Greinin er hluti af rannsóknarefninu „Ítarleg lífræn endurvinnslutækni og endurvinnsluferli tilbúins lífræns efnis (SOC).“ Sjá allar 14 greinarnar.
Lágsameinda fjölhringa arómatísk kolvetni (PAH) eins og naftalen og staðgengd naftalen (metýlnaftalen, naftósýra, 1-naftýl-N-metýlkarbamat o.s.frv.) eru mikið notuð í ýmsum atvinnugreinum og eru erfðafræðilega eituráhrifavaldandi, stökkbreytandi og/eða krabbameinsvaldandi fyrir lífverur. Þessi tilbúnu lífrænu efnasambönd (SOC) eða útlæg efni eru talin forgangsmengunarefni og eru alvarleg ógn við hnattrænt umhverfi og lýðheilsu. Styrkur mannlegrar starfsemi (t.d. kolagösun, olíuhreinsun, útblástur ökutækja og landbúnaðarnotkun) ræður styrk, örlögum og flutningi þessara alls staðar nálægu og þrávirku efnasambanda. Auk eðlis- og efnafræðilegra meðhöndlunar-/fjarlægingaraðferða hefur græn og umhverfisvæn tækni eins og lífræn hreinsun, sem notar örverur sem geta brotið niður POC að fullu eða breytt þeim í eiturefnalaus aukaafurðir, komið fram sem öruggur, hagkvæmur og efnilegur valkostur. Ýmsar bakteríutegundir sem tilheyra fylkingunni Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia og Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus og Paenibacillus) og Actinobacteria (Rhodococcus og Arthrobacter) í jarðvegsflórunni hafa sýnt fram á getu sína til að brjóta niður ýmis lífræn efnasambönd. Efnaskiptarannsóknir, erfðafræði og erfðamengisgreiningar hjálpa okkur að skilja flækjustig og fjölbreytileika niðurbrots þessara einföldu lífsforma, sem hægt er að nota frekar til skilvirkrar lífrænnar niðurbrots. Langtíma tilvist PAH hefur leitt til nýrra niðurbrotsgerða með láréttri genaflutningi með því að nota erfðaþætti eins og plasmíða, transposona, bakteríufaga, erfðaeyjar og samþættingarþætti. Kerfislíffræði og erfðaverkfræði tiltekinna einangraðra stofna eða líkanasamfélaga (samsteypur) getur gert kleift að framkvæma alhliða, hraða og skilvirka lífræna úrvinnslu þessara PAH með samverkandi áhrifum. Í þessari yfirlitsgrein einbeitum við okkur að mismunandi efnaskiptaferlum og fjölbreytileika, erfðasamsetningu og fjölbreytileika, og frumuviðbrögðum/aðlögun naftalens og staðgengdra naftalen-brjótandi baktería. Þetta mun veita vistfræðilegar upplýsingar fyrir vettvangsnotkun og hagræðingu á stofnum fyrir skilvirka líffræðilega úrvinnslu.
Hröð þróun iðnaðar (jarðefnaiðnaður, landbúnaður, lyfjaiðnaður, textíllitarefni, snyrtivörur o.s.frv.) hefur stuðlað að hagvexti í heiminum og bættum lífskjörum. Þessi veldisvöxtur hefur leitt til framleiðslu á fjölda tilbúinna lífrænna efnasambanda (SOCs) sem notuð eru til að framleiða ýmsar vörur. Þessi erlendu efnasambönd eða SOCs eru meðal annars fjölhringa arómatísk kolvetni (PAHs), skordýraeitur, illgresiseyðir, mýkiefni, litarefni, lyf, lífræn fosföt, logavarnarefni, rokgjörn lífræn leysiefni o.s.frv. Þau losna út í andrúmsloftið, vatna- og landvistkerfi þar sem þau hafa margvísleg áhrif og valda skaðlegum áhrifum á ýmis lífform með breytingum á eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum og samfélagsgerð (Petrie o.fl., 2015; Bernhardt o.fl., 2017; Sarkar o.fl., 2020). Mörg ilmandi mengunarefni hafa sterk og skaðleg áhrif á mörg ósnortin vistkerfi/svæði þar sem líffræðilegur fjölbreytileiki er mikilvægur (t.d. kóralrif, jökla á norðurslóðum/Suðurskautslandinu, háfjallavötn, botnfellingar í djúpsjávarsvæðum o.s.frv.) (Jones 2010; Beyer o.fl. 2020; Nordborg o.fl. 2020). Nýlegar rannsóknir á jarð- og örverufræði hafa sýnt að útfelling tilbúinna lífrænna efna (t.d. ilmandi mengunarefna) og afleiða þeirra á yfirborð mannvirkja (byggingarumhverfis) (t.d. menningarminjastaða og minnismerki úr graníti, steini, tré og málmi) flýtir fyrir niðurbroti þeirra (Gadd 2017; Liu o.fl. 2018). Mannleg athöfn getur aukið og gert líffræðilega niðurbrot minnismerkja og bygginga verra vegna loftmengun og loftslagsbreytinga (Liu o.fl. 2020). Þessi lífrænu mengunarefni hvarfast við vatnsgufu í andrúmsloftinu og setjast að á mannvirkjunum, sem veldur eðlisfræðilegri og efnafræðilegri niðurbroti efnisins. Líffræðileg niðurbrot er almennt viðurkennt sem óæskilegar breytingar á útliti og eiginleikum efna af völdum lifandi lífvera sem hafa áhrif á varðveislu þeirra (Pochon og Jaton, 1967). Frekari örverufræðileg áhrif (umbrot) þessara efnasambanda geta dregið úr byggingarheilleika, varðveisluárangur og menningarlegt gildi (Gadd, 2017; Liu o.fl., 2018). Hins vegar hefur í sumum tilfellum reynst gagnleg aðlögun örvera að og viðbrögð við þessum mannvirkjum þar sem þau mynda líffilmur og aðrar verndandi skorpur sem draga úr hraða rotnunar/niðurbrots (Martino, 2016). Þess vegna krefst þróun árangursríkra langtíma sjálfbærra varðveisluáætlana fyrir stein-, málm- og tréminjar ítarlegrar skilnings á lykilferlum sem taka þátt í þessu ferli. Í samanburði við náttúruleg ferli (jarðfræðileg ferli, skógarelda, eldgos, viðbrögð plantna og baktería) leiða athafnir manna til losunar mikils magns af fjölhringja arómatískum kolvetnum (PAH) og öðru lífrænu kolefni (OC) út í vistkerfi. Mörg fjölhringa, kolvetnarík efni (PAH) sem notuð eru í landbúnaði (skordýraeitur og varnarefni eins og DDT, atrasín, karbarýl, pentaklórfenól o.s.frv.), iðnaði (hráolía, olíuúrgangur, plast unnið úr jarðolíu, PCB-efni, mýkiefni, þvottaefni, sótthreinsiefni, reykingaefni, ilmefni og rotvarnarefni), persónulegum snyrtivörum (sólarvörn, sótthreinsiefni, skordýrafælur og fjölhringa moskus) og skotfærum (sprengiefni eins og 2,4,6-TNT) eru hugsanleg útlæg efni sem geta haft áhrif á heilsu jarðarinnar (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna og Phale, 2008; Petrie o.fl., 2015). Þennan lista má stækka til að innihalda efnasambönd unnið úr jarðolíu (brennsluolíur, smurefni, asfalten), lífplast með háum mólþunga og jóníska vökva (Amde o.fl., 2015). Tafla 1 sýnir ýmis arómatísk mengunarefni og notkun þeirra í ýmsum atvinnugreinum. Á undanförnum árum hefur losun rokgjörnra lífrænna efnasambanda af mannavöldum, sem og koltvísýrings og annarra gróðurhúsalofttegunda, farið að aukast (Dvorak o.fl., 2017). Áhrif manna eru þó mun meiri en náttúruleg. Þar að auki komumst við að því að fjöldi lífrænna efna sem mynda mengun eru til staðar í mörgum umhverfismálum og hafa verið skilgreind sem ný mengunarefni með skaðleg áhrif á lífríki (Mynd 1). Umhverfisstofnanir eins og Umhverfisstofnun Bandaríkjanna (USEPA) hafa sett mörg þessara mengunarefna á forgangslista sinn vegna frumueiturs, erfðaeiturs, stökkbreytandi og krabbameinsvaldandi eiginleika þeirra. Því er þörf á ströngum reglum um förgun og árangursríkum aðferðum til meðhöndlunar/fjarlægingar úrgangs úr menguðum vistkerfum. Ýmsar eðlisfræðilegar og efnafræðilegar meðhöndlunaraðferðir eins og brennsla, oxunarhitameðferð, loftræsting, urðun, brennsla o.s.frv. eru árangurslausar og kostnaðarsamar og mynda ætandi, eitrað og erfitt meðhöndluð aukaafurðir. Með vaxandi umhverfisvitund um allan heim vekja örverur sem geta brotið niður þessi mengunarefni og afleiður þeirra (eins og halógen, nítró, alkýl og/eða metýl) sífellt meiri athygli (Fennell o.fl., 2004; Haritash og Kaushik, 2009; Phale o.fl., 2020; Sarkar o.fl., 2020; Schwanemann o.fl., 2020). Notkun þessara innfæddu örvera, einar sér eða í blönduðum ræktunum (nýlendum) til að fjarlægja arómatísk mengunarefni, hefur kosti hvað varðar umhverfisöryggi, kostnað, skilvirkni, árangur og sjálfbærni. Rannsakendur eru einnig að kanna samþættingu örveruferla við rafefnafræðilegar redox aðferðir, þ.e. lífrafefnafræðileg kerfi (BES), sem efnilega tækni til að meðhöndla/fjarlægja mengunarefni (Huang o.fl., 2011). BES tækni hefur vakið aukna athygli vegna mikillar skilvirkni, lágs kostnaðar, umhverfisöryggis, notkunar við stofuhita, lífsamhæfra efna og getu til að endurheimta verðmætar aukaafurðir (t.d. rafmagn, eldsneyti og efni) (Pant o.fl., 2012; Nazari o.fl., 2020). Tilkoma háafkösta erfðamengisraðgreiningar og erfðamengisgreiningartækja/aðferða hefur veitt miklar nýjar upplýsingar um erfðastjórnun, próteómfræði og flæðisómfræði viðbragða ýmissa niðurbrotsörvera. Með því að sameina þessi verkfæri við kerfislíffræði hefur skilningur okkar á vali og fínstillingu markniðurbrotsferla í örverum (þ.e. efnaskiptahönnun) til að ná fram skilvirkri og árangursríkri lífrænni niðurbroti enn frekar. Til að hanna árangursríkar lífrænar úrbótaaðferðir með því að nota viðeigandi örverur þurfum við að skilja lífefnafræðilegan möguleika, efnaskiptafjölbreytni, erfðasamsetningu og vistfræði (sjálfsvistfræði/samvirknifræði) örvera.
Mynd 1. Uppsprettur og leiðir lágsameinda PAH efna í gegnum ýmis umhverfi og ýmsa þætti sem hafa áhrif á lífríkið. Strikamerki tákna víxlverkun milli vistkerfisþátta.
