La artikolo estas parto de la esplortemo "Altnivelaj bioriparaj teknologioj kaj reciklaj procezoj de sintezaj organikaj kombinaĵoj (SOC)". Vidi ĉiujn 14 artikolojn.
Malalt-molekulaj policiklaj aromaj hidrokarbidoj (PAH-oj) kiel naftaleno kaj anstataŭigitaj naftalenoj (metilnaftaleno, naftoa acido, 1-naftil-N-metilkarbamato, ktp.) estas vaste uzataj en diversaj industrioj kaj estas genotoksaj, mutagenaj kaj/aŭ kancerigaj por organismoj. Ĉi tiuj sintezaj organikaj kombinaĵoj (SOC-oj) aŭ ksenobiotikaĵoj estas konsiderataj prioritataj poluantoj kaj prezentas gravan minacon al la tutmonda medio kaj publika sano. La intenseco de homaj aktivecoj (ekz. karbogasigado, naftorafinado, veturilaj emisioj kaj agrikulturaj aplikoj) determinas la koncentriĝon, sorton kaj transporton de ĉi tiuj ĉieaj kaj persistaj kombinaĵoj. Aldone al fizikaj kaj kemiaj traktad-/forigmetodoj, verdaj kaj ekologie amikaj teknologioj kiel bioriparo, kiuj utiligas mikroorganismojn kapablajn tute degradi POC-ojn aŭ konverti ilin en netoksajn kromproduktojn, aperis kiel sekura, kostefika kaj promesplena alternativo. Diversaj bakteriaj specioj apartenantaj al la filumoj Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, kaj Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus kaj Paenibacillus), kaj Actinobacteria (Rhodococcus kaj Arthrobacter) en la grunda mikrobioto montris la kapablon degradi diversajn organikajn komponaĵojn. Metabolaj studoj, genomiko kaj metagenomika analizo helpas nin kompreni la katabolan kompleksecon kaj diversecon ĉeestantajn en ĉi tiuj simplaj vivoformoj, kiuj povas esti plue aplikitaj por efika biodegradado. La longdaŭra ekzisto de PAH-oj rezultigis la aperon de novaj degradiĝaj fenotipoj per horizontala gentransdono uzante genetikajn elementojn kiel plasmidojn, transpozonojn, bakteriofagojn, genomikajn insulojn kaj integrajn konjugaciajn elementojn. Sistembiologio kaj gentekniko de specifaj izolitaĵoj aŭ modelaj komunumoj (konsorcioj) povas ebligi ampleksan, rapidan kaj efikan bioriparadon de ĉi tiuj PAH-oj per sinergiaj efikoj. En ĉi tiu recenzo, ni fokusiĝas al la diversaj metabolaj vojoj kaj diverseco, genetika konsisto kaj diverseco, kaj ĉelaj respondoj/adaptiĝoj de naftaleno kaj anstataŭigitaj naftaleno-degradantaj bakterioj. Ĉi tio provizos ekologiajn informojn por kampa apliko kaj optimumigo de trostreĉoj por efika bioriparo.
Rapida disvolviĝo de industrioj (petrokemiaĵoj, agrikulturo, farmaciaĵoj, tekstilaj tinkturfarboj, kosmetikaĵoj, ktp.) kontribuis al tutmonda ekonomia prospero kaj plibonigis vivnivelojn. Ĉi tiu eksponenta disvolviĝo rezultigis la produktadon de granda nombro da sintezaj organikaj komponaĵoj (SOC-oj), kiuj estas uzataj por fabriki diversajn produktojn. Ĉi tiuj fremdaj komponaĵoj aŭ SOC-oj inkluzivas policiklajn aromajn hidrokarbidojn (PAH-ojn), pesticidojn, herbicidojn, plastigilojn, tinkturfarbojn, farmaciaĵojn, organofosfatojn, flammalfruigilojn, volatilajn organikajn solvilojn, ktp. Ili estas elsenditaj en la atmosferon, akvajn kaj surterajn ekosistemojn, kie ili havas multdimensiajn efikojn, kaŭzante malutilajn efikojn sur diversajn bioformojn per ŝanĝo de fizik-kemiaj ecoj kaj komunuma strukturo (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Multaj aromaj poluaĵoj havas fortajn kaj detruajn efikojn sur multaj sendifektaj ekosistemoj/biodiversecaj varmpunktoj (ekz. koralaj rifoj, arktaj/antarktaj glacitavoloj, altaj montaj lagoj, profundmaraj sedimentoj, ktp.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Lastatempaj geomikrobiologiaj studoj montris, ke la deponado de sinteza organika materio (ekz. aromaj poluaĵoj) kaj iliaj derivaĵoj sur la surfacoj de artefaritaj strukturoj (konstruita medio) (ekz. kulturaj heredaĵejoj kaj monumentoj faritaj el granito, ŝtono, ligno kaj metalo) akcelas ilian degeneron (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Homaj aktivecoj povas intensigi kaj plimalbonigi la biologian degeneron de monumentoj kaj konstruaĵoj per aerpoluado kaj klimata ŝanĝo (Liu et al. 2020). Ĉi tiuj organikaj poluaĵoj reagas kun akva vaporo en la atmosfero kaj sidiĝas sur la strukturo, kaŭzante fizikan kaj kemian degeneron de la materialo. Biodegradado estas vaste agnoskita kiel nedezirindaj ŝanĝoj en la aspekto kaj ecoj de materialoj kaŭzitaj de vivantaj organismoj, kiuj influas ilian konservadon (Pochon kaj Jaton, 1967). Plia mikroba agado (metabolo) de ĉi tiuj kombinaĵoj povas redukti strukturan integrecon, konservadan efikecon kaj kulturan valoron (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Aliflanke, en iuj kazoj, mikroba adaptiĝo kaj respondo al ĉi tiuj strukturoj montriĝis utilaj, ĉar ili formas biofilmojn kaj aliajn protektajn krustojn, kiuj reduktas la rapidecon de putriĝo (Martino, 2016). Tial, la disvolviĝo de efikaj longdaŭraj daŭrigeblaj konservadaj strategioj por ŝtonaj, metalaj kaj lignaj monumentoj postulas detalan komprenon pri la ŝlosilaj procezoj implikitaj en ĉi tiu procezo. Kompare kun naturaj procezoj (geologiaj procezoj, arbaraj incendioj, vulkanaj erupcioj, plantaj kaj bakteriaj reakcioj), homaj aktivecoj rezultas en la liberigo de grandaj volumoj de policiklaj aromaj hidrokarbonoj (PAH-oj) kaj alia organika karbono (OC) en ekosistemojn. Multaj PAH-oj uzataj en agrikulturo (insekticidoj kaj pesticidoj kiel DDT, atrazino, karbarilo, pentaklorofenolo, ktp.), industrio (kruda nafto, naftoŝlimo/rubo, naftoderivitaj plastoj, PCB-oj, plastigaj substancoj, lesivoj, desinfektaĵoj, fumigaĵoj, parfumoj kaj konserviloj), personaj prizorgaj produktoj (sunkremoj, desinfektaĵoj, insektoforpuŝiloj kaj policiklaj muskoj) kaj municioj (eksplodaĵoj kiel 2,4,6-TNT) estas eblaj ksenobiotikoj, kiuj povus efiki la planedan sanon (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna kaj Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Ĉi tiu listo povas esti vastigita por inkluzivi naftoderivitajn kombinaĵojn (mazutojn, lubrikaĵojn, asfaltenojn), altmolekulajn bioplastojn kaj jonajn likvaĵojn (Amde et al., 2015). Tabelo 1 listigas diversajn aromajn poluaĵojn kaj iliajn aplikojn en diversaj industrioj. En la lastaj jaroj, antropogenaj emisioj de volatilaj organikaj kombinaĵoj, same kiel karbondioksido kaj aliaj forcejaj gasoj, komencis pliiĝi (Dvorak et al., 2017). Tamen, antropogenaj efikoj signife superas naturajn. Krome, ni trovis, ke kelkaj SOC-oj daŭras en multaj mediaj medioj kaj estis identigitaj kiel emerĝantaj poluaĵoj kun negativaj efikoj sur biomoj (Figuro 1). Mediaj agentejoj kiel la Usona Mediprotekta Agentejo (USEPA) inkluzivis multajn el ĉi tiuj poluaĵoj en sian prioritatan liston pro iliaj citotoksaj, genotoksaj, mutagenaj kaj kancerigaj ecoj. Tial, necesas striktaj forigaj regularoj kaj efikaj strategioj por rubtraktado/forigo el poluitaj ekosistemoj. Diversaj fizikaj kaj kemiaj traktadmetodoj kiel pirolizo, oksidativa termika traktado, aeraerumado, rubodeponado, forbruligo, ktp. estas neefikaj kaj multekostaj kaj generas korodajn, toksajn kaj malfacile trakteblajn kromproduktojn. Kun kreskanta tutmonda media konscio, mikroorganismoj kapablaj degradi ĉi tiujn poluaĵojn kaj iliajn derivaĵojn (kiel halogenitaj, nitro, alkilo kaj/aŭ metilo) altiras kreskantan atenton (Fennell et al., 2004; Haritash kaj Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). La uzo de ĉi tiuj indiĝenaj kandidatmikroorganismoj sole aŭ en miksitaj kulturoj (kolonioj) por la forigo de aromaj poluaĵoj havas avantaĝojn rilate al media sekureco, kosto, efikeco, efektiveco kaj daŭripovo. Esploristoj ankaŭ esploras la integriĝon de mikrobaj procezoj kun elektrokemiaj redoksaj metodoj, nome bioelektrokemiaj sistemoj (BES), kiel promesplena teknologio por poluaĵa traktado/forigo (Huang et al., 2011). BES-teknologio altiris kreskantan atenton pro sia alta efikeco, malalta kosto, media sekureco, ĉambratemperatura operacio, biokongruaj materialoj, kaj la kapablo reakiri valorajn kromproduktojn (ekz., elektro, fuelo kaj kemiaĵoj) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). La apero de alt-traira genoma sekvencado kaj omikaj iloj/metodoj provizis abundon da novaj informoj pri la genetika reguligo, proteomiko kaj fluksomiko de la reakcioj de diversaj degradaj mikroorganismoj. Kombinante ĉi tiujn ilojn kun sistema biologio plu plibonigis nian komprenon pri la selektado kaj fajnagordado de celaj katabolaj vojoj en mikroorganismoj (t.e., metabola dezajno) por atingi efikan kaj efikplenan biodegradadon. Por desegni efikajn bioriparajn strategiojn uzante taŭgajn kandidatajn mikroorganismojn, ni bezonas kompreni la biokemian potencialon, metabolan diversecon, genetikan konsiston kaj ekologion (aŭtoekologio/sinekologio) de mikroorganismoj.
Fig. 1. Fontoj kaj vojoj de malaltmolekulaj PAH-oj tra diversaj mediaj medioj kaj diversaj faktoroj influantaj vivularojn. Punkturitaj linioj reprezentas interagojn inter ekosistemaj elementoj.
