Artikel ieu mangrupikeun bagian tina topik panalungtikan "Téhnologi bioremediasi canggih sareng prosés daur ulang sanyawa organik sintétis (SOC)". Tingali sadaya 14 artikel.
Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) beurat molekul rendah sapertos naftalena sareng naftalena anu disubstitusi (metilnaftalena, asam naftoat, 1-naftil-N-metilkarbamat, jsb.) seueur dianggo dina rupa-rupa industri sareng genotoksik, mutagenik sareng/atanapi karsinogenik pikeun organisme. Sanyawa organik sintétik (SOC) atanapi xenobiotik ieu dianggap polutan prioritas sareng nyababkeun ancaman serius pikeun lingkungan global sareng kaséhatan masarakat. Intensitas kagiatan manusa (contona gasifikasi batubara, panyulingan minyak, émisi kendaraan sareng aplikasi tatanén) nangtukeun konsentrasi, nasib sareng transportasi sanyawa anu aya di mana-mana sareng terus-terusan ieu. Salian ti metode perawatan/panyabutan fisik sareng kimia, téknologi héjo sareng ramah lingkungan sapertos bioremediasi, anu ngamangpaatkeun mikroorganisme anu sanggup ngadegradasi POC sacara lengkep atanapi ngarobihna janten produk sampingan anu henteu toksik, parantos muncul salaku alternatif anu aman, hemat biaya sareng ngajangjikeun. Rupa-rupa spésiés baktéri anu kagolong kana filum Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, sareng Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus sareng Paenibacillus), sareng Actinobacteria (Rhodococcus sareng Arthrobacter) dina mikrobiota taneuh parantos nunjukkeun kamampuan pikeun ngadegradasi rupa-rupa sanyawa organik. Panilitian métabolik, génomik, sareng analisis metagenomik ngabantosan urang ngartos kompleksitas sareng karagaman katabolik anu aya dina bentuk kahirupan anu saderhana ieu, anu tiasa diterapkeun salajengna pikeun biodegradasi anu efisien. Ayana PAH jangka panjang parantos nyababkeun munculna fenotipe degradasi anyar ngalangkungan transfer gén horizontal nganggo unsur genetik sapertos plasmid, transposon, bakteriofag, pulo génomik, sareng unsur konjugatif integratif. Biologi sistem sareng rékayasa genetik tina isolat atanapi komunitas modél khusus (konsorsium) tiasa ngamungkinkeun bioremediasi PAH anu komprehensif, gancang sareng efisien ngalangkungan épék sinergis. Dina ulasan ieu, urang museur kana jalur métabolik sareng karagaman anu béda, komposisi genetik sareng karagaman, sareng réspon/adaptasi sélular naftalena sareng baktéri anu ngarusak naftalena anu disubstitusi. Ieu bakal nyayogikeun inpormasi ékologis pikeun aplikasi lapangan sareng optimasi galur pikeun bioremediasi anu efisien.
Kamekaran industri anu gancang (pétrokimia, tatanén, farmasi, pewarna tékstil, kosmétik, jsb.) parantos nyumbang kana kamakmuran ékonomi global sareng ningkatkeun standar hirup. Kamekaran éksponénsial ieu parantos ngahasilkeun sajumlah ageung sanyawa organik sintétis (SOC), anu dianggo pikeun ngadamel rupa-rupa produk. Sanyawa asing atanapi SOC ieu kalebet hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH), péstisida, herbisida, plasticizer, pewarna, farmasi, organofosfat, tahan seuneu, pangleyur organik anu nguap, jsb. Éta dipancarkeun ka atmosfir, ékosistem akuatik sareng darat dimana éta gaduh dampak multidiménsi, nyababkeun pangaruh anu ngarugikeun kana rupa-rupa bioform ngalangkungan parobahan sipat fisikokimia sareng struktur komunitas (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Seueur polutan aromatik anu gaduh dampak anu kuat sareng ngancurkeun kana seueur ékosistem/titik panas kaanekaragaman hayati anu utuh (contona terumbu karang, lapisan és Arktik/Antartika, situ gunung anu luhur, sedimen laut jero, jsb.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Panilitian geomikrobiologis anyar nunjukkeun yén pengendapan bahan organik sintétis (contona polutan aromatik) sareng turunanana dina permukaan struktur jieunan (lingkungan anu diwangun) (contona situs warisan budaya sareng monumen anu didamel tina granit, batu, kai sareng logam) ngagancangkeun degradasi na (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Kagiatan manusa tiasa ngagedekeun sareng ngarusak degradasi biologis monumen sareng wangunan ngalangkungan polusi udara sareng parobahan iklim (Liu et al. 2020). Kontaminan organik ieu meta réaksi sareng uap cai dina atmosfir sareng netep dina struktur, nyababkeun degradasi fisik sareng kimia bahan. Biodegradasi sacara lega dikenal salaku parobahan anu teu dihoyongkeun dina penampilan sareng sipat bahan anu disababkeun ku organisme hirup anu mangaruhan pelestarianana (Pochon sareng Jaton, 1967). Peta mikroba salajengna (métabolisme) tina sanyawa ieu tiasa ngirangan integritas struktural, efektivitas konservasi sareng nilai budaya (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Di sisi séjén, dina sababaraha kasus, adaptasi mikroba sareng réspon kana struktur ieu parantos kapendak mangpaatna sabab ngabentuk biofilm sareng kerak pelindung sanés anu ngirangan laju buruk/dékomposisi (Martino, 2016). Ku alatan éta, pamekaran strategi konservasi lestari jangka panjang anu efektif pikeun monumen batu, logam sareng kai meryogikeun pamahaman anu lengkep ngeunaan prosés konci anu kalibet dina prosés ieu. Dibandingkeun sareng prosés alami (prosés géologis, kahuruan leuweung, letusan gunung berapi, réaksi pepelakan sareng baktéri), ​​kagiatan manusa nyababkeun pelepasan volume ageung hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) sareng karbon organik (OC) sanésna kana ékosistem. Seueur PAH anu dianggo dina tatanén (inséktisida sareng péstisida sapertos DDT, atrazin, karbaril, pentaklorofenol, jsb.), industri (minyak mentah, leutak/limbah minyak, plastik anu asalna tina minyak bumi, PCB, plasticizer, deterjen, disinfektan, fumigan, pewangi sareng pengawet), produk perawatan pribadi (tabir surya, disinfektan, pangusir serangga sareng musk polisiklik) sareng amunisi (bahan peledak sapertos 2,4,6-TNT) mangrupikeun xenobiotik poténsial anu tiasa mangaruhan kaséhatan planét (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna sareng Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Daptar ieu tiasa dilegaan pikeun ngalebetkeun sanyawa anu asalna tina minyak bumi (minyak bahan bakar, pelumas, aspal), bioplastik beurat molekul tinggi, sareng cairan ionik (Amde et al., 2015). Tabel 1 ngadaptar rupa-rupa polutan aromatik sareng aplikasi na dina rupa-rupa industri. Dina sababaraha taun ka pengker, émisi antropogenik tina sanyawa organik anu nguap, ogé karbon dioksida sareng gas rumah kaca sanésna, parantos mimiti ningkat (Dvorak et al., 2017). Nanging, dampak antropogenik sacara signifikan ngaleuwihan dampak alami. Salaku tambahan, kami mendakan yén sababaraha SOC tetep aya di seueur lingkungan lingkungan sareng parantos diidéntifikasi salaku polutan anu muncul kalayan pangaruh anu ngarugikeun kana bioma (Gambar 1). Lembaga lingkungan sapertos Badan Perlindungan Lingkungan Amérika Serikat (USEPA) parantos ngalebetkeun seueur polutan ieu dina daptar prioritasna kusabab sipat sitotoksik, genotoksik, mutagenik, sareng karsinogenikna. Ku alatan éta, peraturan pembuangan anu ketat sareng strategi anu efektif pikeun pangolahan/panyabutan runtah tina ékosistem anu kacemar diperyogikeun. Rupa-rupa metode pangolahan fisik sareng kimia sapertos pirolisis, pangolahan termal oksidatif, aerasi hawa, landfilling, insinerasi, jsb. henteu efektif sareng mahal sareng ngahasilkeun produk sampingan anu korosif, toksik sareng hésé diolah. Kalayan ningkatna kasadaran lingkungan global, mikroorganisme anu sanggup ngadegradasi polutan ieu sareng turunanana (sapertos halogenasi, nitro, alkil sareng/atanapi metil) narik perhatian anu ningkat (Fennell et al., 2004; Haritash sareng Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Panggunaan calon mikroorganisme asli ieu nyalira atanapi dina kultur campuran (koloni) pikeun miceun polutan aromatik ngagaduhan kaunggulan dina hal kaamanan lingkungan, biaya, efisiensi, efektivitas, sareng keberlanjutan. Para panaliti ogé ngajalajah integrasi prosés mikroba sareng metode redoks éléktrokimia, nyaéta sistem bioéléktrokimia (BES), salaku téknologi anu ngajangjikeun pikeun pangobatan/panyabutan polutan (Huang et al., 2011). Téhnologi BES beuki narik perhatian kusabab efisiensi anu luhur, biaya anu murah, kaamanan lingkungan, operasi dina suhu kamar, bahan biokompatibel, sareng kamampuan pikeun mulangkeun produk sampingan anu berharga (contona, listrik, bahan bakar, sareng bahan kimia) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Munculna alat/métode sekuensing génom sareng omics throughput anu luhur parantos nyayogikeun seueur inpormasi énggal ngeunaan régulasi genetik, protéomik, sareng fluksomik tina réaksi rupa-rupa mikroorganisme degradasi. Ngagabungkeun alat-alat ieu sareng biologi sistem parantos ningkatkeun pamahaman urang ngeunaan pamilihan sareng panyesuaian jalur katabolik target dina mikroorganisme (nyaéta, desain métabolik) pikeun ngahontal biodegradasi anu efisien sareng efektif. Pikeun ngarancang strategi bioremediasi anu efektif nganggo calon mikroorganisme anu cocog, urang kedah ngartos poténsi biokimia, karagaman métabolik, komposisi genetik, sareng ékologi (autoékologi/sinékologi) mikroorganisme.
Gambar 1. Sumber sareng jalur PAH molekul rendah ngaliwatan rupa-rupa lingkungan lingkungan sareng rupa-rupa faktor anu mangaruhan biota. Garis putus-putus ngagambarkeun interaksi antara unsur ékosistem.
