Ang artikulo kabahin sa hilisgutan sa panukiduki nga "Mga advanced bioremediation technologies ug synthetic organic compounds (SOC) recycling processes". Tan-awa ang tanang 14 ka artikulo.
Ang mga low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) sama sa naphthalene ug substituted naphthalenes (methylnaphthalene, naphthoic acid, 1-naphthyl-N-methylcarbamate, ug uban pa) kay kaylap nga gigamit sa nagkalain-laing industriya ug genotoxic, mutagenic ug/o carcinogenic sa mga organismo. Kini nga mga synthetic organic compounds (SOCs) o xenobiotics giisip nga mga prayoridad nga pollutants ug naghatag ug seryosong hulga sa pangkalibutanong palibot ug panglawas sa publiko. Ang kakusog sa mga kalihokan sa tawo (pananglitan coal gasification, oil refining, vehicle emissions ug agricultural applications) ang nagtino sa konsentrasyon, kapalaran ug transportasyon niining mga ubiquitous ug persistent compounds. Gawas pa sa pisikal ug kemikal nga mga pamaagi sa pagtambal/pagtangtang, ang mga green ug environment-friendly nga teknolohiya sama sa bioremediation, nga naggamit ug mga microorganism nga makahimo sa hingpit nga pagdaot sa mga POC o pag-convert niini ngadto sa dili makahilo nga mga by-product, mitumaw isip usa ka luwas, cost-effective ug promising nga alternatibo. Ang nagkalain-laing klase sa bakterya nga sakop sa phyla nga Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, ug Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus ug Paenibacillus), ug Actinobacteria (Rhodococcus ug Arthrobacter) sa microbiota sa yuta nagpakita sa abilidad sa pagdaot sa nagkalain-laing organikong compound. Ang mga pagtuon sa metabolismo, genomics, ug metagenomic analysis makatabang kanato nga masabtan ang catabolic complexity ug diversity nga anaa niining mga simpleng porma sa kinabuhi, nga mahimong magamit pa alang sa episyente nga biodegradation. Ang dugay nga paglungtad sa mga PAH miresulta sa pagtungha sa mga nobela nga degradation phenotypes pinaagi sa horizontal gene transfer gamit ang mga genetic elements sama sa plasmids, transposons, bacteriophages, genomic islands, ug integrative conjugative elements. Ang systems biology ug genetic engineering sa mga espesipikong isolates o model communities (consortia) makahimo sa komprehensibo, paspas ug episyente nga bioremediation niining mga PAH pinaagi sa synergistic effects. Niini nga pagrepaso, among gitutukan ang lain-laing mga metabolic pathways ug diversity, genetic composition ug diversity, ug mga cellular responses/adaptation sa naphthalene ug substituted naphthalene-degrading bacteria. Kini maghatag ug ecological information para sa field application ug strain optimization para sa episyente nga bioremediation.
Ang paspas nga pag-uswag sa mga industriya (petrochemicals, agrikultura, parmasyutiko, tina sa tela, kosmetiko, ug uban pa) nakatampo sa kauswagan sa ekonomiya sa kalibutan ug sa pag-uswag sa mga sukdanan sa panginabuhi. Kini nga paspas nga pag-uswag miresulta sa produksiyon sa daghang mga sintetikong organikong compound (SOC), nga gigamit sa paghimo sa lainlaing mga produkto. Kini nga mga langyaw nga compound o SOC naglakip sa polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), pestisidyo, herbicide, plasticizer, tina, parmasyutiko, organophosphates, flame retardants, volatile organic solvents, ug uban pa. Kini gipagawas sa atmospera, aquatic ug terrestrial ecosystems diin kini adunay daghang dimensyon nga mga epekto, nga hinungdan sa makadaot nga mga epekto sa lainlaing mga bioform pinaagi sa pag-usab sa mga kabtangan sa physicochemical ug istruktura sa komunidad (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Daghang mga aromatic pollutant ang adunay kusog ug makadaot nga epekto sa daghang wala madaot nga mga ekosistema/biodiversity hotspots (pananglitan, mga coral reef, mga yelo sa Arctic/Antarctic, mga lanaw sa taas nga bukid, mga sediment sa lawom nga dagat, ug uban pa) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Ang bag-o nga mga pagtuon sa geomicrobiological nagpakita nga ang pagbutang sa sintetikong organikong butang (pananglitan, mga aromatic pollutant) ug ang ilang mga gigikanan sa mga nawong sa artipisyal nga mga istruktura (gitukod nga palibot) (pananglitan, mga cultural heritage site ug mga monumento nga hinimo sa granite, bato, kahoy ug metal) nagpadali sa ilang pagkadaot (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Ang mga kalihokan sa tawo mahimong mopakusog ug mograbe sa biyolohikal nga pagkadaot sa mga monumento ug mga bilding pinaagi sa polusyon sa hangin ug pagbag-o sa klima (Liu et al. 2020). Kini nga mga organikong kontaminante mo-react sa alisngaw sa tubig sa atmospera ug mopuyo sa istruktura, hinungdan sa pisikal ug kemikal nga pagkadaot sa materyal. Ang biodegradation kaylap nga giila nga dili gusto nga mga pagbag-o sa hitsura ug mga kabtangan sa mga materyales nga gipahinabo sa buhing mga organismo nga makaapekto sa ilang pagpreserbar (Pochon ug Jaton, 1967). Ang dugang nga aksyon sa mikrobyo (metabolismo) niining mga compound makapakunhod sa integridad sa istruktura, kaepektibo sa konserbasyon, ug bili sa kultura (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Sa laing bahin, sa pipila ka mga kaso, ang pagpahiangay ug pagtubag sa mikrobyo niining mga istruktura nakit-an nga mapuslanon tungod kay kini nagporma og mga biofilm ug uban pang mga panalipod nga crust nga nagpamenos sa rate sa pagkadunot/pagkadunot (Martino, 2016). Busa, ang pagpalambo sa epektibo ug dugay nga malungtarong mga estratehiya sa konserbasyon alang sa mga monumento nga bato, metal, ug kahoy nanginahanglan usa ka hingpit nga pagsabot sa mga hinungdanon nga proseso nga nalambigit niini nga proseso. Kung itandi sa natural nga mga proseso (mga proseso sa geolohiya, sunog sa kalasangan, pagbuto sa bulkan, mga reaksyon sa tanom ug bakterya), ang mga kalihokan sa tawo moresulta sa pagpagawas sa daghang gidaghanon sa polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) ug uban pang organikong carbon (OC) ngadto sa mga ekosistema. Daghang PAH nga gigamit sa agrikultura (mga insecticide ug pestisidyo sama sa DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorophenol, ug uban pa), industriya (krudo nga lana, lapok/basura sa lana, plastik nga gikan sa petrolyo, PCB, plasticizer, detergent, disinfectant, fumigant, pahumot ug preservatives), mga produkto sa personal nga pag-atiman (sunscreen, disinfectant, insect repellent ug polycyclic musks) ug mga munition (mga eksplosibo sama sa 2,4,6-TNT) mga potensyal nga xenobiotics nga mahimong makaapekto sa kahimsog sa planeta (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna ug Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Kini nga lista mahimong mapalapdan aron maapil ang mga compound nga gikan sa petrolyo (mga lana sa gasolina, mga lubricant, mga asphaltene), mga high molecular weight bioplastics, ug mga ionic liquid (Amde et al., 2015). Ang Talaan 1 naglista sa lainlaing mga aromatic pollutant ug ang ilang mga aplikasyon sa lainlaing mga industriya. Sa bag-ohay nga mga tuig, ang mga emisyon sa mga dali moalisngaw nga organikong compound gikan sa mga tawo, ingon man ang carbon dioxide ug uban pang mga greenhouse gas, nagsugod sa pagsaka (Dvorak et al., 2017). Bisan pa, ang mga epekto sa mga tawo milabaw pag-ayo sa mga natural. Dugang pa, among nakita nga daghang mga SOC ang nagpabilin sa daghang mga palibot sa kalikopan ug giila nga mga bag-ong pollutant nga adunay dili maayo nga mga epekto sa mga biome (Figure 1). Ang mga ahensya sa kalikopan sama sa United States Environmental Protection Agency (USEPA) naglakip sa daghan niini nga mga pollutant sa ilang lista sa prayoridad tungod sa ilang cytotoxic, genotoxic, mutagenic, ug carcinogenic nga mga kabtangan. Busa, gikinahanglan ang estrikto nga mga regulasyon sa paglabay ug epektibo nga mga estratehiya alang sa pagtambal/pagtangtang sa basura gikan sa kontaminado nga mga ekosistema. Nagkalain-laing mga pamaagi sa pisikal ug kemikal nga pagtambal sama sa pyrolysis, oxidative thermal treatment, air aeration, landfilling, incineration, ug uban pa dili epektibo ug mahal ug makamugna og corrosive, makahilo ug lisud nga tambalan ang mga by-product. Uban sa nagkadako nga kahibalo sa kalibutan bahin sa kalikopan, ang mga mikroorganismo nga makahimo sa pagdaot niining mga pollutant ug sa ilang mga gigikanan (sama sa halogenated, nitro, alkyl ug/o methyl) nakadani sa nagkadako nga atensyon (Fennell et al., 2004; Haritash ug Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Ang paggamit niining mga lumad nga kandidato nga mga mikroorganismo nga mag-inusara o sa sinagol nga mga kultura (mga kolonya) alang sa pagtangtang sa mga aromatic pollutant adunay mga bentaha sa mga termino sa kaluwasan sa kalikopan, gasto, kahusayan, kaepektibo, ug pagpadayon. Gisusi usab sa mga tigdukiduki ang paghiusa sa mga proseso sa mikrobyo sa mga pamaagi sa electrochemical redox, nga mao ang bioelectrochemical systems (BES), isip usa ka maayong teknolohiya alang sa pagtambal/pagtangtang sa pollutant (Huang et al., 2011). Ang teknolohiya sa BES nakadani og dugang atensyon tungod sa taas nga kahusayan, ubos nga gasto, kaluwasan sa kalikopan, operasyon sa temperatura sa kwarto, mga materyales nga biocompatible, ug ang abilidad sa pagbawi sa bililhong mga by-product (pananglitan, kuryente, gasolina, ug mga kemikal) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Ang pag-abot sa high-throughput genome sequencing ug omics tools/methods nakahatag og daghang bag-ong impormasyon bahin sa genetic regulation, proteomics, ug fluxomics sa mga reaksyon sa lainlaing mga degrader microorganism. Ang paghiusa niining mga himan sa systems biology dugang nga nagpalambo sa atong pagsabot sa pagpili ug pag-fine-tune sa target catabolic pathways sa mga microorganism (ie, metabolic design) aron makab-ot ang episyente ug epektibo nga biodegradation. Aron magdisenyo og epektibo nga mga estratehiya sa bioremediation gamit ang angay nga mga kandidato nga microorganism, kinahanglan natong masabtan ang biochemical potential, metabolic diversity, genetic composition, ug ecology (autoecology/synecology) sa mga microorganism.
Hulagway 1. Mga tinubdan ug agianan sa mga low-molecular PAH pinaagi sa lain-laing mga palibot ug lain-laing mga hinungdan nga makaapekto sa biota. Ang mga linya nga giputol-putol nagrepresentar sa mga interaksyon tali sa mga elemento sa ekosistema.
