Мақола қисми мавзӯи тадқиқотии "Технологияҳои пешрафтаи биоремедиатсия ва равандҳои коркарди такрории пайвастагиҳои органикии синтетикӣ (SOC)" мебошад. Ҳамаи 14 мақоларо бубинед.
Карбогидридҳои ароматии полисикликӣ (PAHs)-и каммолекулавӣ, ба монанди нафталин ва нафталинҳои ивазшуда (метилнафталин, кислотаи нафтоиӣ, 1-нафтил-N-метилкарбамат ва ғайра), дар соҳаҳои гуногун ба таври васеъ истифода мешаванд ва барои организмҳо генотоксикӣ, мутагенӣ ва/ё канцерогенӣ мебошанд. Ин пайвастагиҳои органикии синтетикӣ (SOCs) ё ксенобиотикҳо ифлоскунандаҳои афзалиятнок ҳисобида мешаванд ва барои муҳити зист ва саломатии ҷомеа таҳдиди ҷиддӣ эҷод мекунанд. Шиддати фаъолияти инсон (масалан, газикунонии ангишт, коркарди нафт, партовҳои воситаҳои нақлиёт ва татбиқи кишоварзӣ) консентратсия, тақдир ва интиқоли ин пайвастагиҳои ҳамаҷо ва доимиро муайян мекунад. Илова бар усулҳои коркард/хориҷкунии физикӣ ва кимиёвӣ, технологияҳои сабз ва экологӣ, ба монанди биоремедиатсия, ки микроорганизмҳоеро истифода мебаранд, ки қодиранд POC-ҳоро пурра вайрон кунанд ё онҳоро ба маҳсулоти иловагии ғайритоксикӣ табдил диҳанд, ҳамчун алтернативаи бехатар, арзон ва умедбахш пайдо шудаанд. Намудҳои гуногуни бактериявӣ, ки ба филаи Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia ва Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus ва Paenibacillus) ва Actinobacteria (Rhodococcus ва Arthrobacter) тааллуқ доранд, дар микробиотаи хок қобилияти таҷзияи пайвастагиҳои гуногуни органикиро нишон доданд. Таҳқиқоти метаболикӣ, геномика ва таҳлили метагеномӣ ба мо кӯмак мекунанд, ки мураккабӣ ва гуногунии катаболикӣ, ки дар ин шаклҳои оддии ҳаёт мавҷуданд, дарк кунем, ки минбаъд барои биодеградатсияи самаранок истифода мешаванд. Мавҷудияти дарозмуддати PAHs боиси пайдоиши фенотипҳои нави таҷзия тавассути интиқоли гени уфуқӣ бо истифода аз унсурҳои генетикӣ, ба монанди плазмидҳо, транспозонҳо, бактериофагҳо, ҷазираҳои геномӣ ва унсурҳои конъюгативии интегративӣ шудааст. Биологияи системаҳо ва муҳандисии генетикии изолятҳои мушаххас ё ҷамоатҳои моделӣ (консорсияҳо) метавонанд биоремедиатсияи ҳамаҷониба, зуд ва самараноки ин PAH-ҳоро тавассути таъсири синергетикӣ имконпазир гардонанд. Дар ин баррасӣ, мо ба роҳҳои гуногуни мубодилаи моддаҳо ва гуногунии онҳо, таркиби генетикӣ ва гуногунрангӣ, инчунин вокунишҳо/мутобиқшавии ҳуҷайравии нафталин ва бактерияҳои вайронкунандаи нафталини ивазшуда тамаркуз мекунем. Ин маълумоти экологӣ барои татбиқи саҳроӣ ва беҳсозии штаммҳо барои биоремедиатсияи самаранок фароҳам меорад.
Рушди босуръати соҳаҳо (нафткимиё, кишоварзӣ, дорусозӣ, рангҳои нассоҷӣ, косметика ва ғайра) ба шукуфоии иқтисоди ҷаҳонӣ ва беҳтар шудани сатҳи зиндагӣ мусоидат кардааст. Ин рушди экспоненсиалӣ боиси истеҳсоли шумораи зиёди пайвастагиҳои органикии синтетикӣ (СОС) шудааст, ки барои истеҳсоли маҳсулоти гуногун истифода мешаванд. Ин пайвастагиҳои хориҷӣ ё СОС-ҳо карбогидридҳои ароматии полициклӣ (ПАА), пеститсидҳо, гербисидҳо, пластификаторҳо, рангҳо, дорусозӣ, органофосфатҳо, моддаҳои оташгиранда, ҳалкунандаҳои органикии идоранашаванда ва ғайраро дар бар мегиранд. Онҳо ба атмосфера, экосистемаҳои обӣ ва заминӣ партофта мешаванд, ки дар он ҷо таъсири бисёрҷанба доранд ва тавассути тағир додани хосиятҳои физикию химиявӣ ва сохтори ҷомеа ба биоформаҳои гуногун таъсири манфӣ мерасонанд (Петри ва дигарон, 2015; Бернхардт ва дигарон, 2017; Саркар ва дигарон, 2020). Бисёре аз ифлоскунандаҳои хушбӯй ба бисёр экосистемаҳои солим/нуқтаҳои гуногунии биологӣ (масалан, рифҳои марҷонӣ, қабатҳои яхи Арктика/Антарктида, кӯлҳои баландкӯҳ, таҳшинҳои баҳри амиқ ва ғайра) таъсири қавӣ ва харобиовар доранд (Ҷонс 2010; Бейер ва дигарон 2020; Нордборг ва дигарон 2020). Тадқиқотҳои ахири геомикробиологӣ нишон доданд, ки ҷойгиршавии моддаҳои органикии синтетикӣ (масалан, ифлоскунандаҳои хушбӯй) ва ҳосилаҳои онҳо дар сатҳи сохторҳои сунъӣ (муҳити сохташуда) (масалан, маконҳои мероси фарҳангӣ ва ёдгориҳои аз гранит, санг, чӯб ва металл сохташуда) вайроншавии онҳоро суръат мебахшад (Гадд 2017; Лиу ва дигарон 2018). Фаъолияти инсон метавонад вайроншавии биологии ёдгориҳо ва биноҳоро тавассути ифлосшавии ҳаво ва тағирёбии иқлим шадидтар ва бадтар кунад (Лиу ва дигарон 2020). Ин ифлоскунандаҳои органикӣ бо буғи об дар атмосфера реаксия карда, дар сохтор ҷойгир мешаванд ва боиси вайроншавии физикӣ ва химиявии мавод мегарданд. Биодеградатсия ба таври васеъ ҳамчун тағйироти номатлуб дар намуди зоҳирӣ ва хосиятҳои маводҳо, ки аз ҷониби организмҳои зинда ба вуҷуд омадаанд ва ба нигоҳдории онҳо таъсир мерасонанд, эътироф шудааст (Почон ва Ҷатон, 1967). Таъсири минбаъдаи микробҳо (мубодилаи моддаҳо)-и ин пайвастагиҳо метавонад якпорчагии сохторӣ, самаранокии ҳифз ва арзиши фарҳангиро коҳиш диҳад (Гадд, 2017; Лиу ва дигарон, 2018). Аз тарафи дигар, дар баъзе мавридҳо, мутобиқшавии микробҳо ба ин сохторҳо ва вокуниш ба онҳо муфид будааст, зеро онҳо биофилмҳо ва дигар пӯстҳои муҳофизатиро ташкил медиҳанд, ки суръати пӯсиш/пӯсидашавиро коҳиш медиҳанд (Мартино, 2016). Аз ин рӯ, таҳияи стратегияҳои муассири дарозмуддати ҳифзи устувор барои ёдгориҳои сангӣ, металлӣ ва чӯбӣ фаҳмиши амиқи равандҳои калидии иштирок дар ин равандро талаб мекунад. Дар муқоиса бо равандҳои табиӣ (равандҳои геологӣ, сӯхторҳои ҷангал, оташфишонии вулқонӣ, аксуламалҳои растанӣ ва бактериявӣ), фаъолияти инсон боиси раҳо шудани миқдори зиёди карбогидридҳои ароматии полициклӣ (PAHs) ва дигар карбони органикӣ (OC) ба экосистемаҳо мегардад. Бисёре аз PAH-ҳое, ки дар кишоварзӣ (инсектисидҳо ва пеститсидҳо ба монанди DDT, атразин, карбарил, пентахлорфенол ва ғайра), саноат (нафти хом, лой/партовҳои нафт, пластикҳои аз нафт ҳосилшуда, PCB, пластификаторҳо, шустушӯйҳо, дезинфексияҳо, фумигантҳо, атриёт ва консервантҳо), маҳсулоти нигоҳубини шахсӣ (кремҳои офтобӣ, дезинфексияҳо, дафъкунандагони ҳашарот ва мушкҳои полициклӣ) ва лавозимоти ҷангӣ (моддаҳои тарканда ба монанди 2,4,6-TNT) истифода мешаванд, ксенобиотикҳои эҳтимолӣ мебошанд, ки метавонанд ба саломатии сайёра таъсир расонанд (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Ин рӯйхатро метавон васеъ кард, то пайвастагиҳои аз нафт ҳосилшуда (равғанҳои сӯзишворӣ, равғанҳои молиданӣ, асфалтенҳо), биопластикҳои вазни баланди молекулавӣ ва моеъҳои ионӣ (Amde et al., 2015)-ро дар бар гирад. Дар Ҷадвали 1 ифлоскунандаҳои гуногуни хушбӯй ва татбиқи онҳо дар соҳаҳои гуногун номбар шудаанд. Дар солҳои охир, партовҳои антропогении пайвастагиҳои органикии идоранашаванда, инчунин гази карбон ва дигар газҳои гулхонаӣ афзоиш ёфтаанд (Дворак ва дигарон, 2017). Аммо, таъсири антропогенӣ аз таъсири табиӣ ба таври назаррас зиёдтар аст. Илова бар ин, мо муайян кардем, ки як қатор SOC-ҳо дар бисёр муҳитҳои экологӣ боқӣ мемонанд ва ҳамчун ифлоскунандаҳои пайдошуда бо таъсири манфӣ ба биомҳо муайян карда шудаанд (Расми 1). Агентиҳои экологӣ, ба монанди Агентии ҳифзи муҳити зисти Иёлоти Муттаҳида (USEPA), бисёре аз ин ифлоскунандаҳоро аз сабаби хосиятҳои цитотоксикӣ, генотоксикӣ, мутагенӣ ва канцерогении онҳо ба рӯйхати афзалиятноки худ дохил кардаанд. Аз ин рӯ, қоидаҳои қатъии партов ва стратегияҳои муассир барои коркард/хориҷ кардани партовҳо аз экосистемаҳои олуда заруранд. Усулҳои гуногуни коркарди физикӣ ва кимиёвӣ, ба монанди пиролиз, коркарди гармии оксидативӣ, аэратсияи ҳаво, партовгузорӣ, сӯзондан ва ғайра, бесамар ва гарон буда, маҳсулоти иловагии зангзананда, заҳролуд ва душвор коркардшавандаро ба вуҷуд меоранд. Бо афзоиши огоҳии экологӣ дар сатҳи ҷаҳонӣ, микроорганизмҳое, ки қодиранд ин ифлоскунандаҳо ва ҳосилаҳои онҳоро (ба монанди галогенӣ, нитро, алкил ва/ё метил) вайрон кунанд, таваҷҷӯҳи бештарро ба худ ҷалб мекунанд (Феннелл ва дигарон, 2004; Хариташ ва Каушик, 2009; Фале ва дигарон, 2020; Саркар ва дигарон, 2020; Шванеманн ва дигарон, 2020). Истифодаи ин микроорганизмҳои номзади бумӣ танҳо ё дар фарҳангҳои омехта (колонияҳо) барои тоза кардани ифлоскунандаҳои хушбӯй аз ҷиҳати бехатарии экологӣ, арзиш, самаранокӣ, самаранокӣ ва устуворӣ бартариҳо дорад. Муҳаққиқон инчунин ҳамгироии равандҳои микробӣ бо усулҳои электрохимиявии оксиду барқароркунӣ, яъне системаҳои биоэлектрохимиявӣ (BES)-ро ҳамчун як технологияи умедбахш барои коркард/хориҷ кардани ифлоскунандаҳо меомӯзанд (Хуанг ва дигарон, 2011). Технологияи BES бинобар самаранокии баланд, арзиши паст, бехатарии экологӣ, кори ҳарорати хонагӣ, маводҳои биологӣ мутобиқ ва қобилияти барқарор кардани маҳсулоти иловагии арзишманд (масалан, нерӯи барқ, сӯзишворӣ ва маводи кимиёвӣ) таваҷҷӯҳи бештарро ба худ ҷалб кардааст (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Пайдоиши абзорҳо/усулҳои пайдарпайии геном ва омикс бо суръати баланд маълумоти навро дар бораи танзими генетикӣ, протеомика ва флюксомикаи аксуламалҳои гуногуни микроорганизмҳои вайронкунанда фароҳам овардааст. Якҷоя кардани ин абзорҳо бо биологияи системаҳо фаҳмиши моро дар бораи интихоб ва танзими дақиқи роҳҳои катаболии мақсаднок дар микроорганизмҳо (яъне тарҳрезии метаболикӣ) барои ноил шудан ба биодеградатсияи самаранок ва муассир боз ҳам беҳтар кардааст. Барои тарҳрезии стратегияҳои муассири биоремедиатсия бо истифода аз микроорганизмҳои мувофиқи номзад, мо бояд потенсиали биохимиявӣ, гуногунии метаболикӣ, таркиби генетикӣ ва экологияи (аутоэкология/синекология) микроорганизмҳоро дарк кунем.
