It artikel makket diel út fan it ûndersyksûnderwerp "Avansearre bioremediaasjetechnologyen en recyclingprosessen fan syntetyske organyske ferbiningen (SOC). Besjoch alle 14 artikels.
Polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (PAK's) mei leech molekulêr gewicht lykas naftaleen en substituearre naftalenen (metylnaftaleen, naftoësoer, 1-naftyl-N-metylkarbamaat, ensfh.) wurde in soad brûkt yn ferskate yndustryen en binne genotoksisk, mutageen en/of karsinogen foar organismen. Dizze syntetyske organyske ferbiningen (SOC's) of xenobiotika wurde beskôge as prioriteitsfersmoargjende stoffen en foarmje in serieuze bedriging foar it wrâldwide miljeu en de folkssûnens. De yntensiteit fan minsklike aktiviteiten (bygelyks stienkoalfergassing, oaljeraffinaazje, útstjit fan auto's en lânboutapassingen) bepaalt de konsintraasje, it lot en it transport fan dizze oeral oanwêzich en oanhâldende ferbiningen. Neist fysike en gemyske behanneling-/ferwideringsmetoaden binne griene en miljeufreonlike technologyen lykas bioremediaasje, dy't gebrûk meitsje fan mikroorganismen dy't by steat binne om POC's folslein ôf te brekken of se om te setten yn net-giftige byprodukten, ûntstien as in feilich, kosteneffektyf en beloftefol alternatyf. Ferskate baktearjesoarten dy't hearre ta de phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, en Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus en Paenibacillus), en Actinobacteria (Rhodococcus en Arthrobacter) yn 'e boaiem-mikrobiota hawwe it fermogen oantoand om ferskate organyske ferbiningen ôf te brekken. Metabolyske stúdzjes, genomika en metagenomyske analyze helpe ús de katabolyske kompleksiteit en ferskaat te begripen dy't oanwêzich is yn dizze ienfâldige libbensfoarmen, dy't fierder tapast wurde kinne foar effisjinte biodegradaasje. It lange bestean fan PAK's hat resultearre yn it ûntstean fan nije degradaasjefenotypen troch horizontale genoerdracht mei gebrûk fan genetyske eleminten lykas plasmiden, transposons, bakteriofagen, genomyske eilannen en yntegrative konjugative eleminten. Systeembiology en genetyske technyk fan spesifike isolaten of modelmienskippen (konsortia) kinne wiidweidige, rappe en effisjinte bioremediaasje fan dizze PAK's mooglik meitsje troch synergistyske effekten. Yn dizze resinsje rjochtsje wy ús op 'e ferskate metabolike paden en ferskaat, genetyske gearstalling en ferskaat, en sellulêre reaksjes/oanpassingen fan naftaleen en substituearre naftaleen-ôfbrekkende baktearjes. Dit sil ekologyske ynformaasje leverje foar tapassing yn it fjild en optimalisaasje fan stammen foar effisjinte bioremediaasje.
De rappe ûntwikkeling fan yndustryen (petrokemikalien, lânbou, farmaseutika, tekstylferve, kosmetika, ensfh.) hat bydroegen oan wrâldwide ekonomyske wolfeart en ferbettere libbensstandert. Dizze eksponentiële ûntwikkeling hat resultearre yn 'e produksje fan in grut oantal syntetyske organyske ferbiningen (SOC's), dy't brûkt wurde om ferskate produkten te meitsjen. Dizze frjemde ferbiningen of SOC's omfetsje polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (PAK's), bestridingsmiddels, herbiciden, weekmakers, kleurstoffen, farmaseutika, organofosfaten, flammefertragers, flechtige organyske oplosmiddels, ensfh. Se wurde útstjitten yn 'e atmosfear, akwatyske en terrestryske ekosystemen, dêr't se multidimensionale ynfloeden hawwe, wêrtroch't skealike effekten op ferskate biofoarmen ûntsteane troch feroaring fan fysykochemyske eigenskippen en mienskipsstruktuer (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). In protte aromatyske fersmoargjende stoffen hawwe sterke en destruktive ynfloeden op in protte yntakte ekosystemen/biodiversiteitshotspots (bygelyks koraalriffen, Arktyske/Antarktyske iiskappen, hege berchmarren, djipseesediminten, ensfh.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Resinte geomikrobiologyske stúdzjes hawwe oantoand dat de ôfsetting fan syntetyske organyske matearje (bygelyks aromatyske fersmoargjende stoffen) en harren derivaten op 'e oerflakken fan keunstmjittige struktueren (boude omjouwing) (bygelyks kultureel erfgoedplakken en monuminten makke fan granyt, stien, hout en metaal) harren degradaasje fersnelt (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Minslike aktiviteiten kinne de biologyske degradaasje fan monuminten en gebouwen yntinsivearje en fergrutsje troch loftfersmoarging en klimaatferoaring (Liu et al. 2020). Dizze organyske fersmoargjende stoffen reagearje mei wetterdamp yn 'e atmosfear en sette har del op 'e struktuer, wêrtroch't fysike en gemyske degradaasje fan it materiaal ûntstiet. Biodegradaasje wurdt breed erkend as ûnwinske feroarings yn it uterlik en de eigenskippen fan materialen feroarsake troch libbene organismen dy't ynfloed hawwe op har behâld (Pochon en Jaton, 1967). Fierdere mikrobiële aksje (metabolisme) fan dizze ferbiningen kin de strukturele yntegriteit, behâldseffektiviteit en kulturele wearde ferminderje (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Oan 'e oare kant is yn guon gefallen mikrobiële oanpassing oan en reaksje op dizze struktueren foardielich fûn, om't se biofilms en oare beskermjende korsten foarmje dy't de snelheid fan ferfal/ûntbining ferminderje (Martino, 2016). Dêrom fereasket de ûntwikkeling fan effektive duorsume behâldsstrategyen op lange termyn foar stiennen, metalen en houten monuminten in yngeand begryp fan 'e wichtichste prosessen dy't belutsen binne by dit proses. Yn ferliking mei natuerlike prosessen (geologyske prosessen, boskbrannen, fulkaanútbarstings, plant- en baktearjele reaksjes) resultearje minsklike aktiviteiten yn 'e frijlitting fan grutte hoemannichten polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (PAK's) en oare organyske koalstof (OC) yn ekosystemen. In protte PAK's dy't brûkt wurde yn 'e lânbou (ynsektisiden en bestridingsmiddels lykas DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorofenol, ensfh.), yndustry (rûge oalje, oaljeslib/ôffal, plestik ôflaat fan petroleum, PCB's, weekmakers, detergenten, desinfektanten, fumiganten, geurstoffen en conserveringsmiddelen), persoanlike fersoargingsprodukten (sinneskermen, desinfektanten, ynsektenôfstotmiddels en polysyklyske muskus) en munysje (eksplosiven lykas 2,4,6-TNT) binne potinsjele xenobiotika dy't ynfloed kinne hawwe op 'e sûnens fan 'e planeet (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna en Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Dizze list kin útwreide wurde mei ferbiningen ôflaat fan petroleum (stookoaljes, smeermiddels, asfaltenen), bioplastyk mei hege molekulêre gewicht en ionyske floeistoffen (Amde et al., 2015). Tabel 1 listet ferskate aromatyske fersmoargjende stoffen en har tapassingen yn ferskate yndustryen. Yn 'e lêste jierren binne antropogene útstjit fan flechtige organyske ferbiningen, lykas koalstofdiokside en oare broeikasgassen, begûn te tanimmen (Dvorak et al., 2017). Antropogene ynfloeden binne lykwols folle grutter as natuerlike. Derneist hawwe wy fûn dat in oantal SOC's yn in protte miljeu-omjouwings oanhâlde en identifisearre binne as opkommende fersmoargjende stoffen mei negative effekten op biomen (Ofbylding 1). Miljeu-ynstânsjes lykas it United States Environmental Protection Agency (USEPA) hawwe in protte fan dizze fersmoargjende stoffen opnommen yn har prioriteitslist fanwegen har cytotoksyske, genotoksiske, mutagene en karsinogene eigenskippen. Dêrom binne strange regeljouwing foar ôffier en effektive strategyen foar ôffalbehanneling/ferwidering út fersmoarge ekosystemen nedich. Ferskate fysike en gemyske behannelingsmetoaden lykas pyrolyse, oksidative termyske behanneling, loftbeluchting, stoartplakken, ferbaarning, ensfh. binne ineffektyf en djoer en generearje korrosive, giftige en lestich te behanneljen byprodukten. Mei tanimmend wrâldwiid miljeubewustwêzen krije mikroorganismen dy't dizze fersmoargjende stoffen en harren derivaten (lykas halogeen, nitro, alkyl en/of methyl) ôfbrekke kinne, hieltyd mear omtinken (Fennell et al., 2004; Haritash en Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). It brûken fan dizze ynheemse kandidaat-mikroorganismen allinnich of yn mingde kultueren (koloanjes) foar it fuortheljen fan aromatyske fersmoargjende stoffen hat foardielen op it mêd fan miljeufeiligens, kosten, effisjinsje, effektiviteit en duorsumens. Undersykers ûndersykje ek de yntegraasje fan mikrobiële prosessen mei elektrogemyske redoksmetoaden, nammentlik bioelektrogemyske systemen (BES), as in belofte technology foar it behanneljen/ferwiderjen fan fersmoargjende stoffen (Huang et al., 2011). BES-technology hat tanimmende oandacht lutsen fanwegen syn hege effisjinsje, lege kosten, miljeufeiligens, keamertemperatueroperaasje, biokompatibele materialen, en de mooglikheid om weardefolle byprodukten (bygelyks elektrisiteit, brânstof en gemikaliën) werom te winnen (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). De komst fan ark/metoaden foar hege trochfier fan genoomsekwinsjearring en omics hat in rykdom oan nije ynformaasje levere oer de genetyske regeling, proteomics en fluxomics fan 'e reaksjes fan ferskate degradearjende mikro-organismen. It kombinearjen fan dizze ark mei systeembiology hat ús begryp fan 'e seleksje en fynôfstimming fan doelkatabolyske paden yn mikro-organismen (d.w.s. metabolysk ûntwerp) fierder ferbettere om effisjinte en effektive biodegradaasje te berikken. Om effektive bioremediaasjestrategyen te ûntwerpen mei geskikte kandidaat-mikro-organismen, moatte wy it biogemyske potinsjeel, metabolyske ferskaat, genetyske gearstalling en ekology (autoekology/synekology) fan mikro-organismen begripe.
Fig. 1. Boarnen en paden fan leechmolekulêre PAK's troch ferskate miljeu-omjouwings en ferskate faktoaren dy't ynfloed hawwe op biota. Stippele linen fertsjintwurdigje ynteraksjes tusken ekosysteemeleminten.