Í þessari yfirlitsgrein höfum við reynt að draga saman gögn um niðurbrot einfaldra PAH-efna eins og naftalens og staðgengdra naftalena af ýmsum bakteríueinangruðum efnum, þar á meðal efnaskiptaferla og fjölbreytileika, ensím sem taka þátt í niðurbrotinu, genasamsetningu/innihaldi og fjölbreytileika, frumuviðbrögð og ýmsa þætti lífrænnar úrbóta. Skilningur á lífefnafræðilegu og sameindastigi mun hjálpa til við að bera kennsl á hentuga hýsilstofna og frekari erfðabreytingar þeirra til að ná árangri í lífrænni úrbótum á slíkum forgangsmengunarefnum. Þetta mun hjálpa til við að þróa aðferðir til að koma á fót staðbundnum bakteríusamtökum fyrir árangursríka lífræna úrbóta.
Tilvist mikils fjölda eitraðra og hættulegra arómatískra efnasambanda (sem uppfylla Huckel-regluna 4n + 2π rafeindir, n = 1, 2, 3, ...) skapar alvarlega ógn við ýmsa umhverfismiðla eins og loft, jarðveg, setlög og yfirborðs- og grunnvatn (Puglisi o.fl., 2007). Þessi efnasambönd hafa staka bensenhringi (einhringja) eða marga bensenhringi (fjölhringja) raðaða í línulega, hornlaga eða klasaform og sýna stöðugleika (stöðugleika/óstöðugleika) í umhverfinu vegna mikillar neikvæðrar ómunarorku og óvirkni (óvirkni), sem má skýra með vatnsfælni þeirra og minnkaðri stöðu. Þegar arómatíski hringurinn er frekar skipt út fyrir metýl (-CH3), karboxýl (-COOH), hýdroxýl (-OH) eða súlfónat (-HSO3) hópa, verður hann stöðugri, hefur sterkari sækni í stórsameindir og safnast fyrir í líffræðilegum kerfum (Seo o.fl., 2009; Phale o.fl., 2020). Sum lágsameinda fjölhringlaga arómatísk vetniskolefni (LMWAH), svo sem naftalen og afleiður þess [metýlnaftalen, naftósýra, naftalensúlfónat og 1-naftýl N-metýlkarbamat (karbarýl)], hafa verið sett á lista yfir forgangs lífræn mengunarefni af Umhverfisstofnun Bandaríkjanna sem erfðaeitur, stökkbreytandi og/eða krabbameinsvaldandi (Cerniglia, 1984). Losun þessa flokks NM-PAH efna út í umhverfið getur leitt til uppsöfnunar þessara efnasambanda á öllum stigum fæðukeðjunnar og þar með haft áhrif á heilsu vistkerfa (Binkova o.fl., 2000; Srogi, 2007; Quinn o.fl., 2009).
Uppspretta og leiðir PAH-efna út í lífríkið eru aðallega í gegnum flutning og víxlverkun milli ólíkra vistkerfaþátta eins og jarðvegs, grunnvatns, yfirborðsvatns, uppskeru og andrúmsloftsins (Arey og Atkinson, 2003). Mynd 1 sýnir víxlverkun og dreifingu mismunandi lágsameinda PAH-efna í vistkerfum og leiðir þeirra til lífríkis/útsetningar fyrir mönnum. PAH-efni setjast á yfirborð vegna loftmengunar og með flutningi (reki) útblásturs frá ökutækjum, iðnaðarútblásturslofttegunda (kolagasmyndun, brennsla og kóksframleiðsla) og útfellingu þeirra. Iðnaðarstarfsemi eins og framleiðsla á tilbúnum textílefnum, litarefnum og málningu; viðarvörn; gúmmívinnsla; sementsframleiðsla; framleiðsla skordýraeiturs; og landbúnaðarnotkun eru helstu uppsprettur PAH-efna í kerfum á landi og í vatnalífrænum kerfum (Bamforth og Singleton, 2005; Wick o.fl., 2011). Rannsóknir hafa sýnt að jarðvegur í úthverfum og þéttbýli, nálægt þjóðvegum og í stórborgum er viðkvæmari fyrir fjölhringja arómatískum kolvetnum (PAH) vegna losunar frá virkjunum, hitun íbúðarhúsnæðis, loft- og vegaálagi og byggingarstarfsemi (Suman o.fl., 2016). (2008) sýndi að PAH í jarðvegi nálægt vegum í New Orleans, Louisiana, Bandaríkjunum var allt að 7189 μg/kg, en á opnum svæðum var það aðeins 2404 μg/kg. Á sama hátt hefur verið greint frá PAH gildi allt að 300 μg/kg á svæðum nálægt kolagassunarstöðvum í nokkrum borgum í Bandaríkjunum (Kanaly og Harayama, 2000; Bamforth og Singleton, 2005). Greint hefur verið frá því að jarðvegur frá ýmsum indverskum borgum eins og Delí (Sharma o.fl., 2008), Agra (Dubey o.fl., 2014), Mumbai (Kulkarni og Venkataraman, 2000) og Visakhapatnam (Kulkarni o.fl., 2014) innihaldi mikið magn af fjölhringa (PAH) efnum. Ilmefni frásogast auðveldlega í jarðvegsagnir, lífrænt efni og leirsteindir og verða þannig mikilvægir kolefnisbindandi efna í vistkerfum (Srogi, 2007; Peng o.fl., 2008). Helstu uppsprettur PAH í vatnsvistkerfum eru úrkoma (blaut/þurr úrkoma og vatnsgufa), frárennsli úr þéttbýli, frárennsli skólps, endurhleðsla grunnvatns o.s.frv. (Srogi, 2007). Talið er að um 80% af PAH í sjávarvistkerfum komi frá úrkomu, setmyndun og frárennsli úrgangs (Motelay-Massei o.fl., 2006; Srogi, 2007). Hærri styrkur PAH-efna í yfirborðsvatni eða sigvatn frá förgunarstöðum fyrir fastan úrgang lekur að lokum út í grunnvatnið og er því alvarleg ógn við lýðheilsu þar sem meira en 70% íbúa Suður- og Suðaustur-Asíu drekka grunnvatn (Duttagupta o.fl., 2019). Nýleg rannsókn Duttagupta o.fl. (2020) á greiningum á ám (32) og grunnvatni (235) frá Vestur-Bengal á Indlandi leiddi í ljós að áætlað er að 53% íbúa þéttbýlis og 44% íbúa dreifbýlis (samtals 20 milljónir íbúa) geti orðið fyrir áhrifum af naftaleni (4,9–10,6 μg/L) og afleiðum þess. Mismunandi landnotkunarmynstur og aukin grunnvatnsvinnsla eru talin vera helstu þættirnir sem stjórna lóðréttum flutningi (aðdrætti) PAH-efna með lágan mólþyngd í neðanjarðarlaginu. Komið hefur í ljós að PAH-efni hafa áhrif á vatnasvið og botnfall neðanjarðar. Úrkoma úr andrúmsloftinu eykur enn frekar PAH-mengun. Hár styrkur PAH og alkýlafleiða þeirra (51 samtals) hefur verið tilkynntur í ám/vatnasviðum um allan heim, svo sem Fraser-ána, Louan-ána, Denso-ána, Missouri-ána, Anacostia-ána, Ebro-ána og Delaware-ána (Yunker o.fl., 2002; Motelay-Massei o.fl., 2006; Li o.fl., 2010; Amoako o.fl., 2011; Kim o.fl., 2018). Í botnfellingum Ganges-fljótsvatnasviðsins reyndust naftalen og fenantren vera þau mikilvægustu (greindust í 70% sýna) (Duttagupta o.fl., 2019). Ennfremur hafa rannsóknir sýnt að klórun drykkjarvatns getur leitt til myndunar eitraðra súrefnisríkra og klóraðra PAH-efna (Manoli og Samara, 1999). PAH safnast fyrir í korni, ávöxtum og grænmeti vegna upptöku plantna úr mengaðri jarðvegi, grunnvatni og úrkomu (Fismes o.fl., 2002). Margar vatnalífverur eins og fiskar, kræklingar, samlokur og rækjur mengast af PAH efnum í gegnum neyslu mengaðs matvæla og sjávar, sem og í gegnum vefi og húð (Mackay og Fraser, 2000). Eldunar-/vinnsluaðferðir eins og grillun, steiking, reyking, þurrkun, bakstur og eldun með kolum geta einnig leitt til verulegs magns af PAH efnum í matvælum. Þetta fer að miklu leyti eftir vali á reykingarefni, innihaldi fenóls/arómatískra vetniskolefna, eldunaraðferð, gerð hitara, rakainnihaldi, súrefnisframboði og brennsluhita (Guillén o.fl., 2000; Gomes o.fl., 2013). Fjölhringa arómatísk vetniskolefni (PAH) hafa einnig fundist í mjólk í mismunandi styrk (0,75–2,1 mg/L) (Girelli o.fl., 2014). Uppsöfnun þessara fjölhringa, kolvetna (PAH) í matvælum er einnig háð efnafræðilegum eiginleikum matvælanna, en eituráhrif þeirra tengjast lífeðlisfræðilegri virkni, efnaskiptavirkni, frásogi, dreifingu og líkamsdreifingu (Mechini o.fl., 2011).
Eituráhrif og skaðleg áhrif fjölhringja arómatískra kolvetna (PAH) hafa verið þekkt lengi (Cherniglia, 1984). Fjölhringja arómatísk kolvetni með lágan mólþunga (LMW-PAH) (tveir til þrír hringir) geta tengst ýmsum stórum sameindum eins og DNA, RNA og próteinum með samgildum hætti og eru krabbameinsvaldandi (Santarelli o.fl., 2008). Vegna vatnsfælni sinnar eru þau aðskilin með lípíðhimnum. Í mönnum oxa cýtókróm P450 mónóoxýgenasar PAH í epoxíð, en sum þeirra eru mjög hvarfgjörn (t.d. baedíól epoxíð) og geta leitt til umbreytingar heilbrigðra frumna í illkynja frumur (Marston o.fl., 2001). Að auki eru umbreytingarafurðir PAH eins og kínónar, fenólar, epoxíð, díólar o.s.frv. eitraðri en upprunalegu efnasamböndin. Sum PAH og milliefni þeirra í efnaskiptum geta haft áhrif á hormón og ýmis ensím í efnaskiptum og þar með haft neikvæð áhrif á vöxt, miðtaugakerfið, æxlunar- og ónæmiskerfið (Swetha og Phale, 2005; Vamsee-Krishna o.fl., 2006; Oostingh o.fl., 2008). Greint hefur verið frá því að skammtímaútsetning fyrir PAH með lágan mólþyngd valdi skertri lungnastarfsemi og blóðtappa hjá astmasjúklingum og auki hættu á krabbameini í húð, lungum, þvagblöðru og meltingarvegi (Olsson o.fl., 2010; Diggs o.fl., 2011). Dýrarannsóknir hafa einnig sýnt að útsetning fyrir PAH getur haft skaðleg áhrif á æxlunarstarfsemi og þroska og getur valdið drer, nýrna- og lifrarskemmdum og gulu. Ýmsar umbreytingarafurðir PAH eins og díól, epoxíð, kínón og sindurefni (katjónir) hafa reynst mynda DNA-samsetningar. Stöðug tengiefni hafa reynst breyta afritunarvél DNA, en óstöðug tengiefni geta afpúrínað DNA (aðallega í adenín og stundum í gúanín); bæði geta valdið villum sem leiða til stökkbreytinga (Schweigert o.fl. 2001). Að auki geta kínón (bensó-/pan-) myndað hvarfgjörn súrefnistegund (ROS), sem veldur banvænum skaða á DNA og öðrum stórsameindum og þar með haft áhrif á vefjastarfsemi/lífvænleika (Ewa og Danuta 2017). Greint hefur verið frá því að langvarandi útsetning fyrir lágum styrk pýrens, bífenýls og naftalens valdi krabbameini í tilraunadýrum (Diggs o.fl. 2012). Vegna banvænnar eituráhrifa þeirra er hreinsun/fjarlæging þessara PAH-efna af áhrifum/menguðum stöðum forgangsverkefni.