Расми 1. Манбаъҳо ва роҳҳои PAH-ҳои каммолекулавӣ тавассути муҳитҳои гуногуни экологӣ ва омилҳои гуногуне, ки ба биота таъсир мерасонанд. Хатҳои пунктир таъсири мутақобилаи байни унсурҳои экосистемаро нишон медиҳанд.
Дар ин баррасӣ, мо кӯшиш кардем, ки маълумотро дар бораи таҷзияи PAH-ҳои оддӣ, ба монанди нафталин ва нафталинҳои ивазшуда аз ҷониби изолятҳои гуногуни бактериявӣ, ки роҳҳои мубодилаи моддаҳо ва гуногунии онҳоро, ферментҳоеро, ки дар таҷзия иштирок мекунанд, таркиб/миқдори генҳо ва гуногунии онҳо, вокунишҳои ҳуҷайравӣ ва ҷанбаҳои гуногуни биоремедиатсияро фаро мегиранд, ҷамъбаст кунем. Фаҳмидани сатҳҳои биохимиявӣ ва молекулавӣ ба муайян кардани штаммҳои мувофиқи мизбон ва муҳандисии минбаъдаи генетикии онҳо барои биоремедиатсияи самараноки чунин ифлоскунандаҳои афзалиятнок мусоидат мекунад. Ин ба таҳияи стратегияҳо барои таъсиси консортсияҳои бактериявии мушаххас барои биоремедиатсияи самаранок мусоидат мекунад.
Мавҷудияти шумораи зиёди пайвастагиҳои хушбӯйи заҳролуд ва хатарнок (ки ба қоидаи Ҳюккел 4n + 2π электронҳо мувофиқат мекунанд, n = 1, 2, 3, …) барои муҳитҳои гуногуни экологӣ, аз қабили ҳаво, хок, таҳшинҳо ва оби рӯизаминӣ ва зеризаминӣ таҳдиди ҷиддӣ эҷод мекунад (Пуглиси ва дигарон, 2007). Ин пайвастагиҳо ҳалқаҳои ягонаи бензолӣ (моносиклӣ) ё ҳалқаҳои сершумори бензолӣ (полисиклӣ) доранд, ки дар шакли хаттӣ, кунҷӣ ё кластерӣ ҷойгир шудаанд ва дар муҳити зист аз сабаби энергияи баланди резонанси манфӣ ва инертӣ (инертӣ) устуворӣ (устуворӣ/ноустуворӣ) нишон медиҳанд, ки онро бо гидрофобӣ ва ҳолати пастшудаи онҳо шарҳ додан мумкин аст. Вақте ки ҳалқаи хушбӯй минбаъд бо гурӯҳҳои метил (-CH3), карбоксил (-COOH), гидроксил (-OH) ё сулфонат (-HSO3) иваз карда мешавад, он устувортар мешавад, ба макромолекулаҳо майли бештар дорад ва дар системаҳои биологӣ биоаккумуляторӣ аст (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Баъзе карбогидридҳои хушбӯйи полисикликии вазни каммолекулавӣ (LMWAHs), ба монанди нафталин ва ҳосилаҳои он [метилнафталин, кислотаи нафтоий, нафталинсулфонат ва 1-нафтил N-метилкарбамат (карбарил)], аз ҷониби Агентии ҳифзи муҳити зисти ИМА ҳамчун генотоксикӣ, мутагенӣ ва/ё канцерогенӣ ба рӯйхати ифлоскунандаҳои органикии афзалиятнок дохил карда шудаанд (Cerniglia, 1984). Парокандашавии ин синфи NM-PAHs ба муҳити зист метавонад боиси ҷамъшавии биоаккумуляцияи ин пайвастагиҳо дар ҳама сатҳҳои занҷираи ғизоӣ гардад ва бо ин ба саломатии экосистемаҳо таъсир расонад (Бинкова ва дигарон, 2000; Сроги, 2007; Куинн ва дигарон, 2009).
Манбаъҳо ва роҳҳои воридшавии PAH-ҳо ба биота асосан тавассути муҳоҷират ва таъсири мутақобила байни ҷузъҳои гуногуни экосистема, ба монанди хок, оби зеризаминӣ, оби рӯизаминӣ, зироатҳо ва атмосфера сурат мегиранд (Арей ва Аткинсон, 2003). Дар расми 1 таъсири мутақобила ва тақсимоти PAH-ҳои гуногуни каммолекулавӣ дар экосистемаҳо ва роҳҳои онҳо ба биота/таъсири инсон нишон дода шудааст. PAH-ҳо дар рӯи замин дар натиҷаи ифлосшавии ҳаво ва тавассути муҳоҷират (ҷараён)-и партовҳои воситаҳои нақлиёт, газҳои ихроҷи саноатӣ (газизатсияи ангишт, сӯзишворӣ ва истеҳсоли кокс) ва ҷойгиршавии онҳо ҷойгир мешаванд. Фаъолиятҳои саноатӣ, аз қабили истеҳсоли матоъҳои синтетикӣ, рангҳо ва рангҳо; нигоҳдории чӯб; коркарди резинӣ; фаъолиятҳои истеҳсоли семент; истеҳсоли пеститсидҳо; ва татбиқи кишоварзӣ манбаъҳои асосии PAH-ҳо дар системаҳои заминӣ ва обӣ мебошанд (Бамфорт ва Синглтон, 2005; Вик ва дигарон, 2011). Таҳқиқотҳо нишон доданд, ки хокҳо дар минтақаҳои наздишаҳрӣ ва шаҳрӣ, наздики шоҳроҳҳо ва шаҳрҳои калон аз сабаби партовҳо аз нерӯгоҳҳои барқӣ, гармидиҳии манзилӣ, борҳои ҳаракати ҳаво ва роҳ ва фаъолиятҳои сохтмонӣ ба карбогидридҳои ароматии полициклӣ (PAH) бештар осебпазиранд (Suman et al., 2016). (2008) нишон доданд, ки PAH дар хокҳои наздики роҳҳо дар Ню Орлеан, Луизиана, ИМА то 7189 мкг/кг баланд буд, дар ҳоле ки дар фазои кушод онҳо танҳо 2404 мкг/кг буданд. Ба ҳамин монанд, сатҳи PAH то 300 мкг/кг дар минтақаҳои наздики нуқтаҳои газикунонии ангишт дар якчанд шаҳрҳои ИМА гузориш шудааст (Kanaly and Harayama, 2000; Bamforth and Singleton, 2005). Хокҳои шаҳрҳои гуногуни Ҳиндустон, аз қабили Деҳлӣ (Шарма ва дигарон, 2008), Агра (Дубей ва дигарон, 2014), Мумбай (Кулкарни ва Венкатараман, 2000) ва Висакхапатнам (Кулкарни ва дигарон, 2014), дорои консентратсияи баланди PAH мебошанд. Пайвастагиҳои хушбӯй ба зарраҳои хок, моддаҳои органикӣ ва минералҳои гилӣ ба осонӣ ҷаббида мешаванд ва бо ин васила ба ғарқшавандагони асосии карбон дар экосистемаҳо табдил меёбанд (Сроги, 2007; Пенг ва дигарон, 2008). Манбаъҳои асосии PAH дар экосистемаҳои обӣ боришот (боришоти тар/хушк ва буғи об), ҷараёни шаҳрӣ, ихроҷи партовҳо, пуршавии оби зеризаминӣ ва ғайра мебошанд (Сроги, 2007). Тибқи ҳисобҳо, тақрибан 80% PAH дар экосистемаҳои баҳрӣ аз боришот, таҳшиншавӣ ва ихроҷи партовҳо ба даст меоянд (Мотелай-Массей ва дигарон, 2006; Сроги, 2007). Консентратсияи баланди PAH дар обҳои рӯизаминӣ ё лой аз ҷойҳои партовҳои сахт дар ниҳоят ба обҳои зеризаминӣ ворид мешавад ва хатари ҷиддии саломатии ҷамъиятиро ба вуҷуд меорад, зеро беш аз 70% аҳолӣ дар Осиёи Ҷанубӣ ва Ҷанубу Шарқӣ оби зеризаминиро менӯшанд (Дуттагупта ва дигарон, 2019). Таҳқиқоти ахири Дуттагупта ва дигарон (2020) дар бораи таҳлили дарёҳо (32) ва оби зеризаминӣ (235) аз Бенгали Ғарбӣ, Ҳиндустон, нишон дод, ки тақрибан 53% сокинони шаҳр ва 44% сокинони деҳот (дар маҷмӯъ 20 миллион сокин) метавонанд ба нафталин (4.9-10.6 мкг/л) ва ҳосилаҳои он дучор шаванд. Тарзҳои гуногуни истифодаи замин ва афзоиши истихроҷи оби зеризаминӣ омилҳои асосии назораткунандаи интиқоли амудии PAH-ҳои каммолекулавӣ дар зеризаминӣ ҳисобида мешаванд. Муайян карда шудааст, ки ҷараёни обҳои кишоварзӣ, партовҳои партови шаҳрӣ ва саноатӣ ва партовҳои сахт/партов аз PAH дар ҳавзаҳои дарёҳо ва таҳшинҳои зеризаминӣ таъсир мегиранд. Боришоти атмосфера ифлосшавии PAH-ро боз ҳам шадидтар мекунад. Консентратсияи баланди PAH ва ҳосилаҳои алкилии онҳо (дар маҷмӯъ 51) дар дарёҳо/ҳавзаҳои об дар саросари ҷаҳон, ба монанди дарёи Фрейзер, дарёи Луан, дарёи Денсо, дарёи Миссури, дарёи Анакостия, дарёи Эбро ва дарёи Делавэр гузориш дода шудааст (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Дар таҳшинҳои ҳавзаи дарёи Ганг, нафталин ва фенантрен муҳимтарин буданд (дар 70% намунаҳо ошкор карда шуданд) (Duttagupta et al., 2019). Ғайр аз ин, таҳқиқот нишон доданд, ки хлоркунии оби нӯшокӣ метавонад боиси пайдоиши PAH-ҳои заҳролудтари оксигендор ва хлордор гардад (Маноли ва Самара, 1999). PAH-ҳо дар ғалладонагиҳо, меваю сабзавот дар натиҷаи азхудкунии растаниҳо аз хокҳои олуда, обҳои зеризаминӣ ва боришот ҷамъ мешаванд (Фисмес ва дигарон, 2002). Бисёре аз организмҳои обӣ, ба монанди моҳӣ, мидия, моллюскҳо ва майгу тавассути истеъмоли ғизои олуда ва оби баҳрӣ, инчунин тавассути бофтаҳо ва пӯст бо PAH-ҳо олуда мешаванд (Макай ва Фрейзер, 2000). Усулҳои пухтупаз/коркард ба монанди грилл кардан, бирён кардан, дуд додан, бирён кардан, хушк кардан, нонпазӣ ва пухтани ангишт низ метавонанд боиси миқдори назарраси PAH-ҳо дар ғизо шаванд. Ин асосан аз интихоби маводи дуддодашуда, миқдори карбогидридҳои фенолӣ/ароматикӣ, тартиби пухтупаз, намуди гармкунак, миқдори намӣ, таъминоти оксиген ва ҳарорати сӯзиш вобаста аст (Гуиллен ва дигарон, 2000; Гомес ва дигарон, 2013). Карбогидридҳои ароматии полисикликӣ (PAH-ҳо) инчунин дар шир бо консентратсияҳои гуногун (0.75–2.1 мг/л) ошкор карда шудаанд (Гирелли ва дигарон, 2014). Ҷамъшавии ин PAH-ҳо дар хӯрок инчунин аз хосиятҳои физикию химиявии хӯрок вобаста аст, дар ҳоле ки таъсири заҳролудии онҳо бо вазифаҳои физиологӣ, фаъолияти мубодилаи моддаҳо, ҷаббидашавӣ, тақсимот ва тақсимоти бадан алоқаманд аст (Мечини ва дигарон, 2011).