Dina ulasan ieu, urang parantos nyobian ngaringkes data ngeunaan degradasi PAH saderhana sapertos naftalena sareng naftalena anu disubstitusi ku rupa-rupa isolat baktéri anu ngawengku jalur métabolik sareng karagaman, énzim anu kalibet dina degradasi, komposisi/eusi gén sareng karagaman, réspon sélular sareng rupa-rupa aspék bioremediasi. Ngartos tingkat biokimia sareng molekuler bakal ngabantosan dina ngaidentipikasi galur inang anu cocog sareng rékayasa genetik salajengna pikeun bioremediasi anu efektif tina polutan prioritas sapertos kitu. Ieu bakal ngabantosan dina ngembangkeun strategi pikeun ngadegkeun konsorsium baktéri spésifik situs pikeun bioremediasi anu efektif.
Ayana sajumlah ageung sanyawa aromatik anu toksik sareng bahaya (anu nyumponan aturan Huckel 4n + 2π éléktron, n = 1, 2, 3, …) nyababkeun ancaman serius pikeun rupa-rupa média lingkungan sapertos hawa, taneuh, sedimen, sareng permukaan sareng cai taneuh (Puglisi et al., 2007). Sanyawa ieu ngagaduhan cingcin bénzéna tunggal (monosiklik) atanapi sababaraha cingcin bénzéna (polisiklik) anu disusun dina bentuk linier, sudut atanapi klaster sareng nunjukkeun stabilitas (stabilitas/instabilitas) dina lingkungan kusabab énergi résonansi négatip anu luhur sareng inertness (inertness), anu tiasa dijelaskeun ku hidrofobisitas sareng kaayaan anu dikirangan. Nalika cingcin aromatik salajengna diganti ku gugus metil (-CH3), karboksil (-COOH), hidroksil (-OH), atanapi sulfonat (-HSO3), éta janten langkung stabil, ngagaduhan afinitas anu langkung kuat pikeun makromolekul, sareng bioakumulatif dina sistem biologis (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Sababaraha hidrokarbon aromatik polisiklik beurat molekul rendah (LMWAH), sapertos naftalena sareng turunanana [metilnaftalena, asam naftoat, naftalenasulfonat, sareng 1-naftil N-metilkarbamat (karbaryl)], parantos dilebetkeun kana daptar polutan organik prioritas ku Badan Perlindungan Lingkungan AS salaku genotoksik, mutagenik, sareng/atanapi karsinogenik (Cerniglia, 1984). Pelepasan kelas NM-PAH ieu kana lingkungan tiasa nyababkeun bioakumulasi sanyawa ieu di sadaya tingkat ranté dahareun, sahingga mangaruhan kaséhatan ékosistem (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Sumber sareng jalur PAH ka biota utamina ngalangkungan migrasi sareng interaksi antara komponén ékosistem anu béda sapertos taneuh, cai taneuh, cai permukaan, pepelakan sareng atmosfir (Arey sareng Atkinson, 2003). Gambar 1 nunjukkeun interaksi sareng distribusi PAH beurat molekul rendah anu béda dina ékosistem sareng jalurna ka paparan biota/manusa. PAH diendapkeun dina permukaan salaku hasil tina polusi udara sareng ngalangkungan migrasi (drift) émisi kendaraan, gas buangan industri (gasifikasi batubara, durukan sareng produksi kokas) sareng pengendapanana. Kagiatan industri sapertos manufaktur tékstil sintétis, pewarna sareng cet; pengawetan kai; pamrosésan karét; kagiatan manufaktur semén; produksi péstisida; sareng aplikasi tatanén mangrupikeun sumber utama PAH dina sistem terestrial sareng akuatik (Bamforth sareng Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Panilitian nunjukkeun yén taneuh di daérah suburban sareng urban, caket jalan raya, sareng di kota-kota ageung langkung rentan ka hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) kusabab émisi ti pembangkit listrik, pemanasan padumukan, beban lalu lintas udara sareng jalan raya, sareng kagiatan konstruksi (Suman et al., 2016). (2008) nunjukkeun yén PAH dina taneuh caket jalan di New Orleans, Louisiana, AS dugi ka 7189 μg/kg, sedengkeun di rohangan terbuka, ngan ukur 2404 μg/kg. Nya kitu, tingkat PAH dugi ka 300 μg/kg parantos dilaporkeun di daérah caket lokasi gasifikasi batubara di sababaraha kota AS (Kanaly sareng Harayama, 2000; Bamforth sareng Singleton, 2005). Taneuh ti sababaraha kota di India sapertos Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni sareng Venkataraman, 2000) sareng Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) parantos dilaporkeun ngandung konsentrasi PAH anu luhur. Sanyawa aromatik langkung gampang nyerep kana partikel taneuh, bahan organik sareng mineral liat, sahingga janten panyerep karbon utama dina ékosistem (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Sumber utama PAH dina ékosistem akuatik nyaéta présipitasi (présipitasi baseuh/garing sareng uap cai), limpasan kota, pembuangan cai limbah, pangisian ulang cai taneuh jsb. (Srogi, 2007). Diperkirakeun sakitar 80% PAH dina ékosistem laut asalna tina présipitasi, sedimentasi, sareng pembuangan runtah (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Konsentrasi PAH anu langkung luhur dina cai permukaan atanapi lindi ti tempat pembuangan runtah padet pamustunganana bocor kana cai taneuh, nyababkeun ancaman kaséhatan masarakat anu utama sabab langkung ti 70% populasi di Asia Kidul sareng Tenggara nginum cai taneuh (Duttagupta et al., 2019). Panilitian anyar ku Duttagupta et al. (2020) ngeunaan analisis walungan (32) sareng cai taneuh (235) ti Benggala Kulon, India, mendakan yén diperkirakeun 53% warga kota sareng 44% warga désa (totalna 20 juta warga) tiasa kakeunaan naftalena (4,9–10,6 μg/L) sareng turunanana. Pola panggunaan lahan anu béda sareng paningkatan ékstraksi cai taneuh dianggap faktor utama anu ngontrol transportasi vertikal (adveksi) PAH beurat molekul rendah di handapeun permukaan. Limpasan tatanén, pembuangan cai limbah kota sareng industri, sareng pembuangan runtah padet/runtah parantos kapendak kapangaruhan ku PAH di daérah aliran walungan sareng sedimen handapeun permukaan. Présipitasi atmosfir langkung nganyenyerikeun polusi PAH. Konsentrasi PAH anu luhur sareng turunan alkilna (totalna 51) parantos dilaporkeun di walungan/DAS di sakumna dunya, sapertos Walungan Fraser, Walungan Louan, Walungan Denso, Walungan Missouri, Walungan Anacostia, Walungan Ebro, sareng Walungan Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Dina sedimen cekungan Walungan Gangga, naftalena sareng fenantrena kapendak janten anu paling signifikan (kadeteksi dina 70% sampel) (Duttagupta et al., 2019). Leuwih ti éta, panilitian nunjukkeun yén klorinasi cai nginum tiasa nyababkeun formasi PAH anu dioksidasi sareng diklorinasi anu langkung toksik (Manoli sareng Samara, 1999). PAH akumulasi dina sereal, buah sareng sayuran salaku hasil tina panyerepan ku pepelakan tina taneuh, cai taneuh sareng présipitasi anu kacemar (Fismes et al., 2002). Seueur organisme akuatik sapertos lauk, remis, kerang sareng hurang kacemar ku PAH ngalangkungan konsumsi katuangan sareng cai laut anu kacemar, ogé ngalangkungan jaringan sareng kulit (Mackay sareng Fraser, 2000). Métode masak/pangolahan sapertos dipanggang, dipanggang, diasap, digoréng, dikeringkeun, dipanggang sareng diasap areng ogé tiasa nyababkeun jumlah PAH anu signifikan dina katuangan. Ieu gumantung pisan kana pilihan bahan diasap, eusi hidrokarbon fenolik/aromatik, prosedur masak, jinis pemanas, eusi Uap, suplai oksigén sareng suhu durukan (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) ogé parantos dideteksi dina susu dina konsentrasi anu béda-béda (0,75–2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). Akumulasi PAH ieu dina dahareun ogé gumantung kana sipat fisikokimia dahareun, sedengkeun pangaruh toksikna aya hubunganana sareng fungsi fisiologis, aktivitas métabolik, panyerepan, distribusi sareng distribusi awak (Mechini et al., 2011).
Toksisitas sareng pangaruh ngabahayakeun tina hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) parantos dipikanyaho salami lami (Cherniglia, 1984). Hidrokarbon aromatik polisiklik beurat molekul rendah (LMW-PAH) (dua dugi ka tilu cincin) tiasa ngabeungkeut sacara kovalén kana rupa-rupa makromolekul sapertos DNA, RNA sareng protéin sareng karsinogenik (Santarelli et al., 2008). Kusabab sipat hidrofobikna, éta dipisahkeun ku mémbran lipid. Dina manusa, sitokrom P450 monooksigenase ngoksidasi PAH janten epoksida, sababaraha di antarana réaktif pisan (contona, baediol epoksida) sareng tiasa nyababkeun transformasi sél normal janten sél ganas (Marston et al., 2001). Salaku tambahan, produk transformasi PAH sapertos kuinon, fenol, epoksida, diol, jsb. langkung toksik tibatan sanyawa indukna. Sababaraha PAH sareng zat antara métabolikna tiasa mangaruhan hormon sareng rupa-rupa énzim dina métabolisme, sahingga mangaruhan sacara négatif kana kamekaran, sistem saraf pusat, sistem réproduktif sareng imun (Swetha sareng Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Paparan jangka pondok kana PAH beurat molekul rendah parantos dilaporkeun nyababkeun gangguan fungsi paru-paru sareng trombosis dina penderita asma sareng ningkatkeun résiko kanker kulit, paru-paru, kandung kemih sareng gastrointestinal (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Panilitian sato ogé nunjukkeun yén paparan PAH tiasa gaduh pangaruh négatif kana fungsi réproduktif sareng kamekaran sareng tiasa nyababkeun katarak, karusakan ginjal sareng ati, sareng kuning. Rupa-rupa produk biotransformasi PAH sapertos diol, epoksida, kuinon sareng radikal bébas (kation) parantos dipidangkeun ngabentuk adduct DNA. Adduct anu stabil parantos kabuktosan ngarobih mesin réplikasi DNA, sedengkeun adduct anu teu stabil tiasa ngadepurinasi DNA (utamina janten adénin sareng sakapeung janten guanin); duanana tiasa ngahasilkeun kasalahan anu nyababkeun mutasi (Schweigert et al. 2001). Salaku tambahan, kuinon (benzo-/pan-) tiasa ngahasilkeun spésiés oksigén réaktif (ROS), nyababkeun karusakan fatal kana DNA sareng makromolekul sanésna, sahingga mangaruhan fungsi/viabilitas jaringan (Ewa sareng Danuta 2017). Paparan kronis kana konsentrasi rendah pirena, bifenil sareng naftalena parantos dilaporkeun nyababkeun kanker dina sato ékspérimén (Diggs et al. 2012). Kusabab toksisitasna anu fatal, beberesih/panghapusan PAH ieu tina situs anu kapangaruhan/kacemar mangrupikeun prioritas.
