word na 1,2-dihidroksinaftaleen omgeskakel deur 'n dehidrogenase. 'n Ringsplitsende dioksigenase, 1,2-dihidroksinaftaleen-dioksigenase (12DHNDO), skakel 1,2-dihidroksinaftaleen om na 2-hidroksichromeen-2-karboksielsuur. Ensiematiese cis-trans-isomerisasie produseer trans-o-hidroksibensilideenpiruvaat, wat deur hidratase-aldolase gesplyt word na salisielsuuraldehied en piruvaat. Die organiese suurpiruvaat was die eerste C3-verbinding wat van die naftaleen-koolstofskelet afgelei is en in die sentrale koolstofroete gerig is. Daarbenewens skakel NAD+-afhanklike salisielaldehieddehidrogenase salisielaldehied om na salisielsuur. Metabolisme in hierdie stadium word die "boonste roete" van naftaleen-afbraak genoem. Hierdie roete is baie algemeen in die meeste naftaleen-afbrekende bakterieë. Daar is egter 'n paar uitsonderings; byvoorbeeld, in die termofiliese Bacillus hamburgii 2, word naftaleen-afbraak geïnisieer deur naftaleen-2,3-dioksigenase na vorm 2,3-dihidroksinaftaleen (Annweiler et al., 2000).
Figuur 3. Weë van naftaleen-, metielnaftaleen-, naftoesuur- en karbariel-afbraak. Omkringde getalle verteenwoordig ensieme wat verantwoordelik is vir die opeenvolgende omskakeling van naftaleen en sy derivate in daaropvolgende produkte. 1 — naftaleendioksigenase (NDO); 2, cis-dihidrodioldehidrogenase; 3, 1,2-dihidroksinaftaleendioksigenase; 4, 2-hidroksichromeen-2-karboksielsuurisomerase; 5, trans-O-hidroksibensilideenpiruvaathidratase-aldolase; 6, salisielaldehieddehidrogenase; 7, salisilaat 1-hidroksilase; 8, katekol 2,3-dioksigenase (C23DO); 9, 2-hidroksimukonaatsemialdehieddehidrogenase; 10, 2-oksopent-4-enoaathidratase; 11, 4-hidroksi-2-oksopentanoaat-aldolase; 12, asetaldehieddehidrogenase; 13, katekol-1,2-dioksigenase (C12DO); 14, mukonaat siklo-isomerase; 15, mukonolaktoon delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenolaktoon hidrolase; 17, β-ketoadipaat suksiniel-CoA transferase; 18, β-ketoadipaat-CoA tiolase; 19, suksiniel-CoA: asetiel-CoA suksinieltransferase; 20, salisilaat 5-hidroksilase; 21 – gentisaat 1,2-dioksigenase (GDO); 22, maleïelpiruvaat-isomerase; 23, fumarielpiruvaat hidrolase; 24, metielnaftaleenhidroksilase (NDO); 25, hidroksimetielnaftaleendehidrogenase; 26, naftaldehieddehidrogenase; 27, 3-formielsalisielsuuroksidase; 28, hidroksiisoftalaatdekarboksilase; 29, karbarielhidrolase (CH); 30, 1-naftol-2-hidroksilase.
Afhangende van die organisme en sy genetiese samestelling, word die gevolglike salisielsuur verder gemetaboliseer via die katekolroete met behulp van salisilaat 1-hidroksilase (S1H) of via die gentisaatroete met behulp van salisilaat 5-hidroksilase (S5H) (Figuur 3). Aangesien salisielsuur die belangrikste tussenproduk in naftaleenmetabolisme (boonste roete) is, word die stappe van salisielsuur na die TCA-tussenproduk dikwels die onderste roete genoem, en die gene word in 'n enkele operon georganiseer. Dit is algemeen om te sien dat die gene in die boonste roete-operon (nah) en die onderste roete-operon (sal) deur algemene regulatoriese faktore gereguleer word; byvoorbeeld, NahR en salisielsuur tree op as induseerders, wat beide operone toelaat om naftaleen volledig te metaboliseer (Phale et al., 2019, 2020).
Daarbenewens word katekol siklies gesplyt na 2-hidroksimukonaat semialdehied via die meta-roete deur katekol 2,3-dioksigenase (C23DO) (Yen et al., 1988) en verder gehidroliseer deur 2-hidroksimukonaat semialdehiedhidrolase om 2-hidroksipent-2,4-dienoësuur te vorm. 2-hidroksipent-2,4-dienoaat word dan omgeskakel na piruvaat en asetaldehied deur 'n hidratase (2-oksopent-4-enoaathidratase) en 'n aldolase (4-hidroksi-2-oksopentanoaat aldolase) en gaan dan die sentrale koolstofroete binne (Figuur 3). Alternatiewelik word katekol siklies gesplyt na cis,cis-mukonaat via die orto-roete deur katekol 1,2-oksigenase (C12DO). Mukonaat-siklo-isomerase, mukonolaktoon-isomerase en β-ketoadipaat-nollaktoonhidrolase skakel cis,cis-mukonaat om na 3-oksoadipaat, wat die sentrale koolstofroete via suksiniel-CoA en asetiel-CoA binnedring (Nozaki et al., 1968) (Figuur 3).
In die gentisaat (2,5-dihidroksibensoaat)-roete word die aromatiese ring deur gentisaat 1,2-dioksigenase (GDO) gesplyt om maleïlpiruvaat te vorm. Hierdie produk kan direk gehidroliseer word na piruvaat en malaat, of dit kan geïsomeriseer word om fumarielpiruvaat te vorm, wat dan gehidroliseer kan word na piruvaat en fumaraat (Larkin en Day, 1986). Die keuse van die alternatiewe roete is waargeneem in beide Gram-negatiewe en Gram-positiewe bakterieë op biochemiese en genetiese vlakke (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Gram-negatiewe bakterieë (Pseudomonas) verkies om salisielsuur te gebruik, wat 'n induseerder van naftaleenmetabolisme is, en dekarboksileer dit na katekol met behulp van salisilaat 1-hidroksilase (Gibson en Subramanian, 1984). Aan die ander kant, in Gram-positiewe bakterieë (Rhodococcus), skakel salisilaat 5-hidroksilase salisielsuur om na gentisiensuur, terwyl salisielsuur geen induktiewe effek op die transkripsie van naftaleengene het nie (Grund et al., 1992) (Figuur 3).