Ýmsar eðlis- og efnafræðilegar aðferðir hafa verið notaðar til að fjarlægja fjölhringa, kolvetna (PAH) úr menguðum svæðum/umhverfi. Ferli eins og brennsla, afklórun, útfjólublá oxun, festing og leysiefnaútdráttur hafa marga ókosti, þar á meðal myndun eitraðra aukaafurða, flækjustig ferlisins, öryggis- og reglugerðarvandamál, litla skilvirkni og mikinn kostnað. Hins vegar er örverufræðileg niðurbrot (kölluð lífræn úrvinnsla) efnilegur valkostur sem felur í sér notkun örvera í formi hreinræktunar eða nýlendna. Í samanburði við eðlis- og efnafræðilegar aðferðir er þetta ferli umhverfisvænt, ekki ífarandi, hagkvæmt og sjálfbært. Lífræn úrvinnsla getur farið fram á viðkomandi stað (in situ) eða á sérstaklega undirbúnum stað (ex situ) og er því talin sjálfbærari úrvinnsluaðferð en hefðbundnar eðlis- og efnafræðilegar aðferðir (Juhasz og Naidu, 2000; Andreoni og Gianfreda, 2007; Megharaj o.fl., 2011; Phale o.fl., 2020; Sarkar o.fl., 2020).
Að skilja efnaskiptaferla örvera sem taka þátt í niðurbroti arómatískra mengunarefna hefur gríðarleg vísindaleg og efnahagsleg áhrif á vistfræðilega og umhverfislega sjálfbærni. Áætlað er að 2,1 × 1018 grömm af kolefni (C) séu geymd í setlögum og lífrænum efnasamböndum (þ.e. olíu, jarðgasi og kolum, þ.e. jarðefnaeldsneyti) um allan heim, sem gefur verulegan þátt í hnattrænni kolefnishringrásinni. Hins vegar eru hröð iðnvæðing, útdráttur jarðefnaeldsneytis og athafnir manna að tæma þessi kolefnisgeymslur jarðvegsins og losa um 5,5 × 1015 g af lífrænu kolefni (sem mengunarefni) út í andrúmsloftið árlega (Gonzalez-Gaya o.fl., 2019). Mest af þessu lífræna kolefni fer inn í vistkerfi á landi og í sjó með setmyndun, flutningi og afrennsli. Að auki menga ný tilbúin mengunarefni sem eru unnin úr jarðefnaeldsneyti, svo sem plast, mýkingarefni og plaststöðugleikaefni (þalat og ísómerar þeirra), vistkerfi í sjó, jarðvegi og vatni og lífríki þeirra alvarlega og auka þannig hnattræna loftslagsáhættu. Ýmsar gerðir af örplasti, nanóplasti, plastbrotum og eitruðum einliðaafurðum þeirra, sem unnar eru úr pólýetýlen tereftalati (PET), hafa safnast fyrir í Kyrrahafinu milli Norður-Ameríku og Suðaustur-Asíu og myndað „Stóra ruslplássinn í Kyrrahafinu“ og skaðað lífríki sjávar (Newell o.fl., 2020). Vísindalegar rannsóknir hafa sannað að ekki er hægt að fjarlægja slík mengunarefni/úrgang með neinum eðlisfræðilegum eða efnafræðilegum aðferðum. Í þessu samhengi eru gagnlegustu örverurnar þær sem geta oxað mengunarefni í koltvísýring, efnaorku og aðrar óeitruð aukaafurðir sem að lokum fara inn í önnur næringarefnahringrásarferli (H2, O2, N2, S2, P, Fe, o.s.frv.). Því er skilningur á örverufræðilegri vistfræði steinefnamyndunar arómatískra mengunarefna og umhverfisstjórnun hennar mikilvægur til að meta kolefnishringrás örvera, nettókolefnisfjárhagsáætlun og framtíðaráhættu í loftslagsmálum. Í ljósi brýnnar þörf á að fjarlægja slík efnasambönd úr umhverfinu hafa ýmsar vistvænar atvinnugreinar sem einbeita sér að hreinni tækni komið fram. Einnig er talið að nýting iðnaðarúrgangs/efnaúrgangs sem safnast fyrir í vistkerfum (þ.e. aðferðin „úrgangur til auðs“) sé einn af meginstoðum hringrásarhagkerfisins og markmiða um sjálfbæra þróun (Close o.fl., 2012). Því er afar mikilvægt að skilja efnaskipta-, ensím- og erfðafræðilega þætti þessara hugsanlegu niðurbrotsefna til að fjarlægja og endurheimta slík ilmefni á skilvirkan hátt.
Meðal margra arómatískra mengunarefna gefum við sérstaka athygli lág-sameinda PAH efnum eins og naftaleni og staðgenglum naftalenum. Þessi efnasambönd eru helstu þættir í eldsneyti sem unnið er úr jarðolíu, litarefnum í textíl, neysluvörum, skordýraeitri (náttfiðrildum og skordýraeitri), mýkiefnum og tannínum og eru því útbreidd í mörgum vistkerfum (Preuss o.fl., 2003). Nýlegar skýrslur varpa ljósi á uppsöfnun naftalenþéttni í grunnvatnssetlög, grunnvatni og jarðvegi neðanjarðar, lækjum og árfarvegum, sem bendir til líffræðilegrar uppsöfnunar þess í umhverfinu (Duttagupta o.fl., 2019, 2020). Tafla 2 sýnir samantekt á eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum, notkun og heilsufarsáhrifum naftalens og afleiða þess. Í samanburði við önnur PAH með háa sameindaþyngd eru naftalen og afleiður þess minna vatnsfælin, vatnsleysanlegri og víða dreifð í vistkerfum, þannig að þau eru oft notuð sem fyrirmyndarundirlag til að rannsaka efnaskipti, erfðafræði og efnaskiptafjölbreytni PAH efna. Fjölmargar örverur geta umbrotið naftalen og afleiður þess og ítarlegar upplýsingar eru tiltækar um efnaskiptaferla þeirra, ensím og stjórnunareiginleika (Mallick o.fl., 2011; Phale o.fl., 2019, 2020). Þar að auki eru naftalen og afleiður þess tilnefnd sem frumefnasambönd fyrir mat á umhverfismengun vegna mikils magns og lífvirkni þeirra. Bandaríska umhverfisverndarstofnunin áætlar að meðalmagn naftalens sé 5,19 μg á rúmmetra úr sígarettureyk, aðallega frá ófullkominni bruna, og 7,8 til 46 μg úr hliðarreyk, en útsetning fyrir kreósóti og naftaleni er 100 til 10.000 sinnum hærri (Preuss o.fl. 2003). Sérstaklega hefur komið í ljós að naftalen hefur tegundar-, svæðis- og kynsbundin eituráhrif á öndunarfæri og krabbameinsvaldandi áhrif. Byggt á dýrarannsóknum hefur Alþjóðakrabbameinsrannsóknastofnunin (IARC) flokkað naftalen sem „hugsanlegan krabbameinsvaldandi eiginleika hjá mönnum“ (flokkur 2B)1. Útsetning fyrir staðgenglum naftalenum, aðallega með innöndun eða inntöku í æð (inntöku), veldur lungnavefsskaða og eykur tíðni lungnaæxla hjá rottum og músum (Þjóðar eiturefnafræðiáætlun 2). Bráð áhrif eru meðal annars ógleði, uppköst, kviðverkir, niðurgangur, höfuðverkur, rugl, mikil svitamyndun, hiti, hraðsláttur o.s.frv. Hins vegar hefur verið greint frá því að breiðvirka skordýraeitrið karbamat karbarýl (1-naftýl N-metýlkarbamat) sé eitrað fyrir vatnalífverur, froskdýr, býflugur og menn og hefur reynst hamla asetýlkólínesterasa sem veldur lömun (Smulders o.fl., 2003; Bulen og Distel, 2011). Því er mikilvægt að skilja ferla örverufræðilegrar niðurbrots, erfðafræðilegrar stjórnun, ensím- og frumuviðbragða til að þróa lífrænar úrbætur í menguðu umhverfi.
Tafla 2. Ítarlegar upplýsingar um eðlis- og efnafræðilega eiginleika, notkun, auðkenningaraðferðir og tengda sjúkdóma naftalens og afleiða þess.
Í menguðum sessum geta vatnsfælin og fituleysanleg arómatísk mengunarefni valdið ýmsum frumuáhrifum á umhverfisörveruflóruna (samfélagið), svo sem breytingum á himnuflæði, gegndræpi himnu, bólgu í lípíðtvílögum, truflun á orkuflutningi (rafeindaflutningskeðja/róteindahreyfikraftur) og virkni himnutengdra próteina (Sikkema o.fl., 1995). Að auki mynda sum leysanleg milliefni eins og katekól og kínón hvarfgjörn súrefnistegund (ROS) og mynda tengiefni með DNA og próteinum (Penning o.fl., 1999). Þannig veldur gnægð slíkra efnasambanda í vistkerfum sértækum þrýstingi á örverusamfélög til að verða skilvirk niðurbrotsefni á ýmsum lífeðlisfræðilegum stigum, þar á meðal upptöku/flutningi, innanfrumuumbreytingu, aðlögun/nýtingu og hólfun.
Leit í Ribosomal Database Project-II (RDP-II) leiddi í ljós að alls 926 bakteríutegundir voru einangraðar úr ræktunarmiðlum eða auðgunarræktum sem menguðust með naftaleni eða afleiðum þess. Proteobacteria hópurinn hafði flesta fulltrúa (n = 755), þar á eftir komu Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) og óflokkaðar bakteríur (8) (Mynd 2). Fulltrúar γ-Proteobacteria (Pseudomonadales og Xanthomonadales) voru ríkjandi í öllum Gram-neikvæðum hópum með hátt G+C innihald (54%), en Clostridiales og Bacillales (30%) voru Gram-jákvæðir hópar með lágt G+C innihald. Greint hefur verið frá því að Pseudomonas (hæsta fjöldi, 338 tegundir) geti brotið niður naftalen og metýlafleiður þess í ýmsum menguðum vistkerfum (koltjöru, jarðolíu, hráolíu, sey, olíulekum, frárennslisvatni, lífrænum úrgangi og urðunarstöðum) sem og í ósnortnum vistkerfum (jarðvegi, ám, setlögum og grunnvatni) (Mynd 2). Ennfremur leiddu auðgunarrannsóknir og erfðamengisgreiningar á sumum þessara svæða í ljós að óræktaðar Legionella og Clostridium tegundir gætu haft niðurbrotsgetu, sem bendir til þess að rækta þurfi þessar bakteríur til að rannsaka nýjar leiðir og efnaskiptafjölbreytni.