En ĉi tiu recenzo, ni provis resumi la datumojn pri la putriĝo de simplaj PAH-oj kiel naftaleno kaj anstataŭigitaj naftalenoj per diversaj bakteriaj izolitaĵoj, kovrante metabolajn vojojn kaj diversecon, enzimojn implikitajn en putriĝo, genan konsiston/enhavon kaj diversecon, ĉelajn respondojn kaj diversajn aspektojn de bioriparo. Kompreni la biokemiajn kaj molekulajn nivelojn helpos identigi taŭgajn gastigajn trostreĉojn kaj ilian plian genetikan inĝenieradon por efika bioriparo de tiaj prioritataj poluaĵoj. Ĉi tio helpos evoluigi strategiojn por la establado de lokspecifaj bakteriaj konsorcioj por efika bioriparo.
La ĉeesto de granda nombro da toksaj kaj danĝeraj aromaj kombinaĵoj (konformaj al la regulo de Huckel 4n + 2π elektronoj, n = 1, 2, 3, ...) prezentas gravan minacon al diversaj mediaj medioj kiel aero, grundo, sedimentoj, kaj surfaca kaj grundakvo (Puglisi et al., 2007). Ĉi tiuj kombinaĵoj havas unuopajn benzenajn ringojn (monociklajn) aŭ plurajn benzenajn ringojn (policiklajn) aranĝitajn en lineara, angula aŭ areta formo kaj montras stabilecon (stabileco/malstabileco) en la medio pro alta negativa resonanca energio kaj inerteco (inerteco), kio povas esti klarigita per ilia hidrofobeco kaj reduktita stato. Kiam la aroma ringo estas plue anstataŭigita per metilaj (-CH3), karboksilaj (-COOH), hidroksilaj (-OH) aŭ sulfonataj (-HSO3) grupoj, ĝi fariĝas pli stabila, havas pli fortan afinecon por makromolekuloj, kaj estas bioakumula en biologiaj sistemoj (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Kelkaj malalt-molekulaj policiklaj aromaj hidrokarbonoj (LMWAH-oj), kiel naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj [metilnaftaleno, naftoa acido, naftalensulfonato, kaj 1-naftila N-metilkarbamato (karbarilo)], estis inkluditaj en la listo de prioritataj organikaj poluaĵoj fare de la Usona Mediprotekta Agentejo kiel genotoksaj, mutagenaj, kaj/aŭ kancerigaj (Cerniglia, 1984). Eligo de ĉi tiu klaso de NM-PAH-oj en la medion povas rezultigi bioakumuliĝon de ĉi tiuj kombinaĵoj je ĉiuj niveloj de la nutroĉeno, tiel influante la sanon de ekosistemoj (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
La fontoj kaj vojoj de PAH-oj al vivularoj estas ĉefe per migrado kaj interagoj inter malsamaj ekosistemaj komponantoj kiel grundo, grundakvo, surfaca akvo, kultivaĵoj kaj la atmosfero (Arey kaj Atkinson, 2003). Figuro 1 montras la interagojn kaj distribuon de malsamaj malalt-molekulaj PAH-oj en ekosistemoj kaj iliajn vojojn al vivularoj/homa eksponiĝo. PAH-oj deponiĝas sur surfacoj kiel rezulto de aerpoluado kaj per la migrado (drivo) de veturilaj emisioj, industriaj ellasgasoj (karbogasigado, bruligado kaj kolaoproduktado) kaj ilia deponado. Industriaj agadoj kiel la fabrikado de sintezaj tekstiloj, tinkturfarboj kaj farboj; lignoprotektado; kaŭĉukprilaborado; cementfabrikadaj agadoj; pesticidproduktado; kaj agrikulturaj aplikoj estas gravaj fontoj de PAH-oj en surteraj kaj akvaj sistemoj (Bamforth kaj Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Studoj montris, ke grundoj en antaŭurbaj kaj urbaj areoj, proksime de aŭtovojoj, kaj en grandaj urboj estas pli sentemaj al policiklaj aromaj hidrokarbonoj (PAH-oj) pro emisioj de elektrocentraloj, loĝdoma hejtado, aeraj kaj strataj trafikŝarĝoj, kaj konstruagadoj (Suman et al., 2016). (2008) montris, ke PAH-oj en grundo proksime de vojoj en Nov-Orleano, Luiziano, Usono estis tiel altaj kiel 7189 μg/kg, dum en libera spaco, ili estis nur 2404 μg/kg. Simile, PAH-niveloj tiel altaj kiel 300 μg/kg estis raportitaj en areoj proksime de karbogasigaj lokoj en pluraj usonaj urboj (Kanaly kaj Harayama, 2000; Bamforth kaj Singleton, 2005). Grundoj el diversaj hindaj urboj kiel Delhio (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbajo (Kulkarni kaj Venkataraman, 2000) kaj Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) laŭdire enhavas altajn koncentriĝojn de PAH-oj. Aromaj kombinaĵoj estas pli facile adsorbitaj sur grundpartiklojn, organikan materion kaj argilajn mineralojn, tiel fariĝante gravaj karbonaj sinkejoj en ekosistemoj (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). La ĉefaj fontoj de PAH-oj en akvaj ekosistemoj estas precipitaĵo (malseka/seka precipitaĵo kaj akva vaporo), urba drenaĵo, malŝarĝo de kloakaĵoj, reŝargo de grundakvo ktp. (Srogi, 2007). Oni taksas, ke ĉirkaŭ 80% de PAH-oj en maraj ekosistemoj devenas de precipitaĵo, sedimentado kaj malŝarĝo de rubaĵoj (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Pli altaj koncentriĝoj de PAH-oj en surfaca akvo aŭ lesivaĵo el forlokejoj de solida rubo fine likas en grundakvon, prezentante gravan minacon por publika sano, ĉar pli ol 70% de la loĝantaro en Suda kaj Sudorienta Azio trinkas grundakvon (Duttagupta et al., 2019). Lastatempa studo de Duttagupta et al. (2020) pri analizoj de riveroj (32) kaj grundakvo (235) el Okcidenta Bengalio, Barato, trovis, ke ĉirkaŭ 53% de urbaj loĝantoj kaj 44% de kamparaj loĝantoj (entute 20 milionoj da loĝantoj) povas esti eksponitaj al naftaleno (4,9–10,6 μg/L) kaj ĝiaj derivaĵoj. Malsamaj teruzaj ŝablonoj kaj pliigita grundakva ekstraktado estas konsiderataj la ĉefaj faktoroj kontrolantaj la vertikalan transporton (advekcion) de malaltmolekulaj PAH-oj en la subteron. Agrikultura drenaĵo, municipaj kaj industriaj kloakaĵaj elfluoj, kaj solidaj rubo-elfluoj estis trovitaj esti trafitaj de PAH-oj en riverbasenoj kaj subteraj sedimentoj. Atmosfera precipitaĵo plue plimalbonigas PAH-poluadon. Altaj koncentriĝoj de PAH-oj kaj iliaj alkilaj derivaĵoj (51 entute) estis raportitaj en riveroj/akvodislimoj tutmonde, kiel ekzemple la rivero Fraser, rivero Louan, rivero Denso, rivero Misurio, rivero Anacostia, rivero Ebro, kaj rivero Delavaro (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). En la sedimentoj de la rivero Gango, naftaleno kaj fenantreno estis trovitaj la plej signifaj (detektitaj en 70% de la specimenoj) (Duttagupta et al., 2019). Krome, studoj montris, ke klorigado de trinkakvo povas konduki al la formado de pli toksaj oksigenitaj kaj kloritaj PAH-oj (Manoli kaj Samara, 1999). PAH-oj akumuliĝas en cerealoj, fruktoj kaj legomoj kiel rezulto de sorbado fare de plantoj el poluitaj grundoj, grundakvo kaj precipitaĵo (Fismes et al., 2002). Multaj akvaj organismoj kiel fiŝoj, musloj, konkoj kaj salikokoj estas poluitaj per PAH-oj per la konsumo de poluitaj manĝaĵoj kaj marakvo, same kiel tra histoj kaj haŭto (Mackay kaj Fraser, 2000). Kuiraj/prilaboraj metodoj kiel kradrostado, rostado, fumado, fritado, sekigado, bakado kaj lignokarba kuirado ankaŭ povas konduki al signifaj kvantoj da PAH-oj en manĝaĵoj. Ĉi tio plejparte dependas de la elekto de fumadmaterialo, fenola/aroma hidrokarbona enhavo, kuirproceduro, hejtilo-tipo, humidenhavo, oksigenprovizo kaj brultemperaturo (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Policiklaj aromaj hidrokarbonoj (PAH-oj) ankaŭ estis detektitaj en lakto je diversaj koncentriĝoj (0,75–2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). La amasiĝo de ĉi tiuj PAH-oj en nutraĵoj ankaŭ dependas de la fizik-kemiaj ecoj de nutraĵoj, dum iliaj toksaj efikoj rilatas al fiziologiaj funkcioj, metabola agado, sorbado, distribuado kaj korpa distribuado (Mechini et al., 2011).
La tokseco kaj malutilaj efikoj de policiklaj aromaj hidrokarbonoj (PAH-oj) estas konataj delonge (Cherniglia, 1984). Malaltmolekulaj policiklaj aromaj hidrokarbonoj (LMW-PAH-oj) (du ĝis tri ringoj) povas kovalente ligi al diversaj makromolekuloj kiel DNA, RNA kaj proteinoj kaj estas kancerigaj (Santarelli et al., 2008). Pro sia hidrofoba naturo, ili estas apartigitaj per lipidaj membranoj. Ĉe homoj, citokromaj P450-monooksigenazoj oksidigas PAH-ojn al epoksidoj, el kiuj kelkaj estas tre reaktivaj (ekz., bediola epoksido) kaj povas konduki al la transformo de normalaj ĉeloj en malignajn (Marston et al., 2001). Krome, la transformproduktoj de PAH-oj kiel kinonoj, fenoloj, epoksidoj, dioloj, ktp. estas pli toksaj ol la gepatraj kombinaĵoj. Kelkaj PAH-oj kaj iliaj metabolaj intermediatoj povas influi hormonojn kaj diversajn enzimojn en la metabolo, tiel negative influante kreskon, la centran nervosistemon, la reproduktan kaj imunsistemojn (Swetha kaj Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Mallongdaŭra eksponiĝo al malaltmolekulaj PAH-oj laŭdire kaŭzas difektitan pulmfunkcion kaj trombozon ĉe astmuloj kaj pliigas la riskon de haŭtaj, pulmaj, vezikaj kaj gastrointestaj kanceroj (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Bestostudoj ankaŭ montris, ke eksponiĝo al PAH povas havi negativajn efikojn sur reproduktan funkcion kaj disvolviĝon kaj povas kaŭzi kataraktojn, renajn kaj hepatajn difektojn, kaj ikteron. Diversaj PAH-biotransformaj produktoj kiel dioloj, epoksidoj, kinonoj kaj liberaj radikaluloj (katjonoj) montras formi DNA-aduktoj. Stabilaj aduktoj montriĝis ŝanĝi la DNA-replikadan maŝinaron, dum malstabilaj aduktoj povas senpurigi DNA-on (ĉefe al adenino kaj foje al guanino); ambaŭ povas generi erarojn, kiuj kondukas al mutacioj (Schweigert et al. 2001). Krome, kinonoj (benzo-/pan-) povas generi reaktivajn oksigenajn speciojn (ROS), kaŭzante mortigan damaĝon al DNA kaj aliaj makromolekuloj, tiel influante histan funkcion/viveblecon (Ewa kaj Danuta 2017). Kronika eksponiĝo al malaltaj koncentriĝoj de pireno, bifenilo kaj naftaleno laŭdire kaŭzas kanceron en eksperimentaj bestoj (Diggs et al. 2012). Pro ilia mortiga tokseco, purigo/forigo de ĉi tiuj PAH-oj el trafitaj/poluitaj lokoj estas prioritato.