Daar is berig dat spesies soos Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas en Mycobacterium spesies monometielnaftaleen of dimetielnaftaleen kan afbreek (Dean-Raymond en Bartha, 1975; Cane en Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Onder hulle is die 1-metielnaftaleen- en 2-metielnaftaleen-afbraakroete van Pseudomonas sp. CSV86 duidelik bestudeer op die biochemiese en ensiematiese vlakke (Mahajan et al., 1994). 1-Metielnaftaleen word via twee weë gemetaboliseer. Eerstens word die aromatiese ring gehidroksileer (die ongesubstitueerde ring van metielnaftaleen) om cis-1,2-dihidroksi-1,2-dihidro-8-metielnaftaleen te vorm, wat verder geoksideer word na metielsalisilaat en metielkatechol, en dan die sentrale koolstofroete binnegaan na ringsplitsing (Figuur 3). Hierdie roete word die "koolstofbronroete" genoem. In die tweede "ontgiftingsroete" kan die metielgroep deur NDO gehidroksileer word om 1-hidroksimetielnaftaleen te vorm, wat verder geoksideer word na 1-naftoësuur en as 'n doodloopstraatproduk in die kweekmedium uitgeskei word. Studies het getoon dat stam CSV86 nie in staat is om op 1- en 2-naftoësuur as die enigste koolstof- en energiebron te groei nie, wat die ontgiftingsroete bevestig (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). In 2-metielnaftaleen ondergaan die metielgroep hidroksilering deur hidroksilase om 2-hidroksimetielnaftaleen te vorm. Daarbenewens ondergaan die ongesubstitueerde ring van die naftaleenring ringhidroksilering om 'n dihidrodiol te vorm, wat geoksideer word tot 4-hidroksimetielkatechol in 'n reeks ensiemgekataliseerde reaksies en die sentrale koolstofroete binnedring via die meta-ringsplitsingsroete. Net so is berig dat S. paucimobilis 2322 NDO gebruik om 2-metielnaftaleen te hidroksieleer, wat verder geoksideer word om metielsalisilaat en metielkatechol te vorm (Dutta et al., 1998).
Naftoesure (gesubstitueerd/ongesubstitueerd) is ontgiftings-/biotransformasie-neweprodukte wat gevorm word tydens die afbraak van metielnaftaleen, fenantreen en antraseen en in die gebruikte kultuurmedium vrygestel word. Daar is berig dat die grondisolaat Stenotrophomonas maltophilia CSV89 in staat is om 1-naftoësuur as 'n koolstofbron te metaboliseer (Phale et al., 1995). Metabolisme begin met dihidroksilering van die aromatiese ring om 1,2-dihidroksi-8-karboksinaftaleen te vorm. Die gevolglike diol word geoksideer tot katekol via 2-hidroksi-3-karboksibensielidenepiruvaat, 3-formielsalisielsuur, 2-hidroksiisoftaalsuur en salisielsuur en betree die sentrale koolstofroete via die meta-ring-splitsingsroete (Figuur 3).
Karbariel is 'n naftielkarbamaat-plaagdoder. Sedert die Groen Rewolusie in Indië in die 1970's het die gebruik van chemiese kunsmis en plaagdoders gelei tot 'n toename in polisikliese aromatiese koolwaterstof (PAK)-vrystellings van landbou-nie-puntbronne (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Na raming word 55% (85 722 000 hektaar) van die totale landbougrond in Indië met chemiese plaagdoders behandel. Oor die afgelope vyf jaar (2015–2020) het die Indiese landbousektor gemiddeld 55 000 tot 60 000 ton plaagdoders jaarliks ​​gebruik (Departement van Koöperasies en Boerewelsyn, Ministerie van Landbou, Regering van Indië, Augustus 2020). In die noordelike en sentrale Gangetic-vlaktes (die state met die hoogste bevolking en bevolkingsdigtheid) is die gebruik van plaagdoders op gewasse wydverspreid, met insekdoders wat oorheers. Karbariel (1-naftiel-N-metielkarbamaat) is 'n breëspektrum, matig tot hoogs giftige karbamaat-insekdoder wat in die Indiese landbou teen 'n gemiddelde hoeveelheid van 100–110 ton gebruik word. Dit word algemeen onder die handelsnaam Sevin verkoop en word gebruik om insekte (plantluise, vuurmiere, vlooie, myte, spinnekoppe en baie ander buitelugplae) te beheer wat 'n verskeidenheid gewasse (mielies, sojabone, katoen, vrugte en groente) aantas. Sommige mikroörganismes soos Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus en Arthrobacter kan ook gebruik word om ander plae te beheer. Daar is berig dat RC100 karbariel kan afbreek (Larkin en Day, 1986; Chapalamadugu en Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha en Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Die afbraakroete van karbariel is breedvoerig bestudeer op biochemiese, ensiematiese en genetiese vlakke in grondisolate van Pseudomonas sp. Stamme C4, C5 en C6 (Swetha en Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). Die metaboliese pad begin met die hidrolise van die esterbinding deur karbarielhidrolase (CH4) om 1-naftol, metielamien en koolstofdioksied te vorm. 1-naftol word dan omgeskakel na 1,2-dihidroksinaftaleen deur 1-naftolhidroksilase (1-NH), wat verder gemetaboliseer word via die sentrale koolstofroete via salisilaat en gentisaat. Daar is berig dat sommige karbariel-afbrekende bakterieë dit tot salisielsuur metaboliseer via die splitsing van die katekol-orto-ring (Larkin en Day, 1986; Chapalamadugu en Chaudhry, 1991). Dit is opmerklik dat naftaleen-afbrekende bakterieë hoofsaaklik salisielsuur via katekol metaboliseer, terwyl karbariel-afbrekende bakterieë verkies om salisielsuur via die gentisaatroete te metaboliseer.