Rupa-rupa metode fisik sareng kimia parantos dianggo pikeun miceun PAH tina situs/lingkungan anu kacemar. Prosés sapertos insinerasi, deklorinasi, oksidasi UV, fiksasi, sareng ékstraksi pelarut ngagaduhan seueur kalemahan, kalebet pembentukan produk sampingan toksik, kompleksitas prosés, masalah kaamanan sareng pangaturan, efisiensi anu handap, sareng biaya anu luhur. Nanging, biodegradasi mikroba (disebut bioremediasi) mangrupikeun pendekatan alternatif anu ngajangjikeun anu ngalibatkeun panggunaan mikroorganisme dina bentuk kultur atanapi koloni murni. Dibandingkeun sareng metode fisik sareng kimia, prosés ieu ramah lingkungan, henteu invasif, hemat biaya, sareng lestari. Bioremediasi tiasa dilaksanakeun di situs anu kapangaruhan (in situ) atanapi di situs anu disiapkeun khusus (ex situ) sareng ku kituna dianggap metode remediasi anu langkung lestari tibatan metode fisik sareng kimia tradisional (Juhasz sareng Naidu, 2000; Andreoni sareng Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Ngartos léngkah-léngkah métabolik mikroba anu kalibet dina degradasi polutan aromatik ngagaduhan implikasi ilmiah sareng ékonomi anu ageung pikeun kalestarian ékologis sareng lingkungan. Diperkirakeun 2,1 × 1018 gram karbon (C) disimpen dina sedimen sareng sanyawa organik (nyaéta, minyak, gas alam, sareng batu bara, nyaéta, bahan bakar fosil) di sakumna dunya, ngajantenkeun kontribusi anu signifikan pikeun siklus karbon global. Nanging, industrialisasi anu gancang, ékstraksi bahan bakar fosil, sareng kagiatan manusa ngirangan waduk karbon litosfir ieu, ngaleupaskeun perkiraan 5,5 × 1015 g karbon organik (salaku polutan) kana atmosfir unggal taunna (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Kaseueuran karbon organik ieu lebet kana ékosistem terestrial sareng laut ngalangkungan sedimentasi, transportasi, sareng limpasan. Salaku tambahan, polutan sintétis énggal anu diturunkeun tina bahan bakar fosil, sapertos plastik, plasticizer sareng stabilisator plastik (ftalat sareng isomerna), sacara serius ngotoran ékosistem laut, taneuh sareng akuatik sareng biota na, sahingga ngajantenkeun résiko iklim global langkung parah. Rupa-rupa jinis mikroplastik, nanoplastik, fragmen plastik sareng produk monomer toksikna anu diturunkeun tina polietilen tereftalat (PET) parantos akumulasi di Samudra Pasifik antara Amérika Kalér sareng Asia Tenggara, ngabentuk "Great Pacific Garbage Patch", anu ngabahayakeun kahirupan laut (Newell et al., 2020). Panilitian ilmiah parantos ngabuktikeun yén teu mungkin pikeun miceun polutan/runtah sapertos kitu ku cara fisik atanapi kimia naon waé. Dina kontéks ieu, mikroorganisme anu paling mangpaat nyaéta anu sanggup ngametabolisme polutan sacara oksidatif janten karbon dioksida, énergi kimia sareng produk sampingan non-toksik anu pamustunganana lebet kana prosés siklus nutrisi anu sanés (H, O, N, S, P, Fe, jsb.). Ku kituna, ngartos ékofisiologi mikroba tina mineralisasi polutan aromatik sareng kontrol lingkunganana penting pisan pikeun meunteun siklus karbon mikroba, anggaran karbon bersih sareng résiko iklim ka hareup. Kusabab kabutuhan anu penting pikeun miceun sanyawa sapertos kitu tina lingkungan, rupa-rupa éko-industri anu fokus kana téknologi bersih parantos muncul. Alternatipna, valorisasi limbah industri/bahan kimia limbah anu akumulasi dina ékosistem (contona pendekatan runtah ka kabeungharan) dianggap salaku salah sahiji pilar ékonomi sirkular sareng tujuan pangwangunan anu lestari (Close et al., 2012). Ku alatan éta, ngartos aspék métabolik, énzimatik sareng genetik tina calon degradasi poténsial ieu penting pisan pikeun miceun sareng bioremediasi anu efektif tina polutan aromatik sapertos kitu.
Di antara seueur polutan aromatik, urang nengetan khusus kana PAH beurat molekul rendah sapertos naftalena sareng naftalena anu disubstitusi. Sanyawa ieu mangrupikeun komponén utama bahan bakar anu diturunkeun tina minyak bumi, pewarna tékstil, produk konsumen, péstisida (kapur barus sareng pangusir serangga), plasticizer sareng tanin sareng ku kituna nyebar di seueur ékosistem (Preuss et al., 2003). Laporan anyar nyorot akumulasi konsentrasi naftalena dina sedimen akuifer, taneuh cai taneuh sareng handapeun permukaan, zona vadose sareng dasar walungan, nunjukkeun bioakumulasi na di lingkungan (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabel 2 ngaruntuykeun sipat fisikokimia, aplikasi sareng pangaruh kaséhatan tina naftalena sareng turunanana. Dibandingkeun sareng PAH beurat molekul tinggi anu sanés, naftalena sareng turunanana kirang hidrofobik, langkung leyur dina cai sareng sumebar sacara lega dina ékosistem, janten sering dianggo salaku substrat modél pikeun nalungtik métabolisme, genetika sareng karagaman métabolik PAH. Seueur pisan mikroorganisme anu tiasa ngametabolisme naftalena sareng turunanana, sareng inpormasi lengkep sayogi ngeunaan jalur métabolik, énzim sareng fitur pangaturanna (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Salian ti éta, naftalena sareng turunanana ditunjuk salaku sanyawa prototipe pikeun penilaian polusi lingkungan kusabab jumlah sareng bioavailabilitasna anu luhur. Badan Perlindungan Lingkungan AS ngira-ngira yén tingkat rata-rata naftalena nyaéta 5,19 μg per méter kubik tina haseup roko, utamina tina durukan anu teu lengkep, sareng 7,8 dugi ka 46 μg tina haseup sidestream, sedengkeun paparan kreosot sareng naftalena 100 dugi ka 10.000 kali langkung luhur (Preuss et al. 2003). Naftalena khususna parantos kapendak gaduh toksisitas pernapasan sareng karsinogenisitas spésifik spésiés, daérah, sareng jenis kelamin. Dumasar kana panilitian sato, Badan Internasional pikeun Panalungtikan Kanker (IARC) parantos ngaklasifikasikeun naftalena salaku "karsinogen manusa anu mungkin" (Grup 2B)1. Paparan naftalena anu diganti, utamina ku cara dihirup atanapi administrasi parenteral (oral), nyababkeun tatu jaringan paru-paru sareng ningkatkeun insiden tumor paru-paru dina beurit sareng mencit (Program Toksikologi Nasional 2). Éfék akut kalebet seueul, utah, nyeri beuteung, diare, nyeri sirah, lieur, késang anu seueur, muriang, takikardia, jsb. Di sisi anu sanés, inséktisida karbamat spéktrum lega karbaril (1-naftil N-metilkarbamat) parantos dilaporkeun toksik pikeun invertebrata akuatik, amfibi, nyiruan madu sareng manusa sareng parantos dipidangkeun pikeun ngahambat asetilkolinesterase anu nyababkeun paralisis (Smulders et al., 2003; Bulen sareng Distel, 2011). Ku alatan éta, ngartos mékanisme degradasi mikroba, régulasi genetik, réaksi énzimatik sareng sélular penting pisan pikeun ngembangkeun strategi bioremediasi dina lingkungan anu kacemar.
Tabel 2. Inpormasi lengkep ngeunaan sipat fisikokimia, kagunaan, metode idéntifikasi sareng panyakit anu aya hubunganana sareng naftalena sareng turunanana.
Dina relung anu kacemar, polutan aromatik hidrofobik sareng lipofilik tiasa nyababkeun rupa-rupa pangaruh sélular kana mikrobioma lingkungan (komunitas), sapertos parobahan dina fluiditas mémbran, perméabilitas mémbran, pembengkakan lapisan ganda lipid, gangguan transfer énergi (ranté transpor éléktron/gaya motif proton), sareng aktivitas protéin anu aya hubunganana sareng mémbran (Sikkema et al., 1995). Salian ti éta, sababaraha zat antara anu leyur sapertos katekol sareng kuinon ngahasilkeun spésiés oksigén réaktif (ROS) sareng ngabentuk adduct sareng DNA sareng protéin (Penning et al., 1999). Ku kituna, seueurna sanyawa sapertos kitu dina ékosistem masihan tekanan selektif kana komunitas mikroba pikeun janten degradator anu efisien dina rupa-rupa tingkat fisiologis, kalebet serapan/transportasi, transformasi intraseluler, asimilasi/pemanfaatan, sareng kompartementalisasi.
Panéangan dina Ribosomal Database Project-II (RDP-II) ngungkabkeun yén total 926 spésiés baktéri diisolasi tina média atanapi kultur pangayaan anu kacemar ku naftalena atanapi turunanana. Grup Proteobacteria ngagaduhan jumlah perwakilan pangluhurna (n = 755), dituturkeun ku Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), sareng baktéri anu teu diklasifikasikeun (8) (Gambar 2). Perwakilan γ-Proteobacteria (Pseudomonadales sareng Xanthomonadales) ngadominasi sadaya grup Gram-negatif kalayan eusi G+C anu luhur (54%), sedengkeun Clostridiales sareng Bacillales (30%) mangrupikeun grup Gram-positif kalayan eusi G+C anu handap. Pseudomonas (jumlah pangluhurna, 338 spésiés) dilaporkeun tiasa ngadegradasi naftalena sareng turunan metilna dina rupa-rupa ékosistem anu kacemar (tar batubara, minyak bumi, minyak atah, leutak, tumpahan minyak, cai limbah, runtah organik sareng TPA) ogé dina ékosistem anu utuh (taneuh, walungan, sedimen sareng cai taneuh) (Gambar 2). Leuwih ti éta, studi pangayaan sareng analisis metagenomik di sababaraha daérah ieu ngungkabkeun yén spésiés Legionella sareng Clostridium anu teu dibudidayakeun tiasa gaduh kapasitas degradatif, nunjukkeun kabutuhan pikeun ngakultur baktéri ieu pikeun nalungtik jalur énggal sareng karagaman métabolik.