Diversaj fizikaj kaj kemiaj metodoj estis uzitaj por forigi PAH-ojn el poluitaj lokoj/medioj. Procezoj kiel forbruligo, senklorigo, UV-oksidado, fiksado kaj solventa ekstraktado havas multajn malavantaĝojn, inkluzive de la formado de toksaj kromproduktoj, proceza komplekseco, sekurecaj kaj reguligaj problemoj, malalta efikeco kaj alta kosto. Tamen, mikroba biodegradado (nomata bioriparo) estas promesplena alternativa aliro, kiu implikas la uzon de mikroorganismoj en la formo de puraj kulturoj aŭ kolonioj. Kompare kun fizikaj kaj kemiaj metodoj, ĉi tiu procezo estas ekologie amika, neinvazia, kostefika kaj daŭrigebla. Bioriparo povas esti efektivigita ĉe la trafita loko (in situ) aŭ ĉe speciale preparita loko (ex situ) kaj tial estas konsiderata pli daŭrigebla ripara metodo ol tradiciaj fizikaj kaj kemiaj metodoj (Juhasz kaj Naidu, 2000; Andreoni kaj Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Kompreni la mikrobajn metabolajn paŝojn implikitajn en la degradiĝo de aromaj poluaĵoj havas grandegajn sciencajn kaj ekonomiajn implicojn por ekologia kaj media daŭripovo. Ĉirkaŭ 2,1 × 10¹⁸ gramoj da karbono (C) estas stokitaj en sedimentoj kaj organikaj komponaĵoj (t.e., nafto, tergaso kaj karbo, t.e., fosiliaj brulaĵoj) tutmonde, farante signifan kontribuon al la tutmonda karbonciklo. Tamen, rapida industriigo, ekstraktado de fosilia brulaĵo kaj homaj aktivecoj malplenigas ĉi tiujn litosferajn karbonajn rezervujojn, liberigante ĉirkaŭ 5,5 × 10¹⁵ g da organika karbono (kiel poluaĵoj) en la atmosferon ĉiujare (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Plejparto de ĉi tiu organika karbono eniras terajn kaj marajn ekosistemojn per sedimentado, transporto kaj forfluo. Krome, novaj sintezaj poluaĵoj derivitaj de fosiliaj brulaĵoj, kiel plastoj, plastigaj substancoj kaj plastaj stabiligiloj (ftalatoj kaj iliaj izomeroj), grave poluas marajn, grundajn kaj akvajn ekosistemojn kaj iliajn biotojn, tiel pliseverigante tutmondajn klimatajn riskojn. Diversaj specoj de mikroplastoj, nanoplastoj, plastaj fragmentoj kaj iliaj toksaj monomeraj produktoj derivitaj de polietilena tereftalato (PET) akumuliĝis en la Pacifika Oceano inter Nordameriko kaj Sudorienta Azio, formante la "Grandan Pacifikan Rubmakulon", damaĝante maran vivon (Newell et al., 2020). Sciencaj studoj pruvis, ke ne eblas forigi tiajn poluaĵojn/rubaĵojn per iuj fizikaj aŭ kemiaj metodoj. En ĉi tiu kunteksto, la plej utilaj mikroorganismoj estas tiuj kapablaj oksidative metaboligi poluaĵojn en karbondioksidon, kemian energion kaj aliajn netoksajn kromproduktojn, kiuj poste eniras aliajn nutraĵciklajn procezojn (H₂, O₂, N₂, S₂, P₂, Fe₂, ktp.). Tiel, kompreni la mikroban ekofiziologion de aroma poluaĵa mineraligado kaj ĝian median kontrolon estas esenca por taksi la mikroban karbonan ciklon, netan karbonan buĝeton kaj estontajn klimatajn riskojn. Konsiderante la urĝan bezonon forigi tiajn kombinaĵojn el la medio, diversaj eko-industrioj fokusitaj pri puraj teknologioj aperis. Alternative, valorigo de industriaj rubaĵoj/rubaj kemiaĵoj akumulitaj en ekosistemoj (t.e., la aliro "rubaĵo al riĉeco") estas konsiderata kiel unu el la kolonoj de cirkla ekonomio kaj daŭripovaj evoluigaj celoj (Close et al., 2012). Tial, kompreni la metabolajn, enzimajn kaj genetikajn aspektojn de ĉi tiuj eblaj degradiĝaj kandidatoj estas plej grava por la efika forigo kaj bioriparo de tiaj aromaj poluaĵoj.
Inter la multaj aromaj poluaĵoj, ni atentas aparte malalt-molekulpezajn PAH-ojn kiel naftaleno kaj anstataŭigitaj naftalenoj. Ĉi tiuj kombinaĵoj estas gravaj komponantoj de naftoderivitaj fueloj, tekstilaj tinkturfarboj, konsumvaroj, pesticidoj (tinelioj kaj insektoforpuŝiloj), plastigaj substancoj kaj taninoj kaj tial estas vaste disvastiĝintaj en multaj ekosistemoj (Preuss et al., 2003). Lastatempaj raportoj elstarigas la amasiĝon de naftalenaj koncentriĝoj en grundakvaj sedimentoj, grundakvo kaj subteraj grundoj, vadosaj zonoj kaj riverujoj, sugestante ĝian bioamasiĝon en la medio (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabelo 2 resumas la fizik-kemiajn ecojn, aplikojn kaj sanefikojn de naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj. Kompare kun aliaj alt-molekulpezaj PAH-oj, naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj estas malpli hidrofobaj, pli akvosolveblaj kaj vaste distribuitaj en ekosistemoj, do ili ofte estas uzataj kiel modelaj substratoj por studi la metabolon, genetikon kaj metabolan diversecon de PAH-oj. Granda nombro da mikroorganismoj kapablas metaboligi naftalenon kaj ĝiajn derivaĵojn, kaj ampleksaj informoj haveblas pri iliaj metabolaj vojoj, enzimoj kaj reguligaj trajtoj (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Krome, naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj estas nomumitaj kiel prototipaj kombinaĵoj por takso de media poluado pro ilia alta abundeco kaj biohavebleco. La Usona Mediprotekta Agentejo taksas, ke averaĝaj niveloj de naftaleno estas 5,19 μg por kuba metro el cigaredfumo, ĉefe el nekompleta brulado, kaj 7,8 ĝis 46 μg el flankflua fumo, dum eksponiĝo al kreozoto kaj naftaleno estas 100 ĝis 10 000 fojojn pli alta (Preuss et al. 2003). Naftaleno aparte montriĝis havi specio-, regiono- kaj sekso-specifan spiran toksecon kaj karcinogenecon. Surbaze de bestaj studoj, la Internacia Agentejo por Esploro pri Kancero (IARC) klasifikis naftalenon kiel "eblan homan kancerogenaĵon" (Grupo 2B)1. Eksponiĝo al anstataŭigitaj naftalenoj, ĉefe per enspiro aŭ parenterala (buŝa) administrado, kaŭzas pulmhistan damaĝon kaj pliigas la incidencon de pulmaj tumoroj en ratoj kaj musoj (Nacia Toksologia Programo 2). Akutaj efikoj inkluzivas naŭzon, vomadon, abdomenan doloron, diareon, kapdoloron, konfuzon, abundan ŝvitadon, febron, takikardion, ktp. Aliflanke, la larĝspektra karbamata insekticido karbarilo (1-naftila N-metilkarbamato) estis raportita kiel toksa por akvaj senvertebruloj, amfibioj, mielabeloj kaj homoj kaj estis montrita inhibicii acetilkolinesterazon kaŭzante paralizon (Smulders et al., 2003; Bulen kaj Distel, 2011). Tial, kompreni la mekanismojn de mikroba degenero, genetika reguligo, enzimaj kaj ĉelaj reakcioj estas decida por evoluigi bioriparajn strategiojn en poluitaj medioj.
Tabelo 2. Detalaj informoj pri la fizik-kemiaj ecoj, uzoj, identigmetodoj kaj rilataj malsanoj de naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj.
En poluitaj niĉoj, hidrofobaj kaj lipofilaj aromaj poluaĵoj povas kaŭzi diversajn ĉelajn efikojn sur la media mikrobiomo (komunumo), kiel ekzemple ŝanĝoj en membrana flueco, membrana permeablo, ŝveliĝo de lipida duobla tavolo, interrompo de energitransigo (elektrona transportĉeno/protona mova forto), kaj aktiveco de membran-asociitaj proteinoj (Sikkema et al., 1995). Krome, iuj solveblaj intermediatoj kiel kateĥoloj kaj kinonoj generas reaktivajn oksigenajn speciojn (ROS) kaj formas aduktojn kun DNA kaj proteinoj (Penning et al., 1999). Tiel, la abundo de tiaj kombinaĵoj en ekosistemoj penas selektivan premon sur mikrobaj komunumoj por iĝi efikaj degradantoj je diversaj fiziologiaj niveloj, inkluzive de sorbado/transporto, intraĉela transformo, asimilado/utiligo, kaj kompartmentigo.
Serĉo en la Ribosomal Database Project-II (RDP-II) rivelis, ke entute 926 bakteriaj specioj estis izolitaj el medioj aŭ riĉigkulturoj poluitaj per naftaleno aŭ ĝiaj derivaĵoj. La grupo Proteobacteria havis la plej altan nombron da reprezentantoj (n = 755), sekvata de Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), kaj neklasifikitaj bakterioj (8) (Figuro 2). Reprezentantoj de γ-Proteobacteria (Pseudomonadales kaj Xanthomonadales) dominis ĉiujn Gram-negativajn grupojn kun alta G+C-enhavo (54%), dum Clostridiales kaj Bacillales (30%) estis Gram-pozitivaj grupoj kun malalta G+C-enhavo. Pseudomonas (la plej alta nombro, 338 specioj) laŭdire kapablas degradi naftalenon kaj ĝiajn metilderivaĵojn en diversaj poluitaj ekosistemoj (karbogudro, nafto, kruda nafto, ŝlimo, naftoverŝoj, kloakaĵo, organika rubo kaj rubodeponejoj) same kiel en sendifektaj ekosistemoj (grundo, riveroj, sedimentoj kaj grundakvo) (Figuro 2). Krome, riĉigaj studoj kaj metagenomika analizo de kelkaj el ĉi tiuj regionoj rivelis, ke nekulturitaj Legionella kaj Clostridium specioj povas havi degradan kapaciton, indikante la bezonon kultivi ĉi tiujn bakteriojn por studi novajn vojojn kaj metabolan diversecon.
