‘t Artikel maak deil oet vaan ‘t oonderzeuksoonderwerp “Gavanceerde bioremediatietechnologieje en synthetische organische verbindinge (SOC) recyclingprocesse”. Bekiek alle 14 artikele
Polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s) mit ‘n lieg moleculair gewiech, zoe es naftaleen en vervange naftaleen (methylnaftaleen, naftoïnezoer, 1-naftil-N-methylcarbamaat, enz.) were väöl gebruuk in versjillende industrieje en zien genotoxisch, mutageen en/of kankerverwekkende organisme. Dees synthetische organische verbindinge (SOC’s) of xenobiotica were besjouwd es prioriteitsverontreinigende stoffe en vörme ‘n serieuze bedreiging veur ‘t globale milieu en de volksgezoondheid. De intensiteit vaan minseleke activiteite (b.v. vergassing vaan kool, olieraffinaasj, oetstoet vaan voertuige en landbouwtoepassinge) bepaolt de concentratie, lot en transport vaan dees alomtegenwoordige en hardnekkige verbindinge. Neve fysieke en chemische behandelings-/verwijderingsmethodes, zien greun en milieuvriendelike technologieje wie bioremediatie, die gebruuk make vaan micro-organisme die in staot zien um POC’s volledig aaf te breke of ze um te zette in neet-giftige bijprodukte, oontstoon es ‘n veilig, kosteneffectief en belaovend alternatief. Versjillende bacteriële soorte die behure tot de phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, en Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus en Paenibacillus), en Actinobacteria (Rhodococcus en Arthrobacter) in de groond microbiota höbbe de vermoge um versjillende organische verbindinge aaf te breke. Metabolische studies, genomica en metagenomische analyse hölpe us de catabolische complexiteit en diversiteit te begriepe die in dees eenvoudige levesvörme aanwezig zien, die wijer kinne weure toegepas veur efficiënte biodegradatie. ‘t Langdurige bestaon vaan PAH’s heet geleid tot de opkoms vaan nuie aafbraokfenotypes door middel vaan horizontale gen euverdrach met behölp vaan genetische eleminte wie plasmide, transposone, bacteriofage, genomische eilande en integratieve conjugatieve eleminte. Systeembiologie en genetische manipulatie vaan specifieke isolate of modelgemeinsjappe (consortia) kinne door middel vaan synergische effecte ‘n oetgebreide, snelle en efficiënte bioremediatie vaan dees PAH’s meugelik make. In deze euverziech riechte veer ons op de versjillende stofwisselingsweeg en diversiteit, genetische samestèlling en diversiteit, en cellulaire reacties/aanpassinge vaan naftaleen en vervange naftaleen-aafbrekende bacterieje. Dit zal ecologische informatie levere veur veldtoepassing en stamoptimalisatie veur efficiënte bioremediatie.
De snelle oontwikkeling vaan industrieje (petrochemische producte, landbouw, medicijne, textielkleurstoffe, cosmetica, enz.) heet bijgedrage aon globale economische welvaart en verbeterde levesstandaard. Deze exponensjele ontwikkeling heet geleid in de produksie vaan ‘n groet aontal synthetiese organiese samesjtèllinge (SOC’s), die were gebruuk um versjèllende produkte te producere. Dees vreemde verbindinge of SOC’s umvatte polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s), pesticide, herbicide, plastificerende middele, kleurstoffe, medicijne, organofosfate, vlamvertragers, vlöchtege organische oplosmiddele, enz. Ze weure oetgezonde in de atmosfeer, aquatische en aardse ecosysteme boebij ze multidimensionale invlood höbbe effecte op versjillende biovörme door middel vaan verandering vaan fysico-chemische eigesjappe en gemeinsjapsstructuur (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Väöl aromatische verontreinigende stoffe höbbe sterke en destructieve gevolge op väöl intacte ecosysteme/biodiversiteitshotspots (b.v. koraalriffe, noordpool-/antarctische ieskappe, hoege bergmere, deepzeesediminte, enz.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Recente geomicrobiologische studies höbbe aongetoond dat de aafzetting vaan synthetische organische stoffe (beveurbeeld aromatische verontreinigende stoffe) en hun aafgeleide op de oppervlakte vaan kunstmaotige gebouwe (gebouwde umgeving) (beveurbeeld cultureel erfgoodlocaties en monumente gemaak vaan graniet, stein, hout en metaol) hun aafbraok versnelt (Gadd Liu et al. 2017; 2018). Minseleke activiteite kinne de biologische aafbraok vaan monumente en gebouwe door lochvervuiling en klimaatverandering versterke en verergere (Liu et al. 2020). Dees organische besmettinge reagere mit waterdamp in de atmosfeer en zètte zich op de structuur neer, wat fysieke en chemische aafbraok vaan ‘t materiaal veroerzaak. Biodegradatie weurt algemein erkind es oongewenste veranderinge in ‘t uterlik en de eigesjappe vaan materiale veroorzaak door levende organisme die ‘t behoud vaan hun beïnvleuje beïnvleuje (Pochon en Jaton, 1967). Wiejere microbiële actie (metabolisme) vaan dees verbindinge kin de structurele integriteit, de behoudseffectiviteit en de culturele waerde