An artikulo parte kan temang pagsiyasat na "Mga advanced bioremediation technologies asin mga proseso nin pag-recycle nin mga sintetikong organikong compound (SOC)". Hilingon an gabos na 14 artikulo
An mga hababang timbang na molekular na polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) arog kan naphthalene asin mga substituted naphthalenes (methylnaphthalene, naphthoic acid, 1-naphthyl-N-methylcarbamate, asin iba pa) lakop na ginagamit sa manlaen-laen na industriya asin mga genotoxic, mutagenic asin/orcinogenic na mga organismo. An mga sintetikong organikong compound (SOC) o xenobiotics na ini pigkokonsiderar na mga prayoridad na polusyon asin nagdudulot nin seryosong peligro sa pankinaban na kapalibutan asin salud kan publiko. An intensidad kan mga aktibidad nin tawo (halimbawa, gasification nin karbon, pagdalisay nin lana, mga emisyon kan mga lunadan asin mga aplikasyon sa agrikultura) iyo an nagdedeterminar kan konsentrasyon, kapaladan asin transportasyon kan mga lakop asin nagdadanay na mga compound na ini. Dugang pa sa mga paagi nin pagbolong/paghale sa pisikal asin kemikal, an mga berde asin makikatood sa kapalibutan na mga teknolohiya arog kan bioremediation, na naggagamit nin mga mikroorganismo na kayang lubos na raoton an mga POC o gibohon sindang mga bakong nakakahilo na mga produkto, nagbutwa bilang sarong ligtas, epektibo sa gastos asin promising na alternatibo. An manlaen-laen na klase nin bakterya na kabali sa phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, asin Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus asin Paenibacillus), asin Actinobacteria (Rhodococcus asin Arthrobacter) sa mikrobiota kan daga nagpahiling kan kakayahan na magraot an manlaen-laen na organikong compound. An mga pag-aadal sa metabolismo, genomics, asin metagenomic analysis nakakatabang sato na masabutan an catabolic complexity asin pagkakaiba-iba na yaon sa mga simpleng pormang ini nin buhay, na pwedeng orog pang magamit para sa episyente na biodegradation. An halawig na pag-eksister kan PAHs nagresulta sa pagluwas kan mga bagong phenotype nin pagkaraot sa paagi nin horizontal gene transfer gamit an mga henetikong elemento arog kan mga plasmid, transposon, bacteriophage, genomic islands, asin integrative conjugative elements. An biyolohiya kan sistema asin an inhenyeriyang henetiko kan mga partikular na isolate o mga komunidad nin modelo (konsorsyo) puedeng magpapangyari nin komprehensibo, marikas asin episyente na bioremediation kan mga PAH na ini sa paagi nin mga epektong sinerhiko. Sa pagrepaso na ini, nagtututok kami sa manlaen-laen na metabolikong agihan asin pagkakaiba-iba, henetikong komposisyon asin pagkakaiba-iba, asin mga simbag/pag-adaptar kan selula kan naphthalene asin mga substituted naphthalene-degrading bacteria. Ini matao nin impormasyon sa ekolohiya para sa aplikasyon sa langtad asin pag-optimize kan strain para sa episyente na bioremediation.
An marikas na pag-uswag kan mga industriya (petrokemikal, agrikultura, parmasyutiko, tina sa tela, kosmetiko, asin iba pa) nakakontribwir sa pankinaban na kauswagan sa ekonomiya asin mas marahay na pamantayan sa pamumuhay. An eksponensyal na pag-uswag na ini nagresulta sa produksyon nin dakulang bilang nin mga sintetikong organikong compound (SOCs), na ginagamit sa paggibo nin manlaen-laen na produkto. An mga dayuhan na compound o SOC na ini kabali an mga polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), mga pestisidyo, mga herbisida, mga plasticizer, mga tina, mga parmasyutiko, mga organophosphate, mga flame retardant, mga volatile organic solvents, asin iba pa. Ini pigbubuga sa atmospera, mga ekosistema sa tubig asin sa daga kun saen sinda igwa nin multidimensional na mga epekto, mga epekto sa manlaen-laen na bioform sa paagi nin pagbabago kan mga propyedad na pisikokemikal asin estruktura kan komunidad (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Dakul na mga aromatic pollutants an igwa nin makusog asin nakakaraot na epekto sa kadakol na mga intact na ekosistema/biodiversity hotspots (halimbawa, mga coral reef, Arctic/Antarctic ice sheets, halangkaw na mga danaw sa bukid, mga sedimento sa hararom na dagat, asin iba pa) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). An mga bagong pag-aadal sa geomicrobiological nagpahiling na an pagdeposito nin sintetikong organikong bagay (halimbawa, mga aromatikong pollutant) asin an saindang mga derivatives sa ibabaw kan mga artipisyal na estruktura (itinogdok na kapalibutan) (halimbawa, mga lugar nin pamana kultural asin mga monumento na gibo sa granito, gapo, kahoy asin metal) nagpaparikas kan saindang pagkaraot (Gadd Liu et al. 2017; Liu et al. 2018). An mga aktibidad nin tawo puedeng magpakusog asin magpagrabe kan biyolohikong pagkaraot kan mga monumento asin edipisyo sa paagi kan polusyon sa aire asin pagbabago kan klima (Liu et al. 2020). An mga organikong kontaminante na ini nagrereak sa alisngaw nin tubig sa atmospera asin nag-eerok sa estruktura, na nagigin dahelan nin pisikal asin kemikal na pagkaraot kan materyal. An biodegradation lakop na minimidbid bilang mga dai gustong pagbabago sa itsura asin mga propyedad kan mga materyales na kawsa kan mga nabubuhay na organismo na nakakaapektar sa saindang pagpreserbar (Pochon asin Jaton, 1967). An dugang pang aksyon mikrobyo (metabolismo) kan mga compound na ini puedeng makabawas sa integridad kan estruktura, pagkaepektibo sa konserbasyon asin halaga sa kultura (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Sa ibong na lado, sa nagkapirang kaso, an pag-adaptar asin pagsimbag kan mikrobyo sa mga estrukturang ini napag-araman na kapaki-pakinabang ta sinda nagpoporma nin mga biofilm asin iba pang mga protektibong crust na nagpapababa kan rikas nin pagkabulok/pagkabulok (Martino, 2016). Kaya, an paggibo nin epektibong halawig na panahon na sustenableng mga estratehiya sa pagpreserbar para sa mga monumentong gapo, metal asin kahoy nangangaipo nin lubos na pakasabot kan mga pangenot na proseso na imbuelto sa prosesong ini. Kun ikukumpara sa mga natural na proseso (mga proseso heolohiko, kasulo sa kagubatan, pagtuga nin bulkan, reaksyon nin tinanom asin bakterya), an mga aktibidad nin tawo nagbubunga nin pagluwas nin darakulang volume nin polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) asin iba pang organikong karbon (OC) sa mga ekosistema. Dakul na mga PAH an ginagamit sa agrikultura (mga insektisidyo asin pestisidyo arog kan DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorophenol, asin iba pa), industriya (krudong lana, oil sludge/waste, mga plastik na hale sa petrolyo, PCBs, mga plasticizer, mga detergent, mga disinfectant, mga fumigant, mga produktong pangpreserbasyon sa personal na mga hamot), (mga sunscreen, disinfectant, insect repellent asin polycyclic musk) asin mga bala (mga eksplosibo arog kan 2,4,6-TNT) mga potensyal na xenobiotics na pwedeng makaapektar sa salud kan planeta (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna asin Phale, 2008; Petrie et al., 2015). An listahan na ini pwedeng mapalawig tanganing iiba an mga compound na hale sa petrolyo (mga lana nin gatong, mga pampadulas, mga aspalto), mga bioplastic na halangkaw an timbang na molekular, asin mga likidong ioniko (Amde et al., 2015). An Table 1 naglista nin manlaen-laen na aromatic pollutants asin an saindang mga aplikasyon sa manlaen-laen na industriya. Sa mga nakaaging taon, an mga anthropogenic emissions kan mga volatile organic compound, siring man an carbon dioxide asin iba pang mga greenhouse gases, nagpoon nang maglangkaw (Dvorak et al., 2017). Alagad, an mga epektong anthropogenic mas dakula kisa sa mga natural. Dugang pa, nanompongan niamo na an nagkapirang SOCs nagdadanay sa kadakol na mga kapalibutan asin namidbid bilang mga nagtutubong polusyon na may maraot na epekto sa mga biome (Figure 1). An mga ahensya sa kapalibutan arog kan United States Environmental Protection Agency (USEPA) iiniba an kadaklan sa mga polusyon na ini sa saindang listahan nin prayoridad huli sa saindang mga cytotoxic, genotoxic, mutagenic, asin carcinogenic na mga propyedad. Kaya, kaipuhan an estriktong mga regulasyon sa pag-apon asin epektibong mga estratehiya para sa pagtratar/paghale kan basura sa mga kontaminadong ekosistema. An manlaen-laen na pisikal asin kemikal na paagi nin pagbolong arog kan pyrolysis, oxidative thermal treatment, air aeration, landfilling, incineration, asin iba pa bakong epektibo asin magastos asin nagbubunga nin mga nakakaraot, nakakahilo asin masakit na pagbolong na mga produkto. Sa paglangkaw kan pankinaban na kaaraman sa kapalibutan, an mga mikroorganismo na may kakayahan na raoton an mga polusyon na ini asin an saindang mga derivatives (arog kan halogenated, nitro, alkyl asin/o methyl) nakakaakit nin nagdadakol na atensyon (Fennell et al., 2004; Haritash asin Kaushik, 2009; Phale et al., 2002; Sarkar et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). An paggamit kan mga katutubong kandidatong mikroorganismo na ini nin solo o sa mga pinaghalo-halong kultura (mga kolonya) para sa paghale kan mga aromatic pollutants igwa nin mga bentaha sa mga termino nin kaligtasan sa kapalibutan, gastos, kahusayan, pagkaepektibo, asin sustenibidad. An mga parasiyasat nag-eeksplorar man kan pag-integrar kan mga proseso nin mikrobyo sa mga paagi nin electrochemical redox, arin na baga an bioelectrochemical systems (BES), bilang sarong promising na teknolohiya para sa pagbolong/paghale nin pollutant (Huang et al., 2011). An teknolohiyang BES nakakua nin nagdadakol na atensyon huli sa halangkaw na kahusayan, hababang gastos, kaligtasan sa kapalibutan, operasyon sa temperatura kan kwarto, mga materyales na biocompatible, asin an kakayahan na mabawi an mga mahalagang by-product (halimbawa, kuryente, gasolina, asin mga kemikal) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). An pag-abot kan high-throughput genome sequencing asin mga kasangkapan/paagi nin omics nagtao nin kadakol na bagong impormasyon sa regulasyon henetiko, proteomics, asin fluxomics kan mga reaksyon kan manlaen-laen na degrader microorganisms. An pagkombinar kan mga kasangkapan na ini sa biolohiya kan sistema orog pang nagpauswag kan satuyang pakasabot sa pagpili asin pag-pino kan mga target na catabolic pathways sa mga mikroorganismo (ie, metabolikong disenyo) tanganing makamit an episyente asin epektibong biodegradation. Tanganing makadisenyo nin epektibong mga estratehiya sa bioremediation gamit an angay na mga kandidatong mikroorganismo, kaipuhan tang masabutan an potensyal na biokemikal, pagkakaiba-iba kan metabolismo, komposisyon henetiko, asin ekolohiya (autoecology/synecology) kan mga mikroorganismo.
Fig. 1. Mga pinagkukuanan asin agihan kan mga low-molecular PAHs sa paagi nin manlaen-laen na kapalibutan asin manlaen-laen na mga bagay na nakakaapektar sa biota. An mga putol-putol na linya nagrerepresentar kan mga interaksiyon sa pag-ultanan kan mga elemento kan ekosistema.
