L-artiklu huwa parti mit-tema tar-riċerka “Teknoloġiji avvanzati ta’ bijorimedjazzjoni u proċessi ta’ riċiklaġġ ta’ komposti organiċi sintetiċi (SOC)”. Ara l-14-il artiklu kollha
Idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAHs) b'piż molekulari baxx bħan-naftalina u naftalini sostitwiti (metilnaftalina, aċidu naftojku, 1-naftil-N-metilkarbamat, eċċ.) jintużaw ħafna f'diversi industriji u huma ġenotossiċi, mutaġeniċi u/jew karċinoġeniċi għall-organiżmi. Dawn il-komposti organiċi sintetiċi (SOCs) jew ksenobijotiċi huma kkunsidrati bħala sustanzi niġġiesa prijoritarji u joħolqu theddida serja għall-ambjent globali u s-saħħa pubblika. L-intensità tal-attivitajiet umani (eż. gassifikazzjoni tal-faħam, raffinar taż-żejt, emissjonijiet tal-vetturi u applikazzjonijiet agrikoli) tiddetermina l-konċentrazzjoni, id-destin u t-trasport ta' dawn il-komposti mifruxa ma' kullimkien u persistenti. Minbarra l-metodi ta' trattament/tneħħija fiżika u kimika, teknoloġiji ekoloġiċi u favur l-ambjent bħall-bijorimedjazzjoni, li jużaw mikro-organiżmi kapaċi jiddegradaw kompletament il-POCs jew jikkonvertuhom fi prodotti sekondarji mhux tossiċi, ħarġu bħala alternattiva sikura, kosteffettiva u promettenti. Diversi speċi ta' batterji li jappartjenu għall-phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, u Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus u Paenibacillus), u Actinobacteria (Rhodococcus u Arthrobacter) fil-mikrobijota tal-ħamrija wrew il-kapaċità li jiddegradaw diversi komposti organiċi. Studji metaboliċi, ġenomika, u analiżi metaġenomika jgħinuna nifhmu l-kumplessità u d-diversità katabolika preżenti f'dawn il-forom ta' ħajja sempliċi, li jistgħu jiġu applikati aktar għal bijodegradazzjoni effiċjenti. L-eżistenza fit-tul tal-PAHs irriżultat fil-ħolqien ta' fenotipi ġodda ta' degradazzjoni permezz ta' trasferiment orizzontali tal-ġeni bl-użu ta' elementi ġenetiċi bħal plasmidi, transposoni, batterjofaġi, gżejjer ġenomiċi, u elementi konjugattivi integrattivi. Il-bijoloġija tas-sistemi u l-inġinerija ġenetika ta' iżolati speċifiċi jew komunitajiet mudell (konsorzji) jistgħu jippermettu bijorimedjazzjoni komprensiva, rapida u effiċjenti ta' dawn il-PAHs permezz ta' effetti sinerġistiċi. F'din ir-reviżjoni, niffokaw fuq il-mogħdijiet metaboliċi differenti u d-diversità, il-kompożizzjoni u d-diversità ġenetika, u r-risponsi/adattamenti ċellulari tan-naftalina u l-batterji sostitwiti li jiddegradaw in-naftalina. Dan se jipprovdi informazzjoni ekoloġika għall-applikazzjoni fuq il-post u l-ottimizzazzjoni tar-razza għal bijorimedjazzjoni effiċjenti.
L-iżvilupp mgħaġġel tal-industriji (petrokimiċi, agrikoltura, farmaċewtiċi, żebgħa tat-tessuti, kożmetiċi, eċċ.) ikkontribwixxa għall-prosperità ekonomika globali u titjib fil-livelli tal-għajxien. Dan l-iżvilupp esponenzjali rriżulta fil-produzzjoni ta' numru kbir ta' komposti organiċi sintetiċi (SOCs), li jintużaw għall-manifattura ta' diversi prodotti. Dawn il-komposti barranin jew SOCs jinkludu idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAHs), pestiċidi, erbiċidi, plastifikanti, żebgħa, farmaċewtiċi, organofosfati, ritardanti tal-fjammi, solventi organiċi volatili, eċċ. Dawn jiġu emessi fl-atmosfera, fl-ekosistemi akkwatiċi u terrestri fejn għandhom impatti multidimensjonali, u jikkawżaw effetti detrimentali fuq diversi bijoformi permezz ta' alterazzjoni tal-proprjetajiet fiżikokimiċi u l-istruttura tal-komunità (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Ħafna sustanzi niġġiesa aromatiċi għandhom impatti qawwija u distruttivi fuq ħafna ekosistemi/żoni ta' bijodiversità intatti (eż. sikka tal-qroll, folji tas-silġ Artiċi/Antartiċi, lagi tal-muntanji għoljin, sedimenti tal-baħar fond, eċċ.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Studji ġeomikrobijoloġiċi reċenti wrew li d-depożizzjoni ta' materja organika sintetika (eż. sustanzi niġġiesa aromatiċi) u d-derivattivi tagħhom fuq l-uċuħ ta' strutturi artifiċjali (ambjent mibni) (eż. siti ta' wirt kulturali u monumenti magħmula minn granit, ġebel, injam u metall) taċċellera d-degradazzjoni tagħhom (Gadd 2017; Liu et al. 2018). L-attivitajiet tal-bniedem jistgħu jintensifikaw u jaggravaw id-degradazzjoni bijoloġika tal-monumenti u l-bini permezz tat-tniġġis tal-arja u t-tibdil fil-klima (Liu et al. 2020). Dawn il-kontaminanti organiċi jirreaġixxu mal-fwar tal-ilma fl-atmosfera u joqogħdu fuq l-istruttura, u jikkawżaw degradazzjoni fiżika u kimika tal-materjal. Il-bijodegradazzjoni hija rikonoxxuta b'mod wiesa' bħala bidliet mhux mixtieqa fid-dehra u l-proprjetajiet tal-materjali kkawżati minn organiżmi ħajjin li jaffettwaw il-preservazzjoni tagħhom (Pochon u Jaton, 1967). Aktar azzjoni mikrobjali (metaboliżmu) ta’ dawn il-komposti tista’ tnaqqas l-integrità strutturali, l-effettività tal-konservazzjoni u l-valur kulturali (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Min-naħa l-oħra, f’xi każijiet, l-adattament mikrobjali għal u r-rispons għal dawn l-istrutturi nstab li huma ta’ benefiċċju peress li jiffurmaw bijofilms u qxur protettivi oħra li jnaqqsu r-rata ta’ tħassir/dekompożizzjoni (Martino, 2016). Għalhekk, l-iżvilupp ta’ strateġiji ta’ konservazzjoni sostenibbli effettivi fit-tul għal monumenti tal-ġebel, tal-metall u tal-injam jeħtieġ fehim sħiħ tal-proċessi ewlenin involuti f’dan il-proċess. Meta mqabbla mal-proċessi naturali (proċessi ġeoloġiċi, nirien fil-foresti, eruzzjonijiet vulkaniċi, reazzjonijiet tal-pjanti u tal-batterji), l-attivitajiet tal-bniedem jirriżultaw fir-rilaxx ta’ volumi kbar ta’ idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAHs) u karbonju organiku ieħor (OC) fl-ekosistemi. Ħafna PAHs użati fl-agrikoltura (insettiċidi u pestiċidi bħal DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorophenol, eċċ.), fl-industrija (żejt mhux raffinat, ħama/skart taż-żejt, plastiks derivati ​​mill-pitrolju, PCBs, plastifikanti, deterġenti, diżinfettanti, fumiganti, fwejjaħ u preservattivi), prodotti għall-kura personali (protezzjoni mix-xemx, diżinfettanti, ripellanti tal-insetti u musks poliċikliċi) u munizzjon (splussivi bħal 2,4,6-TNT) huma ksenobijotiċi potenzjali li jistgħu jkollhom impatt fuq is-saħħa planetarja (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna u Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Din il-lista tista' tiġi estiża biex tinkludi komposti derivati ​​mill-pitrolju (żjut tal-fjuwil, lubrikanti, asfalteni), bijoplastiks b'piż molekulari għoli, u likwidi joniċi (Amde et al., 2015). It-Tabella 1 telenka diversi sustanzi niġġiesa aromatiċi u l-applikazzjonijiet tagħhom f'diversi industriji. Fi snin reċenti, l-emissjonijiet antropoġeniċi ta’ komposti organiċi volatili, kif ukoll dijossidu tal-karbonju u gassijiet serra oħra, bdew jiżdiedu (Dvorak et al., 2017). Madankollu, l-impatti antropoġeniċi jaqbżu b’mod sinifikanti dawk naturali. Barra minn hekk, sibna li numru ta’ SOCs jippersistu f’ħafna ambjenti ambjentali u ġew identifikati bħala sustanzi niġġiesa emerġenti b’effetti negattivi fuq il-bijomi (Figura 1). Aġenziji ambjentali bħall-Aġenzija tal-Protezzjoni Ambjentali tal-Istati Uniti (USEPA) inkludew ħafna minn dawn is-sustanzi niġġiesa fil-lista ta’ prijoritajiet tagħhom minħabba l-proprjetajiet ċitotossiċi, ġenotossiċi, mutaġeniċi u karċinoġeniċi tagħhom. Għalhekk, huma meħtieġa regolamenti stretti dwar ir-rimi u strateġiji effettivi għat-trattament/tneħħija tal-iskart minn ekosistemi kkontaminati. Diversi metodi ta’ trattament fiżiku u kimiku bħall-piroliżi, it-trattament termali ossidattiv, l-arjazzjoni tal-arja, ir-rimi fil-miżbliet, l-inċinerazzjoni, eċċ. huma ineffettivi u għaljin u jiġġeneraw prodotti sekondarji korrużivi, tossiċi u diffiċli biex jiġu ttrattati. Biż-żieda fl-għarfien ambjentali globali, il-mikroorganiżmi kapaċi jiddegradaw dawn il-kontaminanti u d-derivattivi tagħhom (bħal aloġenati, nitro, alkil u/jew metil) qed jiġbdu dejjem aktar attenzjoni (Fennell et al., 2004; Haritash u Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). L-użu ta' dawn il-mikroorganiżmi kandidati indiġeni waħedhom jew f'kulturi mħallta (kolonji) għat-tneħħija ta' kontaminanti aromatiċi għandu vantaġġi f'termini ta' sikurezza ambjentali, spiża, effiċjenza, effettività u sostenibbiltà. Ir-riċerkaturi qed jesploraw ukoll l-integrazzjoni ta' proċessi mikrobjali ma' metodi redox elettrokimiċi, jiġifieri sistemi bijoelettrokimiċi (BES), bħala teknoloġija promettenti għat-trattament/tneħħija ta' kontaminanti (Huang et al., 2011). It-teknoloġija BES ġibdet dejjem aktar attenzjoni minħabba l-effiċjenza għolja tagħha, l-ispiża baxxa, is-sikurezza ambjentali, it-tħaddim f'temperatura tal-kamra, il-materjali bijokompatibbli, u l-abbiltà li tirkupra prodotti sekondarji ta' valur (eż., elettriku, fjuwil, u kimiċi) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Il-miġja ta' sekwenzar tal-ġenoma b'rendiment għoli u għodod/metodi tal-omiċi pprovdiet għadd kbir ta' informazzjoni ġdida dwar ir-regolazzjoni ġenetika, il-proteomika, u l-flussomika tar-reazzjonijiet ta' diversi mikro-organiżmi degradanti. Il-kombinazzjoni ta' dawn l-għodod mal-bijoloġija tas-sistemi tejbet aktar il-fehim tagħna tal-għażla u l-irfinar tal-mogħdijiet kataboliċi fil-mira fil-mikro-organiżmi (jiġifieri, disinn metaboliku) biex tinkiseb bijodegradazzjoni effiċjenti u effettiva. Biex niddisinjaw strateġiji effettivi ta' bijorimedjazzjoni bl-użu ta' mikro-organiżmi kandidati adattati, irridu nifhmu l-potenzjal bijokimiku, id-diversità metabolika, il-kompożizzjoni ġenetika, u l-ekoloġija (awtoekoloġija/sinekoloġija) tal-mikro-organiżmi.
Fig. 1. Sorsi u mogħdijiet ta' PAHs b'livell molekulari baxx minn diversi ambjenti ambjentali u diversi fatturi li jaffettwaw il-bijota. Linji mqattgħin jirrappreżentaw interazzjonijiet bejn elementi tal-ekosistema.