vermindere (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Aan de andere kant, in sommige gevalle, is microbieel aanpassing aon en reactie op dees structure gunstig gebleke umtot ze biofilms en aandere besjermende korste vörme die de snelheid vaan verval/ontbinding vermindere (Martino, 2016). Daorum vereist de ontwikkeling vaan effectieve duurzame conservatiestrategieë op de lange termien veur stein-, metaal- en houte monumente ‘n gróndeg begrip vaan de belangriekste processe die in dit perces betrokke zien. Vergeleke mit natuurlike processe (geologische processe, bosbranden, völkaonische oetbarstinge, plant- en bacteriële reacties), resulteert minseleke activiteite in de aofgifte vaan groete volume vaan polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s) en aander organische koolstof (OC) in ecosysteme. Väöl PAH’s die in de landbouw weure gebruuk (insecticide en pesticide wie DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorofenol, enz.), in de industrie (ruwe olie, olieslijm/aofval, plastic vaan aardolie, PCB’s, plastificerende middele, wasmiddele, desinfectiemiddele, rookmiddele, geurmiddele en persoeneleke verzorgingsmiddele) (zonnebrandcrèmes, desinfecterende middele, insectenafstotende middele en polycyclische moskus) en munitie (explosieve wie 2,4,6-TNT) zien potentiële xenobiotica die vaan invlood kinne zien op de gezoondheid vaan de planeet (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna en Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Dees lies kin weure oetgebreid mit eerdolie-aafgeleide verbindinge (brandsjtoffe, smeermiddele, asfaltene), bioplastiek mit ‘n hoeg moleculair gewiech en ionische vloeistoffe (Amde et al., 2015). Tabel 1 gief ‘n lies vaan versjèllende aromatische verontreinigende stoffe en hun toepassinge in versjèllende industrieje. In de aafgeloupe jaore zien de antropogene emissies vaan vlöchtege organische verbindinge, zoewie koolstofdioxide en aandere broeikasgasse, begós te touwnumme (Dvorak et al., 2017). De antropogene gevolge loupe echter aanzeenlek groeter es de natuurleke gevolge. Daoneve höbbe veer gevoonde dat ‘n aontal SOC’s in väöl milieuumgevinge blieve bestoon en zien geïdentificeerd es opkaomende verontreinigende stoffe mit bijwerkinge op biome (Figuur 1). Milieuorganisaties wie de United States Environmental Protection Agency (USEPA) höbbe väöl vaan dees verontreinigende stoffe opgenomme op hun prioriteitslies vaanwege hun cytotoxische, genotoxische, mutagene en kankerverwekkende eigesjappe. Daorum zien strenge verwijderingsregels en effectieve strategieën veur aafvalbehandeling/verwijdering oet besmette ecosysteme nuudig. Versjèllende fysieke en chemische behandelingsmethodes wie pyrolyse, oxidatieve thermische behandeling, lochverluchting, stortplaatse, verbranning, enz. zien ineffectief en kosbaar en generere corrosieve, giftig en lesteg te behandele bijprodukte. Mit ‘t touwnummende globale milieubewustzijn, trekke micro-organisme die in staot zien um dees verontreinigende stoffe en hun aafgeleide (zoewie gehalogeneerde, nitro, alkyl en/of methyl) te aafbreke, touwnummende aondach trèkke (Fennell et al., 2004; Haritash en Kaushik, 2009; Phale et al., 2002; Sarkar et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). ‘t Gebruik vaan dees inheemse kannidaat-micro-organisme allein of in gemengde culture (kolonies) veur ‘t verwijdere vaan aromatiese verontreinigende stoffe heet veurdeile wat milieuveiligheid, koste, efficiëntie, effectiviteit en duurzaamheid betröf. Oonderzeukers oonderzeuke ouch de integratie vaan microbieel processe mèt elektrochemische redoxmethodes, naomelek bioelektrochemische systeme (BES), es ‘n väölbelaovende technologie veur de behandeling/verwijdering vaan verontreinigende stoffe (Huang et al., 2011). BES-technologie heet steeds mie aondach getrokke vanwege de hoege efficiëntie, liege koste, milieuveilegheid, werking op kamertemperatuur, biocompatibele materiale en ‘t meugelekheid um waardevolle bijprodukte (b.v. elektriciteit, brandstof en chemicalieje) trök te winne (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). De opkoms vaan high-throughput genoom sequencing en omics tools/methodes heet ‘n welvaart aon nuie informatie opgelieverd euver de genetische regulering, proteomica en fluxomica vaan de reacties vaan versjillende aafbrekende micro-organisme. ‘t Combinere vaan dees gereidsjappe mit systeembiologie heet ós begrip vaan de selèctie en fine-tuning vaan doelwit catabolische paajer in micro-organismes (d.w.z. stofwisseling ontwerp) um efficiënte en effectieve biodegradatie te bereike, nog wiejer verbeterd. Um effectieve bioremediatiestrategieje te ontwerpe mit behölp vaan gesjikde kandidaat-micro-organismes, motte we ‘t biochemisch potentieel, de metabolische diversiteit, de genetische samestèlling en de ecologie (autoecologie/synecologie) vaan micro-organismes begriepe.