Sa pagrepaso na ini, pigprobaran ming sumaryohon an datos sa pagkaraot kan simpleng PAHs arog kan naphthalene asin mga substituted naphthalenes kan manlaen-laen na mga bacterial isolates na minasakop kan mga metabolikong agihan asin pagkakaiba-iba, mga enzyme na imbuelto sa pagkaraot, komposisyon/laog asin pagkakaiba-iba kan gene, mga simbag sa selula asin manlaen-laen na aspeto kan bioremediation. An pagsabot sa mga lebel nin biokemikal asin molekular makakatabang sa pagmidbid kan mga angay na strain kan host asin an saindang dugang pang inhenyeriyang henetiko para sa epektibong bioremediation kan siring na mga prayoridad na polusyon. Makakatabang ini sa paggibo nin mga estratehiya para sa pagmukna nin mga konsorsyo nin bakterya na espesipiko sa lugar para sa epektibong bioremediation.
An presensya nin dakulang bilang nin mga nakakahilo asin peligrosong mga aromatic compound (na nakakakontento sa Huckel rule 4n + 2π electrons, n = 1, 2, 3, ...) nagtatao nin seryosong peligro sa manlaen-laen na media sa kapalibutan arog kan aire, daga, mga sedimento, asin tubig sa ibabaw asin sa irarom kan daga (Puglisi et al., 2007). An mga compound na ini igwa nin solong singsing nin benzene (monocyclic) o dakol na singsing nin benzene (polycyclic) na nakaareglo sa linear, angular o cluster na porma asin nagpapahiling nin estabilidad (estabilidad/daing estabilidad) sa kapalibutan huli sa halangkaw na negatibong enerhiya nin resonance asin inertness (inertness), na pwedeng ipaliwanag kan saindang hydrophobicity asin nabawasan na estado. Kun an aromatic ring orog pang sinasalidahan nin methyl (-CH3), carboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), o sulfonate (-HSO3) na mga grupo, ini nagigin mas estable, igwa nin mas makusog na pagkakaagid para sa mga macromolecules, asin bioaccumulative sa mga sistemang biyolohikal (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). An nagkapirang hababa an gabat na molekular na polycyclic aromatic hydrocarbons (LMWAHs), arog kan naphthalene asin an mga derivatives kaini [methylnaphthalene, naphthoic acid, naphthalenesulfonate, asin 1-naphthyl N-methylcarbamate (carbaryl)], kabali sa listahan kan mga prayoridad na organikong polutant kan Environmental Agency kan Environmental Agency genotoxic, mutagenic, asin/o carcinogenic (Cerniglia, 1984). An pagpaluwas kan klaseng ini nin NM-PAHs sa kapalibutan pwedeng magresulta sa bioaccumulation kan mga compound na ini sa gabos na lebel kan food chain, na nakakaapektar sa salud kan mga ekosistema (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
An mga pinagkukuanan asin agihan kan PAHs pasiring sa biota iyo an pangenot sa paagi nin paglipat asin interaksiyon sa pag-ultanan kan manlaen-laen na mga sangkap kan ekosistema arog kan daga, tubig sa irarom kan daga, tubig sa ibabaw, mga pananom asin an atmospera (Arey asin Atkinson, 2003). An Pigura 1 nagpapahiling kan mga interaksiyon asin distribusyon kan manlaen-laen na hababang timbang na molekular na PAHs sa mga ekosistema asin an saindang mga agihan pasiring sa pagkabantad sa biota/tawo. An mga PAH nadedeposito sa mga ibabaw bilang resulta kan polusyon sa aire asin sa paagi kan paglipat (pag-anod) kan mga emisyon kan mga lunadan, mga tambutso sa industriya (gasipikasyon nin karbon, pagkasunog asin produksyon nin coke) asin an saindang pagdeposito. Mga aktibidad industriyal arog kan paggibo nin mga sintetikong tela, tina asin pintura; pagpreserbar kan kahoy; pagproseso nin goma; mga aktibidad sa paggibo nin semento; produksyon nin pestisidyo; asin an mga aplikasyon sa agrikultura iyo an mga mayor na pinagkukuanan nin PAHs sa mga sistemang terestrial asin aquatic (Bamforth asin Singleton, 2005; Wick et al., 2011). An mga pag-aadal nagpahiling na an mga daga sa mga suburban asin urban na lugar, harani sa mga tinampo, asin sa darakulang syudad mas madaling mabiktima nin polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) huli sa mga emisyon gikan sa mga planta nin kuryente, pagpainit sa residensyal, mga karga sa trapiko sa aire asin tinampo, asin mga aktibidad sa konstruksyon (Suman et al., 2016). (2008) nagpahiling na an mga PAH sa daga harani sa mga tinampo sa New Orleans, Louisiana, USA abot sa 7189 μg/kg, mantang sa bukas na espasyo, 2404 μg/kg sana. Siring man, an lebel kan PAH na abot sa 300 μg/kg naireport sa mga lugar na harani sa mga lugar nin gasification nin karbon sa nagkapirang syudad sa Estados Unidos (Kanaly asin Harayama, 2000; Bamforth asin Singleton, 2005). An mga daga hale sa manlaen-laen na syudad sa India arog kan Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni asin Venkataraman, 2000) asin Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) ibinareta na igwa nin halangkaw na konsentrasyon nin PAH. An mga aromatic compound mas madaling ma-adsorb sa mga partikulo kan daga, organikong bagay asin mga mineral na dalipay, kaya nagigin mayor na mga carbon sink sa mga ekosistema (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). An mga mayor na pinagkukuanan kan PAHs sa mga ekosistema sa tubig iyo an pag-uran (basa/mara na pag-uran asin alisngaw nin tubig), urban runoff, pagluwas nin basura, pag-recharge kan tubig sa irarom kan daga asin iba pa (Srogi, 2007). Pigkakarkulo na mga 80% kan mga PAH sa mga ekosistema sa dagat hale sa pag-uran, pag-alon, asin pagluwas nin basura (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). An mas halangkaw na konsentrasyon kan PAHs sa tubig sa ibabaw o leachate gikan sa mga lugar nin pag-apon nin solidong basura sa kahurihurihi nagtuturo sa tubig sa irarom kan daga, na nagdudulot nin mayor na peligro sa salud kan publiko nin huli ta labing 70% kan populasyon sa Sur asin Sur-subangan na Asya an nag-iinom nin tubig sa irarom kan daga (Duttagupta et al., 2019). An sarong bagong pag-aadal ni Duttagupta et al. (2020) kan mga pag-analisar kan salog (32) asin tubig sa irarom kan daga (235) gikan sa West Bengal, India, nadiskubre na pigkakarkulong 53% kan mga residente sa syudad asin 44% kan mga residente sa bukid (na may total na 20 milyones na residente) an pwedeng mabantad sa naphthalene (4.9–10.6 μg/L) asin mga derivatives kaini. An mga pagkakaiba-iba kan paggamit kan daga asin an paglangkaw kan pagkua nin tubig sa irarom kan daga pigkokonsiderar na iyo an mga mayor na bagay na nagkokontrol kan bertikal na transportasyon (advection) kan mga PAH na hababa an gabat kan molekula sa irarom kan daga. An mga pag-awas sa agrikultura, mga pagluwas kan basura kan munisipyo asin industriya, asin mga pagluwas kan solidong basura/basura napag-araman na apektado kan mga PAH sa mga basin kan salog asin mga sedimento sa irarom kan daga. An pag-uran sa atmospera orog pang nagpapagrabe kan polusyon kan PAH. An halangkaw na konsentrasyon kan PAHs asin an saindang mga alkyl derivatives (51 sa kabilugan) naireport sa mga salog/watershed sa bilog na kinaban, arog kan Fraser River, Louan River, Denso River, Missouri River, Anacostia River, Ebro River, asin Delaware River (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2006; 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Sa mga sedimento kan Ganges River basin, an naphthalene asin phenanthrene an nakuang pinaka-signipikante (nadiskubre sa 70% kan mga sample) (Duttagupta et al., 2019). Dugang pa, an mga pag-aadal nagpahiling na an pag-chlorinate kan tubig na inumon puedeng magresulta sa pagporma nin mas nakakahilo na oxygenated asin chlorinated PAHs (Manoli asin Samara, 1999). An mga PAH nagtitipon sa mga cereal, prutas asin gulay bilang resulta kan pag-agaw kan mga tinanom gikan sa mga kontaminadong daga, tubig sa irarom kan daga asin pag-uran (Fismes et al., 2002). Dakul na mga organismo sa tubig arog kan sira, tahong, alimango asin hipon an kontaminado nin PAHs sa paagi kan pagkonsumo nin kontaminadong kakanon asin tubig dagat, siring man sa paagi nin mga tisyu asin kublit (Mackay asin Fraser, 2000). An mga paagi nin pagluto/pagproseso arog kan pag-ihaw, pag-ihaw, pag-aso, pagprito, pagpamara, pagluto asin pagluto sa uling pwede man magdara nin dakulang kantidad nin PAHs sa kakanon. Ini sa kadaklan nakadepende sa pagpili kan materyales sa pag-aso, laog nin phenolic/aromatic hydrocarbon, prosedimiento nin pagluto, klase nin pampainit, laog nin kahamutan, suplay nin oksiheno asin temperatura nin pagkasulo (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). An mga polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) nadiskubre man sa gatas sa manlaen-laen na konsentrasyon (0.75–2.1 mg/L) (Girelli et al., 2014). An pagtipon kan mga PAH na ini sa kakanon nakadepende man sa mga physicochemical properties kan kakanon, mantang an saindang mga nakakahilo na epekto konektado sa mga physiological functions, metabolikong aktibidad, pagsupsop, distribusyon asin distribusyon kan hawak (Mechini et al., 2011).
An pagkahilo asin nakakadanyar na mga epekto kan polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) haloy nang aram (Cherniglia, 1984). An mga hababang timbang na molekular na polycyclic aromatic hydrocarbons (LMW-PAHs) (duwa sagkod tolong singsing) pwedeng magbugkos nin covalent sa manlaen-laen na macromolecules arog kan DNA, RNA asin mga protina asin mga carcinogenic (Santarelli et al., 2008). Huli sa saindang hydrophobic na naturalesa, sinda pinagbubulag kan mga lipid membrane. Sa mga tawo, an cytochrome P450 monooxygenases nag-oxidize kan mga PAH pasiring sa mga epoxide, na an iba kaini reaktibo nanggad (halimbawa, baediol epoxide) asin pwedeng magresulta sa pagbabago kan normal na mga selula pasiring sa mga malignant (Marston et al., 2001). Dugang pa, an mga produkto nin pagbabago kan PAHs arog kan mga quinones, phenols, epoxides, diols, asin iba pa mas nakakahilo kisa sa mga magurang na compound. An nagkapirang PAH asin an saindang mga metabolikong intermediate puedeng makaapektar sa mga hormone asin manlaen-laen na enzyme sa metabolismo, na sa siring nakakaapektar nin maraot sa pagtalubo, sa sistema nerbiyoso sentral, sa sistemang reproduktibo asin sistema nin resistensya (Swetha asin Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). An halipot na panahon na pagkabantad sa hababang timbang na molekular na PAHs naibareta na nagigin dahelan nin diperensya sa pagpunsyon kan pulmon asin trombosis sa mga may hika asin nagpapalangkaw kan peligro nin mga kanser sa kublit, pulmon, pantog asin gastrointestinal (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). An mga pag-aadal sa hayop nagpahiling man na an pagkabantad sa PAH pwedeng magkaigwa nin maraot na epekto sa reproductive function asin pag-uswag asin pwedeng magcausa nin katarata, danyos sa bato asin atay, asin jaundice. An manlaen-laen na produkto nin PAH biotransformation arog kan mga diol, epoxide, quinone asin free radicals (cations) ipinaheling na nagpoporma nin mga DNA adduct. An mga stable adducts ipinapahiling na nagbabago kan makinarya nin pagkopya kan DNA, mantang an mga bakong estableng adducts pwedeng mag-depurinate kan DNA (pangenot sa adenine asin minsan sa guanine); parehong pwedeng magprodusir nin mga sala na nagbubunga nin mga mutasyon (Schweigert et al. 2001). Dugang pa, an mga quinones (benzo-/pan-) pwedeng magprodusir nin mga reactive oxygen species (ROS), na nagigin dahelan nin fatal na danyos sa DNA asin iba pang mga macromolecules, na nakakaapektar sa pagpunsyon/viability kan tisyu (Ewa asin Danuta 2017). An chronic exposure sa hababang konsentrasyon nin pyrene, biphenyl asin naphthalene naibareta na nagigin dahelan nin kanser sa mga eksperimentong hayop (Diggs et al. 2012). Huli sa saindang nakakagadan na pagkahilo, an paglinig/paghale kan mga PAH na ini sa mga apektado/kontaminadong lugar sarong prayoridad.