Fig. 2. Taksonomia diverseco kaj ekologia distribuo de bakteriaj reprezentantoj en medioj poluitaj per naftaleno kaj naftalenaj derivaĵoj.
Inter la diversaj aromaj hidrokarbonoj malkomponantaj mikroorganismojn, la plej multaj kapablas malkomponi naftalenon kiel la solan fonton de karbono kaj energio. La sinsekvo de eventoj implikitaj en la naftalena metabolo estis priskribita por Pseudomonas sp. (trostreĉoj: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 kaj CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 kaj aliaj trostreĉoj (ND6 kaj AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis kaj Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Metabolon iniciatas plurkomponenta dioksigenazo [naftaleno-dioksigenazo (NDO), ringo-hidroksiliganta dioksigenazo] kiu katalizas la oksidadon de unu el la aromaj ringoj de naftaleno uzante molekulan oksigenon kiel la alian substraton, konvertante naftalenon al cis-naftalenodiolo (Figuro 3). Cis-dihidrodiolo konvertiĝas al 1,2-dihidroksinaftaleno per dehidrogenazo. A Ringo-fendanta dioksigenazo, 1,2-dihidroksinaftalena dioksigenazo (12DHNDO), konvertas 1,2-dihidroksinaftalenon al 2-hidroksikromeno-2-karboksila acido. Enzima cis-trans izomerigo produktas trans-o-hidroksibenzilidenepiruvaton, kiu estas fendita per hidrataza aldolazo al salicila aldehido kaj piruvato. La organika acido piruvato estis la unua C3-komponaĵo derivita de la naftalena karbonskeleto kaj direktita en la centran karbonan vojon. Krome, NAD+-dependa salicilaaldehida dehidrogenazo konvertas salicilan aldehidon al salicila acido. Metabolo en ĉi tiu stadio nomiĝas la "supra vojo" de naftalena degradiĝo. Ĉi tiu vojo estas tre ofta en plej multaj naftalenaj degradantaj bakterioj. Tamen, ekzistas kelkaj esceptoj; ekzemple, en la termofila Bacillus hamburgii 2, naftalena degradiĝo estas iniciatita de naftalena 2,3-dioksigenazo por formi 2,3-dihidroksinaftaleno (Annweiler et al., 2000).
Figuro 3. Vojoj de naftaleno, metilnaftaleno, naftoa acido, kaj karbarila degradiĝo. Cirklitaj nombroj reprezentas enzimojn respondecajn pri la sinsekva konvertiĝo de naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj en postajn produktojn. 1 — naftalena dioksigenazo (NDO); 2, cis-dihidrodiola dehidrogenazo; 3, 1,2-dihidroksinaftalena dioksigenazo; 4, 2-hidroksikromeno-2-karboksila acido izomerazo; 5, trans-O-hidroksibenzilidenepiruvata hidrataza aldolazo; 6, salicilaldehida dehidrogenazo; 7, salicilata 1-hidroksilazo; 8, katekola 2,3-dioksigenazo (C23DO); 9, 2-hidroksimukonata semialdehida dehidrogenazo; 10, 2-oksopent-4-enoata hidratazo; 11, 4-hidroksi-2-oksopentanoata aldolazo; 12, acetaldehida dehidrogenazo; 13, kateĥolo-1,2-dioksigenazo (C12DO); 14, mukonato-cikloizomerazo; 15, mukonolaktona delto-izomerazo; 16, β-ketoadipatenolaktona hidrolazo; 17, β-ketoadipato-sukcinil-CoA-transferazo; 18, β-ketoadipato-CoA-tiolazo; 19, sukcinil-CoA: acetil-CoA-sukciniltransferazo; 20, salicilato 5-hidroksilazo; 21 – gentisato 1,2-dioksigenazo (GDO); 22, maleilpiruvato-izomerazo; 23, fumarilpiruvato-hidrolazo; 24, metilnaftaleno-hidroksilazo (NDO); 25, hidroksimetilnaftaleno-dehidrogenazo; 26, naftalaldehida dehidrogenazo; 27, 3-formilsalicila acida oksidazo; 28, hidroksiizoftalato dekarboksilazo; 29, karbarila hidrolazo (CH); 30, 1-naftol-2-hidroksilazo.
Depende de la organismo kaj ĝia genetika konsisto, la rezulta salicila acido estas plue metaboligata aŭ per la kateĥola vojo uzante salicilaton 1-hidroksilazon (S1H) aŭ per la gentisata vojo uzante salicilaton 5-hidroksilazon (S5H) (Figuro 3). Ĉar salicila acido estas la ĉefa intermediato en naftalena metabolo (supra vojo), la paŝoj de salicila acido al la TCA-intermediato ofte estas nomataj la malsupra vojo, kaj la genoj estas organizitaj en unuopan operonon. Estas ofte vidi, ke la genoj en la supra vojo-operono (nah) kaj la malsupra vojo-operono (sal) estas reguligitaj de komunaj reguligaj faktoroj; ekzemple, NahR kaj salicila acido agas kiel induktantoj, permesante al ambaŭ operonoj tute metaboligi naftalenon (Phale et al., 2019, 2020).
Krome, kateĥolo estas cikle fendita al 2-hidroksimukonata semialdehido per la meta-vojo fare de kateĥolo 2,3-dioksigenazo (C23DO) (Yen et al., 1988) kaj plue hidrolizita per 2-hidroksimukonata semialdehida hidrolazo por formi 2-hidroksipent-2,4-dienoatan acidon. 2-hidroksipent-2,4-dienoato estas poste konvertita al piruvato kaj acetaldehido per hidratazo (2-oksopent-4-enoata hidratazo) kaj aldolazo (4-hidroksi-2-oksopentanoata aldolazo) kaj poste eniras la centran karbonan vojon (Figuro 3). Alternative, kateĥolo estas cikle fendita al cis,cis-mukonato per la orto-vojo fare de kateĥolo 1,2-oksigenazo (C12DO). Mukonata cikloizomerazo, mukonolaktona izomerazo, kaj β-ketoadipato-nolaktona hidrolazo konvertas cis,cis-mukonaton al 3-oksoadipato, kiu eniras la centran karbonan vojon per sukcinil-CoA kaj acetil-CoA (Nozaki et al., 1968) (Figuro 3).
En la gentisata (2,5-dihidroksibenzoata) vojo, la aroma ringo estas fendita de gentisata 1,2-dioksigenazo (GDO) por formi maleilpiruvaton. Ĉi tiu produkto povas esti rekte hidrolizita al piruvato kaj malato, aŭ ĝi povas esti izomerigita por formi fumarilpiruvaton, kiu poste povas esti hidrolizita al piruvato kaj fumarato (Larkin kaj Day, 1986). La elekto de la alternativa vojo estis observita en kaj Gram-negativaj kaj Gram-pozitivaj bakterioj je la biokemiaj kaj genetikaj niveloj (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Gram-negativaj bakterioj (Pseudomonas) preferas uzi salicilan acidon, kiu estas induktanto de naftalena metabolo, dekarboksiligante ĝin al kateĥolo uzante salicilatan 1-hidroksilazon (Gibson kaj Subramanian, 1984). Aliflanke, ĉe Gram-pozitivaj bakterioj (Rhodococcus), salicilato 5-hidroksilazo konvertas salicilan acidon al gentisica acido, dum salicila acido ne havas induktan efikon sur la transskribon de naftalenaj genoj (Grund et al., 1992) (Figuro 3).
Estis raportite, ke specioj kiel Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas kaj Mycobacterium specioj povas degradi monometilnaftalenon aŭ dimetilnaftalenon (Dean-Raymond kaj Bartha, 1975; Cane kaj Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Inter ili, la 1-metilnaftalena kaj 2-metilnaftalena degrada vojo de Pseudomonas sp. CSV86 estis klare studita je la biokemiaj kaj enzimaj niveloj (Mahajan et al., 1994). 1-Metilnaftaleno estas metaboligata per du vojoj. Unue, la aroma ringo estas hidroksilita (la neanstataŭigita ringo de metilnaftaleno) por formi cis-1,2-dihidroksi-1,2-dihidro-8-metilnaftalenon, kiu estas plue oksidita al metilsalicilato kaj metilkateĥolo, kaj poste eniras la centran karbonan vojon post ringa disigo (Figuro 3). Ĉi tiu vojo estas nomata la "karbona fonta vojo". En la dua "veneniga vojo", la metilgrupo povas esti hidroksilita per NDO por formi 1-hidroksimetilnaftalenon, kiu estas plue oksidita al 1-naftoa acido kaj sekreciita en la kulturmedion kiel fina rezulto. Studoj montris, ke la trostreĉiĝo CSV86 ne kapablas kreski sur 1- kaj 2-naftoa acido kiel la sola karbona kaj energia fonto, konfirmante ĝian venenigan vojon (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). En 2-metilnaftaleno, la metilgrupo spertas hidroksiligon per hidroksilazo por formi 2-hidroksimetilnaftalenon. Krome, la neanstataŭigita ringo de la naftalena ringo spertas ringan hidroksiligon por formi dihidrodiolon, kiu estas oksidigita al 4-hidroksimetilkateĥolo en serio de enzim-katalizitaj reakcioj kaj eniras la centran karbonan vojon per la meta-ringa disfenda vojo. Simile, oni raportis, ke S. paucimobilis 2322 uzas NDO por hidroksiligi 2-metilnaftalenon, kiu estas plue oksidigita por formi metilsalicilaton kaj metilkateĥolon (Dutta et al., 1998).
Naftoacidoj (anstataŭigitaj/neanstataŭigitaj) estas kromproduktoj de senvenenigo/biotransformo formitaj dum la putriĝo de metilnaftaleno, fenantreno kaj antraceno kaj liberigitaj en la uzitan kulturmedion. Estis raportite, ke la grunda izolaĵo Stenotrophomonas maltophilia CSV89 kapablas metaboligi 1-naftoacidon kiel karbonfonton (Phale et al., 1995). Metabolo komenciĝas per dihidroksiligo de la aroma ringo por formi 1,2-dihidroksi-8-karboksinaftalenon. La rezulta diolo estas oksidigita al kateĥolo per 2-hidroksi-3-karboksibenzilidenpiruvato, 3-formilsalicila acido, 2-hidroksiizoftala acido kaj salicila acido kaj eniras la centran karbonan vojon per la meta-ringa disfenda vojo (Figuro 3).