Fig. 1. Bronne en weeg vaan liegmoleculaire PAH’s door versjillende umgevinge en versjillende factore die biota beïnvleuje. Gestreepte lijne vertegenwoordige interacties tösse elemente vaan ‘t ecosysteem.
In deze euverziech höbbe veer geperbeerd de data euver aafbraok vaan eenvoudige PAH’s wie naftaleen en vervange naftaleen door versjèllende bacteriële isolate same te vatte die metabolische paajer en diversiteit, enzyme die betrokke zien bij aafbraok, gensamestèlling/inhoud en diversiteit, cellulaire reacties en versjèllende aspecte vaan bioremediatie behandele. Ut begriepe vaan de biochemische en moleculaire niveaus zal helpe bij ut identificere vaan gesjikte gashierstamme en hun wiejere genetische manipulaasie veur effectieve bioremediatie vaan zoe‘n prioriteitsverontreinigende stoffe. Dit zal helpe bij ‘t ontwikkele vaan strategieje veur de oprichting vaan site-specifieke bacteriële consortiums veur effectieve bioremediatie.
De aonwezigheid vaan ‘n groet aontal giftige en gevierleke aromatische verbindinge (die voldoon aon de Huckel-regel 4n + 2π elektrone, n = 1, 2, 3, …) vörmp ‘n serieuze bedreiging veur versjillende milieumedia wie loch, groond, sedimente en oppervlakte- en grondwater (Puglisi et al., 2007). Dees verbindinge höbbe enkele benzeenringe (monocyclisch) of mierdere benzeenringe (polycyclisch) gerangsjik in lineaire, hokige of clustervörm en vertoene stabiliteit (stabiliteit/instabiliteit) in de umgeving door hoege negatieve resonantie-energie en inertiteit (inertheid), wat kin weure verklaord door hunne hydrofobiciteit en verminderde touwstand. Es de aromatische ring weijer weurt vervange door methyl (-CH3), carboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH) of sulfonaat (-HSO3) groepe, weurt ‘t stabieler, heet ‘n sterkere affiniteit veur macromolecule en is ‘t bioaccumulatief in biologische systeme (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Sommige polycyclische aromatische koolwaterstoffe (LMWAH’s) mit ‘n lieg moleculair gewiech, wie naftaleen en zien aafgeleide [methylnaftaleen, naftoïnezuur, naftaleensulfonaat en 1-naftil N-methylcarbamaat (carbaryl)], zien opgenome op de lies vaan prioriteit organische vervuilingsstoffe door de Amerikaanse vervuilingsmiddele genotoxisch, mutageen en/of kankerverwekkend (Cerniglia, 1984). Afgifte vaan dees klasse NM-PAH’s in ‘t milieu kin resultere in bioaccumulatie vaan dees verbindinge op alle niveaus vaan de voedselketting, wat de gezoondheid vaan ecosysteme beïnvlood (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
De bronne en weeg vaan PAH’s nao biota zien veural door migratie en interacties tusse versjillende ecosysteemcomponente wie groond, grondwater, oppervlaktewater, gewasse en de atmosfeer (Arey en Atkinson, 2003). Figuur 1 toent de interacties en verdeiling vaan versjillende PAH’s mit ‘n lieg moleculair gewiech in ecosysteme en hun weeg nao bloetsjtelling aon biota/mins. PAH’s weure op oppervlakke aafgezat es gevolg vaan lochvervuiling en door de migratie (drif) vaan voertuigemissies, industriële oetlaotgasse (koolvergassing, verbranding en cokeproductie) en hun aafzètting. Industriële activiteite wie ‘t producere vaan synthetische textiel, kleurstoffe en verve; behoud vaan hout; rubberverwèrking; cementproduksieactiviteite; productie vaan pesticide; en landboewtoepassinge zien belangrieke bronne vaan PAH’s in aardse en watersysteme (Bamforth en Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Oonderzeuke höbbe aangetoond dat groond in boetewieke en stedeleke gebede, in de buurt vaan autoweeg en in groete stei geveuligker is veur polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s) es gevolg vaan oetstoet vaan elektriciteitscentrales, woenverwerming, loch- en wegeverkeer en bouwactiviteite (Suman et al., 2016). (2008) leet zien dat PAH’s in de groond in de buurt vaan wege in New Orleans, Louisiana, VS tot 7189 μg/kg waore, terwijl ze in ope ruumde mer 2404 μg/kg waore. Op dezelfde meneer