F'din ir-reviżjoni, ippruvajna niġbru fil-qosor id-dejta dwar id-degradazzjoni ta' PAHs sempliċi bħan-naftalina u n-naftalini sostitwiti minn diversi iżolati batteriċi li jkopru l-mogħdijiet metaboliċi u d-diversità, l-enzimi involuti fid-degradazzjoni, il-kompożizzjoni/kontenut u d-diversità tal-ġeni, ir-risponsi ċellulari u diversi aspetti tar-rimedjazzjoni bijoloġika. Il-fehim tal-livelli bijokimiċi u molekulari se jgħin fl-identifikazzjoni ta' razez ospitanti adattati u l-inġinerija ġenetika ulterjuri tagħhom għar-rimedjazzjoni bijoloġika effettiva ta' tali sustanzi niġġiesa prijoritarji. Dan se jgħin fl-iżvilupp ta' strateġiji għall-istabbiliment ta' konsorzji batteriċi speċifiċi għas-sit għal rimedjazzjoni bijoloġika effettiva.
Il-preżenza ta' numru kbir ta' komposti aromatiċi tossiċi u perikolużi (li jissodisfaw ir-regola ta' Huckel 4n + 2π elettroni, n = 1, 2, 3, …) toħloq theddida serja għal diversi mezzi ambjentali bħall-arja, il-ħamrija, is-sedimenti, u l-ilma tal-wiċċ u ta' taħt l-art (Puglisi et al., 2007). Dawn il-komposti għandhom ċrieki singoli tal-benżin (monoċikliċi) jew ċrieki multipli tal-benżin (poliċikliċi) irranġati f'forma lineari, angolari jew ta' raggruppament u juru stabbiltà (stabbiltà/instabbiltà) fl-ambjent minħabba enerġija ta' reżonanza negattiva għolja u inerzja (inerzja), li tista' tiġi spjegata mill-idrofobiċità u l-istat imnaqqas tagħhom. Meta ċ-ċirku aromatiku jiġi sostitwit aktar bi gruppi metil (-CH3), karbossiliku (-COOH), idrossiliku (-OH), jew sulfonat (-HSO3), isir aktar stabbli, ikollu affinità aktar b'saħħitha għall-makromolekuli, u jkun bijoakkumulattiv f'sistemi bijoloġiċi (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Xi idrokarburi aromatiċi poliċikliċi ta' piż molekulari baxx (LMWAHs), bħan-naftalina u d-derivattivi tagħha [metilnaftalina, aċidu naftojku, naftalenesulfonat, u 1-naftil N-metilkarbamat (karbaril)], ġew inklużi fil-lista ta' sustanzi niġġiesa organiċi prijoritarji mill-Aġenzija tal-Protezzjoni Ambjentali tal-Istati Uniti bħala ġenotossiċi, mutaġeniċi, u/jew karċinoġeniċi (Cerniglia, 1984). Ir-rilaxx ta' din il-klassi ta' NM-PAHs fl-ambjent jista' jirriżulta fil-bijoakkumulazzjoni ta' dawn il-komposti fil-livelli kollha tal-katina alimentari, u b'hekk jaffettwa s-saħħa tal-ekosistemi (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Is-sorsi u l-mogħdijiet tal-PAHs għall-bijota huma primarjament permezz tal-migrazzjoni u l-interazzjonijiet bejn komponenti differenti tal-ekosistema bħall-ħamrija, l-ilma ta' taħt l-art, l-ilma tal-wiċċ, l-għelejjel u l-atmosfera (Arey u Atkinson, 2003). Il-Figura 1 turi l-interazzjonijiet u d-distribuzzjoni ta' PAHs differenti ta' piż molekulari baxx fl-ekosistemi u l-mogħdijiet tagħhom għall-espożizzjoni għall-bijota/bniedem. Il-PAHs jiġu depożitati fuq l-uċuħ bħala riżultat tat-tniġġis tal-arja u permezz tal-migrazzjoni (drift) tal-emissjonijiet tal-vetturi, gassijiet tal-egżost industrijali (gassifikazzjoni tal-faħam, kombustjoni u produzzjoni tal-kokk) u d-depożizzjoni tagħhom. Attivitajiet industrijali bħall-manifattura ta' tessuti sintetiċi, żebgħa u żebgħa; preservazzjoni tal-injam; ipproċessar tal-gomma; attivitajiet tal-manifattura tas-siment; produzzjoni tal-pestiċidi; u applikazzjonijiet agrikoli huma sorsi ewlenin ta' PAHs f'sistemi terrestri u akkwatiċi (Bamforth u Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Studji wrew li l-ħamrija f'żoni suburbani u urbani, ħdejn l-awtostradi, u fi bliet kbar huma aktar suxxettibbli għal idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAHs) minħabba l-emissjonijiet minn impjanti tal-enerġija, tisħin residenzjali, tagħbijiet tat-traffiku tal-ajru u tat-toroq, u attivitajiet ta' kostruzzjoni (Suman et al., 2016). (2008) wera li l-PAHs fil-ħamrija ħdejn it-toroq fi New Orleans, Louisiana, l-Istati Uniti kienu għoljin sa 7189 μg/kg, filwaqt li fi spazju miftuħ, kienu biss 2404 μg/kg. Bl-istess mod, livelli ta' PAH għoljin sa 300 μg/kg ġew irrappurtati f'żoni ħdejn siti ta' gassifikazzjoni tal-faħam f'diversi bliet tal-Istati Uniti (Kanaly u Harayama, 2000; Bamforth u Singleton, 2005). Ħamrija minn diversi bliet Indjani bħal Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni u Venkataraman, 2000) u Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) ġiet irrappurtata li fiha konċentrazzjonijiet għoljin ta' PAHs. Il-komposti aromatiċi jiġu assorbiti aktar faċilment fuq il-partiċelli tal-ħamrija, materja organika u minerali tat-tafal, u b'hekk isiru bjar ewlenin tal-karbonju fl-ekosistemi (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Is-sorsi ewlenin ta' PAHs fl-ekosistemi akkwatiċi huma l-preċipitazzjoni (preċipitazzjoni mxarrba/niexfa u fwar tal-ilma), tnixxija urbana, skariku ta' ilma mormi, rikariku tal-ilma ta' taħt l-art eċċ. (Srogi, 2007). Huwa stmat li madwar 80% tal-PAHs fl-ekosistemi tal-baħar huma derivati ​​mill-preċipitazzjoni, is-sedimentazzjoni, u s-skariku ta' skart (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Konċentrazzjonijiet ogħla ta' PAHs fl-ilma tal-wiċċ jew fil-lixiv minn siti ta' rimi ta' skart solidu eventwalment inixxu fl-ilma ta' taħt l-art, u joħolqu theddida kbira għas-saħħa pubblika peress li aktar minn 70% tal-popolazzjoni fl-Asja t'Isfel u tax-Xlokk tixrob l-ilma ta' taħt l-art (Duttagupta et al., 2019). Studju reċenti minn Duttagupta et al. (2020) ta' analiżi tax-xmajjar (32) u tal-ilma ta' taħt l-art (235) minn West Bengal, l-Indja, sab li madwar 53% tar-residenti urbani u 44% tar-residenti rurali (b'total ta' 20 miljun resident) jistgħu jkunu esposti għan-naftalina (4.9–10.6 μg/L) u d-derivattivi tagħha. Mudelli differenti fl-użu tal-art u żieda fl-estrazzjoni tal-ilma ta' taħt l-art huma kkunsidrati bħala l-fatturi ewlenin li jikkontrollaw it-trasport vertikali (avvezzjoni) ta' PAHs ta' piż molekulari baxx fis-sottowiċċ. Instabu li l-ilma tax-xita agrikolu, l-iskariki tad-drenaġġ muniċipali u industrijali, u l-iskariki ta' skart solidu/żibel huma affettwati mill-PAHs fil-baċiri tax-xmajjar u fis-sedimenti tas-sottowiċċ. Il-preċipitazzjoni atmosferika tkompli taggrava t-tniġġis tal-PAHs. Konċentrazzjonijiet għoljin ta' PAHs u d-derivattivi alkiliċi tagħhom (51 b'kollox) ġew irrappurtati fix-xmajjar/baċiri idrografiċi madwar id-dinja, bħax-Xmara Fraser, ix-Xmara Louan, ix-Xmara Denso, ix-Xmara Missouri, ix-Xmara Anacostia, ix-Xmara Ebro, u x-Xmara Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Fis-sedimenti tal-baċir tax-Xmara Ganges, in-naftalina u l-fenantrene nstabu li huma l-aktar sinifikanti (skoperti f'70% tal-kampjuni) (Duttagupta et al., 2019). Barra minn hekk, studji wrew li l-klorinazzjoni tal-ilma tax-xorb tista' twassal għall-formazzjoni ta' PAHs ossiġenati u klorinati aktar tossiċi (Manoli u Samara, 1999). Il-PAHs jakkumulaw fiċ-ċereali, fil-frott u fil-ħaxix bħala riżultat tal-assorbiment mill-pjanti minn ħamrija kkontaminata, ilma ta' taħt l-art u preċipitazzjoni (Fismes et al., 2002). Ħafna organiżmi akkwatiċi bħal ħut, maskli, arzelli u gambli huma kkontaminati bil-PAHs permezz tal-konsum ta' ikel u ilma baħar ikkontaminat, kif ukoll permezz tat-tessuti u l-ġilda (Mackay and Fraser, 2000). Metodi ta' tisjir/ipproċessar bħat-tisjir fuq il-grill, ix-xiwi, it-tipjip, il-qali, it-tnixxif, il-ħami u t-tisjir bil-faħam jistgħu wkoll iwasslu għal ammonti sinifikanti ta' PAHs fl-ikel. Dan jiddependi ħafna fuq l-għażla tal-materjal tat-tipjip, il-kontenut ta' idrokarburi fenoliċi/aromatiċi, il-proċedura tat-tisjir, it-tip ta' heater, il-kontenut ta' umdità, il-provvista tal-ossiġnu u t-temperatura tal-kombustjoni (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAHs) instabu wkoll fil-ħalib f'konċentrazzjonijiet varji (0.75–2.1 mg/L) (Girelli et al., 2014). L-akkumulazzjoni ta’ dawn il-PAHs fl-ikel tiddependi wkoll fuq il-proprjetajiet fiżikokimiċi tal-ikel, filwaqt li l-effetti tossiċi tagħhom huma relatati mal-funzjonijiet fiżjoloġiċi, l-attività metabolika, l-assorbiment, id-distribuzzjoni u d-distribuzzjoni fil-ġisem (Mechini et al., 2011).
It-tossiċità u l-effetti ta' ħsara tal-idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAHs) ilhom magħrufa għal żmien twil (Cherniglia, 1984). L-idrokarburi aromatiċi poliċikliċi b'piż molekulari baxx (LMW-PAHs) (żewġ sa tliet ċrieki) jistgħu jorbtu b'mod kovalenti ma' diversi makromolekuli bħad-DNA, l-RNA u l-proteini u huma karċinoġeniċi (Santarelli et al., 2008). Minħabba n-natura idrofobika tagħhom, huma separati minn membrani lipidiċi. Fil-bnedmin, il-monoossiġenasi taċ-ċitokromu P450 jossidizzaw il-PAHs għal epossidi, li wħud minnhom huma reattivi ħafna (eż., baediol epoxide) u jistgħu jwasslu għat-trasformazzjoni ta' ċelloli normali f'ċelloli malinni (Marston et al., 2001). Barra minn hekk, il-prodotti tat-trasformazzjoni tal-PAHs bħal kinoni, fenoli, epossidi, dioli, eċċ. huma aktar tossiċi mill-komposti ġenituri. Xi PAHs u l-intermedjati metaboliċi tagħhom jistgħu jaffettwaw l-ormoni u diversi enzimi fil-metaboliżmu, u b'hekk jaffettwaw ħażin it-tkabbir, is-sistema nervuża ċentrali, is-sistemi riproduttivi u immuni (Swetha u Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). L-espożizzjoni għal żmien qasir għal PAHs b'piż molekulari baxx ġiet irrappurtata li tikkawża indeboliment fil-funzjoni tal-pulmun u trombożi f'ażmatiċi u li żżid ir-riskju ta' kanċer tal-ġilda, tal-pulmun, tal-bużżieqa tal-awrina u gastrointestinali (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Studji fuq l-annimali wrew ukoll li l-espożizzjoni għall-PAH jista' jkollha effetti negattivi fuq il-funzjoni u l-iżvilupp riproduttiv u tista' tikkawża katarretti, ħsara fil-kliewi u fil-fwied, u suffejra. Diversi prodotti ta' bijotrasformazzjoni tal-PAH bħal dioli, epossidi, kinoni u radikali ħielsa (katjonijiet) intwerew li jiffurmaw addotti tad-DNA. Intwera li addotti stabbli jbiddlu l-makkinarju tar-replikazzjoni tad-DNA, filwaqt li addotti instabbli jistgħu jiddepurinaw id-DNA (l-aktar għal adenina u xi kultant għal guanina); it-tnejn jistgħu jiġġeneraw żbalji li jwasslu għal mutazzjonijiet (Schweigert et al. 2001). Barra minn hekk, il-kinoni (benzo-/pan-) jistgħu jiġġeneraw speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS), u jikkawżaw ħsara fatali lid-DNA u makromolekuli oħra, u b'hekk jaffettwaw il-funzjoni/vijabbiltà tat-tessuti (Ewa and Danuta 2017). L-espożizzjoni kronika għal konċentrazzjonijiet baxxi ta' pirene, bifenil u naftalina ġiet irrappurtata li tikkawża kanċer f'annimali sperimentali (Diggs et al. 2012). Minħabba t-tossiċità letali tagħhom, it-tindif/tneħħija ta' dawn il-PAHs minn siti affettwati/kontaminati hija prijorità.