Karbarilo estas naftilkarbamata pesticido. Ekde la Verda Revolucio en Barato en la 1970-aj jaroj, la uzo de kemiaj sterkoj kaj pesticidoj kaŭzis pliiĝon de policiklaj aromaj hidrokarbidoj (PAH) el agrikulturaj nepunktaj fontoj (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Ĉirkaŭ 55% (85.722.000 hektaroj) de la tuta kultivata tero en Barato estas traktita per kemiaj pesticidoj. Dum la lastaj kvin jaroj (2015-2020), la barata agrikultura sektoro uzis averaĝe 55.000 ĝis 60.000 tunojn da pesticidoj ĉiujare (Departemento de Kooperativoj kaj Bonfarto de Farmistoj, Ministerio pri Agrikulturo, Registaro de Barato, aŭgusto 2020). En la nordaj kaj centraj Gangaj ebenaĵoj (la ŝtatoj kun la plej alta loĝantaro kaj loĝdenso), la uzo de pesticidoj sur kultivaĵoj estas ĝeneraligita, kun insekticidoj dominantaj. Karbarilo (1-naftil-N-metilkarbamato) estas larĝspektra, modere ĝis tre toksa karbamata insekticido uzata en hinda agrikulturo je averaĝa kvanto de 100–110 tunoj. Ĝi estas ofte vendita sub la komerca nomo Sevin kaj estas uzata por kontroli insektojn (afidojn, fajroformikojn, pulojn, akarojn, araneojn kaj multajn aliajn eksterajn damaĝbestojn) kiuj influas diversajn kultivaĵojn (maizo, sojfabo, kotono, fruktoj kaj legomoj). Kelkaj mikroorganismoj kiel Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus kaj Arthrobacter ankaŭ povas esti uzataj por kontroli aliajn damaĝbestojn. Estis raportite, ke RC100 povas degradi karbarilon (Larkin kaj Day, 1986; Chapalamadugu kaj Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha kaj Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). La degrada vojo de karbarilo estis amplekse studita je biokemiaj, enzimaj kaj genetikaj niveloj en grundaj izolitaĵoj de Pseudomonas sp. Trostreĉoj C4, C5 kaj C6 (Swetha kaj Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). La metabola vojo komenciĝas per la hidrolizo de la estera ligo per karbarila hidrolazo (CH4) por formi 1-naftolo, metilamino kaj karbondioksido. 1-naftolo estas poste konvertita al 1,2-dihidroksinaftaleno per 1-naftola hidroksilazo (1-NH), kiu estas plue metaboligita per la centra karbona vojo per salicilato kaj gentisato. Kelkaj karbaril-malkonstruantaj bakterioj laŭdire metaboligas ĝin al salicila acido per fendo de la katekola orto-ringo (Larkin kaj Day, 1986; Chapalamadugu kaj Chaudhry, 1991). Rimarkinde, naftaleno-malkonstruantaj bakterioj ĉefe metaboligas salicilan acidon per kateĥolo, dum karbaril-malkonstruantaj bakterioj preferas metaboligi salicilan acidon per la gentisata vojo.
Naftalenosulfonata acido/disulfonata acido kaj naftilaminsulfonacidaj derivaĵoj povas esti uzataj kiel intermediatoj en la produktado de azokoloroj, malsekigiloj, dispersiloj, ktp. Kvankam ĉi tiuj kombinaĵoj havas malaltan toksecon por homoj, citotoksecaj taksoj montris, ke ili estas mortigaj por fiŝoj, dafnio kaj algoj (Greim et al., 1994). Reprezentantoj de la genro Pseudomonas (trostreĉoj A3, C22) laŭdire iniciatas metabolon per duobla hidroksiligo de la aroma ringo enhavanta la sulfonacidan grupon por formi dihidrodiolon, kiu estas plue konvertita al 1,2-dihidroksinaftaleno per spontanea disigo de la sulfita grupo (Brilon et al., 1981). La rezultanta 1,2-dihidroksinaftaleno estas kataboligita per la klasika naftalena vojo, t.e., la katekola aŭ gentisata vojo (Figuro 4). Estis montrite, ke aminonaftalenosulfonata acido kaj hidroksinaftalenosulfonata acido povas esti tute degraditaj de miksitaj bakteriaj konsorcioj kun komplementaj katabolaj vojoj (Nortemann et al., 1986). Estis montrite, ke unu membro de la konsorcio desulfurigas aminonaftalenosulfonatan acidon aŭ hidroksinaftalenosulfonatan acidon per 1,2-dioksigenado, dum aminosalicilato aŭ hidroksisalicilato estas liberigita en la kulturmedion kiel sakstrato-metabolito kaj poste estas sorbata de aliaj membroj de la konsorcio. Naftalenosulfonata acido estas relative polusa sed malbone biodiserigebla kaj tial povas esti metaboligita per malsamaj vojoj. La unua desulfurado okazas dum regioselektiva dihidroksilado de la aroma ringo kaj la sulfonata acida grupo; la dua desulfurado okazas dum hidroksilado de 5-sulfosalicila acido per salicila acida 5-hidroksilazo por formi gentisatan acidon, kiu eniras la centran karbonan vojon (Brilon et al., 1981) (Figuro 4). La enzimoj respondecaj pri naftalina malkombiniĝo ankaŭ respondecas pri naftalina sulfonata metabolo (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figuro 4. Metabolaj vojoj por naftalensulfonata malkombiniĝo. La nombroj ene de la cirkloj reprezentas la enzimojn respondecajn pri naftilsulfonata metabolo, similaj/identaj al la enzimoj priskribitaj en FIG. 3.
Malaltmolekulaj PAH-oj (LMW-PAH-oj) estas redukteblaj, hidrofobaj kaj malbone solveblaj, kaj tial ne sentemaj al natura malkomponiĝo/degradado. Tamen, aerobaj mikroorganismoj kapablas oksigeni ilin per sorbado de molekula oksigeno (O2). Ĉi tiuj enzimoj ĉefe apartenas al la klaso de oksidoriduktazoj kaj povas plenumi diversajn reakciojn kiel ekzemple aroma ringa hidroksiligo (mono- aŭ dihidroksiligo), dehidratigo kaj aroma ringa disfendado. La produktoj akiritaj de ĉi tiuj reakcioj estas en pli alta oksidiĝa stato kaj estas pli facile metaboleblaj tra la centra karbona vojo (Phale et al., 2020). La enzimoj en la malkompona vojo estas raportitaj kiel indukteblaj. La aktiveco de ĉi tiuj enzimoj estas tre malalta aŭ nekonsiderinda kiam ĉeloj estas kultivataj sur simplaj karbonaj fontoj kiel glukozo aŭ organikaj acidoj. Tabelo 3 resumas la diversajn enzimojn (oksigenazoj, hidrolazoj, dehidrogenazoj, oksidazoj, ktp.) implikitajn en la metabolo de naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj.
Tabelo 3. Biokemiaj karakterizaĵoj de enzimoj respondecaj pri la putriĝo de naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj.
Radioizotopaj studoj (18O2) montris, ke la enkorpigo de molekula O2 en aromajn ringojn per oksigenazoj estas la plej grava paŝo en aktivigo de plia biodegradado de kombinaĵo (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). La enkorpigo de unu oksigenatomo (O) el molekula oksigeno (O2) en la substraton estas iniciatita per aŭ endogenaj aŭ eksogenaj monooksigenazoj (ankaŭ nomataj hidroksilazoj). Alia oksigenatomo estas reduktita al akvo. Eksogenaj monooksigenazoj reduktas flavinon per NADH aŭ NADPH, dum en endomonooksigenazoj flavino estas reduktita per la substrato. La pozicio de hidroksiligo rezultas en diverseco en produkta formado. Ekzemple, salicilata 1-hidroksilazo hidroksilas salicilan acidon ĉe la C1-pozicio, formante katekolon. Aliflanke, la multkomponenta salicilato 5-hidroksilazo (enhavanta subunuojn de reduktazo, feredoksino kaj oksigenazo) hidroksilas salicilan acidon ĉe la C5-pozicio, formante gentisatan acidon (Yamamoto et al., 1965).
Dioksigenazoj enkorpigas du O2-atomojn en la substraton. Depende de la formitaj produktoj, ili estas dividitaj en ringohidroksilatajn dioksigenazojn kaj ringofendantajn dioksigenazojn. Ringohidroksilataj dioksigenazoj konvertas aromajn substratojn en cis-dihidrodiolojn (ekz., naftaleno) kaj estas vaste disvastiĝintaj inter bakterioj. Ĝis nun, oni montris, ke organismoj enhavantaj ringohidroksilatajn dioksigenazojn kapablas kreski sur diversaj aromaj karbonfontoj, kaj ĉi tiuj enzimoj estas klasifikitaj kiel NDO (naftaleno), tolueno-dioksigenazo (TDO, tolueno), kaj bifenilo-dioksigenazo (BPDO, bifenilo). Kaj NDO kaj BPDO povas katalizi la duoblan oksidadon kaj flankĉenan hidroksiligon de diversaj policiklaj aromaj hidrokarbidoj (tolueno, nitrotolueno, ksileno, etilbenzeno, naftaleno, bifenilo, fluoreno, indolo, metilnaftaleno, naftalensulfonato, fenantreno, antraceno, acetofenono, ktp.) (Boyd kaj Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO estas plurkomponenta sistemo konsistanta el oksidoriduktazo, feredoksino, kaj aktiva loko-entenanta oksigenaza komponento (Gibson kaj Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). La kataliza unuo de NDO konsistas el granda α subunuo kaj malgranda β subunuo aranĝitaj en α3β3-konfiguracio. NDO apartenas al granda familio de oksigenazoj kaj ĝia α-subunuo enhavas Rieske-ejon [2Fe-2S] kaj mononuklean ne-heman feron, kiu determinas la substratan specifecon de NDO (Parales et al., 1998). Tipe, en unu kataliza ciklo, du elektronoj de la redukto de piridina nukleotido estas transdonitaj al la Fe(II)-jono en la aktiva ejo per reduktazo, feredoksino kaj Rieske-ejo. La reduktaj ekvivalentoj aktivigas molekulan oksigenon, kio estas antaŭkondiĉo por substrata dihidroksiligo (Ferraro et al., 2005). Ĝis nun, nur kelkaj NDO-oj estis purigitaj kaj karakterizitaj detale el malsamaj trostreĉoj kaj la genetika kontrolo de la vojoj implikitaj en naftalena degradiĝo estis detale studita (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Ringo-fendantaj dioksigenazoj (endo- aŭ orto-ringo-fendantaj enzimoj kaj eksodiol- aŭ meta-ringo-fendantaj enzimoj) agas sur hidroksiligitaj aromaj kombinaĵoj. Ekzemple, la orto-ringo-fendanta dioksigenazo estas kateĥolo-1,2-dioksigenazo, dum la meta-ringo-fendanta dioksigenazo estas kateĥolo-2,3-dioksigenazo (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Aldone al diversaj oksigenazoj, ekzistas ankaŭ diversaj dehidrogenazoj respondecaj pri la dehidratigo de aromaj dihidrodioloj, alkoholoj kaj aldehidoj kaj uzantaj NAD+/NADP+ kiel elektronakceptantojn, kiuj estas kelkaj el la gravaj enzimoj implikitaj en metabolo (Gibson kaj Subramanian, 1984; Shaw kaj Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Enzimoj kiel hidrolazoj (esterazoj, amidazoj) estas dua grava klaso de enzimoj, kiuj uzas akvon por fendi kovalentajn ligojn kaj montras larĝan substratan specifecon. Karbarila hidrolazo kaj aliaj hidrolazoj estas konsiderataj komponantoj de la periplasmo (transmembrano) en membroj de Gram-negativaj bakterioj (Kamini et al., 2018). Karbarilo havas kaj amidan kaj esteran ligojn; tial, ĝi povas esti hidrolizita per aŭ esterazo aŭ amidazo por formi 1-naftolo. Karbarilo en Rhizobium rhizobium trostreĉiĝo AC10023 kaj Arthrobacter trostreĉiĝo RC100 laŭdire funkcias kiel esterazo kaj amidazo, respektive. Karbarilo en Arthrobacter trostreĉiĝo RC100 ankaŭ funkcias kiel amidazo. RC100 montriĝis hidrolizi kvar N-metilkarbamatajn klasajn insekticidojn kiel karbarilo, metomilo, mefenama acido kaj XMC (Hayaatsu et al., 2001). Estis raportite, ke Ĥ en Pseudomonas sp. C5pp povas agi sur karbarilon (100% aktiveco) kaj 1-naftilacetaton (36% aktiveco), sed ne sur 1-naftilacetamidon, indikante ke ĝi estas esterazo (Trivedi et al., 2016).