zien PAH-niveaus vaan tot 300 μg/kg gerapporteerd in gebeje in de buurt vaan koolvergassingslocaties in versjèllende Amerikaanse stei (Kanaly en Harayama, 2000; Bamforth en Singleton, 2005). Bodems oet versjillende Indiase stei wie Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni en Venkataraman, 2000) en Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) zien gerapporteerd um hoege concentraties PAH te bevatte. Aromatische verbindinge weure gemekkeliker geadsorbeerd op bodemdeilkes, organische stoffe en kleiminerale, en were dus belangrieke koolstofsinks in ecosysteme (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). De belangriekste bronne vaan PAH’s in aquatische ecosysteme zien neerslag (natte/druuge neerslag en waterdamp), stedeleke aafloop, aofvalwaterlozing, grondwateroplaoding, enz. (Srogi, 2007). Nao sjatting is ongeveer 80% vaan de PAH’s in mariene ecosysteme aafgeleid vaan neerslag, sedimentatie en afvallozing (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Hogere concentraties vaan PAH’s in oppervlaktewater of lichtwater vaan vas aafvalverwijderingsplaatse lekke oeteindelek in grondwater, wat ‘n groete bedreiging veur de volksgezoondheid vörmp, aangezeen mie es 70% vaan de bevolking in Zuid- en Zuidoost-Azië grondwater drink (Duttagupta et al., 2019). ‘n Recente studie door Duttagupta et al. (2020) vaan rivier- (32) en grondwater (235) analyses oet Wes-Bengale, India, heet gebleke dat ongeveer 53% vaan de steielike inwoeners en 44% vaan de landeleke inwoeners (in totaal 20 miljoen inwoeners) blootgesjtild kinne zien aon naftaleen (4,9-10,6 μg/L) en zien aafgeleide. Differentiële landgebruukspatrone en ‘n touwgenome grondwaterontginning were gezeen es de belangriekste factore die ‘t verticale transport (advectie) vaan PAH’s mit ‘n lieg moleculair gewiech in ‘t oondergrond controlere. Afloop vaan landbouw, gemeintelek en industriële aafvalwater, en vast aafval/afval aafval is gebleke te weure beïnvlood door PAH’s in rivierbekken en oondergrondse sediminte. Atmosferische neerslag verergert de PAH-vervuiling nog wiejer. Hoge concentraties vaan PAH’s en hun alkyl-derivate (51 in totaal) zien wereldwijd gerapporteerd in riviere/watersjeme, wie de Fraser-rivier, de Louan-rivier, de Denso-rivier, de Missouri-rivier, de Anacostia-rivier, de Ebro-rivier en de Delaware-rivier (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2006; 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). In ‘t sediment vaan ‘t Gangesbekke bleke naftaleen en fenantreen de meis significant te zien (gevoonde in 70% vaan de monsters) (Duttagupta et al., 2019). Daoneve höbbe oonderzeuke aongetoend dat chlorering vaan drinkwater kin leie tot de vörming vaan mie giftige gezuurstof- en gechloreerde PAH’s (Manoli en Samara, 1999). PAH’s verzamele zich in graan, vruchte en greunte es gevolg vaan opname door plante oet besmette groond, grondwater en neerslag (Fismes et al., 2002). Väöl waterlevende organisme wie vès, mossels, sjellepe en garnaole zien besmet mit PAH’s door ‘t consumere vaan besmet veujsel en zeewater, mer ouch door weefsel en huid (Mackay en Fraser, 2000). Koke/verwerkingsmethodes wie grille, brande, rouke, brade, droge, bakke en houtskool koke kinne ouch leie tot significante wieväölhede PAH’s in voedsel. Dit is groetendeils aafhankelik vaan de keuze vaan ‘t rookmateriaal, ‘t fenool/aromatische koolwaterstofgehalte, de kookprocedure, ‘t soort verwarmer, ‘t vochtigheidsgehalte, de zuurstofveurziening en de verbrandingstemperatuur (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s) zien ouch in milk gevoonde in versjillende concentraties (0,75-2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). De accumulatie vaan dees PAH’s in voedsel is ouch aafhankelik vaan de fysico-chemische eigesjappe vaan voedsel, terwijl hun giftige effecte gerelateerd zien aon fysiologische functies, metabolische activiteit, absorptie, verdeiling en liechaamsverdeiling (Mechini et al., 2011).