Mynd 2. Flokkunarfræðileg fjölbreytni og vistfræðileg dreifing bakteríufulltrúa í umhverfi sem er mengað af naftaleni og naftalenafleiðum.
Meðal hinna ýmsu örvera sem brjóta niður arómatísk kolvetni eru flestar færar um að brjóta niður naftalen sem eina kolefnis- og orkugjafa. Atburðarásin sem tekur þátt í efnaskiptum naftalens hefur verið lýst fyrir Pseudomonas sp. (stofnar: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 og CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 og aðrir stofnar (ND6 og AS1) (Mahajan o.fl., 1994; Resnick o.fl., 1996; Annweiler o.fl., 2000; Basu o.fl., 2003; Dennis og Zylstra, 2004; Sota o.fl., 2006); Efnaskipti hefjast með fjölþátta díoxýgenasa [naftalen díoxýgenasi (NDO), hringhýdroxýlerandi díoxýgenasi] sem hvatar oxun eins af arómatísku hringjunum í naftaleni með því að nota sameindasúrefni sem hitt hvarfefnið, og umbreytir naftaleni í cis-naftalendíól (Mynd 3). Cis-díhýdródíól er umbreytt í 1,2-díhýdroxýnaftalen með dehýdrógenasi. Hringkljúfandi díoxýgenasi, 1,2-díhýdroxýnaftalen díoxýgenasi (12DHNDO), breytir 1,2-díhýdroxýnaftaleni í 2-hýdroxýkrómen-2-karboxýlsýru. Ensímfræðileg cis-trans ísómering framleiðir trans-o-hýdroxýbensýlídenpýrúvat, sem er klofið af hýdratasa aldólasa í salisýlaldehýð og pýrúvat. Lífræna sýrupýrúvatið var fyrsta C3 efnasambandið sem var unnið úr kolefnisgrind naftalens og beint inn í miðlæga kolefnisferilinn. Að auki breytir NAD+-háð salisýlaldehýð dehýdrógenasi salisýlaldehýð í salisýlsýru. Efnaskipti á þessu stigi eru kölluð „efri leið“ niðurbrots naftalens. Þessi leið er mjög algeng í flestum naftalen-niðurbrjótandi bakteríum. Hins vegar eru nokkrar undantekningar; til dæmis, í hitakærum Bacillus hamburgii 2, hefst niðurbrot naftalens af naftalen 2,3-díoxýgenasa í mynda 2,3-díhýdroxýnaftalen (Annweiler o.fl., 2000).
Mynd 3. Ferlar niðurbrots naftalens, metýlnaftalens, naftósýru og karbarýls. Hringmerktar tölur tákna ensím sem bera ábyrgð á röð umbreytingu naftalens og afleiða þess í síðari afurðir. 1 — naftalen díoxýgenasi (NDO); 2, cis-díhýdródíól dehýdrógenasi; 3, 1,2-díhýdroxýnaftalen díoxýgenasi; 4, 2-hýdroxýkrómen-2-karboxýlsýru ísómerasi; 5, trans-O-hýdroxýbensýlídenpýrúvat hýdratasi aldólasi; 6, salisýlaldehýð dehýdrógenasi; 7, salisýlat 1-hýdroxýlasi; 8, katekól 2,3-díoxýgenasi (C23DO); 9, 2-hýdroxýmúkonat hálfaldehýð dehýdrógenasi; 10, 2-oxópent-4-enóat hýdratasi; 11, 4-hýdroxý-2-oxópentanóat aldólasi; 12, asetaldehýð dehýdrógenasi; 13, katekól-1,2-díoxýgenasi (C12DO); 14, múkonat sýklóísómerasi; 15, múkonólaktón delta-ísómerasi; 16, β-ketóadípatenólaktón hýdrólasi; 17, β-ketóadípat súksínýl-CoA transferasi; 18, β-ketóadípat-CoA þíólasi; 19, súksínýl-CoA: asetýl-CoA súksínýltransferasi; 20, salisýlat 5-hýdroxýlasi; 21 – gentisat 1,2-díoxýgenasi (GDO); 22, maleýlpýrúvat ísómerasi; 23, fúmarýlpýrúvat hýdrólasi; 24, metýlnaftalen hýdroxýlasi (NDO); 25, hýdroxýmetýlnaftalen dehýdrógenasi; 26, naftaldehýð dehýdrógenasi; 27, 3-formýlsalisýlsýruoxídasi; 28, hýdroxýísóþalat dekarboxýlasi; 29, karbarýlhýdrólasi (CH4); 30, 1-naftól-2-hýdroxýlasi.
Eftir því hvaða lífvera umlykur og erfðafræðilega samsetningu hún umbrotnar salisýlsýran frekar, annaðhvort í gegnum katekólferilinn með salisýlat 1-hýdroxýlasa (S1H) eða í gegnum gentisatferilinn með salisýlat 5-hýdroxýlasa (S5H) (Mynd 3). Þar sem salisýlsýra er aðal milliefnið í efnaskiptum naftalens (efri ferillinn), eru skrefin frá salisýlsýru til TCA milliefnisins oft kölluð neðri ferillinn, og genin eru skipulögð í eitt óperón. Algengt er að genin í efri ferilsóperóninu (nah) og neðri ferilsóperóninu (sal) séu stjórnuð af sameiginlegum stjórnunarþáttum; til dæmis virka NahR og salisýlsýra sem örvar, sem gerir báðum óperónunum kleift að umbrotna naftalen að fullu (Phale o.fl., 2019, 2020).
Að auki er katekól klofið hringlaga í 2-hýdroxýmúkonat semíaldehýð í gegnum meta-ferilinn af katekól 2,3-díoxýgenasa (C23DO) (Yen o.fl., 1988) og síðan vatnsrofið af 2-hýdroxýmúkonat semíaldehýðhýdrólasa til að mynda 2-hýdroxýpent-2,4-díenósýru. 2-hýdroxýpent-2,4-díenóat er síðan breytt í pýrúvat og asetaldehýð af hýdratasa (2-oxópent-4-enóat hýdratasa) og aldólasa (4-hýdroxý-2-oxópentanóat aldólasa) og fer síðan inn í miðlæga kolefnisferilinn (Mynd 3). Einnig er katekól klofið hringlaga í cis,cis-múkonat í gegnum ortho-ferilinn af katekól 1,2-oxýgenasa (C12DO). Múkonat sýklóísómerasi, múkonólaktón ísómerasi og β-ketóadípat-nólaktón hýdrólasi umbreyta cis,cis-múkonati í 3-oxóadípat, sem fer inn í miðlæga kolefnisleiðina í gegnum súksínýl-CoA og asetýl-CoA (Nozaki o.fl., 1968) (Mynd 3).
Í gentisat (2,5-díhýdroxýbensóat) ferlinu er arómatíska hringurinn klofinn af gentisat 1,2-díoxýgenasa (GDO) til að mynda maleýlpýrúvat. Þessa vöru er hægt að vatnsrofa beint í pýrúvat og malat, eða hana er hægt að ísómera til að mynda fúmarýlpýrúvat, sem síðan er hægt að vatnsrofa í pýrúvat og fúmarat (Larkin og Day, 1986). Val á annarri ferli hefur sést í bæði gram-neikvæðum og gram-jákvæðum bakteríum á lífefnafræðilegu og erfðafræðilegu stigi (Morawski o.fl., 1997; Whyte o.fl., 1997). Gram-neikvæðar bakteríur (Pseudomonas) kjósa að nota salisýlsýru, sem er örvi á efnaskiptum naftalens, og afkarboxýlera hana í katekól með salisýlat 1-hýdroxýlasa (Gibson og Subramanian, 1984). Hins vegar, í Gram-jákvæðum bakteríum (Rhodococcus), breytir salisýlat 5-hýdroxýlasi salisýlsýru í gentisínsýru, en salisýlsýra hefur engin áhrif á umritun naftalengena (Grund o.fl., 1992) (Mynd 3).
Greint hefur verið frá því að tegundir eins og Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas og Mycobacterium geti brotið niður mónómetýlnaftalen eða dímetýlnaftalen (Dean-Raymond og Bartha, 1975; Cane og Williams, 1982; Mahajan o.fl., 1994; Dutta o.fl., 1998; Hedlund o.fl., 1999). Meðal þeirra hefur niðurbrotsleið 1-metýlnaftalens og 2-metýlnaftalens í Pseudomonas sp. CSV86 verið greinilega rannsökuð á lífefnafræðilegu og ensímfræðilegu stigi (Mahajan o.fl., 1994). 1-metýlnaftalen umbrotnast í gegnum tvær leiðir. Fyrst er arómatíska hringurinn hýdroxýleraður (ósetni hringurinn í metýlnaftaleni) til að mynda cis-1,2-díhýdroxý-1,2-díhýdró-8-metýlnaftalen, sem er síðan oxað frekar í metýlsalisýlat og metýlkatekól og fer síðan inn í miðlæga kolefnisleiðina eftir hringklofningu (Mynd 3). Þessi leið er kölluð „kolefnisuppsprettuleiðin“. Í annarri „afeitrunarleiðinni“ getur metýlhópurinn verið hýdroxýleraður með NDO til að mynda 1-hýdroxýmetýlnaftalen, sem er síðan oxað frekar í 1-naftosýru og skilið út í ræktunarmiðilinn sem blindgataafurð. Rannsóknir hafa sýnt að stofninn CSV86 getur ekki vaxið á 1- og 2-naftosýru sem einu kolefnis- og orkugjafa, sem staðfestir afeitrunarleið þess (Mahajan o.fl., 1994; Basu o.fl., 2003). Í 2-metýlnaftaleni gengst metýlhópurinn undir hýdroxýleringu með hýdroxýlasa til að mynda 2-hýdroxýmetýlnaftalen. Að auki gengst óskipti hringurinn í naftalenhringnum undir hringhýdroxýleringu til að mynda díhýdródíól, sem oxast í 4-hýdroxýmetýlkatekól í röð ensímhvataðra efnahvarfa og fer inn í miðlæga kolefnisferilinn í gegnum meta-hring klofnunarferilinn. Á sama hátt hefur verið greint frá því að S. paucimobilis 2322 noti NDO til að hýdroxýlera 2-metýlnaftalen, sem oxast síðan til að mynda metýlsalisýlat og metýlkatekól (Dutta o.fl., 1998).
Naftosýrur (með/ómeð) eru aukaafurðir afeitrunar/lífumbreytinga sem myndast við niðurbrot metýlnaftalens, fenantren og antrasens og losna út í notaðan ræktunarmiðil. Greint hefur verið frá því að jarðvegseinangrunin Stenotrophomonas maltophilia CSV89 geti umbrotið 1-naftosýru sem kolefnisgjafa (Phale o.fl., 1995). Umbrot hefjast með tvíhýdroxýleringu arómatíska hringsins til að mynda 1,2-díhýdroxý-8-karboxýnaftalen. Díólið sem myndast oxast í katekól í gegnum 2-hýdroxý-3-karboxýbensýlídenpýrúvat, 3-formýlsalisýlsýru, 2-hýdroxýísóþalsýru og salisýlsýru og fer inn í miðlæga kolefnisleiðina í gegnum meta-hring klofningsleiðina (Mynd 3).