Yn dizze resinsje hawwe wy besocht de gegevens oer de ôfbraak fan ienfâldige PAK's lykas naftaleen en ferfongen naftalenen troch ferskate baktearjele isolaten gear te fetsjen, dy't metabolike paden en ferskaat, enzymen belutsen by de ôfbraak, genkomposysje/ynhâld en ferskaat, sellulêre reaksjes en ferskate aspekten fan bioremediaasje omfetsje. Begrip fan 'e biogemyske en molekulêre nivo's sil helpe by it identifisearjen fan geskikte gasthearstammen en har fierdere genetyske manipulaasje foar effektive bioremediaasje fan sokke prioriteitsfersmoargjende stoffen. Dit sil helpe by it ûntwikkeljen fan strategyen foar it oprjochtsjen fan side-spesifike baktearjele konsortia foar effektive bioremediaasje.
De oanwêzigens fan in grut oantal giftige en gefaarlike aromatyske ferbiningen (dy't foldogge oan de Huckel-regel 4n + 2π-elektronen, n = 1, 2, 3, ...) foarmet in serieuze bedriging foar ferskate miljeumedia lykas loft, boaiem, sediminten, en oerflak- en grûnwetter (Puglisi et al., 2007). Dizze ferbiningen hawwe ienkele benzeenringen (monosyklysk) of meardere benzeenringen (polysyklysk) dy't yn lineêre, hoekige of klusterfoarm arranzjearre binne en fertoane stabiliteit (stabiliteit/ynstabiliteit) yn 'e omjouwing fanwegen hege negative resonânsje-enerzjy en ynertheid (inertheid), wat ferklearre wurde kin troch har hydrofobisiteit en fermindere steat. As de aromatyske ring fierder ferfongen wurdt troch methyl (-CH3), karboksyl (-COOH), hydroksyl (-OH) of sulfonaat (-HSO3) groepen, wurdt it stabiler, hat it in sterkere affiniteit foar makromolekulen, en is it bioakkumulatyf yn biologyske systemen (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Guon polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen mei leech molekulêr gewicht (LMWAH's), lykas naftaleen en syn derivaten [metylnaftaleen, naftoësoer, naftaleensulfonaat, en 1-naftyl N-methylkarbamaat (karbaryl)], binne opnommen yn 'e list mei prioriteitsorganyske fersmoargjende stoffen troch it Amerikaanske Miljeubeskermingsagentskip as genotoksisk, mutageen en/of karsinogen (Cerniglia, 1984). Frijlitting fan dizze klasse NM-PAH's yn it miljeu kin liede ta bioakkumulaasje fan dizze ferbiningen op alle nivo's fan 'e fiedselketen, wêrtroch't de sûnens fan ekosystemen beynfloede wurdt (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
De boarnen en paden fan PAK's nei biota binne primêr troch migraasje en ynteraksjes tusken ferskate ekosysteemkomponinten lykas boaiem, grûnwetter, oerflaktewetter, gewaaksen en de atmosfear (Arey en Atkinson, 2003). Figuer 1 lit de ynteraksjes en fersprieding sjen fan ferskate PAK's mei leech molekulêr gewicht yn ekosystemen en har paden nei biota/minsklike bleatstelling. PAK's wurde ôfset op oerflakken as gefolch fan loftfersmoarging en troch de migraasje (drift) fan auto-útstjit, yndustriële útlaatgassen (koalfergassing, ferbaarning en koksproduksje) en har ôfsetting. Yndustriële aktiviteiten lykas de produksje fan syntetyske tekstyl, kleurstoffen en ferve; houtkonservearring; rubberferwurking; semintproduksjeaktiviteiten; pestizidproduksje; en lânboukundige tapassingen binne wichtige boarnen fan PAK's yn terrestryske en akwatyske systemen (Bamforth en Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Undersyk hat oantoand dat boaiem yn foarstêdlike en stedske gebieten, tichtby snelwegen en yn grutte stêden gefoeliger binne foar polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (PAK's) fanwegen útstjit fan enerzjysintrales, ferwaarming fan wenten, loft- en dykferkearsbelastingen en bouaktiviteiten (Suman et al., 2016). (2008) liet sjen dat PAK's yn boaiem tichtby diken yn New Orleans, Louisiana, Feriene Steaten sa heech wiene as 7189 μg/kg, wylst se yn iepen romte mar 2404 μg/kg wiene. Op deselde wize binne PAK-nivo's oant 300 μg/kg rapportearre yn gebieten tichtby stienkoalfergassingsplakken yn ferskate Amerikaanske stêden (Kanaly en Harayama, 2000; Bamforth en Singleton, 2005). Boaiems út ferskate Yndiaaske stêden lykas Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni en Venkataraman, 2000) en Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) binne rapportearre om hege konsintraasjes PAK's te befetsjen. Aromaatyske ferbiningen wurde makliker adsorbearre oan boaiemdieltsjes, organyske matearje en klaaimineralen, en wurde sa wichtige koalstofputten yn ekosystemen (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). De wichtichste boarnen fan PAK's yn akwatyske ekosystemen binne delslach (wiete/droege delslach en wetterdamp), stedske ôfwettering, ôffalwetterôffier, grûnwetteroanfolling ensfh. (Srogi, 2007). Der wurdt rûsd dat sawat 80% fan 'e PAK's yn marine ekosystemen ôflaat binne fan delslach, sedimintaasje en ôffalôffier (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Hegere konsintraasjes PAK's yn oerflaktewetter of útlozingswetter fan fêste ôffalferwurkingsplakken lekke úteinlik yn it grûnwetter, wat in grutte bedriging foar de folkssûnens foarmet, om't mear as 70% fan 'e befolking yn Súd- en Súdeast-Aazje grûnwetter drinkt (Duttagupta et al., 2019). In resinte stúdzje fan Duttagupta et al. (2020) fan rivier- (32) en grûnwetter- (235) analyses út West-Bengalen, Yndia, fûn dat nei skatting 53% fan 'e stedsbewenners en 44% fan 'e plattelânsbewenners (yn totaal 20 miljoen ynwenners) bleatsteld wurde kinne oan naftaleen (4,9–10,6 μg/L) en syn derivaten. Differentiaal lângebrûkpatroanen en ferhege grûnwetterwinning wurde beskôge as de wichtichste faktoaren dy't it fertikale transport (adveksje) fan PAK's mei leech molekulêr gewicht yn 'e ûndergrûn kontrolearje. Lânbouôfwettering, ûntladingen fan gemeentlik en yndustriële ôffalwetter, en ûntladingen fan fêst ôffal/jiskefet binne beynfloede troch PAK's yn rivierbekkens en ûndergrûnske sediminten. Atmosfearyske delslach fergruttet PAK-fersmoarging fierder. Hege konsintraasjes fan PAK's en harren alkylderivaten (51 yn totaal) binne rapportearre yn rivieren/ôfwetteringsgebieten wrâldwiid, lykas de Fraser River, Louan River, Denso River, Missouri River, Anacostia River, Ebro River, en Delaware River (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Yn 'e sediminten fan it Ganges-bekken waarden naftaleen en fenantreen it meast wichtige fûn (detektearre yn 70% fan 'e samples) (Duttagupta et al., 2019). Boppedat hawwe stúdzjes oantoand dat chlorering fan drinkwetter kin liede ta de foarming fan mear giftige soerstofrike en chlorearre PAK's (Manoli en Samara, 1999). PAK's sammelje har op yn granen, fruit en grienten as gefolch fan opname troch planten út fersmoarge boaiem, grûnwetter en delslach (Fismes et al., 2002). In protte wetterorganismen lykas fisken, mossels, skelpen en garnalen wurde fersmoarge mei PAK's troch de konsumpsje fan fersmoarge iten en seewetter, lykas fia weefsels en hûd (Mackay en Fraser, 2000). Kook-/ferwurkingsmetoaden lykas grillen, roastjen, smoken, fretten, droegjen, bakken en koken op houtskoal kinne ek liede ta wichtige hoemannichten PAK's yn iten. Dit hinget foar in grut part ôf fan 'e kar fan smokemateriaal, fenolyske/aromatyske koalwetterstofynhâld, kookproseduere, ferwaarmingstype, fochtgehalte, soerstoffoarsjenning en ferbaarningstemperatuer (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (PAK's) binne ek yn molke ûntdutsen yn ferskate konsintraasjes (0,75–2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). De opgarjen fan dizze PAK's yn iten hinget ek ôf fan 'e fysyk-gemyske eigenskippen fan iten, wylst har giftige effekten relatearre binne oan fysiologyske funksjes, metabolike aktiviteit, opname, distribúsje en lichemsdistribúsje (Mechini et al., 2011).
De toksisiteit en skealike effekten fan polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (PAK's) binne al lang bekend (Cherniglia, 1984). Polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen mei leech molekulêr gewicht (LMW-PAK's) (twa oant trije ringen) kinne kovalent bine oan ferskate makromolekulen lykas DNA, RNA en aaiwiten en binne karsinogen (Santarelli et al., 2008). Fanwegen har hydrofobe aard wurde se skieden troch lipidemembranen. By minsken oksidearje cytochroom P450 monooxygenasen PAK's ta epoxiden, wêrfan guon tige reaktyf binne (bygelyks baediol epoxide) en kinne liede ta de transformaasje fan normale sellen yn maligne sellen (Marston et al., 2001). Derneist binne de transformaasjeprodukten fan PAK's lykas kinonen, fenolen, epoxiden, diolen, ensfh. giftiger as de âlderferbiningen. Guon PAK's en harren metabolike tuskenprodukten kinne hormonen en ferskate enzymen yn it metabolisme beynfloedzje, wêrtroch't de groei, it sintrale senuwstelsel, it reproduktive en ymmúnsysteem negatyf beynfloede wurde (Swetha en Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Koarte termyn bleatstelling oan PAK's mei leech molekulêr gewicht kin liede ta beheinde longfunksje en trombose by astmapatiënten en it risiko op hûd-, long-, blaas- en gastrointestinale kankers ferheegje (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Dierenstúdzjes hawwe ek oantoand dat bleatstelling oan PAK's negative effekten hawwe kin op reproduktive funksje en ûntwikkeling en kin katarakten, nier- en leverskea, en geelsucht feroarsaakje. Ferskate PAK-biotransformaasjeprodukten lykas diolen, epoxiden, kinonen en frije radikalen (kationen) binne oantoand DNA-addukten te foarmjen. Stabile addukten hawwe sjen litten dat se de DNA-replikaasjemasjinerie feroarje, wylst ynstabile addukten DNA kinne depurineare (benammen nei adenine en soms nei guanine); beide kinne flaters generearje dy't liede ta mutaasjes (Schweigert et al. 2001). Derneist kinne kinonen (benzo-/pan-) reaktive soerstofsoarten (ROS) generearje, wêrtroch fatale skea oan DNA en oare makromolekulen feroarsake wurdt, wêrtroch't de weefselfunksje/libbensfetberens beynfloede wurdt (Ewa en Danuta 2017). Chronike bleatstelling oan lege konsintraasjes fan pyreen, bifenyl en naftaleen is rapportearre as oarsaak fan kanker by proefdieren (Diggs et al. 2012). Fanwegen har deadlike toksisiteit is it opromjen/ferwiderjen fan dizze PAK's fan troffen/fersmoarge plakken in prioriteit.