Intużaw diversi metodi fiżiċi u kimiċi biex jitneħħew il-PAHs minn siti/ambjenti kkontaminati. Proċessi bħall-inċinerazzjoni, id-deklorinazzjoni, l-ossidazzjoni UV, il-fissazzjoni, u l-estrazzjoni tas-solvent għandhom ħafna żvantaġġi, inkluż il-formazzjoni ta’ prodotti sekondarji tossiċi, kumplessità tal-proċess, kwistjonijiet ta’ sikurezza u regolatorji, effiċjenza baxxa, u spiża għolja. Madankollu, il-bijodegradazzjoni mikrobjali (imsejħa bijorimedjazzjoni) hija approċċ alternattiv promettenti li jinvolvi l-użu ta’ mikro-organiżmi fil-forma ta’ kulturi puri jew kolonji. Meta mqabbel ma’ metodi fiżiċi u kimiċi, dan il-proċess huwa favur l-ambjent, mhux invażiv, kosteffettiv, u sostenibbli. Il-bijorimedjazzjoni tista’ titwettaq fis-sit affettwat (in situ) jew f’sit ippreparat apposta (ex situ) u għalhekk hija kkunsidrata bħala metodu ta’ rimedjazzjoni aktar sostenibbli mill-metodi fiżiċi u kimiċi tradizzjonali (Juhasz u Naidu, 2000; Andreoni u Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Il-fehim tal-passi metaboliċi mikrobjali involuti fid-degradazzjoni ta' sustanzi niġġiesa aromatiċi għandu implikazzjonijiet xjentifiċi u ekonomiċi enormi għas-sostenibbiltà ekoloġika u ambjentali. Huwa stmat li 2.1 × 1018 grammi ta' karbonju (C) huma maħżuna f'sedimenti u komposti organiċi (jiġifieri, żejt, gass naturali, u faħam, jiġifieri, fjuwils fossili) madwar id-dinja, u dan jagħti kontribut sinifikanti għaċ-ċiklu globali tal-karbonju. Madankollu, l-industrijalizzazzjoni rapida, l-estrazzjoni tal-fjuwils fossili, u l-attivitajiet tal-bniedem qed inaqqsu dawn ir-riżervi litosferiċi tal-karbonju, u jirrilaxxaw madwar 5.5 × 1015 g ta' karbonju organiku (bħala sustanzi niġġiesa) fl-atmosfera kull sena (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Il-biċċa l-kbira ta' dan il-karbonju organiku jidħol fl-ekosistemi terrestri u tal-baħar permezz tas-sedimentazzjoni, it-trasport, u t-tnixxija. Barra minn hekk, sustanzi niġġiesa sintetiċi ġodda derivati ​​minn fjuwils fossili, bħal plastiks, plastifikanti u stabilizzaturi tal-plastik (ftalati u l-isomeri tagħhom), iniġġsu serjament l-ekosistemi tal-baħar, tal-ħamrija u akkwatiċi u l-bijota tagħhom, u b'hekk jaggravaw ir-riskji klimatiċi globali. Diversi tipi ta’ mikroplastiks, nanoplastiċi, frammenti tal-plastik u l-prodotti monomeriċi tossiċi tagħhom derivati ​​mill-polietilen tereftalat (PET) akkumulaw fl-Oċean Paċifiku bejn l-Amerika ta’ Fuq u x-Xlokk tal-Asja, u ffurmaw il-“Great Pacific Garbage Patch”, u jagħmlu ħsara lill-ħajja tal-baħar (Newell et al., 2020). Studji xjentifiċi wrew li mhux possibbli li jitneħħew dawn il-kontaminanti/skart b’xi metodi fiżiċi jew kimiċi. F’dan il-kuntest, l-aktar mikro-organiżmi utli huma dawk kapaċi jimmetabolizzaw b’mod ossidattiv il-kontaminanti f’dijossidu tal-karbonju, enerġija kimika u prodotti sekondarji oħra mhux tossiċi li eventwalment jidħlu fi proċessi oħra taċ-ċiklu tan-nutrijenti (H, O, N, S, P, Fe, eċċ.). Għalhekk, il-fehim tal-ekofiżjoloġija mikrobjali tal-mineralizzazzjoni ta’ kontaminanti aromatiċi u l-kontroll ambjentali tagħha huwa kruċjali għall-valutazzjoni taċ-ċiklu tal-karbonju mikrobjali, il-baġit nett tal-karbonju u r-riskji klimatiċi futuri. Minħabba l-ħtieġa urġenti li jitneħħew dawn il-komposti mill-ambjent, ħarġu diversi eko-industriji ffukati fuq teknoloġiji nodfa. Alternattivament, il-valorizzazzjoni tal-iskart industrijali/kimiċi tal-iskart akkumulati fl-ekosistemi (jiġifieri l-approċċ tal-iskart għall-ġid) hija kkunsidrata bħala wieħed mill-pilastri tal-ekonomija ċirkolari u l-għanijiet ta' żvilupp sostenibbli (Close et al., 2012). Għalhekk, il-fehim tal-aspetti metaboliċi, enżimatiċi u ġenetiċi ta' dawn il-kandidati potenzjali għad-degradazzjoni huwa ta' importanza kbira għat-tneħħija effettiva u r-rimedjazzjoni bijoloġika ta' dawn il-pollutanti aromatiċi.
Fost il-ħafna sustanzi niġġiesa aromatiċi, nagħtu attenzjoni speċjali lill-PAHs ta’ piż molekulari baxx bħan-naftalina u n-naftalini sostitwiti. Dawn il-komposti huma komponenti ewlenin tal-fjuwils derivati ​​mill-pitrolju, żebgħa tat-tessuti, prodotti tal-konsumatur, pestiċidi (mothballs u ripellanti tal-insetti), plastifikanti u tannini u għalhekk huma mifruxa f’ħafna ekosistemi (Preuss et al., 2003). Rapporti reċenti jenfasizzaw l-akkumulazzjoni ta’ konċentrazzjonijiet ta’ naftalina fis-sedimenti tal-akwiferu, fl-ilma ta’ taħt l-art u fil-ħamrija taħt il-wiċċ, fiż-żoni vadosi u fis-sodod tax-xmajjar, li jissuġġerixxu l-bijoakkumulazzjoni tagħha fl-ambjent (Duttagupta et al., 2019, 2020). It-Tabella 2 tiġbor fil-qosor il-proprjetajiet fiżikokimiċi, l-applikazzjonijiet u l-effetti fuq is-saħħa tan-naftalina u d-derivattivi tagħha. Meta mqabbla ma’ PAHs oħra ta’ piż molekulari għoli, in-naftalina u d-derivattivi tagħha huma inqas idrofobiċi, aktar solubbli fl-ilma u mqassma b’mod wiesa’ fl-ekosistemi, għalhekk ħafna drabi jintużaw bħala sottostrati mudell biex jistudjaw il-metaboliżmu, il-ġenetika u d-diversità metabolika tal-PAHs. Numru kbir ta’ mikro-organiżmi huma kapaċi jimmetabolizzaw in-naftalina u d-derivattivi tagħha, u hemm informazzjoni komprensiva disponibbli dwar il-mogħdijiet metaboliċi, l-enzimi u l-karatteristiċi regolatorji tagħhom (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Barra minn hekk, in-naftalina u d-derivattivi tagħha huma ddeżinjati bħala komposti prototip għall-valutazzjoni tat-tniġġis ambjentali minħabba l-abbundanza u l-bijodisponibbiltà għolja tagħhom. L-Aġenzija tal-Protezzjoni Ambjentali tal-Istati Uniti tistma li l-livelli medji ta’ naftalina huma 5.19 μg għal kull metru kubu mid-duħħan tas-sigaretti, primarjament minn kombustjoni mhux kompluta, u 7.8 sa 46 μg mid-duħħan sekondarju, filwaqt li l-esponiment għall-kreosot u n-naftalina huwa 100 sa 10,000 darba ogħla (Preuss et al. 2003). In-naftalina b’mod partikolari nstabet li għandha tossiċità respiratorja u karċinoġeniċità speċifiċi għall-ispeċi, ir-reġjun u s-sess. Abbażi ta’ studji fuq l-annimali, l-Aġenzija Internazzjonali għar-Riċerka dwar il-Kanċer (IARC) ikklassifikat in-naftalina bħala “karċinoġenu uman possibbli” (Grupp 2B)1. L-espożizzjoni għal naftaleni sostitwiti, primarjament permezz ta' inalazzjoni jew amministrazzjoni parenterali (orali), tikkawża ħsara fit-tessut tal-pulmun u żżid l-inċidenza ta' tumuri tal-pulmun fil-firien u l-ġrieden (Programm Nazzjonali tat-Tossikoloġija 2). L-effetti akuti jinkludu dardir, rimettar, uġigħ addominali, dijarea, uġigħ ta' ras, konfużjoni, għaraq qawwi, deni, takikardija, eċċ. Min-naħa l-oħra, l-insettiċida karbamat ta' spettru wiesa' carbaryl (1-naphthyl N-methylcarbamate) ġie rrappurtat li huwa tossiku għall-invertebrati akkwatiċi, l-anfibji, in-naħal tal-għasel u l-bnedmin u ntwera li jinibixxi l-acetylcholinesterase li tikkawża paraliżi (Smulders et al., 2003; Bulen u Distel, 2011). Għalhekk, il-fehim tal-mekkaniżmi tad-degradazzjoni mikrobjali, ir-regolazzjoni ġenetika, ir-reazzjonijiet enżimatiċi u ċellulari huwa kruċjali għall-iżvilupp ta' strateġiji ta' bijorimedjazzjoni f'ambjenti kkontaminati.
Tabella 2. Informazzjoni dettaljata dwar il-proprjetajiet fiżikokimiċi, l-użi, il-metodi ta' identifikazzjoni u l-mard assoċjat tan-naftalina u d-derivattivi tagħha.
F'niċeċ imniġġsa, sustanzi niġġiesa idrofobiċi u lipofiliċi aromatiċi jistgħu jikkawżaw varjetà ta' effetti ċellulari fuq il-mikrobijoma ambjentali (komunità), bħal bidliet fil-fluwidità tal-membrana, permeabilità tal-membrana, nefħa tas-saff doppju tal-lipidi, tfixkil fit-trasferiment tal-enerġija (katina tat-trasport tal-elettroni/forza motriċi tal-protoni), u attività ta' proteini assoċjati mal-membrana (Sikkema et al., 1995). Barra minn hekk, xi intermedji solubbli bħal katekoli u kinoni jiġġeneraw speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS) u jiffurmaw addotti mad-DNA u l-proteini (Penning et al., 1999). Għalhekk, l-abbundanza ta' komposti bħal dawn fl-ekosistemi teżerċita pressjoni selettiva fuq il-komunitajiet mikrobjali biex isiru degradaturi effiċjenti f'diversi livelli fiżjoloġiċi, inkluż l-assorbiment/trasport, it-trasformazzjoni intraċellulari, l-assimilazzjoni/utilizzazzjoni, u l-kompartimentalizzazzjoni.