Niini nga pagrepaso, among gisulayan ang pag-summarize sa datos sa pagkadaot sa mga simpleng PAH sama sa naphthalene ug substituted naphthalenes pinaagi sa lain-laing bacterial isolates nga naglangkob sa metabolic pathways ug diversity, enzymes nga nalambigit sa pagkadaot, gene composition/content ug diversity, cellular responses ug lain-laing aspeto sa bioremediation. Ang pagsabot sa biochemical ug molecular levels makatabang sa pag-ila sa angay nga host strains ug sa ilang dugang nga genetic engineering para sa epektibo nga bioremediation sa maong priority pollutants. Makatabang kini sa pagpalambo sa mga estratehiya para sa pagtukod og site-specific bacterial consortia para sa epektibo nga bioremediation.
Ang presensya sa daghang makahilo ug delikado nga mga aromatic compound (nga nagtuman sa Huckel rule 4n + 2π electrons, n = 1, 2, 3, …) naghatag ug seryosong hulga sa nagkalain-laing palibot sama sa hangin, yuta, sediments, ug ibabaw ug tubig sa yuta (Puglisi et al., 2007). Kini nga mga compound adunay single benzene rings (monocyclic) o multiple benzene rings (polycyclic) nga gihan-ay sa linear, angular o cluster form ug nagpakita ug kalig-on (stability/instability) sa palibot tungod sa taas nga negative resonance energy ug inertness (inertness), nga mahimong ipasabut sa ilang hydrophobicity ug reduced state. Kung ang aromatic ring dugang nga pulihan sa methyl (-CH3), carboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), o sulfonate (-HSO3) nga mga grupo, kini mahimong mas lig-on, adunay mas kusog nga affinity alang sa macromolecules, ug bioaccumulative sa biological systems (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Ang ubang low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons (LMWAHs), sama sa naphthalene ug mga derivatives niini [methylnaphthalene, naphthoic acid, naphthalenesulfonate, ug 1-naphthyl N-methylcarbamate (carbaryl)], nalakip sa listahan sa mga prayoridad nga organic pollutants sa US Environmental Protection Agency isip genotoxic, mutagenic, ug/o carcinogenic (Cerniglia, 1984). Ang pagpagawas niini nga klase sa NM-PAHs ngadto sa palibot mahimong moresulta sa bioaccumulation niini nga mga compound sa tanang lebel sa food chain, sa ingon makaapekto sa kahimsog sa mga ecosystem (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Ang mga tinubdan ug agianan sa mga PAH ngadto sa biota panguna nga pinaagi sa paglalin ug mga interaksyon tali sa lainlaing mga sangkap sa ekosistema sama sa yuta, tubig sa ilawom sa yuta, tubig sa ibabaw, mga tanom ug atmospera (Arey ug Atkinson, 2003). Gipakita sa Figure 1 ang mga interaksyon ug pag-apod-apod sa lainlaing mga low molecular weight PAH sa mga ekosistema ug ang ilang mga agianan ngadto sa biota/pagkaladlad sa tawo. Ang mga PAH gideposito sa mga nawong isip resulta sa polusyon sa hangin ug pinaagi sa paglalin (drift) sa mga emisyon sa sakyanan, mga gas sa tambutso sa industriya (coal gasification, combustion ug produksiyon sa coke) ug ang ilang deposito. Ang mga kalihokan sa industriya sama sa paghimo og sintetikong mga tela, tina ug pintura; pagpreserba sa kahoy; pagproseso sa goma; mga kalihokan sa paghimo og semento; produksiyon sa pestisidyo; ug mga aplikasyon sa agrikultura mao ang mga nag-unang tinubdan sa mga PAH sa mga sistema sa yuta ug tubig (Bamforth ug Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Ang mga pagtuon nagpakita nga ang mga yuta sa mga suburban ug urban nga mga lugar, duol sa mga haywey, ug sa mga dagkong siyudad mas daling maapektuhan sa polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) tungod sa mga emisyon gikan sa mga planta sa kuryente, pagpainit sa balay, karga sa trapiko sa hangin ug dalan, ug mga kalihokan sa konstruksyon (Suman et al., 2016). (2008) nagpakita nga ang mga PAH sa yuta duol sa mga dalan sa New Orleans, Louisiana, USA moabot sa 7189 μg/kg, samtang sa bukas nga luna, 2404 μg/kg lang kini. Sa susama, ang lebel sa PAH nga moabot sa 300 μg/kg gitaho sa mga lugar duol sa mga coal gasification site sa daghang mga siyudad sa US (Kanaly ug Harayama, 2000; Bamforth ug Singleton, 2005). Ang mga yuta gikan sa lain-laing mga siyudad sa India sama sa Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni ug Venkataraman, 2000) ug Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) gitaho nga adunay taas nga konsentrasyon sa PAHs. Ang mga aromatic compound mas dali nga masuhop sa mga partikulo sa yuta, organikong butang ug mga mineral nga lapok, sa ingon nahimong mga pangunang carbon sink sa mga ekosistema (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Ang mga pangunang tinubdan sa PAHs sa mga ekosistema sa tubig mao ang ulan (basa/uga nga ulan ug alisngaw sa tubig), urban runoff, wastewater discharge, groundwater recharge ug uban pa (Srogi, 2007). Gibanabana nga mga 80% sa mga PAHs sa mga ekosistema sa dagat naggikan sa ulan, sedimentation, ug waste discharge (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Ang mas taas nga konsentrasyon sa mga PAH sa tubig sa ibabaw o leachate gikan sa mga solid waste disposal site sa ngadto-ngadto moagos ngadto sa tubig sa ilalom sa yuta, nga naghulga sa panglawas sa publiko tungod kay kapin sa 70% sa populasyon sa Habagatan ug Habagatang-Sidlakang Asya ang nag-inom sa tubig sa ilalom sa yuta (Duttagupta et al., 2019). Usa ka bag-o nga pagtuon ni Duttagupta et al. (2020) sa mga pag-analisar sa suba (32) ug tubig sa ilalom sa yuta (235) gikan sa West Bengal, India, nakakaplag nga gibanabana nga 53% sa mga residente sa kasyudaran ug 44% sa mga residente sa kabanikanhan (nga mokabat sa 20 milyon nga mga residente) ang mahimong maladlad sa naphthalene (4.9–10.6 μg/L) ug mga gigikanan niini. Ang lain-laing mga sumbanan sa paggamit sa yuta ug ang dugang nga pagkuha sa tubig sa ilalom sa yuta giisip nga mga nag-unang hinungdan nga nagkontrol sa bertikal nga transportasyon (advection) sa mga low molecular weight PAH sa ilalom sa yuta. Ang agricultural runoff, mga discharge sa wastewater sa munisipyo ug industriyal, ug mga discharge sa solid waste/garbage nakit-an nga apektado sa mga PAH sa mga basin sa suba ug mga sediment sa ilalom sa yuta. Ang pag-ulan sa atmospera dugang nga nagpalala sa polusyon sa PAH. Taas nga konsentrasyon sa mga PAH ug sa ilang mga alkyl derivatives (51 sa kinatibuk-an) ang gitaho sa mga suba/watershed sa tibuok kalibutan, sama sa Fraser River, Louan River, Denso River, Missouri River, Anacostia River, Ebro River, ug Delaware River (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Sa mga sediment sa Ganges River basin, ang naphthalene ug phenanthrene nakit-an nga mao ang labing hinungdanon (nakit-an sa 70% sa mga sample) (Duttagupta et al., 2019). Dugang pa, gipakita sa mga pagtuon nga ang chlorination sa tubig nga mainom mahimong mosangpot sa pagporma sa mas makahilo nga oxygenated ug chlorinated PAHs (Manoli ug Samara, 1999). Ang mga PAH natipon sa mga cereal, prutas ug utanon tungod sa pagsuhop sa mga tanom gikan sa kontaminado nga yuta, tubig sa yuta ug ulan (Fismes et al., 2002). Daghang mga organismo sa tubig sama sa isda, tahong, tulya ug hipon ang nakontaminado sa mga PAH pinaagi sa pagkonsumo sa kontaminado nga pagkaon ug tubig sa dagat, ingon man pinaagi sa mga tisyu ug panit (Mackay ug Fraser, 2000). Ang mga pamaagi sa pagluto/pagproseso sama sa pag-ihaw, pag-ihaw, pag-aso, pagprito, pagpauga, pagluto ug pagluto gamit ang uling mahimo usab nga mosangpot sa daghang kantidad sa PAH sa pagkaon. Kini nagdepende pag-ayo sa pagpili sa materyal nga pang-aso, sulud sa phenolic/aromatic hydrocarbon, pamaagi sa pagluto, tipo sa heater, sulud sa kaumog, suplay sa oksiheno ug temperatura sa pagkasunog (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Ang polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) nakit-an usab sa gatas sa lainlaing mga konsentrasyon (0.75–2.1 mg/L) (Girelli et al., 2014). Ang pagtapok niining mga PAH sa pagkaon nagdepende usab sa pisikal ug kemikal nga mga kabtangan sa pagkaon, samtang ang ilang makahilong mga epekto adunay kalabotan sa mga gimbuhaton sa pisyolohikal, kalihokan sa metabolismo, pagsuhop, pag-apod-apod ug pag-apod-apod sa lawas (Mechini et al., 2011).
Ang pagkahilo ug makadaot nga mga epekto sa polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) dugay nang nahibal-an (Cherniglia, 1984). Ang low molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons (LMW-PAHs) (duha ngadto sa tulo ka singsing) mahimong covalently bind sa lain-laing macromolecules sama sa DNA, RNA ug mga protina ug carcinogenic (Santarelli et al., 2008). Tungod sa ilang hydrophobic nga kinaiya, kini gibulag sa mga lipid membrane. Sa mga tawo, ang cytochrome P450 monooxygenases nag-oxidize sa mga PAH ngadto sa mga epoxide, ang uban niini highly reactive (pananglitan, baediol epoxide) ug mahimong mosangpot sa pagbag-o sa normal nga mga selula ngadto sa mga malignant (Marston et al., 2001). Dugang pa, ang mga produkto sa pagbag-o sa mga PAH sama sa quinones, phenols, epoxides, diols, ug uban pa mas makahilo kaysa sa ginikanan nga mga compound. Ang ubang mga PAH ug ang ilang mga metabolic intermediate makaapekto sa mga hormone ug lain-laing mga enzyme sa metabolismo, sa ingon negatibo nga makaapekto sa pagtubo, sa central nervous system, sa reproductive ug immune system (Swetha ug Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Ang mubo nga termino nga pagkaladlad sa low molecular weight PAHs gitaho nga hinungdan sa pagkadaot sa function sa baga ug thrombosis sa mga asthmatics ug nagdugang sa risgo sa mga kanser sa panit, baga, pantog ug gastrointestinal (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Gipakita usab sa mga pagtuon sa hayop nga ang pagkaladlad sa PAH mahimong adunay dili maayo nga epekto sa reproductive function ug paglambo ug mahimong hinungdan sa katarata, kadaot sa kidney ug atay, ug jaundice. Ang lain-laing mga produkto sa biotransformation sa PAH sama sa diols, epoxides, quinones ug free radicals (cations) gipakita nga nagporma og DNA adducts. Ang mga stable adduct napamatud-an nga makausab sa makinarya sa replikasyon sa DNA, samtang ang mga unstable adduct maka-depurinate sa DNA (kasagaran ngadto sa adenine ug usahay ngadto sa guanine); pareho kining makamugna og mga sayop nga mosangpot sa mga mutasyon (Schweigert et al. 2001). Dugang pa, ang mga quinones (benzo-/pan-) makamugna og reactive oxygen species (ROS), nga hinungdan sa makamatay nga kadaot sa DNA ug uban pang macromolecules, sa ingon makaapekto sa function/viability sa tisyu (Ewa ug Danuta 2017). Ang kanunay nga pagkaladlad sa ubos nga konsentrasyon sa pyrene, biphenyl ug naphthalene gitaho nga hinungdan sa kanser sa mga eksperimental nga hayop (Diggs et al. 2012). Tungod sa ilang makamatay nga toxicity, ang paglimpyo/pagtangtang niining mga PAH gikan sa apektado/kontaminado nga mga lugar usa ka prayoridad.