Ferskate fysike en gemyske metoaden binne brûkt om PAK's te ferwiderjen út fersmoarge plakken/omjouwings. Prosessen lykas ferbaarning, dechlorering, UV-oksidaasje, fiksaasje en oplosmiddelekstraksje hawwe in protte neidielen, ynklusyf de foarming fan giftige byprodukten, proseskompleksiteit, feiligens- en regeljouwingsproblemen, lege effisjinsje en hege kosten. Mikrobiële biodegradaasje (bioremediaasje neamd) is lykwols in beloftefolle alternative oanpak dy't it gebrûk fan mikroorganismen yn 'e foarm fan suvere kultueren of koloanjes omfettet. Yn ferliking mei fysike en gemyske metoaden is dit proses miljeufreonlik, net-invasyf, kosteneffektyf en duorsum. Bioremediaasje kin wurde útfierd op it troffen plak (in situ) of op in spesjaal taret plak (ex situ) en wurdt dêrom beskôge as in duorsumer remediaasjemetoade dan tradisjonele fysike en gemyske metoaden (Juhasz en Naidu, 2000; Andreoni en Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
It begripen fan 'e mikrobiële metabolike stappen dy't belutsen binne by de ôfbraak fan aromatyske fersmoargjende stoffen hat enoarme wittenskiplike en ekonomyske gefolgen foar ekologyske en miljeu-duorsumens. In skatte 2,1 × 1018 gram koalstof (C) wurdt opslein yn sediminten en organyske ferbiningen (d.w.s. oalje, ierdgas en stienkoal, d.w.s. fossile brânstoffen) wrâldwiid, wat in wichtige bydrage leveret oan 'e wrâldwide koalstofsyklus. Rappe yndustrialisaasje, winning fan fossile brânstoffen en minsklike aktiviteiten ferminderje dizze lithosfearyske koalstofreservoirs lykwols, wêrtroch't jierliks ​​in skatte 5,5 × 1015 g organyske koalstof (as fersmoargjende stoffen) yn 'e atmosfear frijkomt (Gonzalez-Gaya et al., 2019). It measte fan dizze organyske koalstof komt yn terrestryske en marine ekosystemen fia sedimintaasje, transport en ôfwettering. Derneist fersmoargje nije syntetyske fersmoargjende stoffen ôflaat fan fossile brânstoffen, lykas plestik, weekmakers en plestikstabilisatoren (ftalen en har isomeren), marine, boaiem- en wetterekosystemen en har biota serieus, wêrtroch't de wrâldwide klimaatrisiko's fergrutsje. Ferskate soarten mikroplastyk, nanoplastyk, plestikfragminen en har giftige monomeerprodukten ôflaat fan polyetyleentereftalaat (PET) hawwe har ophoopt yn 'e Stille Oseaan tusken Noard-Amearika en Súdeast-Aazje, wêrtroch't de "Grutte Stille Oseaan-ôffalplak" ûntstiet, wat skea oanrjochte hat oan it seelibben (Newell et al., 2020). Wittenskiplike stúdzjes hawwe bewiisd dat it net mooglik is om sokke fersmoargjende stoffen/ôffal te ferwiderjen troch fysike of gemyske metoaden. Yn dizze kontekst binne de nuttichste mikro-organismen dyjingen dy't by steat binne om fersmoargjende stoffen oksidatyf te metabolisearjen yn koalstofdiokside, gemyske enerzjy en oare net-giftige byprodukten dy't úteinlik yn oare fiedingsstoffensyklusprosessen komme (H2, O2, N2, S2, P2, Fe2, ensfh.). Dêrom is it begripen fan 'e mikrobiële ekofysiology fan aromatyske fersmoargjende mineralisaasje en har miljeukontrôle krúsjaal foar it beoardieljen fan 'e mikrobiële koalstofsyklus, netto koalstofbudzjet en takomstige klimaatrisiko's. Mei it each op 'e driuwende needsaak om sokke ferbiningen út it miljeu te ferwiderjen, binne ferskate eko-yndustryen ûntstien dy't rjochte binne op skjinne technologyen. As alternatyf wurdt it weardearjen fan yndustrieel ôffal/ôffalgemikaliën dy't yn ekosystemen sammele binne (d.w.s. de oanpak fan ôffal nei rykdom) beskôge as ien fan 'e pylders fan 'e sirkulêre ekonomy en duorsume ûntwikkelingsdoelen (Close et al., 2012). Dêrom is it begripen fan 'e metabolike, enzymatyske en genetyske aspekten fan dizze potinsjele ôfbraakkandidaten fan it grutste belang foar de effektive ferwidering en bioremediaasje fan sokke aromatyske fersmoargjende stoffen.
Under de protte aromatyske fersmoargjende stoffen jouwe wy spesjale oandacht oan PAK's mei leech molekulêr gewicht lykas naftaleen en substituearre naftalenen. Dizze ferbiningen binne wichtige komponinten fan brânstoffen ôflaat fan petroleum, tekstylkleurstoffen, konsuminteprodukten, bestridingsmiddels (motteballen en ynsektenôfstotmiddels), weekmakers en tanninen en binne dêrom wiidferspraat yn in protte ekosystemen (Preuss et al., 2003). Resinte rapporten markearje de opgarjen fan naftaleenkonsintraasjes yn aquifer-sediminten, grûnwetter en ûndergrûnske boaiem, vadose-sônes en rivierbêden, wat suggerearret dat it bioakkumulearret yn it miljeu (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabel 2 jout in gearfetting fan 'e fysykochemyske eigenskippen, tapassingen en sûnenseffekten fan naftaleen en syn derivaten. Yn ferliking mei oare PAK's mei heech molekulêr gewicht binne naftaleen en syn derivaten minder hydrofoob, mear wetteroplosber en wiidferspraat yn ekosystemen, sadat se faak brûkt wurde as modelsubstraten om it metabolisme, genetika en metabolike ferskaat fan PAK's te bestudearjen. In grut oantal mikroorganismen binne yn steat om naftaleen en syn derivaten te metabolisearjen, en wiidweidige ynformaasje is beskikber oer har metabolike paden, enzymen en regeljouwingsfunksjes (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Derneist wurde naftaleen en syn derivaten oanwiisd as prototypeferbiningen foar beoardieling fan miljeufersmoarging fanwegen har hege oerfloed en biobeskikberens. De US Environmental Protection Agency skat dat de gemiddelde nivo's fan naftaleen 5,19 μg per kubike meter binne fan sigarettenreek, benammen fan ûnfolsleine ferbaarning, en 7,8 oant 46 μg fan sydstreamreek, wylst bleatstelling oan kreosoot en naftaleen 100 oant 10.000 kear heger is (Preuss et al. 2003). Benammen naftaleen is fûn om soarte-, regio- en geslachtspesifike respiratoire toksisiteit en karsinogeniteit te hawwen. Op basis fan bistestúdzjes hat it International Agency for Research on Cancer (IARC) naftaleen klassifisearre as in "mooglik minsklik karsinogeen" (Groep 2B)1. Bleatstelling oan ferfongen naftalenen, benammen troch ynhalaasje of parenterale (orale) administraasje, feroarsaket longweefselskea en fergruttet de ynsidinsje fan longtumors by rotten en mûzen (Nasjonaal Toxicologysk Programma 2). Akute effekten omfetsje mislikens, braken, buikpine, diarree, hoofdpijn, betizing, oermjittich switten, koarts, tachykardie, ensfh. Oan 'e oare kant is rapportearre dat it breedspektrum karbamaat-ynsektizid carbaryl (1-naftyl N-methylkarbamaat) giftich is foar wetterige ynvertebraten, amfibyen, huningbijen en minsken en it is oantoand dat it acetylcholinesterase remt, wêrtroch ferlamming ûntstiet (Smulders et al., 2003; Bulen en Distel, 2011). Dêrom is it begripen fan 'e meganismen fan mikrobiële degradaasje, genetyske regeling, enzymatyske en sellulêre reaksjes krúsjaal foar it ûntwikkeljen fan bioremediaasjestrategyen yn fersmoarge omjouwings.
Tabel 2. Detaillearre ynformaasje oer de fysykochemyske eigenskippen, gebrûk, identifikaasjemetoaden en assosjearre sykten fan naftaleen en syn derivaten.
Yn fersmoarge nissen kinne hydrofobe en lipofile aromaatyske fersmoargjende stoffen in ferskaat oan sellulêre effekten feroarsaakje op it miljeu-mikrobioom (mienskip), lykas feroaringen yn membraanfluiditeit, membraanpermeabiliteit, lipide bilaach swelling, fersteuring fan enerzjyferfier (elektronentransportketen/proton oandriuwkrêft), en aktiviteit fan membraan-assosjeare proteïnen (Sikkema et al., 1995). Derneist generearje guon oplosbere tuskenprodukten lykas katecholen en kinonen reaktive soerstofsoarten (ROS) en foarmje addukten mei DNA en proteïnen (Penning et al., 1999). Sa oefenet de oerfloed fan sokke ferbiningen yn ekosystemen selektive druk út op mikrobiële mienskippen om effisjinte ôfbrekkers te wurden op ferskate fysiologyske nivo's, ynklusyf opname/transport, intrasellulêre transformaasje, assimilaasje/gebrûk, en kompartmentalisaasje.
In sykaksje fan it Ribosomal Database Project-II (RDP-II) liet sjen dat yn totaal 926 baktearjesoarten isolearre waarden út media of ferrikingskulturen dy't fersmoarge wiene mei naftaleen of syn derivaten. De Proteobacteria-groep hie it heechste oantal fertsjintwurdigers (n = 755), folge troch Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), en net-klassifisearre baktearjes (8) (Ofbylding 2). Fertsjintwurdigers fan γ-Proteobacteria (Pseudomonadales en Xanthomonadales) dominearren alle Gram-negative groepen mei in hege G+C-ynhâld (54%), wylst Clostridiales en Bacillales (30%) Gram-positive groepen wiene mei in lege G+C-ynhâld. Pseudomonas (it heechste oantal, 338 soarten) koe naftaleen en syn metylderivaten ôfbrekke yn ferskate fersmoarge ekosystemen (koaltjer, petroleum, rau oalje, slib, oaljelekkages, ôffalwetter, organysk ôffal en stoartplakken) en ek yn yntakte ekosystemen (grûn, rivieren, sediminten en grûnwetter) (Ofbylding 2). Boppedat hawwe ferrikingsstúdzjes en metagenomyske analyze fan guon fan dizze regio's oantoand dat net-kultivearre Legionella- en Clostridium-soarten miskien ôfbraakkapasiteit hawwe, wat oanjout dat dizze baktearjes moatte wurde kultivearre om nije paden en metabolike ferskaat te bestudearjen.