Tiftix fir-Ribosomal Database Project-II (RDP-II) żvela li total ta’ 926 speċi batterjali ġew iżolati minn kulturi ta’ medja jew arrikkiment ikkontaminati bin-naftalina jew id-derivattivi tagħha. Il-grupp Proteobacteria kellu l-ogħla numru ta’ rappreżentanti (n = 755), segwit minn Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), u batterji mhux klassifikati (8) (Figura 2). Rappreżentanti ta’ γ-Proteobacteria (Pseudomonadales u Xanthomonadales) iddominaw il-gruppi Gram-negattivi kollha b’kontenut għoli ta’ G+C (54%), filwaqt li Clostridiales u Bacillales (30%) kienu gruppi Gram-pożittivi b’kontenut baxx ta’ G+C. Pseudomonas (l-ogħla numru, 338 speċi) ġew irrappurtati li jistgħu jiddegradaw in-naftalina u d-derivattivi tal-metil tagħha f'diversi ekosistemi mniġġsa (qatran tal-faħam, pitrolju, żejt mhux raffinat, ħama, tixrid taż-żejt, ilma tad-drenaġġ, skart organiku u landfills) kif ukoll f'ekosistemi intatti (ħamrija, xmajjar, sedimenti u ilma ta' taħt l-art) (Figura 2). Barra minn hekk, studji ta' arrikkiment u analiżi metaġenomika ta' wħud minn dawn ir-reġjuni żvelaw li l-ispeċi ta' Legionella u Clostridium mhux ikkultivati ​​jista' jkollhom kapaċità degradattiva, li tindika l-ħtieġa li dawn il-batterji jiġu kkultivati ​​biex jiġu studjati mogħdijiet ġodda u diversità metabolika.
Fig. 2. Diversità tassonomika u distribuzzjoni ekoloġika ta' rappreżentanti batteriċi f'ambjenti kkontaminati bin-naftalina u derivattivi tan-naftalina.
Fost id-diversi mikro-organiżmi li jiddegradaw l-idrokarburi aromatiċi, ħafna minnhom huma kapaċi jiddegradaw in-naftalina bħala l-unika sors ta' karbonju u enerġija. Is-sekwenza tal-avvenimenti involuti fil-metaboliżmu tan-naftalina ġiet deskritta għal Pseudomonas sp. (razez: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 u CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 u razez oħra (ND6 u AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis u Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Il-metaboliżmu jinbeda minn dijossiġenażi b'ħafna komponenti [naftalina dijossiġenażi (NDO), dijossiġenażi idrossilanti taċ-ċirku] li tikkatalizza l-ossidazzjoni ta' wieħed miċ-ċrieki aromatiċi tan-naftalina bl-użu ta' ossiġnu molekulari bħala s-sottostrat l-ieħor, u tikkonverti n-naftalina għal cis-naftalendiol (Figura 3). Cis-diidrodiol jiġi kkonvertit għal 1,2-diidrossinaftalina minn deidroġenażi. A Id-diossiġenażi li taqsam iċ-ċirku, 1,2-diidrossinaftalen diossiġenażi (12DHNDO), tikkonverti 1,2-diidrossinaftalen għal aċidu 2-idrossikromen-2-karbossiliku. L-isomerizzazzjoni enżimatika cis-trans tipproduċi trans-o-idrossibenżilidenpiruvat, li jinqasam minn idratase aldolase għal aldeid saliċiliku u piruvat. L-aċidu organiku piruvat kien l-ewwel kompost C3 derivat mill-iskeletru tal-karbonju tan-naftalina u dirett fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju. Barra minn hekk, is-salicylaldehyde dehydrogenase dipendenti fuq NAD+ tikkonverti s-salicylaldehyde għal aċidu saliċiliku. Il-metaboliżmu f'dan l-istadju jissejjaħ il-"mogħdija ta' fuq" tad-degradazzjoni tan-naftalina. Din il-mogħdija hija komuni ħafna fil-biċċa l-kbira tal-batterji li jiddegradaw in-naftalina. Madankollu, hemm ftit eċċezzjonijiet; pereżempju, fil-Bacillus hamburgii 2 termofiliku, id-degradazzjoni tan-naftalina tinbeda min-naftalina 2,3-diossiġenażi biex tifforma 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Figura 3. Mogħdijiet ta' degradazzjoni tan-naftalina, metilnaftalina, aċidu naftojku, u karbaril. Numri mdawra b'ċirku jirrappreżentaw enzimi responsabbli għall-konverżjoni sekwenzjali tan-naftalina u d-derivattivi tagħha fi prodotti sussegwenti. 1 — naftalina dijossiġenażi (NDO); 2, cis-diidrodiol deidroġenażi; 3, 1,2-diidrossinaftalen dijossiġenażi; 4, 2-idrossikromen-2-aċidu karbossiliku isomerażi; 5, trans-O-idrossibenżilidenpiruvat idratase aldolase; 6, salikilaldeid deidroġenażi; 7, saliċilat 1-idrossilase; 8, katekol 2,3-diossiġenażi (C23DO); 9, 2-idrossimukonat semialdeid deidroġenażi; 10, 2-oxopent-4-enoat idratase; 11, 4-idrossi-2-oxopentanoat aldolase; 12, aċetaldejde deidroġenażi; 13, katekol-1,2-diossiġenażi (C12DO); 14, mukonat ċikloisomerażi; 15, mukonolatton delta-isomerażi; 16, β-ketoadipatenollatton idrolasi; 17, β-ketoadipat succinyl-CoA transferase; 18, β-ketoadipat-CoA tiolasi; 19, succinyl-CoA: aċetil-CoA succinyltransferażi; 20, saliċilat 5-idrossilasi; 21 – ġentisat 1,2-diossiġenażi (GDO); 22, maleilpiruvat isomerażi; 23, fumarilpiruvat idrolasi; 24, metilnaftalina idrossilasi (NDO); 25, idrossimetilnaftalina deidroġenażi; 26, naftaldejde deidroġenażi; 27, ossidażi tal-aċidu 3-formilsaliċiliku; 28, dekarbossilasi tal-idrossisoftalat; 29, karbaril idrolasi (CH); 30, 1-naftol-2-idrolasi.
Skont l-organiżmu u l-kompożizzjoni ġenetika tiegħu, l-aċidu saliċiliku li jirriżulta jiġi metabolizzat aktar jew permezz tal-mogħdija tal-katekol bl-użu tas-salicylate 1-hydroxylase (S1H) jew permezz tal-mogħdija tal-ġentisat bl-użu tas-salicylate 5-hydroxylase (S5H) (Figura 3). Peress li l-aċidu saliċiliku huwa l-intermedju ewlieni fil-metaboliżmu tan-naftalina (mogħdija ta' fuq), il-passi mill-aċidu saliċiliku għall-intermedju TCA spiss jissejħu l-mogħdija ta' isfel, u l-ġeni huma organizzati f'operon wieħed. Huwa komuni li wieħed jara li l-ġeni fl-operon tal-mogħdija ta' fuq (nah) u l-operon tal-mogħdija ta' isfel (sal) huma regolati minn fatturi regolatorji komuni; pereżempju, NahR u l-aċidu saliċiliku jaġixxu bħala indutturi, li jippermettu liż-żewġ operoni jimmetabolizzaw kompletament in-naftalina (Phale et al., 2019, 2020).
Barra minn hekk, il-katekol jinqasam ċiklikament f'2-hydroxymuconate semialdehyde permezz tal-mogħdija meta minn catechol 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) u jiġi idrolizzat aktar minn 2-hydroxymuconate semialdehyde hydrolase biex jifforma 2-hydroxypent-2,4-dienoic acid. 2-hydroxypent-2,4-dienoate imbagħad jiġi kkonvertit f'pyruvate u acetaldehyde minn hydratase (2-oxopent-4-enoate hydratase) u aldolase (4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase) u mbagħad jidħol fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju (Figura 3). Alternattivament, il-katekol jinqasam ċiklikament f'cis,cis-muconate permezz tal-mogħdija orto minn catechol 1,2-oxygenase (C12DO). Muconate cycloisomerase, muconolactone isomerase, u β-ketoadipate-nollactone hydrolase jikkonvertu cis,cis-muconate għal 3-oxoadipate, li jidħol fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju permezz ta' succinyl-CoA u acetyl-CoA (Nozaki et al., 1968) (Figura 3).
Fil-mogħdija tal-ġentisat (2,5-dihydroxybenzoate), iċ-ċirku aromatiku jinqasam minn gentisat 1,2-dioxygenase (GDO) biex jifforma maleylpyruvate. Dan il-prodott jista' jiġi idrolizzat direttament għal pyruvate u malate, jew jista' jiġi isomerizzat biex jifforma fumarylpyruvate, li mbagħad jista' jiġi idrolizzat għal pyruvate u fumarate (Larkin and Day, 1986). L-għażla tal-mogħdija alternattiva ġiet osservata kemm f'batterji Gram-negattivi kif ukoll Gram-pożittivi fil-livelli bijokimiċi u ġenetiċi (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Batterji Gram-negattivi (Pseudomonas) jippreferu jużaw l-aċidu saliċiliku, li huwa induttur tal-metaboliżmu tan-naftalina, u jiddekarbossilawh għal catechol bl-użu ta' salicylate 1-hydroxylase (Gibson and Subramanian, 1984). Min-naħa l-oħra, fil-batterji Gram-pożittivi (Rhodococcus), is-salicylate 5-hydroxylase tikkonverti l-aċidu saliċiliku f'aċidu ġentisiku, filwaqt li l-aċidu saliċiliku m'għandu l-ebda effett induttiv fuq it-traskrizzjoni tal-ġeni tan-naftalina (Grund et al., 1992) (Figura 3).
Ġie rrappurtat li speċi bħal Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas u speċi ta' Mycobacterium jistgħu jiddegradaw il-monometilnaftalina jew id-dimetilnaftalina (Dean-Raymond u Bartha, 1975; Cane u Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Fost dawn, il-mogħdija ta' degradazzjoni ta' 1-metilnaftalina u 2-metilnaftalina ta' Pseudomonas sp. CSV86 ġiet studjata b'mod ċar fil-livelli bijokimiċi u enżimatiċi (Mahajan et al., 1994). 1-Metilnaftalina hija metabolizzata permezz ta' żewġ mogħdijiet. L-ewwel, iċ-ċirku aromatiku jiġi idrossilat (iċ-ċirku mhux sostitwit tal-metilnaftalina) biex jifforma cis-1,2-diidrossi-1,2-diidro-8-metilnaftalina, li jiġi ossidizzat aktar għal metil saliċilat u metilkatekol, u mbagħad jidħol fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju wara l-qsim taċ-ċirku (Figura 3). Din il-mogħdija tissejjaħ il-"mogħdija tas-sors tal-karbonju". Fit-tieni "mogħdija ta' ditossifikazzjoni", il-grupp metil jista' jiġi idrossilat minn NDO biex jifforma 1-idrossimetilnaftalina, li jiġi ossidizzat aktar għal aċidu 1-naftojku u jitneħħa fil-mezz tal-kultura bħala prodott mingħajr tmiem. Studji wrew li r-razza CSV86 ma tistax tikber fuq aċidu 1- u 2-naftojku bħala l-uniku sors ta' karbonju u enerġija, u dan jikkonferma l-mogħdija ta' ditossifikazzjoni tagħha (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Fit-2-metilnaftalina, il-grupp metil jgħaddi minn idrossilazzjoni permezz ta' idrossilasi biex jifforma 2-idrossimetilnaftalina. Barra minn hekk, iċ-ċirku mhux sostitwit taċ-ċirku tan-naftalina jgħaddi minn idrossilazzjoni taċ-ċirku biex jifforma diidrodiol, li jiġi ossidizzat għal 4-idrossimetilkatekol f'sensiela ta' reazzjonijiet katalizzati mill-enzimi u jidħol fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju permezz tal-mogħdija tal-qsim tal-meta-ċirku. Bl-istess mod, ġie rrappurtat li S. paucimobilis 2322 juża NDO biex jidrossila 2-metilnaftalina, li jiġi ossidizzat aktar biex jifforma metil saliċilat u metilkatekol (Dutta et al., 1998).
L-aċidi naftojċi (sostitwiti/mhux sostitwiti) huma prodotti sekondarji ta' ditossifikazzjoni/bijotrasformazzjoni ffurmati matul id-degradazzjoni tal-metilnaftalina, il-fenantrene u l-antraċen u rilaxxati fil-mezz tal-kultura użat. Ġie rrappurtat li l-iżolat tal-ħamrija Stenotrophomonas maltophilia CSV89 huwa kapaċi jimmetabolizza l-aċidu 1-naftojku bħala sors ta' karbonju (Phale et al., 1995). Il-metaboliżmu jibda bid-dijdrossilazzjoni taċ-ċirku aromatiku biex jifforma 1,2-diidrossi-8-karbossinaftalina. Id-diol li jirriżulta jiġi ossidizzat għal katekol permezz ta' 2-idrossi-3-karbossibenzilidenepiruvat, aċidu 3-formilsaliċiliku, aċidu 2-idrossiisoftaliku u aċidu saliċiliku u jidħol fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju permezz tal-mogħdija tal-qsim tal-meta-ċirku (Figura 3).