De toxiciteit en sjäöjeleke effecte vaan polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s) zien al lang bekind (Cherniglia, 1984). Polycyclische aromatische koolwaterstoffe (LMW-PAH’s) mit ‘n lieg moleculair gewiech (twie tot drei ringe) kinne zich covalente binde aon versjillende macromolecule wie DNA, RNA en eiwitte en zien kankerverwekkend (Santarelli et al., 2008). Vaanwege hunne hydrofobische aard, weure ze gesjeie door lipide membrane. Bij de mins oxidere cytochroom P450 monooxygenases PAH’s tot epoxides, boevaan sommige zier reactief zien (beveurbeeld baediol epoxide) en kinne leie tot de transformatie vaan normale celle in kwaadaardige celle (Marston et al., 2001). Daoneve zien de transformatieprodukte vaan PAH’s wie quinone, fenole, epoxide, diole, enz. giftigder es de hoofverbindinge. Sommige PAH’s en hun metabolische tusseprodukte kinne hormone en versjillende enzyme in de metabolisme beïnvleuje, boedoor de greuj, ‘t centraal zenuwsjtelsel, ‘t voortplantings- en immuunsysteem negatief beïnvleuje (Swetha en Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Korttermijnbloetsjtelling aan PAH’s mit ‘n lieg moleculair gewiech is gerapporteerd dat ‘t verslechterde longfunctie en trombose bij astma’s veroorzaak en ‘t risico op huid-, long-, blaas- en maag-darmkanker vergroet (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Oonderzeuke op bieste höbbe ouch aongetoend dat blootstelling aon PAH bijwerkinge kin höbbe op veurtplantingsfunctie en ontwikkeling en staar, nier- en leversjaoj en geelzucht kin veroorzake. D’r is aongetoend dat versjillende PAH-biotransformatieprodukte wie diole, epoxide, quinone en vrije radicale (katione) DNA-adducte vörme. D’r is aongetoend dat stabiele adducte de DNA-replikatiemachinerie verandere, terwijl onstabiele adducte DNA kinne depurine (veural tot adenine en soms tot guanine); allebei kinne foute generere die leie tot mutaties (Schweigert et al. 2001). Daonaeve kinne quinones (benzo-/pan-) reactieve zoersjtofsoorte (ROS) generere, wat fatale sjaoj op DNA en aandere macromolecule veroerzaak, en daomèt de weefselfunctie/levensvatbaarheid beïnvlood (Ewa en Danuta 2017). Chronische blootstelling aon liege concentraties vaan pyreen, bifenyl en naftaleen is gerapporteerd um kanker te veroorzake bij experimentele bieste (Diggs et al. 2012). Vaanwege hun doejeleke toxiciteit is ‘t opruime/verwijdere vaan dees PAH’s vaan aangetaste/besmette plekke ‘n prioriteit.
Versjèllende fysieke en chemische methodes zien gebruuk um PAH’s vaan besmette locaties/umgevinge te verwijdere. Processe wie verbranning, dechlorering, UV-oxidatie, fixatie en oplosmiddelextractie höbbe väöl naodeile, wie de vörming vaan giftige bijprodukte, procescomplexiteit, veiligheids- en regelgevende kwesties, liege efficiëntie en hoege koste. Microbiële biodegradasie (bioremediasie geneump) is echter ‘n väölbelaovende alternatieve aonpak die ‘t gebruuk vaan micro-organisme in de vörm vaan pure culture of kolonies umvat. In vergelieking mit fysieke en chemische methodes is dit proces milieuvriendelik, neet-invasief, kosteneffectief en duurzaam. Bioremediatie kin weure oetgeveurd op de aangetaste plaots (in situ) of op ‘n speciaal veurbereide plaots (ex situ) en weurt daorum besjouwd es ‘n duurzamere remediatiemethode es traditionele fysieke en chemische methodes (Juhasz en Naidu, 2000; Andreoni en Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Phale et al., 2020). Sarkar et al., 2020).
‘t Begriepe vaan de microbieel metabolische stappe die betrokke zien bij de aafbraok vaan aromatische verontreinigende stoffe heet enorme wetensjappeleke en economische implicaties veur de ecologische en milieuduurzaamheid. Nao sjatting weurt wereldwied 2,1×1018 gram koolstof (C) opgeslage in sedimente en organische verbindinge (d.w.z. olie, natuurlik gaas en sjteinkool, oftewel fossiele brandstoffe), wat ‘n significante bijdrage levert aan de globale koolstofcyclus. De snelle industrialisatie, de ontginning vaan fossiele brandstoffe en minseleke activiteite make dees lithosferische koolstofreservoirs echter oet, boedoor jaorleks ongeveer 5,5×1015 g organische koolstof (es verontreinigende stoffe) in de atmosfeer weure losgelaote (Gonzalez-Gaya et al., 2019). ‘t Meiste vaan dees organische koolsjtof kump grond- en zie-ecosysteme binne via sedimentasie, transport en aafloup. Daoneve vervuile nuie synthetische verontreinigende stoffe aafgeleid vaan fossiele brandstoffe, zoe wie plastic, plastificerende middele en plastic stabilisatoren (ftalate en hun isomere), mariene, bodem- en waterecosysteme en hun biota ernstig, boedoor de globale klimaatrisico’s verergere. Versjèllende soorte microplastiek, nanoplastiek, plasticfragminte en hun giftige monomeerprodukte aafgeleid vaan polyethyleentereftalaat (PET) zien opgebouwd in de Stille Oceaan tusse Noord-Amerika en Zuidoost-Azië, en de “Groete Stille Oceaan Afvalvlek” gevörmp, wat ‘t zieleve sjaod heet (Newell et al., 2020). Wetensjappeleke oonderzeuke höbbe aongetoend dat ‘t neet meugelek is um zoe’n verontreinigende stoffe/afval op fysieke of chemische methodes te verwijdere. In dees cónteks, de meis nuttige micro-organisme zien die die in staot zien um verontreinigende stoffe oxidatief te metabolisere in koolstofdioxide, chemische energie en aander neet-giftige bijprodukte die oeteindelek aander voedingscyclusprocesse (H, O, N, S, P, Fe, etc.) binnegoon. Dus, ‘t begriepe vaan de microbieel ecofysiologie vaan aromatische verontreinigende mineralisatie en de milieucontrole is cruciaal veur ‘t beoordeile vaan de microbieel koolstofcyclus, ‘t netto koolstofbudget en toekomstige klimaatrisico’s. Gezeen de dringende behoefte um zoe’n verbindinge oet ‘t milieu te verwijdere, zien versjèllende eco-industrieje oontsjtange die zich riechte op zuuver technologieje. Alternatief weurt de valorisering vaan industrieel aafval/afvalchemicalieje die in ecosysteme zien opgebouwd (d.w.z. aafval tot welvaart benadering) besjouwd es ein vaan de pijlers vaan circulaire economie en duurzame ontwikkelingsdoele (Close et al., 2012). Daorum is ‘t begriepe vaan de metabolische, enzymatische en genetische aspecte vaan dees potentiële aafbraokkandidate vaan ut utmoest belang veur de effectieve verwijdering en bioremediatie vaan zoe’n aromatische verontreinigende stoffe.