Nagkalain-laing pisikal ug kemikal nga mga pamaagi ang gigamit aron makuha ang mga PAH gikan sa mga kontaminado nga lugar/palibot. Ang mga proseso sama sa incineration, dechlorination, UV oxidation, fixation, ug solvent extraction adunay daghang mga disbentaha, lakip ang pagporma sa makahilong mga by-product, pagkakomplikado sa proseso, mga isyu sa kaluwasan ug regulasyon, ubos nga kahusayan, ug taas nga gasto. Bisan pa, ang microbial biodegradation (gitawag nga bioremediation) usa ka maayong alternatibo nga pamaagi nga naglambigit sa paggamit sa mga mikroorganismo sa porma sa puro nga mga kultura o kolonya. Kung itandi sa pisikal ug kemikal nga mga pamaagi, kini nga proseso mahigalaon sa kalikopan, dili invasive, epektibo sa gasto, ug malungtaron. Ang bioremediation mahimong ipahigayon sa apektadong lugar (in situ) o sa usa ka espesyal nga giandam nga lugar (ex situ) ug busa giisip nga usa ka mas malungtaron nga pamaagi sa remediation kaysa sa tradisyonal nga pisikal ug kemikal nga mga pamaagi (Juhasz ug Naidu, 2000; Andreoni ug Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Ang pagsabot sa mga lakang sa metabolismo sa mikrobyo nga nalambigit sa pagkadaot sa mga aromatic pollutant adunay dakong implikasyon sa siyensya ug ekonomiya alang sa ekolohikal ug kalikopan nga pagpadayon. Gibanabana nga 2.1 × 1018 gramos nga carbon (C) ang gitipigan sa mga sediment ug mga organikong compound (pananglitan, lana, natural nga gas, ug karbon, ie, fossil fuels) sa tibuok kalibutan, nga nakahatag ug dakong kontribusyon sa global carbon cycle. Bisan pa, ang paspas nga industriyalisasyon, pagkuha sa fossil fuel, ug mga kalihokan sa tawo nagpakunhod niining mga lithospheric carbon reservoir, nga nagpagawas ug gibanabana nga 5.5 × 1015 g nga organic carbon (isip mga pollutant) ngadto sa atmospera matag tuig (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Kadaghanan niining organic carbon mosulod sa terrestrial ug marine ecosystems pinaagi sa sedimentation, transport, ug runoff. Dugang pa, ang bag-ong mga sintetikong pollutant nga nakuha gikan sa mga fossil fuel, sama sa mga plastik, plasticizer ug plastic stabilizer (phthalates ug ang ilang mga isomer), seryosong naghugaw sa marine, soil ug aquatic ecosystems ug sa ilang biota, sa ingon nagpalala sa mga risgo sa klima sa kalibutan. Nagkalain-laing klase sa microplastics, nanoplastics, plastic fragments ug ang ilang makahilong monomer products nga gikan sa polyethylene terephthalate (PET) ang natipon sa Pacific Ocean tali sa North America ug Southeast Asia, nga nagporma sa "Great Pacific Garbage Patch", nga nakadaot sa kinabuhi sa dagat (Newell et al., 2020). Napamatud-an sa mga siyentipikong pagtuon nga dili posible nga makuha ang maong mga pollutants/basura pinaagi sa bisan unsang pisikal o kemikal nga pamaagi. Niini nga konteksto, ang labing mapuslanon nga mga mikroorganismo mao kadtong makahimo sa oxidatively metabolizing nga mga pollutants ngadto sa carbon dioxide, kemikal nga enerhiya ug uban pang dili makahilong by-products nga sa ngadto-ngadto mosulod sa ubang mga proseso sa nutrient cycling (H, O, N, S, P, Fe, ug uban pa). Busa, ang pagsabot sa microbial ecophysiology sa aromatic pollutant mineralization ug ang pagkontrol niini sa kalikopan hinungdanon alang sa pagtimbang-timbang sa microbial carbon cycle, net carbon budget ug umaabot nga mga risgo sa klima. Tungod sa dinalian nga panginahanglan sa pagtangtang sa maong mga compound gikan sa kalikopan, nagkalain-laing eco-industries nga naka-focus sa limpyo nga mga teknolohiya ang mitumaw. Sa laing bahin, ang pagpausbaw sa mga basura sa industriya/mga kemikal nga natipon sa mga ekosistema (pananglitan ang pamaagi sa waste to wealth) giisip nga usa sa mga haligi sa circular economy ug mga tumong sa malungtarong kalamboan (Close et al., 2012). Busa, ang pagsabot sa metabolic, enzymatic ug genetic nga mga aspeto niining mga potensyal nga kandidato sa pagkadaot hinungdanon kaayo alang sa epektibo nga pagtangtang ug bioremediation sa maong mga aromatic pollutants.
Lakip sa daghang mga aromatic pollutant, gihatagan namo og espesyal nga atensyon ang mga low-molecular-weight PAH sama sa naphthalene ug substituted naphthalenes. Kini nga mga compound mga mayor nga sangkap sa mga gasolina nga gikan sa petrolyo, mga tina sa tela, mga produkto sa konsyumer, mga pestisidyo (mga mothball ug mga repellent sa insekto), mga plasticizer ug mga tannin ug busa kaylap sa daghang mga ekosistema (Preuss et al., 2003). Ang bag-o nga mga report nagpasiugda sa akumulasyon sa mga konsentrasyon sa naphthalene sa mga sediment sa aquifer, yuta sa ilawom sa yuta ug mga yuta sa ilalom sa yuta, mga vadose zone ug mga higdaanan sa suba, nga nagsugyot sa bioaccumulation niini sa palibot (Duttagupta et al., 2019, 2020). Ang Table 2 nagsumaryo sa mga kabtangan sa physicochemical, mga aplikasyon ug mga epekto sa panglawas sa naphthalene ug mga derivatives niini. Kung itandi sa ubang mga high-molecular-weight PAH, ang naphthalene ug ang mga derivatives niini dili kaayo hydrophobic, mas matunaw sa tubig ug kaylap nga giapod-apod sa mga ekosistema, mao nga kini kanunay nga gigamit isip mga modelo nga substrate aron tun-an ang metabolismo, genetics ug metabolic diversity sa mga PAH. Daghang mga mikroorganismo ang makahimo sa pag-metabolize sa naphthalene ug mga derivatives niini, ug adunay komprehensibo nga impormasyon bahin sa ilang metabolic pathways, enzymes ug regulatory features (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Dugang pa, ang naphthalene ug ang mga derivatives niini gitudlo isip prototype compounds para sa environmental pollution assessment tungod sa ilang taas nga kadagaya ug bioavailability. Gibanabana sa US Environmental Protection Agency nga ang aberids nga lebel sa naphthalene kay 5.19 μg kada cubic meter gikan sa aso sa sigarilyo, panguna gikan sa dili kompleto nga pagkasunog, ug 7.8 ngadto sa 46 μg gikan sa sidestream smoke, samtang ang exposure sa creosote ug naphthalene kay 100 ngadto sa 10,000 ka pilo nga mas taas (Preuss et al. 2003). Ang naphthalene sa partikular nakit-an nga adunay species-, region-, ug sex-specific respiratory toxicity ug carcinogenicity. Base sa mga pagtuon sa hayop, ang International Agency for Research on Cancer (IARC) nagklasipikar sa naphthalene isip usa ka "posibleng human carcinogen" (Group 2B)1. Ang pagkaladlad sa gipulihan nga mga naphthalene, labi na pinaagi sa paglanghap o parenteral (oral) nga administrasyon, hinungdan sa kadaot sa tisyu sa baga ug nagdugang sa insidente sa mga tumor sa baga sa mga ilaga ug mga ilaga (National Toxicology Program 2). Ang mga mahait nga epekto naglakip sa kasukaon, pagsuka, sakit sa tiyan, kalibanga, sakit sa ulo, kalibog, sobra nga singot, hilanat, tachycardia, ug uban pa. Sa laing bahin, ang broad-spectrum carbamate insecticide nga carbaryl (1-naphthyl N-methylcarbamate) gitaho nga makahilo sa mga aquatic invertebrates, amphibians, honey bees ug mga tawo ug gipakita nga nagpugong sa acetylcholinesterase nga hinungdan sa paralysis (Smulders et al., 2003; Bulen ug Distel, 2011). Busa, ang pagsabot sa mga mekanismo sa microbial degradation, genetic regulation, enzymatic ug cellular reactions hinungdanon alang sa pagpalambo sa mga estratehiya sa bioremediation sa kontaminado nga mga palibot.
Talaan 2. Detalyadong impormasyon bahin sa mga kabtangan sa pisiko-kemikal, mga gamit, mga pamaagi sa pag-ila ug mga may kalabutan nga sakit sa naphthalene ug mga gigikanan niini.
Sa mga nahugawan nga niches, ang hydrophobic ug lipophilic aromatic pollutants mahimong hinungdan sa lain-laing mga epekto sa cellular sa environmental microbiome (komunidad), sama sa mga pagbag-o sa membrane fluidity, membrane permeability, lipid bilayer swelling, pagkabalda sa energy transfer (electron transport chain/proton motive force), ug kalihokan sa membrane-associated proteins (Sikkema et al., 1995). Dugang pa, ang pipila ka soluble intermediates sama sa catechols ug quinones makamugna og reactive oxygen species (ROS) ug moporma og adducts uban sa DNA ug mga protina (Penning et al., 1999). Busa, ang kadagaya sa maong mga compound sa mga ecosystem naghatag og selective pressure sa mga microbial community aron mahimong episyente nga mga degrader sa lain-laing mga lebel sa physiological, lakip ang uptake/transport, intracellular transformation, assimilation/utilization, ug compartmentalization.
Usa ka pagpangita sa Ribosomal Database Project-II (RDP-II) nagbutyag nga adunay kinatibuk-an nga 926 ka klase sa bakterya ang nahimulag gikan sa media o enrichment cultures nga kontaminado sa naphthalene o mga derivatives niini. Ang grupo sa Proteobacteria ang adunay pinakadaghang gidaghanon sa mga representante (n = 755), gisundan sa Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), ug unclassified bacteria (8) (Figure 2). Ang mga representante sa γ-Proteobacteria (Pseudomonadales ug Xanthomonadales) ang nagdominar sa tanang Gram-negative nga grupo nga adunay taas nga G+C content (54%), samtang ang Clostridiales ug Bacillales (30%) mga Gram-positive nga grupo nga adunay ubos nga G+C content. Ang Pseudomonas (ang pinakataas nga gidaghanon, 338 ka espisye) gitaho nga makahimo sa pagdaot sa naphthalene ug sa mga methyl derivatives niini sa lainlaing mga nahugawan nga ekosistema (coal tar, petrolyo, krudo, lapok, mga oil spill, wastewater, organikong basura ug mga landfill) ingon man sa wala madaot nga mga ekosistema (yuta, suba, sediment ug tubig sa yuta) (Figure 2). Dugang pa, ang mga pagtuon sa pagpayaman ug metagenomic analysis sa pipila niini nga mga rehiyon nagpadayag nga ang wala gipatubo nga mga espisye sa Legionella ug Clostridium mahimong adunay kapasidad sa pagdaot, nga nagpakita sa panginahanglan sa pagpatubo niini nga mga bakterya aron tun-an ang bag-ong mga agianan ug pagkalainlain sa metabolismo.