Naftaleensulfonzuur/disulfonzuur en naftielamiensulfonzuurderivate kan as tussenprodukte gebruik word in die produksie van azo-kleurstowwe, benattingsmiddels, dispergeermiddels, ens. Alhoewel hierdie verbindings lae toksisiteit vir mense het, het sitotoksisiteitsassesserings getoon dat hulle dodelik is vir visse, daphnia en alge (Greim et al., 1994). Verteenwoordigers van die genus Pseudomonas (stamme A3, C22) is berig om metabolisme te begin deur dubbele hidroksilering van die aromatiese ring wat die sulfonzuurgroep bevat om 'n dihidrodiol te vorm, wat verder omgeskakel word na 1,2-dihidroksinaftaleen deur spontane splitsing van die sulfietgroep (Brilon et al., 1981). Die gevolglike 1,2-dihidroksinaftaleen word gekataboliseer via die klassieke naftaleenroete, d.w.s. die katekol- of gentisaatroete (Figuur 4). Daar is aangetoon dat aminonaftaleensulfonzuur en hidroksinaftaleensulfonzuur volledig afgebreek kan word deur gemengde bakteriese konsortiums met komplementêre kataboliese weë (Nortemann et al., 1986). Daar is aangetoon dat een lid van die konsortium aminonaftaleensulfonzuur of hidroksinaftaleensulfonzuur desulfuriseer deur 1,2-dioksigenering, terwyl aminosalisilaat of hidroksisalisilaat as 'n doodloopstraatmetaboliet in die kweekmedium vrygestel word en vervolgens deur ander lede van die konsortium opgeneem word. Naftaleendisulfonzuur is relatief polêr, maar swak bioafbreekbaar en kan dus via verskillende weë gemetaboliseer word. Die eerste desulfurisering vind plaas tydens regioselektiewe dihidroksilering van die aromatiese ring en die sulfonzuurgroep; Die tweede desulfurisering vind plaas tydens hidroksilering van 5-sulfosalisielsuur deur salisielsuur 5-hidroksilase om gentisiensuur te vorm, wat die sentrale koolstofroete binnedring (Brilon et al., 1981) (Figuur 4). Die ensieme wat verantwoordelik is vir naftaleen-afbraak is ook verantwoordelik vir naftaleensulfonaatmetabolisme (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figuur 4. Metaboliese weë vir naftaleensulfonaat-afbraak. Die getalle binne die sirkels verteenwoordig die ensieme wat verantwoordelik is vir naftielsulfonaatmetabolisme, soortgelyk/identies aan die ensieme wat in FIG. 3 beskryf word.
Lae molekulêre gewig PAK's (LMW-PAK's) is reduseerbaar, hidrofobies en swak oplosbaar, en dus nie vatbaar vir natuurlike afbraak/degradasie nie. Aërobiese mikroörganismes kan dit egter oksideer deur molekulêre suurstof (O2) te absorbeer. Hierdie ensieme behoort hoofsaaklik tot die klas oksidoreduktases en kan verskeie reaksies uitvoer soos aromatiese ringhidroksilering (mono- of dihidroksilering), dehidrogenering en aromatiese ringsplitsing. Die produkte wat uit hierdie reaksies verkry word, is in 'n hoër oksidasietoestand en word makliker gemetaboliseer deur die sentrale koolstofroete (Phale et al., 2020). Daar is berig dat die ensieme in die degradasieroete induseerbaar is. Die aktiwiteit van hierdie ensieme is baie laag of weglaatbaar wanneer selle op eenvoudige koolstofbronne soos glukose of organiese sure gekweek word. Tabel 3 som die verskillende ensieme (oksigenases, hidrolases, dehidrogenases, oksidases, ens.) op wat betrokke is by die metabolisme van naftaleen en sy derivate.
Tabel 3. Biochemiese eienskappe van ensieme verantwoordelik vir die afbraak van naftaleen en sy derivate.
Radioisotoopstudies (18O2) het getoon dat die inkorporering van molekulêre O2 in aromatiese ringe deur oksigenases die belangrikste stap is in die aktivering van verdere biodegradasie van 'n verbinding (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Die inkorporering van een suurstofatoom (O) vanaf molekulêre suurstof (O2) in die substraat word geïnisieer deur óf endogene óf eksogene monooksigenases (ook genoem hidroksilases). 'n Ander suurstofatoom word tot water gereduseer. Eksogene monooksigenases reduseer flavien met NADH of NADPH, terwyl flavien in endomonooksigenases deur die substraat gereduseer word. Die posisie van hidroksilering lei tot diversiteit in produkvorming. Byvoorbeeld, salisilaat 1-hidroksilases hidroksieleer salisielsuur by die C1-posisie en vorm katekol. Aan die ander kant hidroksieleer die multikomponent salisilaat 5-hidroksilase (wat reduktase-, ferredoksien- en oksigenase-subeenhede bevat) salisielsuur by die C5-posisie, wat gentisiensuur vorm (Yamamoto et al., 1965).
Dioksigenases inkorporeer twee O2-atome in die substraat. Afhangende van die produkte wat gevorm word, word hulle verdeel in ringhidroksilerende dioksigenases en ringsplytende dioksigenases. Ringhidroksilerende dioksigenases skakel aromatiese substrate om in cis-dihidrodiole (bv. naftaleen) en is wydverspreid onder bakterieë. Tot op hede is aangetoon dat organismes wat ringhidroksilerende dioksigenases bevat, in staat is om op verskeie aromatiese koolstofbronne te groei, en hierdie ensieme word geklassifiseer as NDO (naftaleen), tolueendioksigenase (TDO, tolueen) en bifenieldioksigenase (BPDO, bifeniel). Beide NDO en BPDO kan die dubbele oksidasie en sykettinghidroksilering van verskeie polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (tolueen, nitrotolueen, xileen, etielbenseen, naftaleen, bifeniel, fluoreen, indool, metielnaftaleen, naftaleensulfonaat, fenantreen, antraseen, asetofenoon, ens.) kataliseer (Boyd en Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO is 'n multikomponentstelsel wat bestaan ​​uit 'n oksidoreduktase, 'n ferredoksien en 'n aktiewe-plekbevattende oksigenase-komponent (Gibson en Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Die katalitiese eenheid van NDO bestaan ​​uit 'n groot α-subeenheid en 'n klein β-subeenheid wat in 'n α3β3-konfigurasie gerangskik is. NDO behoort aan 'n groot familie van oksigenases en die α-subeenheid daarvan bevat 'n Rieske-plek [2Fe-2S] en 'n mononukleêre nie-heem-yster, wat die substraatspesifisiteit van NDO bepaal (Parales et al., 1998). Tipies word twee elektrone van die reduksie van piridiennukleotied in een katalitiese siklus na die Fe(II)-ioon in die aktiewe plek oorgedra via 'n reduktase, 'n ferredoksien en 'n Rieske-plek. Die reduseer-ekwivalente aktiveer molekulêre suurstof, wat 'n voorvereiste is vir substraatdihidroksilering (Ferraro et al., 2005). Tot op hede is slegs 'n paar NDO's in detail gesuiwer en gekarakteriseer uit verskillende stamme en die genetiese beheer van die weë betrokke by naftaleen-afbraak is in detail bestudeer (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Ringsplytende dioksigenases (endo- of orto-ringsplytende ensieme en eksodiol- of meta-ringsplytende ensieme) werk in op gehidroksileerde aromatiese verbindings. Byvoorbeeld, die orto-ringsplytende dioksigenase is katekol-1,2-dioksigenase, terwyl die meta-ringsplytende dioksigenase katekol-2,3-dioksigenase is (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Benewens verskeie oksigenases, is daar ook verskeie dehidrogenases wat verantwoordelik is vir die dehidrogenering van aromatiese dihidrodiole, alkohole en aldehiede en wat NAD+/NADP+ as elektronakseptore gebruik, wat van die belangrike ensieme is wat betrokke is by metabolisme (Gibson en Subramanian, 1984; Shaw en Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Ensieme soos hidrolases (esterases, amidases) is 'n tweede belangrike klas ensieme wat water gebruik om kovalente bindings te kloof en breë substraatspesifisiteit toon. Karbarielhidrolase en ander hidrolases word beskou as komponente van die periplasma (transmembraan) in lede van Gram-negatiewe bakterieë (Kamini et al., 2018). Karbariel het beide 'n amied- en 'n esterbinding; daarom kan dit deur esterase of amidase gehidroliseer word om 1-naftol te vorm. Daar is berig dat karbariel in Rhizobium rhizobium-stam AC10023 en Arthrobacter-stam RC100 onderskeidelik as 'n esterase en amidase funksioneer. Karbariel in Arthrobacter-stam RC100 funksioneer ook as 'n amidase. Daar is getoon dat RC100 vier N-metielkarbamaatklas-insekdoders soos karbariel, metomiel, mefenamiensuur en XMC hidroliseer (Hayaatsu et al., 2001). Daar is berig dat CH in Pseudomonas sp. C5pp op karbariel (100% aktiwiteit) en 1-naftielasetaat (36% aktiwiteit) kan inwerk, maar nie op 1-naftielasetamied nie, wat aandui dat dit 'n esterase is (Trivedi et al., 2016).
Biochemiese studies, ensiemreguleringspatrone en genetiese analise het getoon dat die naftaleen-afbraakgene uit twee induseerbare regulatoriese eenhede of "operone" bestaan: nah (die "stroomop-roete", wat naftaleen na salisielsuur omskakel) en sal (die "stroomaf-roete", wat salisielsuur via katekol na die sentrale koolstofroete omskakel). Salisielsuur en sy analoë kan as induseerders optree (Shamsuzzaman en Barnsley, 1974). In die teenwoordigheid van glukose of organiese sure word die operon onderdruk. Figuur 5 toon die volledige genetiese organisasie van naftaleen-afbraak (in operonvorm). Verskeie benoemde variante/vorme van die nah-geen (ndo/pah/dox) is beskryf en gevind dat hulle hoë volgordehomologie (90%) onder alle Pseudomonas-spesies het (Abbasian et al., 2016). Die gene van die naftaleen-stroomop-roete is oor die algemeen in 'n konsensusvolgorde gerangskik soos getoon in Figuur 5A. 'n Ander geen, nahQ, is ook berig as betrokke by naftaleenmetabolisme en was gewoonlik tussen nahC en nahE geleë, maar die werklike funksie daarvan moet nog opgeklaar word. Net so is die nahY-geen, verantwoordelik vir naftaleen-sensitiewe chemotaksis, by sommige lede aan die distale punt van die nah-operon gevind. In Ralstonia sp. is gevind dat die U2-geen wat glutatioon S-transferase (gsh) kodeer, tussen nahAa en nahAb geleë was, maar dit het nie die naftaleenbenuttingseienskappe beïnvloed nie (Zylstra et al., 1997).
Figuur 5. Genetiese organisasie en diversiteit waargeneem tydens naftaleen-afbraak tussen bakteriese spesies; (A) Boonste naftaleenroete, metabolisme van naftaleen na salisielsuur; (B) Onderste naftaleenroete, salisielsuur via katekol na die sentrale koolstofroete; (C) salisielsuur via gentisaat na die sentrale koolstofroete.
Die "onderste pad" (sal-operon) bestaan ​​tipies uit nahGTHINLMOKJ en skakel salisilaat om na piruvaat en asetaldehied via die katekol-metariseringssplitsingspad. Daar is gevind dat die nahG-geen (wat vir salisilaathidroksilase kodeer) aan die proksimale punt van die operon gekonserveer is (Fig. 5B). In vergelyking met ander naftaleen-afbrekende stamme, is die nah- en sal-operone in P. putida CSV86 tandem en baie nou verwant (ongeveer 7.5 kb). In sommige Gram-negatiewe bakterieë, soos Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, en P. putida AK5, word naftaleen as 'n sentrale koolstofmetaboliet gemetaboliseer via die gentisaatpad (in die vorm van die sgp/nag-operon). Die geenkasset word tipies voorgestel in die vorm nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, waar nagR (wat kodeer vir 'n LysR-tipe reguleerder) aan die boonste punt geleë is (Figuur 5C).
Karbariel betree die sentrale koolstofsiklus via die metabolisme van 1-naftol, 1,2-dihidroksinaftaleen, salisielsuur en gentisiensuur (Figuur 3). Gebaseer op genetiese en metaboliese studies, is voorgestel om hierdie pad te verdeel in "stroomop" (omskakeling van karbariel na salisielsuur), "middel" (omskakeling van salisielsuur na gentisiensuur) en "stroomaf" (omskakeling van gentisiensuur na sentrale koolstofpad-tussenprodukte) (Singh et al., 2013). Genomiese analise van C5pp (supercontig A, 76.3 kb) het aan die lig gebring dat die mcbACBDEF-geen betrokke is by die omskakeling van karbariel na salisielsuur, gevolg deur mcbIJKL in die omskakeling van salisielsuur na gentisiensuur, en mcbOQP in die omskakeling van gentisiensuur na sentrale koolstoftussenprodukte (fumaraat en piruvaat, Trivedi et al., 2016) (Figuur 6).