Gambar 2. Karagaman taksonomi sareng distribusi ékologis wawakil baktéri dina lingkungan anu kacemar ku naftalena sareng turunan naftalena.
Di antara rupa-rupa mikroorganisme anu ngauraikeun hidrokarbon aromatik, kalolobaanana sanggup ngauraikeun naftalena salaku hiji-hijina sumber karbon sareng énergi. Runtuyan kajadian anu kalibet dina métabolisme naftalena parantos dijelaskeun pikeun Pseudomonas sp. (galur: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 sareng CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 sareng galur sanésna (ND6 sareng AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis sareng Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Métabolisme dimimitian ku dioksigenase multikomponén [naftalena dioksigenase (NDO), hiji dioksigenase hidroksilasi cingcin] anu ngatalisis oksidasi salah sahiji cingcin aromatik naftalena nganggo oksigén molekuler salaku substrat anu sanés, ngarobah naftalena janten cis-naftalenadiol (Gambar 3). Cis-dihydrodiol dirobih janten 1,2-dihidroksinaftalena ku dehidrogenase. Dioksigenase anu meulah cincin, 1,2-dihidroksinaftalena dioksigenase (12DHNDO), ngarobah 1,2-dihidroksinaftalena jadi asam 2-hidroksikromena-2-karboksilat. Isomerisasi cis-trans énzimatik ngahasilkeun trans-o-hidroksibenzilidenapiruvat, anu dibeulah ku hidratase aldolase jadi aldehida salisilat jeung piruvat. Asam organik piruvat nyaéta sanyawa C3 munggaran anu diturunkeun tina rorongkong karbon naftalena sareng diarahkeun kana jalur karbon pusat. Salian ti éta, salisilaldehidrogenase anu gumantung kana NAD+ ngarobah salisilaldehidrogenase jadi asam salisilat. Métabolisme dina tahap ieu disebut "jalur luhur" tina degradasi naftalena. Jalur ieu umum pisan dina kalolobaan baktéri anu ngadegradasi naftalena. Nanging, aya sababaraha pengecualian; contona, dina Bacillus hamburgii 2 anu termofilik, Degradasi naftalena dimimitian ku naftalena 2,3-dioksigenase pikeun ngabentuk 2,3-dihidroksinaftalena (Annweiler et al., 2000).
Gambar 3. Jalur degradasi naftalena, metilnaftalena, asam naftoat, sareng karbaryl. Angka anu dibulen ngagambarkeun énzim anu tanggung jawab pikeun konvérsi sekuensial naftalena sareng turunanana kana produk salajengna. 1 — naftalena dioksigenase (NDO); 2, cis-dihidrodiol dehidrogenase; 3, 1,2-dihidroksinaftalena dioksigenase; 4, isomerase asam 2-hidrokromena-2-karboksilat; 5, trans-O-hidroksibenzilidenapiruvat hidratase aldolase; 6, salisilaldehida dehidrogenase; 7, salisilat 1-hidroksilase; 8, katekol 2,3-dioksigenase (C23DO); 9, 2-hidroksimukonat semialdehida dehidrogenase; 10, 2-oksopent-4-enoat hidratase; 11, 4-hidroksi-2-oksopentanoat aldolase; 12, asetaldehida dehidrogenase; 13, katekol-1,2-dioksigenase (C12DO); 14, sikloisomerase mukonat; 15, mukonolakton delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenolakton hidrolase; 17, β-ketoadipat suksinil-KoA transferase; 18, β-ketoadipat-KoA tiolase; 19, suksinil-KoA: asetil-KoA suksiniltransferase; 20, salisilat 5-hidroksilase; 21 – gentisat 1,2-dioksigenase (GDO); 22, isomerase maleilpiruvat; 23, fumarilpiruvat hidrolase; 24, metilnaftalena hidroksilase (NDO); 25, hidroksimetilnaftalena dehidrogenase; 26, naftaldehida dehidrogenase; 27, 3-formilsalisilat asam oksidase; 28, hidroksiisoftalat dekarboksilase; 29, karbaril hidrolase (CH); 30, 1-naftol-2-hidroksilase.
Gumantung kana organisme sareng susunan genetikna, asam salisilat anu dihasilkeun salajengna dimetabolisme boh ngalangkungan jalur katekol nganggo salisilat 1-hidroksilase (S1H) atanapi ngalangkungan jalur gentisat nganggo salisilat 5-hidroksilase (S5H) (Gambar 3). Kusabab asam salisilat mangrupikeun zat antara utama dina métabolisme naftalena (jalur luhur), léngkah-léngkah ti asam salisilat ka zat antara TCA sering disebut jalur handap, sareng gén-génna diatur kana hiji operon. Umumna ningali yén gén dina operon jalur luhur (nah) sareng operon jalur handap (sal) diatur ku faktor pangaturan umum; contona, NahR sareng asam salisilat bertindak salaku induser, anu ngamungkinkeun duanana operon pikeun ngametabolisme naftalena sacara lengkep (Phale et al., 2019, 2020).
Salian ti éta, katekol sacara siklik dibeulah jadi 2-hidroksimukonat semialdehida ngaliwatan jalur meta ku katekol 2,3-dioksigenase (C23DO) (Yen et al., 1988) sareng salajengna dihidrolisis ku 2-hidroksimukonat semialdehida hidrolase pikeun ngabentuk asam 2-hidroksipent-2,4-dienoat. 2-hidroksipent-2,4-dienoat teras dirobih jadi piruvat sareng asetaldehida ku hidratase (2-oksopent-4-enoat hidratase) sareng aldolase (4-hidroksi-2-oksopentanoat aldolase) teras lebet kana jalur karbon pusat (Gambar 3). Alternatipna, katekol sacara siklik dibeulah jadi cis,cis-mukonat ngaliwatan jalur orto ku katekol 1,2-oksigenase (C12DO). Sikloisomerase mukonat, isomerase mukonolakton, sareng β-ketoadipat-nollakton hidrolase ngarobah cis,cis-mukonat jadi 3-oksoadipat, anu asup kana jalur karbon pusat ngalangkungan suksinil-CoA sareng asetil-CoA (Nozaki et al., 1968) (Gambar 3).
Dina jalur gentisat (2,5-dihidroksibenzoat), cingcin aromatik dibeulah ku gentisat 1,2-dioksigenase (GDO) pikeun ngabentuk maleilpiruvat. Produk ieu tiasa langsung dihidrolisis janten piruvat sareng malat, atanapi tiasa diisomerisasi janten fumarilpiruvat, anu teras tiasa dihidrolisis janten piruvat sareng fumarat (Larkin sareng Day, 1986). Pilihan jalur alternatif parantos dititénan dina baktéri Gram-negatif sareng Gram-positif dina tingkat biokimia sareng genetik (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Baktéri Gram-negatif (Pseudomonas) langkung milih nganggo asam salisilat, anu mangrupikeun penginduksi métabolisme naftalena, ngadékarboksilasi janten katekol nganggo salisilat 1-hidroksilase (Gibson sareng Subramanian, 1984). Di sisi séjén, dina baktéri Gram-positip (Rhodococcus), salisilat 5-hidroksilase ngarobah asam salisilat jadi asam gentisat, sedengkeun asam salisilat teu boga pangaruh induktif kana transkripsi gén naftalena (Grund et al., 1992) (Gambar 3).
Parantos dilaporkeun yén spésiés sapertos Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, spésiés Pseudomonas sareng Mycobacterium tiasa ngadegradasi monomethylnaphthalene atanapi dimethylnaphthalene (Dean-Raymond sareng Bartha, 1975; Cane sareng Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Di antarana, jalur degradasi 1-methylnaphthalene sareng 2-methylnaphthalene tina Pseudomonas sp. CSV86 parantos ditalungtik sacara jelas dina tingkat biokimia sareng énzimatik (Mahajan et al., 1994). 1-Methylnaphthalene dimetabolisme ngalangkungan dua jalur. Mimitina, cingcin aromatik dihidroksilasi (cingcin metilnaftalena anu teu tersubstitusi) pikeun ngabentuk cis-1,2-dihidroksi-1,2-dihidro-8-metilnaftalena, anu salajengna dioksidasi jadi metil salisilat jeung metilkatekol, terus asup kana jalur karbon pusat sanggeus dibeulahna cingcin (Gambar 3). Jalur ieu disebut "jalur sumber karbon". Dina "jalur detoksifikasi" anu kadua, gugus metil bisa dihidroksilasi ku NDO pikeun ngabentuk 1-hidroksimetilnaftalena, anu salajengna dioksidasi jadi asam 1-naftoat jeung dikaluarkeun kana média kultur salaku produk buntu. Panilitian geus nunjukkeun yén galur CSV86 teu bisa tumuwuh dina asam 1- jeung 2-naftoat salaku hiji-hijina sumber karbon jeung énergi, nu mastikeun jalur detoksifikasina (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Dina 2-metilnaftalena, gugus metil ngalaman hidroksilasi ku hidroksilase pikeun ngabentuk 2-hidroksimetilnaftalena. Salian ti éta, cingcin naftalena anu teu tersubstitusi ngalaman hidroksilasi cingcin pikeun ngabentuk dihidrodiol, anu dioksidasi jadi 4-hidroksimetilkatekol dina runtuyan réaksi anu dikatalisis ku énzim sareng asup kana jalur karbon pusat ngalangkungan jalur pembelahan meta-ring. Sarupa kitu, S. paucimobilis 2322 dilaporkeun ngamangpaatkeun NDO pikeun hidroksilasi 2-metilnaftalena, anu salajengna dioksidasi jadi ngabentuk metil salisilat sareng metilkatekol (Dutta et al., 1998).
Asam naftoat (anu disubstitusi/henteu disubstitusi) nyaéta produk sampingan détoksifikasi/biotransformasi anu kabentuk nalika degradasi metilnaftalena, fenantrena sareng antrasena sareng dileupaskeun kana média kultur anu dianggo. Parantos dilaporkeun yén isolat taneuh Stenotrophomonas maltophilia CSV89 tiasa ngametabolisme asam 1-naftoat salaku sumber karbon (Phale et al., 1995). Métabolisme dimimitian ku dihidroksilasi cingcin aromatik pikeun ngabentuk 1,2-dihidroksi-8-karboksinaftalena. Diol anu dihasilkeun dioksidasi jadi katekol ngaliwatan 2-hidroksi-3-karboksibenzilidenapiruvat, asam 3-formilsalicylic, asam 2-hidroksiisoftalat sareng asam salisilat sareng asup kana jalur karbon pusat ngaliwatan jalur pembelahan meta-ring (Gambar 3).