Hulagway 2. Pagkalainlain sa taxonomy ug ekolohikal nga distribusyon sa mga representante sa bakterya sa mga palibot nga kontaminado sa naphthalene ug mga gigikanan sa naphthalene.
Lakip sa nagkalain-laing mga mikroorganismo nga makaguba sa aromatic hydrocarbon, kadaghanan niini makahimo sa pagguba sa naphthalene isip bugtong tinubdan sa carbon ug enerhiya. Ang han-ay sa mga panghitabo nga nalambigit sa metabolismo sa naphthalene gihulagway alang sa Pseudomonas sp. (mga strain: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 ug CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 ug uban pang mga strain (ND6 ug AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis ug Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Ang metabolismo gisugdan sa usa ka multicomponent dioxygenase [naphthalene dioxygenase (NDO), usa ka ring hydroxylating dioxygenase] nga nag-catalyze sa oksihenasyon sa usa sa mga aromatic ring sa naphthalene gamit ang molecular oxygen isip laing substrate, nga nag-convert sa naphthalene ngadto sa cis-naphthalenediol (Figure 3). Ang Cis-dihydrodiol nakabig ngadto sa 1,2-dihydroxynaphthalene pinaagi sa usa ka dehydrogenase. Ang ring-cleaving dioxygenase, 1,2-dihydroxynaphthalene dioxygenase (12DHNDO), nag-convert sa 1,2-dihydroxynaphthalene ngadto sa 2-hydroxychromene-2-carboxylic acid. Ang enzymatic cis-trans isomerization nagpatunghag trans-o-hydroxybenzylidenepyruvate, nga gipikas sa hydratase aldolase ngadto sa salicylic aldehyde ug pyruvate. Ang organic acid pyruvate mao ang unang C3 compound nga nakuha gikan sa naphthalene carbon skeleton ug gidirekta ngadto sa central carbon pathway. Dugang pa, ang NAD+-dependent salicylaldehyde dehydrogenase nag-convert sa salicylaldehyde ngadto sa salicylic acid. Ang metabolismo niini nga yugto gitawag nga "ibabaw nga agianan" sa naphthalene degradation. Kini nga agianan komon kaayo sa kadaghanan sa naphthalene-degrading bacteria. Bisan pa, adunay pipila ka mga eksepsiyon; pananglitan, sa thermophilic Bacillus hamburgii 2, Ang pagkaguba sa naphthalene gisugdan sa naphthalene 2,3-dioxygenase aron maporma ang 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Hulagway 3. Mga agianan sa naphthalene, methylnaphthalene, naphthoic acid, ug carbaryl degradation. Ang mga gilibutang numero nagrepresentar sa mga enzyme nga responsable sa sunod-sunod nga pagkakabig sa naphthalene ug mga gigikanan niini ngadto sa sunod nga mga produkto. 1 — naphthalene dioxygenase (NDO); 2, cis-dihydrodiol dehydrogenase; 3, 1,2-dihydroxynaphthalene dioxygenase; 4, 2-hydroxychromene-2-carboxylic acid isomerase; 5, trans-O-hydroxybenzylidenepyruvate hydratase aldolase; 6, salicylaldehyde dehydrogenase; 7, salicylate 1-hydroxylase; 8, catechol 2,3-dioxygenase (C23DO); 9, 2-hydroxymuconate semialdehyde dehydrogenase; 10, 2-oxopent-4-enoate hydratase; 11, 4-hydroxy-2-oxpentanoate aldolase; 12, acetaldehyde dehydrogenase; 13, catechol-1,2-dioxygenase (C12DO); 14, muconate cycloisomerase; 15, muconolactone delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenollactone hydrolase; 17, β-ketoadipate succinyl-CoA transferase; 18, β-ketoadipate-CoA thiolase; 19, succinyl-CoA: acetyl-CoA succinyltransferase; 20, salicylate 5-hydroxylase; 21 – gentisate 1,2-dioxygenase (GDO); 22, maleylpyruvate isomerase; 23, fumarylpyruvate hydrolase; 24, methylnaphthalene hydroxylase (NDO); 25, hydroxymethylnaphthalene dehydrogenase; 26, naphthaldehyde dehydrogenase; 27, 3-formylsalicylic acid oxidase; 28, hydroxyisophthalate decarboxylase; 29, carbaryl hydrolase (CH); 30, 1-naphthol-2-hydroxylase.
Depende sa organismo ug sa genetic makeup niini, ang resulta nga salicylic acid dugang nga gi-metabolize pinaagi sa catechol pathway gamit ang salicylate 1-hydroxylase (S1H) o pinaagi sa gentisate pathway gamit ang salicylate 5-hydroxylase (S5H) (Figure 3). Tungod kay ang salicylic acid mao ang mayor nga intermediate sa naphthalene metabolism (ibabaw nga pathway), ang mga lakang gikan sa salicylic acid ngadto sa TCA intermediate kanunay nga gitawag nga lower pathway, ug ang mga gene giorganisar ngadto sa usa ka operon. Kasagaran nga makita nga ang mga gene sa upper pathway operon (nah) ug ang lower pathway operon (sal) gi-regulate sa komon nga regulatory factors; pananglitan, ang NahR ug salicylic acid molihok isip inducers, nga nagtugot sa duha ka operon nga hingpit nga ma-metabolize ang naphthalene (Phale et al., 2019, 2020).
Dugang pa, ang catechol cyclically cleaved ngadto sa 2-hydroxymuconate semialdehyde pinaagi sa meta pathway sa catechol 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) ug dugang nga hydrolyzed sa 2-hydroxymuconate semialdehyde hydrolase aron maporma ang 2-hydroxypent-2,4-dienoic acid. Ang 2-hydroxypent-2,4-dienoate unya mabag-o ngadto sa pyruvate ug acetaldehyde pinaagi sa usa ka hydratase (2-oxopent-4-enoate hydratase) ug usa ka aldolase (4-hydroxy-2-oxpentanoate aldolase) ug dayon mosulod sa central carbon pathway (Figure 3). Sa laing paagi, ang catechol cyclically cleaved ngadto sa cis,cis-muconate pinaagi sa ortho pathway pinaagi sa catechol 1,2-oxygenase (C12DO). Ang muconate cycloisomerase, muconolactone isomerase, ug β-ketoadipate-nollactone hydrolase nag-convert sa cis,cis-muconate ngadto sa 3-oxoadipate, nga mosulod sa sentral nga carbon pathway pinaagi sa succinyl-CoA ug acetyl-CoA (Nozaki et al., 1968) (Figure 3).
Sa gentisate (2,5-dihydroxybenzoate) pathway, ang aromatic ring gipikas sa gentisate 1,2-dioxygenase (GDO) aron maporma ang maleylpyruvate. Kini nga produkto mahimong direktang i-hydrolyze ngadto sa pyruvate ug malate, o mahimo kini nga i-isomerize aron maporma ang fumarylpyruvate, nga mahimo usab nga i-hydrolyze ngadto sa pyruvate ug fumarate (Larkin ug Day, 1986). Ang pagpili sa alternatibong pathway naobserbahan sa Gram-negative ug Gram-positive bacteria sa biochemical ug genetic levels (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Ang Gram-negative bacteria (Pseudomonas) mas gusto nga mogamit og salicylic acid, nga usa ka inducer sa naphthalene metabolism, nga gi-decarboxylate kini ngadto sa catechol gamit ang salicylate 1-hydroxylase (Gibson ug Subramanian, 1984). Sa laing bahin, sa Gram-positive bacteria (Rhodococcus), ang salicylate 5-hydroxylase nag-convert sa salicylic acid ngadto sa gentisic acid, samtang ang salicylic acid walay inductive effect sa transcription sa naphthalene genes (Grund et al., 1992) (Figure 3).
Gikataho nga ang mga espisye sama sa Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas ug Mycobacterium makaguba sa monomethylnaphthalene o dimethylnaphthalene (Dean-Raymond ug Bartha, 1975; Cane ug Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Lakip niini, ang 1-methylnaphthalene ug 2-methylnaphthalene degradation pathway sa Pseudomonas sp. CSV86 klaro nga gitun-an sa biochemical ug enzymatic levels (Mahajan et al., 1994). Ang 1-Methylnaphthalene gi-metabolize pinaagi sa duha ka pathways. Una, ang aromatic ring gi-hydroxylate (ang wala ma-substitute nga singsing sa methylnaphthalene) aron maporma ang cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydro-8-methylnaphthalene, nga dugang nga gi-oxidize ngadto sa methyl salicylate ug methylcatechol, ug dayon mosulod sa central carbon pathway human sa ring cleavage (Figure 3). Kini nga pathway gitawag nga "carbon source pathway". Sa ikaduhang "detoxification pathway", ang methyl group mahimong i-hydroxylate sa NDO aron maporma ang 1-hydroxymethylnaphthalene, nga dugang nga gi-oxidize ngadto sa 1-naphthoic acid ug gipagawas ngadto sa culture medium isip usa ka dead-end product. Gipakita sa mga pagtuon nga ang strain CSV86 dili makatubo sa 1- ug 2-naphthoic acid isip bugtong carbon ug energy source, nga nagpamatuod sa detoxification pathway niini (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Sa 2-methylnaphthalene, ang methyl group moagi sa hydroxylation pinaagi sa hydroxylase aron maporma ang 2-hydroxymethylnaphthalene. Dugang pa, ang wala ma-substitute nga singsing sa naphthalene ring moagi sa ring hydroxylation aron maporma ang dihydrodiol, nga ma-oxidize ngadto sa 4-hydroxymethylcatechol sa sunod-sunod nga enzyme-catalyzed reactions ug mosulod sa central carbon pathway pinaagi sa meta-ring cleavage pathway. Sa susama, ang S. paucimobilis 2322 gitaho nga naggamit sa NDO aron i-hydroxylate ang 2-methylnaphthalene, nga dugang nga ma-oxidize aron maporma ang methyl salicylate ug methylcatechol (Dutta et al., 1998).
Ang mga naphthoic acid (gipulihan/wala gipulihan) mga detoxification/biotransformation by-product nga naporma atol sa pagkaguba sa methylnaphthalene, phenanthrene ug anthracene ug gipagawas ngadto sa spent culture medium. Gikataho nga ang soil isolate nga Stenotrophomonas maltophilia CSV89 makahimo sa pag-metabolize sa 1-naphthoic acid isip carbon source (Phale et al., 1995). Ang metabolismo magsugod sa dihydroxylation sa aromatic ring aron maporma ang 1,2-dihydroxy-8-carboxynaphthalene. Ang resulta nga diol gi-oxidize ngadto sa catechol pinaagi sa 2-hydroxy-3-carboxybenzylidenepyruvate, 3-formylsalicylic acid, 2-hydroxyisophthalic acid ug salicylic acid ug mosulod sa central carbon pathway pinaagi sa meta-ring cleavage pathway (Figure 3).