Manlaen-laen na pisikal asin kemikal na paagi an ginamit tanganing mahale an mga PAH sa mga kontaminadong lugar/kapalibutan. An mga proseso arog kan pagsulo, dechlorination, UV oxidation, fixation, asin solvent extraction igwa nin kadakol na disbentaha, kabali an pagporma nin mga nakakahilo na mga produkto, komplikado kan proseso, mga isyu sa kaligtasan asin regulasyon, hababang kahusayan, asin halangkaw na gastos. Alagad, an biodegradation kan mikrobyo (na inaapod na bioremediation) sarong promising na alternatibong paagi na may labot sa paggamit nin mga mikroorganismo sa porma nin purong kultura o kolonya. Kun ikukumpara sa pisikal asin kemikal na mga paagi, an prosesong ini makikatood sa kapalibutan, bakong nakakaraot, epektibo sa gastos, asin sustenable. An bioremediation pwedeng gibohon sa apektadong lugar (in situ) o sa sarong espesyal na inandam na lugar (ex situ) asin kun kaya pigkokonsiderar na mas sustenableng paagi nin remediation kisa sa tradisyonal na pisikal asin kemikal na paagi (Juhasz asin Naidu, 2000; Andreoni asin Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
An pagsabot sa mga lakdang kan metabolismo kan mikrobyo na imbuelto sa pagkaraot kan mga aromatic pollutants igwa nin dakulang implikasyon sa siyensya asin ekonomiya para sa sustenibidad kan ekolohiya asin kapalibutan. Pigkakarkulong 2.1×1018 gramo nin karbon (C) an nakatago sa mga sedimento asin organikong mga compound (halimbawa, lana, natural na gas, asin karbon, arog baga, mga fossil fuel) sa bilog na kinaban, na nagtatao nin dakulang kontribusyon sa pankinaban na siklo nin karbon. Alagad, an marikas na industriyalisasyon, pagkua nin fossil fuel, asin mga aktibidad nin tawo iyo an nag-uubos kan mga reservoir na ini nin lithospheric carbon, na nagpapaluwas nin pigkakarkulong 5.5×1015 g nin organikong karbon (bilang mga polusyon) sa atmospera taon-taon (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Kadaklan sa organikong karbon na ini minalaog sa mga ekosistema sa daga asin dagat sa paagi nin sedimentasyon, transportasyon, asin pag-awas. Dugang pa, an mga bagong sintetikong polusyon na hale sa mga fossil fuel, arog kan mga plastik, plasticizer asin plastic stabilizer (mga phthalate asin an saindang mga isomer), grabe an polusyon sa mga ekosistema sa dagat, daga asin tubig asin an saindang biota, kaya nagpapagrabe kan mga peligro sa klima sa bilog na kinaban. An manlaen-laen na klase nin mga mikroplastik, nanoplastik, mga pidaso nin plastik asin an saindang mga produktong nakakahilo na monomer na hale sa polyethylene terephthalate (PET) nagtipon sa Kadagatang Pasipiko sa pag-oltanan kan Amerika del Norte asin Sur-subangan na Asya, na nagpoporma kan “Great Pacific Garbage Patch”, na nakakadanyar sa buhay sa dagat (Newell et al., 2020). An mga pag-aadal sa siyensya nagpatunay na dai pwedeng haleon an siring na mga polusyon/basura sa paagi nin anuman na pisikal o kemikal na paagi. Sa kontekstong ini, an pinakakapakipakinabang na mga mikroorganismo iyo idtong mga may kakayahan na mag-oxidative na metabolison an mga polusyon pasiring sa carbon dioxide, enerhiyang kemikal asin iba pang bakong nakakahilo na mga produkto na sa kahurihurihi minalaog sa ibang mga proseso nin pagsiklo nin sustansya (H, O, N, S, P, Fe, asin iba pa). Kaya, an pagsabot kan mikrobyong ekopisyolohiya kan mineralisasyon kan aromatikong pollutant asin an pagkontrol kaini sa kapalibutan mahalagang marhay para sa pag-assess kan siklo nin karbon kan mikrobyo, netong badyet sa karbon asin mga peligro sa klima sa maabot na panahon. Huli sa apuradong pangangaipo na haleon an siring na mga compound sa kapalibutan, manlaen-laen na eco-industries na nakasentro sa malinig na mga teknolohiya an nagbutwa. Sa ibong na lado, an valorisasyon kan mga basura sa industriya/mga kemikal na basura na natipon sa mga ekosistema (ie, an paagi nin basura pasiring sa kayamanan) pigkokonsiderar bilang saro sa mga harigi kan sirkular na ekonomiya asin mga katuyuhan sa sustenableng pag-uswag (Close et al., 2012). Kaya, an pagsabot kan metaboliko, enzymatic asin henetic na aspeto kan mga potensyal na kandidato sa pagkaraot iyo an pinaka-importante para sa epektibong paghale asin bioremediation kan siring na mga aromatic pollutants.
Sa kadakol na mga aromatic pollutants, nagtatao kami nin espesyal na atensyon sa mga PAH na hababa an gabat kan molekula arog kan naphthalene asin mga substituted naphthalene. An mga compound na ini mga mayor na sangkap kan mga gatong na hale sa petrolyo, mga tina sa tela, mga produktong pankonsumo, mga pestisidyo (mga mothball asin mga repellent nin insekto), mga plasticizer asin mga tannin asin kun kaya lakop sa kadakol na ekosistema (Preuss et al., 2003). An mga bagong report nagtatampok kan pagtipon kan mga konsentrasyon nin naphthalene sa mga sedimento kan aquifer, tubig sa irarom kan daga asin mga daga sa irarom kan daga, mga sona nin vadose asin mga salog, na nagsusuherir kan bioaccumulation kaini sa kapalibutan (Duttagupta et al., 2019, 2020). An Table 2 nagsusumaryo kan mga physicochemical properties, aplikasyon asin epekto sa salud kan naphthalene asin mga derivatives kaini. Kun ikukumpara sa ibang halangkaw an gabat na molekular na PAH, an naphthalene asin an mga derivatives kaini bakong gayong hydrophobic, mas matunaw sa tubig asin lakop sa mga ekosistema, kaya parati sindang ginagamit bilang modelong substrate tanganing pag-adalan an metabolismo, henetika asin metabolikong pagkakaiba-iba kan mga PAH. An dakulang bilang nin mga mikroorganismo nakakapag-metabolize kan naphthalene asin kan mga derivatives kaini, asin an komprehensibong impormasyon makukua sa saindang mga metabolikong agihan, mga enzyme asin mga tampok sa regulasyon (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Dugang pa, an naphthalene asin an mga derivatives kaini pigdesignar bilang mga prototype compound para sa pag-assess kan polusyon sa kapalibutan huli sa saindang halangkaw na abundansya asin bioavailability. An US Environmental Protection Agency nagtatantya na an average na lebel nin naphthalene 5.19 μg kada metro kubiko gikan sa aso nin sigarilyo, sa pangenot gikan sa bakong kumpletong pagkasunog, asin 7.8 sagkod 46 μg gikan sa aso sa gilid, mantang an pagkabantad sa creosote asin naphthalene 100 sagkod 100, 000 beses na mas halangkaw (Preus et al. 2003). An naphthalene partikularmenteng nakuang igwa nin species-, rehiyon-, asin sex-specific respiratory toxicity asin carcinogenicity. Base sa mga pag-aadal sa hayop, an International Agency for Research on Cancer (IARC) pigklasipikar an naphthalene bilang sarong "posibleng human carcinogen" (Grupo 2B)1. An pagkabantad sa mga substituted naphthalenes, orog na sa paagi nin paghangos o parenteral (oral) na administrasyon, nagigin dahelan nin danyos sa tisyu kan pulmon asin nagpapalangkaw kan insidente nin mga tumor sa pulmon sa mga daga asin ilaga (National Toxicology Program 2). An mga grabeng epekto kabali an pag-ubo, pagsusuka, kulog sa tulak, pag-ubo, kulog nin payo, pagkalibog, labi-labing pag-alon, kalintura, tachycardia, asin iba pa. Sa ibong na lado, an broad-spectrum carbamate insecticide carbaryl (1-naphthyl N-methylcarbamate) naibareta na nakakahilo sa mga insektisidyo sa tubig, amphibians asin mga tawo asin ipinaheling na nakakapugol sa acetylcholinesterase na nagigin dahelan nin paralisis (Smulders et al., 2003; Bulen asin Distel, 2011). Kaya, an pagsabot kan mga mekanismo kan pagkaraot kan mikrobyo, regulasyon kan henetiko, mga reaksyon kan enzymatic asin selula mahalagang marhay para sa paggibo nin mga estratehiya sa bioremediation sa mga kontaminadong kapalibutan.
Table 2. Detalyadong impormasyon sa mga physicochemical properties, gamit, mga paagi nin pagmidbid asin mga kaugnay na helang kan naphthalene asin mga derivatives kaini.
Sa mga polusyon na nitso, an mga hydrophobic asin lipophilic aromatic pollutants pwedeng magcausa nin manlaen-laen na epekto sa selula sa environmental microbiome (komunidad), arog kan mga pagbabago sa fluidity kan membrane, membrane permeability, lipid bilayer swelling, pagkadisturbo kan pagbalyo nin enerhiya (electron transport chain/proton motive force), asin aktibidad kan membrane-associated proteins (Sikkema et al. 1995). Dugang pa, an nagkapirang soluble intermediates arog kan mga catechol asin quinones nagbubunga nin mga reactive oxygen species (ROS) asin nagpoporma nin mga adduct na may DNA asin protina (Penning et al., 1999). Kaya, an kadakolan kan siring na mga compound sa mga ekosistema nag-eehersisyo nin selective pressure sa mga komunidad nin mikrobyo tanganing magin episyente na mga pararaot sa manlaen-laen na lebel nin pisyolohiya, kabali an pag-ako/pagdara, pagbabago sa laog kan selula, pag-asimilasyon/paggamit, asin pag-kompartmentalize.