Заҳролудшавӣ ва таъсири зараровари карбогидридҳои ароматии полисикликӣ (PAHs) муддати тӯлонӣ маълум буданд (Cherniglia, 1984). Карбогидридҳои ароматии полисикликии вазни каммолекулавӣ (LMW-PAHs) (ду то се ҳалқа) метавонанд ба таври ковалентӣ ба макромолекулаҳои гуногун, ба монанди ДНК, РНК ва сафедаҳо, пайваст шаванд ва канцерогенӣ мебошанд (Santarelli et al., 2008). Аз сабаби хусусияти гидрофобии худ, онҳо бо мембранаҳои липидӣ ҷудо карда мешаванд. Дар одамон, моноксигеназаҳои цитохроми P450 PAHs-ро ба эпоксидҳо оксид мекунанд, ки баъзеи онҳо хеле реактивӣ мебошанд (масалан, баедиол эпоксид) ва метавонанд боиси табдили ҳуҷайраҳои муқаррарӣ ба ҳуҷайраҳои бадсифат шаванд (Marston et al., 2001). Илова бар ин, маҳсулоти табдили PAHs, ба монанди хинонҳо, фенолҳо, эпоксидҳо, диолҳо ва ғайра нисбат ба пайвастагиҳои аслӣ заҳролудтаранд. Баъзе PAH-ҳо ва миёнаравҳои мубодилаи моддаҳои онҳо метавонанд ба гормонҳо ва ферментҳои гуногун дар мубодилаи моддаҳо таъсир расонанд ва бо ин ба афзоиш, системаи асаби марказӣ, системаҳои репродуктивӣ ва иммунӣ таъсири манфӣ расонанд (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Гузориш дода шудааст, ки таъсири кӯтоҳмуддати PAH-ҳои каммолекулавӣ боиси вайрон шудани функсияи шуш ва тромбоз дар беморони астма ва афзоиши хатари саратони пӯст, шуш, масона ва рӯдаву рӯда мегардад (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Тадқиқотҳои ҳайвонот инчунин нишон доданд, ки таъсири PAH метавонад ба функсияи репродуктивӣ ва рушд таъсири манфӣ расонад ва метавонад катаракта, осеби гурда ва ҷигар ва зардпарвинро ба вуҷуд орад. Нишон дода шудааст, ки маҳсулоти гуногуни биотабдилёбии PAH, ба монанди диолҳо, эпоксидҳо, хинонҳо ва радикалҳои озод (катионҳо) аддуктҳои ДНК-ро ташкил медиҳанд. Нишон дода шудааст, ки аддуктҳои устувор механизми репликатсияи ДНК-ро тағйир медиҳанд, дар ҳоле ки аддуктҳои ноустувор метавонанд ДНК-ро (асосан ба аденин ва баъзан ба гуанин) депурин кунанд; ҳарду метавонанд хатогиҳоеро ба вуҷуд оранд, ки ба мутатсияҳо оварда мерасонанд (Schweigert et al. 2001). Илова бар ин, хинонҳо (бензо-/пан-) метавонанд намудҳои реактивии оксиген (ROS)-ро ба вуҷуд оранд, ки ба ДНК ва дигар макромолекулаҳо зарари марговар мерасонанд ва бо ин васила ба функсия/қобилияти зинда мондани бофтаҳо таъсир мерасонанд (Ewa and Danuta 2017). Гузориш дода шудааст, ки таъсири музмини консентратсияи пасти пирен, бифенил ва нафталин боиси саратон дар ҳайвоноти таҷрибавӣ мегардад (Diggs et al. 2012). Аз сабаби заҳролудии марговари онҳо, тоза кардан/хориҷ кардани ин PAH-ҳо аз ҷойҳои зарардида/ифлосшуда афзалият дорад.
Барои тоза кардани PAH-ҳо аз маконҳо/муҳитҳои олуда усулҳои гуногуни физикӣ ва кимиёвӣ истифода шудаанд. Равандҳо ба монанди сӯзондан, дехлоркунӣ, оксидшавии ултрабунафш, фиксатсия ва истихроҷи ҳалкунанда камбудиҳои зиёде доранд, аз ҷумла ташаккули маҳсулоти иловагии заҳролуд, мураккабии раванд, масъалаҳои бехатарӣ ва танзимкунӣ, самаранокии паст ва арзиши баланд. Аммо, биодеградатсияи микробҳо (биоремедиатсия номида мешавад) як равиши алтернативии умедбахш аст, ки истифодаи микроорганизмҳоро дар шакли фарҳангҳои холис ё колонияҳо дар бар мегирад. Дар муқоиса бо усулҳои физикӣ ва химиявӣ, ин раванд аз ҷиҳати экологӣ тоза, ғайриинвазивӣ, камхарҷ ва устувор аст. Биоремедиатсияро дар макони зарардида (дар ҷой) ё дар макони махсус омодашуда (ex situ) анҷом додан мумкин аст ва аз ин рӯ, нисбат ба усулҳои анъанавии физикӣ ва кимиёвӣ усули устувортари барқарорсозӣ ҳисобида мешавад (Юҳасз ва Найду, 2000; Андреони ва Ҷанфред, 2007; Мегҳарай ва дигарон, 2011; Фале ва дигарон, 2020; Саркар ва дигарон, 2020).
Дарки марҳилаҳои мубодилаи моддаҳои микробӣ, ки дар таҷзияи ифлоскунандаҳои хушбӯй иштирок мекунанд, барои устувории экологӣ ва экологӣ аҳамияти бузурги илмӣ ва иқтисодӣ дорад. Тақрибан 2,1 × 1018 грамм карбон (C) дар таҳшинҳо ва пайвастагиҳои органикӣ (яъне нафт, гази табиӣ ва ангишт, яъне сӯзишвории истихроҷшаванда) дар саросари ҷаҳон нигоҳ дошта мешавад ва саҳми назаррас дар гардиши ҷаҳонии карбон мегузорад. Аммо, саноатикунонии босуръат, истихроҷи сӯзишвории истихроҷшаванда ва фаъолияти инсон ин захираҳои карбони литосфериро кам мекунанд ва солона тақрибан 5,5 × 1015 грамм карбони органикӣ (ҳамчун ифлоскунандаҳо)-ро ба атмосфера хориҷ мекунанд (Гонсалес-Гая ва дигарон, 2019). Қисми зиёди ин карбони органикӣ тавассути таҳшиншавӣ, интиқол ва ҷараёни об ба экосистемаҳои заминӣ ва баҳрӣ ворид мешавад. Илова бар ин, ифлоскунандаҳои нави синтетикӣ, ки аз сӯзишвории истихроҷшаванда ба даст оварда мешаванд, ба монанди пластикҳо, пластификаторҳо ва стабилизаторҳои пластикӣ (фталатҳо ва изомерҳои онҳо), экосистемаҳои баҳрӣ, хок ва обӣ ва биотаи онҳоро ҷиддан олуда мекунанд ва бо ин васила хатарҳои иқлими ҷаҳониро шадидтар мекунанд. Намудҳои гуногуни микропластикаҳо, нанопластикаҳо, пораҳои пластикӣ ва маҳсулоти мономерҳои заҳролуди онҳо, ки аз полиэтилентерефталат (ПЭТ) гирифта шудаанд, дар уқёнуси Ором байни Амрикои Шимолӣ ва Осиёи Ҷанубу Шарқӣ ҷамъ шуда, "Парчами бузурги партовҳои Уқёнуси Ором"-ро ташкил дода, ба ҳаёти баҳрӣ зарар мерасонанд (Нюэлл ва дигарон, 2020). Тадқиқотҳои илмӣ исбот кардаанд, ки тоза кардани чунин ифлоскунандаҳо/партовҳо бо ягон усули физикӣ ё кимиёвӣ ғайриимкон аст. Дар ин замина, микроорганизмҳои муфидтарин онҳое мебошанд, ки қодиранд ифлоскунандаҳоро ба гази карбон, энергияи кимиёвӣ ва дигар маҳсулоти ғайритоксикл табдил диҳанд, ки дар ниҳоят ба дигар равандҳои гардиши маводи ғизоӣ (H, O, N, S, P, Fe ва ғайра) ворид мешаванд. Ҳамин тариқ, фаҳмидани экофизиологияи микробҳои минерализатсияи ифлоскунандаҳои хушбӯй ва назорати экологии он барои арзёбии гардиши карбони микробӣ, буҷаи холиси карбон ва хатарҳои ояндаи иқлимӣ муҳим аст. Бо назардошти зарурати фаврӣ барои тоза кардани чунин пайвастагиҳо аз муҳити зист, саноатҳои гуногуни экологӣ, ки ба технологияҳои тоза нигаронида шудаанд, пайдо шудаанд. Интихобан, арзёбии партовҳои саноатӣ/маводҳои кимиёвии партов, ки дар экосистемаҳо ҷамъ шудаанд (яъне равиши партов ба сарват) ҳамчун яке аз рукнҳои иқтисоди даврӣ ва ҳадафҳои рушди устувор ҳисобида мешавад (Close et al., 2012). Аз ин рӯ, фаҳмидани ҷанбаҳои мубодилаи моддаҳо, ферментативӣ ва генетикии ин номзадҳои эҳтимолии таназзул барои бартарафсозии самаранок ва биоремедиатсияи чунин ифлоскунандаҳои хушбӯй аҳамияти ниҳоят калон дорад.
Дар байни ифлоскунандаҳои зиёди хушбӯй, мо ба PAH-ҳои вазни молекулавии паст, ба монанди нафталин ва нафталинҳои ивазшуда, диққати махсус медиҳем. Ин пайвастагиҳо ҷузъҳои асосии сӯзишвории аз нафт ҳосилшуда, рангҳои нассоҷӣ, маҳсулоти истеъмолӣ, пеститсидҳо (найфлетҳо ва дафъкунандагони ҳашарот), пластификаторҳо ва танинҳо мебошанд ва аз ин рӯ, дар бисёр экосистемаҳо васеъ паҳн шудаанд (Preuss et al., 2003). Гузоришҳои охирин ҷамъшавии консентратсияи нафталинро дар таҳшинҳои обӣ, хокҳои зеризаминӣ ва зеризаминӣ, минтақаҳои вадоз ва қаъри дарёҳо нишон медиҳанд, ки биоаккумуляцияи онро дар муҳити зист нишон медиҳанд (Duttagupta et al., 2019, 2020). Ҷадвали 2 хосиятҳои физикию химиявӣ, татбиқ ва таъсири он ба саломатӣ дар нафталин ва ҳосилаҳои онро ҷамъбаст мекунад. Дар муқоиса бо дигар PAH-ҳои вазни молекулавии баланд, нафталин ва ҳосилаҳои он камтар гидрофобӣ, дар об бештар ҳалшаванда ва дар экосистемаҳо васеъ паҳн шудаанд, аз ин рӯ онҳо аксар вақт ҳамчун субстратҳои моделӣ барои омӯзиши мубодилаи моддаҳо, генетика ва гуногунии мубодилаи моддаҳои PAH истифода мешаванд. Шумораи зиёди микроорганизмҳо қодиранд нафталин ва ҳосилаҳои онро мубодила кунанд ва маълумоти мукаммал дар бораи роҳҳои мубодилаи моддаҳо, ферментҳо ва хусусиятҳои танзимкунандаи онҳо дастрас аст (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Ғайр аз ин, нафталин ва ҳосилаҳои он аз сабаби фаровонии зиёд ва дастрасии биологии онҳо ҳамчун пайвастагиҳои прототипӣ барои арзёбии ифлосшавии муҳити зист таъин карда мешаванд. Агентии ҳифзи муҳити зисти ИМА тахмин мезанад, ки сатҳи миёнаи нафталин аз дуди сигор, асосан аз сӯхтани нопурра, 5,19 мкг дар як метри мукааб ва аз дуди паҳлӯӣ аз 7,8 то 46 мкг аст, дар ҳоле ки таъсири креозот ва нафталин аз 100 то 10,000 маротиба баландтар аст (Preuss et al. 2003). Муайян шудааст, ки нафталин махсусан заҳролудшавӣ ва канцерогении нафаскаширо аз рӯи намудҳо, минтақаҳо ва ҷинсҳо дорад. Бар асоси таҳқиқоти ҳайвонот, Агентии байналмилалии тадқиқоти саратон (IARC) нафталинро ҳамчун "канцерогени эҳтимолии инсон" (Гурӯҳи 2B) тасниф кардааст1. Таъсири нафталинҳои ивазшуда, асосан тавассути нафаскашӣ ё воридкунии парентералӣ (даҳонӣ), боиси осеби бофтаи шуш мегардад ва пайдоиши варамҳои шушро дар каламушҳо ва мушҳо зиёд мекунад (Барномаи миллии токсикология 2). Таъсири шадид дилбеҳузурӣ, қайкунӣ, дарди шикам, дарунравӣ, дарди сар, ошуфтагӣ, арақи аз ҳад зиёд, табларза, тахикардия ва ғайраро дар бар мегирад. Аз тарафи дигар, гузориш дода шудааст, ки инсектисиди карбамат бо спектри васеъ барои бесутунмӯҳраҳои обӣ, амфибияҳо, занбӯри асал ва одамон заҳролуд аст ва нишон дода шудааст, ки ацетилхолинэстеразаро, ки боиси фалаҷ мегардад, бозмедорад (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). Аз ин рӯ, фаҳмидани механизмҳои вайроншавии микробҳо, танзими генетикӣ, реаксияҳои ферментативӣ ва ҳуҷайравӣ барои таҳияи стратегияҳои биоремедиатсия дар муҳитҳои олуда муҳим аст.
Ҷадвали 2. Маълумоти муфассал дар бораи хосиятҳои физикию химиявӣ, истифода, усулҳои муайянкунӣ ва бемориҳои марбут ба нафталин ва ҳосилаҳои он.
Дар нишҳои ифлосшуда, ифлоскунандаҳои хушбӯйи гидрофобӣ ва липофилӣ метавонанд ба микробиомаи муҳити зист (ҷомеа) таъсири гуногуни ҳуҷайравӣ расонанд, ба монанди тағирёбии моеъи мембрана, гузариши мембрана, варами дуқабата липидҳо, вайроншавии интиқоли энергия (занҷири интиқоли электрон/қувваи ҳаракатдиҳандаи протон) ва фаъолияти сафедаҳои бо мембрана алоқаманд (Sikkema et al., 1995). Илова бар ин, баъзе миёнаравҳои ҳалшаванда, ба монанди катехолҳо ва хинонҳо, намудҳои реактивии оксиген (ROS)-ро ба вуҷуд меоранд ва бо ДНК ва сафедаҳо аддуктҳо ташкил медиҳанд (Penning et al., 1999). Ҳамин тариқ, фаровонии чунин пайвастагиҳо дар экосистемаҳо ба ҷомеаҳои микробӣ фишори интихобӣ мерасонад, то дар сатҳҳои гуногуни физиологӣ, аз ҷумла ҷаббидан/интиқол, табдили дохилиҳуҷайравӣ, ассимилятсия/истифода ва тақсимшавӣ, вайронкунандаҳои самаранок гарданд.