Ang Carbaryl usa ka naphthyl carbamate pesticide. Sukad sa Green Revolution sa India niadtong dekada 1970, ang paggamit sa mga kemikal nga abono ug pestisidyo misangpot sa pagtaas sa polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emissions gikan sa mga non-point sources sa agrikultura (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Gibanabana nga 55% (85,722,000 ka ektarya) sa kinatibuk-ang yutang gitamnan sa India ang gitambalan og kemikal nga mga pestisidyo. Sulod sa miaging lima ka tuig (2015–2020), ang sektor sa agrikultura sa India migamit og aberids nga 55,000 ngadto sa 60,000 ka tonelada nga pestisidyo kada tuig (Department of Cooperatives and Farmers Welfare, Ministry of Agriculture, Government of India, Agosto 2020). Sa amihanan ug sentral nga kapatagan sa Gangetic (ang mga estado nga adunay pinakataas nga populasyon ug densidad sa populasyon), ang paggamit sa mga pestisidyo sa mga tanom kay kaylap, diin ang mga insecticide ang nag-una. Ang Carbaryl (1-naphthyl-N-methylcarbamate) usa ka halapad nga klase sa pamatay-insekto nga carbamate nga gigamit sa agrikultura sa India sa aberids nga rate nga 100–110 ka tonelada. Kasagaran kini gibaligya ubos sa ngalan nga Sevin ug gigamit sa pagkontrol sa mga insekto (aphid, fire ants, pulgas, mites, spider ug daghan pang ubang mga peste sa gawas) nga nakaapekto sa lainlaing mga pananom (mais, soybean, gapas, prutas ug utanon). Ang ubang mga mikroorganismo sama sa Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus ug Arthrobacter mahimo usab nga gamiton sa pagkontrol sa ubang mga peste. Gikataho nga ang RC100 makaguba sa carbaryl (Larkin ug Day, 1986; Chapalamadugu ug Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha ug Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Ang agianan sa pagkaguba sa carbaryl gitun-an pag-ayo sa biochemical, enzymatic ug genetic nga lebel sa mga isolate sa yuta sa Pseudomonas sp. Strains C4, C5 ug C6 (Swetha ug Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). Ang metabolic pathway magsugod sa hydrolysis sa ester bond pinaagi sa carbaryl hydrolase (CH) aron maporma ang 1-naphthol, methylamine ug carbon dioxide. Ang 1-naphthol unya mabag-o ngadto sa 1,2-dihydroxynaphthalene pinaagi sa 1-naphthol hydroxylase (1-NH), nga dugang nga ma-metabolize pinaagi sa central carbon pathway pinaagi sa salicylate ug gentisate. Ang ubang carbaryl-degrading bacteria gitaho nga nag-metabolize niini ngadto sa salicylic acid pinaagi sa cleavage sa catechol ortho ring (Larkin ug Day, 1986; Chapalamadugu ug Chaudhry, 1991). Ilabi na, ang naphthalene-degrading bacteria panguna nga nag-metabolize sa salicylic acid pinaagi sa catechol, samtang ang carbaryl-degrading bacteria mas gusto nga mag-metabolize sa salicylic acid pinaagi sa gentisate pathway.
Ang naphthalenesulfonic acid/disulfonic acid ug naphthylaminessulfonic acid derivatives mahimong gamiton isip mga intermediate sa paghimo og azo dyes, wetting agents, dispersants, ug uban pa. Bisan tuod kini nga mga compound adunay ubos nga toxicity sa mga tawo, ang mga cytotoxicity assessment nagpakita nga kini makamatay sa mga isda, daphnia ug algae (Greim et al., 1994). Ang mga representante sa genus nga Pseudomonas (strains A3, C22) gitaho nga nagsugod sa metabolismo pinaagi sa double hydroxylation sa aromatic ring nga adunay sulfonic acid group aron maporma ang usa ka dihydrodiol, nga dugang nga gibag-o ngadto sa 1,2-dihydroxynaphthalene pinaagi sa spontaneous cleavage sa sulfite group (Brilon et al., 1981). Ang resulta nga 1,2-dihydroxynaphthalene gi-catabolize pinaagi sa classical naphthalene pathway, ie, ang catechol o gentisate pathway (Figure 4). Gipakita nga ang aminonaphthalenesulfonic acid ug hydroxynaphthalenesulfonic acid hingpit nga madaot pinaagi sa sinagol nga bacterial consortia nga adunay mga complementary catabolic pathways (Nortemann et al., 1986). Gipakita nga ang usa ka miyembro sa consortium nag-desulfurize sa aminonaphthalenesulfonic acid o hydroxynaphthalenesulfonic acid pinaagi sa 1,2-dioxygenation, samtang ang aminosalicylate o hydroxysalicylate gipagawas sa culture medium isip usa ka dead-end metabolite ug dayon gikuha sa ubang mga miyembro sa consortium. Ang Naphthalenedisulfonic acid medyo polar apan dili maayo nga biodegradable ug busa mahimong ma-metabolize pinaagi sa lainlaing mga pathway. Ang unang desulfurization mahitabo atol sa regioselective dihydroxylation sa aromatic ring ug sa sulfonic acid group; Ang ikaduhang desulfurization mahitabo atol sa hydroxylation sa 5-sulfosalicylic acid pinaagi sa salicylic acid 5-hydroxylase aron maporma ang gentisic acid, nga mosulod sa central carbon pathway (Brilon et al., 1981) (Figure 4). Ang mga enzyme nga responsable sa naphthalene degradation responsable usab sa metabolismo sa naphthalene sulfonate (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Hulagway 4. Mga agianan sa metabolismo para sa pagkadaot sa naphthalene sulfonate. Ang mga numero sulod sa mga lingin nagrepresentar sa mga enzyme nga responsable sa metabolismo sa naphthyl sulfonate, susama/parehas sa mga enzyme nga gihulagway sa Hulagway 3.
Ang mga low molecular weight PAH (LMW-PAH) kay ma-reduce, hydrophobic ug dili dali matunaw, busa dili daling madaot/madaot. Apan, ang aerobic microorganisms makahimo sa pag-oxidize niini pinaagi sa pagsuhop sa molecular oxygen (O2). Kini nga mga enzyme kasagaran nahisakop sa klase sa oxidoreductases ug makahimo og lain-laing mga reaksyon sama sa aromatic ring hydroxylation (mono- o dihydroxylation), dehydrogenation ug aromatic ring cleavage. Ang mga produkto nga nakuha gikan niini nga mga reaksyon anaa sa mas taas nga oxidation state ug mas dali nga ma-metabolize pinaagi sa central carbon pathway (Phale et al., 2020). Ang mga enzyme sa degradation pathway gitaho nga inducible. Ang kalihokan niini nga mga enzyme ubos kaayo o gamay ra kung ang mga selula gipatubo sa yano nga mga tinubdan sa carbon sama sa glucose o organic acids. Ang Table 3 nagsumaryo sa lain-laing mga enzyme (oxygenases, hydrolases, dehydrogenases, oxidases, ug uban pa) nga nalambigit sa metabolismo sa naphthalene ug sa mga derivatives niini.
Talaan 3. Mga kinaiya sa biokemikal sa mga enzyme nga responsable sa pagkaguba sa naphthalene ug mga gigikanan niini.
Ang mga pagtuon sa radioisotope (18O2) nagpakita nga ang paglakip sa molekular nga O2 ngadto sa aromatic rings pinaagi sa mga oxygenases mao ang labing importante nga lakang sa pagpaaktibo sa dugang nga biodegradation sa usa ka compound (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Ang paglakip sa usa ka atomo sa oksiheno (O) gikan sa molekular nga oksiheno (O2) ngadto sa substrate gisugdan sa endogenous o exogenous monooxygenases (gitawag usab nga hydroxylases). Laing atomo sa oksiheno ang gipakunhod ngadto sa tubig. Ang exogenous monooxygenases nagpakunhod sa flavin gamit ang NADH o NADPH, samtang sa endomonooxygenases ang flavin gipakunhod sa substrate. Ang posisyon sa hydroxylation moresulta sa pagkalainlain sa pagporma sa produkto. Pananglitan, ang salicylate 1-hydroxylase hydroxylates sa salicylic acid sa posisyon sa C1, nga nagporma og catechol. Sa laing bahin, ang multicomponent salicylate 5-hydroxylase (nga adunay reductase, ferredoxin, ug oxygenase subunits) nag-hydroxylate sa salicylic acid sa C5 nga posisyon, nga nagporma og gentisic acid (Yamamoto et al., 1965).
Ang mga dioxygenases nagsagol og duha ka atomo sa O2 ngadto sa substrate. Depende sa mga produkto nga naporma, kini gibahin sa ring hydroxylating dioxygenases ug ring cleaving dioxygenases. Ang ring hydroxylating dioxygenases nag-convert sa aromatic substrates ngadto sa cis-dihydrodiols (pananglitan, naphthalene) ug kaylap sa mga bakterya. Hangtod karon, gipakita nga ang mga organismo nga adunay ring hydroxylating dioxygenases makahimo sa pagtubo sa lain-laing mga tinubdan sa aromatic carbon, ug kini nga mga enzyme giklasipikar nga NDO (naphthalene), toluene dioxygenase (TDO, toluene), ug biphenyl dioxygenase (BPDO, biphenyl). Ang NDO ug BPDO parehong maka-catalyze sa double oxidation ug side chain hydroxylation sa lain-laing polycyclic aromatic hydrocarbons (toluene, nitrotoluene, xylene, ethylbenzene, naphthalene, biphenyl, fluorene, indole, methylnaphthalene, naphthalenesulfonate, phenanthrene, anthracene, acetophenone, ug uban pa) (Boyd ug Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). Ang NDO usa ka multicomponent system nga gilangkoban sa oxidoreductase, ferredoxin, ug usa ka active site-containing oxygenase component (Gibson ug Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Ang catalytic unit sa NDO gilangkoban sa usa ka dako nga α subunit ug usa ka gamay nga β subunit nga gihan-ay sa usa ka α3β3 configuration. Ang NDO nahisakop sa usa ka dakong pamilya sa mga oxygenase ug ang α-subunit niini adunay Rieske site [2Fe-2S] ug mononuclear non-heme iron, nga nagtino sa substrate specificity sa NDO (Parales et al., 1998). Kasagaran, sa usa ka catalytic cycle, duha ka electron gikan sa reduction sa pyridine nucleotide ang gibalhin ngadto sa Fe(II) ion sa active site pinaagi sa reductase, ferredoxin ug Rieske site. Ang reducing equivalents mo-activate sa molecular oxygen, nga usa ka prerequisite para sa substrate dihydroxylation (Ferraro et al., 2005). Hangtod karon, pipila lang ka NDO ang na-purified ug na-characterize sa detalye gikan sa lain-laing strains ug ang genetic control sa mga pathways nga nalambigit sa naphthalene degradation gitun-an sa detalye (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Ang mga ring-cleaving dioxygenases (endo- o ortho-ring-cleaving enzymes ug exodiol- o meta-ring-cleaving enzymes) molihok sa hydroxylated aromatic compounds. Pananglitan, ang ortho-ring-cleaving dioxygenase kay catechol-1,2-dioxygenase, samtang ang meta-ring-cleaving dioxygenase kay catechol-2,3-dioxygenase (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Gawas pa sa lain-laing mga oxygenases, aduna usay lain-laing mga dehydrogenases nga responsable sa dehydrogenation sa mga aromatic dihydrodiols, alcohols ug aldehydes ug paggamit sa NAD+/NADP+ isip mga electron acceptor, nga pipila sa mga importanteng enzyme nga nalambigit sa metabolismo (Gibson ug Subramanian, 1984; Shaw ug Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Ang mga enzyme sama sa hydrolases (esterases, amidase) usa ka ikaduhang importanteng klase sa mga enzyme nga mogamit og tubig aron mabungkag ang mga covalent bond ug magpakita og lapad nga substrate specificity. Ang Carbaryl hydrolase ug uban pang mga hydrolases giisip nga mga sangkap sa periplasm (transmembrane) sa mga miyembro sa Gram-negative bacteria (Kamini et al., 2018). Ang Carbaryl adunay amide ug ester linkage; busa, mahimo kining i-hydrolyze sa esterase o amidase aron maporma ang 1-naphthol. Ang Carbaryl sa Rhizobium rhizobium strain AC10023 ug Arthrobacter strain RC100 gitaho nga naglihok isip esterase ug amidase, matag usa. Ang Carbaryl sa Arthrobacter strain RC100 naglihok usab isip amidase. Ang RC100 gipakita nga nag-hydrolyze sa upat ka N-methylcarbamate class insecticides sama sa carbaryl, methomyl, mefenamic acid ug XMC (Hayaatsu et al., 2001). Gikataho nga ang CH sa Pseudomonas sp. C5pp mahimong molihok sa carbaryl (100% nga kalihokan) ug 1-naphthyl acetate (36% nga kalihokan), apan dili sa 1-naphthylacetamide, nga nagpakita nga kini usa ka esterase (Trivedi et al., 2016).