Fig. 2. Taksonomyske ferskaat en ekologyske fersprieding fan baktearjele fertsjintwurdigers yn omjouwings fersmoarge mei naftaleen en naftaleenderivaten.
Under de ferskate aromaatyske koalwetterstof-ôfbrekkende mikroorganismen binne de measten yn steat om naftaleen ôf te brekken as de ienige boarne fan koalstof en enerzjy. De folchoarder fan barrens dy't belutsen binne by naftaleenmetabolisme is beskreaun foar Pseudomonas sp. (stammen: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 en CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 en oare stammen (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 wurdt inisjearre troch in multikomponint dioxygenase [naftaleen dioxygenase (NDO), in ringhydroxylearjende dioxygenase] dy't de oksidaasje fan ien fan 'e aromatyske ringen fan naftaleen katalysearret mei molekulêre soerstof as it oare substraat, wêrtroch naftaleen omset wurdt yn cis-naftaleendiol (Ofbylding 3). Cis-dihydrodiol wurdt omset yn 1,2-dihydroxynaftaleen troch in dehydrogenase. In ringsplitsende dioxygenase, 1,2-dihydroxynaftaleendioxygenase (12DHNDO), konvertearret 1,2-dihydroxynaftaleen nei 2-hydroxychromeen-2-karboksylsoer. Enzymatyske cis-trans-isomerisaasje produseart trans-o-hydroxybenzylidenepyruvaat, dat troch hydratase-aldolase splitst wurdt nei salisylaldehyde en pyruvaat. It organyske soer pyruvaat wie de earste C3-ferbining ôflaat fan it naftaleenkoalstofskelet en rjochte yn it sintrale koalstofpaad. Derneist konvertearret NAD+-ôfhinklike salisylaldehyde-dehydrogenase salisylaldehyde nei salisylsoer. Metabolisme yn dit stadium wurdt it "boppeste paad" fan naftaleenôfbraak neamd. Dit paad komt tige faak foar yn 'e measte naftaleen-ôfbrekkende baktearjes. D'r binne lykwols in pear útsûnderingen; bygelyks, yn 'e thermofile Bacillus hamburgii 2 wurdt naftaleenôfbraak inisjearre troch naftaleen 2,3-dioxygenase nei foarmje 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Figuer 3. Paden fan naftaleen, metylnaftaleen, naftoesoer, en karbaryl-ôfbraak. Sirkele sifers fertsjintwurdigje enzymen dy't ferantwurdlik binne foar de opienfolgjende konverzje fan naftaleen en syn derivaten yn folgjende produkten. 1 - naftaleendioxygenase (NDO); 2, cis-dihydrodioldehydrogenase; 3, 1,2-dihydroxynaftaleendioxygenase; 4, 2-hydroxychromeen-2-karboksylsoer isomerase; 5, trans-O-hydroxybenzylidenepyruvaathydratase aldolase; 6, salicylaldehydedehydrogenase; 7, salicylaat 1-hydroxylase; 8, catechol 2,3-dioxygenase (C23DO); 9, 2-hydroxymuconaatsemialdehydedehydrogenase; 10, 2-oxopent-4-enoaathydratase; 11, 4-hydroxy-2-oxopentanoaataldolase; 12, acetaldehyde dehydrogenase; 13, catechol-1,2-dioxygenase (C12DO); 14, muconaat cycloisomerase; 15, muconolacton delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenolacton hydrolase; 17, β-ketoadipaat succinyl-CoA transferase; 18, β-ketoadipaat-CoA thiolase; 19, succinyl-CoA: acetyl-CoA succinyltransferase; 20, salicylaat 5-hydroxylase; 21 – gentisaat 1,2-dioxygenase (GDO); 22, maleylpyruvaat isomerase; 23, fumarylpyruvaat hydrolase; 24, methylnaftaleen hydroxylase (NDO); 25, hydroxymethylnaftaleen dehydrogenase; 26, naftaldehyde dehydrogenase; 27, 3-formylsalisylsoer oksidase; 28, hydroxyisoftalaatdekarboksylase; 29, karbarylhydrolase (CH); 30, 1-naftol-2-hydroksylase.
Ofhinklik fan it organisme en syn genetyske opmaak wurdt it resultearjende salisylsoer fierder metabolisearre fia it katecholpaad mei salisylaat 1-hydroxylase (S1H) of fia it gentisaatpaad mei salisylaat 5-hydroxylase (S5H) (Ofbylding 3). Om't salisylsoer de wichtichste tuskenstof is yn naftaleenmetabolisme (boppeste paad), wurde de stappen fan salisylsoer nei de TCA-tuskenstof faak oantsjutten as it legere paad, en de genen binne organisearre yn ien operon. It is gewoan om te sjen dat de genen yn it boppeste paadoperon (nah) en it legere paadoperon (sal) wurde regele troch mienskiplike regeljouwingsfaktoaren; bygelyks, NahR en salisylsoer fungearje as ynducers, wêrtroch beide operons naftaleen folslein kinne metabolisearje (Phale et al., 2019, 2020).
Derneist wurdt catechol syklysk splitst ta 2-hydroxymuconaat semialdehyde fia de meta-paadwei troch catechol 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) en fierder hydrolysearre troch 2-hydroxymuconaat semialdehyde hydrolase om 2-hydroxypent-2,4-dienoësoer te foarmjen. 2-hydroxypent-2,4-dienoaat wurdt dan omset yn pyruvaat en acetaldehyde troch in hydratase (2-oxopent-4-enoaat hydratase) en in aldolase (4-hydroxy-2-oxopentanoaat aldolase) en komt dan yn 'e sintrale koalstofpaadwei (Ofbylding 3). As alternatyf wurdt catechol syklysk splitst ta cis,cis-muconaat fia de ortho-paadwei troch catechol 1,2-oxygenase (C12DO). Muconaatcycloisomerase, muconolactonisomerase, en β-ketoadipaat-nollactonhydrolase konvertearje cis,cis-muconaat nei 3-oxoadipaat, dat de sintrale koalstofrûte yngiet fia succinyl-CoA en acetyl-CoA (Nozaki et al., 1968) (Ofbylding 3).
Yn it gentisaat (2,5-dihydroxybenzoaat) paad wurdt de aromaatyske ring spjalte troch gentisaat 1,2-dioxygenase (GDO) om maleylpyruvaat te foarmjen. Dit produkt kin direkt hydrolysearre wurde ta pyruvaat en malaat, of it kin isomerisearre wurde om fumarylpyruvaat te foarmjen, dat dan hydrolysearre wurde kin ta pyruvaat en fumaraat (Larkin en Day, 1986). De kar foar it alternative paad is waarnommen yn sawol Gram-negative as Gram-positive baktearjes op biogemysk en genetysk nivo (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Gram-negative baktearjes (Pseudomonas) brûke leaver salisylsoer, dat in ynduktor is fan naftaleenmetabolisme, en dekarboksylearje it ta katechol mei salisylaat 1-hydroxylase (Gibson en Subramanian, 1984). Oan 'e oare kant, yn Gram-positive baktearjes (Rhodococcus), konvertearret salicylaat 5-hydroxylase salicylsoer nei gentisinesoer, wylst salicylsoer gjin induktyf effekt hat op 'e transkripsje fan naftaleengenen (Grund et al., 1992) (Ofbylding 3).
Der is rapportearre dat soarten lykas Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas en Mycobacterium-soarten monomethylnaftaleen of dimethylnaftaleen kinne ôfbrekke (Dean-Raymond en Bartha, 1975; Cane en Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Under harren is de 1-methylnaftaleen- en 2-methylnaftaleen-ôfbraakrûte fan Pseudomonas sp. CSV86 dúdlik bestudearre op biogemysk en enzymatyske nivo's (Mahajan et al., 1994). 1-Methylnaftaleen wurdt metabolisearre fia twa paden. Earst wurdt de aromaatyske ring hydroksylearre (de net-substituearre ring fan metylnaftaleen) om cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydro-8-metylnaftaleen te foarmjen, dat fierder oksidearre wurdt ta metylsalisylaat en metylkatechol, en dan nei ringsplitsing it sintrale koalstofpaad yngiet (Ofbylding 3). Dit paad wurdt it "koalstofboarnepaad" neamd. Yn it twadde "ûntgiftingspaad" kin de metylgroep hydroksylearre wurde troch NDO om 1-hydroxymethylnaftaleen te foarmjen, dat fierder oksidearre wurdt ta 1-naftoësoer en útskieden wurdt yn it kweekmedium as in dead-end produkt. Undersyk hat oantoand dat stam CSV86 net yn steat is om te groeien op 1- en 2-naftoësoer as ienige koalstof- en enerzjyboarne, wat syn ûntgiftingspaad befêstiget (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Yn 2-metylnaftaleen ûndergiet de metylgroep hydroksylaasje troch hydroksylase om 2-hydroxymethylnaftaleen te foarmjen. Derneist ûndergiet de net-substituearre ring fan 'e naftaleenring ringhydroksylaasje om in dihydrodiol te foarmjen, dat oksidearre wurdt ta 4-hydroxymethylcatechol yn in searje enzyme-katalysearre reaksjes en it sintrale koalstofpaad yngiet fia it meta-ring-splitsingspaad. Op deselde wize waard rapportearre dat S. paucimobilis 2322 NDO brûkt om 2-methylnaftaleen te hydroxylearjen, dat fierder oksidearre wurdt om methylsalisylaat en methylcatechol te foarmjen (Dutta et al., 1998).
Naftoesoaren (substituearre/net-substituearre) binne byprodukten fan ûntgifting/biotransformaasje dy't foarme wurde tidens de ôfbraak fan metylnaftaleen, fenantreen en antraseen en frijkomme yn it brûkte kweekmedium. Der is rapportearre dat it boaiemisolaat Stenotrophomonas maltophilia CSV89 yn steat is om 1-naftoësoer as koalstofboarne te metabolisearjen (Phale et al., 1995). Metabolisme begjint mei dihydroksylaasje fan 'e aromatyske ring om 1,2-dihydroxy-8-karboksynaftaleen te foarmjen. De resultearjende diol wurdt oksidearre ta katechol fia 2-hydroxy-3-karboksylidenepyruvaat, 3-formylsalicylsoer, 2-hydroxyisoftaalsoer en salicylsoer en komt de sintrale koalstofrûte yn fia de meta-ring-splitsingsrûte (Ofbylding 3).