Oonder de väöle aromatische verontreinigende stoffe besteie veer speciaal aondach aon PAH’s mit ‘n lieg moleculair gewiech wie naftaleen en vervange naftaleen. Dees verbindinge zien belangrieke oonderdeile vaan aardolie-aafgeleijde brandstoffe, textielkleurstoffe, consumptieprodukte, pesticide (motballe en insekteafstotende), plasticiseren en tannine en zien daorum wijdverbreid in väöl ecosysteme (Preuss et al., 2003). Recente rapporte benaodrökke de accumulatie vaan naftaleenconcentraties in aquifersedimente, grondwater en oondergrondse groond, vadosezones en rivierbeddinge, wat de bioaccumulatie in ‘t milieu suggereert (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabel 2 vattet de fysico-chemische eigesjappe, toepassinge en gezoondheidseffecte vaan naftaleen en zien aafgeleide same. In vergelieking mit aander PAH’s mit ‘n hoeg moleculair gewiech, zien naftaleen en zien aafgeleide minder hydrofobisch, mie in water oplosbaar en breid verspreid in ecosysteme, dus weure ze dèks gebruuk es modelsubstraote um de metabolisme, genetica en metabolische diversiteit vaan PAH’s te bestudere. ‘n Groet aontal micro-organisme is in staot um naftaleen en zien aafgeleide te metabolisere, en oetgebreide informatie is besjikbaar euver hun stofwisselingsweeg, enzyme en regelgevende kinmerke (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Daoneve zien naftaleen en zien aafgeleide aongeduid es prototypeverbindinge veur de beoordeiling vaan milieuvervojling vaanwege hun hoege euvervloed en biobesjikbaarheid. ‘t Amerikaanse Milieubesjermingsbureau sjatte dat de gemiddelde niveaus vaan naftaleen 5,19 μg per kubieke meter zien vaan sigaretrook, veural vaan onvolledige verbranding, en 7,8 tot 46 μg vaan zijstroomrook, terwijl bloetstèlling aon creosoot en naftaleen 100 tot 100,000 keer hoeger is (Preus et al. 2003). In ‘t bezunder is gebleke dat naftaleen soort-, regio- en geslachsspecifieke luchtwegetoxiciteit en kankerverwekkendheid heet. Op basis vaan studies op bieste heet ‘t Internationaal Agentsjap veur Kaankeroonderzeuk (IARC) naftaleen geclassificeerd es ‘n “meugelik minselik kankerverwekker” (Groep 2B)1. Bloetsjtelling aan vervange naftalene, veural door inhalatie of parenterale (orale) toediening, veroorzaak longweefselverletse en vergroet de incidentie vaan longtumoren bij ratte en muis (National Toxicology Program 2). Acute effecte zien oonder andere misselijkheid, braoke, buikpijn, diarree, hoofpijn, verwarring, väöl zweite, koorts, tachycardie, enz. Aan de andere kant is ‘t breidspectrumcarbamaat-insecticide carbaryl (1-naftil N-methylcarbamaat) gerapporteerd es giftig es inwaterbite in gewervelde amfibite, honing, en minse en is aongetoend dat ‘t acetylcholinesterase remme wat verlamming veroerzaak (Smulders et al., 2003; Bulen en Distel, 2011). Daorum is ‘t begriepe vaan de mechanismes vaan microbieel aafbraok, genetische regulering, enzymatische en cellulaire reacties cruciaal veur ‘t oontwikkele vaan bioremediatiestrategieje in besmette umgevinge.
Tabel 2. Gedetailleerde informatie euver de fysico-chemische eigesjappe, gebruuk, identificatiemethodes en geassocieerde krenkdes vaan naftaleen en zien aafgeleide.
In vervuilde nisse kinne hydrofobe en lipofiele aromatische verontreinigende stoffe ‘n versjeijenheid aan cellulaire effecte op ‘t milieumicrobioom (gemeinsjap) veroorzake, wie veranderinge in membraanvloeibaarheid, membraanpermeabiliteit, lipidedubbele laog zwelling, verstoering vaan energie-euverdrach (elektrontransportketting/protonbewegende krach) en activiteit vaan membraan-geassocieerde eiwitte (Sikke et al.). 1995). Daoneve generere sommige oplosbare tusseprodukte wie catechols en quinones reactieve zuurstofsoorte (ROS) en vörme ze adducte mit DNA en eiwitte (Penning et al., 1999). Dus, de euvervloed vaan dergeleke verbindinge in ecosysteme oefent selèctieve drök oet op microbieel gemeinsjappe um efficiënte aafbrekers te weure op versjèllende fysiologische niveaus, boe-oonder opname/transport, intracellulaire transformatie, assimilatie/gebruuk en compartimentalisatie.