Karbarýl er skordýraeitur sem inniheldur naftýlkarbamat. Frá Grænu byltingunni á Indlandi á áttunda áratugnum hefur notkun efnaáburðar og skordýraeiturs leitt til aukinnar losunar fjölhringa arómatískra vetniskolefna (PAH) frá landbúnaðaruppsprettum sem ekki eru punktar (Pingali, 2012; Duttagupta o.fl., 2020). Áætlað er að 55% (85.722.000 hektarar) af heildarræktarlandi á Indlandi séu meðhöndluð með efnaskordýraeitri. Á síðustu fimm árum (2015–2020) hefur indverski landbúnaðargeirinn notað að meðaltali 55.000 til 60.000 tonn af skordýraeitri árlega (Samvinnufélög og velferð bænda, landbúnaðarráðuneytið, ríkisstjórn Indlands, ágúst 2020). Á norður- og mið-Gangetisléttunni (ríkjunum með hæsta íbúafjölda og þéttleika íbúa) er notkun skordýraeiturs á ræktun útbreidd, þar sem skordýraeitur eru ríkjandi. Karbarýl (1-naftýl-N-metýlkarbamat) er breiðvirkt, miðlungs til mjög eitrað karbamat skordýraeitur sem notað er í indverskum landbúnaði í að meðaltali 100–110 tonnum. Það er almennt selt undir vörumerkinu Sevin og er notað til að stjórna skordýrum (blaðlúsum, maurum, flóm, mítlum, köngulóm og mörgum öðrum meindýrum utandyra) sem hafa áhrif á fjölbreyttar ræktanir (maís, sojabaunir, bómull, ávexti og grænmeti). Sumar örverur eins og Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus og Arthrobacter geta einnig verið notaðar til að stjórna öðrum meindýrum. Greint hefur verið frá því að RC100 geti brotið niður karbarýl (Larkin og Day, 1986; Chapalamadugu og Chaudhry, 1991; Hayatsu o.fl., 1999; Swetha og Phale, 2005; Trivedi o.fl., 2017). Niðurbrotsleið karbarýls hefur verið rannsökuð ítarlega á lífefnafræðilegu, ensíma- og erfðafræðilegu stigi í jarðvegsstofnum af Pseudomonas sp. stofnum C4, C5 og C6 (Swetha og Phale, 2005; Trivedi o.fl., 2016) (Mynd 3). Efnaskiptaferillinn hefst með vatnsrofi estertengisins með karbarýlhýdrólasa (CH4) til að mynda 1-naftól, metýlamín og koltvísýring. 1-naftól er síðan breytt í 1,2-díhýdroxýnaftalen með 1-naftólhýdroxýlasa (1-NH), sem umbrotnar síðan frekar um miðlæga kolefnisleiðina í gegnum salisýlat og gentisat. Greint hefur verið frá því að sumar karbarýl-niðurbrjótandi bakteríur umbrotni það í salisýlsýru með klofningi á katekól-ortóhringnum (Larkin og Day, 1986; Chapalamadugu og Chaudhry, 1991). Athyglisvert er að naftalen-niðurbrjótandi bakteríur umbrotna aðallega salisýlsýru í gegnum katekól, en karbarýl-niðurbrjótandi bakteríur kjósa að umbrotna salisýlsýru í gegnum gentisatleiðina.
Naftalensúlfónsýru/dísúlfónsýru og afleiður af naftýlamínsúlfónsýru má nota sem milliefni við framleiðslu á asólitarefnum, rakaefnum, dreifiefnum o.s.frv. Þó að þessi efnasambönd hafi litla eituráhrif fyrir menn, hafa frumueituráhrifamat sýnt að þau eru banvæn fyrir fiska, halaflórur og þörunga (Greim o.fl., 1994). Greint hefur verið frá því að fulltrúar ættkvíslarinnar Pseudomonas (stofnar A3, C22) hefji efnaskipti með tvöfaldri hýdroxýleringu á arómatíska hringnum sem inniheldur súlfónsýruhópinn til að mynda díhýdródíól, sem síðan er breytt í 1,2-díhýdroxýnaftalen með sjálfkrafa klofningi súlfíthópsins (Brilon o.fl., 1981). 1,2-díhýdroxýnaftalenið sem myndast er brotið niður í gegnum hefðbundna naftalenferilinn, þ.e. katekól- eða gentisatferilinn (Mynd 4). Það hefur verið sýnt fram á að amínónaftalensúlfónsýru og hýdroxýnaftalensúlfónsýru geta brotnað niður að fullu af blönduðum bakteríusamtökum með viðbótar niðurbrotsferlum (Nortemann o.fl., 1986). Það hefur verið sýnt fram á að einn meðlimur samtakanna brennisteinslausnar amínónaftalensúlfónsýru eða hýdroxýnaftalensúlfónsýru með 1,2-díoxýgeneringu, en amínósalisýlat eða hýdroxýsalisýlat losnar út í ræktunarmiðilinn sem blindgata umbrotsefni og er síðan tekið upp af öðrum meðlimum samtakanna. Naftalendísúlfónsýra er tiltölulega pólsk en illa niðurbrjótanleg og því er hægt að umbrotna hana eftir mismunandi ferlum. Fyrsta brennisteinslausnin á sér stað við svæðisbundna tvíhýdroxýleringu arómatíska hringsins og súlfónsýruhópsins; Önnur brennisteinseyðing á sér stað við hýdroxýleringu 5-súlfósalisýlsýru með salisýlsýru-5-hýdroxýlasa til að mynda gentisínsýru, sem fer inn í miðlæga kolefnisleiðina (Brilon o.fl., 1981) (Mynd 4). Ensímin sem bera ábyrgð á niðurbroti naftalens bera einnig ábyrgð á efnaskiptum naftalensúlfónats (Brilon o.fl., 1981; Keck o.fl., 2006).
Mynd 4. Efnaskiptaferlar niðurbrots naftalensúlfónats. Tölurnar innan hringjanna tákna ensímin sem bera ábyrgð á efnaskiptum naftýlsúlfónats, svipuð/eins og ensímin sem lýst er á mynd 3.
PAH-efni með lágan mólþunga (LMW-PAH) eru afoxanleg, vatnsfælin og illa leysanleg og því ekki viðkvæm fyrir náttúrulegu niðurbroti/niðurbroti. Hins vegar geta loftháðar örverur oxað þau með því að taka upp sameindasúrefni (O2). Þessi ensím tilheyra aðallega flokki oxídóredúktasa og geta framkvæmt ýmis efnahvörf eins og arómatíska hringhýdroxýleringu (ein- eða tvíhýdroxýleringu), afvetnun og klofnun arómatískra hringa. Afurðirnar sem fást við þessi efnahvörf eru í hærra oxunarástandi og umbrotna auðveldlegar í gegnum miðlæga kolefnisferilinn (Phale o.fl., 2020). Greint hefur verið frá því að ensímin í niðurbrotsferlinu séu örvandi. Virkni þessara ensíma er mjög lítil eða hverfandi þegar frumur eru ræktaðar á einföldum kolefnisgjöfum eins og glúkósa eða lífrænum sýrum. Tafla 3 sýnir samantekt á hinum ýmsu ensímum (súrefnis-, hýdrólasa-, afvetnunar-, oxídasa- o.s.frv.) sem taka þátt í umbrotum naftalens og afleiða þess.
Tafla 3. Lífefnafræðilegir eiginleikar ensíma sem bera ábyrgð á niðurbroti naftalens og afleiða þess.
Rannsóknir á geislavirkum samsætum (18O2) hafa sýnt að innlimun sameinda O2 í arómatíska hringi með súrefnisösum er mikilvægasta skrefið í að virkja frekari niðurbrot efnasambands (Hayaishi o.fl., 1955; Mason o.fl., 1955). Innlimun eins súrefnisatóms (O) úr sameindasúrefni (O2) í undirlagið er hafin af annað hvort innrænum eða utanaðkomandi mónóoxýgenösum (einnig kallaðir hýdroxýlasar). Annað súrefnisatóm er afoxað í vatn. Utanaðkomandi mónóoxýgenasar afoxa flavín með NADH eða NADPH, en í endómónóoxýgenösum er flavín afoxað af undirlaginu. Staðsetning hýdroxýleringar leiðir til fjölbreytni í myndun afurða. Til dæmis hýdroxýlerar salisýlat 1-hýdroxýlasi salisýlsýru í C1 stöðunni og myndar katekól. Hins vegar hýdroxýlerar fjölþátta salisýlat 5-hýdroxýlasi (sem inniheldur redúktasa, ferredoxín og súrefniasa undireiningar) salisýlsýru í C5 stöðu og myndar gentisínsýru (Yamamoto o.fl., 1965).
Díoxýgenasar fella tvö O2 atóm inn í hvarfefnið. Þeir skiptast í hringhýdroxýlerandi díoxýgenasa og hringkljúfandi díoxýgenasa, allt eftir því hvaða afurðir myndast. Hringhýdroxýlerandi díoxýgenasar umbreyta arómatískum hvarfefnum í cis-díhýdródíól (t.d. naftalen) og eru útbreiddir meðal baktería. Hingað til hefur verið sýnt fram á að lífverur sem innihalda hringhýdroxýlerandi díoxýgenasa geta vaxið á ýmsum arómatískum kolefnisgjöfum og þessi ensím eru flokkuð sem NDO (naftalen), tólúen díoxýgenasi (TDO, tólúen) og bífenýl díoxýgenasi (BPDO, bífenýl). Bæði NDO og BPDO geta hvatað tvöfalda oxun og hliðarkeðjuhýdroxýleringu ýmissa fjölhringja arómatískra kolvetna (tólúen, nítrótólúen, xýlen, etýlbensen, naftalen, bífenýl, flúoren, indól, metýlnaftalen, naftalensúlfónat, fenantren, antrasen, asetófenón, o.s.frv.) (Boyd og Sheldrake, 1998; Phale o.fl., 2020). NDO er fjölþátta kerfi sem samanstendur af oxídóredúktasa, ferredoxíni og virku staðbundnu súrefnisasa þætti (Gibson og Subramanian, 1984; Resnick o.fl., 1996). Hvataeining NDO samanstendur af stórri α undireiningu og lítilli β undireiningu sem eru raðaðar í α3β3 stillingu. NDO tilheyrir stórri fjölskyldu súrefnisasa og α-undireining þess inniheldur Rieske-stað [2Fe-2S] og einkjarna járn sem ekki er hem, sem ákvarðar hvarfefnissértækni NDO (Parales o.fl., 1998). Venjulega, í einum hvataferli, eru tvær rafeindir frá afoxun pýridín núkleótíðs fluttar til Fe(II) jónarinnar í virka staðnum í gegnum redúktasa, ferredoxín og Rieske-stað. Afoxunarjafngildin virkja sameindasúrefni, sem er forsenda fyrir tvíhýdroxýleringu hvarfefnisins (Ferraro o.fl., 2005). Hingað til hafa aðeins fáein NDO verið hreinsuð og einkennd í smáatriðum úr mismunandi stofnum og erfðafræðileg stjórnun á ferlum sem taka þátt í niðurbroti naftalens hefur verið rannsökuð í smáatriðum (Resnick o.fl., 1996; Parales o.fl., 1998; Karlsson o.fl., 2003). Hringkljúfandi díoxýgenasar (endo- eða ortho-hringkljúfandi ensím og exodiol- eða meta-hringkljúfandi ensím) virka á hýdroxýleruð arómatísk efnasambönd. Til dæmis er ortho-hringkljúfandi díoxýgenasinn katekól-1,2-díoxýgenasi, en meta-hringkljúfandi díoxýgenasinn er katekól-2,3-díoxýgenasi (Kojima o.fl., 1961; Nozaki o.fl., 1968). Auk ýmissa súrefnisasa eru einnig til ýmis dehýdrógenasar sem bera ábyrgð á afhýdrógeneringu arómatískra díhýdródíóla, alkóhóla og aldehýða og nota NAD+/NADP+ sem rafeindaþega, sem eru nokkur af mikilvægum ensímum sem taka þátt í efnaskiptum (Gibson og Subramanian, 1984; Shaw og Harayama, 1990; Fahle o.fl., 2020).