An paghanap sa Ribosomal Database Project-II (RDP-II) nagbuyagyag na an total na 926 na klase nin bakterya naisuway gikan sa media o mga kultura nin pagpayaman na kontaminado nin naphthalene o mga derivatives kaini. An grupong Proteobacteria igwa kan pinakahalangkaw na bilang nin mga representante (n = 755), sunod an Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), asin dai naklasipikar na bakterya (8) (Figure 2). An mga representante kan γ-Proteobacteria (Pseudomonadales asin Xanthomonadales) an nagdominar sa gabos na Gram-negatibong grupo na may halangkaw na G+C na laog (54%), mantang an Clostridiales asin Bacillales (30%) mga Gram-positibo na grupo na may hababang G+C na laog. An mga pseudomonas (an pinakahalangkaw na bilang, 338 na species) ibinareta na kayang raoton an naphthalene asin an mga methyl derivatives kaini sa manlaen-laen na polusyon na ekosistema (alkitran nin karbon, petrolyo, krudong lana, laboy, mga oil spill, wastewater, organikong basura asin mga basurahan) siring man an mga bilog na ekosistema (mga salog, tubig asin mga laboy sa daga) (Figure 2). Dugang pa, an mga pag-aadal sa pagpayaman asin pag-analisar kan metagenomic kan nagkapira sa mga rehiyon na ini nagbuyagyag na an mga dai nakultibar na mga klase nin Legionella asin Clostridium pwedeng igwa nin kapasidad na makaraot, na nagpapahiling kan pangangaipo na kultibaron an mga bakteryang ini tanganing pag-adalan an mga bagong agihan asin pagkakaiba-iba kan metabolismo.
Fig. 2. Pagkakaiba-iba kan taksonomiya asin distribusyon kan ekolohiya kan mga representante kan bakterya sa mga kapalibutan na kontaminado nin naphthalene asin mga derivatives nin naphthalene.
Sa manlaen-laen na aromatikong mikroorganismo na nakakaraot nin hidrokarbon, kadaklan kaya nindang raoton an naphthalene bilang iyo sanang pinagkukuanan nin karbon asin enerhiya. An pagkasunod-sunod kan mga pangyayari na imbuelto sa metabolismo kan naphthalene ilinadawan para sa Pseudomonas sp. (mga strain: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 asin CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 asin iba pang mga strain (ND6 asin AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Anweer et al., Basuil et al., 2000; al., 2003; Dennis asin Zylstra, 2004; Sota asin iba pa, 2006; substrate, na pigkokombertir an naphthalene pasiring sa cis-naphthalenediol (Figure 3). 2-hydroxychromene-2-carboxylic acid an enzymatic cis-trans isomerization nagpoprodusir nin trans-o-hydroxybenzylidenepyruvate, na pigbabaranga kan hydratase aldolase pasiring sa salicylic aldehyde asin pyruvate An organikong asidong pyruvate iyo an pinakaenot na C3 na compound na hale sa carbonnethle asin direktang naggigibo nin carbonton. an dalan. Dugang pa, an NAD+-dependent salicylaldehyde nagkokombertir kan salicylaldehyde sa yugtong ini inaapod na "itaas na dalan" kan pagkaraot kan naphthalene An dalan na ini lakop na gayo sa kadaklan na bakterya na nagraraot nin naphthalene, alagad igwa nin nagkapirang eksepsyon para sa Bacillic; hamburgii 2, an pagkaraot kan naphthalene pinoponan kan naphthalene 2,3-dioxygenase tanganing makabilog nin 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Pigura 3. Mga agihan kan naphthalene, methylnaphthalene, naphthoic acid, asin pagkaraot kan carbaryl. An mga numerong nakabilog nagrerepresentar kan mga enzyme na responsable sa sunod-sunod na pagkombertir kan naphthalene asin mga derivatives kaini pasiring sa mga masunod na produkto. 1 - naphthalene dioxygenase (NDO); 2, cis-dihydrodiol dehydrogenase; 3, 1,2-dihydroxynaphthalene dioxygenase; 4, 2-hydroxychromene-2-carboxylic acid isomerase; 5, trans-O-hydroxybenzylidenepyruvate hydratase aldolase; 6, salicylaldehyde dehydrogenase; 7, salicylate 1-hydroxylase; 8, catechol 2,3-dioxygenase (C23DO); 9, 2-hydroxymuconate semialdehyde dehydrogenase; 10, 2-oxopent-4-enoate hydratase; 11, 4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase; 12, acetaldehyde dehydrogenase; 13, catechol-1,2-dioxygenase (C12DO); 14, muconate cycloisomerase; 15, muconolactone delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenollactone hydrolase; 17, β-ketoadipate succinyl-CoA transferase; 18, β-ketoadipate-CoA thiolase; 19, succinyl-CoA: acetyl-CoA succinyltransferase; 20, salicylate 5-hydroxylase; 21 – gentisate 1,2-dioxygenase (GDO); 22, maleylpyruvate isomerase; 23, fumarylpyruvate hydrolase; 24, methylnaphthalene hydroxylase (NDO); 25, hydroxymethylnaphthalene dehydrogenase; 26, naphthaldehyde dehydrogenase; 27, 3-formylsalicylic acid oxidase; 28, hydroxyisophthalate decarboxylase; 29, carbaryl hydrolase (CH); 30, 1-naphthol-2-hydroxylase.
Depende sa organismo asin sa henetikong pagkabilog kaini, an nagreresultang salicylic acid orog pang pigmemetabolisar sa paagi kan catechol pathway gamit an salicylate 1-hydroxylase (S1H) o sa paagi kan gentisate pathway gamit an salicylate 5-hydroxylase (S5H) (Figure 3). Nin huli ta an salicylic acid iyo an mayor na intermediate sa metabolismo kan naphthalene (itaas na agihan), an mga lakdang gikan sa salicylic acid pasiring sa TCA intermediate parateng inaapod na lower pathway, asin an mga gene inorganisar sa sarong operon. Ordinaryo na mahiling na an mga gene sa itaas na pathway operon (nah) asin sa ibabang pathway operon (sal) pigreregular kan mga komun na regulatory factors; halimbawa, an NahR asin salicylic acid nagseserbing mga inducer, na nagtutugot sa duwang operon na lubos na ma-metabolize an naphthalene (Phale et al., 2019, 2020).
Dugang pa, an catechol siklo na pigbabaak sa 2-hydroxymuconate semialdehyde sa paagi kan meta pathway kan catechol 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) asin orog pang pig-hydrolyze kan 2-hydroxymuconate semialdehyde hydrolase tanganing makabilog nin 2-hydroxymuconate semialdehyde, 24-dioxygenase. An 2-hydroxypent-2,4-dienoate dangan pigkokombertir sa pyruvate asin acetaldehyde sa paagi nin sarong hydratase (2-oxopent-4-enoate hydratase) asin sarong aldolase (4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase) dangan minalaog sa sentral na agihan nin karbon (Figure 3). Sa ibong na lado, an catechol siklo na pigbabaranga pasiring sa cis,cis-muconate sa paagi kan ortho pathway sa paagi kan catechol 1,2-oxygenase (C12DO). An Muconate cycloisomerase, muconolactone isomerase, asin β-ketoadipate-nollactone hydrolase nagkokombertir kan cis, cis-muconate pasiring sa 3-oxoadipate, na minalaog sa sentral na agihan nin karbon sa paagi kan succinyl-CoA asin acetyl-CoA (Nozaki et al., 1968) (Figure 33).
Sa gentisate (2,5-dihydroxybenzoate) na agihan, an aromatic ring pigbabaak kan gentisate 1,2-dioxygenase (GDO) tanganing makabilog nin maleylpyruvate. An produktong ini pwedeng direktang ma-hydrolyze pasiring sa pyruvate asin malate, o pwedeng isomerize tanganing makabilog nin fumarylpyruvate, na pwedeng dangan ma-hydrolyze pasiring sa pyruvate asin fumarate (Larkin asin Day, 1986). An pagpili kan alternatibong agihan naobserbaran sa parehong Gram-negatibo asin Gram-positibo na bakterya sa biokemikal asin henetikong lebel (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). An Gram-negatibong bakterya (Pseudomonas) mas gustong gumamit nin salicylic acid, na sarong inducer kan metabolismo kan naphthalene, na pigdecarboxylate ini pasiring sa catechol gamit an salicylate 1-hydroxylase (Gibson asin Subramanian, 1984). Sa ibong na lado, sa Gram-positibong bakterya (Rhodococcus), an salicylate 5-hydroxylase nagkokombertir kan salicylic acid sa gentisic acid, mantang an salicylic acid mayo nin induktibong epekto sa transkripsyon kan mga gene nin naphthalene (Grund et al., 1992) (Figure 3).
Ipinahayag na an mga species arog kan Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas asin Mycobacterium species candegrade or monthalethyome dimethylnaphthalene (Dean-Raymond asin Bartha, 1975; Cane asin Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Kabali sa mga ini, an 1-methylnaphthalene asin 2-methylnaphthalene na dalan nin pagkaraot kan Pseudomonas sp. An CSV86 malinaw na pinag-adalan sa lebel nin biokemikal asin enzymatic (Mahajan et al., 1994). An 1-Methylnaphthalene pigmemetabolize sa paagi nin duwang agihan. Enot, an aromatic ring pig-hydroxylate (an unsubstituted ring kan methylnaphthalene) tanganing makabilog nin cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydro-8-methylnaphthalene, na orog pang na-oxidize pasiring sa methyl salicylate asin methylcatechol, dangan minalaog sa sentral na carbon pathway pagkatapos kan pag-avaure kan singsing (Figure 3). An agihan na ini inaapod na "agihan nin pinagkukuanan nin karbon". Sa ikaduwang "detoksification pathway", an grupong methyl pwedeng ma-hydroxylate kan NDO tanganing makabilog nin 1-hydroxymethylnaphthalene, na orog pang na-oxidize pasiring sa 1-naphthoic acid asin iluwas sa culture medium bilang sarong dead-end na produkto. An mga pag-aadal nagpahiling na an strain CSV86 dai kayang magtalubo sa 1- asin 2-naphthoic acid bilang an solamenteng pinagkukuanan nin carbon asin enerhiya, na nagkukumpirma kan saiyang agihan nin detoxification (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Sa 2-methylnaphthalene, an grupong methyl nag-aagi nin hydroxylation sa paagi nin hydroxylase tanganing makabilog nin 2-hydroxymethylnaphthalene. Dugang pa, an dai nasalidahan na singsing kan naphthalene ring nag-aagi nin ring hydroxylation tanganing makabilog nin dihydrodiol, na na-oxidize sa 4-hydroxymethylcatechol sa sarong serye nin mga reaksyon na pig-catalyze kan enzyme asin minalaog sa sentral na agihan nin carbon sa paagi kan agihan nin pagputol kan meta-ring. Siring man, an S. paucimobilis 2322 ibinareta na naggagamit nin NDO tanganing mag-hydroxylate kan 2-methylnaphthalene, na orog pang na-oxidize tanganing makabilog nin methyl salicylate asin methylcatechol (Dutta et al., 1998).
An mga asidong naphthoic (nasalidahan/dai sinalidahan) mga produkto nin detoxification/biotransformation na napoporma sa panahon kan pagkaraot kan methylnaphthalene, phenanthrene asin anthracene asin pinaluwas sa ginamit na medium nin kultura. Ipinahayag na an soil isolate na Stenotrophomonas maltophilia CSV89 nakakapag-metabolize kan 1-naphthoic acid bilang sarong pinagkukuanan nin karbon (Phale et al., 1995). An metabolismo nagpopoon sa dihydroxylation kan aromatic ring tanganing makabilog nin 1,2-dihydroxy-8-carboxynaphthalene. An resultang diol na-oxidize pasiring sa catechol sa paagi kan 2-hydroxy-3-carboxybenzylidenepyruvate, 3-formylsalicylic acid, 2-hydroxyisophthalic acid asin salicylic acid asin minalaog sa sentral na agihan nin carbon sa paagi kan meta-ring cleavage pathway (Figure 3).