‘n Oonderzeuk nao ‘t Ribosomal Database Project-II (RDP-II) bleek dat in totaal 926 bacteriesoorte woorte geïsoleerd oet media of verriekingskweek besmet mit naftaleen of zien aafgeleide. De Proteobacteria-groep had ‘t hoegste aontal vertegewoordigers (n = 755), gevolg door Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) en ongeclassificeerde bacterieje (8) (Figuur 2). Vertegewoordigers vaan γ-Proteobacteria (Pseudomonadales en Xanthomonadales) domineerde alle Gram-negatieve gróppe mèt ‘n hoeg G+C-gehalte (54%), terwijl Clostridiales en Bacillales (30%) Gram-positieve gróppe waore mèt ‘n lieg G+C-gehalte. Pseudomonas (‘t hoegste getal, 338 soorte) woorte gerapporteerd um in staot te zien um naftaleen en zien methylderivate te aafbreke in versjillende vervuilde ecosysteme (koolteer, aardolie, ruwe olie, slijm, oliesjtortinge, aafvalwater, organisch afval en stortplaatse) zoewie in intacte ecosysteme (riviere, grondwater, en grondwater) (Afbeelding 2). Daoneve höbbe verriekingsstudies en metagenomische analyses vaan sommige vaan dees regio’s aongetoond dat neet gekweekte Legionella- en Clostridium-soorte ‘n aafbraokcapaciteit kinne höbbe, wat aonguuf dat dees bacterieje motte kweke um nuuje weeg en metabolische diversiteit te bestudere.
Fig. 2. Taxonomische diversiteit en ecologische verdeiling vaan bacteriële vertegenwoordigers in umgevinge die besmet zien mit naftaleen en naftaleen aafgeleide.
Vaan de versjillende aromatische koolwaterstof-aafbrekende micro-organisme zien de mieste in staot um naftaleen te aafbreke es de enige bron vaan koolstof en energie. De volgorde vaan gebäörtenisse die betrokke zien in de metabolisme vaan naftaleen is besjreve veur Pseudomonas sp. (stamme: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 en CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 en andere stamme (ND6 en AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Anweer et al., 2000; Basuil et al.; al., 2003; Dennis en Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Metabolisme weurt geïnitieerd door ‘n multicomponente dioxygenase [naftaleen dioxygenase (NDO), ‘n ringhydroxylerende dioxygenase] dee de oxidatie vaan ein vaan de aromatische ringe katalyseert es ‘t gebruuk vaan de aandere ringe. substraat, wat naftaleen umzètte in cis-naftaleendiol (Figuur 3, weurt umgezat in 1,2-dihydroxynaftaleen door un dehydrogenase A-ring-splittende dioxygenase, 1,2-dihydroxynaftaleen-dioxygenase (12-dihydroxynaftaleen-dioxygenase), 12-dihydroxinaftaleen. 2-hydroxychromeen-2-carboxylies zuur produceert trans-o-hydroxybenzylidenpyruvaat, wat door hydratase aldolase weurt gesplete in salicyl aldehyde en pyruvaat. Paad. Daoneve, NAD+-afhankeleke salicylaldehyde umzèt in dit stadium de “baoveste paad” vaan naftaleen-aafbraok. hamburgii 2, de aafbraok vaan naftaleen weurt gestart door naftaleen 2,3-dioxygenase um 2,3-dihydroxynaftaleen te vörme (Annweiler et al., 2000).
Figuur 3. Weeg vaan naftaleen, methylnaftaleen, naftoïnezuur en carbaryl aafbraok. Umcirkelde getalle vertegenwoordige enzyme die verantwoordelik zien veur de opeinvolgende umzètting vaan naftaleen en zien aafgeleide in opvolgende produkte. 1 — naftaleendioxigenase (NDO); 2, cis-dihydrodiol dehydrogenase; 3, 1,2-dihydroxynaftaleen dioxygenase; 4, 2-hydroxychromeen-2-carboxylies zuur isomerase; 5, trans-O-hydroxybenzylidendepyruvate hydratase aldolase; 6, salicylaldehyde dehydrogenase; 7, salicylate 1-hydroxylase; 8, catechol 2,3-dioxygenase (C23DO); 9, 2-hydroxymuconaat semialdehyde dehydrogenase; 10, 2-oxopent-4-enoate hydratase; 11, 4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase; 12, acetaldehydedehydrogenase; 13, catechol-1,2-dioxygenase (C12DO); 14, muconaat 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, methylnaftaleen hydroxylase (NDO); 25, hydroxymethylnaftaleen dehydrogenase; 26, naftaldehydedehydrogenase; 27, 3-formylsalicylies zuur oxidase; 28, hydroxyisofthalaat decarboxylase; 29, carbarylhydrolase (CH); 30, 1-naphthol-2-hydroxylase.