Karbaril nyaéta péstisida naftil karbamat. Saprak Revolusi Héjo di India dina taun 1970-an, panggunaan pupuk kimia sareng péstisida parantos nyababkeun paningkatan émisi hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) tina sumber non-titik tatanén (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Diperkirakeun 55% (85.722.000 héktar) tina total lahan tatanén di India diolah ku péstisida kimia. Salila lima taun ka pengker (2015–2020), séktor tatanén India parantos nganggo rata-rata 55.000 dugi ka 60.000 ton péstisida unggal taunna (Departemén Koperasi sareng Karaharjaan Patani, Kementerian Pertanian, Pamaréntah India, Agustus 2020). Di dataran Gangga kalér sareng tengah (nagara bagian anu gaduh populasi sareng kapadetan populasi pangluhurna), panggunaan péstisida dina pepelakan nyebar, kalayan inséktisida dominan. Carbaryl (1-naphthyl-N-methylcarbamate) nyaéta inséktisida karbamat anu lega spéktrumna, sedeng dugi ka toksik pisan anu dianggo dina tatanén India kalayan laju rata-rata 100–110 ton. Ieu umumna dijual kalayan nami dagang Sevin sareng dianggo pikeun ngontrol serangga (kutu daun, sireum seuneu, kutu, tungau, lancah sareng seueur hama luar ruangan anu sanés) anu mangaruhan rupa-rupa pepelakan (jagung, kacang kedelai, kapas, buah-buahan sareng sayuran). Sababaraha mikroorganisme sapertos Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus sareng Arthrobacter ogé tiasa dianggo pikeun ngontrol hama anu sanés. Geus dilaporkeun yén RC100 bisa ngadégradasi karbaril (Larkin jeung Day, 1986; Chapalamadugu jeung Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha jeung Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Jalur degradasi karbaril geus ditalungtik sacara éksténsif dina tingkat biokimia, énzimatik jeung genetik dina isolat taneuh Pseudomonas sp. Galur C4, C5 jeung C6 (Swetha jeung Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Gambar 3). Jalur métabolik dimimitian ku hidrolisis beungkeut éster ku karbaril hidrolase (CH) pikeun ngabentuk 1-naftol, metilamin jeung karbon dioksida. 1-naftol teras dirobih jadi 1,2-dihidroksinaftalena ku 1-naftol hidroksilase (1-NH), anu salajengna dimetabolisme ngaliwatan jalur karbon pusat ngaliwatan salisilat sareng gentisat. Sababaraha baktéri anu ngadegradasi karbaryl parantos dilaporkeun ngametabolisme éta jadi asam salisilat ngaliwatan pamotongan cincin orto katekol (Larkin sareng Day, 1986; Chapalamadugu sareng Chaudhry, 1991). Anu penting, baktéri anu ngadegradasi naftalena utamina ngametabolisme asam salisilat ngaliwatan katekol, sedengkeun baktéri anu ngadegradasi karbaryl langkung milih ngametabolisme asam salisilat ngaliwatan jalur gentisat.
Asam naftalenasulfonat/asam disulfonat sareng turunan asam naftilaminsulfonat tiasa dianggo salaku zat antara dina produksi pewarna azo, agén pangbasahan, dispersan, jsb. Sanaos sanyawa ieu gaduh toksisitas anu handap pikeun manusa, penilaian sitotoksisitas nunjukkeun yén éta tiasa nyababkeun maot pikeun lauk, daphnia sareng ganggang (Greim et al., 1994). Perwakilan genus Pseudomonas (galur A3, C22) parantos dilaporkeun ngamimitian métabolisme ku hidroksilasi ganda tina cincin aromatik anu ngandung gugus asam sulfonat pikeun ngabentuk dihidrodiol, anu salajengna dirobih janten 1,2-dihidroksinaftalena ku cara dibeulah spontan gugus sulfit (Brilon et al., 1981). 1,2-dihidroksinaftalena anu dihasilkeun dikatabolisme ngalangkungan jalur naftalena klasik, nyaéta jalur katekol atanapi gentisat (Gambar 4). Geus ditémbongkeun yén asam aminonaftalenasulfonat jeung asam hidroksinaftalenasulfonat bisa didegradasi sacara lengkep ku konsorsium baktéri campuran kalawan jalur katabolik komplementer (Nortemann et al., 1986). Geus ditémbongkeun yén salah sahiji anggota konsorsium ngadésulfurisasi asam aminonaftalenasulfonat atawa asam hidroksinaftalenasulfonat ku 1,2-dioksigénasi, sedengkeun aminosalicylate atawa hidroksisalisilat dileupaskeun kana média kultur salaku metabolit buntu sarta salajengna diserep ku anggota konsorsium lianna. Asam naftalenadisulfonat relatif polar tapi kurang biodegradable sahingga bisa dimetabolisme ngaliwatan jalur anu béda. Désulfurisasi munggaran lumangsung nalika dihidroksilasi regioselektif tina cingcin aromatik jeung gugus asam sulfonat; Desulfurisasi kadua lumangsung nalika hidroksilasi asam 5-sulfosalisilat ku asam salisilat 5-hidroksilase pikeun ngabentuk asam gentisat, anu asup kana jalur karbon pusat (Brilon et al., 1981) (Gambar 4). Énzim anu tanggung jawab kana degradasi naftalena ogé tanggung jawab kana métabolisme naftalena sulfonat (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Gambar 4. Jalur métabolik pikeun degradasi naftalena sulfonat. Angka-angka di jero bunderan ngagambarkeun énzim anu tanggung jawab pikeun métabolisme naftil sulfonat, sami/idéntik sareng énzim anu dijelaskeun dina Gambar 3.
PAH beurat molekul rendah (LMW-PAH) tiasa direduksi, hidrofobik sareng hésé leyur, sahingga henteu rentan ka peupeus/degradasi alami. Nanging, mikroorganisme aerobik tiasa ngoksidasi ku cara nyerep oksigén molekuler (O2). Énzim ieu utamina kagolong kana kelas oksidoreduktase sareng tiasa ngalakukeun rupa-rupa réaksi sapertos hidroksilasi cingcin aromatik (mono- atanapi dihidroksilasi), dehidrogenasi sareng pamecahan cingcin aromatik. Produk anu diala tina réaksi ieu aya dina kaayaan oksidasi anu langkung luhur sareng langkung gampang dimetabolisme ngalangkungan jalur karbon pusat (Phale et al., 2020). Énzim dina jalur degradasi parantos dilaporkeun tiasa diinduksi. Aktivitas énzim ieu rendah pisan atanapi tiasa diabaikan nalika sél dipelak dina sumber karbon saderhana sapertos glukosa atanapi asam organik. Tabel 3 ngaruntuykeun rupa-rupa énzim (oksigénase, hidrolase, dehidrogenase, oksidase, jsb.) anu kalibet dina métabolisme naftalena sareng turunanana.
Tabel 3. Ciri biokimia énzim anu tanggung jawab kana degradasi naftalena sareng turunanana.
Panilitian radioisotop (18O2) nunjukkeun yén ngagabungna molekul O2 kana cingcin aromatik ku oksigénase mangrupikeun léngkah anu paling penting dina ngaktipkeun biodegradasi salajengna tina hiji sanyawa (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Ngagabungna hiji atom oksigén (O) tina oksigén molekul (O2) kana substrat dimimitian ku monooksigenase endogén atanapi éksogén (disebut ogé hidroksilase). Atom oksigén anu sanés diréduksi janten cai. Monooksigenase éksogén ngirangan flavin ku NADH atanapi NADPH, sedengkeun dina endomonooksigenase flavin diréduksi ku substrat. Posisi hidroksilasi ngahasilkeun rupa-rupa dina formasi produk. Salaku conto, salisilat 1-hidroksilase hidroksilat asam salisilat dina posisi C1, ngabentuk katekol. Di sisi séjén, salisilat 5-hidroksilase multikomponén (anu ngandung subunit réduktase, ferrédoksin, sareng oksigénase) ngahidroksilase asam salisilat dina posisi C5, ngabentuk asam gentisat (Yamamoto et al., 1965).
Dioksigenase ngagabungkeun dua atom O2 kana substrat. Gumantung kana produk anu kabentuk, éta dibagi kana dioksigenase hidroksilasi cincin sareng dioksigenase anu meulah cincin. Dioksigenase hidroksilasi cincin ngarobah substrat aromatik janten cis-dihidrodiol (contona, naftalena) sareng nyebar di antara baktéri. Nepi ka ayeuna, parantos dipidangkeun yén organisme anu ngandung dioksigenase hidroksilasi cincin sanggup tumbuh dina rupa-rupa sumber karbon aromatik, sareng énzim ieu digolongkeun salaku NDO (naftalena), toluena dioksigenase (TDO, toluena), sareng bifenil dioksigenase (BPDO, bifenil). NDO sareng BPDO duanana tiasa ngatalisan oksidasi ganda sareng hidroksilasi ranté samping tina rupa-rupa hidrokarbon aromatik polisiklik (toluéna, nitrotoluéna, xiléna, etilbénzéna, naftalena, bifenil, fluoréna, indol, metilnaftalena, naftalenasulfonat, fenantrena, antraséna, asetofénon, jsb.) (Boyd sareng Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO mangrupikeun sistem multikomponén anu diwangun ku oksidoreduktase, ferredoksin, sareng komponén oksigénase anu ngandung situs aktif (Gibson sareng Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Unit katalitik NDO diwangun ku subunit α ageung sareng subunit β alit anu disusun dina konfigurasi α3β3. NDO kagolong kana kulawarga ageung oksigénase sareng subunit α-na ngandung situs Rieske [2Fe-2S] sareng beusi non-héme mononuklear, anu nangtukeun spésifisitas substrat NDO (Parales et al., 1998). Biasana, dina hiji siklus katalitik, dua éléktron tina réduksi nukléotida piridin ditransfer ka ion Fe(II) dina situs aktif ngalangkungan réduktase, ferrédoksin sareng situs Rieske. Ékivalén pangurang ngaktifkeun oksigén molekuler, anu mangrupikeun prasarat pikeun dihidroksilasi substrat (Ferraro et al., 2005). Nepi ka ayeuna, ngan sababaraha NDO anu parantos dimurnikeun sareng dicirikeun sacara rinci tina galur anu béda sareng kontrol genetik jalur anu kalibet dina degradasi naftalena parantos dikaji sacara rinci (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Dioksigenase pamotong cingcin (énzim pamotong endo- atanapi orto-cingcin sareng énzim pamotong éksodiol atanapi meta-cingcin) meta dina sanyawa aromatik hidroksilasi. Salaku conto, dioksigenase pamotong orto-cingcin nyaéta katekol-1,2-dioksigenase, sedengkeun dioksigenase pamotong meta-cingcin nyaéta katekol-2,3-dioksigenase (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Salian ti rupa-rupa oksigénase, aya ogé rupa-rupa dehidrogenase anu tanggung jawab kana dehidrogenasi dihidrodiol aromatik, alkohol sareng aldehida sareng nganggo NAD+/NADP+ salaku akseptor éléktron, nyaéta sababaraha énzim penting anu kalibet dina métabolisme (Gibson sareng Subramanian, 1984; Shaw sareng Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Énzim sapertos hidrolase (ésterase, amidase) mangrupikeun kelas énzim penting kadua anu nganggo cai pikeun meulah beungkeut kovalén sareng nunjukkeun spésifisitas substrat anu lega. Hidrolase karbaril sareng hidrolase sanésna dianggap komponén periplasma (transmembran) dina anggota baktéri Gram-négatif (Kamini et al., 2018). Karbaril ngagaduhan hubungan amida sareng éster; ku kituna, éta tiasa dihidrolisis ku ésterase atanapi amidase pikeun ngabentuk 1-naftol. Karbaril dina galur Rhizobium rhizobium AC10023 sareng galur Arthrobacter RC100 parantos dilaporkeun fungsina salaku ésterase sareng amidase. Karbaril dina galur Arthrobacter RC100 ogé fungsina salaku amidase. RC100 parantos dipidangkeun pikeun ngahidrolisis opat inséktisida kelas N-metilkarbamat sapertos karbaril, metomil, asam mefenamat sareng XMC (Hayaatsu et al., 2001). Dilaporkeun yén CH dina Pseudomonas sp. C5pp tiasa meta kana karbaril (aktivitas 100%) sareng 1-naftil asetat (aktivitas 36%), tapi sanés kana 1-naftilasetamida, nunjukkeun yén éta mangrupikeun ésterase (Trivedi et al., 2016).