Ensím eins og hýdrólasar (esterasar, amidasar) eru annar mikilvægur flokkur ensíma sem nota vatn til að kljúfa samgild tengi og sýna breiða hvarfefnissértækni. Karbarýlhýdrólasi og aðrir hýdrólasar eru taldir vera þættir í umfrymi (himnu) Gram-neikvæðra baktería (Kamini o.fl., 2018). Karbarýl hefur bæði amíð- og estertengi; því er hægt að vatnsrofa það með annað hvort esterasa eða amidasa til að mynda 1-naftól. Greint hefur verið frá því að karbarýl í Rhizobium rhizobium stofni AC10023 og Arthrobacter stofni RC100 virki sem esterasi og amidasi, talið í sömu röð. Karbarýl í Arthrobacter stofni RC100 virkar einnig sem amidasi. Sýnt hefur verið fram á að RC100 vatnsrofið fjögur skordýraeitur af N-metýlkarbamat flokki eins og karbarýl, metomýl, mefenamsýru og XMC (Hayaatsu o.fl., 2001). Greint hefur verið frá því að CH í Pseudomonas sp. C5pp geti virkað á karbarýl (100% virkni) og 1-naftýlasetat (36% virkni), en ekki á 1-naftýlasetamíð, sem bendir til þess að það sé esterasi (Trivedi o.fl., 2016).
Lífefnafræðilegar rannsóknir, stjórnmynstur ensíma og erfðagreiningar hafa sýnt að niðurbrotsgen naftalens samanstanda af tveimur örvanlegum stjórnunareiningum eða „óperónum“: nah (uppstreymisleiðin, sem breytir naftaleni í salisýlsýru) og sal (niðurstreymisleiðin, sem breytir salisýlsýru í miðlæga kolefnisleiðina í gegnum katekól). Salisýlsýra og hliðstæður hennar geta virkað sem örvar (Shamsuzzaman og Barnsley, 1974). Í viðurvist glúkósa eða lífrænna sýra er óperónið bælt. Mynd 5 sýnir alla erfðafræðilega skipulagningu niðurbrots naftalens (í óperónformi). Nokkrar nefndar afbrigði/gerðir af nah geninu (ndo/pah/dox) hafa verið lýstar og reynst hafa mikla raðsamsvörun (90%) meðal allra Pseudomonas tegunda (Abbasian o.fl., 2016). Genin í uppstreymisleið naftalens voru almennt raðað í samhljóða röð eins og sýnt er á mynd 5A. Annað gen, nahQ, hefur einnig verið greint frá sem þátttakandi í efnaskiptum naftalens og var venjulega staðsett á milli nahC og nahE, en raunveruleg virkni þess er enn óljós. Á sama hátt fannst nahY genið, sem ber ábyrgð á naftalennæmri efnafræðilegri taxa, á öfuga enda nah óperónsins í sumum meðlimum. Í Ralstonia sp. fannst U2 genið sem kóðar fyrir glútaþíón S-transferasa (gsh) staðsett á milli nahAa og nahAb en hafði ekki áhrif á nýtingareiginleika naftalens (Zylstra o.fl., 1997).
Mynd 5. Erfðafræðileg skipulagning og fjölbreytileiki sem sést við niðurbrot naftalens meðal bakteríutegunda; (A) Efri naftalenleið, umbrot naftalens í salisýlsýru; (B) Neðri naftalenleið, salisýlsýra í gegnum katekól að miðlægu kolefnisleiðinni; (C) salisýlsýra í gegnum gentisat að miðlægu kolefnisleiðinni.
„Neðri leiðin“ (sal óperón) samanstendur venjulega af nahGTHINLMOKJ og breytir salisýlati í pýrúvat og asetaldehýð í gegnum katekólmetarunarkljúfunarleiðina. NahG genið (sem kóðar fyrir salisýlat hýdroxýlasa) reyndist vera varðveitt í efri enda óperónsins (Mynd 5B). Í samanburði við aðra naftalen-brjótandi stofna eru nah og sal óperónarnir samtengdir og mjög skyldir í P. putida CSV86 (um 7,5 kb). Í sumum gram-neikvæðum bakteríum, svo sem Ralstonia sp. U2, Polaramonas naphthalenivorans CJ2 og P. putida AK5, umbrotnast naftalen sem miðlægt kolefnisumbrotsefni í gegnum gentisate leiðina (í formi sgp/nag óperónsins). Genasettan er yfirleitt táknuð á forminu nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, þar sem nagR (sem kóðar fyrir LysR-gerð stjórnanda) er staðsett efst (mynd 5C).
Karbarýl fer inn í miðlæga kolefnishringrásina í gegnum umbrot 1-naftóls, 1,2-díhýdroxýnaftalens, salisýlsýru og gentisínsýru (Mynd 3). Byggt á erfðafræðilegum og efnaskiptarannsóknum hefur verið lagt til að skipta þessari leið í „uppstreymis“ (umbreyting karbarýls í salisýlsýru), „miðlæga“ (umbreyting salisýlsýru í gentisínsýru) og „niðurstreymis“ (umbreyting gentisínsýru í milliefni í miðlægri kolefnishringrás) (Singh o.fl., 2013). Erfðagreining á C5pp (supercontig A, 76,3 kb) leiddi í ljós að mcbACBDEF genið tekur þátt í umbreytingu karbarýls í salisýlsýru, síðan mcbIJKL í umbreytingu salisýlsýru í gentisínsýru og mcbOQP í umbreytingu gentisínsýru í miðlæga kolefnismilliefni (fúmarat og pýrúvat, Trivedi o.fl., 2016) (Mynd 6).
Greint hefur verið frá því að ensím sem taka þátt í niðurbroti arómatískra kolvetna (þar á meðal naftalens og salisýlsýru) geti verið örvuð af samsvarandi efnasamböndum og hindruð af einföldum kolefnisgjöfum eins og glúkósa eða lífrænum sýrum (Shingler, 2003; Phale o.fl., 2019, 2020). Meðal hinna ýmsu efnaskiptaferla naftalens og afleiða þess hafa stjórnunareiginleikar naftalens og karbarýls verið rannsakaðir að einhverju leyti. Fyrir naftalen eru gen bæði í uppstreymis- og niðurstreymisferlum stjórnað af NahR, jákvæðum umbreytingarstýri af gerðinni LysR. Hann er nauðsynlegur fyrir örvun nah-gensins með salisýlsýru og síðari tjáningu þess á háu stigi (Yen og Gunsalus, 1982). Ennfremur hafa rannsóknir sýnt að samþættingarþáttur hýsils (IHF) og XylR (sigma 54-háður umritunarstýri) eru einnig mikilvæg fyrir umritunarvirkjun gena í efnaskiptum naftalens (Ramos o.fl., 1997). Rannsóknir hafa sýnt að ensím katekól-meta-hringopnunarleiðarinnar, þ.e. katekól 2,3-díoxýgenasi, eru örvuð í návist naftalens og/eða salisýlsýru (Basu o.fl., 2006). Rannsóknir hafa sýnt að ensím katekól-ortó-hringopnunarleiðarinnar, þ.e. katekól 1,2-díoxýgenasi, eru örvuð í návist bensósýru og cis,cis-múkonats (Parsek o.fl., 1994; Tover o.fl., 2001).
Í stofni C5pp umrita fimm gen, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR og mcbS, stjórnendur sem tilheyra LysR/TetR fjölskyldunni af umritunarstjórnendum sem bera ábyrgð á að stjórna niðurbroti karbarýls. Einsleita genið mcbG reyndist vera náskyldast LysR-gerð stjórnandanum PhnS (58% amínósýrusamkennd) sem tekur þátt í umbrotum fenantrena í Burkholderia RP00725 (Trivedi o.fl., 2016). McbH genið reyndist taka þátt í milliferlinu (umbreytingu salisýlsýru í gentisínsýru) og tilheyrir LysR-gerð umritunarstjórnandanum NagR/DntR/NahR í Pseudomonas og Burkholderia. Meðlimir þessarar fjölskyldu þekktu salisýlsýru sem sértæka áhrifavalda fyrir örvun niðurbrotsgena. Hins vegar voru þrjú gen, mcbN, mcbR og mcbS, sem tilheyra umritunarstjórnendum af gerðunum LysR og TetR, greind í niðurstreymisferlinum (umbrotsefni gentisate-miðlæga kolefnisferilsins).
Í dreifkjörnungum eru láréttir genaflutningsferli (öflun, skipti eða flutningur) í gegnum plasmíð, transposón, prófága, erfðaeyjar og samþættingartengd samtengd frumefni (ICE) helstu orsakir sveigjanleika í erfðamengjum baktería, sem leiðir til aukinnar eða minnkunar á tilteknum aðgerðum/eiginleikum. Þetta gerir bakteríum kleift að aðlagast hratt mismunandi umhverfisaðstæðum og veita hýsilnum mögulega aðlögunarhæfa efnaskiptaforskot, svo sem niðurbrot arómatískra efnasambanda. Efnaskiptabreytingar eru oft náðar með fínstillingu niðurbrotsaðgerða, stjórnkerfa þeirra og ensímsértækni, sem auðveldar niðurbrot fjölbreyttari arómatískra efnasambanda (Nojiri o.fl., 2004; Phale o.fl., 2019, 2020). Genakassettur fyrir niðurbrot naftalens hafa reynst vera staðsettar á ýmsum hreyfanlegum frumefnum eins og plasmíðum (samtengdum og ósamtengdum), transposónum, erfðamengjum, ICE og samsetningum mismunandi bakteríutegunda (Mynd 5). Í Pseudomonas G7 eru nah- og sal-óperón plasmíðsins NAH7 umrituð í sömu stefnu og eru hluti af gölluðu transposoni sem þarfnast transposasa Tn4653 til hreyfanlegs ferlis (Sota o.fl., 2006). Í Pseudomonas stofni NCIB9816-4 fannst genið á samtengda plasmíði pDTG1 sem tvö óperón (um það bil 15 kb í sundur) sem voru umrituð í gagnstæðar áttir (Dennis og Zylstra, 2004). Í Pseudomonas putida stofni AK5 kóðar ósamtengda plasmíðið pAK5 fyrir ensíminu sem ber ábyrgð á niðurbroti naftalens í gegnum gentisate ferilinn (Izmalkova o.fl., 2013). Í Pseudomonas stofni PMD-1 er nah-þátturinn staðsettur á litningnum, en sal-þátturinn er staðsettur á samtengda plasmíði pMWD-1 (Zuniga o.fl., 1981). Hins vegar, í Pseudomonas stutzeri AN10, eru öll naftalen niðurbrotsgen (nah og sal þátttakendur) staðsett á litningnum og eru líklega aflað með tilfærslu, endurröðun og endurröðun (Bosch o.fl., 2000). Í Pseudomonas sp. CSV86 eru nah og sal þátttakendur staðsettir í erfðamenginu í formi ICE (ICECSV86). Uppbyggingin er vernduð af tRNAGly og síðan beinum endurtekningum sem gefa til kynna endurröðunar-/tengisstaði (attR og attL) og faga-líkum integrasa staðsettum á báðum endum tRNAGly, þannig að byggingarlega svipað og ICEclc frumefnið (ICEclcB13 í Pseudomonas knackmusii fyrir niðurbrot klórókatekóls). Greint hefur verið frá því að gen á ICE geti borist með samtengingu með afar lágri flutningstíðni (10-8), og þannig flutt niðurbrotseiginleika til viðtakandans (Basu og Phale, 2008; Phale o.fl., 2019).