Ang mga pagtuon sa biokemikal, mga sumbanan sa regulasyon sa enzyme, ug pag-analisa sa henetiko nagpakita nga ang mga gene sa pagkadaot sa naphthalene gilangkoban sa duha ka inducible regulatory units o "operons": nah (ang "upstream pathway", nga nag-convert sa naphthalene ngadto sa salicylic acid) ug sal (ang "downstream pathway", nga nag-convert sa salicylic acid ngadto sa central carbon pathway pinaagi sa catechol). Ang salicylic acid ug ang mga analogue niini mahimong molihok isip mga inducers (Shamsuzzaman ug Barnsley, 1974). Sa presensya sa glucose o organic acids, ang operon gipugngan. Ang Figure 5 nagpakita sa kompletong genetic organization sa naphthalene degradation (sa porma sa operon). Daghang ginganlan nga mga variant/porma sa nah gene (ndo/pah/dox) ang gihulagway ug nakit-an nga adunay taas nga sequence homology (90%) taliwala sa tanang klase sa Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Ang mga gene sa naphthalene upstream pathway kasagarang gihan-ay sa usa ka consensus order sama sa gipakita sa Figure 5A. Laing gene, ang nahQ, gitaho usab nga nalambigit sa metabolismo sa naphthalene ug kasagaran nahimutang taliwala sa nahC ug nahE, apan ang tinuod nga gimbuhaton niini wala pa masayri. Sa susama, ang nahY gene, nga responsable sa naphthalene-sensitive chemotaxis, nakit-an sa distal nga tumoy sa nah operon sa pipila ka mga miyembro. Sa Ralstonia sp., ang U2 gene nga nag-encode sa glutathione S-transferase (gsh) nakit-an nga nahimutang taliwala sa nahAa ug nahAb apan wala makaapekto sa mga kinaiya sa paggamit sa naphthalene (Zylstra et al., 1997).
Hulagway 5. Organisasyon sa henetiko ug pagkalainlain nga naobserbahan atol sa pagkadaot sa naphthalene taliwala sa mga espisye sa bakterya; (A) Ibabaw nga agianan sa naphthalene, metabolismo sa naphthalene ngadto sa salicylic acid; (B) Ubos nga agianan sa naphthalene, salicylic acid pinaagi sa catechol ngadto sa sentral nga agianan sa carbon; (C) salicylic acid pinaagi sa gentisate ngadto sa sentral nga agianan sa carbon.
Ang "ubos nga agianan" (sal operon) kasagarang gilangkoban sa nahGTHINLMOKJ ug nag-convert sa salicylate ngadto sa pyruvate ug acetaldehyde pinaagi sa catechol metaring cleavage pathway. Ang nahG gene (encoding salicylate hydroxylase) nakit-an nga nakonserba sa proximal nga tumoy sa operon (Fig. 5B). Kung itandi sa ubang naphthalene-degrading strains, sa P. putida CSV86 ang nah ug sal operons tandem ug suod kaayo nga may kalabutan (mga 7.5 kb). Sa pipila ka Gram-negative bacteria, sama sa Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, ug P. putida AK5, ang naphthalene gi-metabolize isip usa ka central carbon metabolite pinaagi sa gentisate pathway (sa porma sa sgp/nag operon). Ang gene cassette kasagarang girepresentahan sa porma nga nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, diin ang nagR (nga nag-encode sa usa ka LysR-type regulator) nahimutang sa ibabaw nga tumoy (Figure 5C).
Ang Carbaryl mosulod sa sentral nga siklo sa carbon pinaagi sa metabolismo sa 1-naphthol, 1,2-dihydroxynaphthalene, salicylic acid, ug gentisic acid (Figure 3). Base sa mga pagtuon sa genetic ug metabolic, gisugyot nga bahinon kini nga agianan ngadto sa "upstream" (pagkakabig sa carbaryl ngadto sa salicylic acid), "middle" (pagkakabig sa salicylic acid ngadto sa gentisic acid), ug "downstream" (pagkakabig sa gentisic acid ngadto sa sentral nga carbon pathway intermediates) (Singh et al., 2013). Ang genomic analysis sa C5pp (supercontig A, 76.3 kb) nagbutyag nga ang mcbACBDEF gene nalambigit sa pagkakabig sa carbaryl ngadto sa salicylic acid, gisundan sa mcbIJKL sa pagkakabig sa salicylic acid ngadto sa gentisic acid, ug mcbOQP sa pagkakabig sa gentisic acid ngadto sa central carbon intermediates (fumarate ug pyruvate, Trivedi et al., 2016) (Figure 6).
Gikataho nga ang mga enzyme nga nalambigit sa pagkaguba sa aromatic hydrocarbons (lakip ang naphthalene ug salicylic acid) mahimong ma-induce sa katugbang nga mga compound ug mapugngan sa yano nga mga tinubdan sa carbon sama sa glucose o organic acids (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Lakip sa lain-laing mga metabolic pathways sa naphthalene ug sa mga derivatives niini, ang mga regulatory features sa naphthalene ug carbaryl gitun-an sa pipila ka sukod. Alang sa naphthalene, ang mga gene sa upstream ug downstream pathways gi-regulate sa NahR, usa ka LysR-type trans-acting positive regulator. Gikinahanglan kini alang sa induction sa nah gene pinaagi sa salicylic acid ug sa sunod nga high-level expression niini (Yen ug Gunsalus, 1982). Dugang pa, gipakita sa mga pagtuon nga ang integrative host factor (IHF) ug XylR (sigma 54-dependent transcriptional regulator) kritikal usab alang sa transcriptional activation sa mga gene sa naphthalene metabolism (Ramos et al., 1997). Ang mga pagtuon nagpakita nga ang mga enzyme sa catechol meta-ring opening pathway, nga mao ang catechol 2,3-dioxygenase, gi-induce sa presensya sa naphthalene ug/o salicylic acid (Basu et al., 2006). Ang mga pagtuon nagpakita nga ang mga enzyme sa catechol ortho-ring opening pathway, nga mao ang catechol 1,2-dioxygenase, gi-induce sa presensya sa benzoic acid ug cis,cis-muconate (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Sa strain nga C5pp, lima ka gene, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR ug mcbS, nag-encode sa mga regulator nga sakop sa pamilyang LysR/TetR sa mga transcriptional regulator nga responsable sa pagkontrol sa carbaryl degradation. Ang homologous gene nga mcbG nakit-an nga labing suod nga may kalabutan sa LysR-type regulator nga PhnS (58% amino acid identity) nga nalambigit sa metabolismo sa phenanthrene sa Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Ang mcbH gene nakit-an nga nalambigit sa intermediate pathway (pagkakabig sa salicylic acid ngadto sa gentisic acid) ug sakop sa LysR-type transcriptional regulator nga NagR/DntR/NahR sa Pseudomonas ug Burkholderia. Ang mga miyembro niini nga pamilya gitaho nga nakaila sa salicylic acid isip usa ka piho nga effector molecule alang sa induction sa mga degradation gene. Sa laing bahin, tulo ka gene, mcbN, mcbR ug mcbS, nga nahisakop sa LysR ug TetR type transcriptional regulators, ang nakit-an sa downstream pathway (gentisate-central carbon pathway metabolites).