Panilitian biokimia, pola pangaturan énzim, sareng analisis genetik nunjukkeun yén gén degradasi naftalena diwangun ku dua unit pangaturan anu tiasa diinduksi atanapi "operon": nah ("jalur hulu", anu ngarobih naftalena janten asam salisilat) sareng sal ("jalur hilir", anu ngarobih asam salisilat janten jalur karbon pusat via katekol). Asam salisilat sareng analogna tiasa bertindak salaku induser (Shamsuzzaman sareng Barnsley, 1974). Dina ayana glukosa atanapi asam organik, operon ditindas. Gambar 5 nunjukkeun organisasi genetik lengkep degradasi naftalena (dina bentuk operon). Sababaraha varian/bentuk anu dingaranan tina gén nah (ndo/pah/dox) parantos dijelaskeun sareng kapendak gaduh homologi runtuyan anu luhur (90%) di antara sadaya spésiés Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Gén tina jalur hulu naftalena umumna disusun dina urutan konsensus sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5A. Gén séjén, nahQ, ogé dilaporkeun kalibet dina métabolisme naftalena sareng biasana ayana di antara nahC sareng nahE, tapi fungsi sabenerna masih kedah dijelaskeun. Sarua kitu, gén nahY, anu tanggung jawab kana kemotaksis sénsitip naftalena, kapanggih di tungtung distal operon nah dina sababaraha anggota. Dina Ralstonia sp., gén U2 anu ngodekeun glutathione S-transferase (gsh) kapanggih ayana di antara nahAa sareng nahAb tapi henteu mangaruhan karakteristik panggunaan naftalena (Zylstra et al., 1997).
Gambar 5. Organisasi genetik sareng karagaman anu dititénan nalika degradasi naftalena di antara spésiés baktéri; (A) Jalur naftalena luhur, métabolisme naftalena janten asam salisilat; (B) Jalur naftalena handap, asam salisilat ngalangkungan katekol ka jalur karbon pusat; (C) asam salisilat ngalangkungan gentisat ka jalur karbon pusat.
"Jalur handap" (sal operon) biasana diwangun ku nahGTHINLMOKJ sareng ngarobih salisilat janten piruvat sareng asetaldehida ngalangkungan jalur pamisahan méta katekol. Gén nahG (anu ngode salisilat hidroksilase) kapanggih dilestarikan dina tungtung proksimal operon (Gambar 5B). Dibandingkeun sareng galur anu ngadegradasi naftalena anu sanés, dina P. putida CSV86 operon nah sareng sal mangrupikeun tandem sareng raket pisan patalina (sakitar 7,5 kb). Dina sababaraha baktéri Gram-negatif, sapertos Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, sareng P. putida AK5, naftalena dimetabolisme salaku metabolit karbon sentral ngalangkungan jalur gentisat (dina bentuk operon sgp/nag). Kaset gén biasana digambarkeun dina bentuk nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, dimana nagR (anu ngodekeun régulator tipe LysR) ayana di tungtung luhur (Gambar 5C).
Karbaril asup kana siklus karbon pusat ngaliwatan métabolisme 1-naftol, 1,2-dihidroksinaftalena, asam salisilat, sareng asam gentisat (Gambar 3). Dumasar kana studi genetik sareng métabolik, parantos diusulkeun pikeun ngabagi jalur ieu kana "hulu" (konvérsi karbaril janten asam salisilat), "tengah" (konvérsi asam salisilat janten asam gentisat), sareng "hilir" (konvérsi asam gentisat janten zat antara jalur karbon pusat) (Singh et al., 2013). Analisis génomik C5pp (supercontig A, 76,3 kb) ngungkabkeun yén gén mcbACBDEF kalibet dina konvérsi karbaril jadi asam salisilat, dituturkeun ku mcbIJKL dina konvérsi asam salisilat jadi asam gentisat, sareng mcbOQP dina konvérsi asam gentisat jadi zat antara karbon puseur (fumarat sareng piruvat, Trivedi et al., 2016) (Gambar 6).
Parantos dilaporkeun yén énzim anu kalibet dina degradasi hidrokarbon aromatik (kalebet naftalena sareng asam salisilat) tiasa diinduksi ku sanyawa anu saluyu sareng dihambat ku sumber karbon saderhana sapertos glukosa atanapi asam organik (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Di antara rupa-rupa jalur métabolik naftalena sareng turunanana, fitur pangaturan naftalena sareng karbaril parantos ditalungtik dugi ka tingkat anu tangtu. Pikeun naftalena, gén dina jalur hulu sareng hilir diatur ku NahR, régulator positif trans-acting tipe LysR. Ieu diperyogikeun pikeun induksi gén nah ku asam salisilat sareng éksprési tingkat luhurna salajengna (Yen sareng Gunsalus, 1982). Salajengna, panilitian nunjukkeun yén faktor host integratif (IHF) sareng XylR (régulator transkripsi anu gumantung kana sigma 54) ogé penting pikeun aktivasi transkripsi gén dina métabolisme naftalena (Ramos et al., 1997). Panilitian nunjukkeun yén énzim jalur pambukaan meta-ring katekol, nyaéta katekol 2,3-dioksigenase, diinduksi ku ayana naftalena sareng/atanapi asam salisilat (Basu et al., 2006). Panilitian nunjukkeun yén énzim jalur pambukaan orto-ring katekol, nyaéta katekol 1,2-dioksigenase, diinduksi ku ayana asam benzoat sareng cis,cis-mukonat (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Dina galur C5pp, lima gén, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR sareng mcbS, ngodekeun régulator anu kagolong kana kulawarga LysR/TetR tina régulator transkripsi anu tanggung jawab pikeun ngontrol degradasi karbaryl. Gén homolog mcbG kapanggih paling raket patalina sareng régulator tipe LysR PhnS (58% idéntitas asam amino) anu kalibet dina métabolisme fenantrena dina Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Gén mcbH kapanggih kalibet dina jalur antara (konvérsi asam salisilat jadi asam gentisat) sareng kagolong kana régulator transkripsi tipe LysR NagR/DntR/NahR dina Pseudomonas sareng Burkholderia. Anggota kulawarga ieu dilaporkeun mikawanoh asam salisilat salaku molekul éféktor spésifik pikeun induksi gén degradasi. Di sisi séjén, tilu gén, mcbN, mcbR sareng mcbS, kagolong kana régulator transkripsi tipe LysR sareng TetR, diidéntifikasi dina jalur hilir (métabolit jalur karbon gentisat-sentral).