Karbaryl is in naftylkarbamaat-pestizid. Sûnt de Griene Revolúsje yn Yndia yn 'e jierren '70 hat it gebrûk fan gemyske dongstoffen en pestiziden laat ta in tanimming fan polysyklyske aromatische koalwetterstoffen (PAK) útstjit fan net-puntboarnen yn 'e lânbou (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Nei skatting wurdt 55% (85.722.000 hektare) fan it totale lânboulân yn Yndia behannele mei gemyske pestiziden. Yn 'e lêste fiif jier (2015–2020) hat de Yndiaaske lânbousektor gemiddeld 55.000 oant 60.000 ton pestiziden jierliks ​​brûkt (Department of Cooperatives and Farmers Welfare, Ministry of Agriculture, Government of India, augustus 2020). Yn 'e noardlike en sintrale Gangetic-flakten (de steaten mei de heechste befolking en befolkingstichtens) is it gebrûk fan pestiziden op gewaaksen wiidferspraat, mei ynsektiziden dy't oerhearskje. Karbaryl (1-naftyl-N-methylkarbamaat) is in breedspektrum, matich oant tige giftich karbamaatynsektizid dat brûkt wurdt yn 'e Yndiaaske lânbou mei in gemiddelde hoemannichte fan 100-110 ton. It wurdt meast ferkocht ûnder de hannelsnamme Sevin en wurdt brûkt om ynsekten (bladluzen, fjoermieren, fleagen, miggen, spinnen en in protte oare pleagen bûten) te bestriden dy't in ferskaat oan gewaaksen (mais, soja, katoen, fruit en griente) beynfloedzje. Guon mikroorganismen lykas Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus en Arthrobacter kinne ek brûkt wurde om oare pleagen te bestriden. Der is rapportearre dat RC100 karbaryl ôfbrekke kin (Larkin en Day, 1986; Chapalamadugu en Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha en Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). It ôfbraakpaad fan karbaryl is wiidweidich bestudearre op biogemysk, enzymatysk en genetysk nivo yn boaiemisolaten fan Pseudomonas sp. Stammen C4, C5 en C6 (Swetha en Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). It metabolike paad begjint mei de hydrolyse fan 'e esterbining troch karbarylhydrolase (CH4) om 1-naftol, metylamine en koalstofdiokside te foarmjen. 1-naftol wurdt dan omset yn 1,2-dihydroxynaftaleen troch 1-naftolhydroksylase (1-NH), dat fierder metabolisearre wurdt fia de sintrale koalstofrûte fia salisylaat en gentisaat. Guon karbaryl-ôfbrekkende baktearjes binne rapportearre om it te metabolisearjen ta salisylsoer fia splitsing fan 'e katechol-ortho-ring (Larkin en Day, 1986; Chapalamadugu en Chaudhry, 1991). It is opmerklik dat naftaleen-ôfbrekkende baktearjes primêr salisylsoer metabolisearje fia katechol, wylst karbaryl-ôfbrekkende baktearjes leaver salisylsoer metabolisearje fia de gentisaatrûte.
Naftaleensulfonzuur/disulfonzuur en naftylaminesulfonzuurderivaten kinne brûkt wurde as tuskenprodukten yn 'e produksje fan azokleurstoffen, bevochtigers, dispergeermiddels, ensfh. Hoewol dizze ferbiningen in lege toksisiteit hawwe foar minsken, hawwe cytotoxiciteitsbeoardielingen oantoand dat se deadlik binne foar fisken, daphnia en algen (Greim et al., 1994). Fertsjintwurdigers fan it geslacht Pseudomonas (stammen A3, C22) binne rapportearre om metabolisme te begjinnen troch dûbele hydroksylaasje fan 'e aromaatyske ring dy't de sulfonzuurgroep befettet om in dihydrodiol te foarmjen, dat fierder omset wurdt yn 1,2-dihydroxynaftaleen troch spontane splitsing fan 'e sulfytgroep (Brilon et al., 1981). De resultearjende 1,2-dihydroxynaftaleen wurdt katabolisearre fia de klassike naftaleenrûte, d.w.s. de katechol- of gentisaatrûte (Ofbylding 4). It is oantoand dat aminonaftaleensulfonzuur en hydroksynaftaleensulfonzuur folslein ôfbrutsen wurde kinne troch mingde baktearjele konsortia mei komplementêre katabolyske paden (Nortemann et al., 1986). It is oantoand dat ien lid fan it konsortium aminonaftaleensulfonzuur of hydroksynaftaleensulfonzuur ûntswavelet troch 1,2-dioxygenaasje, wylst aminosalicylaat of hydroksysalisylaat frijkomt yn it kweekmedium as in deade-ein metaboliet en dêrnei opnommen wurdt troch oare leden fan it konsortium. Naftaleendisulfonzuur is relatyf polair mar min biologysk ôfbrekber en kin dêrom metabolisearre wurde fia ferskate paden. De earste ûntswaveling fynt plak tidens regioselektive dihydroksylaasje fan 'e aromatyske ring en de sulfonzuurgroep; De twadde ûntswaveling fynt plak tidens hydroksylaasje fan 5-sulfosalicylsoer troch salicylsoer 5-hydroksylase om gentisinezuur te foarmjen, dat de sintrale koalstofrûte yngiet (Brilon et al., 1981) (Ofbylding 4). De enzymen dy't ferantwurdlik binne foar naftaleenôfbraak binne ek ferantwurdlik foar naftaleensulfonaatmetabolisme (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figuer 4. Metabolyske paden foar naftaleensulfonaatôfbraak. De sifers binnen de sirkels fertsjintwurdigje de enzymen dy't ferantwurdlik binne foar naftylsulfonaatmetabolisme, fergelykber/identyk oan de enzymen beskreaun yn FIG. 3.
PAK's mei leech molekulêr gewicht (LMW-PAK's) binne redusearber, hydrofoob en min oplosber, en dêrom net gefoelich foar natuerlike ôfbraak/degradaasje. Aerobe mikroorganismen binne lykwols yn steat om it te oksidearjen troch molekulêre soerstof (O2) op te nimmen. Dizze enzymen hearre benammen ta de klasse fan oksidoreduktasen en kinne ferskate reaksjes útfiere lykas aromatyske ringhydroksylaasje (mono- of dihydroksylaasje), dehydrogenaasje en aromatyske ringsplitsing. De produkten dy't út dizze reaksjes wurde krigen, binne yn in hegere oksidaasjetastân en wurde makliker metabolisearre fia de sintrale koalstofrûte (Phale et al., 2020). De enzymen yn 'e degradaasjerûte binne rapportearre as yndusearber. De aktiviteit fan dizze enzymen is tige leech of ferwaarloosber as sellen wurde groeid op ienfâldige koalstofboarnen lykas glukoaze of organyske soeren. Tabel 3 jout in gearfetting fan 'e ferskate enzymen (oksygenasen, hydrolasen, dehydrogenasen, oksidasen, ensfh.) dy't belutsen binne by it metabolisme fan naftaleen en syn derivaten.
Tabel 3. Biogemyske skaaimerken fan enzymen dy't ferantwurdlik binne foar de ôfbraak fan naftaleen en syn derivaten.
Radioisotoopûndersiken (18O2) hawwe oantoand dat de ynkorporaasje fan molekulêre O2 yn aromatyske ringen troch oksygenasen de wichtichste stap is yn it aktivearjen fan fierdere biodegradaasje fan in ferbining (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). De ynkorporaasje fan ien soerstofatoom (O) fan molekulêre soerstof (O2) yn it substraat wurdt inisjearre troch endogene of eksogene monooksygenasen (ek wol hydroksylasen neamd). In oar soerstofatoom wurdt redusearre ta wetter. Eksogene monooksygenasen ferminderje flavine mei NADH of NADPH, wylst yn endomonooksygenasen flavine wurdt redusearre troch it substraat. De posysje fan hydroksylaasje resulteart yn ferskaat yn produktfoarming. Bygelyks, salisylaat 1-hydroksylase hydroksyleart salisylsoer op 'e C1-posysje, wêrtroch't katechol ûntstiet. Oan 'e oare kant hydroksyleart it multikomponint salicylaat 5-hydroxylase (mei reduktase-, ferredoxine- en oxygenase-subeenheden) salisylsoer op 'e C5-posysje, wêrtroch gentisinesoer ûntstiet (Yamamoto et al., 1965).
Dioxygenasen nimme twa O2-atomen yn it substraat op. Ofhinklik fan 'e foarme produkten wurde se ferdield yn ringhydroxylerende dioxygenasen en ringsplitsende dioxygenasen. Ringhydroxylerende dioxygenasen konvertearje aromaatyske substraten yn cis-dihydrodiolen (bygelyks naftaleen) en binne wiidferspraat ûnder baktearjes. Oant no ta is oantoand dat organismen dy't ringhydroxylerende dioxygenasen befetsje, by steat binne om te groeien op ferskate aromaatyske koalstofboarnen, en dizze enzymen wurde klassifisearre as NDO (naftaleen), tolueendioxygenase (TDO, tolueen) en bifenyldioxygenase (BPDO, bifenyl). Sawol NDO as BPDO kinne de dûbele oksidaasje en sydketenhydroksylaasje fan ferskate polysyklyske aromatyske koalwetterstoffen (tolueen, nitrotolueen, xyleen, ethylbenzeen, naftaleen, bifenyl, fluoreen, indool, methylnaftaleen, naftaleensulfonaat, fenantreen, antraseen, acetofenon, ensfh.) katalysearje (Boyd en Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO is in multikomponintsysteem besteande út in oksidoreduktase, in ferredoxine, en in aktive side-befetsjende oxygenase-komponint (Gibson en Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). De katalytyske ienheid fan NDO bestiet út in grutte α-subeenheid en in lytse β-subeenheid dy't yn in α3β3-konfiguraasje arranzjearre binne. NDO heart ta in grutte famylje fan oksygenasen en syn α-subeenheid befettet in Rieske-plak [2Fe-2S] en in mononukleêr net-heemizer, dat de substraatspesifisiteit fan NDO bepaalt (Parales et al., 1998). Typysk wurde yn ien katalytyske syklus twa elektroanen fan 'e reduksje fan pyridinenukleotide oerdroegen nei it Fe(II)-ion yn it aktive plak fia in reduktase, in ferredoxine en in Rieske-plak. De redusearjende ekwivalinten aktivearje molekulêre soerstof, wat in betingst is foar substraatdihydroxylaasje (Ferraro et al., 2005). Oant no ta binne mar in pear NDO's suvere en detaillearre karakterisearre út ferskate stammen en de genetyske kontrôle fan 'e paden dy't belutsen binne by naftaleenôfbraak is detaillearre bestudearre (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Ringsplitsende dioxygenasen (endo- of ortho-ringsplitsende enzymen en eksodiol- of meta-ringsplitsende enzymen) wurkje yn op hydroxylearre aromatyske ferbiningen. Bygelyks, de ortho-ringsplitsende dioxygenase is catechol-1,2-dioxygenase, wylst de meta-ringsplitsende dioxygenase catechol-2,3-dioxygenase is (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Neist ferskate oxygenasen binne der ek ferskate dehydrogenasen dy't ferantwurdlik binne foar de dehydrogenaasje fan aromatyske dihydrodiolen, alkoholen en aldehyden en dy't NAD+/NADP+ brûke as elektronakseptoren, dy't guon fan 'e wichtige enzymen binne dy't belutsen binne by metabolisme (Gibson en Subramanian, 1984; Shaw en Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Enzymen lykas hydrolasen (esterasen, amidasen) binne in twadde wichtige klasse enzymen dy't wetter brûke om kovalente bannen te splitsen en brede substraatspesifisiteit fertoane. Carbarylhydrolase en oare hydrolasen wurde beskôge as komponinten fan it periplasma (transmembraan) yn leden fan Gram-negative baktearjes (Kamini et al., 2018). Carbaryl hat sawol in amide- as in esterferbining; dêrom kin it hydrolysearre wurde troch esterase of amidase om 1-naftol te foarmjen. Carbaryl yn Rhizobium rhizobium-stam AC10023 en Arthrobacter-stam RC100 is rapportearre om te funksjonearjen as in esterase en amidase, respektivelik. Carbaryl yn Arthrobacter-stam RC100 funksjonearret ek as in amidase. RC100 is oantoand om fjouwer N-methylcarbamaat-klasse ynsektisiden te hydrolysearjen lykas carbaryl, metomyl, mefenaminezuur en XMC (Hayaatsu et al., 2001). Der waard rapportearre dat CH yn Pseudomonas sp. C5pp kin ynwurkje op carbaryl (100% aktiviteit) en 1-naftylacetaat (36% aktiviteit), mar net op 1-naftylacetamide, wat oanjout dat it in esterase is (Trivedi et al., 2016).