Il-karbaril huwa pestiċida tan-naftil karbamat. Minn mindu r-Rivoluzzjoni l-Ħadra fl-Indja fis-snin sebgħin, l-użu ta' fertilizzanti u pestiċidi kimiċi wassal għal żieda fl-emissjonijiet ta' idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (PAH) minn sorsi agrikoli mhux puntwali (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Huwa stmat li 55% (85,722,000 ettaru) tal-art agrikola totali fl-Indja hija trattata b'pestiċidi kimiċi. Matul l-aħħar ħames snin (2015–2020), is-settur agrikolu Indjan uża medja ta' 55,000 sa 60,000 tunnellata ta' pestiċidi kull sena (Dipartiment tal-Kooperattivi u l-Benesseri tal-Bdiewa, Ministeru tal-Agrikoltura, Gvern tal-Indja, Awwissu 2020). Fil-pjanuri Gangetiċi tat-Tramuntana u taċ-Ċentru (l-istati bl-ogħla popolazzjoni u densità ta' popolazzjoni), l-użu ta' pestiċidi fuq l-uċuħ tar-raba' huwa mifrux, bil-predominanza tal-insettiċidi. Il-karbaril (1-naftil-N-metilkarbamat) huwa insettiċida tal-karbamat b'firxa wiesgħa, moderatament sa tossiku ħafna, użat fl-agrikoltura Indjana b'rata medja ta' 100–110 tunnellata. Huwa komunement mibjugħ taħt l-isem kummerċjali Sevin u jintuża biex jikkontrolla insetti (afidi, nemel tan-nar, briegħed, dud żgħir, brimb u ħafna pesti oħra ta' barra) li jaffettwaw varjetà ta' għelejjel (qamħirrum, sojja, qoton, frott u ħaxix). Xi mikro-organiżmi bħal Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus u Arthrobacter jistgħu jintużaw ukoll biex jikkontrollaw pesti oħra. Ġie rrappurtat li RC100 jista' jiddegrada l-karbaril (Larkin u Day, 1986; Chapalamadugu u Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha u Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Il-mogħdija tad-degradazzjoni tal-karbaril ġiet studjata b'mod estensiv f'livelli bijokimiċi, enżimatiċi u ġenetiċi f'iżolati tal-ħamrija ta' Pseudomonas sp. Razez C4, C5 u C6 (Swetha u Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). Il-mogħdija metabolika tibda bl-idroliżi tar-rabta tal-ester permezz tal-karbaril idrolase (CH4) biex tifforma 1-naftol, metilamina u dijossidu tal-karbonju. Imbagħad, 1-naftol jiġi kkonvertit għal 1,2-diidrossinaftalen permezz ta' 1-naftol idrossilasi (1-NH), li jiġi metabolizzat aktar permezz tal-mogħdija ċentrali tal-karbonju permezz tas-saliċilat u l-ġentisat. Xi batterji li jiddegradaw il-karbaril ġew irrappurtati li jimmetabolizzawh għal aċidu saliċiliku permezz tal-qsim taċ-ċirku orto tal-katekol (Larkin u Day, 1986; Chapalamadugu u Chaudhry, 1991). Ta' min jinnota li l-batterji li jiddegradaw in-naftalen primarjament jimmetabolizzaw l-aċidu saliċiliku permezz tal-katekol, filwaqt li l-batterji li jiddegradaw il-karbaril jippreferu jimmetabolizzaw l-aċidu saliċiliku permezz tal-mogħdija tal-ġentisat.
L-aċidu naftalenesulfoniku/aċidu disulfoniku u d-derivattivi tal-aċidu naftilamini-sulfoniku jistgħu jintużaw bħala intermedji fil-produzzjoni ta' żebgħa ażo, aġenti li jxarrbu, dispersanti, eċċ. Għalkemm dawn il-komposti għandhom tossiċità baxxa għall-bnedmin, valutazzjonijiet taċ-ċitotossiċità wrew li huma letali għall-ħut, id-dafnja u l-alka (Greim et al., 1994). Rappreżentanti tal-ġeneru Pseudomonas (razez A3, C22) ġew irrappurtati li jibdew il-metaboliżmu permezz ta' idrossilazzjoni doppja taċ-ċirku aromatiku li fih il-grupp tal-aċidu sulfoniku biex jiffurmaw diidrodiol, li jiġi kkonvertit aktar għal 1,2-diidrossinaftalen permezz ta' qsim spontanju tal-grupp tas-sulfit (Brilon et al., 1981). L-1,2-diidrossinaftalen li jirriżulta jiġi katabolizzat permezz tal-mogħdija klassika tan-naftalina, jiġifieri, il-mogħdija tal-katekol jew tal-ġentisat (Figura 4). Intwera li l-aċidu aminonaftalenesulfoniku u l-aċidu idrossinaftalenesulfoniku jistgħu jiġu degradati kompletament minn konsorzji batteriċi mħallta b'mogħdijiet kataboliċi komplementari (Nortemann et al., 1986). Intwera li membru wieħed tal-konsorzju jneħħi l-sulfur mill-aċidu aminonaftalenesulfoniku jew mill-aċidu idrossinaftalenesulfoniku permezz ta' 1,2-diossiġenazzjoni, filwaqt li l-aminosalċilat jew l-idrossisalċilat jiġu rilaxxati fil-mezz tal-kultura bħala metabolit mingħajr tmiem u sussegwentement jiġu assorbiti minn membri oħra tal-konsorzju. L-aċidu naftalenesulfoniku huwa relattivament polari iżda bijodegradabbli ħażin u għalhekk jista' jiġi metabolizzat permezz ta' mogħdijiet differenti. L-ewwel desulfurizzazzjoni sseħħ waqt id-dijossilazzjoni regjoselettiva taċ-ċirku aromatiku u l-grupp tal-aċidu sulfoniku; it-tieni desulfurizzazzjoni sseħħ waqt l-idrossilazzjoni tal-aċidu 5-sulfosaliċiliku permezz tal-aċidu saliċiliku 5-idrossilasi biex jifforma aċidu ġentisiku, li jidħol fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju (Brilon et al., 1981) (Figura 4). L-enzimi responsabbli għad-degradazzjoni tan-naftalina huma responsabbli wkoll għall-metaboliżmu tas-sulfonat tan-naftalina (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figura 4. Mogħdijiet metaboliċi għad-degradazzjoni tan-naftalina sulfonata. In-numri ġewwa ċ-ċrieki jirrappreżentaw l-enzimi responsabbli għall-metaboliżmu tan-naftilina sulfonata, simili/identiċi għall-enzimi deskritti fil-FIG. 3.
Il-PAHs b'piż molekulari baxx (LMW-PAHs) huma riduċibbli, idrofobiċi u ma jinħallux tajjeb, u għalhekk mhumiex suxxettibbli għal tkissir/degradazzjoni naturali. Madankollu, mikro-organiżmi aerobiċi huma kapaċi jossidizzawh billi jassorbu l-ossiġnu molekulari (O2). Dawn l-enzimi prinċipalment jappartjenu għall-klassi ta' ossidoriduttażi u jistgħu jwettqu diversi reazzjonijiet bħal idrossilazzjoni taċ-ċirku aromatiku (mono- jew diidrossilazzjoni), deidroġenazzjoni u qsim taċ-ċirku aromatiku. Il-prodotti miksuba minn dawn ir-reazzjonijiet huma fi stat ta' ossidazzjoni ogħla u huma metabolizzati aktar faċilment permezz tal-mogħdija ċentrali tal-karbonju (Phale et al., 2020). L-enzimi fil-mogħdija tad-degradazzjoni ġew irrappurtati li huma induċibbli. L-attività ta' dawn l-enzimi hija baxxa ħafna jew negliġibbli meta ċ-ċelloli jitkabbru fuq sorsi sempliċi tal-karbonju bħal glukożju jew aċidi organiċi. It-Tabella 3 tiġbor fil-qosor id-diversi enzimi (ossiġenażi, idrolasi, deidroġenażi, ossidasi, eċċ.) involuti fil-metaboliżmu tan-naftalina u d-derivattivi tagħha.
Tabella 3. Karatteristiċi bijokimiċi tal-enzimi responsabbli għad-degradazzjoni tan-naftalina u d-derivattivi tagħha.
Studji dwar radjuisotopi (18O2) urew li l-inkorporazzjoni ta' O2 molekulari f'ċrieki aromatiċi permezz ta' ossiġenasi hija l-aktar pass importanti fl-attivazzjoni ta' aktar bijodegradazzjoni ta' kompost (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). L-inkorporazzjoni ta' atomu wieħed ta' ossiġnu (O) minn ossiġnu molekulari (O2) fis-sottostrat hija mibdija minn monoossiġenasi endoġeni jew eżoġeni (imsejħa wkoll idrossilasi). Atomu ieħor ta' ossiġnu jitnaqqas għal ilma. Il-monoossiġenasi eżoġeni jnaqqsu l-flavin b'NADH jew NADPH, filwaqt li fl-endomonoossiġenasi l-flavin jitnaqqas mis-sottostrat. Il-pożizzjoni tal-idrossilazzjoni tirriżulta f'diversità fil-formazzjoni tal-prodott. Pereżempju, is-saliċilat 1-idrossilasi jidrossila l-aċidu saliċiliku fil-pożizzjoni C1, u jifforma katekol. Min-naħa l-oħra, is-salicylate 5-hydroxylase b'ħafna komponenti (li fiha s-subunitajiet ta' reductase, ferredoxin, u oxygenase) tidrossila l-aċidu saliċiliku fil-pożizzjoni C5, u tifforma aċidu ġentisiku (Yamamoto et al., 1965).
Id-diossiġenasi jinkorporaw żewġ atomi ta' O2 fis-sottostrat. Skont il-prodotti ffurmati, huma maqsuma f'diossiġenasi li jhydroxylent ring u diossiġenasi li jaqsmu ċ-ċrieki. Id-diossiġenasi li jhydroxylent ring jikkonvertu sottostrati aromatiċi f'cis-dihydrodiols (eż., naftalina) u huma mifruxa fost il-batterji. Sal-lum, intwera li l-organiżmi li fihom diossiġenasi li jhydroxylent ring huma kapaċi jikbru fuq diversi sorsi ta' karbonju aromatiku, u dawn l-enzimi huma kklassifikati bħala NDO (naftalina), toluene diossiġenasi (TDO, toluene), u bifenil diossiġenasi (BPDO, bifenil). Kemm l-NDO kif ukoll il-BPDO jistgħu jikkatalizzaw l-ossidazzjoni doppja u l-idrossilazzjoni tal-katina tal-ġenb ta' diversi idrokarburi aromatiċi poliċikliċi (toluene, nitrotoluene, xylene, ethylbenzene, naftaline, biphenyl, fluorene, indole, methylnaphthalene, naphthalesulfonate, phenanthrene, anthracene, acetophenone, eċċ.) (Boyd u Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). L-NDO hija sistema b'ħafna komponenti li tikkonsisti minn oxidoreductase, ferredoxin, u komponent ta' oxygenase li fih sit attiv (Gibson u Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). L-unità katalitika tal-NDO tikkonsisti minn subunità α kbira u subunità β żgħira rranġata f'konfigurazzjoni α3β3. L-NDO jappartjeni għal familja kbira ta' ossiġenasi u s-subunità α tagħha fiha sit ta' Rieske [2Fe-2S] u ħadid mononukleari mhux eme, li jiddetermina l-ispeċifiċità tas-sottostrat tal-NDO (Parales et al., 1998). Tipikament, f'ċiklu katalitiku wieħed, żewġ elettroni mit-tnaqqis tan-nukleotide tal-piridina jiġu trasferiti għall-jone Fe(II) fis-sit attiv permezz ta' riduttażi, ferredoxina u sit ta' Rieske. L-ekwivalenti tat-tnaqqis jattivaw l-ossiġnu molekulari, li huwa prerekwiżit għad-dijdrossilazzjoni tas-sottostrat (Ferraro et al., 2005). Sal-lum, ftit NDOs biss ġew purifikati u kkaratterizzati fid-dettall minn razez differenti u l-kontroll ġenetiku tal-mogħdijiet involuti fid-degradazzjoni tan-naftalina ġie studjat fid-dettall (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Id-diossiġenasi li jaqsmu ċ-ċirku (enzimi li jaqsmu ċ-ċirku endo jew orto u enzimi li jaqsmu ċ-ċirku exodjol jew meta) jaġixxu fuq komposti aromatiċi idrossilati. Pereżempju, id-diossiġenasi li jaqsmu ċ-ċirku orto hija catechol-1,2-diossiġenasi, filwaqt li d-diossiġenasi li jaqsmu ċ-ċirku meta hija catechol-2,3-diossiġenasi (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Minbarra diversi ossiġenasi, hemm ukoll diversi deidroġenasi responsabbli għad-deidroġenazzjoni ta' diidrodioli aromatiċi, alkoħol u aldeidi u l-użu ta' NAD+/NADP+ bħala aċċetturi tal-elettroni, li huma wħud mill-enzimi importanti involuti fil-metaboliżmu (Gibson u Subramanian, 1984; Shaw u Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Enżimi bħal idrolasi (esterases, amidases) huma t-tieni klassi importanti ta' enzimi li jużaw l-ilma biex jaqtgħu bonds kovalenti u juru speċifiċità wiesgħa għas-sottostrat. Il-karbaril idrolase u idrolasi oħra huma kkunsidrati bħala komponenti tal-periplażma (transmembrana) f'membri ta' batterji Gram-negattivi (Kamini et al., 2018). Il-karbaril għandu kemm rabta ta' amide kif ukoll ta' ester; għalhekk, jista' jiġi idrolizzat jew minn esterase jew minn amidase biex jifforma 1-naphthol. Il-karbaril fir-razza Rhizobium rhizobium AC10023 u r-razza Arthrobacter RC100 ġew irrappurtati li jiffunzjonaw bħala esterase u amidase, rispettivament. Il-karbaril fir-razza Arthrobacter RC100 jiffunzjona wkoll bħala amidase. Intwera li RC100 jidrolizza erba' insettiċidi tal-klassi N-methylcarbamate bħal karbaril, methomyl, aċidu mefenamiku u XMC (Hayaatsu et al., 2001). Ġie rrappurtat li CH f'Pseudomonas sp. C5pp jista' jaġixxi fuq carbaryl (attività ta' 100%) u 1-naphthyl acetate (attività ta' 36%), iżda mhux fuq 1-naphthylacetamide, li jindika li huwa esterase (Trivedi et al., 2016).