Ҷустуҷӯи Лоиҳаи пойгоҳи додаҳои Рибосомалӣ-II (RDP-II) нишон дод, ки дар маҷмӯъ 926 намуди бактерияҳо аз муҳит ё фарҳангҳои ғанӣгардонидашуда, ки бо нафталин ё ҳосилаҳои он олуда шудаанд, ҷудо карда шудаанд. Гурӯҳи Proteobacteria шумораи бештари намояндагонро дошт (n = 755), пас аз он Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) ва бактерияҳои таснифнашуда (8) қарор гирифтанд (Расми 2). Намояндагони γ-Proteobacteria (Pseudomonadales ва Xanthomonadales) дар ҳама гурӯҳҳои грам-манфӣ бо миқдори зиёди G+C (54%) бартарӣ доштанд, дар ҳоле ки Clostridiales ва Bacillales (30%) гурӯҳҳои грам-мусбат бо миқдори ками G+C буданд. Гузориш дода шудааст, ки Pseudomonas (шумораи аз ҳама бештар, 338 намуд) қодиранд нафталин ва ҳосилаҳои метили онро дар экосистемаҳои гуногуни ифлосшуда (қатрони ангишт, нафт, нафти хом, лой, рехтани нафт, обҳои партов, партовҳои органикӣ ва партовгоҳҳо), инчунин дар экосистемаҳои солим (хок, дарёҳо, таҳшинҳо ва оби зеризаминӣ) вайрон кунанд (Расми 2). Ғайр аз ин, таҳқиқоти ғанӣ гардонидан ва таҳлили метагеномикии баъзе аз ин минтақаҳо нишон доданд, ки намудҳои бефарҳанги Legionella ва Clostridium метавонанд қобилияти вайроншавӣ дошта бошанд, ки ин зарурати парвариши ин бактерияҳоро барои омӯзиши роҳҳои нав ва гуногунии мубодилаи моддаҳо нишон медиҳад.
Расми 2. Гуногунрангии таксономӣ ва тақсимоти экологии намояндагони бактерияҳо дар муҳитҳои олуда бо нафталин ва ҳосилаҳои нафталин.
Дар байни микроорганизмҳои гуногуни карбогидридҳои хушбӯй, аксари онҳо қодиранд, ки нафталинро ҳамчун ягона манбаи карбон ва энергия вайрон кунанд. Пайдарпайии рӯйдодҳое, ки дар мубодилаи нафталин иштирок мекунанд, барои Pseudomonas sp. тавсиф шудааст. (штаммҳо: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 ва CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 ва дигар штаммҳо (ND6 ва AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis and Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Метаболизм аз ҷониби диоксигеназаи бисёрҷузъӣ [нафталин диоксигеназа (NDO), диоксигеназаи ҳалқавии гидроксилкунанда] оғоз мешавад, ки оксидшавии яке аз ҳалқаҳои ароматии нафталинро бо истифода аз оксигени молекулавӣ ҳамчун субстрати дигар катализ мекунад ва нафталинро ба cis-naftalenediol табдил медиҳад (Расми 3). Cis-дигидродиол ба 1,2-дигидроксинафталин тавассути дегидрогеназа. Диоксигеназаи ҳалқашакл, 1,2-дигидроксинафталин диоксигеназа (12DHNDO), 1,2-дигидроксинафталинро ба кислотаи 2-гидроксихром-2-карбоксилӣ табдил медиҳад. Изомеризатсияи ферментативии цис-транс транс-о-гидроксибензилиденпируватро ба вуҷуд меорад, ки аз ҷониби алдолазаи гидратаза ба алдегиди салисилӣ ва пируват тақсим мешавад. Пирувати кислотаи органикӣ аввалин пайвастагии C3 буд, ки аз скелети карбонии нафталин гирифта шуда, ба роҳи марказии карбон равона карда шудааст. Илова бар ин, дегидрогеназаи салисилалдегиди вобаста ба NAD+ салисилалдегидро ба кислотаи салисилӣ табдил медиҳад. Мубодилаи моддаҳо дар ин марҳила "роҳи болоии" вайроншавии нафталин номида мешавад. Ин роҳ дар аксари бактерияҳои вайронкунандаи нафталин хеле маъмул аст. Аммо, чанд истисно вуҷуд дорад; масалан, дар термофилии Bacillus hamburgii 2, вайроншавии нафталин аз ҷониби нафталин оғоз мешавад. 2,3-диоксигеназа 2,3-дигидроксинафталинро ташкил медиҳад (Annweiler et al., 2000).
Расми 3. Роҳҳои таҷзияи нафталин, метилнафталин, кислотаи нафтои ва карбарил. Рақамҳои доирашуда ферментҳоеро нишон медиҳанд, ки барои табдили пайдарпайи нафталин ва ҳосилаҳои он ба маҳсулоти минбаъда масъуланд. 1 — нафталин диоксигеназа (NDO); 2, цис-дигидродиолдегидрогеназа; 3, диоксигеназаи 1,2-дигидроксинафталин; 4, изомеразаи 2-гидроксихромен-2-кислотаи карбоксилӣ; 5, алдолазаи транс-O-гидроксибензилиденпируват гидратаза; 6, салицилалдегиддегидрогеназа; 7, салицилат 1-гидроксилаза; 8, катехол 2,3-диоксигеназа (C23DO); 9, 2-гидроксимуконат нимальдегиддегидрогеназа; 10, 2-оксопент-4-эноат гидратаза; 11, 4-гидрокси-2-оксопентаноат алдолаза; 12, ацеталдегиддегидрогеназа; 13, катехол-1,2-диоксигеназа (C12DO); 14, муконат сиклоизомераза; 15, муконолактон дельта-изомераза; 16, β-кетоадипатеноллактон гидролаза; 17, β-кетоадипат сукцинил-КоА трансфераза; 18, тиолаза β-кетоадипат-КоА; 19, сукцинил-КоА: сукцинилтрансферазаи ацетил-КоА; 20, салицилат 5-гидроксилаза; 21 – гентизат 1,2-диоксигеназа (GDO); 22, малеилпируват изомераза; 23, фумарилпируват гидролаза; 24, метилнафталин гидроксилаза (NDO); 25, гидроксиметилнафталиндегидрогеназа; 26, нафтальдегиддегидрогеназа; 27, оксидазаи кислотаи 3-формилсалицилӣ; 28, гидроксиизофталат декарбоксилаза; 29, карбарилгидролаза (CH4); 30, 1-нафтол-2-гидроксилаза.
Вобаста аз организм ва сохтори генетикии он, кислотаи салисилии ҳосилшуда минбаъд тавассути роҳи катехол бо истифода аз салицилат 1-гидроксилаза (S1H) ё тавассути роҳи гентисат бо истифода аз салицилат 5-гидроксилаза (S5H) мубодила мешавад (Расми 3). Азбаски кислотаи салисилӣ миёнаравии асосӣ дар мубодилаи нафталин (роҳи болоӣ) мебошад, қадамҳо аз кислотаи салисилӣ то миёнаравии TCA аксар вақт ҳамчун роҳи поёнӣ номида мешаванд ва генҳо ба як оперони ягона ташкил карда шудаанд. Маъмул аст, ки генҳо дар оперони роҳи болоӣ (nah) ва оперони роҳи поёнӣ (sal) аз ҷониби омилҳои танзимкунандаи умумӣ танзим карда мешаванд; масалан, NahR ва кислотаи салисилӣ ҳамчун индукторҳо амал мекунанд, ки ба ҳарду оперон имкон медиҳанд, ки нафталинро пурра мубодила кунанд (Phale et al., 2019, 2020).
Илова бар ин, катехол тавассути роҳи мета бо ёрии катехол 2,3-диоксигеназа (C23DO) ба таври даврӣ ба 2-гидроксимуконат нималдегид тақсим мешавад (Yen et al., 1988) ва минбаъд бо ёрии гидролазаи 2-гидроксимуконат нималдегид гидролиз карда, кислотаи 2-гидроксипент-2,4-диеноатро ташкил медиҳад. Сипас 2-гидроксипент-2,4-диеноат бо ёрии гидратаза (2-оксопент-4-эноат гидратаза) ва алдолаза (4-гидрокси-2-оксопентаноат алдолаза) ба пируват ва ацетальдегид табдил меёбад ва сипас ба роҳи марказии карбон ворид мешавад (Расми 3). Интихобан, катехол тавассути роҳи орто бо ёрии катехол 1,2-оксигеназа (C12DO) ба таври даврӣ ба цис, цис-муконат тақсим мешавад. Муконат сиклоизомераза, муконолактон изомераза ва β-кетоадипат-ноллактон гидролаза цис,цис-муконатро ба 3-оксоадипат табдил медиҳанд, ки тавассути сукцинил-КоА ва ацетил-КоА ба роҳи марказии карбон ворид мешавад (Нозаки ва дигарон, 1968) (Расми 3).
Дар роҳи гентизат (2,5-дигидроксибензоат), ҳалқаи ароматӣ аз ҷониби гентизат 1,2-диоксигеназа (GDO) барои ташкил додани малеилпируват бурида мешавад. Ин маҳсулотро метавон мустақиман ба пируват ва малат гидролиз кард, ё онро метавон изомер кард, то фумарилпируватро ташкил диҳад, ки баъдан онро ба пируват ва фумарат гидролиз кард (Larkin and Day, 1986). Интихоби роҳи алтернативӣ дар бактерияҳои грамманфӣ ва грамманфӣ дар сатҳҳои биохимиявӣ ва генетикӣ мушоҳида шудааст (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Бактерияҳои грамманфӣ (Pseudomonas) истифодаи кислотаи салисилиро, ки индуктори мубодилаи нафталин аст, афзалтар медонанд ва онро бо истифода аз салицилат 1-гидроксилаза ба катехол декарбоксилат мекунанд (Gibson and Subramanian, 1984). Аз тарафи дигар, дар бактерияҳои грам-мусбат (Rhodococcus), салицилат 5-гидроксилаза кислотаи салисилиро ба кислотаи гентисӣ табдил медиҳад, дар ҳоле ки кислотаи салисилӣ ба транскрипсияи генҳои нафталин таъсири индуктивӣ надорад (Grund et al., 1992) (Расми 3).
Гузориш дода шудааст, ки намудҳо ба монанди Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Spingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas ва Mycobacterium метавонанд монометилнафталин ё диметилнафталинро вайрон кунанд (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Дар байни онҳо, роҳи вайроншавии 1-метилнафталин ва 2-метилнафталини Pseudomonas sp. CSV86 дар сатҳҳои биохимиявӣ ва ферментативӣ ба таври возеҳ омӯхта шудааст (Mahajan et al., 1994). 1-Метилнафталин тавассути ду роҳ мубодила мешавад. Аввалан, ҳалқаи ароматикӣ гидроксил карда мешавад (ҳалқаи ивазнашудаи метилнафталин), то цис-1,2-дигидрокси-1,2-дигидро-8-метилнафталинро ташкил диҳад, ки минбаъд ба метил салицилат ва метилкатехол оксид мешавад ва сипас пас аз шикастани ҳалқа ба роҳи марказии карбон ворид мешавад (Расми 3). Ин роҳ "роҳи манбаи карбон" номида мешавад. Дар "роҳи детоксикация"-и дуюм, гурӯҳи метилро метавон бо NDO гидроксил кард, то 1-гидроксиметилнафталинро ташкил диҳад, ки минбаъд ба кислотаи 1-нафтоий оксид мешавад ва ҳамчун маҳсулоти беохир ба муҳити парвариш хориҷ мешавад. Таҳқиқотҳо нишон доданд, ки штамми CSV86 наметавонад дар кислотаи 1- ва 2-нафтоий ҳамчун ягона манбаи карбон ва энергия афзоиш ёбад, ки роҳи детоксикацияи онро тасдиқ мекунад (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Дар 2-метилнафталин, гурӯҳи метил аз ҷониби гидроксилаза гидроксилизатсия шуда, 2-гидроксиметилнафталинро ташкил медиҳад. Илова бар ин, ҳалқаи ивазнашудаи ҳалқаи нафталин аз гидроксилизатсияи ҳалқа мегузарад ва дигидродиолро ташкил медиҳад, ки дар як қатор реаксияҳои катализи ферментӣ ба 4-гидроксиметилкатехол оксид мешавад ва тавассути роҳи таҷзияи мета-ҳалқа ба роҳи марказии карбон ворид мешавад. Ба ҳамин монанд, гузориш дода шудааст, ки S. paucimobilis 2322 аз NDO барои гидроксилатсияи 2-метилнафталин истифода мебарад, ки минбаъд барои ташкили метилсалицилат ва метилкатехол оксид мешавад (Dutta et al., 1998).