Flest genin sem bera ábyrgð á niðurbroti karbarýls eru staðsett á plasmíðum. Arthrobacter sp. RC100 inniheldur þrjú plasmíð (pRC1, pRC2 og pRC300) þar af tvö samtengd plasmíð, pRC1 og pRC2, sem kóða fyrir ensímum sem breyta karbarýli í gentisat. Hins vegar eru ensímin sem taka þátt í umbreytingu gentisats í miðlægu kolefnisumbrotsefnin staðsett á litningnum (Hayaatsu o.fl., 1999). Bakteríur af ættkvíslinni Rhizobium. Stofn AC100, sem notaður er til umbreytingar á karbarýli í 1-naftól, innihalda plasmíðið pAC200, sem ber cehA genið sem kóðar fyrir CH sem hluta af Tnceh transposóninu umkringt innsetningarþáttalíkum röðum (istA og istB) (Hashimoto o.fl., 2002). Í Sphingomonas stofni CF06 er talið að karbarýl niðurbrotsgenið sé til staðar í fimm plasmíðum: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 og pCF05. DNA-samsvörun þessara plasmíða er mikil, sem bendir til tilvistar genaafritunar (Feng o.fl., 1997). Í karbarýl niðurbrotsandi samlífi sem samanstendur af tveimur Pseudomonas tegundum inniheldur stofn 50581 samtengda plasmíðið pCD1 (50 kb) sem kóðar fyrir mcd karbarýlhýdrólasa genið, en samtengda plasmíðið í stofni 50552 kóðar fyrir 1-naftól niðurbrotsandi ensími (Chapalamadugu og Chaudhry, 1991). Í Achromobacter stofni WM111 er mcd fúradan hýdrólasa genið staðsett á 100 kb plasmíði (pPDL11). Þetta gen hefur reynst vera til staðar á mismunandi plasmíðum (100, 105, 115 eða 124 kb) í mismunandi bakteríum frá mismunandi landfræðilegum svæðum (Parekh o.fl., 1995). Í Pseudomonas sp. C5pp eru öll gen sem bera ábyrgð á niðurbroti karbarýls staðsett í erfðamengi sem spannar 76,3 kb af röð (Trivedi o.fl., 2016). Erfðamengisgreining (6,15 Mb) leiddi í ljós nærveru 42 MGE og 36 GEI, þar af voru 17 MGE staðsett í supercontig A (76,3 kb) með meðalósamhverfu G+C innihaldi (54–60 mól%), sem bendir til mögulegra láréttra genaflutningsatburða (Trivedi o.fl., 2016). P. putida XWY-1 sýnir svipaða uppröðun karbarýl-niðurbrotsgena, en þessi gen eru staðsett á plasmíði (Zhu o.fl., 2019).
Auk efnaskiptahagkvæmni á lífefnafræðilegu og erfðafræðilegu stigi sýna örverur einnig aðra eiginleika eða svör eins og efnafræðilega taxa, eiginleika til að breyta frumuyfirborði, hólfaskiptingu, forgangsnýtingu, framleiðslu á líffræðilegum yfirborðsefnum o.s.frv., sem hjálpa þeim að umbrotna arómatísk mengunarefni á skilvirkari hátt í menguðu umhverfi (Mynd 7).
Mynd 7. Mismunandi frumuviðbragðsaðferðir hugsjónarbaktería sem brjóta niður arómatísk kolvetni fyrir skilvirka niðurbrot mengunarefna.
Efnafræðileg viðbrögð eru talin vera þættir sem auka niðurbrot lífrænna mengunarefna í ólíkmenguðum vistkerfum. (2002) sýndi fram á að efnafræðileg viðbrögð Pseudomonas sp. G7 gegn naftaleni jók hraða niðurbrots naftalens í vatnakerfum. Villta stofninn G7 brotnaði niður naftalen mun hraðar en stökkbreytt stofn sem skortir efnafræðileg viðbrögð. NahY próteinið (538 amínósýrur með himnubyggingu) reyndist vera samumritað með klofningsferlisgenunum á NAH7 plasmíði, og líkt og efnafræðilegir viðtakar virðist þetta prótein virka sem efnaviðtaki fyrir niðurbrot naftalens (Grimm og Harwood 1997). Önnur rannsókn eftir Hansel o.fl. (2009) sýndi að próteinið er efnafræðilegt viðtakandi, en niðurbrotshraði þess er mikill. (2011) sýndi fram á efnafræðilega svörun Pseudomonas (P. putida) við gaskenndu naftaleni, þar sem dreifing gasfasa leiddi til stöðugs flæðis naftalens til frumnanna, sem stjórnaði efnafræðilegri svörun frumnanna. Rannsakendurnir nýttu sér þessa efnafræðilegu hegðun til að búa til örverur sem myndu auka niðurbrotshraða. Rannsóknir hafa sýnt að efnafræðilegar skynjunarleiðir stjórna einnig öðrum frumustarfsemi eins og frumuskiptingu, stjórnun frumuhringrásar og myndun líffilmu, og hjálpa þannig til við að stjórna niðurbrotshraða. Hins vegar er nýting þessa eiginleika (efnafræðilegrar taugaáhrifa) fyrir skilvirkt niðurbrot hamluð af nokkrum flöskuhálsum. Helstu hindranirnar eru: (a) mismunandi samsíða viðtakar þekkja sömu efnasambönd/bindla; (b) tilvist annarra viðtaka, þ.e. orkumikill hitabeltismi; (c) marktækur raðmunur í skynjunarsvæðum sömu viðtakafjölskyldu; og (d) skortur á upplýsingum um helstu skynjunarprótein baktería (Ortega o.fl., 2017; Martin-Mora o.fl., 2018). Stundum myndar lífrænt niðurbrot arómatískra kolvetna marga umbrots-/milliefni, sem geta verið efnafræðilega virk fyrir einn hóp baktería en fráhrindandi fyrir aðra, sem flækir ferlið enn frekar. Til að bera kennsl á víxlverkun bindla (arómatískra kolvetna) við efnaviðtaka, smíðuðum við blendingaskynjaraprótein (PcaY, McfR og NahY) með því að sameina skynjara- og boðleiðir Pseudomonas putida og Escherichia coli, sem miða á viðtaka fyrir arómatískar sýrur, TCA milliefni og naftalen, talið í sömu röð (Luu o.fl., 2019).
Undir áhrifum naftalens og annarra fjölhringja arómatískra kolvetna (PAH) breytast verulegar breytingar á uppbyggingu bakteríuhimnunnar og heilleiki örveranna. Rannsóknir hafa sýnt að naftalen truflar víxlverkun asýlkeðjunnar með vatnsfælnum víxlverkunum og eykur þannig bólgu og vökva í himnunni (Sikkema o.fl., 1995). Til að vinna gegn þessum skaðlegu áhrifum stjórna bakteríur vökva í himnunni með því að breyta hlutfallinu og fitusýrusamsetningu milli ísó/anteisó greinóttra fitusýra og ísómera cis-ómettaðar fitusýrur í samsvarandi trans-ísómera (Heipieper og de Bont, 1994). Í Pseudomonas stutzeri sem ræktaður var með naftalenmeðhöndlun jókst hlutfall mettaðra og ómettaðra fitusýra úr 1,1 í 2,1, en í Pseudomonas JS150 jókst þetta hlutfall úr 7,5 í 12,0 (Mrozik o.fl., 2004). Þegar Achromobacter KAs 3–5 frumur voru ræktaðar með naftaleni sýndu þær frumusamloðun umhverfis naftalenkristalla og minnkun á yfirborðshleðslu frumna (úr -22,5 í -2,5 mV) ásamt þéttingu í umfrymi og safabólumyndun, sem bendir til breytinga á frumubyggingu og yfirborðseiginleikum frumna (Mohapatra o.fl., 2019). Þó að breytingar á frumu-/yfirborði tengist beint betri upptöku arómatískra mengunarefna, hafa viðeigandi líftækniaðferðir ekki verið fullkomlega fínstilltar. Meðferð á lögun frumna hefur sjaldan verið notuð til að fínstilla líffræðileg ferli (Volke og Nikel, 2018). Eyðing gena sem hafa áhrif á frumuskiptingu veldur breytingum á frumugerð. Eyðing gena sem hafa áhrif á frumuskiptingu veldur breytingum á frumugerð. Í Bacillus subtilis hefur verið sýnt fram á að frumuskilveggspróteinið SepF tekur þátt í myndun skilveggs og er nauðsynlegt fyrir síðari skref frumuskiptingar, en það er ekki nauðsynlegt gen. Eyðing gena sem kóða fyrir peptíð glýkanhýdrólasa í Bacillus subtilis leiddi til lengingar frumna, aukins vaxtarhraða og bættrar ensímframleiðslugetu (Cui o.fl., 2018).
Hólfaskipting niðurbrotsferlis karbarýls hefur verið lögð til til að ná fram skilvirkri niðurbroti Pseudomonas stofna C5pp og C7 (Kamini o.fl., 2018). Lagt er til að karbarýl sé flutt inn í umfrymisrýmið í gegnum ytri himnuskilrúmið og/eða í gegnum dreifingarhæfar porín. CH3 er ensím í umfrymi sem hvatar vatnsrof karbarýls í 1-naftól, sem er stöðugra, vatnsfælnara og eitraðara. CH3 er staðsett í umfrymi og hefur litla sækni í karbarýl, sem stjórnar þannig myndun 1-naftóls, kemur í veg fyrir uppsöfnun þess í frumum og dregur úr eituráhrifum þess á frumur (Kamini o.fl., 2018). 1-naftólið sem myndast er flutt inn í umfrymið yfir innri himnuna með skiptingu og/eða dreifingu og er síðan hýdroxýlerað í 1,2-díhýdroxýnaftalen af ​​ensíminu 1NH3 með mikla sækni til frekari umbrota í miðlægu kolefnisferlinu.