Sa mga prokaryote, ang mga proseso sa horizontal gene transfer (pagkuha, pagbayloay, o pagbalhin) pinaagi sa mga plasmid, transposon, prophage, genomic islands, ug integrative conjugative elements (ICE) mao ang mga nag-unang hinungdan sa plasticity sa bacterial genomes, nga mosangpot sa pag-angkon o pagkawala sa piho nga mga function/traits. Gitugotan niini ang bakterya nga dali nga mopahiangay sa lainlaing mga kondisyon sa palibot, nga naghatag potensyal nga adaptive metabolic advantages sa host, sama sa pagkadaot sa mga aromatic compound. Ang mga pagbag-o sa metabolismo kanunay nga makab-ot pinaagi sa fine-tuning sa mga degradation operon, ang ilang mga regulatory mechanism, ug mga enzyme specificities, nga nagpadali sa pagkadaot sa mas lapad nga mga aromatic compound (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Ang mga gene cassette para sa naphthalene degradation nakit-an nga nahimutang sa lainlaing mga mobile elements sama sa mga plasmid (conjugative ug non-conjugative), transposon, genome, ICE, ug mga kombinasyon sa lainlaing mga bacterial species (Figure 5). Sa Pseudomonas G7, ang nah ug sal operons sa plasmid NAH7 gi-transcribe sa parehas nga oryentasyon ug kabahin sa usa ka depektoso nga transposon nga nanginahanglan og transposase Tn4653 para sa mobilisasyon (Sota et al., 2006). Sa Pseudomonas strain NCIB9816-4, ang gene nakit-an sa conjugative plasmid pDTG1 isip duha ka operons (gibana-bana nga 15 kb ang gilay-on) nga gi-transcribe sa magkaatbang nga direksyon (Dennis ug Zylstra, 2004). Sa Pseudomonas putida strain AK5, ang non-conjugative plasmid pAK5 nag-encode sa enzyme nga responsable sa naphthalene degradation pinaagi sa gentisate pathway (Izmalkova et al., 2013). Sa Pseudomonas strain PMD-1, ang nah operon nahimutang sa chromosome, samtang ang sal operon nahimutang sa conjugative plasmid pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Apan, sa Pseudomonas stutzeri AN10, ang tanang naphthalene degradation genes (nah ug sal operons) nahimutang sa chromosome ug gituohang girekrut pinaagi sa transposition, recombination, ug rearrangement events (Bosch et al., 2000). Sa Pseudomonas sp. CSV86, ang nah ug sal operons nahimutang sa genome sa porma sa ICE (ICECSV86). Ang istruktura gipanalipdan sa tRNAGly gisundan sa direktang mga pagsubli nga nagpakita sa mga recombination/attachment sites (attR ug attL) ug usa ka phage-like integrase nga nahimutang sa duha ka tumoy sa tRNAGly, busa susama sa istruktura sa elemento sa ICEclc (ICEclcB13 sa Pseudomonas knackmusii para sa chlorocatechol degradation). Gikataho nga ang mga gene sa ICE mahimong ibalhin pinaagi sa conjugation nga adunay ubos kaayo nga transfer frequency (10-8), sa ingon nagbalhin sa mga kabtangan sa degradation ngadto sa nakadawat (Basu ug Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Kadaghanan sa mga gene nga responsable sa pagkaguba sa carbaryl nahimutang sa mga plasmid. Ang Arthrobacter sp. RC100 adunay tulo ka plasmid (pRC1, pRC2 ug pRC300) diin ang duha ka conjugative plasmid, pRC1 ug pRC2, nag-encode sa mga enzyme nga nag-convert sa carbaryl ngadto sa gentisate. Sa laing bahin, ang mga enzyme nga nalambigit sa pagkakabig sa gentisate ngadto sa central carbon metabolites nahimutang sa chromosome (Hayaatsu et al., 1999). Ang bakterya sa genus nga Rhizobium. Ang strain AC100, nga gigamit alang sa pagkakabig sa carbaryl ngadto sa 1-naphthol, adunay plasmid pAC200, nga nagdala sa cehA gene nga nag-encode sa CH isip kabahin sa Tnceh transposon nga gilibutan sa mga insertion element-like sequences (istA ug istB) (Hashimoto et al., 2002). Sa Sphingomonas strain CF06, ang carbaryl degradation gene gituohan nga anaa sa lima ka plasmid: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, ug pCF05. Taas ang DNA homology niining mga plasmid, nga nagpakita sa paglungtad sa usa ka gene duplication event (Feng et al., 1997). Sa usa ka carbaryl-degrading symbiont nga gilangkoban sa duha ka Pseudomonas species, ang strain 50581 adunay conjugative plasmid pCD1 (50 kb) nga nag-encode sa mcd carbaryl hydrolase gene, samtang ang conjugative plasmid sa strain 50552 nag-encode sa 1-naphthol-degrading enzyme (Chapalamadugu ug Chaudhry, 1991). Sa Achromobacter strain WM111, ang mcd furadan hydrolase gene nahimutang sa usa ka 100 kb plasmid (pPDL11). Kini nga gene napamatud-an nga anaa sa lain-laing mga plasmid (100, 105, 115 o 124 kb) sa lain-laing mga bakterya gikan sa lain-laing mga rehiyon sa heyograpiya (Parekh et al., 1995). Sa Pseudomonas sp. C5pp, ang tanang gene nga responsable sa carbaryl degradation nahimutang sa usa ka genome nga mikabat sa 76.3 kb nga sequence (Trivedi et al., 2016). Ang pag-analisa sa genome (6.15 Mb) nagpadayag sa presensya sa 42 ka MGE ug 36 ka GEI, diin 17 ka MGE ang nahimutang sa supercontig A (76.3 kb) nga adunay average asymmetric G+C content (54–60 mol%), nga nagsugyot sa posibleng horizontal gene transfer events (Trivedi et al., 2016). Ang P. putida XWY-1 nagpakita sa susamang pagkahan-ay sa mga gene nga nag-degradar sa carbaryl, apan kini nga mga gene nahimutang sa usa ka plasmid (Zhu et al., 2019).
Gawas pa sa metabolic efficiency sa biochemical ug genomic levels, ang mga mikroorganismo nagpakita usab og ubang mga kabtangan o tubag sama sa chemotaxis, cell surface modification properties, compartmentalization, preferential utilization, biosurfactant production, ug uban pa, nga makatabang kanila nga mas episyente nga ma-metabolize ang mga aromatic pollutants sa kontaminado nga palibot (Figure 7).
Hulagway 7. Nagkalain-laing estratehiya sa pagtubag sa selula sa sulundon nga aromatic hydrocarbon-degrading bacteria para sa episyente nga biodegradation sa mga langyaw nga pollutant compound.
Ang mga tubag sa chemotactic giisip nga mga hinungdan nga nagpalambo sa pagkadaot sa mga organikong pollutant sa mga heterogeneously polluted ecosystem. (2002) nagpakita nga ang chemotaxis sa Pseudomonas sp. G7 ngadto sa naphthalene nagdugang sa rate sa pagkadaot sa naphthalene sa mga sistema sa tubig. Ang wild-type strain nga G7 mas paspas nga nakadaot sa naphthalene kaysa sa usa ka chemotaxis-deficient mutant strain. Ang NahY protein (538 amino acids nga adunay membrane topology) nakit-an nga co-transcribed sa metacleavage pathway genes sa NAH7 plasmid, ug sama sa chemotaxis transducers, kini nga protina daw naglihok isip chemoreceptor alang sa pagkadaot sa naphthalene (Grimm ug Harwood 1997). Laing pagtuon ni Hansel et al. (2009) nagpakita nga ang protina chemotactic, apan ang rate sa pagkadaot niini taas. (2011) nagpakita sa usa ka chemotactic nga tubag sa Pseudomonas (P. putida) ngadto sa gaseous naphthalene, diin ang gas phase diffusion miresulta sa makanunayon nga pag-agos sa naphthalene ngadto sa mga selula, nga nagkontrol sa chemotactic nga tubag sa mga selula. Gigamit sa mga tigdukiduki kini nga chemotactic nga pamatasan aron ma-engineer ang mga mikrobyo nga makapausbaw sa rate sa pagkadaot. Gipakita sa mga pagtuon nga ang mga chemosensory pathway nag-regulate usab sa ubang mga function sa cellular sama sa cell division, cell cycle regulation, ug biofilm formation, sa ingon makatabang sa pagkontrol sa rate sa pagkadaot. Bisan pa, ang paggamit niini nga kabtangan (chemotaxis) alang sa episyente nga pagkadaot nababagan sa daghang mga bottleneck. Ang mga nag-unang babag mao ang: (a) ang lainlaing mga paralogous receptor nakaila sa parehas nga mga compound/ligands; (b) paglungtad sa alternatibong mga receptor, ie, energetic tropism; (c) hinungdanon nga mga kalainan sa han-ay sa sensory domain sa parehas nga pamilya sa receptor; ug (d) kakulang sa impormasyon sa mga nag-unang bacterial sensor protein (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Usahay, ang biodegradation sa aromatic hydrocarbons makamugna og daghang metabolites/intermediates, nga mahimong chemotactic para sa usa ka grupo sa bacteria apan makaluod para sa uban, nga mas makapakomplikado sa proseso. Aron mailhan ang interaksyon sa mga ligands (aromatic hydrocarbons) sa mga chemical receptor, naghimo kami og hybrid sensor proteins (PcaY, McfR, ug NahY) pinaagi sa pag-fuse sa sensor ug signaling domains sa Pseudomonas putida ug Escherichia coli, nga nag-target sa mga receptor para sa aromatic acids, TCA intermediates, ug naphthalene, matag usa (Luu et al., 2019).
Ubos sa impluwensya sa naphthalene ug uban pang polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), ang istruktura sa bacterial membrane ug ang integridad sa mga mikroorganismo moagi sa mga dakong kausaban. Gipakita sa mga pagtuon nga ang naphthalene makabalda sa interaksyon sa acyl chain pinaagi sa hydrophobic interactions, sa ingon nagdugang sa paghubag ug fluidity sa membrane (Sikkema et al., 1995). Aron masumpo kini nga makadaot nga epekto, ang bacteria nag-regulate sa membrane fluidity pinaagi sa pag-usab sa ratio ug fatty acid composition tali sa iso/anteiso branched-chain fatty acids ug pag-isomerize sa cis-unsaturated fatty acids ngadto sa katugbang nga trans-isomers (Heipieper ug de Bont, 1994). Sa Pseudomonas stutzeri nga gipatubo sa naphthalene treatment, ang saturated ngadto sa unsaturated fatty acid ratio misaka gikan sa 1.1 ngadto sa 2.1, samtang sa Pseudomonas JS150 kini nga ratio misaka gikan sa 7.5 ngadto sa 12.0 (Mrozik et al., 2004). Sa dihang gipatubo sa naphthalene, ang mga selula sa Achromobacter KAs 3–5 nagpakita og cell aggregation palibot sa mga kristal sa naphthalene ug pagkunhod sa cell surface charge (gikan sa -22.5 ngadto sa -2.5 mV) inubanan sa cytoplasmic condensation ug vacuolization, nga nagpakita sa mga pagbag-o sa istruktura sa selula ug mga kabtangan sa nawong sa selula (Mohapatra et al., 2019). Bisan tuod ang mga pagbag-o sa cellular/surface direktang nalangkit sa mas maayong pagsuhop sa mga aromatic pollutant, ang mga may kalabutan nga estratehiya sa bioengineering wala pa hingpit nga na-optimize. Ang manipulasyon sa porma sa selula talagsa ra gigamit aron ma-optimize ang mga proseso sa biyolohikal (Volke ug Nikel, 2018). Ang pagtangtang sa mga gene nga makaapekto sa cell division hinungdan sa mga pagbag-o sa cell morphology. Ang pagtangtang sa mga gene nga makaapekto sa cell division hinungdan sa mga pagbag-o sa cell morphology. Sa Bacillus subtilis, ang cell septum protein nga SepF gipakita nga nalambigit sa pagporma sa septum ug gikinahanglan alang sa sunod nga mga lakang sa cell division, apan dili kini usa ka hinungdanon nga gene. Ang pagtangtang sa mga gene nga nag-encode sa peptide glycan hydrolases sa Bacillus subtilis miresulta sa paghaba sa selula, pagtaas sa specific growth rate, ug pag-uswag sa enzyme production capacity (Cui et al., 2018).
Ang pagbahin-bahin sa carbaryl degradation pathway gisugyot aron makab-ot ang episyente nga degradation sa Pseudomonas strains nga C5pp ug C7 (Kamini et al., 2018). Gisugyot nga ang carbaryl madala ngadto sa periplasmic space pinaagi sa outer membrane septum ug/o pinaagi sa diffusible porins. Ang CH usa ka periplasmic enzyme nga nag-catalyze sa hydrolysis sa carbaryl ngadto sa 1-naphthol, nga mas lig-on, mas hydrophobic ug mas makahilo. Ang CH nahimutang sa periplasm ug adunay ubos nga affinity alang sa carbaryl, sa ingon nagkontrol sa pagporma sa 1-naphthol, sa ingon nagpugong sa pagtapok niini sa mga selula ug nagpamenos sa toxicity niini sa mga selula (Kamini et al., 2018). Ang resulta nga 1-naphthol madala ngadto sa cytoplasm tabok sa inner membrane pinaagi sa pagbahin-bahin ug/o pagsabwag, ug dayon i-hydroxylated ngadto sa 1,2-dihydroxynaphthalene sa high-affinity enzyme nga 1NH alang sa dugang nga metabolismo sa central carbon pathway.