Кислотаҳои нафтӣ (ивазшуда/ивазнашуда) маҳсулоти иловагии детоксикация/биотрансформатсия мебошанд, ки ҳангоми таҷзияи метилнафталин, фенантрен ва антрасен ба вуҷуд омада, ба муҳити парвариши истифодашуда раҳо мешаванд. Гузориш дода шудааст, ки изоляти хок Stenotrophomonas maltophilia CSV89 қодир аст кислотаи 1-нафтиро ҳамчун манбаи карбон мубодила кунад (Phale et al., 1995). Мубодилаи моддаҳо бо дигидроксилизатсияи ҳалқаи ароматикӣ барои ташкили 1,2-дигидрокси-8-карбоксинафталин оғоз меёбад. Диоли ҳосилшуда тавассути 2-гидрокси-3-карбоксибензилиденепируват, кислотаи 3-формилсалицилӣ, кислотаи 2-гидроксиизофталикӣ ва кислотаи салицилӣ ба катехол оксид мешавад ва тавассути роҳи таҷзияи мета-ҳалқа ба роҳи карбони марказӣ ворид мешавад (Расми 3).
Карбарил як пестисиди нафтилкарбамат аст. Аз замони Инқилоби Сабз дар Ҳиндустон дар солҳои 1970-ум, истифодаи нуриҳои кимиёвӣ ва пеститсидҳо боиси афзоиши партовҳои карбогидридҳои ароматии полисиклӣ (PAH) аз манбаъҳои ғайринуқтаии кишоварзӣ шудааст (Пингали, 2012; Дуттагупта ва дигарон, 2020). Тақрибан 55% (85,722,000 гектар) заминҳои умумии зироат дар Ҳиндустон бо пеститсидҳои кимиёвӣ коркард мешаванд. Дар панҷ соли охир (2015–2020), бахши кишоварзии Ҳиндустон солона ба ҳисоби миёна аз 55,000 то 60,000 тонна пеститсид истифода кардааст (Департаменти кооперативҳо ва некӯаҳволии деҳқонон, Вазорати кишоварзӣ, Ҳукумати Ҳиндустон, августи 2020). Дар даштҳои шимолӣ ва марказии Гангетикӣ (иёлотҳое, ки шумораи аҳолӣ ва зичии аҳолӣ аз ҳама зиёд аст), истифодаи пеститсидҳо барои зироатҳо васеъ паҳн шудааст ва инсектисидҳо бартарӣ доранд. Карбарил (1-нафтил-N-метилкарбамат) як ҳашароти карбамати дорои спектри васеъ, миёна то хеле заҳролуд аст, ки дар кишоварзии Ҳиндустон бо миқдори миёнаи 100-110 тонна истифода мешавад. Он одатан бо номи тиҷоратии Sevin фурӯхта мешавад ва барои мубориза бо ҳашарот (шираҳо, мӯрчаҳои оташин, пашшаҳо, канаҳо, тортанакҳо ва бисёр дигар ҳашароти беруна), ки ба зироатҳои гуногун (ҷуворимакка, лӯбиёи соя, пахта, мева ва сабзавот) таъсир мерасонанд, истифода мешавад. Баъзе микроорганизмҳо, ба монанди Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus ва Arthrobacter низ метавонанд барои мубориза бо дигар ҳашарот истифода шаванд. Гузориш дода шудааст, ки RC100 метавонад карбарилро вайрон кунад (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Роҳи вайроншавии карбарил дар сатҳҳои биохимиявӣ, ферментативӣ ва генетикӣ дар изолятҳои хокии штаммҳои C4, C5 ва C6 Pseudomonas sp. (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) ба таври васеъ омӯхта шудааст (Расми 3). Роҳи мубодилаи моддаҳо бо гидролизи пайванди эфирӣ аз ҷониби карбарил гидролаза (CH4) оғоз мешавад, то 1-нафтол, метиламин ва гази карбонро ташкил диҳад. Сипас 1-нафтол тавассути 1-нафтоли гидроксилаза (1-NH) ба 1,2-дигидроксинафталин табдил меёбад, ки минбаъд тавассути роҳи карбони марказӣ тавассути салицилат ва гентизат мубодила мешавад. Гузориш дода шудааст, ки баъзе бактерияҳои вайронкунандаи карбарил онро тавассути шикастани ҳалқаи орто катехол ба кислотаи салицилат табдил медиҳанд (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). Қобили зикр аст, ки бактерияҳои вайронкунандаи нафталин асосан кислотаи салицилатро тавассути катехол мубодила мекунанд, дар ҳоле ки бактерияҳои вайронкунандаи карбарил кислотаи салицилатро тавассути роҳи гентизат мубодила мекунанд.
Кислотаи нафталинсульфонӣ/кислотаи дисульфонӣ ва ҳосилаҳои кислотаи нафтиламинсульфонӣ метавонанд ҳамчун миёнаравҳо дар истеҳсоли рангҳои азо, агентҳои таркунанда, диспергантҳо ва ғайра истифода шаванд. Гарчанде ки ин пайвастагиҳо барои одамон заҳролудии кам доранд, арзёбиҳои цитотоксикӣ нишон доданд, ки онҳо барои моҳӣ, дафния ва обсабзҳо марговаранд (Greim et al., 1994). Гузориш дода шудааст, ки намояндагони ҷинси Pseudomonas (штаммҳои A3, C22) мубодилаи моддаҳоро тавассути гидроксилизатсияи дукаратаи ҳалқаи ароматикӣ, ки гурӯҳи кислотаи сулфониро дар бар мегирад, барои ташкили дигидродиол оғоз мекунанд, ки минбаъд бо таҷзияи худсаронаи гурӯҳи сулфит ба 1,2-дигидроксинафталин табдил меёбад (Brilon et al., 1981). 1,2-дигидроксинафталини ҳосилшуда тавассути роҳи классикии нафталин, яъне роҳи катехол ё гентисат катаболизатсия мешавад (Расми 4). Нишон дода шудааст, ки кислотаи аминонафталинсулфонӣ ва кислотаи гидроксинафталинсулфонӣ метавонанд аз ҷониби консортсияҳои омехтаи бактериявӣ бо роҳҳои катаболии мукаммал пурра вайрон шаванд (Нортеманн ва дигарон, 1986). Нишон дода шудааст, ки яке аз аъзои консортсиум кислотаи аминонафталинсулфонӣ ё кислотаи гидроксинафталинсулфониро тавассути 1,2-диоксигенизатсия десулфуризатсия мекунад, дар ҳоле ки аминосалицилат ё гидроксисалицилат ба муҳити парвариш ҳамчун метаболити беохир хориҷ мешавад ва баъдан аз ҷониби дигар аъзои консортсиум ҷаббида мешавад. Кислотаи нафталинсулфонӣ нисбатан қутбӣ аст, аммо ба таври суст биологӣ вайрон мешавад ва аз ин рӯ, онро тавассути роҳҳои гуногун мубодила кардан мумкин аст. Десулфуризатсияи аввал ҳангоми дигидроксилии региоселективии ҳалқаи ароматикӣ ва гурӯҳи кислотаи сулфонӣ ба амал меояд; Десулфуризатсияи дуюм ҳангоми гидроксилизатсияи кислотаи 5-сулфосалицилӣ аз ҷониби кислотаи 5-гидроксилазаи салицилӣ барои ташкил кардани кислотаи гентизӣ, ки ба роҳи марказии карбон ворид мешавад, рух медиҳад (Brilon et al., 1981) (Расми 4). Ферментҳое, ки барои вайроншавии нафталин масъуланд, инчунин барои мубодилаи нафталин сулфонат масъуланд (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Расми 4. Роҳҳои мубодилаи моддаҳо барои таҷзияи нафталин сулфонат. Рақамҳои дохили доираҳо ферментҳоеро нишон медиҳанд, ки барои мубодилаи нафтил сулфонат масъуланд, ки ба ферментҳои дар расми 3 тавсифшуда монанд/якхелаанд.
PAH-ҳои вазни каммолекулавӣ (LMW-PAH) редуксияшаванда, гидрофобӣ ва камҳалшаванда мебошанд ва аз ин рӯ, ба вайроншавӣ/пастшавии табиӣ осебпазир нестанд. Аммо, микроорганизмҳои аэробӣ метавонанд онро тавассути ҷабби оксигени молекулавӣ (O2) оксид кунанд. Ин ферментҳо асосан ба синфи оксидоредуктазаҳо тааллуқ доранд ва метавонанд реаксияҳои гуногунро, аз қабили гидроксилшавии ҳалқаи ароматикӣ (моно- ё дигидроксилшавӣ), дегидрогенизатсия ва шикастани ҳалқаи ароматикӣ, иҷро кунанд. Маҳсулоте, ки аз ин реаксияҳо ба даст оварда мешаванд, дар ҳолати оксидшавии баландтар қарор доранд ва тавассути роҳи марказии карбон ба осонӣ мубодила мешаванд (Phale et al., 2020). Гузориш дода шудааст, ки ферментҳо дар роҳи вайроншавӣ индуксияшавандаанд. Фаъолияти ин ферментҳо ҳангоми парвариши ҳуҷайраҳо дар манбаъҳои оддии карбон, ба монанди глюкоза ё кислотаҳои органикӣ, хеле паст ё ночиз аст. Ҷадвали 3 ферментҳои гуногунро (оксигеназаҳо, гидролазаҳо, дегидрогеназаҳо, оксидазаҳо ва ғайра), ки дар мубодилаи нафталин ва ҳосилаҳои он иштирок мекунанд, ҷамъбаст мекунад.
Ҷадвали 3. Хусусиятҳои биохимикии ферментҳое, ки барои таҷзияи нафталин ва ҳосилаҳои он масъуланд.
Таҳқиқоти радиоизотопӣ (18O2) нишон доданд, ки воридшавии O2 молекулавӣ ба ҳалқаҳои ароматикӣ аз ҷониби оксигеназаҳо муҳимтарин қадам дар фаъолсозии биодеградатсияи минбаъдаи пайвастагӣ мебошад (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Дохилшавии як атоми оксиген (O) аз оксигени молекулавӣ (O2) ба субстрат аз ҷониби монооксигеназаҳои эндогенӣ ё экзогенӣ (инчунин гидроксилазаҳо номида мешаванд) оғоз мешавад. Атомҳои дигари оксиген ба об табдил меёбанд. Монооксигеназаҳои экзогенӣ флавинро бо NADH ё NADPH коҳиш медиҳанд, дар ҳоле ки дар эндомоноксигеназаҳо флавин аз ҷониби субстрат коҳиш меёбад. Мавқеи гидроксилизатсия боиси гуногунрангии ташаккули маҳсулот мегардад. Масалан, салицилат 1-гидроксилаза гидроксил кислотаи салисилиро дар мавқеи C1 гидроксил мекунад ва катехолро ташкил медиҳад. Аз тарафи дигар, салицилат 5-гидроксилазаи бисёрҷузъӣ (ки дорои зерқисмҳои редуктаза, ферредоксин ва оксигеназа мебошад) кислотаи салицилиро дар мавқеи C5 гидроксил мекунад ва кислотаи гентисӣ ташкил медиҳад (Yamamoto et al., 1965).