Biogemyske stúdzjes, enzyme-regulearringspatroanen en genetyske analyze hawwe oantoand dat de naftaleen-ôfbraakgenen besteane út twa yndusearbere regeljouwingseenheden of "operons": nah (it "upstream-paad", dat naftaleen omset yn salisylsoer) en sal (it "downstream-paad", dat salisylsoer omset nei it sintrale koalstofpaad fia catechol). Salisylsoer en syn analogen kinne fungearje as ynduktors (Shamsuzzaman en Barnsley, 1974). Yn 'e oanwêzigens fan glukoaze of organyske soeren wurdt it operon ûnderdrukt. Figuer 5 lit de folsleine genetyske organisaasje fan naftaleen-ôfbraak sjen (yn operonfoarm). Ferskate neamde farianten/foarmen fan it nah-gen (ndo/pah/dox) binne beskreaun en hawwe in hege sekwinsjehomology (90%) ûnder alle Pseudomonas-soarten (Abbasian et al., 2016). De genen fan it naftaleen-upstream-paad wiene oer it algemien yn in konsensusfolchoarder rangearre lykas werjûn yn figuer 5A. In oar gen, nahQ, waard ek rapportearre belutsen te wêzen by it metabolisme fan naftaleen en wie meastal tusken nahC en nahE lizzend, mar de eigentlike funksje dêrfan moat noch útlein wurde. Op deselde wize waard it nahY-gen, ferantwurdlik foar naftaleen-gefoelige chemotaxis, fûn oan it distale ein fan it nah-operon yn guon leden. Yn Ralstonia sp. waard it U2-gen dat kodeart foar glutathion S-transferase (gsh) fûn tusken nahAa en nahAb, mar beynfloede de naftaleengebrûkskarakteristiken net (Zylstra et al., 1997).
Figuer 5. Genetyske organisaasje en ferskaat waarnommen tidens naftaleenôfbraak ûnder baktearjesoarten; (A) Boppeste naftaleenpaad, metabolisme fan naftaleen nei salisylsoer; (B) Underste naftaleenpaad, salisylsoer fia katechol nei it sintrale koalstofpaad; (C) salisylsoer fia gentisaat nei it sintrale koalstofpaad.
De "legere paadwei" (sal-operon) bestiet typysk út nahGTHINLMOKJ en konvertearret salisylaat nei pyruvaat en asetaldehyde fia de catechol-metaring-splitsingspaad. It nahG-gen (kodearjend foar salisylaathydroxylase) die bliken konservearre te wêzen oan it proksimale ein fan 'e operon (Fig. 5B). Yn ferliking mei oare naftaleen-ôfbrekkende stammen binne de nah- en sal-operons yn P. putida CSV86 tandem en tige nau besibbe (sawat 7,5 kb). Yn guon Gram-negative baktearjes, lykas Ralstonia sp. U2, Polaramonas naphthalenivorans CJ2, en P. putida AK5, wurdt naftaleen metabolisearre as in sintrale koalstofmetaboliet fia de gentisaatpaadwei (yn 'e foarm fan 'e sgp/nag-operon). De genkassette wurdt typysk fertsjintwurdige yn 'e foarm nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, wêrby't nagR (kodearjend foar in LysR-type regulator) oan 'e boppeste ein leit (Ofbylding 5C).
Karbaryl komt yn 'e sintrale koalstofsyklus fia it metabolisme fan 1-nafthol, 1,2-dihydroxynaftaleen, salisylsoer en gentisinezuur (figuer 3). Op basis fan genetyske en metabolike stúdzjes is foarsteld om dizze paadwize te ferdielen yn "stroomopwaarts" (konverzje fan karbaryl nei salisylsoer), "midden" (konverzje fan salisylsoer nei gentisinezuur) en "stroomafwaarts" (konverzje fan gentisinezuur nei tuskenprodukten fan 'e sintrale koalstofpaadwize) (Singh et al., 2013). Genomyske analyze fan C5pp (supercontig A, 76.3 kb) liet sjen dat it mcbACBDEF-gen belutsen is by de konverzje fan karbaryl nei salisylsoer, folge troch mcbIJKL by de konverzje fan salisylsoer nei gentisinesoer, en mcbOQP by de konverzje fan gentisinesoer nei sintrale koalstoftuskenprodukten (fumaraat en pyruvaat, Trivedi et al., 2016) (Ofbylding 6).
Der is rapportearre dat enzymen dy't belutsen binne by de ôfbraak fan aromaatyske koalwetterstoffen (ynklusyf naftaleen en salisylsoer) ynducearre wurde kinne troch de oerienkommende ferbiningen en ynhibearre wurde kinne troch ienfâldige koalstofboarnen lykas glukoaze of organyske soeren (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Under de ferskate metabolike paden fan naftaleen en syn derivaten binne de regeljouwende skaaimerken fan naftaleen en karbaryl yn in beskate mjitte bestudearre. Foar naftaleen wurde genen yn sawol de upstream- as downstream-paden regele troch NahR, in trans-aktive positive regulator fan it LysR-type. It is fereaske foar de ynduksje fan it nah-gen troch salisylsoer en syn neifolgjende ekspresje op hege nivo (Yen en Gunsalus, 1982). Fierder hawwe stúdzjes oantoand dat integrative hostfaktor (IHF) en XylR (sigma 54-ôfhinklike transkripsjonele regulator) ek kritysk binne foar de transkripsjonele aktivearring fan genen yn naftaleenmetabolisme (Ramos et al., 1997). Undersyk hat oantoand dat enzymen fan it catechol meta-ring iepeningspaad, nammentlik catechol 2,3-dioxygenase, ynducearre wurde yn 'e oanwêzigens fan naftaleen en/of salisylsoer (Basu et al., 2006). Undersyk hat oantoand dat enzymen fan it catechol ortho-ring iepeningspaad, nammentlik catechol 1,2-dioxygenase, ynducearre wurde yn 'e oanwêzigens fan benzoësoer en cis,cis-muconaat (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Yn stam C5pp kodearje fiif genen, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR en mcbS, foar regulators dy't hearre ta de LysR/TetR-famylje fan transkripsjonele regulators dy't ferantwurdlik binne foar it kontrolearjen fan karbaryl-ôfbraak. It homologe gen mcbG die bliken it nauwst besibbe te wêzen oan de LysR-type regulator PhnS (58% aminosoeridentiteit) dy't belutsen is by fenantreenmetabolisme yn Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). It mcbH-gen die bliken belutsen te wêzen by it tuskenlizzende paad (konverzje fan salisylsoer nei gentisinesoer) en heart ta de LysR-type transkripsjonele regulator NagR/DntR/NahR yn Pseudomonas en Burkholderia. Leden fan dizze famylje erkenden salisylsoer as in spesifyk effektormolekule foar de ynduksje fan ôfbraakgenen. Oan 'e oare kant waarden trije genen, mcbN, mcbR en mcbS, dy't hearre ta transkripsjonele regulators fan it type LysR en TetR, identifisearre yn it downstream-paad (metaboliten fan it gentisaat-sintraal koalstofpaad).
Yn prokaryoten binne horizontale genoerdrachtprosessen (oanwinst, útwikseling of oerdracht) fia plasmiden, transposons, profaagen, genomyske eilannen en yntegrative konjugative eleminten (ICE) wichtige oarsaken fan plastisiteit yn baktearjele genomen, wat liedt ta it winnen of ferliezen fan spesifike funksjes/eigenskippen. It lit baktearjes har rap oanpasse oan ferskate miljeu-omstannichheden, wêrtroch potinsjele adaptive metabolike foardielen foar de gasthear binne, lykas de ôfbraak fan aromatyske ferbiningen. Metabolyske feroarings wurde faak berikt troch fynôfstimming fan ôfbraakoperons, har regeljouwingsmeganismen en enzymspesifisiteiten, wat de ôfbraak fan in breder skala oan aromatyske ferbiningen fasilitearret (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). De genkassettes foar naftaleenôfbraak binne fûn te wêzen op in ferskaat oan mobile eleminten lykas plasmiden (konjugatyf en net-konjugatyf), transposons, genomen, ICE's en kombinaasjes fan ferskate baktearjesoarten (Ofbylding 5). Yn Pseudomonas G7 wurde de nah- en sal-operons fan plasmide NAH7 yn deselde oriïntaasje transkribearre en binne se ûnderdiel fan in defekt transposon dat transposase Tn4653 nedich hat foar mobilisaasje (Sota et al., 2006). Yn Pseudomonas-stam NCIB9816-4 waard it gen fûn op it konjugative plasmide pDTG1 as twa operons (sawat 15 kb útinoar) dy't yn tsjinoerstelde rjochtingen transkribearre waarden (Dennis en Zylstra, 2004). Yn Pseudomonas putida-stam AK5 kodearret it net-konjugative plasmide pAK5 it enzyme dat ferantwurdlik is foar naftaleenôfbraak fia it gentisaatpaad (Izmalkova et al., 2013). Yn Pseudomonas-stam PMD-1 leit it nah-operon op it chromosoom, wylst it sal-operon leit op it konjugative plasmide pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Yn Pseudomonas stutzeri AN10 binne lykwols alle naftaleen-ôfbraakgenen (nah- en sal-operons) op it chromosoom lizzend en wurde se nei alle gedachten rekrutearre fia transposysje, rekombinaasje en herrangskikking (Bosch et al., 2000). Yn Pseudomonas sp. CSV86 binne de nah- en sal-operons yn it genoom lizzend yn 'e foarm fan ICE (ICECSV86). De struktuer wurdt beskerme troch tRNAGly folge troch direkte werhellingen dy't rekombinaasje-/oanhechtingsplakken oanjaan (attR en attL) en in faag-achtige integrase leit oan beide úteinen fan tRNAGly, dus struktureel fergelykber mei it ICEclc-elemint (ICEclcB13 yn Pseudomonas knackmusii foar chlorocatechol-ôfbraak). Der is rapportearre dat genen op ICE oerdroegen wurde kinne troch konjugaasje mei in ekstreem lege oerdrachtfrekwinsje (10-8), wêrtroch't degradaasjeeigenskippen oerdroegen wurde oan de ûntfanger (Basu en Phale, 2008; Phale et al., 2019).