Þó að örverur hafi erfðafræðilega og efnaskiptalega getu til að brjóta niður kolefnisgjafa úr lífverum, þá er stigveldi nýtingar þeirra (þ.e. notkun einfaldra kolefnisgjafa frekar en flókinna) mikil hindrun fyrir lífrænu niðurbroti. Tilvist og nýting einfaldra kolefnisgjafa dregur úr genum sem kóða fyrir ensímum sem brjóta niður flóknar/óæskilegar kolefnisgjafar eins og fjölhringa (PAH) efnasambönd. Vel rannsakað dæmi er að þegar glúkósi og laktósi eru gefnir Escherichia coli saman nýtist glúkósi skilvirkari en laktósi (Jacob og Monod, 1965). Greint hefur verið frá því að Pseudomonas brjóti niður ýmis PAH efnasambönd og úrræðagóð efnasambönd sem kolefnisgjafar. Stigveldi nýtingar kolefnisgjafa í Pseudomonas er lífrænar sýrur > glúkósi > arómatísk efnasambönd (Hylemon og Phibbs, 1972; Collier o.fl., 1996). Hins vegar er undantekning. Athyglisvert er að Pseudomonas sp. CSV86 sýnir einstaka stigveldisbyggingu sem notar frekar arómatísk kolvetni (bensósýru, naftalen o.s.frv.) frekar en glúkósa og umbrotnar arómatísk kolvetni ásamt lífrænum sýrum (Basu o.fl., 2006). Í þessari bakteríu eru genin fyrir niðurbrot og flutning arómatískra kolvetna ekki niðurstýrð, jafnvel í návist annarrar kolefnisgjafa eins og glúkósa eða lífrænna sýra. Þegar bakterían var ræktuð í glúkósa- og arómatískum kolvetnismiðli kom í ljós að genin fyrir glúkósaflutning og efnaskipti voru niðurstýrð, arómatísk kolvetni voru notuð í fyrsta log-fasa og glúkósi var notaður í öðru log-fasa (Basu o.fl., 2006; Choudhary o.fl., 2017). Hins vegar hafði nærvera lífrænna sýra ekki áhrif á tjáningu efnaskipta arómatískra kolvetna, þannig að búist er við að þessi baktería sé tilvalinn stofn fyrir rannsóknir á lífrænum niðurbroti (Phale o.fl., 2020).
Það er vel þekkt að umbreyting kolvetna getur valdið oxunarálagi og uppstjórnun andoxunarensíma í örverum. Óhagkvæm niðurbrot naftalens, bæði í kyrrstöðufrumum og í viðurvist eitraðra efnasambanda, leiðir til myndunar hvarfgjarnra súrefnistegunda (ROS) (Kang o.fl. 2006). Þar sem naftalenbrjótandi ensím innihalda járn-brennisteinsklasa, oxast járnið í hem- og járn-brennisteinspróteinum við oxunarálag, sem leiðir til óvirkjunar próteina. Ferredoxin-NADP+ redúktasi (Fpr), ásamt superoxíð dismutasa (SOD), miðlar afturkræfri redox-viðbrögðum milli NADP+/NADPH og tveggja sameinda af ferredoxini eða flavodoxini, og þar með fjarlægir ROS og endurheimtir járn-brennisteinsmiðstöðina við oxunarálag (Li o.fl. 2006). Greint hefur verið frá því að bæði Fpr og SodA (SOD) í Pseudomonas geti verið örvuð af oxunarálagi og aukin SOD og katalasa virkni sást í fjórum Pseudomonas stofnum (O1, W1, As1 og G1) við vöxt undir naftalenbættu ástandi (Kang o.fl., 2006). Rannsóknir hafa sýnt að viðbót andoxunarefna eins og askorbínsýru eða járns (Fe2+) getur aukið vaxtarhraða naftalens. Þegar Rhodococcus erythropolis óx í naftalenmiðli jókst umritun oxunarálagstengdra cýtókróm P450 gena, þar á meðal sodA (Fe/Mn superoxíð dismutasi), sodC (Cu/Zn superoxíð dismutasi) og recA (Sazykin o.fl., 2019). Megindleg samanburðargreining á próteómískum þáttum Pseudomonas frumna sem ræktaðar voru í naftaleni sýndi að uppstjórnun ýmissa próteina sem tengjast oxunarálagssvörun er aðferð til að takast á við streitu (Herbst o.fl., 2013).
Greint hefur verið frá því að örverur framleiði líffræðileg yfirborðsvirk efni undir áhrifum vatnsfælinna kolefnisgjafa. Þessi yfirborðsvirku efni eru amfífílísk yfirborðsvirk efnasambönd sem geta myndað samansafn á olíu-vatns- eða loft-vatns-viðmótum. Þetta stuðlar að gervileysn og auðveldar aðsog arómatískra kolvetna, sem leiðir til skilvirkrar lífrænnar niðurbrots (Rahman o.fl., 2002). Vegna þessara eiginleika eru líffræðileg yfirborðsvirk efni mikið notuð í ýmsum atvinnugreinum. Viðbót efnafræðilegra yfirborðsvirkra efna eða líffræðilegra yfirborðsvirkra efna í bakteríurækt getur aukið skilvirkni og hraða niðurbrots kolvetna. Meðal líffræðilegra yfirborðsvirkra efna hafa ramnólípíð, sem Pseudomonas aeruginosa framleiðir, verið rannsökuð og lýst ítarlega (Hisatsuka o.fl., 1971; Rahman o.fl., 2002). Að auki eru aðrar gerðir líffræðilegra yfirborðsvirkra efna meðal annars lípópeptíð (slímefni úr Pseudomonas fluorescens), ýruefni 378 (úr Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg og Ron, 1999), trehalósa tvísykru lípíð úr Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenin úr Bacillus (Saraswathy og Hallberg, 2002) og yfirborðsvirk efni úr Bacillus subtilis (Siegmund og Wagner, 1991) og Bacillus amyloliquefaciens (Zhi o.fl., 2017). Þessi öflugu yfirborðsvirku efni hafa reynst draga úr yfirborðsspennu úr 72 dynum/cm niður í minna en 30 dynum/cm, sem gerir kleift að taka upp kolvetni betur. Greint hefur verið frá því að Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia og aðrar bakteríutegundir geti framleitt ýmis líffræðileg yfirborðsvirk efni sem byggja á ramnolipíðum og glýkólipíðum þegar þau eru ræktuð í naftalen- og metýlnaftalenmiðlum (Kanga o.fl., 1997; Puntus o.fl., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 getur framleitt utanfrumulíffræðilega yfirborðsvirka efnið Biosur-Pm þegar það er ræktað á arómatískum efnasamböndum eins og naftosýru (Phale o.fl., 1995). Hreyfifræði Biosur-Pm myndunar sýndi að myndun þess er vaxtar- og pH-háð ferli. Kom í ljós að magn Biosur-Pm sem frumur framleiddu við hlutlaust pH var hærra en við pH 8,5. Frumur sem ræktaðar voru við pH 8,5 voru vatnsfælnari og höfðu meiri sækni í arómatísk og alifatísk efnasambönd en frumur sem ræktaðar voru við pH 7,0. Í Rhodococcus spp. N6, hærra hlutfall kolefnis á móti köfnunarefni (C:N) og járntakmörkun eru kjörskilyrði fyrir framleiðslu utanfrumulíffræðilegra yfirborðsvirkra efna (Mutalik o.fl., 2008). Reynt hefur verið að bæta lífmyndun líffræðilegra yfirborðsvirkra efna (yfirborðsvirkra efna) með því að hámarka stofna og gerjun. Hins vegar er títer yfirborðsvirks efnis í ræktunarmiðlinum lágur (1,0 g/L), sem er áskorun fyrir stórfellda framleiðslu (Jiao o.fl., 2017; Wu o.fl., 2019). Því hafa erfðaverkfræðilegar aðferðir verið notaðar til að bæta lífmyndun þess. Hins vegar er erfið að breyta því verkfræðilega vegna stærðar óperónsins (∼25 kb) og flókinnar lífmyndunarstjórnunar á skynjunarkerfi quorum (Jiao o.fl., 2017; Wu o.fl., 2019). Fjölmargar erfðabreytingar hafa verið gerðar á Bacillus bakteríum, aðallega miðaðar að því að auka framleiðslu surfactin með því að skipta út prómótoranum (srfA óperóni), ofurtjá surfactin útflutningspróteininu YerP og stjórnunarþáttunum ComX og PhrC (Jiao o.fl., 2017). Hins vegar hafa þessar erfðabreytingaraðferðir aðeins náð einni eða fáum erfðabreytingum og hafa ekki enn náð viðskiptalegri framleiðslu. Því er nauðsynlegt að rannsaka þekkingarmiðaðar bestunaraðferðir frekar.
Rannsóknir á niðurbroti PAH-efna eru aðallega gerðar við hefðbundnar rannsóknarstofuaðstæður. Hins vegar hefur verið sýnt fram á að margir lífrænir og ólífrænir þættir (hitastig, sýrustig, súrefni, framboð næringarefna, aðgengi hvarfefna, önnur útlæg efni, hömlun á lokaafurðum o.s.frv.) breyta og hafa áhrif á niðurbrotsgetu örvera á menguðum stöðum eða í menguðu umhverfi.
Hitastig hefur veruleg áhrif á niðurbrot PAH-efna. Þegar hitastig hækkar minnkar styrk uppleysts súrefnis, sem hefur áhrif á efnaskipti loftháðra örvera, þar sem þær þurfa sameindasúrefni sem eitt af hvarfefnum fyrir súrefnisasa sem framkvæma hýdroxýleringu eða hringklofnun. Oft er bent á að hækkað hitastig breytir upprunalegu PAH-efnunum í eitruðari efnasambönd og hindrar þannig niðurbrot (Muller o.fl., 1998).
Það hefur komið í ljós að mörg PAH-menguð svæði hafa mjög há pH-gildi, svo sem menguð svæði með súrum frárennslislögnum í námum (pH 1–4) og gasmyndunarsvæði með jarðgasi/kolum sem eru menguð með basískum sigtvatni (pH 8–12). Þessar aðstæður geta haft alvarleg áhrif á niðurbrotsferlið. Þess vegna er mælt með því að stilla pH-gildið með því að bæta við viðeigandi efnum (með miðlungs til mjög lágum oxunar- og minnkunargetu) eins og ammóníumsúlfati eða ammóníumnítrati fyrir basískan jarðveg eða kalka með kalsíumkarbónati eða magnesíumkarbónati fyrir súr svæði áður en örverur eru notaðar til lífrænnar hreinsunar (Bowlen o.fl. 1995; Gupta og Sar 2020).
Súrefnisframboð á viðkomandi svæði er hraðatakmarkandi þáttur fyrir lífræna niðurbrot PAH. Vegna oxunar-afoxunarskilyrða umhverfisins krefjast lífrænnar hreinsunarferlis á staðnum venjulega súrefnisinntöku úr utanaðkomandi aðilum (jarðvinnslu, loftúðun og efnaíbót) (Pardieck o.fl., 1992). Odenkranz o.fl. (1996) sýndu fram á að viðbót magnesíumperoxíðs (súrefnislosandi efnasambands) í mengaðan grunnvatnsæð gæti á áhrifaríkan hátt lífrænt hreinsað BTEX efnasambönd. Önnur rannsókn kannaði niðurbrot fenóls og BTEX á staðnum í menguðu grunnvatni með því að dæla inn natríumnítrati og smíða útdráttarbrunna til að ná fram árangursríkri lífrænni hreinsun (Bewley og Webb, 2001).