Диоксигеназаҳо ду атоми O2-ро ба субстрат дохил мекунанд. Вобаста ба маҳсулоти ҳосилшуда, онҳо ба диоксигеназаҳои гидроксилакунандаи ҳалқавӣ ва диоксигеназаҳои ҷудокунандаи ҳалқавӣ тақсим мешаванд. Диоксигеназаҳои гидроксилакунандаи ҳалқавӣ субстратҳои ароматиро ба цис-дигидродиолҳо (масалан, нафталин) табдил медиҳанд ва дар байни бактерияҳо васеъ паҳн шудаанд. То имрӯз нишон дода шудааст, ки организмҳое, ки диоксигеназаҳои гидроксилакунандаи ҳалқавӣ доранд, қодиранд дар манбаъҳои гуногуни карбони ароматӣ афзоиш ёбанд ва ин ферментҳо ҳамчун NDO (нафталин), толуол диоксигеназа (TDO, толуол) ва бифенил диоксигеназа (BPDO, бифенил) тасниф карда мешаванд. Ҳам NDO ва ҳам BPDO метавонанд оксидшавии дукарата ва гидроксилшавии занҷири паҳлӯии карбогидридҳои гуногуни ароматии полициклӣ (толуол, нитротолуол, ксилол, этилбензол, нафталин, бифенил, флуорен, индол, метилнафталин, нафталинсулфонат, фенантрен, антрасен, ацетофенон ва ғайра)-ро катализ кунанд (Бойд ва Шелдрейк, 1998; Фале ва дигарон, 2020). NDO як системаи бисёрҷузъӣ аст, ки аз оксидоредуктаза, ферредоксин ва ҷузъи оксигеназаи дорои макони фаъол иборат аст (Гибсон ва Субраманиан, 1984; Ресник ва дигарон, 1996). Воҳиди каталитикии NDO аз зерқисмати калони α ва зерқисмати хурди β иборат аст, ки дар конфигуратсияи α3β3 ҷойгир шудаанд. NDO ба оилаи калони оксигеназаҳо тааллуқ дорад ва зерқисмати α-и он дорои сайти Риеске [2Fe-2S] ва оҳани мононуклеарии ғайригемӣ мебошад, ки хосияти субстрати NDO-ро муайян мекунад (Parales et al., 1998). Одатан, дар як давраи каталитикӣ, ду электрон аз коҳиши нуклеотиди пиридин ба иони Fe(II) дар маркази фаъол тавассути редуктаза, ферредоксин ва сайти Риеске интиқол дода мешаванд. Муодили коҳишдиҳанда оксигени молекулавиро фаъол мекунад, ки шарти пешакии дигидроксилшавии субстрат аст (Ferraro et al., 2005). То имрӯз, танҳо чанд NDO аз штаммҳои гуногун тоза ва муфассал тавсиф шудаанд ва назорати генетикии роҳҳои иштирок дар таҷзияи нафталин ба таври муфассал омӯхта шудааст (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Диоксигеназаҳои ҳалқабандишаванда (ферментҳои эндо- ё орто-ҳалқабандишаванда ва ферментҳои экзодиол- ё мета-ҳалқабандишаванда) ба пайвастагиҳои ароматии гидроксилшуда таъсир мерасонанд. Масалан, диоксигеназаи орто-ҳалқабандишаванда катехол-1,2-диоксигеназа мебошад, дар ҳоле ки диоксигеназаи мета-ҳалқабандишаванда катехол-2,3-диоксигеназа мебошад (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Илова бар оксигеназаҳои гуногун, инчунин дегидрогеназаҳои гуногун мавҷуданд, ки барои дегидрогенизатсияи дигидродиолҳои ароматӣ, спиртҳо ва алдегидҳо ва истифодаи NAD+/NADP+ ҳамчун қабулкунандагони электронӣ масъуланд, ки баъзе аз ферментҳои муҳими иштирок дар мубодилаи моддаҳо мебошанд (Gibson and Subramanian, 1984; Shaw and Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Ферментҳо ба монанди гидролазҳо (эстеразаҳо, амидазаҳо) синфи дуюми муҳими ферментҳо мебошанд, ки обро барои буридани пайвандҳои ковалентӣ истифода мебаранд ва хосияти васеи субстратро нишон медиҳанд. Карбарил гидролаза ва дигар гидролазаҳо ҷузъҳои периплазма (трансмембран) дар аъзои бактерияҳои грам-манфӣ ҳисобида мешаванд (Камини ва дигарон, 2018). Карбарил ҳам пайванди амидӣ ва ҳам пайванди эфирӣ дорад; аз ин рӯ, онро метавон бо эстераза ё амидаза гидролиз кард, то 1-нафтолро ташкил диҳад. Гузориш дода шудааст, ки карбарил дар штамми Rhizobium rhizobium AC10023 ва штамми Arthrobacter RC100 мутаносибан ҳамчун эстераза ва амидаза амал мекунанд. Карбарил дар штамми Arthrobacter RC100 низ ҳамчун амидаза амал мекунад. Нишон дода шудааст, ки RC100 чор инсектисиди синфи N-метилкарбамат, аз қабили карбарил, метомил, кислотаи мефенамин ва XMC-ро гидролиз мекунад (Hayaatsu et al., 2001). Гузориш дода шудааст, ки CH дар Pseudomonas sp. C5pp метавонад ба карбарил (фаъолияти 100%) ва 1-нафтил ацетат (фаъолияти 36%) таъсир расонад, аммо ба 1-нафтилацетамид не, ки нишон медиҳад, ки он эстераза аст (Trivedi et al., 2016).
Таҳқиқоти биохимиявӣ, намунаҳои танзими ферментҳо ва таҳлили генетикӣ нишон доданд, ки генҳои деградатсияи нафталин аз ду воҳиди танзимкунандаи индуксионӣ ё "оперонҳо" иборатанд: nah ("роҳи болооб", табдил додани нафталин ба кислотаи салитсилӣ) ва sal ("роҳи поёноб", табдил додани кислотаи салитсилӣ ба роҳи карбони марказӣ тавассути катехол). Кислотаи салитсилӣ ва аналогҳои он метавонанд ҳамчун индукторҳо амал кунанд (Shamsuzzaman ва Barnsley, 1974). Дар ҳузури глюкоза ё кислотаҳои органикӣ, оперон пахш карда мешавад. Расми 5 ташкили пурраи генетикии деградатсияи нафталинро (дар шакли оперон) нишон медиҳад. Якчанд вариантҳо/шаклҳои номбаршудаи гени nah (ndo/pah/dox) тавсиф шудаанд ва муайян карда шудаанд, ки дар байни ҳамаи намудҳои Pseudomonas гомологияи пайдарпайии баланд (90%) доранд (Abbasian et al., 2016). Генҳои роҳи болооби нафталин умуман бо тартиби консенсус ҷойгир карда шудаанд, чунон ки дар расми 5A нишон дода шудааст. Гузориш дода шудааст, ки гени дигар, nahQ, низ дар мубодилаи нафталин иштирок мекунад ва одатан дар байни nahC ва nahE ҷойгир буд, аммо вазифаи воқеии он ҳанӯз равшан нашудааст. Ба ҳамин монанд, гени nahY, ки барои хемотаксиси ҳассос ба нафталин масъул аст, дар охири дисталии оперони nah дар баъзе узвҳо пайдо шуд. Дар Ralstonia sp., гени U2, ки глутатион S-трансфераза (gsh)-ро рамзгузорӣ мекунад, дар байни nahAa ва nahAb ҷойгир буд, аммо ба хусусиятҳои истифодаи нафталин таъсир нарасонд (Zylstra et al., 1997).
Расми 5. Сохтори генетикӣ ва гуногуние, ки ҳангоми таҷзияи нафталин дар байни намудҳои бактериявӣ мушоҳида мешавад; (A) Роҳи болоии нафталин, мубодилаи нафталин ба кислотаи салитсилӣ; (B) Роҳи поёнии нафталин, кислотаи салитсилӣ тавассути катехол ба роҳи карбони марказӣ; (C) кислотаи салитсилӣ тавассути гентисат ба роҳи карбони марказӣ.
«Роҳи поёнӣ» (оперони сал) одатан аз nahGTHINLMOKJ иборат аст ва салицилатро ба пируват ва ацетальдегид тавассути роҳи метаболизатсияи катехол табдил медиҳад. Гени nahG (ки гидроксилазаи салицилатро рамзгузорӣ мекунад) дар охири проксималии оперон нигоҳ дошта шудааст (Расми 5B). Дар муқоиса бо дигар штаммҳои вайронкунандаи нафталин, дар P. putida CSV86 оперонҳои nah ва sal якхелаанд ва хеле наздиканд (тақрибан 7,5 кб). Дар баъзе бактерияҳои грам-манфӣ, ба монанди Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 ва P. putida AK5, нафталин ҳамчун метаболити карбони марказӣ тавассути роҳи гентисат (дар шакли оперони sgp/nag) мубодила мешавад. Кассетаи ген одатан дар шакли nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI ифода меёбад, ки дар он nagR (рамзгузори танзимгари навъи LysR) дар охири болоӣ ҷойгир аст (Расми 5C).
Карбарил тавассути мубодилаи моддаҳои 1-нафтол, 1,2-дигидроксинафталин, кислотаи салисилӣ ва кислотаи гентисӣ ба давраи карбонии марказӣ ворид мешавад (Расми 3). Бар асоси таҳқиқоти генетикӣ ва метаболикӣ, пешниҳод шудааст, ки ин роҳ ба "боло" (табдилёбии карбарил ба кислотаи салисилӣ), "миёна" (табдилёбии кислотаи салисилӣ ба кислотаи гентисӣ) ва "поён" (табдилёбии кислотаи гентисӣ ба миёнаравҳои роҳи карбонии марказӣ) тақсим карда шавад (Singh et al., 2013). Таҳлили геномии C5pp (supercontig A, 76.3 kb) нишон дод, ки гени mcbACBDEF дар табдили карбарил ба кислотаи салитсилӣ иштирок мекунад, баъдан mcbIJKL дар табдили кислотаи салитсилӣ ба кислотаи гентисӣ ва mcbOQP дар табдили кислотаи гентисӣ ба миёнаравҳои карбони марказӣ (фумарат ва пируват, Триведи ва дигарон, 2016) иштирок мекунад (Расми 6).
Гузориш дода шудааст, ки ферментҳое, ки дар таҷзияи карбогидридҳои ароматӣ (аз ҷумла нафталин ва кислотаи салисилӣ) иштирок мекунанд, метавонанд аз ҷониби пайвастагиҳои мувофиқ индуксия карда шаванд ва аз ҷониби манбаъҳои оддии карбон, ба монанди глюкоза ё кислотаҳои органикӣ боздоранд (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Дар байни роҳҳои гуногуни мубодилаи моддаҳои нафталин ва ҳосилаҳои он, хусусиятҳои танзимкунандаи нафталин ва карбарил то андозае омӯхта шудаанд. Барои нафталин, генҳо дар ҳам роҳҳои болооб ва ҳам поёноб аз ҷониби NahR, як танзимгари мусбати транс-активии навъи LysR танзим карда мешаванд. Он барои индуксияи гени nah аз ҷониби кислотаи салисилӣ ва ифодаи минбаъдаи сатҳи баланди он зарур аст (Yen and Gunsalus, 1982). Ғайр аз ин, таҳқиқот нишон доданд, ки омили интегративии мизбон (IHF) ва XylR (танзимгари транскрипсияи вобаста ба sigma 54) низ барои фаъолсозии транскрипсияи генҳо дар мубодилаи моддаҳои нафталин муҳиманд (Ramos et al., 1997). Таҳқиқот нишон доданд, ки ферментҳои роҳи кушодани ҳалқаи мета-катехол, яъне катехол 2,3-диоксигеназа, дар ҳузури нафталин ва/ё кислотаи салисилӣ ба вуҷуд меоянд (Басу ва дигарон, 2006). Таҳқиқот нишон доданд, ки ферментҳои роҳи кушодани ҳалқаи орто-катехол, яъне катехол 1,2-диоксигеназа, дар ҳузури кислотаи бензой ва cis,cis-муконат ба вуҷуд меоянд (Парсек ва дигарон, 1994; Товер ва дигарон, 2001).
Дар штамми C5pp, панҷ ген, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR ва mcbS, танзимгаронеро рамзгузорӣ мекунанд, ки ба оилаи LysR/TetR танзимгарони транскрипсия мансубанд, ки барои назорати таҷзияи карбарил масъуланд. Муайян карда шуд, ки гени гомологии mcbG бо танзимгари навъи LysR PhnS (58% аминокислотаи аминокислота), ки дар мубодилаи фенантрен дар Burkholderia RP00725 иштирок мекунад, бештар алоқаманд аст (Trivedi et al., 2016). Муайян карда шуд, ки гени mcbH дар роҳи мобайнӣ (табдилёбии кислотаи салисилӣ ба кислотаи гентисӣ) иштирок мекунад ва ба танзимгари транскрипсияи навъи LysR NagR/DntR/NahR дар Pseudomonas ва Burkholderia тааллуқ дорад. Гузориш дода шуд, ки аъзоёни ин оила кислотаи салисилиро ҳамчун молекулаи эффектори мушаххас барои индуксияи генҳои таҷзия эътироф мекунанд. Аз тарафи дигар, се ген, mcbN, mcbR ва mcbS, ки ба танзимгарони транскрипсияи навъи LysR ва TetR тааллуқ доранд, дар роҳи поёноб (метаболитҳои роҳи карбонии гентизат-марказӣ) муайян карда шуданд.