Bisan tuod ang mga mikroorganismo adunay genetic ug metabolic nga kapabilidad sa pagdaot sa xenobiotic carbon sources, ang hierarchical structure sa ilang paggamit (ie, mas gusto nga paggamit sa simple kaysa komplikado nga carbon sources) usa ka dakong babag sa biodegradation. Ang presensya ug paggamit sa simple nga carbon sources nagpaubos sa mga gene nga nag-encode sa mga enzyme nga nagdaot sa complex/non-preferred carbon sources sama sa PAHs. Usa ka maayong pagkatun-an nga ehemplo mao nga kung ang glucose ug lactose i-co-feed sa Escherichia coli, ang glucose magamit nga mas episyente kaysa lactose (Jacob ug Monod, 1965). Ang Pseudomonas gitaho nga nagdaot sa lain-laing mga PAHs ug xenobiotic compounds isip carbon sources. Ang hierarchy sa paggamit sa carbon source sa Pseudomonas mao ang organic acids > glucose > aromatic compounds (Hylemon ug Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Bisan pa, adunay eksepsiyon. Makapainteres, ang Pseudomonas sp. Ang CSV86 nagpakita og talagsaon nga hierarchical structure nga mas gusto nga mogamit og aromatic hydrocarbons (benzoic acid, naphthalene, ug uban pa) imbes nga glucose ug mo-co-metabolize sa aromatic hydrocarbons uban sa organic acids (Basu et al., 2006). Niini nga bacterium, ang mga gene para sa degradation ug transport sa aromatic hydrocarbons dili ma-downregulate bisan sa presensya sa ikaduhang carbon source sama sa glucose o organic acids. Sa dihang gipatubo sa glucose ug aromatic hydrocarbons medium, naobserbahan nga ang mga gene para sa glucose transport ug metabolism na-downregulate, ang aromatic hydrocarbons gigamit sa unang log phase, ug ang glucose gigamit sa ikaduhang log phase (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Sa laing bahin, ang presensya sa organic acids wala makaapekto sa expression sa aromatic hydrocarbon metabolism, busa kini nga bacterium gilauman nga mahimong candidate strain para sa biodegradation studies (Phale et al., 2020).
Nailhan pag-ayo nga ang hydrocarbon biotransformation mahimong hinungdan sa oxidative stress ug upregulation sa antioxidant enzymes sa mga microorganisms. Ang dili episyente nga naphthalene biodegradation sa stationary phase cells ug sa presensya sa mga makahilong compound mosangpot sa pagporma sa reactive oxygen species (ROS) (Kang et al. 2006). Tungod kay ang naphthalene-degrading enzymes adunay iron-sulfur clusters, ubos sa oxidative stress, ang iron sa heme ug iron-sulfur proteins ma-oxidize, nga mosangpot sa protein inactivation. Ang Ferredoxin-NADP+ reductase (Fpr), uban sa superoxide dismutase (SOD), nagpataliwala sa reversible redox reaction tali sa NADP+/NADPH ug duha ka molekula sa ferredoxin o flavodoxin, sa ingon nag-scavenging sa ROS ug nagpahiuli sa iron-sulfur center ubos sa oxidative stress (Li et al. 2006). Gikataho nga ang Fpr ug SodA (SOD) sa Pseudomonas mahimong maaghat sa oxidative stress, ug ang pagtaas sa kalihokan sa SOD ug catalase naobserbahan sa upat ka strain sa Pseudomonas (O1, W1, As1, ug G1) atol sa pagtubo ubos sa mga kondisyon nga gidugangan og naphthalene (Kang et al., 2006). Gipakita sa mga pagtuon nga ang pagdugang og mga antioxidant sama sa ascorbic acid o ferrous iron (Fe2+) makadugang sa rate sa pagtubo sa naphthalene. Sa dihang mitubo ang Rhodococcus erythropolis sa naphthalene medium, ang transcription sa oxidative stress-related cytochrome P450 genes lakip ang sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase), ug recA misaka (Sazykin et al., 2019). Ang comparative quantitative proteomic analysis sa mga Pseudomonas cells nga gipatubo sa naphthalene nagpakita nga ang upregulation sa lain-laing mga protina nga nalangkit sa oxidative stress response usa ka stress coping strategy (Herbst et al., 2013).
Ang mga mikroorganismo gitaho nga nagpatunghag mga biosurfactant ubos sa aksyon sa hydrophobic carbon sources. Kini nga mga surfactant kay amphiphilic surface active compounds nga makaporma og mga aggregate sa oil-water o air-water interfaces. Kini nagpasiugda sa pseudo-solubilization ug nagpadali sa adsorption sa aromatic hydrocarbons, nga moresulta sa episyente nga biodegradation (Rahman et al., 2002). Tungod niini nga mga kabtangan, ang mga biosurfactant kaylap nga gigamit sa lainlaing mga industriya. Ang pagdugang sa mga kemikal nga surfactant o biosurfactant sa mga bacterial culture makapausbaw sa efficiency ug rate sa hydrocarbon degradation. Lakip sa mga biosurfactant, ang mga rhamnolipid nga gihimo sa Pseudomonas aeruginosa gitun-an ug gihulagway pag-ayo (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Dugang pa, ang ubang mga klase sa biosurfactants naglakip sa lipopeptides (mga mucin gikan sa Pseudomonas fluorescens), emulsifier 378 (gikan sa Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg ug Ron, 1999), trehalose disaccharide lipids gikan sa Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenin gikan sa Bacillus (Saraswathy ug Hallberg, 2002), ug surfactant gikan sa Bacillus subtilis (Siegmund ug Wagner, 1991) ug Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Kini nga mga kusgan nga surfactant napamatud-an nga makapakunhod sa surface tension gikan sa 72 dynes/cm ngadto sa ubos sa 30 dynes/cm, nga nagtugot sa mas maayo nga pagsuhop sa hydrocarbon. Gikataho nga ang Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia ug uban pang klase sa bakterya makahimo og lain-laing rhamnolipid ug glycolipid-based biosurfactants kon itanom sa naphthalene ug methylnaphthalene media (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Ang Pseudomonas maltophilia CSV89 makahimo og extracellular biosurfactant Biosur-Pm kon itanom sa mga aromatic compound sama sa naphthoic acid (Phale et al., 1995). Ang kinetics sa pagporma sa Biosur-Pm nagpakita nga ang synthesis niini usa ka proseso nga nagdepende sa pagtubo ug pH. Nakaplagan nga ang gidaghanon sa Biosur-Pm nga gihimo sa mga selula sa neutral pH mas taas kaysa sa pH 8.5. Ang mga selula nga mitubo sa pH 8.5 mas hydrophobic ug adunay mas taas nga affinity alang sa aromatic ug aliphatic compounds kaysa sa mga selula nga mitubo sa pH 7.0. Sa Rhodococcus spp. Ang N6, mas taas nga carbon ngadto sa nitrogen (C:N) ratio ug iron limitation mao ang labing maayong kondisyon para sa produksiyon sa extracellular biosurfactants (Mutalik et al., 2008). Adunay mga paningkamot nga gihimo aron mapaayo ang biosynthesis sa mga biosurfactant (surfactins) pinaagi sa pag-optimize sa mga strain ug fermentation. Bisan pa, ang titer sa surfactant sa culture medium ubos (1.0 g/L), nga naghatag ug hagit para sa dagkong produksiyon (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Busa, gigamit ang mga pamaagi sa genetic engineering aron mapaayo ang biosynthesis niini. Bisan pa, ang pag-usab sa engineering niini lisud tungod sa dako nga gidak-on sa operon (∼25 kb) ug komplikado nga biosynthetic regulation sa quorum sensing system (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Daghang mga pagbag-o sa genetic engineering ang nahimo sa bakterya sa Bacillus, nga nagtumong sa pagdugang sa produksiyon sa surfactin pinaagi sa pag-ilis sa promoter (srfA operon), pag-overexpress sa surfactin export protein nga YerP ug sa mga regulatory factor nga ComX ug PhrC (Jiao et al., 2017). Bisan pa, kini nga mga pamaagi sa genetic engineering nakab-ot lamang ang usa o pipila ka mga pagbag-o sa genetic ug wala pa makaabot sa komersyal nga produksiyon. Busa, gikinahanglan ang dugang nga pagtuon sa mga pamaagi sa pag-optimize nga nakabase sa kahibalo.
Ang mga pagtuon sa biodegradation sa PAH kasagaran gihimo ubos sa estandard nga mga kondisyon sa laboratoryo. Bisan pa, sa mga kontaminado nga lugar o sa kontaminado nga palibot, daghang mga abiotic ug biotic nga mga hinungdan (temperatura, pH, oksiheno, pagkaanaa sa sustansya, bioavailability sa substrate, uban pang xenobiotics, pagpugong sa katapusan nga produkto, ug uban pa) ang napamatud-an nga makausab ug makaimpluwensya sa kapasidad sa pagkadunot sa mga mikroorganismo.
Ang temperatura adunay dakong epekto sa biodegradation sa PAH. Samtang motaas ang temperatura, mokunhod ang konsentrasyon sa dissolved oxygen, nga makaapekto sa metabolismo sa aerobic microorganisms, tungod kay nagkinahanglan sila og molecular oxygen isip usa sa mga substrate para sa mga oxygenase nga mopahigayon og hydroxylation o ring cleavage reactions. Kasagaran nga mamatikdan nga ang taas nga temperatura mo-convert sa ginikanang PAHs ngadto sa mas makahilong mga compound, sa ingon makapugong sa biodegradation (Muller et al., 1998).
Namatikdan nga daghang mga lugar nga kontaminado sa PAH ang adunay grabe nga pH values, sama sa mga lugar nga kontaminado sa acid mine drainage (pH 1–4) ug mga lugar nga kontaminado sa natural gas/coal gasification nga kontaminado sa alkaline leachate (pH 8–12). Kini nga mga kondisyon mahimong makaapekto pag-ayo sa proseso sa biodegradation. Busa, sa dili pa mogamit og mga mikroorganismo para sa bioremediation, girekomenda nga i-adjust ang pH pinaagi sa pagdugang og angay nga mga kemikal (nga adunay kasarangan ngadto sa ubos kaayo nga oxidation-reduction potential) sama sa ammonium sulfate o ammonium nitrate para sa alkaline nga yuta o pag-lime gamit ang calcium carbonate o magnesium carbonate para sa acidic nga mga lugar (Bowlen et al. 1995; Gupta ug Sar 2020).
Ang suplay sa oksiheno sa apektadong lugar mao ang hinungdan sa paglimite sa rate sa PAH biodegradation. Tungod sa redox nga kondisyon sa palibot, ang mga proseso sa in situ bioremediation kasagaran nanginahanglan og pagpaila sa oksiheno gikan sa gawas nga mga tinubdan (pag-till, pag-air sparging, ug pagdugang og kemikal) (Pardieck et al., 1992). Gipakita ni Odenkranz et al. (1996) nga ang pagdugang sa magnesium peroxide (usa ka oxygen releasing compound) sa usa ka kontaminado nga aquifer mahimong epektibong maka-bioremediate sa mga BTEX compound. Laing pagtuon ang nagsusi sa in situ degradation sa phenol ug BTEX sa usa ka kontaminado nga aquifer pinaagi sa pag-inject sa sodium nitrate ug pagtukod og mga extraction well aron makab-ot ang epektibo nga bioremediation (Bewley ug Webb, 2001).