Dina prokariota, prosés transfer gén horizontal (akuisisi, pertukaran, atanapi transfer) ngalangkungan plasmid, transposon, profag, pulo genomik, sareng unsur konjugatif integratif (ICE) mangrupikeun panyabab utama plastisitas dina génom baktéri, anu ngarah kana paningkatan atanapi leungitna fungsi/sipat khusus. Éta ngamungkinkeun baktéri pikeun adaptasi gancang kana kaayaan lingkungan anu béda, nyayogikeun kaunggulan métabolik adaptif poténsial pikeun host, sapertos degradasi sanyawa aromatik. Parobihan métabolik sering kahontal ngalangkungan panyesuaian operon degradasi, mékanisme pangaturanna, sareng spésifisitas énzim, anu ngagampangkeun degradasi rupa-rupa sanyawa aromatik (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Kaset gén pikeun degradasi naftalena parantos kapendak ayana dina rupa-rupa unsur mobile sapertos plasmid (konjugatif sareng non-konjugatif), transposon, génom, ICE, sareng kombinasi spésiés baktéri anu béda (Gambar 5). Dina Pseudomonas G7, operon nah sareng sal tina plasmid NAH7 ditranskripsi dina orientasi anu sami sareng mangrupikeun bagian tina transposon anu cacad anu meryogikeun transposase Tn4653 pikeun mobilisasi (Sota et al., 2006). Dina galur Pseudomonas NCIB9816-4, gén ieu kapanggih dina plasmid konjugatif pDTG1 salaku dua operon (kira-kira 15 kb) anu ditranskripsi dina arah anu sabalikna (Dennis sareng Zylstra, 2004). Dina galur Pseudomonas putida AK5, plasmid non-konjugatif pAK5 ngodekeun énzim anu tanggung jawab pikeun degradasi naftalena ngalangkungan jalur gentisat (Izmalkova et al., 2013). Dina galur Pseudomonas PMD-1, operon nah ayana dina kromosom, sedengkeun operon sal ayana dina plasmid konjugatif pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Nanging, dina Pseudomonas stutzeri AN10, sadaya gén degradasi naftalena (operon nah sareng sal) ayana dina kromosom sareng sigana direkrut ngalangkungan kajadian transposisi, rekombinasi, sareng pangaturan ulang (Bosch et al., 2000). Dina Pseudomonas sp. CSV86, operon nah sareng sal ayana dina génom dina bentuk ICE (ICECSV86). Strukturna dijaga ku tRNAGly dituturkeun ku pangulangan langsung anu nunjukkeun situs rekombinasi/panempelan (attR sareng attL) sareng integrase sapertos fag anu aya di dua tungtung tRNAGly, sahingga sacara struktural sami sareng unsur ICEclc (ICEclcB13 dina Pseudomonas knackmusii pikeun degradasi klorokatekol). Parantos dilaporkeun yén gén dina ICE tiasa ditransfer ku konjugasi kalayan frékuénsi transfer anu handap pisan (10-8), sahingga mindahkeun sipat degradasi ka panampi (Basu sareng Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Kaseueuran gén anu tanggung jawab kana degradasi karbaril ayana dina plasmid. Arthrobacter sp. RC100 ngandung tilu plasmid (pRC1, pRC2 sareng pRC300) anu dua plasmid konjugatifna, pRC1 sareng pRC2, ngodekeun énzim anu ngarobih karbaril janten gentisat. Di sisi anu sanés, énzim anu kalibet dina konvérsi gentisat janten metabolit karbon pusat ayana dina kromosom (Hayaatsu et al., 1999). Baktéri tina genus Rhizobium. Galur AC100, anu dianggo pikeun konvérsi karbaril janten 1-naftol, ngandung plasmid pAC200, anu mawa gén cehA anu ngodekeun CH salaku bagian tina transposon Tnceh anu dikurilingan ku runtuyan sapertos unsur sisipan (istA sareng istB) (Hashimoto et al., 2002). Dina galur Sphingomonas CF06, gén degradasi karbaril diyakini aya dina lima plasmid: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, sareng pCF05. Homologi DNA tina plasmid ieu luhur, nunjukkeun ayana kajadian duplikasi gén (Feng et al., 1997). Dina simbion degradasi karbaril anu diwangun ku dua spésiés Pseudomonas, galur 50581 ngandung plasmid konjugatif pCD1 (50 kb) anu ngodekeun gén mcd karbaril hidrolase, sedengkeun plasmid konjugatif dina galur 50552 ngodekeun énzim degradasi 1-naftol (Chapalamadugu sareng Chaudhry, 1991). Dina galur Achromobacter WM111, gén mcd furadan hidrolase ayana dina plasmid 100 kb (pPDL11). Gén ieu parantos kabuktosan aya dina plasmid anu béda (100, 105, 115 atanapi 124 kb) dina baktéri anu béda ti daérah géografis anu béda (Parekh et al., 1995). Dina Pseudomonas sp. C5pp, sadaya gén anu tanggung jawab pikeun degradasi karbaril ayana dina génom anu ngawengku 76,3 kb runtuyan (Trivedi et al., 2016). Analisis génom (6,15 Mb) ngungkabkeun ayana 42 MGE sareng 36 GEI, anu 17 MGE ayana dina supercontig A (76,3 kb) kalayan eusi G+C asimetris rata-rata (54–60 mol%), nunjukkeun kamungkinan kajadian transfer gén horizontal (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 nunjukkeun susunan anu sami tina gén anu ngadegradasi karbaril, tapi gén ieu ayana dina plasmid (Zhu et al., 2019).
Salian ti efisiensi métabolik dina tingkat biokimia sareng génomik, mikroorganisme ogé némbongkeun sipat atanapi réspon sanés sapertos kemotaksis, sipat modifikasi permukaan sél, kompartementalisasi, panggunaan préférensial, produksi biosurfaktan, jsb., anu ngabantosan aranjeunna pikeun langkung épisién ngolah polutan aromatik dina lingkungan anu kacemar (Gambar 7).
Gambar 7. Strategi réspon sélular anu béda-béda tina baktéri pangurai hidrokarbon aromatik anu idéal pikeun biodegradasi sanyawa polutan asing anu efisien.
Réspon kemotaktik dianggap salaku faktor anu ningkatkeun degradasi polutan organik dina ékosistem anu kacemar sacara hétérogén. (2002) nunjukkeun yén kemotaksis Pseudomonas sp. G7 ka naftalena ningkatkeun laju degradasi naftalena dina sistem akuatik. Galur tipe liar G7 ngadegradasi naftalena langkung gancang tibatan galur mutan anu kakurangan kemotaksis. Protéin NahY (538 asam amino kalayan topologi mémbran) kapanggih ditranskripsi babarengan sareng gén jalur métacleavage dina plasmid NAH7, sareng sapertos transduser kemotaksis, protéin ieu sigana fungsina salaku kemoreseptor pikeun degradasi naftalena (Grimm sareng Harwood 1997). Panilitian sanés ku Hansel et al. (2009) nunjukkeun yén protéin ieu kemotaktik, tapi laju degradasina luhur. (2011) nunjukkeun réspon kemotaktik Pseudomonas (P. putida) kana naftalena gas, dimana difusi fase gas ngahasilkeun aliran naftalena anu ajeg ka sél, anu ngontrol réspon kemotaktik sél. Para panalungtik ngamangpaatkeun paripolah kemotaktik ieu pikeun ngarékayasa mikroba anu bakal ningkatkeun laju degradasi. Panilitian nunjukkeun yén jalur kemosensori ogé ngatur fungsi sélulér anu sanés sapertos divisi sél, pangaturan siklus sél, sareng formasi biofilm, sahingga ngabantosan ngontrol laju degradasi. Nanging, ngamangpaatkeun sipat ieu (kemotaksis) pikeun degradasi anu efisien dihambat ku sababaraha halangan. Halangan utama nyaéta: (a) reséptor paralog anu béda mikawanoh sanyawa/ligan anu sami; (b) ayana reséptor alternatif, nyaéta tropisme énergik; (c) bédana runtuyan anu signifikan dina domain sensorik tina kulawarga reséptor anu sami; sareng (d) kurangna inpormasi ngeunaan protéin sénsor baktéri utama (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Kadang-kadang, biodegradasi hidrokarbon aromatik ngahasilkeun sababaraha metabolit/intermediat, anu tiasa kemotaktik pikeun hiji kelompok baktéri tapi pikageuleuheun pikeun anu sanés, anu langkung ngahesekeun prosésna. Pikeun ngaidentipikasi interaksi ligan (hidrokarbon aromatik) sareng reséptor kimia, kami ngawangun protéin sénsor hibrida (PcaY, McfR, sareng NahY) ku cara ngahijikeun domain sénsor sareng sinyal Pseudomonas putida sareng Escherichia coli, anu narékahan reséptor pikeun asam aromatik, intermediat TCA, sareng naftalena, masing-masing (Luu et al., 2019).
Dina pangaruh naftalena sareng hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) anu sanés, struktur mémbran baktéri sareng integritas mikroorganisme ngalaman parobihan anu signifikan. Panilitian nunjukkeun yén naftalena ngaganggu interaksi ranté asil ngalangkungan interaksi hidrofobik, sahingga ningkatkeun bareuh sareng fluiditas mémbran (Sikkema et al., 1995). Pikeun ngimbangan pangaruh anu ngarugikeun ieu, baktéri ngatur fluiditas mémbran ku cara ngarobih babandingan sareng komposisi asam lemak antara asam lemak ranté cabang iso/anteiso sareng ngaisomerisasi asam lemak tak jenuh cis kana isomer trans anu saluyu (Heipieper sareng de Bont, 1994). Dina Pseudomonas stutzeri anu dipelak dina perlakuan naftalena, babandingan asam lemak jenuh ka tak jenuh ningkat tina 1,1 janten 2,1, sedengkeun dina Pseudomonas JS150 babandingan ieu ningkat tina 7,5 janten 12,0 (Mrozik et al., 2004). Nalika dipelak dina naftalena, sél Achromobacter KAs 3–5 némbongkeun agregasi sél di sabudeureun kristal naftalena sareng panurunan muatan permukaan sél (ti -22,5 ka -2,5 mV) dibarengan ku kondensasi sitoplasma sareng vakuolisasi, nunjukkeun parobahan dina struktur sél sareng sipat permukaan sél (Mohapatra et al., 2019). Sanaos parobahan sélular/permukaan langsung aya hubunganana sareng panyerepan polutan aromatik anu langkung saé, strategi bioengineering anu relevan teu acan dioptimalkeun sacara saksama. Manipulasi bentuk sél jarang dianggo pikeun ngaoptimalkeun prosés biologis (Volke sareng Nikel, 2018). Ngahapus gén anu mangaruhan divisi sél nyababkeun parobahan dina morfologi sél. Ngahapus gén anu mangaruhan divisi sél nyababkeun parobahan dina morfologi sél. Dina Bacillus subtilis, protéin septum sél SepF parantos dipidangkeun kalibet dina formasi septum sareng diperyogikeun pikeun léngkah-léngkah divisi sél salajengna, tapi éta sanés gén penting. Ngahapus gén anu ngodekeun hidrolase glikan péptida dina Bacillus subtilis nyababkeun pemanjangan sél, paningkatan laju pertumbuhan spésifik, sareng ningkatkeun kapasitas produksi énzim (Cui et al., 2018).
Kompartemen jalur degradasi karbaril parantos diusulkeun pikeun ngahontal degradasi anu efisien tina galur Pseudomonas C5pp sareng C7 (Kamini et al., 2018). Diusulkeun yén karbaril diangkut kana rohangan periplasmik ngalangkungan septum mémbran luar sareng/atanapi ngalangkungan porin anu tiasa didifusi. CH nyaéta énzim periplasmik anu ngatalisis hidrolisis karbaril janten 1-naftol, anu langkung stabil, langkung hidrofobik sareng langkung toksik. CH dilokalisasi dina periplasma sareng gaduh afinitas anu handap pikeun karbaril, sahingga ngontrol formasi 1-naftol, sahingga nyegah akumulasi na dina sél sareng ngirangan toksisitasna kana sél (Kamini et al., 2018). 1-naftol anu dihasilkeun diangkut kana sitoplasma ngalangkungan mémbran jero ku cara ngabagi sareng/atanapi difusi, teras dihidroksilasi janten 1,2-dihidroksinaftalena ku énzim afinitas tinggi 1NH pikeun métabolisme salajengna dina jalur karbon pusat.