Daar is berig dat ensieme wat betrokke is by die afbraak van aromatiese koolwaterstowwe (insluitend naftaleen en salisielsuur) geïnduseer kan word deur die ooreenstemmende verbindings en geïnhibeer kan word deur eenvoudige koolstofbronne soos glukose of organiese sure (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Onder die verskillende metaboliese weë van naftaleen en sy derivate, is die regulatoriese kenmerke van naftaleen en karbariel tot 'n mate bestudeer. Vir naftaleen word gene in beide die stroomop- en stroomaf-weë gereguleer deur NahR, 'n LysR-tipe trans-werkende positiewe reguleerder. Dit is nodig vir die induksie van die nah-geen deur salisielsuur en die daaropvolgende hoëvlak-uitdrukking daarvan (Yen en Gunsalus, 1982). Verder het studies getoon dat integrerende gasheerfaktor (IHF) en XylR (sigma 54-afhanklike transkripsiereguleerder) ook krities is vir die transkripsieaktivering van gene in naftaleenmetabolisme (Ramos et al., 1997). Studies het getoon dat ensieme van die katekol-meta-ring-openingsroete, naamlik katekol 2,3-dioksigenase, geïnduseer word in die teenwoordigheid van naftaleen en/of salisielsuur (Basu et al., 2006). Studies het getoon dat ensieme van die katekol-orto-ring-openingsroete, naamlik katekol 1,2-dioksigenase, geïnduseer word in die teenwoordigheid van bensoësuur en cis,cis-mukonaat (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
In stam C5pp kodeer vyf gene, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR en mcbS, vir reguleerders wat behoort aan die LysR/TetR-familie van transkripsiereguleerders wat verantwoordelik is vir die beheer van karbarielafbraak. Daar is gevind dat die homoloë geen mcbG die nouste verwant is aan die LysR-tipe reguleerder PhnS (58% aminosuuridentiteit) wat betrokke is by fenantreenmetabolisme in Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Daar is gevind dat die mcbH-geen betrokke is by die intermediêre pad (omskakeling van salisielsuur na gentisiensuur) en behoort aan die LysR-tipe transkripsiereguleerder NagR/DntR/NahR in Pseudomonas en Burkholderia. Lede van hierdie familie herken na bewering salisielsuur as 'n spesifieke effektormolekule vir die induksie van afbraakgene. Aan die ander kant is drie gene, mcbN, mcbR en mcbS, wat aan LysR- en TetR-tipe transkripsiereguleerders behoort, in die stroomaf-roete (gentisaat-sentrale koolstofroete-metaboliete) geïdentifiseer.
In prokariote is horisontale geenoordragprosesse (verkryging, uitruiling of oordrag) via plasmiede, transposons, profage, genomiese eilande en integrerende konjugatiewe elemente (ICE) hoofredes vir plastisiteit in bakteriële genome, wat lei tot die verkryging of verlies van spesifieke funksies/eienskappe. Dit laat bakterieë toe om vinnig aan te pas by verskillende omgewingstoestande, wat potensiële aanpasbare metaboliese voordele vir die gasheer bied, soos die afbraak van aromatiese verbindings. Metaboliese veranderinge word dikwels bereik deur fyn afstemming van afbraakoperone, hul regulatoriese meganismes en ensiemspesifisiteite, wat die afbraak van 'n wyer reeks aromatiese verbindings vergemaklik (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Daar is gevind dat die geenkassette vir naftaleenafbraak op 'n verskeidenheid mobiele elemente soos plasmiede (konjugatief en nie-konjugatief), transposons, genome, ICE's en kombinasies van verskillende bakteriële spesies geleë is (Figuur 5). In Pseudomonas G7 word die nah- en sal-operone van plasmied NAH7 in dieselfde oriëntasie getranskribeer en is deel van 'n defektiewe transposon wat transposase Tn4653 vir mobilisering benodig (Sota et al., 2006). In Pseudomonas-stam NCIB9816-4 is die geen op die konjugatiewe plasmied pDTG1 gevind as twee operone (ongeveer 15 kb uitmekaar) wat in teenoorgestelde rigtings getranskribeer is (Dennis en Zylstra, 2004). In Pseudomonas putida-stam AK5 kodeer die nie-konjugatiewe plasmied pAK5 vir die ensiem wat verantwoordelik is vir naftaleen-afbraak via die gentisaatroete (Izmalkova et al., 2013). In Pseudomonas-stam PMD-1 is die nah-operon op die chromosoom geleë, terwyl die sal-operon op die konjugatiewe plasmied pMWD-1 geleë is (Zuniga et al., 1981). In Pseudomonas stutzeri AN10 is alle naftaleen-afbraakgene (nah- en sal-operone) egter op die chromosoom geleë en word vermoedelik deur transposisie-, rekombinasie- en herrangskikkingsgebeurtenisse gewerf (Bosch et al., 2000). In Pseudomonas sp. CSV86 is die nah- en sal-operone in die genoom geleë in die vorm van ICE (ICECSV86). Die struktuur word beskerm deur tRNAGly gevolg deur direkte herhalings wat rekombinasie-/aanhegtingsplekke aandui (attR en attL) en 'n faagagtige integrase wat aan beide kante van tRNAGly geleë is, dus struktureel soortgelyk aan die ICEclc-element (ICEclcB13 in Pseudomonas knackmusii vir chlorokatechol-afbraak). Daar is berig dat gene op ICE deur konjugasie met 'n uiters lae oordragfrekwensie (10-8) oorgedra kan word, waardeur afbraak-eienskappe aan die ontvanger oorgedra word (Basu en Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Die meeste van die gene wat verantwoordelik is vir karbariel-afbraak is op plasmiede geleë. Arthrobacter sp. RC100 bevat drie plasmiede (pRC1, pRC2 en pRC300) waarvan twee konjugatiewe plasmiede, pRC1 en pRC2, die ensieme kodeer wat karbariel na gentisaat omskakel. Aan die ander kant is die ensieme wat betrokke is by die omskakeling van gentisaat na die sentrale koolstofmetaboliete op die chromosoom geleë (Hayaatsu et al., 1999). Bakterieë van die genus Rhizobium. Stam AC100, wat gebruik word vir die omskakeling van karbariel na 1-naftol, bevat plasmied pAC200, wat die cehA-geen dra wat vir CH kodeer as deel van die Tnceh-transposon, omring deur invoegelement-agtige rye (istA en istB) (Hashimoto et al., 2002). In Sphingomonas-stam CF06 word geglo dat die karbariel-afbraakgeen in vyf plasmiede teenwoordig is: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 en pCF05. Die DNA-homologie van hierdie plasmiede is hoog, wat dui op die bestaan ​​van 'n geen-duplikasiegebeurtenis (Feng et al., 1997). In 'n karbariel-afbrekende simbiont wat uit twee Pseudomonas-spesies bestaan, bevat stam 50581 'n konjugatiewe plasmied pCD1 (50 kb) wat vir die mcd-karbarielhidrolase-geen kodeer, terwyl die konjugatiewe plasmied in stam 50552 vir 'n 1-naftol-afbrekende ensiem kodeer (Chapalamadugu en Chaudhry, 1991). In Achromobacter-stam WM111 is die mcd-furadanhidrolase-geen op 'n 100 kb-plasmied (pPDL11) geleë. Daar is getoon dat hierdie geen teenwoordig is op verskillende plasmiede (100, 105, 115 of 124 kb) in verskillende bakterieë van verskillende geografiese streke (Parekh et al., 1995). In Pseudomonas sp. C5pp is alle gene wat verantwoordelik is vir karbariel-afbraak geleë in 'n genoom wat 76.3 kb volgorde dek (Trivedi et al., 2016). Genoomanalise (6.15 Mb) het die teenwoordigheid van 42 MGE's en 36 GEI's aan die lig gebring, waarvan 17 MGE's in supercontig A (76.3 kb) geleë was met 'n gemiddelde asimmetriese G+C-inhoud (54–60 mol%), wat moontlike horisontale geen-oordraggebeurtenisse voorstel (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 vertoon 'n soortgelyke rangskikking van karbariel-afbrekende gene, maar hierdie gene is op 'n plasmied geleë (Zhu et al., 2019).