Biokemiaj studoj, enzimaj reguligaj ŝablonoj, kaj genetika analizo montris, ke la naftalenaj degradaj genoj konsistas el du indukteblaj reguligaj unuoj aŭ "operonoj": nah (la "suprenflua vojo", konvertante naftalenon al salicila acido) kaj sal (la "suprenflua vojo", konvertante salicilan acidon al la centra karbonvojo per kateĥolo). Salicila acido kaj ĝiaj analogoj povas agi kiel induktantoj (Shamsuzzaman kaj Barnsley, 1974). Ĉeestante glukozo aŭ organikaj acidoj, la operono estas subpremita. Figuro 5 montras la kompletan genetikan organizon de naftalena degradado (en operona formo). Pluraj nomitaj variaĵoj/formoj de la nah-geno (ndo/pah/dox) estis priskribitaj kaj trovitaj havi altan sekvencan homologion (90%) inter ĉiuj Pseudomonas-specioj (Abbasian et al., 2016). La genoj de la naftalena suprenflua vojo estis ĝenerale aranĝitaj en konsenta ordo kiel montrite en Figuro 5A. Alia geno, nahQ, ankaŭ laŭdire implikita en naftalina metabolo kaj kutime troviĝis inter nahC kaj nahE, sed ĝia efektiva funkcio restas ankoraŭ klarigota. Simile, la geno nahY, respondeca pri naftaleno-sentema kemotakso, troviĝis ĉe la distala fino de la nah-operono en kelkaj membroj. En Ralstonia sp., la U2-geno, kiu kodas glutationan S-transferazon (gsh), troviĝis inter nahAa kaj nahAb, sed ne influis la naftalinajn utiligkarakterizaĵojn (Zylstra et al., 1997).
Figuro 5. Genetika organizado kaj diverseco observitaj dum naftalina degradiĝo inter bakteriaj specioj; (A) Supra naftalina vojo, metabolo de naftalino al salicila acido; (B) Malsupra naftalina vojo, salicila acido per kateĥolo al la centra karbona vojo; (C) salicila acido per gentisato al la centra karbona vojo.
La "malsupra vojo" (sal-operono) tipe konsistas el nahGTHINLMOKJ kaj konvertas salicilaton al piruvato kaj acetaldehido per la kateĥola metaringa disfenda vojo. La nahG-geno (ĉifranta salicilatan hidroksilazon) estis konservita ĉe la proksimala fino de la operono (Fig. 5B). Kompare kun aliaj naftaleno-degradantaj trostreĉoj, en P. putida CSV86 la nah kaj sal-operonoj estas tandemaj kaj tre proksime rilataj (ĉirkaŭ 7.5 kb). Ĉe iuj Gram-negativaj bakterioj, kiel Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, kaj P. putida AK5, naftaleno estas metaboligita kiel centra karbona metabolito per la gentisata vojo (en la formo de la sgp/nag-operono). La genkasedo estas tipe reprezentita en la formo nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, kie nagR (ĉifranta regulilon de tipo LysR) situas ĉe la supra fino (Figuro 5C).
Karbarilo eniras la centran karbonan ciklon per la metabolo de 1-naftolo, 1,2-dihidroksinaftaleno, salicila acido, kaj gentiza acido (Figuro 3). Surbaze de genetikaj kaj metabolaj studoj, oni proponis dividi ĉi tiun vojon en "suprenfluan" (konverto de karbarilo al salicila acido), "mezan" (konverto de salicila acido al gentiza acido), kaj "malsuprenfluan" (konverto de gentiza acido al centraj karbonaj vojo-intermediatoj) (Singh et al., 2013). Genara analizo de C5pp (superkontig A, 76.3 kb) rivelis, ke la geno mcbACBDEF partoprenas en la konverto de karbarilo al salicila acido, sekvata de mcbIJKL en la konverto de salicila acido al gentiza acido, kaj mcbOQP en la konverto de gentiza acido al centraj karbonaj intermediatoj (fumarato kaj piruvato, Trivedi et al., 2016) (Figuro 6).
Estis raportite, ke enzimoj implikitaj en la putriĝo de aromaj hidrokarbidoj (inkluzive de naftaleno kaj salicila acido) povas esti induktitaj de la respondaj kombinaĵoj kaj inhibiciitaj de simplaj karbonfontoj kiel glukozo aŭ organikaj acidoj (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Inter la diversaj metabolaj vojoj de naftaleno kaj ĝiaj derivaĵoj, la reguligaj trajtoj de naftaleno kaj karbarilo estis iagrade studitaj. Por naftaleno, genoj en kaj la suprenfluaj kaj malsuprenfluaj vojoj estas reguligitaj de NahR, LysR-tipa trans-aganta pozitiva regulilo. Ĝi estas necesa por la indukto de la nah-geno per salicila acido kaj ĝia posta altnivela esprimo (Yen kaj Gunsalus, 1982). Krome, studoj montris, ke integra gastiga faktoro (IHF) kaj XylR (sigma 54-dependa transskriba regulilo) ankaŭ estas kritikaj por la transskriba aktivigo de genoj en naftalena metabolo (Ramos et al., 1997). Studoj montris, ke enzimoj de la katekola meta-ringa malferma vojo, nome katekola 2,3-dioksigenazo, estas induktitaj en la ĉeesto de naftaleno kaj/aŭ salicila acido (Basu et al., 2006). Studoj montris, ke enzimoj de la katekola orto-ringa malferma vojo, nome katekola 1,2-dioksigenazo, estas induktitaj en la ĉeesto de benzoata acido kaj cis,cis-mukonato (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
En la trostreĉo C5pp, kvin genoj, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR kaj mcbS, ĉifras regulilojn apartenantajn al la LysR/TetR-familio de transskribaj reguliloj respondecaj pri kontrolado de karbarila degradiĝo. La homologa geno mcbG montriĝis plej proksime rilata al la LysR-tipa regulilo PhnS (58% aminoacida identeco) implikita en fenantreno-metabolo en Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). La geno mcbH montriĝis implikita en la intera vojo (konverto de salicila acido al gentiza acido) kaj apartenas al la LysR-tipa transskriba regulilo NagR/DntR/NahR en Pseudomonas kaj Burkholderia. Membroj de ĉi tiu familio laŭdire rekonas salicilan acidon kiel specifan efektoran molekulon por la indukto de degradiĝaj genoj. Aliflanke, tri genoj, mcbN, mcbR kaj mcbS, apartenantaj al transkripciaj reguligantoj de la tipoj LysR kaj TetR, estis identigitaj en la malsuprenflua metabolito (gentizato-centraj karbonaj metabolitoj).
En prokariotoj, horizontalaj gentransigaj procezoj (akiro, interŝanĝo aŭ translokigo) per plasmidoj, transpozonoj, profago, genomaj insuloj kaj integraj konjugaciaj elementoj (ICE) estas gravaj kaŭzoj de plastikeco en bakteriaj genaroj, kondukante al la gajno aŭ perdo de specifaj funkcioj/trajtoj. Ĝi permesas al bakterioj rapide adaptiĝi al malsamaj mediaj kondiĉoj, provizante eblajn adaptajn metabolajn avantaĝojn al la gastiganto, kiel ekzemple la degradiĝo de aromaj kombinaĵoj. Metabolaj ŝanĝoj ofte atingiĝas per fajnagordo de degradiĝaj operonoj, iliaj reguligaj mekanismoj kaj enzimaj specifecoj, kio faciligas la degradiĝon de pli vasta gamo de aromaj kombinaĵoj (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). La genkasetoj por naftalena degradiĝo troviĝas sur diversaj moveblaj elementoj kiel plasmidoj (konjugaciaj kaj nekonjugaciaj), transpozonoj, genaroj, ICE-oj kaj kombinaĵoj de malsamaj bakteriaj specioj (Figuro 5). Ĉe Pseudomonas G7, la operonoj nah kaj sal de plasmido NAH7 estas transskribitaj en la sama orientiĝo kaj estas parto de difekta transpozono, kiu postulas transposazon Tn4653 por mobilizado (Sota et al., 2006). Ĉe Pseudomonas-bakteriaro NCIB9816-4, la geno troviĝis sur la konjugacia plasmido pDTG1 kiel du operonoj (proksimume 15 kb aparte) kiuj estis transskribitaj en kontraŭaj direktoj (Dennis kaj Zylstra, 2004). Ĉe Pseudomonas putida-bakteriaro AK5, la ne-konjugacia plasmido pAK5 ĉifras la enzimon respondecan pri naftalena degenerado per la gentisata vojo (Izmalkova et al., 2013). Ĉe Pseudomonas-bakteriaro PMD-1, la nah-operono situas sur la kromosomo, dum la sal-operono situas sur la konjugacia plasmido pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Tamen, en Pseudomonas stutzeri AN10, ĉiuj naftalenaj degradaj genoj (nah kaj sal operonoj) troviĝas sur la kromosomo kaj supozeble estas rekrutitaj per transpozicio, rekombinado kaj rearanĝo (Bosch et al., 2000). En Pseudomonas sp. CSV86, la nah kaj sal operonoj troviĝas en la genaro en la formo de ICE (ICECSV86). La strukturo estas protektita de tRNAGly sekvata de rektaj ripetoj indikantaj rekombinadajn/alligajn lokojn (attR kaj attL) kaj fag-simila integrazo situanta ĉe ambaŭ finoj de tRNAGly, do strukture simila al la ICEclc-elemento (ICEclcB13 en Pseudomonas knackmusii por klorokatekola degradado). Estis raportite, ke genoj sur ICE povas esti transdonitaj per konjugacio kun ekstreme malalta translokiga frekvenco (10-8), tiel transdonante degradiĝajn ecojn al la ricevanto (Basu kaj Phale, 2008; Phale et al., 2019).