Дар прокариотҳо, равандҳои интиқоли уфуқии генҳо (ба даст овардан, мубодила ё интиқол) тавассути плазмидҳо, транспозонҳо, профагҳо, ҷазираҳои геномӣ ва унсурҳои конъюгативии интегративӣ (ICE) сабабҳои асосии пластикӣ дар геномҳои бактериявӣ мебошанд, ки боиси ба даст овардан ё аз даст додани функсияҳо/хусусиятҳои мушаххас мегарданд. Ин ба бактерияҳо имкон медиҳад, ки зуд ба шароити гуногуни муҳити зист мутобиқ шаванд ва барои мизбон бартариҳои эҳтимолии мутобиқшавандаи мубодилаи моддаҳо, ба монанди вайроншавии пайвастагиҳои хушбӯй, фароҳам меоранд. Тағйироти мубодилаи моддаҳо аксар вақт тавассути танзими дақиқи оперонҳои вайроншавӣ, механизмҳои танзимкунандаи онҳо ва хосиятҳои ферментҳо ба даст оварда мешаванд, ки вайроншавии доираи васеи пайвастагиҳои хушбӯйро осон мекунад (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Муайян карда шудааст, ки кассетаҳои генҳо барои вайроншавии нафталин дар як қатор унсурҳои мобилӣ, ба монанди плазмидҳо (конъюгативӣ ва ғайриконъюгативӣ), транспозонҳо, геномҳо, ICE-ҳо ва комбинатсияҳои намудҳои гуногуни бактерияҳо ҷойгиранд (Расми 5). Дар Pseudomonas G7, оперонҳои nah ва sal-и плазмида NAH7 дар як самт транскрипсия шудаанд ва қисми транспозони ноқис мебошанд, ки барои сафарбаркунӣ транспозаза Tn4653-ро талаб мекунад (Sota et al., 2006). Дар штамми Pseudomonas NCIB9816-4, ген дар плазмиди конъюгативии pDTG1 ҳамчун ду оперон (тақрибан 15 кб аз ҳамдигар) ёфт шуд, ки дар самтҳои муқобил транскрипсия шудаанд (Dennis and Zylstra, 2004). Дар штамми Pseudomonas putida AK5, плазмиди ғайриконъюгативии pAK5 ферментеро, ки барои таҷзияи нафталин масъул аст, тавассути роҳи гентисат рамзгузорӣ мекунад (Izmalkova et al., 2013). Дар штамми Pseudomonas PMD-1, оперони nah дар хромосома ҷойгир аст, дар ҳоле ки оперони sal дар плазмидаи конъюгативии pMWD-1 ҷойгир аст (Zuniga et al., 1981). Аммо, дар Pseudomonas stutzeri AN10, ҳамаи генҳои таҷзияи нафталин (nah ва оперонҳои sal) дар хромосома ҷойгиранд ва эҳтимолан тавассути транспозиция, рекомбинатсия ва аз нав ташкилкунӣ ҷалб карда мешаванд (Bosch et al., 2000). Дар Pseudomonas sp. CSV86, оперонҳои nah ва sal дар геном ба шакли ICE (ICECSV86) ҷойгиранд. Сохтор аз ҷониби tRNAGly ҳифз карда мешавад ва пас аз он такрорҳои мустақим бо нишон додани маконҳои рекомбинатсия/пайвастшавӣ (attR ва attL) ва интегразаи монанд ба фаг, ки дар ҳарду нӯги tRNAGly ҷойгир аст, ба амал меоянд, ки аз ҷиҳати сохторӣ ба унсури ICEclc (ICEclcB13 дар Pseudomonas knackmusii барои таҷзияи хлорокатехол) монанд аст. Гузориш дода шудааст, ки генҳо дар ICE метавонанд тавассути конъюгасия бо басомади хеле пасти интиқол (10-8) интиқол дода шаванд ва бо ин васила хосиятҳои таҷзияро ба гиранда интиқол диҳанд (Basu ва Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Аксари генҳое, ки барои таҷзияи карбарил масъуланд, дар плазмидҳо ҷойгиранд. Arthrobacter sp. RC100 се плазмид (pRC1, pRC2 ва pRC300) дорад, ки аз онҳо ду плазмиди конъюгативӣ, pRC1 ва pRC2, ферментҳоеро рамзгузорӣ мекунанд, ки карбарилро ба гентизат табдил медиҳанд. Аз тарафи дигар, ферментҳое, ки дар табдили гентизат ба метаболитҳои карбони марказӣ иштирок мекунанд, дар хромосома ҷойгиранд (Hayaatsu et al., 1999). Бактерияҳои ҷинси Rhizobium. Штамми AC100, ки барои табдили карбарил ба 1-нафтол истифода мешавад, плазмиди pAC200-ро дар бар мегирад, ки гени cehA-ро рамзгузорӣ мекунад, ки CH-ро ҳамчун як қисми транспозони Tnceh, ки бо пайдарпайиҳои элементмонанди воридшавӣ (istA ва istB) иҳота шудааст, дар бар мегирад (Hashimoto et al., 2002). Дар штамми Sphingomonas CF06, гени деградатсияи карбарил дар панҷ плазмид мавҷуд аст: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 ва pCF05. Гомологияи ДНК-и ин плазмидҳо баланд аст, ки аз мавҷудияти ҳодисаи дучандшавии ген шаҳодат медиҳад (Feng et al., 1997). Дар симбионти деградатсияи карбарил, ки аз ду намуди Pseudomonas иборат аст, штамми 50581 дорои плазмиди конъюгативӣ pCD1 (50 kb) мебошад, ки гени карбарил гидролазаи mcd-ро рамзгузорӣ мекунад, дар ҳоле ки плазмиди конъюгативӣ дар штамми 50552 ферменти 1-нафтоли деградатсиякунандаро рамзгузорӣ мекунад (Chapalamadugu ва Chaudhry, 1991). Дар штамми Achromobacter WM111, гени furadan гидролазаи mcd дар плазмиди 100 kb (pPDL11) ҷойгир аст. Нишон дода шудааст, ки ин ген дар плазмидҳои гуногун (100, 105, 115 ё 124 кб) дар бактерияҳои гуногун аз минтақаҳои гуногуни ҷуғрофӣ мавҷуд аст (Парек ва дигарон, 1995). Дар Pseudomonas sp. C5pp, ҳамаи генҳое, ки барои вайроншавии карбарил масъуланд, дар геноме ҷойгиранд, ки 76,3 кб пайдарпайиро фаро мегирад (Триведи ва дигарон, 2016). Таҳлили геном (6,15 Мб) мавҷудияти 42 MGE ва 36 GEI-ро нишон дод, ки аз он 17 MGE дар суперконтиг А (76,3 кб) бо миқдори миёнаи асимметрии G+C (54-60 мол%) ҷойгир буданд, ки эҳтимолияти интиқоли генҳои уфуқиро нишон медиҳад (Триведи ва дигарон, 2016). P. putida XWY-1 тартиби шабеҳи генҳои вайронкунандаи карбарилро нишон медиҳад, аммо ин генҳо дар плазмид ҷойгиранд (Зху ва дигарон, 2019).
Илова бар самаранокии мубодилаи моддаҳо дар сатҳҳои биохимиявӣ ва геномӣ, микроорганизмҳо инчунин хосиятҳо ё вокунишҳои дигарро, ба монанди хемотаксис, хосиятҳои тағйири сатҳи ҳуҷайра, тақсимкунӣ, истифодаи афзалиятнок, истеҳсоли биосурфактант ва ғайра, нишон медиҳанд, ки ба онҳо дар мубодилаи самараноки ифлоскунандаҳои хушбӯй дар муҳитҳои олуда кӯмак мекунанд (Расми 7).
Расми 7. Стратегияҳои гуногуни вокуниши ҳуҷайравии бактерияҳои идеалии ароматии вайронкунандаи карбогидридҳо барои биодеградатсияи самараноки пайвастагиҳои ифлоскунандаи бегона.
Вокунишҳои хемотаксисӣ омилҳое ҳисобида мешаванд, ки вайроншавии ифлоскунандаҳои органикиро дар экосистемаҳои гетерогенӣ ифлос мекунанд. (2002) нишон доданд, ки хемотаксисии Pseudomonas sp. G7 ба нафталин суръати вайроншавии нафталинро дар системаҳои обӣ зиёд кардааст. Штамми навъи ваҳшӣ G7 нафталинро нисбат ба штамми мутанти норасоии хемотаксис хеле зудтар вайрон кардааст. Муайян карда шуд, ки сафедаи NahY (538 аминокислотаҳо бо топологияи мембрана) бо генҳои роҳи метаклеаваж дар плазмиди NAH7 якҷоя транскрипсия шудааст ва мисли трансдусерҳои хемотаксис, ин сафеда ҳамчун хеморетсептор барои вайроншавии нафталин амал мекунад (Grimm and Harwood 1997). Тадқиқоти дигари Hansel et al. (2009) нишон дод, ки сафеда хемотаксисӣ аст, аммо суръати вайроншавии он баланд аст. (2011) вокуниши хемотаксикии Pseudomonas (P. putida)-ро ба нафталини газӣ нишон доданд, ки дар он диффузияи фазаи газ боиси ҷараёни устувори нафталин ба ҳуҷайраҳо гардид, ки вокуниши хемотаксикии ҳуҷайраҳоро назорат мекард. Муҳаққиқон ин рафтори хемотаксикиро барои тарроҳии микробҳое истифода бурданд, ки суръати таҷзияро афзоиш медиҳанд. Таҳқиқот нишон доданд, ки роҳҳои хемосенсорӣ инчунин дигар вазифаҳои ҳуҷайравиро, ба монанди тақсимоти ҳуҷайра, танзими давраи ҳуҷайра ва ташаккули биофилм, танзим мекунанд ва бо ин васила ба назорати суръати таҷзия мусоидат мекунанд. Аммо, истифодаи ин хосият (хемотаксис) барои таҷзияи самаранок аз ҷониби якчанд монеаҳо халалдор мешавад. Монеаҳои асосӣ инҳоянд: (а) ретсепторҳои гуногуни паралогӣ ҳамон пайвастагиҳо/лигандҳоро мешиносанд; (б) мавҷудияти ретсепторҳои алтернативӣ, яъне тропизми энергетикӣ; (в) фарқиятҳои назарраси пайдарпайӣ дар доменҳои ҳиссии ҳамон оилаи ретсепторҳо; ва (г) набудани маълумот дар бораи сафедаҳои асосии сенсории бактериявӣ (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Баъзан, биодеградатсияи карбогидридҳои ароматикӣ метаболитҳо/миёнаравҳои сершуморро ба вуҷуд меорад, ки метавонанд барои як гурӯҳи бактерияҳо хемотактикӣ бошанд, аммо барои дигарон нафратовар бошанд, ки ин равандро боз ҳам мураккабтар мекунад. Барои муайян кардани таъсири мутақобилаи лигандҳо (карбогидридҳои ароматикӣ) бо ретсепторҳои кимиёвӣ, мо сафедаҳои сенсории гибридӣ (PcaY, McfR ва NahY)-ро бо роҳи якҷоя кардани доменҳои сенсорӣ ва сигнализатсияи Pseudomonas putida ва Escherichia coli, ки мутаносибан ретсепторҳои кислотаҳои ароматикӣ, миёнаравҳои TCA ва нафталинро ҳадаф қарор медиҳанд, сохтем (Luu et al., 2019).
Таҳти таъсири нафталин ва дигар карбогидридҳои ароматии полисиклӣ (PAHs), сохтори мембранаи бактериявӣ ва якпорчагии микроорганизмҳо тағйироти назаррасро аз сар мегузаронанд. Таҳқиқотҳо нишон доданд, ки нафталин тавассути таъсири мутақобилаи гидрофобӣ ба таъсири занҷири асил халал мерасонад ва бо ин васила варам ва моеъияти мембранаро зиёд мекунад (Sikkema et al., 1995). Барои муқовимат ба ин таъсири зараровар, бактерияҳо моеъияти мембранаро тавассути тағир додани таносуб ва таркиби кислотаҳои равғанӣ байни кислотаҳои равғании занҷири шохадори изо/антеизо ва изомеризатсияи кислотаҳои равғании cis-сершуда ба транс-изомерҳои мувофиқ танзим мекунанд (Heipieper and de Bont, 1994). Дар Pseudomonas stutzeri, ки дар коркарди нафталин парвариш карда мешавад, таносуби кислотаҳои равғании сершуда ба сершуда аз 1.1 то 2.1 афзоиш ёфт, дар ҳоле ки дар Pseudomonas JS150 ин таносуб аз 7.5 то 12.0 афзоиш ёфт (Mrozik et al., 2004). Ҳангоми парвариш дар нафталин, ҳуҷайраҳои Achromobacter KAs 3-5 агрегатсияи ҳуҷайраҳоро дар атрофи кристаллҳои нафталин ва коҳиши заряди сатҳи ҳуҷайра (аз -22.5 то -2.5 мВ) нишон доданд, ки бо конденсатсияи ситоплазмавӣ ва вакуолизатсия ҳамроҳ буд, ки ин аз тағйирот дар сохтори ҳуҷайра ва хосиятҳои сатҳи ҳуҷайра шаҳодат медиҳад (Mohapatra et al., 2019). Гарчанде ки тағйироти ҳуҷайра/сатҳ мустақиман бо ҷабби беҳтари ифлоскунандаҳои хушбӯй алоқаманданд, стратегияҳои дахлдори биоинженерӣ пурра оптимизатсия нашудаанд. Манипуляцияи шакли ҳуҷайра барои оптимизатсияи равандҳои биологӣ кам истифода шудааст (Volke and Nikel, 2018). Нест кардани генҳое, ки ба тақсимоти ҳуҷайра таъсир мерасонанд, боиси тағйирот дар морфологияи ҳуҷайра мешаванд. Нест кардани генҳое, ки ба тақсимоти ҳуҷайра таъсир мерасонанд, боиси тағйирот дар морфологияи ҳуҷайра мешаванд. Дар Bacillus subtilis, нишон дода шудааст, ки сафедаи септуми ҳуҷайра SepF дар ташаккули септум иштирок мекунад ва барои марҳилаҳои минбаъдаи тақсимоти ҳуҷайра зарур аст, аммо он гени муҳим нест. Нест кардани генҳое, ки гидролазаҳои пептид-гликанро дар Bacillus subtilis рамзгузорӣ мекунанд, боиси дарозшавии ҳуҷайраҳо, афзоиши суръати афзоиши мушаххас ва беҳтар шудани қобилияти истеҳсоли ферментҳо гардид (Cui et al., 2018).
Барои ноил шудан ба таҷзияи самараноки штаммҳои Pseudomonas C5pp ва C7, тақсимоти роҳи таҷзияи карбарил пешниҳод шудааст (Kamini et al., 2018). Пешниҳод шудааст, ки карбарил тавассути септуми мембранаи берунӣ ва/ё тавассути поринҳои диффузишаванда ба фазои периплазмӣ интиқол дода шавад. CH як ферменти периплазмӣ аст, ки гидролизи карбарилро ба 1-нафтол катализ мекунад, ки устувортар, гидрофобтар ва заҳролудтар аст. CH дар периплазма ҷойгир аст ва ба карбарил аффинияти паст дорад, ки ба ин васила ташаккули 1-нафтолро назорат мекунад ва бо ин роҳ ҷамъшавии онро дар ҳуҷайраҳо пешгирӣ мекунад ва заҳролудии онро ба ҳуҷайраҳо коҳиш медиҳад (Kamini et al., 2018). 1-нафтоли ҳосилшуда тавассути тақсимшавӣ ва/ё диффузия ба ситоплазма тавассути мембранаи дохилӣ интиқол дода мешавад ва сипас бо ферменти аффинии баланд 1NH барои мубодилаи минбаъда дар роҳи карбони марказӣ ба 1,2-дигидроксинафталин гидроксил мешавад.