An Carbaryl sarong pestisidyo na naphthyl carbamate. Poon kan Green Revolution sa India kan mga taon 1970, an paggamit nin mga kemikal na abono asin pestisidyo nagdara sa paglangkaw kan mga polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emissions gikan sa mga non-point sources sa agrikultura (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Pigkakarkulong 55% (85,722,000 ektarya) kan total na dagang tinanom sa India an pigbubulong gamit an mga kemikal na pestisidyo. Sa laog kan nakaaging limang taon (2015–2020), an sektor nin agrikultura sa India naggamit nin promedyong 55,000 sagkod 60,000 tonelada nin pestisidyo taon-taon (Departamento nin mga Kooperatiba asin Kapakanan kan mga Paraoma, Ministry of Agriculture, Gobyerno kan India, Agosto 2020). Sa norte asin sentral na kapatagan kan Gangetic (an mga estado na may pinakahalangkaw na populasyon asin densidad nin populasyon), an paggamit nin mga pestisidyo sa mga pananom lakop, na an mga insektisidyo an nangingibabaw. An Carbaryl (1-naphthyl-N-methylcarbamate) sarong mahiwas na spektrum, katamtaman sagkod halangkaw an hilo na carbamate insecticide na ginagamit sa agrikultura kan India sa average na 100-110 tonelada. Ini komun na ipinapabakal sa trade name na Sevin asin ginagamit sa pagkontrol kan mga insekto (aphids, fire ants, fleas, mites, spider asin kadakol pang mga peste sa luwas) na nakakaapektar sa manlaen-laen na pananom (mais, toyo, gapas, prutas asin gulay). An nagkapirang mikroorganismo arog kan Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus asin Arthrobacter pwede man gamiton sa pagkontrol kan ibang peste. Ipinahayag na an RC100 pwedeng makaraot kan carbaryl (Larkin asin Day, 1986; Chapalamadugu asin Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha asin Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). An dalan nin pagkaraot kan carbaryl mahiwas nang pinag-adalan sa mga lebel nin biokemikal, enzymatic asin henetiko sa mga isolate sa daga kan Pseudomonas sp. Mga strain C4, C5 asin C6 (Swetha asin Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). An metabolikong agihan nagpopoon sa hydrolysis kan ester bond sa paagi nin carbaryl hydrolase (CH) tanganing makabilog nin 1-naphthol, methylamine asin carbon dioxide. An 1-naphthol dangan pigkokombertir sa 1,2-dihydroxynaphthalene sa paagi kan 1-naphthol hydroxylase (1-NH), na orog pang pigmemetabolisar sa paagi kan sentral na agihan nin karbon sa paagi kan salicylate asin gentisate. An nagkapirang bakterya na nakakaraot nin carbaryl naibareta na nagmetabolize kaini pasiring sa salicylic acid sa paagi nin pagputol kan catechol ortho ring (Larkin asin Day, 1986; Chapalamadugu asin Chaudhry, 1991). Sa partikular, an mga bakterya na nakakaraot nin naphthalene sa pangenot nagmemetabolisar kan salicylic acid sa paagi nin catechol, mantang an mga bakterya na nakakaraot nin carbaryl mas gustong magmetabolize kan salicylic acid sa paagi kan gentisate pathway.
An naphthalenesulfonic acid/disulfonic acid asin naphthylaminesulfonic acid derivatives pwedeng gamiton bilang mga intermediate sa produksyon nin mga azo dyes, wetting agents, dispersants, asin iba pa. Dawa ngani an mga compound na ini igwa nin hababang toxicity sa mga tawo, an mga pag-assess sa cytotoxicity nagpahiling na sinda nakakagadan sa mga sira, daphim asin algaenia (Grenia et al., et. 1994). An mga representante kan genus Pseudomonas (mga strain A3, C22) ibinareta na nagpopoon nin metabolismo sa paagi nin dobleng hydroxylation kan aromatic ring na igwa kan grupo nin sulfonic acid tanganing makabilog nin dihydrodiol, na orog pang pigkokombertir sa 1,2-dihydroxynaphthalene sa paagi nin spontaneous cleavage kan grupong sulfite (B rilon et al., 1918). An resultang 1,2-dihydroxynaphthalene pig-catabolize sa paagi kan klasikal na naphthalene pathway, arin na baga, an catechol o gentisate pathway (Figure 4). Ipinaheling na an aminonaphthalenesulfonic acid asin hydroxynaphthalenesulfonic acid puedeng lubos na maraot kan pinaghalo-halong konsorsyo nin bakterya na may mga komplementaryong catabolic pathways (Nortemann et al., 1986). Ipinaheling na an sarong miyembro kan konsorsyo nagdesulfurize kan aminonaphthalenesulfonic acid o hydroxynaphthalenesulfonic acid sa paagi nin 1,2-dioxygenation, mantang an aminosalicylate o hydroxysalicylate pinaluwas sa medium nin kultura bilang sarong dead-end na metabolite asin sunod na kinukua kan ibang mga miyembro kan konsorsyo. An Naphthalenedisulfonic acid medyo polar alagad maluyang biodegradable asin kun kaya pwedeng ma-metabolize sa paagi nin manlaen-laen na agihan. An enot na desulfurization nangyayari sa panahon kan regioselective dihydroxylation kan aromatic ring asin kan grupo nin sulfonic acid; an ikaduwang desulfurization nangyayari sa panahon kan hydroxylation kan 5-sulfosalicylic acid sa paagi kan salicylic acid 5-hydroxylase tanganing makabilog nin gentisic acid, na minalaog sa sentral na agihan nin carbon (Brilon et al., 1981) (Figure 4). An mga enzyme na responsable sa pagkaraot kan naphthalene iyo man an responsable sa metabolismo kan naphthalene sulfonate (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Pigura 4. Mga agihan nin metabolismo para sa pagkaraot kan naphthalene sulfonate. An mga numero sa laog kan mga bilog nagrerepresentar kan mga enzyme na responsable sa metabolismo kan naphthyl sulfonate, kapareho/kapareho kan mga enzyme na ilinadawan sa FIG. 3.
An mga PAH na may hababang timbang na molekular (LMW-PAHs) pwedeng mabawasan, hydrophobic asin maluyang matunaw, asin kun kaya dai madaling mabiktima nin natural na pagkaraot/pagraot. Alagad, an mga mikroorganismong aerobic nakakapag-oxidize kaini sa paagi nin pagsupsop kan molekular na oksiheno (O2). An mga enzyme na ini mayormenteng kabali sa klase nin oxidoreductases asin pwedeng maggibo nin manlaen-laen na reaksyon arog kan aromatic ring hydroxylation (mono- o dihydroxylation), dehydrogenation asin aromatic ring cleavage. An mga produktong nakua sa mga reaksyon na ini yaon sa mas halangkaw na estado nin oksidasyon asin mas madaling ma-metabolize sa paagi kan sentral na agihan nin karbon (Phale et al., 2020). An mga enzyme sa agihan nin pagkaraot ibinareta na pwedeng ma-induce. An aktibidad kan mga enzyme na ini hababa o daing kamanungdanan kun an mga selula pinadakula sa simpleng mga pinagkukuanan nin karbon arog kan glucose o mga organikong asido. An Table 3 nagsusumaryo kan manlaen-laen na mga enzyme (oxygenases, hydrolases, dehydrogenases, oxidases, asin iba pa) na imbuelto sa metabolismo kan naphthalene asin mga derivatives kaini.
Table 3. Mga karakteristiko sa biokemikal kan mga enzyme na responsable sa pagkaraot kan naphthalene asin mga derivatives kaini.
An mga pag-aadal sa radioisotope (18O2) nagpahiling na an paglaog kan molekular na O2 sa mga aromatic ring kan mga oxygenases iyo an pinaka-importanteng lakdang sa pag-aktibo kan dugang pang biodegradation kan sarong compound (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). An paglaog nin sarong atomo nin oksiheno (O) gikan sa molekular na oksiheno (O2) pasiring sa substrato pinoponan kan magsalang endogenous o exogenous monooxygenases (na inaapod man na hydroxylases). An saro pang atomo nin oksiheno nabawasan sa tubig. An mga exogenous monooxygenases minabawas kan flavin gamit an NADH o NADPH, mantang sa endomonooxygenases an flavin binabawasan kan substrate. An posisyon kan hydroxylation nagbubunga nin pagkakaiba-iba sa pagporma nin produkto. Halimbawa, an salicylate 1-hydroxylase nag-hydroxylate kan salicylic acid sa C1 na posisyon, na nagpoporma nin catechol. Sa ibong na lado, an multicomponent salicylate 5-hydroxylase (na igwa nin reductase, ferredoxin, asin oxygenase subunits) nag-hydroxylate kan salicylic acid sa C5 na posisyon, na nagpoporma nin gentisic acid (Yamamoto et al., 1965).
An mga dioxygenase naglalaog nin duwang atomo nin O2 sa substrate. Depende sa mga produktong nabuo, sinda nababanga sa ring hydroxylating dioxygenases asin ring cleaving dioxygenases. An mga ring hydroxylating dioxygenases nagkokombertir kan mga aromatic substrates pasiring sa cis-dihydrodiols (halimbawa, naphthalene) asin lakop sa mga bakterya. Sagkod ngonyan, ipinaheling na an mga organismo na igwa nin ring hydroxylating dioxygenases kayang magtalubo sa manlaen-laen na aromatic carbon sources, asin an mga enzyme na ini pigklasipikar bilang NDO (naphthalene), toluene dioxygenase (TDO, toluene), asin biphenyl dioxygenase (BPDO, biphenyl). Parehong an NDO asin BPDO pwedeng mag-catalyze kan dobleng oksidasyon asin side chain hydroxylation kan manlaen-laen na polycyclic aromatic hydrocarbons (toluene, nitrotoluene, xylene, ethylbenzene, naphthalene, biphenyl, fluorene, indole, methylnaphthalene, naphthalene, naphthalenethlene, acetophenone, asin iba pa) (Boyd asin Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). An NDO sarong sistemang multicomponent na igwa nin oxidoreductase, sarong ferredoxin, asin sarong aktibong site-containing oxygenase component (Gibson asin Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). An catalytic unit kan NDO igwa nin sarong dakulang α subunit asin sarong sadit na β subunit na nakaareglo sa sarong α3β3 na kumpigurasyon. An NDO kabali sa sarong dakulang pamilya nin mga oxygenases asin an α-subunit kaini igwa nin Rieske site [2Fe-2S] asin sarong mononuclear non-heme iron, na iyo an nagdedeterminar kan substrate specificity kan NDO (Parales et al., 1998). Sa parati, sa sarong siklo nin katalitiko, duwang elektron gikan sa pagbawas kan pyridine nucleotide an ibinabalyo sa Fe(II) ion sa aktibong lugar sa paagi nin sarong reductase, sarong ferredoxin asin sarong Rieske site. An mga katumbas na nagbabawas nag-aaktibo nin molekular na oksiheno, na sarong prerequisite para sa substrate dihydroxylation (Ferraro et al., 2005). Sagkod ngonyan, pira sanang NDO an nadalisay asin na-karakterisa nin detalyado gikan sa manlaen-laen na strain asin an henetikong kontrol kan mga agihan na imbuelto sa pagkaraot kan naphthalene pinag-adalan nin detalyado (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). An mga ring-cleaving dioxygenases (endo- o ortho-ring-cleaving enzymes asin exodiol- o meta-ring-cleaving enzymes) naghihiro sa mga hydroxylated aromatic compound. Halimbawa, an ortho-ring-cleaving dioxygenase iyo an catechol-1,2-dioxygenase, mantang an meta-ring-cleaving dioxygenase iyo an catechol-2,3-dioxygenase (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Dugang pa sa manlaen-laen na oxygenases, igwa man nin manlaen-laen na dehydrogenase na responsable sa dehydrogenation kan mga aromatic dihydrodiols, alcohols asin aldehydes asin paggamit kan NAD+/NADP+ bilang mga electron acceptor, na iyo an nagkapira sa mga importanteng enzyme na imbuelto sa metabolismo (Gibson asin Subramanian, 1984; Shaw asin Farayama, 1990; Farayama, et al., et al. 2020).