Benewens metaboliese doeltreffendheid op biochemiese en genomiese vlakke, vertoon mikroörganismes ook ander eienskappe of reaksies soos chemotaksis, seloppervlakmodifikasie-eienskappe, kompartementalisering, voorkeurbenutting, biosurfaktantproduksie, ens., wat hulle help om aromatiese besoedelingstowwe in besmette omgewings meer doeltreffend te metaboliseer (Figuur 7).
Figuur 7. Verskillende sellulêre reaksiestrategieë van ideale aromatiese koolwaterstof-afbrekende bakterieë vir doeltreffende bioafbraak van vreemde besoedelende verbindings.
Chemotaktiese reaksies word beskou as faktore wat die afbraak van organiese besoedelingstowwe in heterogeen besoedelde ekosisteme bevorder. (2002) het getoon dat chemotaksis van Pseudomonas sp. G7 na naftaleen die tempo van naftaleenafbraak in akwatiese stelsels verhoog het. Die wildetipe-stam G7 het naftaleen baie vinniger afgebreek as 'n chemotaksis-gebrekkige mutantstam. Daar is gevind dat die NahY-proteïen (538 aminosure met membraantopologie) saam met die metakleavage-roete-gene op die NAH7-plasmied getranskribeer is, en soos chemotaksis-transducers, blyk hierdie proteïen as 'n chemoreseptor vir naftaleenafbraak te funksioneer (Grimm en Harwood 1997). Nog 'n studie deur Hansel et al. (2009) het getoon dat die proteïen chemotakties is, maar die afbraaktempo daarvan is hoog. (2011) het 'n chemotaktiese reaksie van Pseudomonas (P. putida) op gasvormige naftaleen gedemonstreer, waar gasfasediffusie gelei het tot 'n bestendige vloei van naftaleen na die selle, wat die chemotaktiese reaksie van die selle beheer het. Die navorsers het hierdie chemotaktiese gedrag benut om mikrobes te manipuleer wat die tempo van afbraak sou verhoog. Studies het getoon dat chemosensoriese bane ook ander sellulêre funksies soos seldeling, selsiklusregulering en biofilmvorming reguleer, wat sodoende help om die tempo van afbraak te beheer. Die benutting van hierdie eienskap (chemotaxis) vir doeltreffende afbraak word egter deur verskeie knelpunte belemmer. Die belangrikste struikelblokke is: (a) verskillende paraloge reseptore herken dieselfde verbindings/ligande; (b) die bestaan ​​van alternatiewe reseptore, d.w.s. energieke tropisme; (c) beduidende volgordeverskille in die sensoriese domeine van dieselfde reseptorfamilie; en (d) 'n gebrek aan inligting oor die belangrikste bakteriële sensorproteïene (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Soms produseer die biodegradasie van aromatiese koolwaterstowwe veelvuldige metaboliete/tussenprodukte, wat chemotakties kan wees vir een groep bakterieë, maar afstootlik vir ander, wat die proses verder kompliseer. Om die interaksies van ligande (aromatiese koolwaterstowwe) met chemiese reseptore te identifiseer, het ons hibriede sensorproteïene (PcaY, McfR en NahY) gekonstrueer deur die sensor- en seindomeine van Pseudomonas putida en Escherichia coli te versmelt, wat die reseptore vir onderskeidelik aromatiese sure, TCA-tussenprodukte en naftaleen teiken (Luu et al., 2019).
Onder die invloed van naftaleen en ander polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's) ondergaan die struktuur van die bakteriese membraan en die integriteit van die mikroörganismes beduidende veranderinge. Studies het getoon dat naftaleen inmeng met die interaksie van die asielketting deur hidrofobiese interaksies, waardeur die swelling en vloeibaarheid van die membraan verhoog word (Sikkema et al., 1995). Om hierdie nadelige effek teen te werk, reguleer bakterieë membraanvloeibaarheid deur die verhouding en vetsuursamestelling tussen iso/anteiso vertakte kettingvetsure te verander en cis-onversadigde vetsure in die ooreenstemmende trans-isomere te isomeriseer (Heipieper en de Bont, 1994). In Pseudomonas stutzeri wat op naftaleenbehandeling gekweek is, het die versadigde tot onversadigde vetsuurverhouding van 1.1 tot 2.1 toegeneem, terwyl hierdie verhouding in Pseudomonas JS150 van 7.5 tot 12.0 toegeneem het (Mrozik et al., 2004). Wanneer dit op naftaleen gekweek is, het Achromobacter KAs 3-5-selle selaggregasie rondom naftaleenkristalle en 'n afname in seloppervlaklading (van -22.5 tot -2.5 mV) vertoon, vergesel van sitoplasmiese kondensasie en vakuolisering, wat dui op veranderinge in selstruktuur en seloppervlakeienskappe (Mohapatra et al., 2019). Alhoewel sellulêre/oppervlakveranderinge direk geassosieer word met beter opname van aromatiese besoedelingstowwe, is relevante bio-ingenieurswese-strategieë nie deeglik geoptimaliseer nie. Manipulasie van selvorm is selde gebruik om biologiese prosesse te optimaliseer (Volke en Nikel, 2018). Die verwydering van gene wat seldeling beïnvloed, veroorsaak veranderinge in selmorfologie. Die verwydering van gene wat seldeling beïnvloed, veroorsaak veranderinge in selmorfologie. In Bacillus subtilis is getoon dat die selseptumproteïen SepF betrokke is by septumvorming en is dit nodig vir daaropvolgende stappe van seldeling, maar dit is nie 'n noodsaaklike geen nie. Die verwydering van gene wat vir peptiedglikaanhidrolases in Bacillus subtilis kodeer, het gelei tot selverlenging, verhoogde spesifieke groeikoers en verbeterde ensiemproduksiekapasiteit (Cui et al., 2018).