De measte fan 'e genen dy't ferantwurdlik binne foar karbaryl-ôfbraak binne te finen op plasmiden. Arthrobacter sp. RC100 befettet trije plasmiden (pRC1, pRC2 en pRC300) wêrfan twa konjugative plasmiden, pRC1 en pRC2, kodearje foar de enzymen dy't karbaryl omsette yn gentisaat. Oan 'e oare kant binne de enzymen dy't belutsen binne by de omsetting fan gentisaat nei de sintrale koalstofmetaboliten te finen op it chromosoom (Hayaatsu et al., 1999). Baktearjes fan it geslacht Rhizobium. Stam AC100, brûkt foar de omsetting fan karbaryl nei 1-naftol, befetsje plasmide pAC200, dat it cehA-gen draacht dat kodeart foar CH as ûnderdiel fan it Tnceh-transposon omjûn troch ynfoegingselemint-achtige sekwinsjes (istA en istB) (Hashimoto et al., 2002). Yn Sphingomonas-stam CF06 wurdt leaud dat it karbaryl-ôfbraakgen oanwêzich is yn fiif plasmiden: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, en pCF05. De DNA-homology fan dizze plasmiden is heech, wat oanjout op it bestean fan in gen-duplikaasjegebeurtenis (Feng et al., 1997). Yn in karbaryl-ôfbrekkende symbiont gearstald út twa Pseudomonas-soarten befettet stam 50581 in konjugatyf plasmide pCD1 (50 kb) dat kodearret foar it mcd-karbarylhydrolase-gen, wylst it konjugative plasmide yn stam 50552 kodearret foar in 1-naftol-ôfbrekkend enzyme (Chapalamadugu en Chaudhry, 1991). Yn Achromobacter-stam WM111 leit it mcd-furadanhydrolase-gen op in 100 kb-plasmide (pPDL11). Dit gen is oantoand oanwêzich te wêzen op ferskate plasmiden (100, 105, 115 of 124 kb) yn ferskate baktearjes út ferskate geografyske regio's (Parekh et al., 1995). Yn Pseudomonas sp. C5pp binne alle genen dy't ferantwurdlik binne foar karbaryl-ôfbraak lizzend yn in genoom dat 76,3 kb oan sekwinsje beslacht (Trivedi et al., 2016). Genoomanalyse (6,15 Mb) liet de oanwêzigens sjen fan 42 MGE's en 36 GEI's, wêrfan 17 MGE's yn supercontig A (76,3 kb) lizze mei in gemiddelde asymmetryske G+C-ynhâld (54–60 mol%), wat suggerearret dat der horizontale genoerdracht mooglik is (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 toant in ferlykbere opset fan karbaryl-ôfbrekkende genen, mar dizze genen binne lizzend op in plasmide (Zhu et al., 2019).
Neist metabolike effisjinsje op biogemyske en genomyske nivo's, litte mikro-organismen ek oare eigenskippen of reaksjes sjen lykas chemotaxis, modifikaasje-eigenskippen fan seloerflak, kompartmentalisaasje, foarkarsgebrûk, produksje fan biosurfaktanten, ensfh., dy't har helpe om aromatyske fersmoargjende stoffen effisjinter te metabolisearjen yn fersmoarge omjouwings (Ofbylding 7).
Figuer 7. Ferskillende sellulêre reaksjestrategyen fan ideale aromaatyske koalwetterstof-ôfbrekkende baktearjes foar effisjinte biodegradaasje fan frjemde fersmoargjende ferbiningen.
Chemotaktyske reaksjes wurde beskôge as faktoaren dy't de ôfbraak fan organyske fersmoargjende stoffen yn heterogeen fersmoarge ekosystemen ferbetterje. (2002) liet sjen dat chemotaxis fan Pseudomonas sp. G7 nei naftaleen de snelheid fan naftaleenôfbraak yn akwatyske systemen ferhege. De wildtype-stam G7 degradearre naftaleen folle rapper as in chemotaxis-defisjinte mutante stam. It NahY-proteïne (538 aminosoeren mei membraantopology) die bliken ko-transkribearre te wêzen mei de metacleavage-paadgenen op it NAH7-plasmide, en lykas chemotaxis-transducers liket dit proteïne te funksjonearjen as in chemoreceptor foar naftaleenôfbraak (Grimm en Harwood 1997). In oare stúdzje fan Hansel et al. (2009) liet sjen dat it proteïne chemotactysk is, mar de ôfbraaksnelheid is heech. (2011) demonstrearre in chemotaxis fan Pseudomonas (P. putida) op gasfoarmige naftaleen, wêrby't diffúzje yn 'e gasfaze resultearre yn in stadige stream fan naftaleen nei de sellen, wat de chemotaxis fan 'e sellen kontrolearre. De ûndersikers brûkten dit chemotaxisgedrach om mikroben te manipulearjen dy't de ôfbraaksnelheid soene ferheegje. Undersyk hat oantoand dat chemosensoryske paden ek oare sellulêre funksjes regelje, lykas seldieling, selsyklusregeling en biofilmfoarming, en dêrmei helpe om de ôfbraaksnelheid te kontrolearjen. It benutten fan dizze eigenskip (chemotaxis) foar effisjinte ôfbraak wurdt lykwols hindere troch ferskate knelpunten. De wichtichste obstakels binne: (a) ferskillende paraloge reseptors werkenne deselde ferbiningen/liganden; (b) it bestean fan alternative reseptors, d.w.s. enerzjyk tropisme; (c) wichtige ferskillen yn 'e sekwinsje yn' e sensoryske domeinen fan deselde reseptorfamylje; en (d) gebrek oan ynformaasje oer de wichtichste baktearjele sensorproteinen (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Soms produseart de biodegradaasje fan aromatyske koalwetterstoffen meardere metaboliten/tuskenprodukten, dy't foar ien groep baktearjes chemotactysk kinne wêze, mar foar oaren ôfstoatlik, wêrtroch it proses fierder yngewikkelder wurdt. Om de ynteraksjes fan liganden (aromatyske koalwetterstoffen) mei gemyske reseptors te identifisearjen, hawwe wy hybride sensorproteinen (PcaY, McfR, en NahY) konstruearre troch de sensor- en sinjalearingsdomeinen fan Pseudomonas putida en Escherichia coli te fusearjen, dy't rjochte binne op 'e reseptors foar aromatyske soeren, TCA-tuskenprodukten, en naftaleen, respektivelik (Luu et al., 2019).
Under ynfloed fan naftaleen en oare polysyklyske aromaatyske koalwetterstoffen (PAK's) ûndergeane de struktuer fan it baktearjemembraan en de yntegriteit fan 'e mikroorganismen wichtige feroarings. Undersyk hat oantoand dat naftaleen de ynteraksje fan 'e acylketen bemuoit troch hydrofobe ynteraksjes, wêrtroch't de swelling en floeiberens fan it membraan tanimt (Sikkema et al., 1995). Om dit skealike effekt tsjin te gean, regelje baktearjes de membraanfloeiberens troch de ferhâlding en fetsoersamenstelling tusken iso/anteiso fertakke fetsoeren te feroarjen en cis-ûnfersêdigde fetsoeren te isomerisearjen yn 'e oerienkommende trans-isomeren (Heipieper en de Bont, 1994). Yn Pseudomonas stutzeri dy't groeid is mei naftaleenbehanneling, naam de ferhâlding fan ferzadigde oant ûnfersêdigde fetsoeren ta fan 1,1 nei 2,1, wylst dizze ferhâlding yn Pseudomonas JS150 tanommen is fan 7,5 nei 12,0 (Mrozik et al., 2004). Doe't se groeid waarden op naftaleen, lieten Achromobacter KAs 3-5-sellen selaggregaasje sjen om naftaleenkristallen en in ôfname yn seloerflaklading (fan -22,5 nei -2,5 mV) begelaat troch cytoplasmatyske kondensaasje en fakuolisaasje, wat oanjout op feroaringen yn selstruktuer en seloerflak-eigenskippen (Mohapatra et al., 2019). Hoewol sellulêre/oerflakferoarings direkt ferbûn binne mei bettere opname fan aromatyske fersmoargjende stoffen, binne relevante bio-engineeringstrategyen net yngeand optimalisearre. Manipulaasje fan selfoarm is selden brûkt om biologyske prosessen te optimalisearjen (Volke en Nikel, 2018). Ferwidering fan genen dy't seldieling beynfloedzje feroarsaket feroaringen yn selmorfology. Ferwidering fan genen dy't seldieling beynfloedzje feroarsaket feroaringen yn selmorfology. Yn Bacillus subtilis is oantoand dat it selseptumproteïne SepF belutsen is by septumfoarming en is it fereaske foar folgjende stappen fan seldieling, mar it is gjin essinsjeel gen. Ferwidering fan genen dy't kodearje foar peptideglykaanhydrolasen yn Bacillus subtilis resultearre yn selferlinging, ferhege spesifike groeisnelheid en ferbettere enzymproduksjekapasiteit (Cui et al., 2018).
Kompartmentalisaasje fan it karbaryl-ôfbraakpaad is foarsteld om effisjinte ôfbraak fan Pseudomonas-stammen C5pp en C7 te berikken (Kamini et al., 2018). Der wurdt foarsteld dat karbaryl yn 'e periplasmatyske romte transportearre wurdt fia it bûtenste membraanseptum en/of fia diffúsbere porinen. CH₄ is ​​in periplasmatysk enzyme dat de hydrolyse fan karbaryl nei 1-naftol katalysearret, dat stabiler, hydrofoob en giftiger is. CH₄ is ​​lokalisearre yn it periplasma en hat in lege affiniteit foar karbaryl, wêrtroch't de foarming fan 1-naftol kontrolearre wurdt, wêrtroch't de opgarjen yn sellen foarkomt en de toksisiteit foar sellen ferminderet (Kamini et al., 2018). De resultearjende 1-naftol wurdt troch it binnenmembraan yn it cytoplasma transportearre troch ferdieling en/of diffúzje, en wurdt dan hydroksylearre ta 1,2-dihydroxynaftaleen troch it enzyme mei hege affiniteit 1NH₄ foar fierdere metabolisme yn it sintrale koalstofpaad.