An mga enzyme arog kan mga hydrolases (esterases, amidases) iyo an ikaduwang importanteng klase nin mga enzyme na naggagamit nin tubig tanganing putolon an mga covalent bond asin nagpapahiling nin mahiwas na pagkaespesipiko kan substrate. An Carbaryl hydrolase asin iba pang mga hydrolase pigkokonsiderar na mga sangkap kan periplasm (transmembrane) sa mga miyembro kan Gram-negatibong bakterya (Kamini et al., 2018). An Carbaryl igwa nin amide asin ester linkage; kun kaya, ini pwedeng ma-hydrolyze sa paagi nin esterase o amidase tanganing makabilog nin 1-naphthol. An Carbaryl sa Rhizobium rhizobium strain AC10023 asin Arthrobacter strain RC100 naibareta na nagpupunsionar bilang sarong esterase asin amidase, sunod-sunod. An Carbaryl sa Arthrobacter strain RC100 nagpupunsionar man bilang sarong amidase. An RC100 ipinaheling na nakaka-hydrolyze nin apat na klase nin N-methylcarbamate na mga insektisidyo arog kan carbaryl, methomyl, mefenamic acid asin XMC (Hayaatsu et al., 2001). Ibinareta na an CH sa Pseudomonas sp. An C5pp pwedeng maghiro sa carbaryl (100% na aktibidad) asin 1-naphthyl acetate (36% na aktibidad), alagad bako sa 1-naphthylacetamide, na nagpapahiling na ini sarong esterase (Trivedi et al., 2016).
An mga pag-aadal sa biokemikal, mga pattern nin regulasyon kan enzyme, asin pag-analisar kan henetiko nagpahiling na an mga gene sa pagkaraot kan naphthalene igwa nin duwang inducible regulatory units o "operons": nah (an "upstream pathway", na nagkokombertir kan naphthalene sa salicylic acid) asin sal (an "downstream pathway", na nagkokombertir sa salicylic pathway sa sentral na carbon catecholy pathway). An salicylic acid asin an mga analogues kaini pwedeng magserbing mga inducer (Shamsuzzaman asin Barnsley, 1974). Sa presensya kan glucose o mga organikong asido, an operon pigpupugol. An Pigura 5 nagpapahiling kan kumpletong henetikong organisasyon kan pagkaraot kan naphthalene (sa pormang operon). An nagkapirang nginaranan na mga variant/porma kan nah gene (ndo/pah/dox) ilinadawan asin nakua na igwa nin halangkaw na pagkasunod-sunod na homology (90%) sa gabos na klase nin Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). An mga gene kan naphthalene upstream pathway sa pangkagabsan pinag-areglo sa sarong pagkasunod-sunod na pinagkasunduan siring sa ipinapahiling sa Figure 5A. An saro pang gene, an nahQ, ibinareta man na imbuelto sa metabolismo kan naphthalene asin parati yaon sa pag-ultanan kan nahC asin nahE, alagad an aktuwal na pagpunsyon kaini dai pa naipaliwanag. Siring man, an nahY gene, na responsable sa naphthalene-sensitive chemotaxis, nakua sa distal na poro kan nah operon sa nagkapirang miyembro. Sa Ralstonia sp., an U2 gene na nag-eencode kan glutathione S-transferase (gsh) nakua na yaon sa pag-ultanan kan nahAa asin nahAb alagad dai nakaapektar sa mga karakteristiko kan paggamit kan naphthalene (Zylstra et al., 1997).
Pigura 5. Organisasyon asin pagkakaiba-iba kan henetiko na naobserbaran sa panahon kan pagkaraot kan naphthalene sa mga klase nin bakterya; (A) Itaas na agihan nin naphthalene, metabolismo kan naphthalene pasiring sa salicylic acid; (B) Mas hababang agihan nin naphthalene, salicylic acid sa paagi nin catechol pasiring sa sentral na agihan nin carbon; (C) salicylic acid sa paagi nin gentisate pasiring sa sentral na agihan nin carbon.
An "lower pathway" (sal operon) tipikal na binibilog kan nahGTHINLMOKJ asin pigkokombertir an salicylate pasiring sa pyruvate asin acetaldehyde sa paagi kan catechol metaring cleavage pathway. An nahG gene (na nag-eencode kan salicylate hydroxylase) nakuang napreserbar sa proksimal na poro kan operon (Fig. 5B). Kun ikukumpara sa ibang mga strain na nakakaraot sa naphthalene, sa P. putida CSV86 an mga operon na nah asin sal magkapareho asin haranihon na magkapareho (mga 7.5 kb). Sa nagkapirang Gram-negatibong bakterya, arog kan Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, asin P. putida AK5, an naphthalene pigmemetabolize bilang sarong sentral na metabolite nin karbon sa paagi kan gentisate pathway (sa porma kan sgp/nag operon). An gene cassette tipikal na pigrerepresentar sa pormang nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, kun saen an nagR (na nag-eencode nin sarong LysR-type regulator) yaon sa itaas na poro (Figure 5C).
An carbaryl minalaog sa sentral na siklo nin karbon sa paagi kan metabolismo kan 1-naphthol, 1,2-dihydroxynaphthalene, salicylic acid, asin gentisic acid (Figure 3). Base sa mga pag-aadal sa henetiko asin metaboliko, pigproponer na bangaon an agihan na ini sa "upstream" (pagkombertir kan carbaryl pasiring sa salicylic acid), "middle" (pagkombertir kan salicylic acid pasiring sa gentisic acid), asin "downstream" (pagkombertir kan gentisic acid pasiring sa mga intermediate kan central carbon pathway) (Sing et al., 2013). An pag-analisar kan genomic kan C5pp (supercontig A, 76.3 kb) nagbuyagyag na an mcbACBDEF gene imbuelto sa pagkombertir kan carbaryl pasiring sa salicylic acid, na sinusundan kan mcbIJKL sa pagkombertir kan salicylic acid pasiring sa gentisic acid, asin an mcbOQP sa pagkombertir kan sentral na genmaratisic acid asin mga intermediate ( pyruvate, Trivedi et al., 2016) (Figure 6).
Ipinahayag na an mga enzyme na imbuelto sa pagkaraot kan mga aromatic hydrocarbons (kaiba an naphthalene asin salicylic acid) pwedeng ma-induce kan mga katumbas na compound asin ma-inhibit kan simpleng mga pinagkukuanan nin carbon arog kan glucose o organic acids (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2019). Sa manlaen-laen na metabolikong agihan kan naphthalene asin mga derivatives kaini, an mga regulatory features kan naphthalene asin carbaryl pinag-adalan na sagkod sa sarong sokol. Para sa naphthalene, an mga gene sa parehong upstream asin downstream na mga agihan pigreregular kan NahR, sarong LysR-type trans-acting positive regulator. Ini kaipuhan para sa induksyon kan nah gene sa paagi nin salicylic acid asin an kasunod na halangkaw na lebel kan ekspresyon kaini (Yen asin Gunsalus, 1982). Dugang pa, an mga pag-aadal nagpahiling na an integrative host factor (IHF) asin XylR (sigma 54-dependent transcriptional regulator) kritikal man para sa transcriptional activation kan mga gene sa metabolismo kan naphthalene (Ramos et al., 1997). An mga pag-aadal nagpahiling na an mga enzyme kan catechol meta-ring opening pathway, arin na baga an catechol 2,3-dioxygenase, na-induce sa presensya kan naphthalene asin/o salicylic acid (Basu et al., 2006). An mga pag-aadal nagpahiling na an mga enzyme kan catechol ortho-ring opening pathway, na iyo an catechol 1,2-dioxygenase, na-induce sa presensya kan benzoic acid asin cis,cis-muconate (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Sa strain C5pp, limang gene, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR asin mcbS, an nag-eencode nin mga regulator na kabali sa pamilyang LysR/TetR kan mga regulator nin transkripsyon na responsable sa pagkontrol kan pagkaraot kan carbaryl. An homologous gene mcbG nakuang pinakaharaning relasyon sa LysR-type regulator PhnS (58% amino acid identity) na imbuelto sa metabolismo kan phenanthrene sa Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). An mcbH gene nakuang imbuelto sa intermediate pathway (pagkombertir kan salicylic acid pasiring sa gentisic acid) asin kabali sa LysR-type transcriptional regulator NagR/DntR/NahR sa Pseudomonas asin Burkholderia. An mga miyembro kan pamilyang ini ibinareta na namimidbid an salicylic acid bilang sarong espesipikong molekula nin epekto para sa induksyon kan mga gene nin pagkaraot. Sa ibong na lado, tolong gene, mcbN, mcbR asin mcbS, na kabali sa LysR asin TetR na klase nin mga regulador nin transkripsyon, an namidbid sa downstream pathway (gentisate-central carbon pathway metabolites).