Kompartementalisering van die karbariel-afbraakroete is voorgestel om doeltreffende afbraak van Pseudomonas-stamme C5pp en C7 te bewerkstellig (Kamini et al., 2018). Daar word voorgestel dat karbariel deur die buitenste membraanseptum en/of deur diffundeerbare poriene na die periplasmiese ruimte vervoer word. CH₄ is ​​'n periplasmiese ensiem wat die hidrolise van karbariel na 1-naftol kataliseer, wat meer stabiel, meer hidrofobies en meer toksies is. CH₄ is ​​in die periplasma gelokaliseer en het 'n lae affiniteit vir karbariel, wat sodoende die vorming van 1-naftol beheer, waardeur die ophoping daarvan in selle voorkom word en die toksisiteit daarvan vir selle verminder word (Kamini et al., 2018). Die gevolglike 1-naftol word deur partisionering en/of diffusie na die sitoplasma oor die binneste membraan vervoer, en word dan deur die hoë-affiniteit ensiem 1NH₄ na 1,2-dihidroksinaftaleen gehidroksileer vir verdere metabolisme in die sentrale koolstofroete.
Alhoewel mikroörganismes die genetiese en metaboliese vermoëns het om xenobiotiese koolstofbronne af te breek, is die hiërargiese struktuur van hul benutting (d.w.s. voorkeurgebruik van eenvoudige bo komplekse koolstofbronne) 'n groot struikelblok vir biodegradasie. Die teenwoordigheid en benutting van eenvoudige koolstofbronne reguleer gene wat kodeer vir ensieme wat komplekse/nie-voorkeur koolstofbronne soos PAK's afbreek, af. 'n Goed bestudeerde voorbeeld is dat wanneer glukose en laktose saam aan Escherichia coli gevoer word, glukose meer doeltreffend benut word as laktose (Jacob en Monod, 1965). Daar is berig dat Pseudomonas 'n verskeidenheid PAK's en xenobiotiese verbindings as koolstofbronne afbreek. Die hiërargie van koolstofbronbenutting in Pseudomonas is organiese sure > glukose > aromatiese verbindings (Hylemon en Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Daar is egter 'n uitsondering. Interessant genoeg, Pseudomonas sp. CSV86 vertoon 'n unieke hiërargiese struktuur wat verkieslik aromatiese koolwaterstowwe (bensoësuur, naftaleen, ens.) eerder as glukose gebruik en aromatiese koolwaterstowwe saam met organiese sure metaboliseer (Basu et al., 2006). In hierdie bakterie word die gene vir die afbraak en vervoer van aromatiese koolwaterstowwe nie afgereguleer nie, selfs nie in die teenwoordigheid van 'n tweede koolstofbron soos glukose of organiese sure nie. Wanneer dit in glukose- en aromatiese koolwaterstofmedium gekweek is, is waargeneem dat die gene vir glukosevervoer en -metabolisme afgereguleer is, aromatiese koolwaterstowwe in die eerste logaritmiese fase gebruik is, en glukose in die tweede logaritmiese fase (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Aan die ander kant het die teenwoordigheid van organiese sure nie die uitdrukking van aromatiese koolwaterstofmetabolisme beïnvloed nie, dus word verwag dat hierdie bakterie 'n kandidaatstam vir bioafbraakstudies sal wees (Phale et al., 2020).
Dit is welbekend dat koolwaterstofbiotransformasie oksidatiewe stres en opregulering van antioksidantensieme in mikroörganismes kan veroorsaak. Ondoeltreffende naftaleen-biodegradasie in beide stasionêre faseselle en in die teenwoordigheid van giftige verbindings lei tot die vorming van reaktiewe suurstofspesies (ROS) (Kang et al. 2006). Aangesien naftaleen-afbrekende ensieme yster-swaelklusters bevat, sal die yster in heem- en yster-swaelproteïene onder oksidatiewe stres geoksideer word, wat lei tot proteïeninaktivering. Ferredoksien-NADP+ reduktase (Fpr), tesame met superoksied dismutase (SOD), bemiddel die omkeerbare redoksreaksie tussen NADP+/NADPH en twee molekules van ferredoksien of flavodoksien, waardeur ROS opgeruim en die yster-swaelsentrum onder oksidatiewe stres herstel word (Li et al. 2006). Daar is berig dat beide Fpr en SodA (SOD) in Pseudomonas deur oksidatiewe stres geïnduseer kan word, en verhoogde SOD- en katalase-aktiwiteite is waargeneem in vier Pseudomonas-stamme (O1, W1, As1 en G1) tydens groei onder naftaleen-toegevoegde toestande (Kang et al., 2006). Studies het getoon dat die byvoeging van antioksidante soos askorbiensuur of yster (Fe2+) die groeikoers van naftaleen kan verhoog. Wanneer Rhodococcus erythropolis in naftaleenmedium gegroei het, is die transkripsie van oksidatiewe stresverwante sitochroom P450-gene, insluitend sodA (Fe/Mn superoksied dismutase), sodC (Cu/Zn superoksied dismutase) en recA, verhoog (Sazykin et al., 2019). Vergelykende kwantitatiewe proteomiese analise van Pseudomonas-selle wat in naftaleen gekweek is, het getoon dat opregulering van verskeie proteïene wat met die oksidatiewe stresrespons geassosieer word, 'n streshanteringstrategie is (Herbst et al., 2013).