Hoewol mikroorganismen de genetyske en metabolike kapasiteiten hawwe om xenobiotyske koalstofboarnen ôf te brekken, is de hiërargyske struktuer fan har gebrûk (d.w.s. foarkar gebrûk fan ienfâldige boppe komplekse koalstofboarnen) in grut obstakel foar biodegradaasje. De oanwêzigens en it gebrûk fan ienfâldige koalstofboarnen regulearret genen dy't kodearje foar enzymen dy't komplekse/net-foarkar koalstofboarnen lykas PAK's ôfbrekke. In goed bestudearre foarbyld is dat as glukoaze en laktose tegearre oan Escherichia coli fiede wurde, glukoaze effisjinter brûkt wurdt as laktose (Jacob en Monod, 1965). Pseudomonas is rapportearre om in ferskaat oan PAK's en xenobiotyske ferbiningen as koalstofboarnen ôf te brekken. De hiërargy fan it gebrûk fan koalstofboarnen yn Pseudomonas is organyske soeren > glukoaze > aromatyske ferbiningen (Hylemon en Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). D'r is lykwols in útsûndering. Nijsgjirrich is dat Pseudomonas sp. CSV86 hat in unike hiërargyske struktuer dy't by foarkar gebrûk makket fan aromatyske koalwetterstoffen (benzoësoer, naftaleen, ensfh.) ynstee fan glukoaze en ko-metabolisearret aromatyske koalwetterstoffen mei organyske soeren (Basu et al., 2006). Yn dizze baktearje wurde de genen foar ôfbraak en transport fan aromatyske koalwetterstoffen net delregulearre, sels net yn 'e oanwêzigens fan in twadde koalstofboarne lykas glukoaze of organyske soeren. Doe't it groeide yn in medium mei glukoaze en aromatyske koalwetterstoffen, waard waarnommen dat de genen foar glukoazetransport en metabolisme delregulearre waarden, aromatyske koalwetterstoffen waarden brûkt yn 'e earste logfaze, en glukoaze waard brûkt yn 'e twadde logfaze (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Oan 'e oare kant hie de oanwêzigens fan organyske soeren gjin ynfloed op 'e ekspresje fan aromatysk koalwetterstofmetabolisme, dus wurdt ferwachte dat dizze baktearje in kandidaatstam is foar biodegradaasjestúdzjes (Phale et al., 2020).
It is wolbekend dat koalwetterstofbiotransformaasje oksidative stress en opregulearring fan antioksidant-enzymen yn mikroorganismen feroarsaakje kin. Ineffisjinte naftaleenbiodegradaasje sawol yn stasjonêre faze-sellen as yn 'e oanwêzigens fan giftige ferbiningen liedt ta de foarming fan reaktive soerstofsoarten (ROS) (Kang et al. 2006). Om't naftaleen-ôfbrekkende enzymen izer-swevelklusters befetsje, sil ûnder oksidative stress it izer yn heem- en izer-swevelproteinen oksidearre wurde, wat liedt ta proteïne-inaktivaasje. Ferredoxine-NADP+ reduktase (Fpr), tegearre mei superoxide dismutase (SOD), bemiddelet de omkearbere redoksreaksje tusken NADP+/NADPH en twa molekulen fan ferredoxine of flavodoxine, wêrtroch ROS opfangt en it izer-swevelsintrum ûnder oksidative stress weromset wurdt (Li et al. 2006). Der is rapportearre dat sawol Fpr as SodA (SOD) yn Pseudomonas feroarsake wurde kinne troch oksidative stress, en ferhege SOD- en katalase-aktiviteiten waarden waarnommen yn fjouwer Pseudomonas-stammen (O1, W1, As1, en G1) tidens groei ûnder omstannichheden mei tafoege naftaleen (Kang et al., 2006). Undersyk hat oantoand dat de tafoeging fan antioksidanten lykas ascorbinezuur of ferro-izer (Fe2+) de groeisnelheid fan naftaleen kin ferheegje. Doe't Rhodococcus erythropolis groeide yn naftaleenmedium, wie de transkripsje fan oksidative stress-relatearre cytochrome P450-genen, ynklusyf sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase) en recA, ferhege (Sazykin et al., 2019). Ferlykjende kwantitative proteomyske analyze fan Pseudomonas-sellen kultivearre yn naftaleen liet sjen dat opregulearring fan ferskate proteïnen dy't ferbûn binne mei de oksidative stressreaksje in strategy foar stress-omgean is (Herbst et al., 2013).
Mikroorganismen binne rapportearre om biosurfaktanten te produsearjen ûnder de aksje fan hydrofobe koalstofboarnen. Dizze surfactants binne amfifilike oerflakteaktive ferbiningen dy't aggregaten kinne foarmje by oalje-wetter of loft-wetter-ynterfaces. Dit befoarderet pseudo-solubilisaasje en fasilitearret de adsorpsje fan aromatyske koalwetterstoffen, wat resulteart yn effisjinte biodegradaasje (Rahman et al., 2002). Fanwegen dizze eigenskippen wurde biosurfaktanten in soad brûkt yn ferskate yndustryen. De tafoeging fan gemyske surfactants of biosurfaktanten oan baktearjele kultueren kin de effisjinsje en snelheid fan koalwetterstofdegradaasje ferbetterje. Under de biosurfaktanten binne rhamnolipiden produsearre troch Pseudomonas aeruginosa wiidweidich bestudearre en karakterisearre (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Derneist omfetsje oare soarten biosurfaktanten lipopeptiden (mucinen fan Pseudomonas fluorescens), emulgator 378 (fan Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg en Ron, 1999), trehalose disacharide lipiden fan Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenine fan Bacillus (Saraswathy en Hallberg, 2002), en surfactant fan Bacillus subtilis (Siegmund en Wagner, 1991) en Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Dizze krêftige surfactanten hawwe sjen litten dat se de oerflakspanning ferminderje fan 72 dynes/cm nei minder as 30 dynes/cm, wêrtroch't in bettere koalwetterstofabsorpsje mooglik is. Der is rapportearre dat Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia en oare baktearjesoarten ferskate biosurfaktanten op basis fan rhamnolipide en glycolipide kinne produsearje as se groeid wurde yn naftaleen- en metylnaftaleenmedia (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 kin ekstrasellulêre biosurfaktant Biosur-Pm produsearje as se groeid wurde op aromatyske ferbiningen lykas naftoësoer (Phale et al., 1995). De kinetika fan Biosur-Pm-foarming lieten sjen dat de synteze in groei- en pH-ôfhinklik proses is. Der waard fûn dat de hoemannichte Biosur-Pm produsearre troch sellen by neutrale pH heger wie as by pH 8.5. Sellen groeid by pH 8.5 wiene hydrofoober en hienen in hegere affiniteit foar aromatyske en alifatyske ferbiningen as sellen groeid by pH 7.0. Yn Rhodococcus spp. N6, hegere koalstof-stikstofferhâlding (C:N) en izerbeheining binne optimale omstannichheden foar de produksje fan ekstrasellulêre biosurfaktanten (Mutalik et al., 2008). Der binne pogingen dien om de biosynteze fan biosurfaktanten (surfaktinen) te ferbetterjen troch stammen en fermentaasje te optimalisearjen. De titer fan surfactant yn it kweekmedium is lykwols leech (1,0 g/L), wat in útdaging foarmet foar produksje op grutte skaal (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Dêrom binne genetyske modifikaasjemetoaden brûkt om de biosynteze te ferbetterjen. De modifikaasje dêrfan is lykwols lestich fanwegen de grutte grutte fan it operon (∼25 kb) en komplekse biosyntetyske regeling fan it quorum sensing systeem (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). In oantal genetyske modifikaasjes binne útfierd yn Bacillus-baktearjes, benammen rjochte op it ferheegjen fan de surfactineproduksje troch it ferfangen fan de promotor (srfA-operon), it oerekspressearjen fan it surfactine-eksportproteïne YerP en de regeljouwende faktoaren ComX en PhrC (Jiao et al., 2017). Dizze genetyske modifikaasjes hawwe lykwols mar ien of in pear genetyske modifikaasjes berikt en hawwe noch gjin kommersjele produksje berikt. Dêrom is fierdere stúdzje fan kennisbasearre optimalisaasjemetoaden needsaaklik.
Undersyk nei biodegradaasje fan PAK's wurdt benammen útfierd ûnder standert laboratoariumomstannichheden. Op fersmoarge lokaasjes of yn fersmoarge omjouwings is lykwols oantoand dat in protte abiotyske en biotyske faktoaren (temperatuer, pH, soerstof, beskikberens fan fiedingsstoffen, biobeskikberens fan substraat, oare xenobiotika, ynhibysje fan it einprodukt, ensfh.) de ôfbraakkapasiteit fan mikroorganismen feroarje en beynfloedzje.
Temperatuer hat in wichtige ynfloed op PAK-biologyske ôfbraak. As de temperatuer tanimt, nimt de konsintraasje fan oploste soerstof ôf, wat ynfloed hat op it metabolisme fan aerobe mikroorganismen, om't se molekulêre soerstof nedich binne as ien fan 'e substraten foar oksygenasen dy't hydroksylaasje- of ringsplitsingsreaksjes útfiere. It wurdt faak opmurken dat ferhege temperatuer de âlder-PAK's omset yn mear giftige ferbiningen, wêrtroch't biologyske ôfbraak remt (Muller et al., 1998).
It is opmurken dat in protte PAK-fersmoarge plakken ekstreme pH-wearden hawwe, lykas plakken fersmoarge troch soere mynôfwettering (pH 1–4) en plakken mei ierdgas/koalfergassing fersmoarge mei alkaline leachate (pH 8–12). Dizze omstannichheden kinne it biodegradaasjeproses serieus beynfloedzje. Dêrom wurdt, foardat mikroorganismen brûkt wurde foar bioremediaasje, oanrikkemandearre om de pH oan te passen troch geskikte gemikaliën ta te foegjen (mei in matige oant heul lege oksidaasje-reduksjepotinsjeel) lykas ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat foar alkaline boaiem of kalkjen mei kalsiumkarbonaat of magnesiumkarbonaat foar soere plakken (Bowlen et al. 1995; Gupta en Sar 2020).
Soerstoffoarsjenning oan it troffen gebiet is de taryfbeheinende faktor foar PAK-biologyske ôfbraak. Fanwegen de redoksomstannichheden fan 'e omjouwing fereaskje in situ bioremediaasjeprosessen meastentiids soerstofynfiering út eksterne boarnen (ploegen, loftbespuiting en gemyske tafoeging) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) hawwe oantoand dat de tafoeging fan magnesiumperoxide (in soerstoffrijmakende ferbining) oan in fersmoarge aquifer effektyf BTEX-ferbiningen bioremediearje koe. In oare stúdzje ûndersocht de in situ-ôfbraak fan fenol en BTEX yn in fersmoarge aquifer troch it ynjeksjearjen fan natriumnitraat en it bouwen fan ekstraksjeputten om effektive bioremediaasje te berikken (Bewley en Webb, 2001).