Sa mga prokaryote, an mga proseso nin pagbalyo nin gene na pahigda (pagkua, pagbalyo, o pagbalyo) sa paagi nin mga plasmid, transposon, prophage, genomic islands, asin integrative conjugative elements (ICE) iyo an mga mayor na kawsa kan plasticity sa mga genome kan bakterya, na nagdadara sa pagkua o pagkawara kan mga partikular na function/trait. Ini nagtutugot sa bakterya na marikas na makaadaptar sa manlaen-laen na kondisyon sa kapalibutan, na nagtatao nin potensyal na mga bentaha sa metabolismo sa host, arog kan pagkaraot kan mga aromatic compound. An mga pagbabago sa metabolismo parateng nakakamit sa paagi nin pag-fine-tune kan mga operon nin pagkaraot, an saindang mga mekanismo nin regulasyon, asin mga espesipisidad kan enzyme, na nagpapadali kan pagkaraot kan mas mahiwas na hanay nin mga aromatic compound (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). An mga gene cassette para sa pagkaraot kan naphthalene nakua na yaon sa manlaen-laen na mga elementong naghihiro arog kan mga plasmid (conjugative asin non-conjugative), mga transposon, mga genome, ICEs, asin mga kombinasyon nin manlaen-laen na klase nin bakterya (Figure 5). Sa Pseudomonas G7, an nah asin sal operon kan plasmid NAH7 nai-transcribe sa parehong oryentasyon asin parte kan sarong depektibong transposon na nangangaipo nin transposase Tn4653 para sa mobilisasyon (Sota et al., 2006). Sa Pseudomonas strain NCIB9816-4, an gene nakua sa conjugative plasmid pDTG1 bilang duwang operon (mga 15 kb an distansya) na na-transcribe sa magkaibong na direksyon (Dennis asin Zylstra, 2004). Sa Pseudomonas putida strain AK5, an non-conjugative plasmid pAK5 nag-eencode kan enzyme na responsable sa pagkaraot kan naphthalene sa paagi kan gentisate pathway (Izmalkova et al., 2013). Sa Pseudomonas strain PMD-1, an nah operon yaon sa chromosome, mantang an sal operon yaon sa conjugative plasmid pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Alagad, sa Pseudomonas stutzeri AN10, an gabos na gene nin pagkaraot kan naphthalene (nah asin sal operon) yaon sa chromosome asin posibleng narerekrut sa paagi nin mga pangyayari sa transposisyon, rekombinasyon, asin pag-areglo giraray (Bosch et al., 2000). Sa Pseudomonas sp. CSV86, an nah asin sal operons yaon sa genome sa porma nin ICE (ICECSV86). An estruktura protektado kan tRNAGly na sinusundan nin direktang mga pag-otro na nagpapahiling nin mga lugar nin rekombinasyon/pagkabit (attR asin attL) asin sarong phage-like integrase na namumugtak sa mag-ibong na poro kan tRNAGly, kaya an estruktura kapareho kan elementong ICEclc (ICEclcB13 sa Pseudomonas knackmusii para sa pagkaraot kan chlorocatechol). Ipinahayag na an mga gene sa ICE pwedeng ibalyo sa paagi nin conjugation na may labi-labing hababang frequency nin pagbalyo (10-8), sa siring na ibalyo an mga propyedad nin pagkaraot sa resipyente (Basu asin Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Kadaklan sa mga gene na responsable sa pagkaraot kan carbaryl yaon sa mga plasmid. Arthrobacter sp. An RC100 igwa nin tolong plasmid (pRC1, pRC2 asin pRC300) na kun saen an duwang conjugative plasmid, pRC1 asin pRC2, nag-eencode kan mga enzyme na nagkokombertir kan carbaryl pasiring sa gentisate. Sa ibong na lado, an mga enzyme na imbuelto sa pagkombertir kan gentisate pasiring sa sentral na mga metabolite nin karbon yaon sa chromosome (Hayaatsu et al., 1999). Bakterya sa genus Rhizobium. An strain AC100, na ginagamit para sa pagkombertir kan carbaryl pasiring sa 1-naphthol, igwa nin plasmid pAC200, na nagdadara kan cehA gene na nag-eencode kan CH bilang parte kan Tnceh transposon na napapalibutan nin mga insertion element-like sequences (istA asin istB) (Hashimoto et al., 2002). Sa Sphingomonas strain CF06, an carbaryl degradation gene pigtutubodan na yaon sa limang plasmid: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, asin pCF05. An DNA homology kan mga plasmid na ini halangkaw, na nagpapahiling kan pag-eksister nin sarong pangyayari nin pagdoble kan gene (Feng et al., 1997). Sa sarong carbaryl-degrading symbiont na kompuesto nin duwang klase nin Pseudomonas, an strain 50581 igwa nin sarong conjugative plasmid pCD1 (50 kb) na nag-eencode kan mcd carbaryl hydrolase gene, mantang an conjugative plasmid sa strain 50552 nag-eencode nin 1-naphl-engrading engramezyme (C Chaudhry, 1991). Sa Achromobacter strain WM111, an mcd furadan hydrolase gene yaon sa sarong 100 kb plasmid (pPDL11). An gene na ini ipinaheling na yaon sa manlaen-laen na plasmid (100, 105, 115 o 124 kb) sa manlaen-laen na bakterya gikan sa manlaen-laen na heograpikong rehiyon (Parekh et al., 1995). Sa Pseudomonas sp. C5pp, an gabos na gene na responsable sa pagkaraot kan carbaryl yaon sa sarong genome na minaabot sa 76.3 kb nin pagkasunod-sunod (Trivedi et al., 2016). An pag-analisar kan genome (6.15 Mb) nagbuyagyag kan presensya nin 42 MGEs asin 36 GEIs, na kun saen 17 MGEs an namumugtak sa supercontig A (76.3 kb) na may average na asymmetric G+C content (54–60 mol%), na nagsusuherir nin posibleng mga horizontal gene transfer events (Trivedi et al., 2016). An P. putida XWY-1 nagpapahiling nin kaparehong pagkaareglo kan mga gene na nakakaraot nin carbaryl, alagad an mga gene na ini yaon sa sarong plasmid (Zhu et al., 2019).
Dugang pa sa metabolikong kahusayan sa lebel nin biokemikal asin genomiko, an mga mikroorganismo nagpapahiling man nin ibang mga propyedad o simbag arog kan chemotaxis, mga propyedad sa pagbabago kan ibabaw kan selula, pagkompartimental, preferential na paggamit, produksyon nin biosurfactant, asin iba pa, na nakakatabang sainda na mas episyente na ma-metabolize an mga aromatic pollutants sa mga kontaminadong kapalibutan (Figure 7).
Pigura 7. Iba-ibang estratehiya sa pagresponde kan selula kan ideyal na aromatic hydrocarbon-degrading bacteria para sa episyente na biodegradation kan mga dayuhan na pollutant compound.
An mga simbag sa chemotactic pigkokonsiderar na mga bagay na nagpapauswag kan pagkaraot kan mga organikong polusyon sa mga heterogeneously polluted ecosystems. (2002) nagpahiling na an chemotaxis kan Pseudomonas sp. An G7 sa naphthalene naglangkaw kan rikas kan pagkaraot kan naphthalene sa mga sistemang aquatic. An wild-type strain G7 mas marikas na nagraot kan naphthalene kisa sa sarong mutant strain na kulang sa chemotaxis. An protina na NahY (538 amino acids na may topolohiya kan lamad) nakuang co-transcribed sa mga gene kan metacleavage pathway sa NAH7 plasmid, asin arog kan mga transducer nin chemotaxis, an protina na ini minalataw na nagpupunsionar bilang sarong chemoreceptor para sa pagkaraot kan naphthalene (Grimm asin Harwood 1997). An saro pang pag-aadal ni Hansel et al. (2009) nagpahiling na an protina chemotactic, alagad an degradation rate kaini halangkaw. (2011) nagpahiling nin sarong chemotactic na simbag kan Pseudomonas (P. putida) sa gaseous naphthalene, kun saen an gas phase diffusion nagresulta sa sarong padagos na dalagan kan naphthalene pasiring sa mga selula, na nagkontrol kan chemotactic na simbag kan mga selula. An mga parasiyasat nag-aprobetsar kan chemotactic na gawi-gawi na ini tanganing mag-inhinyero nin mga mikrobyo na makakapauswag kan rikas nin pagkaraot. Ipinaheling kan mga pag-aadal na an mga agihan nin chemosensory nagreregular man kan ibang mga pagpunsyon kan selula arog kan pagbaranga kan selula, regulasyon kan siklo kan selula, asin pagporma nin biofilm, sa siring nakakatabang na makontrol an rikas nin pagkaraot. Alagad, an paggamit kan propyedad na ini (chemotaxis) para sa episyente na pagkaraot nauulang nin nagkapirang mga bottleneck. An mga mayor na ulang iyo an: (a) an manlaen-laen na paralogous receptors nakakamidbid kan parehong mga compound/ligand; (b) pag-eksister nin mga alternatibong receptor, arin na baga, enerhetikong tropismo; (c) mga makahulogan na pagkakaiba sa pagkasunod-sunod sa mga sensory domain kan parehong pamilya nin receptor; asin (d) kakulangan nin impormasyon sa mga mayor na protina kan sensor kan bakterya (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Minsan, an biodegradation kan mga aromatic hydrocarbons nagpoprodusir nin dakol na metabolites/intermediates, na pwedeng chemotactic para sa sarong grupo nin bakterya alagad repulsive para sa iba, na orog pang nagpapakumplikado kan proseso. Tanganing mamidbid an mga interaksiyon kan mga ligand (aromatic hydrocarbons) sa mga chemical receptor, nagkonstruhir kami nin mga hybrid sensor proteins (PcaY, McfR, asin NahY) sa paagi nin pag-fuse kan sensor asin signaling domains kan Pseudomonas putida asin Escherichia coli, na nagtatarget sa mga receptor para sa mga aromatic acid, TCA intermediates, asin naphlene, sunod-sunod (Luthale et al. 2019).
Sa irarom kan impluwensya kan naphthalene asin iba pang polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), an estruktura kan lamad kan bakterya asin an integridad kan mga mikroorganismo nag-aagi nin mga mahalagang pagbabago. An mga pag-aadal nagpahiling na an naphthalene nakakaulang sa interaksiyon kan kadena nin acyl sa paagi nin mga interaksiyon na hydrophobic, sa siring nagdadakula an paghubag asin pagkapluido kan lamad (Sikkema et al., 1995). Tanganing kontrahon an nakakadanyar na epektong ini, an bakterya nagreregular kan fluidity kan lamad sa paagi nin pagbabago kan ratio asin komposisyon kan fatty acid sa pag-ultanan kan iso/anteiso branched-chain fatty acids asin pag-isomerize kan cis-unsaturated fatty acids sa mga katumbas na trans-isomer (Heipieper asin de Bont, 1994). Sa Pseudomonas stutzeri na pinadakula sa pagbolong nin naphthalene, an saturated sagkod unsaturated fatty acid ratio naglangkaw poon 1.1 sagkod 2.1, mantang sa Pseudomonas JS150 an ratio na ini naglangkaw poon 7.5 sagkod 12.0 (Mrozik et al., 2004). Kun pinadakula sa naphthalene, an mga selula kan Achromobacter KAs 3–5 nagpahiling nin pag-iriba kan selula sa palibot kan mga kristal nin naphthalene asin pagbaba sa karga sa ibabaw kan selula (poon sa -22.5 sagkod -2.5 mV) na may kaibang kondensasyon asin vacuolization kan cytoplasmic, na nagpapahiling nin mga pagbabago sa estruktura kan selula asin mga propyedad sa ibabaw kan selula (Mohapatra et al., 2019). Dawa ngani an mga pagbabago sa selula/ibabaw direktang konektado sa mas marahay na pag-ako nin mga aromatic pollutants, an mga estratehiya sa bioengineering na may kinaaraman dai pa lubos na na-optimize. An pagmaniobra kan porma kan selula bihirang gamiton tanganing ma-optimize an mga proseso biyolohikal (Volke asin Nikel, 2018). An paghale kan mga gene na nakakaapektar sa dibisyon kan selula nagigin dahelan nin mga pagbabago sa morpolohiya kan selula. An paghale kan mga gene na nakakaapektar sa dibisyon kan selula nagigin dahelan nin mga pagbabago sa morpolohiya kan selula. Sa Bacillus subtilis, an protina kan septum kan selula na SepF ipinaheling na imbuelto sa pagporma nin septum asin kaipuhan para sa mga masunod na lakdang kan pagbaranga kan selula, alagad bako ining sarong mahalagang gene. An paghale kan mga gene na nag-eencode kan peptide glycan hydrolases sa Bacillus subtilis nagresulta sa paghalawig kan selula, paglangkaw kan espesipikong rate nin pagtalubo, asin paglangkaw kan kapasidad sa produksyon nin enzyme (Cui et al., 2018).
An pag-compartmentalize kan agihan nin pagkaraot kan carbaryl pigproponer tanganing makamtan an episyente na pagkaraot kan mga strain kan Pseudomonas C5pp asin C7 (Kamini et al., 2018). Ipigproponer na an carbaryl pigdadara pasiring sa periplasmic space sa paagi kan outer membrane septum asin/o sa paagi kan mga diffusible porins. An CH sarong periplasmic enzyme na nag-catalyze kan hydrolysis kan carbaryl pasiring sa 1-naphthol, na mas estable, mas hydrophobic asin mas toxic. An CH nakabugtak sa periplasm asin igwa nin hababang pagkakaagid para sa carbaryl, kaya nakokontrol an pagporma kan 1-naphthol, sa siring napopogolan an pagtipon kaini sa mga selula asin nabawasan an pagkahilo kaini sa mga selula (Kamini et al., 2018). An resultang 1-naphthol pigdadara pasiring sa cytoplasm sa laog kan panlaog na lamad sa paagi nin pagpartisyon asin/o paglakop, asin dangan pig-hydroxylate sa 1,2-dihydroxynaphthalene kan high-affinity enzyme 1NH para sa dugang pang metabolismo sa sentral na agihan nin karbon.