Daar is berig dat mikroörganismes biosurfaktante produseer onder die werking van hidrofobiese koolstofbronne. Hierdie oppervlakaktiewe stowwe is amfifiliese oppervlakaktiewe verbindings wat aggregate by olie-water- of lug-water-grensvlakke kan vorm. Dit bevorder pseudo-oplosbaarheid en vergemaklik die adsorpsie van aromatiese koolwaterstowwe, wat lei tot doeltreffende biodegradasie (Rahman et al., 2002). As gevolg van hierdie eienskappe word biosurfaktante wyd gebruik in verskeie nywerhede. Die byvoeging van chemiese oppervlakaktiewe stowwe of biosurfaktante tot bakteriese kulture kan die doeltreffendheid en tempo van koolwaterstofdegradasie verbeter. Onder die biosurfaktante is ramnolipiede wat deur Pseudomonas aeruginosa geproduseer word, breedvoerig bestudeer en gekarakteriseer (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Daarbenewens sluit ander tipes biosurfaktante lipopeptiede (musiene van Pseudomonas fluorescens), emulgator 378 (van Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg en Ron, 1999), trehalose disakkariedlipiede van Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenien van Bacillus (Saraswathy en Hallberg, 2002), en oppervlakaktiewe middel van Bacillus subtilis (Siegmund en Wagner, 1991) en Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017) in. Daar is getoon dat hierdie kragtige oppervlakaktiewe stowwe die oppervlakspanning van 72 dine/cm tot minder as 30 dine/cm verminder, wat beter koolwaterstofabsorpsie moontlik maak. Daar is berig dat Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia en ander bakteriese spesies verskeie rhamnolipied- en glikolipied-gebaseerde biosurfaktante kan produseer wanneer dit in naftaleen- en metielnaftaleenmedia gekweek word (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 kan ekstrasellulêre biosurfaktant Biosur-Pm produseer wanneer dit op aromatiese verbindings soos naftoesuur gekweek word (Phale et al., 1995). Die kinetika van Biosur-Pm-vorming het getoon dat die sintese daarvan 'n groei- en pH-afhanklike proses is. Daar is gevind dat die hoeveelheid Biosur-Pm wat deur selle by neutrale pH geproduseer is, hoër was as dié by pH 8.5. Selle wat by pH 8.5 gekweek is, was meer hidrofobies en het 'n hoër affiniteit vir aromatiese en alifatiese verbindings gehad as selle wat by pH 7.0 gekweek is. In Rhodococcus spp. N6, 'n hoër koolstof-tot-stikstof (C:N) verhouding en ysterbeperking is optimale toestande vir die produksie van ekstrasellulêre biosurfaktante (Mutalik et al., 2008). Pogings is aangewend om die biosintese van biosurfaktante (surfaktiene) te verbeter deur stamme en fermentasie te optimaliseer. Die titer van oppervlakaktiewe middel in die kweekmedium is egter laag (1.0 g/L), wat 'n uitdaging vir grootskaalse produksie inhou (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Daarom is genetiese manipulasiemetodes gebruik om die biosintese daarvan te verbeter. Die ingenieursmodifikasie daarvan is egter moeilik as gevolg van die groot grootte van die operon (∼25 kb) en komplekse biosintetiese regulering van die kworumwaarnemingstelsel (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). 'n Aantal genetiese manipulasiemodifikasies is in Bacillus-bakterieë uitgevoer, hoofsaaklik daarop gemik om surfaktienproduksie te verhoog deur die promotor (srfA-operon) te vervang, die surfaktien-uitvoerproteïen YerP en die regulatoriese faktore ComX en PhrC ooruit te druk (Jiao et al., 2017). Hierdie genetiese manipulasiemetodes het egter slegs een of 'n paar genetiese modifikasies bereik en het nog nie kommersiële produksie bereik nie. Daarom is verdere studie van kennisgebaseerde optimeringsmetodes nodig.
PAK-biodegradasiestudies word hoofsaaklik onder standaard laboratoriumtoestande uitgevoer. Op besmette terreine of in besmette omgewings is daar egter getoon dat baie abiotiese en biotiese faktore (temperatuur, pH, suurstof, nutriëntbeskikbaarheid, substraatbiobeskikbaarheid, ander xenobiotika, eindprodukinhibisie, ens.) die afbreekvermoë van mikroörganismes verander en beïnvloed.
Temperatuur het 'n beduidende effek op PAK-biodegradasie. Soos temperatuur toeneem, neem die opgeloste suurstofkonsentrasie af, wat die metabolisme van aërobiese mikroörganismes beïnvloed, aangesien hulle molekulêre suurstof benodig as een van die substrate vir oksigenases wat hidroksilasie- of ringsplitsingsreaksies uitvoer. Daar word dikwels opgemerk dat verhoogde temperatuur die ouer PAK's in meer giftige verbindings omskakel, wat biodegradasie inhibeer (Muller et al., 1998).
Daar is opgemerk dat baie PAK-besmette terreine uiterste pH-waardes het, soos suurmyndreineringsbesmette terreine (pH 1–4) en natuurlike gas-/steenkoolvergassingsterreine wat met alkaliese loogwater besmet is (pH 8–12). Hierdie toestande kan die biodegradasieproses ernstig beïnvloed. Daarom word dit aanbeveel om die pH aan te pas deur geskikte chemikalieë (met matige tot baie lae oksidasie-reduksiepotensiaal) soos ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat vir alkaliese gronde of kalk met kalsiumkarbonaat of magnesiumkarbonaat vir suur terreine by te voeg voordat mikroörganismes vir bioremediëring gebruik word (Bowlen et al. 1995; Gupta en Sar 2020).
Suurstoftoevoer na die geaffekteerde gebied is die tempobeperkende faktor vir PAK-biodegradasie. As gevolg van die redoks-toestande van die omgewing, vereis in situ bioremediëringsprosesse gewoonlik suurstoftoevoer vanaf eksterne bronne (bewerking, lugbespuiting en chemiese byvoeging) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) het gedemonstreer dat die byvoeging van magnesiumperoksied (’n suurstofvrystellende verbinding) tot ’n besmette waterdraer BTEX-verbindings effektief kan bioremedieer. Nog ’n studie het die in situ-afbraak van fenol en BTEX in ’n besmette waterdraer ondersoek deur natriumnitraat in te spuit en ekstraksieputte te bou om effektiewe bioremediëring te verkry (Bewley en Webb, 2001).