Sanaos mikroorganisme gaduh kamampuan genetik sareng métabolik pikeun ngarecah sumber karbon xenobiotik, struktur hirarkis panggunaanana (nyaéta, panggunaan anu langkung dipikaresep tina sumber karbon anu saderhana tibatan sumber karbon anu rumit) mangrupikeun halangan utama pikeun biodegradasi. Ayana sareng panggunaan sumber karbon anu saderhana nurunkeun gén anu ngodekeun énzim anu ngarecah sumber karbon anu rumit/henteu dipikaresep sapertos PAH. Conto anu parantos ditalungtik nyaéta nalika glukosa sareng laktosa dikokolakeun ka Escherichia coli, glukosa dianggo langkung épisién tibatan laktosa (Jacob sareng Monod, 1965). Pseudomonas parantos dilaporkeun ngarecah rupa-rupa PAH sareng sanyawa xenobiotik salaku sumber karbon. Hirarki panggunaan sumber karbon dina Pseudomonas nyaéta asam organik > glukosa > sanyawa aromatik (Hylemon sareng Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Nanging, aya pengecualian. Anu pikaresepeun, Pseudomonas sp. CSV86 némbongkeun struktur hirarkis anu unik anu langkung milih ngamangpaatkeun hidrokarbon aromatik (asam benzoat, naftalena, jsb.) tibatan glukosa sareng ko-metabolisme hidrokarbon aromatik sareng asam organik (Basu et al., 2006). Dina baktéri ieu, gén pikeun degradasi sareng transportasi hidrokarbon aromatik henteu turun sanajan aya sumber karbon kadua sapertos glukosa atanapi asam organik. Nalika dipelak dina média glukosa sareng hidrokarbon aromatik, dititénan yén gén pikeun transportasi sareng metabolisme glukosa turun, hidrokarbon aromatik dianggo dina fase log kahiji, sareng glukosa dianggo dina fase log kadua (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Di sisi séjén, ayana asam organik henteu mangaruhan éksprési métabolisme hidrokarbon aromatik, janten baktéri ieu diperkirakeun janten galur calon pikeun studi biodegradasi (Phale et al., 2020).
Geus dipikanyaho umum yén biotransformasi hidrokarbon bisa nyababkeun setrés oksidatif sarta paningkatan énzim antioksidan dina mikroorganisme. Biodegradasi naftalena anu teu efisien boh dina sél fase stasioner boh dina ayana sanyawa toksik ngabalukarkeun formasi spésiés oksigén réaktif (ROS) (Kang et al. 2006). Kusabab énzim anu ngadegradasi naftalena ngandung gugusan beusi-walirang, dina setrés oksidatif, beusi dina protéin heme sareng beusi-walirang bakal dioksidasi, anu ngabalukarkeun inaktivasi protéin. Ferredoxin-NADP+ réduktase (Fpr), babarengan jeung superoksida dismutase (SOD), ngamediasi réaksi rédoks anu bisa dibalikkeun antara NADP+/NADPH jeung dua molekul ferredoxin atawa flavodoxin, sahingga miceun ROS sarta mulangkeun puseur beusi-walirang dina setrés oksidatif (Li et al. 2006). Parantos dilaporkeun yén Fpr sareng SodA (SOD) dina Pseudomonas tiasa diinduksi ku setrés oksidatif, sareng paningkatan kagiatan SOD sareng katalase dititénan dina opat galur Pseudomonas (O1, W1, As1, sareng G1) nalika tumuwuh dina kaayaan anu ditambihkeun naftalena (Kang et al., 2006). Panilitian nunjukkeun yén panambahan antioksidan sapertos asam askorbat atanapi beusi beusi (Fe2+) tiasa ningkatkeun laju tumuwuhna naftalena. Nalika Rhodococcus erythropolis tumuwuh dina média naftalena, transkripsi gén sitokrom P450 anu aya hubunganana sareng setrés oksidatif kalebet sodA (Fe/Mn superoksida dismutase), sodC (Cu/Zn superoksida dismutase), sareng recA ningkat (Sazykin et al., 2019). Analisis protéomik kuantitatif komparatif sél Pseudomonas anu dibudidayakeun dina naftalena nunjukkeun yén paningkatan rupa-rupa protéin anu aya hubunganana sareng réspon setrés oksidatif mangrupikeun strategi pikeun nungkulan setrés (Herbst et al., 2013).
Mikroorganisme parantos dilaporkeun ngahasilkeun biosurfaktan dina pangaruh sumber karbon hidrofobik. Surfaktan ieu mangrupikeun sanyawa aktif permukaan amfifilik anu tiasa ngabentuk agrégat dina antarmuka minyak-cai atanapi hawa-cai. Ieu ngamajukeun pseudo-solubilisasi sareng ngagampangkeun adsorpsi hidrokarbon aromatik, anu ngahasilkeun biodegradasi anu efisien (Rahman et al., 2002). Kusabab sipat-sipat ieu, biosurfaktan seueur dianggo dina rupa-rupa industri. Panambahan surfaktan kimia atanapi biosurfaktan kana kultur baktéri tiasa ningkatkeun efisiensi sareng laju degradasi hidrokarbon. Di antara biosurfaktan, rhamnolipid anu dihasilkeun ku Pseudomonas aeruginosa parantos dikaji sacara éksténsif sareng dicirikeun (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Salian ti éta, jinis biosurfaktan anu sanésna kalebet lipopeptida (musin tina Pseudomonas fluorescens), pangemulsi 378 (tina Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg sareng Ron, 1999), lipid trehalosa disakarida tina Rhodococcus (Ramdahl, 1985), likenin tina Bacillus (Saraswathy sareng Hallberg, 2002), sareng surfaktan tina Bacillus subtilis (Siegmund sareng Wagner, 1991) sareng Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Surfaktan anu kuat ieu parantos kabuktosan ngirangan tegangan permukaan tina 72 dynes/cm janten kirang ti 30 dynes/cm, anu ngamungkinkeun panyerepan hidrokarbon anu langkung saé. Parantos dilaporkeun yén Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia sareng spésiés baktéri sanésna tiasa ngahasilkeun rupa-rupa biosurfaktan berbasis rhamnolipid sareng glikolipid nalika dipelak dina média naftalena sareng metilnaftalena (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 tiasa ngahasilkeun biosurfaktan ekstrasélular Biosur-Pm nalika dipelak dina sanyawa aromatik sapertos asam naftoat (Phale et al., 1995). Kinétika formasi Biosur-Pm nunjukkeun yén sintésisna mangrupikeun prosés anu gumantung kana kamekaran sareng pH. Kapanggih yén jumlah Biosur-Pm anu dihasilkeun ku sél dina pH nétral langkung luhur tibatan dina pH 8,5. Sél anu dipelak dina pH 8,5 langkung hidrofobik sareng gaduh afinitas anu langkung luhur pikeun sanyawa aromatik sareng alifatik tibatan sél anu dipelak dina pH 7,0. Dina Rhodococcus spp. N6, babandingan karbon jeung nitrogén (C:N) anu leuwih luhur, sarta watesan beusi mangrupa kaayaan optimal pikeun produksi biosurfaktan ékstrasélulér (Mutalik et al., 2008). Geus aya usaha pikeun ningkatkeun biosintésis biosurfaktan (surfaktan) ku cara ngaoptimalkeun galur jeung fermentasi. Sanajan kitu, titer surfaktan dina média kultur rendah (1,0 g/L), anu jadi tantangan pikeun produksi skala badag (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Ku alatan éta, métode rékayasa genetik geus dipaké pikeun ningkatkeun biosintésisna. Sanajan kitu, modifikasi rékayasana hésé alatan ukuran operon anu gedé (∼25 kb) sarta régulasi biosintésis anu kompléks tina sistem quorum sensing (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Sababaraha modifikasi rékayasa genetik parantos dilaksanakeun dina baktéri Bacillus, utamina ditujukeun pikeun ningkatkeun produksi surfaktin ku cara ngaganti promotor (operon srfA), ngébréhkeun protéin ékspor surfaktin YerP sareng faktor pangaturan ComX sareng PhrC (Jiao et al., 2017). Nanging, metode rékayasa genetik ieu ngan ukur ngahontal hiji atanapi sababaraha modifikasi genetik sareng tacan ngahontal produksi komérsial. Ku alatan éta, panilitian salajengna ngeunaan metode optimasi berbasis pangaweruh diperyogikeun.
Ulikan biodegradasi PAH utamina dilaksanakeun dina kaayaan laboratorium standar. Nanging, di tempat anu kacemar atanapi dina lingkungan anu kacemar, seueur faktor abiotik sareng biotik (suhu, pH, oksigén, kasadiaan nutrisi, bioavailabilitas substrat, xenobiotik sanésna, inhibisi produk ahir, jsb.) parantos kabuktosan ngarobih sareng mangaruhan kapasitas degradasi mikroorganisme.
Suhu miboga pangaruh anu signifikan kana biodegradasi PAH. Nalika suhu naék, konsentrasi oksigén anu leyur turun, anu mangaruhan métabolisme mikroorganisme aerobik, sabab aranjeunna meryogikeun oksigén molekuler salaku salah sahiji substrat pikeun oksigénase anu ngalaksanakeun réaksi hidroksilasi atanapi pamisahan cincin. Sering dicatet yén suhu anu luhur ngarobah PAH induk janten sanyawa anu langkung toksik, sahingga ngahalangan biodegradasi (Muller et al., 1998).
Geus dicatet yén seueur tempat anu kacemar PAH mibanda nilai pH anu ekstrim, sapertos tempat anu kacemar ku drainase tambang asam (pH 1–4) sareng tempat gasifikasi gas alam/batu bara anu kacemar ku lindi alkali (pH 8–12). Kaayaan ieu tiasa mangaruhan sacara serius kana prosés biodegradasi. Ku alatan éta, sateuacan nganggo mikroorganisme pikeun bioremediasi, disarankeun pikeun nyaluyukeun pH ku cara nambihan bahan kimia anu cocog (kalayan poténsi oksidasi-réduksi anu sedeng dugi ka handap pisan) sapertos amonium sulfat atanapi amonium nitrat pikeun taneuh alkali atanapi ngapur ku kalsium karbonat atanapi magnésium karbonat pikeun tempat anu asam (Bowlen et al. 1995; Gupta sareng Sar 2020).
Pasokan oksigén ka daérah anu kapangaruhan mangrupikeun faktor anu ngawatesan laju biodegradasi PAH. Kusabab kaayaan redoks lingkungan, prosés bioremediasi in situ biasana meryogikeun bubuka oksigén ti sumber éksternal (pangolahan, panyumputan hawa, sareng panambahan kimia) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) nunjukkeun yén panambahan magnesium peroksida (sanyawa anu ngaleupaskeun oksigén) kana akuifer anu kacemar tiasa sacara efektif ngabioremediasi sanyawa BTEX. Panilitian anu sanés nalungtik degradasi in situ fenol sareng BTEX dina akuifer anu kacemar ku cara nyuntikkeun natrium nitrat sareng ngawangun sumur ékstraksi pikeun ngahontal bioremediasi anu efektif (Bewley sareng Webb, 2001).