La plej multaj el la genoj respondecaj pri karbarila degradiĝo troviĝas sur plasmidoj. Arthrobacter sp. RC100 enhavas tri plasmidojn (pRC1, pRC2 kaj pRC300), el kiuj du konjugaciaj plasmidoj, pRC1 kaj pRC2, ĉifras la enzimojn, kiuj konvertas karbarilon al gentisato. Aliflanke, la enzimoj implikitaj en la konvertado de gentisato al la centraj karbonaj metabolitoj troviĝas sur la kromosomo (Hayaatsu et al., 1999). Bakterioj de la genro Rhizobium. Trostreĉiĝo AC100, uzata por la konvertado de karbarilo al 1-naftolo, enhavas plasmidon pAC200, kiu portas la cehA-genon, kiu ĉifras CH kiel parton de la Tnceh-transpozono ĉirkaŭita de enmetaj element-similaj sekvencoj (istA kaj istB) (Hashimoto et al., 2002). Ĉe la trostreĉo CF06 de *Sphingomonas*, oni kredas, ke la geno por karbarila degradiĝo ĉeestas en kvin plasmidoj: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, kaj pCF05. La DNA-homologio de ĉi tiuj plasmidoj estas alta, indikante la ekziston de gena duobliga evento (Feng et al., 1997). En karbaril-degradanta simbionto konsistanta el du Pseudomonas-specioj, la trostreĉo 50581 enhavas konjugacian plasmidon pCD1 (50 kb) kodantan la genon mcd por karbarila hidrolazo, dum la konjugacia plasmido en la trostreĉo 50552 kodas enzimon 1-naftol-degradantan (Chapalamadugu kaj Chaudhry, 1991). Ĉe la trostreĉo WM111 de *Achromobacter*, la geno mcd por furadana hidrolazo troviĝas sur plasmido de 100 kb (pPDL11). Ĉi tiu geno montriĝis ĉeesti sur malsamaj plasmidoj (100, 105, 115 aŭ 124 kb) en malsamaj bakterioj el malsamaj geografiaj regionoj (Parekh et al., 1995). En Pseudomonas sp. C5pp, ĉiuj genoj respondecaj pri karbaril-degradado troviĝas en genaro ampleksanta 76.3 kb da sekvenco (Trivedi et al., 2016). Genara analizo (6.15 Mb) rivelis la ĉeeston de 42 MGE-oj kaj 36 GEI-oj, el kiuj 17 MGE-oj troviĝis en superkontigo A (76.3 kb) kun averaĝa nesimetria G+C-enhavo (54–60 mol%), sugestante eblajn horizontalajn genajn transigajn eventojn (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 montras similan aranĝon de karbaril-degradantaj genoj, sed ĉi tiuj genoj troviĝas sur plasmido (Zhu et al., 2019).
Aldone al metabola efikeco je biokemiaj kaj genomaj niveloj, mikroorganismoj ankaŭ montras aliajn ecojn aŭ respondojn kiel kemotakso, ĉelsurfacaj modifecoj, kompartmentigo, prefera utiligo, biosurfaktantproduktado, ktp., kiuj helpas ilin pli efike metaboligi aromajn poluaĵojn en poluitaj medioj (Figuro 7).
Figuro 7. Malsamaj ĉelaj respondostrategioj de idealaj aromaj hidrokarbon-malkonstruantaj bakterioj por efika biodegradado de fremdaj poluaĵaj kombinaĵoj.
Kemotaktikaj respondoj estas konsiderataj faktoroj, kiuj plifortigas la degradiĝon de organikaj poluaĵoj en heterogene poluitaj ekosistemoj. (2002) montris, ke kemotakso de Pseudomonas sp. G7 al naftaleno pliigis la rapidecon de naftalena degradiĝo en akvaj sistemoj. La sovaĝ-tipa trostreĉo G7 degradis naftalenon multe pli rapide ol kemotakso-mankhava mutacia trostreĉo. La NahY-proteino (538 aminoacidoj kun membrana topologio) estis trovita kun-transskribita kun la metacleavage-vojaj genoj sur la NAH7-plasmido, kaj simile al kemotakso-transduktiloj, ĉi tiu proteino ŝajnas funkcii kiel kemoreceptoro por naftalena degradiĝo (Grimm kaj Harwood 1997). Alia studo de Hansel et al. (2009) montris, ke la proteino estas kemotaksa, sed ĝia degradiĝa rapideco estas alta. (2011) montris kemotaktikan respondon de Pseudomonas (P. putida) al gasa naftaleno, kie gasfaza difuzo rezultigis stabilan fluon de naftaleno al la ĉeloj, kiu kontrolis la kemotaktikan respondon de la ĉeloj. La esploristoj ekspluatis ĉi tiun kemotaktikan konduton por krei mikrobojn, kiuj pliigus la rapidecon de degradiĝo. Studoj montris, ke kemosensaj vojoj ankaŭ reguligas aliajn ĉelajn funkciojn kiel ĉeldividiĝo, reguligo de ĉelciklo kaj biofilma formado, tiel helpante kontroli la rapidecon de degradiĝo. Tamen, la utiligado de ĉi tiu eco (kemotakso) por efika degradiĝo estas malhelpata de pluraj proplempunktoj. La ĉefaj obstakloj estas: (a) malsamaj paralogaj receptoroj rekonas la samajn kombinaĵojn/ligandojn; (b) ekzisto de alternativaj receptoroj, t.e., energia tropismo; (c) signifaj sekvencdiferencoj en la sensaj domajnoj de la sama receptorfamilio; kaj (d) manko de informoj pri la ĉefaj bakteriaj sensaj proteinoj (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Foje, la biodegradiĝo de aromaj hidrokarbonoj produktas plurajn metabolitojn/intermediatojn, kiuj povas esti kemotaktikaj por unu grupo de bakterioj sed abomenaj por aliaj, plue malfaciligante la procezon. Por identigi la interagojn de ligandoj (aromaj hidrokarbidoj) kun kemiaj receptoroj, ni konstruis hibridajn sensorajn proteinojn (PcaY, McfR, kaj NahY) kunfandante la sensorajn kaj signalajn domajnojn de Pseudomonas putida kaj Escherichia coli, kiuj celas la receptorojn por aromaj acidoj, TCA-intermediatoj, kaj naftaleno, respektive (Luu et al., 2019).
Sub la influo de naftaleno kaj aliaj policiklaj aromaj hidrokarbonoj (PAH-oj), la strukturo de la bakteria membrano kaj la integreco de la mikroorganismoj spertas signifajn ŝanĝojn. Studoj montris, ke naftaleno interrompas la interagadon de la acilĉeno per hidrofobaj interagoj, tiel pliigante la ŝveliĝon kaj fluecon de la membrano (Sikkema et al., 1995). Por kontraŭagi ĉi tiun malutilan efikon, bakterioj reguligas la membranofluecon per ŝanĝo de la proporcio kaj grasacida konsisto inter izo/anteizo branĉĉenaj grasacidoj kaj izomerigado de cis-nesaturitaj grasacidoj en la respondajn trans-izomerojn (Heipieper kaj de Bont, 1994). Ĉe Pseudomonas stutzeri kultivita per naftalena traktado, la proporcio de saturitaj al nesaturitaj grasacidoj pliiĝis de 1,1 al 2,1, dum ĉe Pseudomonas JS150 ĉi tiu proporcio pliiĝis de 7,5 al 12,0 (Mrozik et al., 2004). Kiam kreskigitaj sur naftaleno, Achromobacter KAs 3–5 ĉeloj montris ĉelagregiĝon ĉirkaŭ naftalenaj kristaloj kaj malpliiĝon de ĉelsurfaca ŝargo (de -22.5 ĝis -2.5 mV) akompanatan de citoplasma kondensiĝo kaj vakuoligo, indikante ŝanĝojn en ĉelstrukturo kaj ĉelsurfacaj ecoj (Mohapatra et al., 2019). Kvankam ĉelaj/surfacaj ŝanĝoj estas rekte asociitaj kun pli bona sorbado de aromaj poluaĵoj, koncernaj bioinĝenieraj strategioj ne estis plene optimumigitaj. Manipulado de ĉelformo malofte estis uzata por optimumigi biologiajn procezojn (Volke kaj Nikel, 2018). Forigo de genoj influantaj ĉeldividiĝon kaŭzas ŝanĝojn en ĉelmorfologio. Forigo de genoj influantaj ĉeldividiĝon kaŭzas ŝanĝojn en ĉelmorfologio. En Bacillus subtilis, la ĉelvandoproteino SepF montriĝis implikita en vandoformado kaj estas necesa por postaj paŝoj de ĉeldividiĝo, sed ĝi ne estas esenca geno. Forigo de genoj kodantaj peptidajn glikanajn hidrolazojn en Bacillus subtilis rezultigis ĉelan plilongigon, pliigitan specifan kreskorapidecon kaj plibonigitan enziman produktokapaciton (Cui et al., 2018).
Kompartimentigo de la karbarila degradiĝa vojo estis proponita por atingi efikan degradiĝon de Pseudomonas-bakteriaroj C5pp kaj C7 (Kamini et al., 2018). Estas proponite, ke karbarilo estas transportata en la periplasman spacon tra la ekstera membrana septo kaj/aŭ tra difuzeblaj porinoj. CH estas periplasma enzimo, kiu katalizas la hidrolizon de karbarilo al 1-naftolo, kiu estas pli stabila, pli hidrofoba kaj pli toksa. CH estas lokigita en la periplasmo kaj havas malaltan afinecon por karbarilo, tiel kontrolante la formadon de 1-naftolo, tiel malhelpante ĝian amasiĝon en ĉeloj kaj reduktante ĝian toksecon al ĉeloj (Kamini et al., 2018). La rezulta 1-naftolo estas transportata en la citoplasmon trans la internan membranon per divido kaj/aŭ difuzo, kaj poste estas hidroksilita al 1,2-dihidroksinaftaleno per la alt-afineca enzimo 1NH por plia metabolo en la centra karbona vojo.