Studji bijokimiċi, mudelli ta' regolazzjoni tal-enzimi, u analiżi ġenetika wrew li l-ġeni tad-degradazzjoni tan-naftalina jikkonsistu f'żewġ unitajiet regolatorji induċibbli jew "operoni": nah (il-"passaġġ 'il fuq", li jikkonverti n-naftalina għal aċidu saliċiliku) u sal (il-"passaġġ 'l isfel", li jikkonverti l-aċidu saliċiliku għall-passaġġ ċentrali tal-karbonju permezz tal-katekol). L-aċidu saliċiliku u l-analogi tiegħu jistgħu jaġixxu bħala indutturi (Shamsuzzaman u Barnsley, 1974). Fil-preżenza ta' glukożju jew aċidi organiċi, l-operon jiġi repress. Il-Figura 5 turi l-organizzazzjoni ġenetika kompluta tad-degradazzjoni tan-naftalina (fil-forma ta' operon). Diversi varjanti/forom imsemmija tal-ġene nah (ndo/pah/dox) ġew deskritti u nstabu li għandhom omoloġija għolja tas-sekwenza (90%) fost l-ispeċi kollha ta' Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Il-ġeni tal-passaġġ 'il fuq tan-naftalina kienu ġeneralment irranġati f'ordni ta' kunsens kif muri fil-Figura 5A. Ġene ieħor, nahQ, ġie rrappurtat ukoll li huwa involut fil-metaboliżmu tan-naftalina u ġeneralment kien jinsab bejn nahC u nahE, iżda l-funzjoni attwali tiegħu għad trid tiġi ċċarata. Bl-istess mod, il-ġene nahY, responsabbli għall-kemotassi sensittiva għan-naftalina, instab fit-tarf distali tal-operon nah f'xi membri. F'Ralstonia sp., il-ġene U2 li jikkodifika l-glutathione S-transferase (gsh) instab li jinsab bejn nahAa u nahAb iżda ma affettwax il-karatteristiċi tal-użu tan-naftalina (Zylstra et al., 1997).
Figura 5. Organizzazzjoni u diversità ġenetika osservati waqt id-degradazzjoni tan-naftalina fost l-ispeċi batteriċi; (A) Il-mogħdija tan-naftalina ta' fuq, metaboliżmu tan-naftalina għal aċidu saliċiliku; (B) Il-mogħdija tan-naftalina t'isfel, aċidu saliċiliku permezz tal-katekol għall-mogħdija ċentrali tal-karbonju; (C) aċidu saliċiliku permezz tal-ġentisat għall-mogħdija ċentrali tal-karbonju.
Il-“mogħdija t’isfel” (operon sal) tipikament tikkonsisti minn nahGTHINLMOKJ u tikkonverti s-saliċilat għal piruvat u aċetaldejde permezz tal-mogħdija tal-qsim tal-metaring tal-katekol. Il-ġene nahG (li jikkodifika s-saliċilat idrossilasi) instab li huwa kkonservat fit-tarf prossimali tal-operon (Fig. 5B). Meta mqabbel ma’ razez oħra li jiddegradaw in-naftalina, f’P. putida CSV86 l-operoni nah u sal huma tandem u relatati mill-qrib ħafna (madwar 7.5 kb). F’xi batterji Gram-negattivi, bħal Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, u P. putida AK5, in-naftalina hija metabolizzata bħala metabolit ċentrali tal-karbonju permezz tal-mogħdija tal-ġentisat (fil-forma tal-operon sgp/nag). Il-kasett tal-ġeni huwa tipikament rappreżentat fil-forma nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, fejn nagR (li jikkodifika regolatur tat-tip LysR) jinsab fit-tarf ta' fuq (Figura 5C).
Il-karbaril jidħol fiċ-ċiklu ċentrali tal-karbonju permezz tal-metaboliżmu ta' 1-naftol, 1,2-diidrossinaftalen, aċidu saliċiliku, u aċidu ġentisiku (Figura 3). Abbażi ta' studji ġenetiċi u metaboliċi, ġie propost li din il-mogħdija tinqasam f'"upstream" (konverżjoni tal-karbaril għal aċidu saliċiliku), "nofs" (konverżjoni tal-aċidu saliċiliku għal aċidu ġentisiku), u "downstream" (konverżjoni tal-aċidu ġentisiku għal intermedji tal-mogħdija ċentrali tal-karbonju) (Singh et al., 2013). Analiżi ġenomika ta' C5pp (supercontig A, 76.3 kb) żvelat li l-ġene mcbACBDEF huwa involut fil-konverżjoni ta' carbaryl għal aċidu saliċiliku, segwit minn mcbIJKL fil-konverżjoni ta' aċidu saliċiliku għal aċidu ġentisiku, u mcbOQP fil-konverżjoni ta' aċidu ġentisiku għal intermedji ċentrali tal-karbonju (fumarat u piruvat, Trivedi et al., 2016) (Figura 6).
Ġie rrappurtat li l-enzimi involuti fid-degradazzjoni ta' idrokarburi aromatiċi (inklużi n-naftalina u l-aċidu saliċiliku) jistgħu jiġu indotti mill-komposti korrispondenti u inibiti minn sorsi sempliċi ta' karbonju bħal glukożju jew aċidi organiċi (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Fost id-diversi mogħdijiet metaboliċi tan-naftalina u d-derivattivi tagħha, il-karatteristiċi regolatorji tan-naftalina u l-karbaril ġew studjati sa ċertu punt. Għan-naftalina, il-ġeni kemm fil-mogħdijiet upstream kif ukoll downstream huma regolati minn NahR, regolatur pożittiv trans-acting tat-tip LysR. Huwa meħtieġ għall-induzzjoni tal-ġene nah mill-aċidu saliċiliku u l-espressjoni sussegwenti ta' livell għoli tiegħu (Yen u Gunsalus, 1982). Barra minn hekk, studji wrew li l-fattur ospitanti integrattiv (IHF) u XylR (regolatur traskrizzjonali dipendenti fuq sigma 54) huma wkoll kritiċi għall-attivazzjoni traskrizzjonali tal-ġeni fil-metaboliżmu tan-naftalina (Ramos et al., 1997). Studji wrew li l-enzimi tal-mogħdija tal-ftuħ taċ-ċirku meta-katekol, jiġifieri catechol 2,3-dioxygenase, huma indotti fil-preżenza ta' naftalina u/jew aċidu saliċiliku (Basu et al., 2006). Studji wrew li l-enzimi tal-mogħdija tal-ftuħ taċ-ċirku orto-katekol, jiġifieri catechol 1,2-dioxygenase, huma indotti fil-preżenza ta' aċidu benżojku u cis,cis-muconate (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Fir-razza C5pp, ħames ġeni, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR u mcbS, jikkodifikaw regolaturi li jappartjenu għall-familja LysR/TetR ta' regolaturi tat-traskrizzjoni responsabbli għall-kontroll tad-degradazzjoni tal-karbaril. Il-ġene omologu mcbG instab li huwa l-aktar relatat mar-regolatur tat-tip LysR PhnS (58% identità tal-aċidu amminiku) involut fil-metaboliżmu tal-fenantrene f'Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Il-ġene mcbH instab li huwa involut fil-mogħdija intermedja (konverżjoni tal-aċidu saliċiliku għal aċidu ġentisiku) u jappartjeni għar-regolatur tat-traskrizzjoni tat-tip LysR NagR/DntR/NahR f'Pseudomonas u Burkholderia. Membri ta' din il-familja ġew irrappurtati li jirrikonoxxu l-aċidu saliċiliku bħala molekula effettur speċifika għall-induzzjoni tal-ġeni tad-degradazzjoni. Min-naħa l-oħra, ġew identifikati tliet ġeni, mcbN, mcbR u mcbS, li jappartjenu għar-regolaturi tat-traskrizzjoni tat-tip LysR u TetR, fil-mogħdija downstream (metaboliti tal-mogħdija tal-karbonju ċentrali tal-ġentisat).