Dawa ngani an mga mikroorganismo igwa nin henetiko asin metabolikong kakayahan na raoton an mga pinagkukuanan nin xenobiotic carbon, an hirarkikal na estruktura kan saindang paggamit (ie, mas gustong paggamit nin simple kisa komplikadong mga pinagkukuanan nin karbon) sarong mayor na kaolangan sa biodegradation. An presensya asin paggamit kan simpleng mga pinagkukuanan nin karbon nag-uubos kan mga gene na nag-eencode nin mga enzyme na nakakaraot kan mga komplikado/bakong mas gustong mga pinagkukuanan nin karbon arog kan mga PAH. An sarong halimbawa na pinag-adalan na marhay iyo na kun an glucose asin lactose pinagkakakan sa Escherichia coli, an glucose mas epektibo an paggamit kisa lactose (Jacob asin Monod, 1965). An pseudomonas naibareta na nakakaraot nin manlaen-laen na PAHs asin xenobiotic compounds bilang mga pinagkukuanan nin karbon. An hirarkiya kan paggamit kan pinagkukuanan nin karbon sa Pseudomonas iyo an mga organikong asido > glucose > mga aromatic compound (Hylemon asin Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Alagad, igwa nin eksepsyon. Interesante, an Pseudomonas sp. An CSV86 nagpapahiling nin sarong pambihirang hirarkikal na estruktura na mas gustong naggagamit nin mga aromatic hydrocarbons (benzoic acid, naphthalene, asin iba pa) imbes na glucose asin nagko-metabolize nin mga aromatic hydrocarbons sa mga organikong asido (Basu et al., 2006). Sa bakteryang ini, an mga gene para sa pagkaraot asin transportasyon kan mga aromatikong hidrokarbon dai napapababa dawa sa presensya nin ikaduwang pinagkukuanan nin karbon arog kan glucose o mga organikong asido. Kun pinadakula sa glucose asin aromatic hydrocarbons medium, naobserbaran na an mga gene para sa glucose transport asin metabolismo na-downregulate, an aromatic hydrocarbons ginamit sa enot na log phase, asin an glucose ginamit sa ikaduwang log phase (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Sa ibong na lado, an presensya kan mga organikong asido dai nakaapektar sa ekspresyon kan aromatic hydrocarbon metabolism, kaya an bakteryang ini piglalaoman na magin sarong kandidatong strain para sa mga pag-aadal sa biodegradation (Phale et al., 2020).
Aram na marhay na an hydrocarbon biotransformation pwedeng magcausa nin oxidative stress asin upregulation kan mga antioxidant enzyme sa mga mikroorganismo. An bakong episyente na biodegradasyon kan naphthalene pareho sa mga selula na nakatindog asin sa presensya nin mga nakakahilo na mga compound nagdadara sa pagporma nin mga reactive oxygen species (ROS) (Kang et al. 2006). Nin huli ta an mga enzyme na nakakaraot sa naphthalene igwa nin mga grupo nin iron-sulfur, sa irarom kan oxidative stress, an iron sa heme asin mga protina na iron-sulfur ma-oxidize, na nagdadara sa pag-inaktibo kan protina. An Ferredoxin-NADP+ reductase (Fpr), kaiba an superoxide dismutase (SOD), nagmemediar kan reversible redox reaction sa pag-ultanan kan NADP+/NADPH asin duwang molekula nin ferredoxin o flavodoxin, sa siring na paagi nagkukua kan ROS asin naibalik an sentro kan iron-sulfur sa irarom kan oxidative stress (Li et al. 2006). Ipinahayag na an Fpr asin SodA (SOD) sa Pseudomonas pwedeng ma-induce kan oxidative stress, asin an mas halangkaw na aktibidad kan SOD asin catalase naobserbaran sa apat na strain kan Pseudomonas (O1, W1, As1, asin G1) sa panahon kan pagtalubo sa irarom kan mga kondisyon na idinagdag an naphthalene (Kang et al., 2006). An mga pag-aadal nagpahiling na an pagdagdag nin mga antioxidant arog kan ascorbic acid o ferrous iron (Fe2+) puedeng magpalangkaw kan pagdakula kan naphthalene. Kan an Rhodococcus erythropolis nagdakula sa naphthalene medium, an transkripsyon kan mga gene na may relasyon sa oxidative stress na cytochrome P450 kabali an sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase), asin recA naglangkaw (Sazykin et al., 2019). An pagkumparar na quantitative proteomic analysis kan mga selula nin Pseudomonas na pigkultibar sa naphthalene nagpahiling na an pag-upregulate kan manlaen-laen na protina na may relasyon sa oxidative stress response sarong estratehiya sa pag-atubang sa stress (Herbst et al., 2013).
An mga mikroorganismo naibareta na nagpoprodusir nin mga biosurfactant sa irarom kan aksyon kan mga hydrophobic carbon sources. An mga surfactant na ini mga amphiphilic surface active compounds na pwedeng magbilog nin mga aggregate sa mga interface nin lana-tubig o aire-tubig. Ini nagpapauswag kan pseudo-solubilization asin nagpapadali kan pag-adsorb kan mga aromatic hydrocarbons, na nagreresulta sa episyente na biodegradation (Rahman et al., 2002). Huli sa mga propyedad na ini, an mga biosurfactant lakop na ginagamit sa manlaen-laen na industriya. An pagdagdag nin mga kemikal na surfactant o biosurfactant sa mga kultura nin bakterya puedeng magpauswag kan kahusayan asin rikas kan pagkaraot kan hidrokarbon. Sa mga biosurfactant, an mga rhamnolipid na ginibo kan Pseudomonas aeruginosa mahiwas na pinag-adalan asin pig-karakterisar (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Dugang pa, an ibang klase nin biosurfactants kabali an mga lipopeptide (mga mucin hale sa Pseudomonas fluorescens), emulsifier 378 (gikan sa Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg asin Ron, 1999), mga lipid na trehalose disaccharide hale sa Rhodococcus (Ramdahl, 1988), lichen asin Bacillus gikan sa Sacillus 2002), asin surfactant gikan sa Bacillus subtilis (Siegmund asin Wagner, 1991) asin Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). An mga potensyal na surfactant na ini ipinaheling na nakakabawas kan tensyon sa ibabaw poon 72 dynes/cm sagkod sa mas hababa sa 30 dynes/cm, na nagtutugot para sa mas marahay na pagsipsip nin hydrocarbon. Ipinahayag na an Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia asin iba pang mga klase nin bakterya pwedeng makaprodusir nin manlaen-laen na rhamnolipid asin glycolipid-based biosurfactants kun pinapatalubo sa naphthalene asin methylnaphthalene media (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). An Pseudomonas maltophilia CSV89 pwedeng makaprodusir nin extracellular biosurfactant Biosur-Pm kun pinapatalubo sa mga aromatic compound arog kan naphthoic acid (Phale et al., 1995). An kinetika kan pagporma kan Biosur-Pm nagpahiling na an paggibo kaini sarong proseso na nakadepende sa pagtalubo asin pH. Nadiskubre na an kantidad kan Biosur-Pm na nagigibo kan mga selula sa neutral na pH mas halangkaw kisa sa pH 8.5. An mga selula na pinadakula sa pH 8.5 mas hydrophobic asin igwa nin mas halangkaw na affinity para sa mga aromatic asin aliphatic compounds kisa sa mga selula na pinadakula sa pH 7.0. Sa Rhodococcus spp. An N6, mas halangkaw na carbon to nitrogen (C:N) ratio asin limitasyon sa iron iyo an pinakamarahay na kondisyon para sa produksyon nin mga extracellular biosurfactants (Mutalik et al., 2008). An mga pagprobar ginibo tanganing mapakarhay an biosynthesis kan mga biosurfactant (surfactins) sa paagi nin pag-optimize kan mga strain asin fermentation. Alagad, an titer kan surfactant sa medium nin kultura hababa (1.0 g/L), na nagtatao nin angat para sa dakulang produksyon (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Kaya, an mga paagi nin inhenyeriya henetiko ginamit tanganing mapakarhay an biosynthesis kaini. Alagad, an modipikasyon kaini sa inhenyeriya dipisil huli sa dakulang sukol kan operon (∼25 kb) asin komplikadong regulasyon kan biosynthetic kan sistema nin pagmati kan quorum (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). An nagkapirang mga modipikasyon sa inhenyeriya henetiko ginibo sa bakteryang Bacillus, na mayormenteng may katuyuhan na dagdagan an produksyon nin surfactin sa paagi nin pagsalida kan promoter (srfA operon), na nag-overexpress kan surfactin export protein na YerP asin kan mga regulatory factor na ComX asin PhrC (Jiao et al., 2017). Alagad, an mga paaging ini nin inhenyeriya henetiko nakamit sana an saro o nagkapirang mga modipikasyon henetiko asin dai pa nakaabot sa komersyal na produksyon. Kaya, kaipuhan an dugang pang pag-aadal kan mga paagi nin pag-optimize na nakabase sa kaaraman.
An mga pag-aadal sa biodegradation kan PAH mayormenteng ginigibo sa irarom kan mga pamantayan na kondisyon sa laboratoryo. Alagad, sa mga kontaminadong lugar o sa mga kontaminadong kapalibutan, kadakol na mga abiotic asin biotic na mga bagay (temperatura, pH, oksiheno, pagkakaigwa nin sustansya, bioavailability kan substrate, iba pang mga xenobiotics, end-product inhibition, asin iba pa) an ipinaheling na nagbabago asin nakakaimpluwensya sa kapasidad nin pagraot kan mga mikroorganismo.
An temperatura igwa nin mahalagang epekto sa PAH biodegradation. Mantang nagdadakula an temperatura, an konsentrasyon kan dissolved oxygen nagbaba, na nakakaapektar sa metabolismo kan mga mikroorganismong aerobic, nin huli ta sinda nangangaipo nin molekular na oksiheno bilang saro sa mga substrato para sa mga oxygenase na naggigibo nin mga reaksyon nin hydroxylation o singsing cleavage. Parati na naririsa na an halangkaw na temperatura nagkokombertir kan mga magurang na PAH pasiring sa mas nakakahilo na mga compound, sa siring nakakapugol sa biodegradation (Muller et al., 1998).
Nareparo na kadakol na mga lugar na kontaminado nin PAH an igwa nin labi-labing mga halaga nin pH, arog kan mga lugar na kontaminado kan acid mine drainage (pH 1–4) asin mga lugar na kontaminado nin natural gas/karbon na kontaminado nin alkaline leachate (pH 8–12). An mga kondisyon na ini puedeng makaapektar na marhay sa proseso nin biodegradation. Kaya, bago gamiton an mga mikroorganismo para sa bioremediation, inirerekomendar na i-adjust an pH sa paagi nin pagdagdag nin mga angay na kemikal (na may katamtaman sagkod hababang marhay na potensyal sa pagbawas nin oksidasyon) arog kan ammonium sulfate o ammonium nitrate para sa mga alkaline na daga o pag-apog na may calcium carbonate o magnesium carbonate para sa mga acid sites (Bow et al. asin Gulen et al. 1995; Sar 2020).
An suplay nin oksiheno sa apektadong lugar iyo an limitasyon kan rate para sa biodegradation kan PAH. Huli sa mga kondisyon nin redox kan kapalibutan, an mga proseso nin in situ bioremediation parati nangangaipo nin pag-introdusir nin oksiheno gikan sa panluwas na mga pinagkukuanan (pag-arado, pag-alog nin aire, asin pagdagdag nin kemikal) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz asin iba pa. (1996) nagpahiling na an pagdagdag nin magnesium peroxide (sarong compound na nagpapaluwas nin oksiheno) sa sarong kontaminadong aquifer epektibo na makaka-bioremediate kan mga compound kan BTEX. An saro pang pag-aadal nag-imbestigar kan in situ na pagkaraot kan phenol asin BTEX sa sarong kontaminadong aquifer sa paagi nin pag-ineksiyon nin sodium nitrate asin paggibo nin mga bubon nin pagkua tanganing makamit an epektibong bioremediation (Bewley asin Webb, 2001).