Kvankam mikroorganismoj havas la genetikajn kaj metabolajn kapablojn degradi ksenobiotajn karbonfontojn, la hierarkia strukturo de ilia utiligo (t.e., preferata uzo de simplaj super kompleksaj karbonfontoj) estas grava obstaklo al biodegradado. La ĉeesto kaj utiligo de simplaj karbonfontoj malsuprenreguligas genojn kodantajn enzimojn, kiuj degradas kompleksajn/nepreferatajn karbonfontojn kiel ekzemple PAH-oj. Bone studita ekzemplo estas, ke kiam glukozo kaj laktozo estas kunmanĝitaj al Escherichia coli, glukozo estas utiligata pli efike ol laktozo (Jacob kaj Monod, 1965). Pseudomonas estis raportita degradanta diversajn PAH-ojn kaj ksenobiotajn kombinaĵojn kiel karbonfontojn. La hierarkio de karbonfontuligo en Pseudomonas estas organikaj acidoj > glukozo > aromaj kombinaĵoj (Hylemon kaj Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Tamen, ekzistas escepto. Interese, Pseudomonas sp. CSV86 montras unikan hierarkian strukturon, kiu preferas uzi aromajn hidrokarbonojn (benzoa acido, naftaleno, ktp.) anstataŭ glukozo kaj kunmetaboligas aromajn hidrokarbonojn kun organikaj acidoj (Basu et al., 2006). Ĉe ĉi tiu bakterio, la genoj por putriĝo kaj transporto de aromaj hidrokarbonoj ne estas malsuprenreguligitaj eĉ ĉeestante dua karbonfonto kiel glukozo aŭ organikaj acidoj. Kiam kreskigite en glukoza kaj aromaj hidrokarbonaj medio, oni observis, ke la genoj por glukoza transporto kaj metabolo estis malsuprenreguligitaj, aromaj hidrokarbonoj estis uzitaj en la unua logaritma fazo, kaj glukozo estis uzita en la dua logaritma fazo (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Aliflanke, la ĉeesto de organikaj acidoj ne influis la esprimon de aromaj hidrokarbonaj metabolo, do oni atendas, ke ĉi tiu bakterio estos kandidata trostreĉo por biodegradaj studoj (Phale et al., 2020).
Estas bone konate, ke hidrokarbona biotransformo povas kaŭzi oksidativan streson kaj plialtigon de antioksidaj enzimoj en mikroorganismoj. Neefika naftalina biodegradado kaj en senmovaj fazaj ĉeloj kaj en la ĉeesto de toksaj kombinaĵoj kondukas al la formado de reaktivaj oksigenaj specioj (ROS) (Kang et al. 2006). Ĉar naftalinaj degradantaj enzimoj enhavas fero-sulfurajn aretojn, sub oksidativa streso, la fero en hemo kaj fero-sulfuraj proteinoj estos oksidita, kondukante al proteina inaktivigo. Feredoksino-NADP+ reduktazo (Fpr), kune kun superoksida dismutazo (SOD), mediacias la reigeblan redoksan reakcion inter NADP+/NADPH kaj du molekuloj de feredoksino aŭ flavodoksino, tiel forigante ROS kaj restarigante la fero-sulfuran centron sub oksidativa streso (Li et al. 2006). Estis raportite, ke kaj Fpr kaj SodA (SOD) en Pseudomonas povas esti induktitaj de oksidativa streso, kaj pliigitaj SOD- kaj katalazaj aktivecoj estis observitaj en kvar Pseudomonas-bakteriaroj (O1, W1, As1, kaj G1) dum kresko sub naftaleno-aldonitaj kondiĉoj (Kang et al., 2006). Studoj montris, ke la aldono de antioksidantoj kiel askorbata acido aŭ fera fero (Fe2+) povas pliigi la kreskorapidecon de naftaleno. Kiam Rhodococcus erythropolis kreskis en naftalena medio, la transskribo de oksidativa streso-rilataj citokromaj P450-genoj, inkluzive de sodA (Fe/Mn-superoksida dismutazo), sodC (Cu/Zn-superoksida dismutazo), kaj recA, estis pliigita (Sazykin et al., 2019). Kompara kvanta proteomika analizo de Pseudomonas-ĉeloj kultivitaj en naftaleno montris, ke pliigo de diversaj proteinoj asociitaj kun la oksidativa stresa respondo estas strategio por trakti streson (Herbst et al., 2013).
Mikroorganismoj laŭdire produktas biosurfaktantojn sub la ago de hidrofobaj karbonfontoj. Ĉi tiuj surfaktantoj estas amfifilaj surfacaktivaj kombinaĵoj, kiuj povas formi agregaĵojn ĉe oleo-akvo aŭ aero-akvo interfacoj. Ĉi tio antaŭenigas pseŭdo-solubiligon kaj faciligas la adsorbadon de aromaj hidrokarbonoj, rezultante en efika biodegradado (Rahman et al., 2002). Pro ĉi tiuj ecoj, biosurfaktantoj estas vaste uzataj en diversaj industrioj. La aldono de kemiaj surfaktantoj aŭ biosurfaktantoj al bakteriaj kulturoj povas plibonigi la efikecon kaj rapidecon de hidrokarbona degradiĝo. Inter la biosurfaktantoj, ramnolipidoj produktitaj de Pseudomonas aeruginosa estis amplekse studitaj kaj karakterizitaj (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Plie, aliaj specoj de biosurfaktantoj inkluzivas lipopeptidojn (mucinojn el Pseudomonas fluorescens), emulsiigilon 378 (el Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg kaj Ron, 1999), trehalozajn disakaridajn lipidojn el Rhodococcus (Ramdahl, 1985), likeninon el Bacillus (Saraswathy kaj Hallberg, 2002), kaj surfaktantojn el Bacillus subtilis (Siegmund kaj Wagner, 1991) kaj Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Ĉi tiuj potencaj surfaktantoj montriĝis redukti la surfacan tension de 72 dinoj/cm² ĝis malpli ol 30 dinoj/cm², permesante pli bonan hidrokarbonan sorbadon. Estis raportite, ke Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia kaj aliaj bakteriaj specioj povas produkti diversajn ramnolipidajn kaj glikolipidajn biosurfaktantojn kiam kreskigitaj en naftalina kaj metilnaftalina medioj (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 povas produkti eksterĉelan biosurfaktanton Biosur-Pm kiam kreskigita sur aromaj kombinaĵoj kiel naftoa acido (Phale et al., 1995). La kinetiko de Biosur-Pm-formado montris, ke ĝia sintezo estas kresko- kaj pH-dependa procezo. Oni trovis, ke la kvanto de Biosur-Pm produktita de ĉeloj je neŭtrala pH estis pli alta ol tiu je pH 8.5. Ĉeloj kreskigitaj je pH 8.5 estis pli hidrofobaj kaj havis pli altan afinecon por aromaj kaj alifataj kombinaĵoj ol ĉeloj kreskigitaj je pH 7.0. Ĉe Rhodococcus spp. N6, pli alta karbono-nitrogena (C:N) proporcio kaj ferlimigo estas optimumaj kondiĉoj por la produktado de eksterĉelaj biosurfaktantoj (Mutalik et al., 2008). Oni provis plibonigi la biosintezon de biosurfaktantoj (surfactinoj) per optimumigo de trostreĉoj kaj fermentado. Tamen, la titrado de surfaktanto en la kulturmedio estas malalta (1.0 g/L), kio prezentas defion por grandskala produktado (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Tial, genteknikaj metodoj estis uzitaj por plibonigi ĝian biosintezon. Tamen, ĝia inĝenieristika modifo estas malfacila pro la granda grandeco de la operono (∼25 kb) kaj kompleksa biosinteza reguligo de la kvorumsenta sistemo (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Kelkaj genteknikaj modifoj estis faritaj en Bacillus-bakterioj, ĉefe celante pliigi la produktadon de surfaktino per anstataŭigo de la promotoro (srfA-operon), troesprimado de la surfaktina eksporta proteino YerP kaj la reguligaj faktoroj ComX kaj PhrC (Jiao et al., 2017). Tamen, ĉi tiuj genteknikaj metodoj atingis nur unu aŭ kelkajn genetikajn modifojn kaj ankoraŭ ne atingis komercan produktadon. Tial, plia studado de sciobazitaj optimumigaj metodoj estas necesa.
Studoj pri PAH-biodegradado estas ĉefe farataj sub normaj laboratoriokondiĉoj. Tamen, ĉe poluitaj lokoj aŭ en poluitaj medioj, multaj abiotaj kaj biotaj faktoroj (temperaturo, pH, oksigeno, nutraĵhavebleco, substratbiohavebleco, aliaj ksenobiotikoj, finprodukta inhibicio, ktp.) montriĝis ŝanĝi kaj influi la degradan kapablon de mikroorganismoj.
Temperaturo havas signifan efikon sur la biodegradado de PAH-oj. Dum temperaturo pliiĝas, la koncentriĝo de dissolvita oksigeno malpliiĝas, kio influas la metabolon de aerobaj mikroorganismoj, ĉar ili bezonas molekulan oksigenon kiel unu el la substratoj por oksigenazoj, kiuj faras hidroksiligajn aŭ ringajn disiĝo-reagojn. Oni ofte rimarkas, ke pli alta temperaturo konvertas la gepatrajn PAH-ojn en pli toksajn kombinaĵojn, tiel inhibiciante biodegradadon (Muller et al., 1998).
Oni rimarkis, ke multaj lokoj poluitaj per PAH havas ekstremajn pH-valorojn, kiel ekzemple lokoj poluitaj per acida mindrenado (pH 1–4) kaj lokoj de tergaso/karbogasigado poluitaj per alkala lesivaĵo (pH 8–12). Ĉi tiuj kondiĉoj povas grave influi la biodegradan procezon. Tial, antaŭ ol uzi mikroorganismojn por bioriparo, oni rekomendas alĝustigi la pH per aldono de taŭgaj kemiaĵoj (kun modera ĝis tre malalta oksidiĝo-redukta potencialo) kiel ekzemple amonia sulfato aŭ amonia nitrato por alkalaj grundoj aŭ kalkado per kalcia karbonato aŭ magnezia karbonato por acidaj lokoj (Bowlen et al. 1995; Gupta kaj Sar 2020).
Oksigena provizo al la trafita areo estas la limiganta faktoro por PAH-biodegradado. Pro la redoksaj kondiĉoj de la medio, surlokaj bioriparprocezoj kutime postulas oksigenenkondukon el eksteraj fontoj (plugado, aera ŝprucado kaj kemia aldono) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) montris, ke la aldono de magnezia peroksido (oksigenliberiga kombinaĵo) al poluita grundakvo povus efike bioripari BTEX-komponaĵojn. Alia studo esploris la surlokan degradiĝon de fenolo kaj BTEX en poluita grundakvo per injektado de natria nitrato kaj konstruado de ekstraktaj putoj por atingi efikan bioriparon (Bewley kaj Webb, 2001).