Fil-prokarioti, il-proċessi orizzontali ta' trasferiment tal-ġeni (akkwist, skambju, jew trasferiment) permezz ta' plasmidi, transposoni, profago, gżejjer ġenomiċi, u elementi konjugattivi integrattivi (ICE) huma kawżi ewlenin ta' plastiċità fil-ġenomi batteriċi, li jwasslu għall-kisba jew it-telf ta' funzjonijiet/karatteristiċi speċifiċi. Dan jippermetti lill-batterji jadattaw malajr għal kundizzjonijiet ambjentali differenti, u jipprovdu vantaġġi metaboliċi adattivi potenzjali lill-ospitant, bħad-degradazzjoni ta' komposti aromatiċi. Il-bidliet metaboliċi spiss jinkisbu permezz ta' rfinar tal-operoni tad-degradazzjoni, il-mekkaniżmi regolatorji tagħhom, u l-ispeċifiċitajiet tal-enzimi, li jiffaċilitaw id-degradazzjoni ta' firxa usa' ta' komposti aromatiċi (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Il-cassettes tal-ġeni għad-degradazzjoni tan-naftalina nstabu li jinsabu fuq varjetà ta' elementi mobbli bħal plasmidi (konjugattivi u mhux konjugattivi), transposoni, ġenomi, ICEs, u kombinazzjonijiet ta' speċi batteriċi differenti (Figura 5). Fi Pseudomonas G7, l-operoni nah u sal tal-plasmid NAH7 huma traskritti fl-istess orjentazzjoni u huma parti minn transposon difettuż li jeħtieġ transposase Tn4653 għall-mobilizzazzjoni (Sota et al., 2006). Fir-razza Pseudomonas NCIB9816-4, il-ġene nstab fuq il-plasmid konjugattiv pDTG1 bħala żewġ operoni (madwar 15 kb 'il bogħod minn xulxin) li ġew traskritti f'direzzjonijiet opposti (Dennis u Zylstra, 2004). Fir-razza Pseudomonas putida AK5, il-plasmid mhux konjugattiv pAK5 jikkodifika l-enzima responsabbli għad-degradazzjoni tan-naftalina permezz tal-mogħdija gentisate (Izmalkova et al., 2013). Fir-razza Pseudomonas PMD-1, l-operon nah jinsab fuq il-kromożoma, filwaqt li l-operon sal jinsab fuq il-plasmid konjugattiv pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Madankollu, f'Pseudomonas stutzeri AN10, il-ġeni kollha tad-degradazzjoni tan-naftalina (l-operoni nah u sal) jinsabu fuq il-kromożoma u preżumibbilment huma reklutati permezz ta' avvenimenti ta' traspożizzjoni, rikombinazzjoni, u riarranġament (Bosch et al., 2000). F'Pseudomonas sp. CSV86, l-operoni nah u sal jinsabu fil-ġenoma fil-forma ta' ICE (ICECSV86). L-istruttura hija protetta minn tRNAGly segwita minn ripetizzjonijiet diretti li jindikaw siti ta' rikombinazzjoni/twaħħil (attR u attL) u integrase simili għal faġi li tinsab fiż-żewġt itruf ta' tRNAGly, għalhekk strutturalment simili għall-element ICEclc (ICEclcB13 f'Pseudomonas knackmusii għad-degradazzjoni tal-klorokatekol). Ġie rrappurtat li l-ġeni fuq l-ICE jistgħu jiġu trasferiti permezz ta' konjugazzjoni bi frekwenza ta' trasferiment estremament baxxa (10-8), u b'hekk il-proprjetajiet ta' degradazzjoni jiġu trasferiti lir-riċevitur (Basu u Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Il-biċċa l-kbira tal-ġeni responsabbli għad-degradazzjoni tal-karbaril jinsabu fuq il-plasmidi. Arthrobacter sp. RC100 fih tliet plasmidi (pRC1, pRC2 u pRC300) li minnhom żewġ plasmidi konjugattivi, pRC1 u pRC2, jikkodifikaw l-enzimi li jikkonvertu l-karbaril għal ġentisat. Min-naħa l-oħra, l-enzimi involuti fil-konverżjoni tal-ġentisat għall-metaboliti ċentrali tal-karbonju jinsabu fuq il-kromożoma (Hayaatsu et al., 1999). Batterji tal-ġeneru Rhizobium. Ir-razza AC100, użata għall-konverżjoni tal-karbaril għal 1-naftol, fiha l-plasmid pAC200, li jġorr il-ġene cehA li jikkodifika CH bħala parti mit-transposon Tnceh imdawwar minn sekwenzi simili għal elementi ta' inserzjoni (istA u istB) (Hashimoto et al., 2002). Fir-razza CF06 ta' Sphingomonas, il-ġene tad-degradazzjoni tal-karbaril huwa maħsub li huwa preżenti f'ħames plasmidi: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, u pCF05. L-omoloġija tad-DNA ta' dawn il-plasmidi hija għolja, u dan jindika l-eżistenza ta' avveniment ta' duplikazzjoni tal-ġeni (Feng et al., 1997). F'simbjont li jiddegrada l-karbaril magħmul minn żewġ speċi ta' Pseudomonas, ir-razza 50581 fiha plasmid konjugattiv pCD1 (50 kb) li jikkodifika l-ġene mcd carbaryl hydrolase, filwaqt li l-plasmid konjugattiv fir-razza 50552 jikkodifika enzima li tiddegrada 1-naphthol (Chapalamadugu u Chaudhry, 1991). Fir-razza WM111 ta' Achromobacter, il-ġene mcd furadan hydrolase jinsab fuq plasmid ta' 100 kb (pPDL11). Dan il-ġene ntwera li huwa preżenti fuq plasmidi differenti (100, 105, 115 jew 124 kb) f'batterji differenti minn reġjuni ġeografiċi differenti (Parekh et al., 1995). F'Pseudomonas sp. C5pp, il-ġeni kollha responsabbli għad-degradazzjoni tal-karbaril jinsabu f'ġenoma li tkopri 76.3 kb ta' sekwenza (Trivedi et al., 2016). L-analiżi tal-ġenoma (6.15 Mb) żvelat il-preżenza ta' 42 MGE u 36 GEI, li minnhom 17 MGE kienu jinsabu f'supercontig A (76.3 kb) b'kontenut medju asimmetriku ta' G+C (54–60 mol%), li jissuġġerixxi avvenimenti possibbli ta' trasferiment orizzontali tal-ġeni (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 juri arranġament simili ta' ġeni li jiddegradaw il-karbaril, iżda dawn il-ġeni jinsabu fuq plasmid (Zhu et al., 2019).
Minbarra l-effiċjenza metabolika fil-livelli bijokimiċi u ġenomiċi, il-mikroorganiżmi juru wkoll proprjetajiet jew risposti oħra bħal kemotassi, proprjetajiet ta' modifikazzjoni tal-wiċċ taċ-ċelluli, kompartimentalizzazzjoni, utilizzazzjoni preferenzjali, produzzjoni ta' bijosurfactant, eċċ., li jgħinuhom jimmetabolizzaw b'mod aktar effiċjenti sustanzi niġġiesa aromatiċi f'ambjenti kkontaminati (Figura 7).
Figura 7. Strateġiji differenti ta' rispons ċellulari ta' batterji ideali li jiddegradaw l-idrokarburi aromatiċi għal bijodegradazzjoni effiċjenti ta' komposti barranin li jniġġsu.
Ir-risponsi kemotattiċi huma kkunsidrati bħala fatturi li jtejbu d-degradazzjoni ta' sustanzi niġġiesa organiċi f'ekosistemi mniġġsa b'mod eteroġenju. (2002) wera li l-kemotassi ta' Pseudomonas sp. G7 għan-naftalina żiedet ir-rata ta' degradazzjoni tan-naftalina fis-sistemi akkwatiċi. Ir-razza tat-tip selvaġġ G7 degradat in-naftalina ħafna aktar malajr minn razza mutanti defiċjenti fil-kemotassi. Il-proteina NahY (538 aċidu amminiku b'topoloġija tal-membrana) instabet li hija ko-traskritta mal-ġeni tal-mogħdija metacleavage fuq il-plasmid NAH7, u bħat-transducers tal-kemotassi, din il-proteina tidher li tiffunzjona bħala kemoreċettur għad-degradazzjoni tan-naftalina (Grimm u Harwood 1997). Studju ieħor minn Hansel et al. (2009) wera li l-proteina hija kemotattika, iżda r-rata ta' degradazzjoni tagħha hija għolja. (2011) wera rispons kemotattiku ta' Pseudomonas (P. putida) għan-naftalina gassuża, fejn id-diffużjoni tal-fażi tal-gass irriżultat fi fluss kostanti ta' naftalina lejn iċ-ċelloli, li kkontrolla r-rispons kemotattiku taċ-ċelloli. Ir-riċerkaturi sfruttaw dan l-imġiba kemotattika biex jiddisinjaw mikrobi li jtejbu r-rata tad-degradazzjoni. Studji wrew li l-mogħdijiet kemosensorjali jirregolaw ukoll funzjonijiet ċellulari oħra bħad-diviżjoni taċ-ċelluli, ir-regolazzjoni taċ-ċiklu taċ-ċelluli, u l-formazzjoni tal-bijofilm, u b'hekk jgħinu biex jikkontrollaw ir-rata tad-degradazzjoni. Madankollu, l-isfruttament ta' din il-proprjetà (kemotassi) għal degradazzjoni effiċjenti huwa mxekkel minn diversi ostakli. L-ostakli ewlenin huma: (a) riċetturi paralogi differenti jirrikonoxxu l-istess komposti/ligandi; (b) l-eżistenza ta' riċetturi alternattivi, jiġifieri, tropiżmu enerġetiku; (ċ) differenzi sinifikanti fis-sekwenza fid-dominji sensorji tal-istess familja ta' riċetturi; u (d) nuqqas ta' informazzjoni dwar il-proteini sensorji batteriċi ewlenin (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Kultant, il-bijodegradazzjoni ta' idrokarburi aromatiċi tipproduċi metaboliti/intermedji multipli, li jistgħu jkunu kemotattiċi għal grupp wieħed ta' batterji iżda repulsivi għal oħrajn, u dan jikkomplika aktar il-proċess. Biex nidentifikaw l-interazzjonijiet tal-ligandi (idrokarburi aromatiċi) mar-riċetturi kimiċi, bnejna proteini tas-sensuri ibridi (PcaY, McfR, u NahY) billi għaqqadna d-dominji tas-sensuri u tas-sinjalar ta' Pseudomonas putida u Escherichia coli, li jimmiraw lejn ir-riċetturi għal aċidi aromatiċi, intermedji tat-TCA, u naftalina, rispettivament (Luu et al., 2019).
Taħt l-influwenza tan-naftalina u idrokarburi aromatiċi poliċikliċi oħra (PAHs), l-istruttura tal-membrana batterika u l-integrità tal-mikroorganiżmi jgħaddu minn bidliet sinifikanti. Studji wrew li n-naftalina tinterferixxi mal-interazzjoni tal-katina aċilika permezz ta' interazzjonijiet idrofobiċi, u b'hekk iżżid in-nefħa u l-fluwidità tal-membrana (Sikkema et al., 1995). Biex jikkontrobattu dan l-effett detrimentali, il-batterji jirregolaw il-fluwidità tal-membrana billi jibdlu l-proporzjon u l-kompożizzjoni tal-aċidu xaħmi bejn l-aċidi grassi b'katina ramifikata iso/anteiso u isomerizzaw l-aċidi grassi cis-insaturati fl-isomeri trans korrispondenti (Heipieper u de Bont, 1994). Fi Pseudomonas stutzeri mkabbra fuq trattament bin-naftalina, il-proporzjon ta' aċidu xaħmi saturat għal mhux saturat żdied minn 1.1 għal 2.1, filwaqt li fi Pseudomonas JS150 dan il-proporzjon żdied minn 7.5 għal 12.0 (Mrozik et al., 2004). Meta mkabbra fuq in-naftalina, iċ-ċelloli Achromobacter KAs 3–5 urew aggregazzjoni taċ-ċelloli madwar kristalli tan-naftalina u tnaqqis fil-ċarġ tal-wiċċ taċ-ċelloli (minn -22.5 għal -2.5 mV) akkumpanjat minn kondensazzjoni ċitoplasmika u vakwolizzazzjoni, li jindika bidliet fl-istruttura taċ-ċelloli u l-proprjetajiet tal-wiċċ taċ-ċelloli (Mohapatra et al., 2019). Għalkemm il-bidliet ċellulari/tal-wiċċ huma direttament assoċjati ma' assorbiment aħjar ta' sustanzi niġġiesa aromatiċi, l-istrateġiji rilevanti tal-bijoinġinerija ma ġewx ottimizzati bir-reqqa. Il-manipulazzjoni tal-forma taċ-ċelloli rarament intużat biex tottimizza l-proċessi bijoloġiċi (Volke and Nikel, 2018). It-tħassir ta' ġeni li jaffettwaw id-diviżjoni taċ-ċelloli jikkawża bidliet fil-morfoloġija taċ-ċelloli. It-tħassir ta' ġeni li jaffettwaw id-diviżjoni taċ-ċelloli jikkawża bidliet fil-morfoloġija taċ-ċelloli. F'Bacillus subtilis, il-proteina tas-septum taċ-ċelloli SepF intweriet li hija involuta fil-formazzjoni tas-septum u hija meħtieġa għall-passi sussegwenti tad-diviżjoni taċ-ċelloli, iżda mhijiex ġene essenzjali. It-tħassir tal-ġeni li jikkodifikaw il-peptide glycan hydrolases f'Bacillus subtilis irriżulta f'titwil taċ-ċelluli, żieda fir-rata ta' tkabbir speċifika, u titjib fil-kapaċità tal-produzzjoni tal-enzimi (Cui et al., 2018).
Il-kompartimentalizzazzjoni tal-mogħdija tad-degradazzjoni tal-karbaril ġiet proposta biex tinkiseb degradazzjoni effiċjenti tar-razez ta' Pseudomonas C5pp u C7 (Kamini et al., 2018). Huwa propost li l-karbaril jiġi ttrasportat fl-ispazju periplażmiku permezz tas-septum tal-membrana ta' barra u/jew permezz ta' porini diffużibbli. Is-CH huwa enzima periplażmika li tikkatalizza l-idroliżi tal-karbaril għal 1-naftol, li huwa aktar stabbli, aktar idrofobiku u aktar tossiku. Is-CH huwa lokalizzat fil-periplażma u għandu affinità baxxa għall-karbaril, u b'hekk jikkontrolla l-formazzjoni ta' 1-naftol, u b'hekk jipprevjeni l-akkumulazzjoni tiegħu fiċ-ċelloli u jnaqqas it-tossiċità tiegħu għaċ-ċelloli (Kamini et al., 2018). L-1-naftol li jirriżulta jiġi ttrasportat fiċ-ċitoplasma permezz tal-membrana ta' ġewwa permezz ta' tqassim u/jew diffużjoni, u mbagħad jiġi idrossilat għal 1,2-diidrossinaftalen mill-enzima ta' affinità għolja 1NH għal aktar metaboliżmu fil-mogħdija ċentrali tal-karbonju.