Гарчанде ки микроорганизмҳо қобилиятҳои генетикӣ ва метаболикӣ барои вайрон кардани манбаъҳои карбони ксенобиотик доранд, сохтори иерархии истифодаи онҳо (яъне истифодаи бартарии манбаъҳои карбони оддӣ нисбат ба манбаъҳои карбони мураккаб) монеаи асосии вайроншавии биологӣ мебошад. Мавҷудият ва истифодаи манбаъҳои карбони оддӣ генҳоро рамзгузори ферментҳоеро, ки манбаъҳои карбони мураккаб/ғайриафзалиятнок ба монанди PAH-ҳоро вайрон мекунанд, паст мекунад. Мисоли хуб омӯхташуда ин аст, ки вақте ки глюкоза ва лактоза якҷоя ба Escherichia coli дода мешаванд, глюкоза нисбат ба лактоза самараноктар истифода мешавад (Jacob and Monod, 1965). Гузориш дода шудааст, ки Pseudomonas як қатор PAH ва пайвастагиҳои ксенобиотикиро ҳамчун манбаъҳои карбон вайрон мекунад. Иерархияи истифодаи манбаъҳои карбон дар Pseudomonas кислотаҳои органикӣ > глюкоза > пайвастагиҳои хушбӯй аст (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Аммо, як истисно вуҷуд дорад. Ҷолиб он аст, ки Pseudomonas sp. CSV86 сохтори беназири иерархиро нишон медиҳад, ки ба ҷои глюкоза карбогидридҳои ароматикӣ (кислотаи бензой, нафталин ва ғайра)-ро афзалтар истифода мебарад ва карбогидридҳои ароматиро бо кислотаҳои органикӣ якҷоя мубодила мекунад (Basu et al., 2006). Дар ин бактерия, генҳои таҷзия ва интиқоли карбогидридҳои ароматикӣ ҳатто дар ҳузури манбаи дуюми карбон, ба монанди глюкоза ё кислотаҳои органикӣ, паст карда намешаванд. Ҳангоми парвариш дар муҳити глюкоза ва карбогидридҳои ароматикӣ, мушоҳида шуд, ки генҳои интиқол ва мубодилаи глюкоза паст карда шудаанд, карбогидридҳои ароматикӣ дар марҳилаи аввали логарифмӣ ва глюкоза дар марҳилаи дуюми логарифмӣ истифода шудаанд (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Аз тарафи дигар, мавҷудияти кислотаҳои органикӣ ба ифодаи мубодилаи карбогидридҳои ароматикӣ таъсир нарасонидааст, аз ин рӯ интизор меравад, ки ин бактерия штамми номзад барои таҳқиқоти биодеградатсия бошад (Phale et al., 2020).
Маълум аст, ки биотабдилёбии карбогидридҳо метавонад боиси стресси оксидшавӣ ва баланд шудани танзими ферментҳои антиоксидантӣ дар микроорганизмҳо гардад. Биодеградатсияи нокифояи нафталин ҳам дар ҳуҷайраҳои фазаи статсионарӣ ва ҳам дар ҳузури пайвастагиҳои заҳролуд боиси пайдоиши намудҳои реактивии оксиген (ROS) мегардад (Kang et al. 2006). Азбаски ферментҳои деградатсиякунандаи нафталин кластерҳои оҳан-сулфурро дар бар мегиранд, дар зери стресси оксидшавӣ, оҳан дар гем ва сафедаҳои оҳан-сулфур оксид мешаванд, ки боиси ғайрифаъолшавии сафедаҳо мегардад. Ферредоксин-NADP+ редуктаза (Fpr), дар якҷоягӣ бо супероксиддисмутаза (SOD), реаксияи баръакси оксидшавӣ-баргардонидашавандаро байни NADP+/NADPH ва ду молекулаи ферредоксин ё флаводоксин ба вуҷуд меорад ва бо ин васила ROS-ро тоза мекунад ва маркази оҳан-сулфурро дар зери стресси оксидшавӣ барқарор мекунад (Li et al. 2006). Гузориш дода шудааст, ки ҳам Fpr ва ҳам SodA (SOD) дар Pseudomonas метавонанд аз ҷониби стресси оксидӣ ба вуҷуд оянд ва афзоиши фаъолияти SOD ва каталаза дар чор штамми Pseudomonas (O1, W1, As1 ва G1) ҳангоми афзоиш дар шароити иловагии нафталин мушоҳида шудааст (Kang et al., 2006). Таҳқиқот нишон доданд, ки илова кардани антиоксидантҳо ба монанди кислотаи аскорбин ё оҳани оҳанӣ (Fe2+) метавонад суръати афзоиши нафталинро афзоиш диҳад. Вақте ки Rhodococcus erythropolis дар муҳити нафталин афзоиш ёфт, транскрипсияи генҳои цитохроми P450, ки ба стресси оксидӣ алоқаманданд, аз ҷумла sodA (Fe/Mn супероксид дисмутаза), sodC (Cu/Zn супероксид дисмутаза) ва recA зиёд шуд (Sazykin et al., 2019). Таҳлили муқоисавии миқдории протеомикии ҳуҷайраҳои Pseudomonas, ки дар нафталин парвариш карда шудаанд, нишон дод, ки баланд бардоштани сатҳи сафедаҳои гуногун, ки бо вокуниши оксидитивии стресс алоқаманданд, як стратегияи мубориза бо стресс аст (Herbst et al., 2013).
Гузориш дода шудааст, ки микроорганизмҳо биосурфактантҳоро таҳти таъсири манбаъҳои карбони гидрофобӣ истеҳсол мекунанд. Ин сурфактантҳо пайвастагиҳои фаъоли сатҳи амфифилӣ мебошанд, ки метавонанд дар сарҳадҳои нафт-об ё ҳаво-об агрегатҳо ташкил кунанд. Ин ба ҳалшавии псевдо мусоидат мекунад ва адсорбсияи карбогидридҳои ароматикӣ мусоидат мекунад, ки боиси биодеградатсияи самаранок мегардад (Раҳман ва дигарон, 2002). Аз сабаби ин хосиятҳо, биосурфактантҳо дар соҳаҳои гуногун ба таври васеъ истифода мешаванд. Илова кардани сурфактантҳои кимиёвӣ ё биосурфактантҳо ба фарҳангҳои бактериявӣ метавонад самаранокӣ ва суръати таҷзияи карбогидридҳоро афзоиш диҳад. Дар байни биосурфактантҳо, рамнолипидҳои истеҳсолшуда аз ҷониби Pseudomonas aeruginosa ба таври васеъ омӯхта ва тавсиф шудаанд (Ҳисатсука ва дигарон, 1971; Раҳман ва дигарон, 2002). Илова бар ин, дигар намудҳои биосурфактантҳо липопептидҳо (мусинҳо аз Pseudomonas fluorescens), эмульгатор 378 (аз Pseudomonas fluorescens) (Розенберг ва Рон, 1999), липидҳои дисахариди трегалоза аз Rhodococcus (Ramdahl, 1985), лихенини Bacillus (Saraswathy ва Hallberg, 2002) ва сурфактанти Bacillus subtilis (Siegmund ва Wagner, 1991) ва Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017)-ро дар бар мегиранд. Нишон дода шудааст, ки ин сурфактантҳои пурқувват шиддати сатҳро аз 72 дин/см то камтар аз 30 дин/см кам мекунанд, ки ин имкон медиҳад, ки карбогидридҳо беҳтар ҷаббида шаванд. Гузориш дода шудааст, ки Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia ва дигар намудҳои бактериявӣ метавонанд ҳангоми парвариш дар муҳити нафталин ва метилнафталин бисурфактантҳои гуногуни рамнолипидӣ ва гликолипидӣ истеҳсол кунанд (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 метавонад ҳангоми парвариш дар пайвастагиҳои хушбӯй, ба монанди кислотаи нафтоиӣ, бисурфактанти берун аз ҳуҷайравии Biosur-Pm истеҳсол кунад (Phale et al., 1995). Кинетикаи ташаккули Biosur-Pm нишон дод, ки синтези он раванди вобаста ба афзоиш ва рН аст. Муайян карда шуд, ки миқдори Biosur-Pm, ки аз ҷониби ҳуҷайраҳо дар рН-и бетараф истеҳсол мешавад, нисбат ба рН 8.5 зиёдтар буд. Ҳуҷайраҳои дар рН 8.5 парваришёфта нисбат ба ҳуҷайраҳои дар рН 7.0 парваришёфта гидрофобӣтар буданд ва ба пайвастагиҳои хушбӯй ва алифатӣ майли бештар доштанд. Дар Rhodococcus spp. N6, таносуби баланди карбон ба нитроген (C:N) ва маҳдудияти оҳан шароити беҳтарин барои истеҳсоли биосурфактантҳои берун азҳуҷайравӣ мебошанд (Mutalik et al., 2008). Кӯшишҳо барои беҳтар кардани биосинтези биосурфактантҳо (сурфактинҳо) тавассути беҳсозии штаммҳо ва ферментатсия анҷом дода шудаанд. Бо вуҷуди ин, титри сурфактант дар муҳити парвариш паст аст (1.0 г/л), ки барои истеҳсоли миқёси калон мушкилот эҷод мекунад (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Аз ин рӯ, усулҳои муҳандисии генетикӣ барои беҳтар кардани биосинтези он истифода шудаанд. Аммо, тағир додани муҳандисии он аз сабаби андозаи калони оперон (~25 кб) ва танзими мураккаби биосинтезии системаи ҳассосияти кворум душвор аст (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Як қатор тағйироти муҳандисии генетикӣ дар бактерияҳои Bacillus анҷом дода шудаанд, ки асосан барои афзоиши истеҳсоли сурфактин тавассути иваз кардани промотор (оперони srfA), аз ҳад зиёд ифода кардани сафедаи содироти сурфактин YerP ва омилҳои танзимкунанда ComX ва PhrC равона шудаанд (Jiao et al., 2017). Аммо, ин усулҳои муҳандисии генетикӣ танҳо як ё якчанд тағйироти генетикиро ба даст овардаанд ва ҳанӯз ба истеҳсоли тиҷоратӣ нарасидаанд. Аз ин рӯ, омӯзиши минбаъдаи усулҳои оптимизатсияи донишӣ зарур аст.
Таҳқиқоти биодеградатсияи PAH асосан дар шароити стандартии лабораторӣ гузаронида мешаванд. Бо вуҷуди ин, дар ҷойҳои олуда ё дар муҳитҳои олуда, бисёр омилҳои абиотикӣ ва биотикӣ (ҳарорат, рН, оксиген, мавҷудияти маводи ғизоӣ, мавҷудияти биодастрасии субстрат, дигар ксенобиотикҳо, боздории маҳсулоти ниҳоӣ ва ғайра) қобилияти деградатсияи микроорганизмҳоро тағйир медиҳанд ва ба онҳо таъсир мерасонанд.
Ҳарорат ба таҷзияи биологии PAH таъсири назаррас мерасонад. Бо баланд шудани ҳарорат, консентратсияи оксигени ҳалшуда коҳиш меёбад, ки ба мубодилаи моддаҳои микроорганизмҳои аэробӣ таъсир мерасонад, зеро онҳо оксигени молекулавиро ҳамчун яке аз субстратҳо барои оксигеназаҳое, ки реаксияҳои гидроксилшавӣ ё ҳалқавии таҷзияро анҷом медиҳанд, талаб мекунанд. Аксар вақт қайд карда мешавад, ки ҳарорати баланд PAH-ҳои аслиро ба пайвастагиҳои заҳрноктар табдил медиҳад ва бо ин роҳ таҷзияи биологиро бозмедорад (Muller et al., 1998).
Қайд шудааст, ки бисёре аз маконҳои олуда бо PAH арзишҳои рН-и аз ҳад зиёд доранд, ба монанди маконҳои олуда бо дренажи кислотавии конҳо (рН 1-4) ва маконҳои газикунонии гази табиӣ/ангишт, ки бо лойқаи ишқорӣ олуда шудаанд (рН 8-12). Ин шароитҳо метавонанд ба раванди биодеградатсия таъсири ҷиддӣ расонанд. Аз ин рӯ, пеш аз истифодаи микроорганизмҳо барои биоремедиатсия, тавсия дода мешавад, ки рН-ро бо илова кардани моддаҳои кимиёвии мувофиқ (бо потенсиали оксидшавӣ-камшавии миёна то хеле паст), ба монанди сулфати аммоний ё нитрати аммоний барои хокҳои ишқорӣ ё оҳаккунӣ бо карбонати калсий ё карбонати магний барои маконҳои туршӣ танзим кунед (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020).
Таъмини оксиген ба минтақаи зарардида омили маҳдудкунандаи суръат барои биодеградатсияи PAH мебошад. Аз сабаби шароити оксиду барқароршавии муҳити зист, равандҳои биоремедиатсияи in situ одатан ворид кардани оксигенро аз манбаъҳои беруна (шудгоркунӣ, тозакунии ҳаво ва иловаи кимиёвӣ) талаб мекунанд (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) нишон доданд, ки илова кардани пероксиди магний (пайвастагии озодкунандаи оксиген) ба қабати обии ифлосшуда метавонад пайвастагиҳои BTEX-ро самаранок биоремедиатсия кунад. Таҳқиқоти дигар деградатсияи in situ-и фенол ва BTEX-ро дар қабати обии ифлосшуда тавассути ворид кардани нитрати натрий ва сохтани чоҳҳои истихроҷ барои ба даст овардани биоремедиатсияи самаранок таҳқиқ кард (Bewley and Webb, 2001).