Għalkemm il-mikroorganiżmi għandhom il-kapaċitajiet ġenetiċi u metaboliċi biex jiddegradaw sorsi ksenobijotiċi tal-karbonju, l-istruttura ġerarkika tal-użu tagħhom (jiġifieri, użu preferenzjali ta' sorsi sempliċi tal-karbonju fuq sorsi kumplessi tal-karbonju) hija ostaklu ewlieni għall-bijodegradazzjoni. Il-preżenza u l-użu ta' sorsi sempliċi tal-karbonju jnaqqsu l-livell ta' ġeni li jikkodifikaw enzimi li jiddegradaw sorsi kumplessi/mhux preferuti tal-karbonju bħall-PAHs. Eżempju studjat sew huwa li meta l-glukożju u l-lattożju jingħataw flimkien lil Escherichia coli, il-glukożju jintuża b'mod aktar effiċjenti mil-lattożju (Jacob u Monod, 1965). Pseudomonas ġie rrappurtat li jiddegrada varjetà ta' PAHs u komposti ksenobijotiċi bħala sorsi tal-karbonju. Il-ġerarkija tal-użu tas-sors tal-karbonju f'Pseudomonas hija aċidi organiċi > glukożju > komposti aromatiċi (Hylemon u Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Madankollu, hemm eċċezzjoni. Interessanti, Pseudomonas sp. CSV86 juri struttura ġerarkika unika li tutilizza preferenzjalment idrokarburi aromatiċi (aċidu benżojku, naftalina, eċċ.) minflok glukożju u timmetabolizza idrokarburi aromatiċi flimkien ma' aċidi organiċi (Basu et al., 2006). F'dan il-batterju, il-ġeni għad-degradazzjoni u t-trasport ta' idrokarburi aromatiċi mhumiex regolati 'l isfel anke fil-preżenza ta' sors ieħor ta' karbonju bħal glukożju jew aċidi organiċi. Meta tkabbar f'mezz ta' glukożju u idrokarburi aromatiċi, ġie osservat li l-ġeni għat-trasport u l-metaboliżmu tal-glukożju kienu regolati 'l isfel, l-idrokarburi aromatiċi ntużaw fl-ewwel fażi logaritmika, u l-glukożju ntuża fit-tieni fażi logaritmika (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Min-naħa l-oħra, il-preżenza ta' aċidi organiċi ma affettwatx l-espressjoni tal-metaboliżmu tal-idrokarburi aromatiċi, għalhekk dan il-batterju huwa mistenni li jkun razza kandidat għal studji ta' bijodegradazzjoni (Phale et al., 2020).
Huwa magħruf sew li l-bijotrasformazzjoni tal-idrokarburi tista' tikkawża stress ossidattiv u żieda fl-enzimi antiossidanti fil-mikroorganiżmi. Il-bijodegradazzjoni ineffiċjenti tan-naftalina kemm f'ċelloli f'fażi stazzjonarja kif ukoll fil-preżenza ta' komposti tossiċi twassal għall-formazzjoni ta' speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS) (Kang et al. 2006). Peress li l-enzimi li jiddegradaw in-naftalina fihom gruppi ta' ħadid-kubrit, taħt stress ossidattiv, il-ħadid fl-eme u l-proteini tal-ħadid-kubrit se jiġi ossidizzat, u dan iwassal għall-inattivazzjoni tal-proteini. Ferredoxin-NADP+ reductase (Fpr), flimkien mas-superoxide dismutase (SOD), jimmedja r-reazzjoni redox riversibbli bejn NADP+/NADPH u żewġ molekuli ta' ferredoxin jew flavodoxin, u b'hekk ineħħu l-ROS u jirrestawraw iċ-ċentru tal-ħadid-kubrit taħt stress ossidattiv (Li et al. 2006). Ġie rrappurtat li kemm Fpr kif ukoll SodA (SOD) f'Pseudomonas jistgħu jiġu indotti minn stress ossidattiv, u żieda fl-attivitajiet ta' SOD u katalażi ġiet osservata f'erba' razez ta' Pseudomonas (O1, W1, As1, u G1) waqt it-tkabbir taħt kundizzjonijiet miżjuda bin-naftalina (Kang et al., 2006). Studji wrew li ż-żieda ta' antiossidanti bħall-aċidu askorbiku jew il-ħadid ferruż (Fe2+) tista' żżid ir-rata ta' tkabbir tan-naftalina. Meta Rhodococcus erythropolis kiber f'mezz tan-naftalina, it-traskrizzjoni tal-ġeni taċ-ċitokromu P450 relatati mal-istress ossidattiv inklużi sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase), u recA żdiedet (Sazykin et al., 2019). Analiżi proteomika kwantitattiva komparattiva taċ-ċelloli ta' Pseudomonas ikkultivati ​​fin-naftalina wriet li r-regolazzjoni 'l fuq ta' diversi proteini assoċjati mar-rispons għall-istress ossidattiv hija strateġija biex tlaħħaq mal-istress (Herbst et al., 2013).
Ġie rrappurtat li mikro-organiżmi jipproduċu bijosurfactanti taħt l-azzjoni ta' sorsi idrofobiċi tal-karbonju. Dawn is-surfactanti huma komposti attivi tal-wiċċ anfifiliċi li jistgħu jiffurmaw aggregati f'interfaċċji żejt-ilma jew arja-ilma. Dan jippromwovi l-pseudo-solubilizzazzjoni u jiffaċilita l-assorbiment ta' idrokarburi aromatiċi, li jirriżulta f'bijodegradazzjoni effiċjenti (Rahman et al., 2002). Minħabba dawn il-proprjetajiet, il-bijosurfactanti jintużaw ħafna f'diversi industriji. Iż-żieda ta' surfactanti kimiċi jew bijosurfactanti ma' kulturi batteriċi tista' ttejjeb l-effiċjenza u r-rata tad-degradazzjoni tal-idrokarburi. Fost il-bijosurfactanti, ir-ramnolipidi prodotti minn Pseudomonas aeruginosa ġew studjati u kkaratterizzati b'mod estensiv (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Barra minn hekk, tipi oħra ta' bijosurfactanti jinkludu lipopeptidi (muċini minn Pseudomonas fluorescens), emulsifikatur 378 (minn Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg u Ron, 1999), lipidi tad-disakkaridi tat-trehalose minn Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenin minn Bacillus (Saraswathy u Hallberg, 2002), u surfactant minn Bacillus subtilis (Siegmund u Wagner, 1991) u Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Dawn is-surfactanti potenti ntwerew li jnaqqsu t-tensjoni tal-wiċċ minn 72 dina/cm għal inqas minn 30 dina/cm, li jippermettu assorbiment aħjar tal-idrokarburi. Ġie rrappurtat li Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia u speċi batteriċi oħra jistgħu jipproduċu diversi biosurfactants ibbażati fuq ramnolipidi u glikolipidi meta jitkabbru f'mezzi tan-naftalina u l-metilnaftalina (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 jista' jipproduċi biosurfactant extraċellulari Biosur-Pm meta jitkabbar fuq komposti aromatiċi bħall-aċidu naftojku (Phale et al., 1995). Il-kinetika tal-formazzjoni ta' Biosur-Pm uriet li s-sintesi tiegħu hija proċess dipendenti fuq it-tkabbir u l-pH. Instab li l-ammont ta' Biosur-Pm prodott miċ-ċelloli f'pH newtrali kien ogħla minn dak f'pH 8.5. Iċ-ċelloli mkabbra f'pH 8.5 kienu aktar idrofobiċi u kellhom affinità ogħla għal komposti aromatiċi u alifatiċi minn ċelloli mkabbra f'pH 7.0. F'Rhodococcus spp. N6, proporzjon ogħla ta' karbonju għal nitroġenu (C:N) u limitazzjoni tal-ħadid huma kundizzjonijiet ottimali għall-produzzjoni ta' bijosurfactanti extraċellulari (Mutalik et al., 2008). Saru tentattivi biex titjieb il-bijosintesi tal-bijosurfactanti (surfactins) billi jiġu ottimizzati r-razez u l-fermentazzjoni. Madankollu, it-titru tas-surfactant fil-mezz tal-kultura huwa baxx (1.0 g/L), li joħloq sfida għall-produzzjoni fuq skala kbira (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Għalhekk, intużaw metodi ta' inġinerija ġenetika biex titjieb il-bijosintesi tiegħu. Madankollu, il-modifika tal-inġinerija tiegħu hija diffiċli minħabba d-daqs kbir tal-operon (∼25 kb) u r-regolazzjoni bijosintetika kumplessa tas-sistema ta' quorum sensing (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Numru ta' modifiki fl-inġinerija ġenetika twettqu fil-batterji Bacillus, prinċipalment immirati biex iżidu l-produzzjoni tas-surfactin billi jissostitwixxu l-promotur (l-operon srfA), jesprimu żżejjed il-proteina tal-esportazzjoni tas-surfactin YerP u l-fatturi regolatorji ComX u PhrC (Jiao et al., 2017). Madankollu, dawn il-metodi ta' inġinerija ġenetika kisbu biss modifika ġenetika waħda jew ftit modifiki u għadhom ma laħqux il-produzzjoni kummerċjali. Għalhekk, huwa meħtieġ aktar studju tal-metodi ta' ottimizzazzjoni bbażati fuq l-għarfien.
L-istudji dwar il-bijodegradazzjoni tal-PAH jitwettqu prinċipalment taħt kundizzjonijiet standard tal-laboratorju. Madankollu, f'siti kkontaminati jew f'ambjenti kkontaminati, ħafna fatturi abijotiċi u bijotiċi (temperatura, pH, ossiġnu, disponibbiltà ta' nutrijenti, bijodisponibbiltà tas-sottostrat, ksenobijotiċi oħra, inibizzjoni tal-prodott finali, eċċ.) intwerew li jbiddlu u jinfluwenzaw il-kapaċità degradattiva tal-mikroorganiżmi.
It-temperatura għandha effett sinifikanti fuq il-bijodegradazzjoni tal-PAH. Hekk kif tiżdied it-temperatura, il-konċentrazzjoni tal-ossiġnu maħlul tonqos, u dan jaffettwa l-metaboliżmu tal-mikroorganiżmi aerobiċi, peress li jeħtieġu ossiġnu molekulari bħala wieħed mis-sottostrati għall-ossiġenasi li jwettqu reazzjonijiet ta' idrossilazzjoni jew qsim taċ-ċirku. Spiss jiġi nnutat li temperatura elevata tikkonverti l-PAHs ġenituri f'komposti aktar tossiċi, u b'hekk tinibixxi l-bijodegradazzjoni (Muller et al., 1998).
Ġie nnutat li ħafna siti kkontaminati bil-PAH għandhom valuri ta' pH estremi, bħal siti kkontaminati bid-drenaġġ tal-minjieri aċidużi (pH 1–4) u siti ta' gassifikazzjoni tal-gass naturali/faħam ikkontaminati b'lixsija alkalina (pH 8–12). Dawn il-kundizzjonijiet jistgħu jaffettwaw serjament il-proċess ta' bijodegradazzjoni. Għalhekk, qabel ma jintużaw mikro-organiżmi għar-rimedjazzjoni bijoloġika, huwa rakkomandat li l-pH jiġi aġġustat billi jiżdiedu kimiċi xierqa (b'potenzjal ta' tnaqqis tal-ossidazzjoni moderat sa baxx ħafna) bħal sulfat tal-ammonju jew nitrat tal-ammonju għal ħamrija alkalina jew ġir bil-karbonat tal-kalċju jew karbonat tal-manjeżju għal siti aċidużi (Bowlen et al. 1995; Gupta u Sar 2020).
Il-provvista tal-ossiġnu fiż-żona affettwata hija l-fattur li jillimita r-rata tad-degradazzjoni tal-PAH. Minħabba l-kundizzjonijiet redox tal-ambjent, il-proċessi ta' bijorimedjazzjoni in situ ġeneralment jeħtieġu l-introduzzjoni ta' ossiġnu minn sorsi esterni (ħrit tal-art, sparging tal-arja, u żieda ta' kimika) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) urew li ż-żieda ta' perossidu tal-manjeżju (kompost li jirrilaxxa l-ossiġnu) ma' akwiferu kkontaminat tista' tirrimedja b'mod effettiv il-komposti BTEX. Studju ieħor investiga d-degradazzjoni in situ tal-fenol u l-BTEX f'akwiferu kkontaminat billi injetta nitrat tas-sodju u bena bjar ta' estrazzjoni biex jikseb bijorimedjazzjoni effettiva (Bewley u Webb, 2001).