Aafhankelik vaan ‘t organisme en zien genetische samestèlling, weurt ‘t resulterende salicylies zuur wijer gemetaboliseerd ofwel via de catecholpaad mit behulp vaan salicylaat 1-hydroxylase (S1H) of via de gentisaatpaad met behölp vaan salicylaat 5-hydroxylase (S5H) (Figuur 3). Umtot salicylies zuur ‘t belangriekste tussemiddel is in de naftaleen metabolisme (baove weeg), de stappe vaan salicylies zuur tot ‘t TCA tussemiddel weure dèks ‘t liegere weeg geneump, en de gene zien georganiseerd in ein operon. ‘t Is gebrukelek um te zien tot de gene in ‘t baoveste weeg operon (nah) en ‘t lieger weeg operon (sal) weure gereguleerd door gemeinsjappeleke regelgevende factore; beveurbeeld, NahR en salicylies zuur fungere es inducers, boedoor beide operons naftaleen volledig kinne metabolisere (Phale et al., 2019, 2020).
Daoneve weurt catechol cyclisch gekleve tot 2-hydroxymuconaat semialdehyde via de metapaad door catechol 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) en wijer gehydrolyseerd door 2-hydroxymuconaat semialdehyde hydrolase um 2-hydroxymuconaat semialdehyde hydrolase te vörme, 24-24-dioxypenenoïde. 2-hydroxypent-2,4-dienoaat weurt vervolgens umgezat in pyruvaat en acetaldehyde door ‘n hydratase (2-oxopent-4-enoaat hydratase) en ‘n aldolase (4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase) en geit daonao ‘t centrale koolstofpaad binne (Figuur 3). Alternatief weurt catechol cyclisch gekleve tot cis,cis-muconaat via de orthopaad door catechol 1,2-oxygenase (C12DO). Muconaat cycloisomerase, muconolactone isomerase en β-ketoadipaat-nollactone hydrolase zette cis, cis-muconaat um in 3-oxoadipaat, wat via succinyl-CoA en acetyl-CoA de centrale koolstofpaad binnekump (Nozaki et al., 1968) (Figuur 33).
In ‘t gentisaat (2,5-dihydroxybenzoaat) weeg weurt de aromatische ring gesjeurd door gentisaat 1,2-dioxygenase (GDO) um maleylpyruvaat te vörme. Dit product kin direk weure gehydrolyseerd tot pyruvaat en malaat, of kin weure geïsomeriseerd um fumarylpyruvaat te vörme, wat daonao kin weure gehydrolyseerd tot pyruvaat en fumaraat (Larkin en Day, 1986). De keuze vaan de alternatieve weeg is gezeen bij zoewel Gram-negatieve es Gram-positieve bacterieje op biochemisch en genetisch niveau (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Gram-negatieve bacterieje (Pseudomonas) gebruke ‘t leefs salicylies zuur, wat ‘n inducer is vaan naftaleenmetabolisme, en ‘t decarboxylere tot catechol met behölp vaan salicylaat 1-hydroxylase (Gibson en Subramanian, 1984). Aan de andere kant, in Gram-positieve bacterieje (Rhodococcus) zet salicylaat 5-hydroxylase salicylies zuur um in gentisisch zuur, terwiel salicylies zoer gein inductief effek heet op de transcriptie vaan naftaleen gene (Grund et al., 1992) (Figuur 3).
D’r is gerapporteerd dat soorte wie Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas en Mycobacterium moncicomecynethyome degradere dimethylnaftaleen (Dean-Raymond en Bartha, 1975; Cane en Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Dao-oonder zien de 1-methylnaftaleen en 2-methylnaftaleen aafbraokweg vaan Pseudomonas sp. CSV86 is dudelik bestudeerd op biochemisch en enzymatisch niveau (Mahajan et al., 1994). 1-Methylnaftaleen weurt via twie weeg gemetaboliseerd. Iers weurt de aromatische ring gehydroxyleerd (de neet vervange ring vaan methylnaftaleen) um cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydro-8-methylnaftaleen te vörme, wat wiejer weurt geoxideerd tot methylsalicylaat en methylcatechol, en vervolgens ‘t centrale koolstofpaad binnedringk nao ‘n kerkelring (Figuur 3). Dit weeg weurt de “koolstofbronweeg” geneump. In de twiede “ontgiftingweeg” kin de methylgroep door NDO weure gehydroxyleerd um 1-hydroxymethylnaftaleen te vörme, wat weijer weurt geoxideerd tot 1-naftoïnezuur en es ‘n doodproduk in ‘t kweekmedium weurt oetgesjlaote. Oonderzeuke höbbe aongetoend dat de stam CSV86 neet kin greuje op 1- en 2-naftoïnezuur es de enige koolstof- en energiebron, wat de ontgiftingsweeg bevestig (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). In 2-methylnaftaleen ondergaon de methyl groep hydroxylatie door hydroxylase um 2-hydroxymethylnaftaleen te vörme. Daoneve ondergaon de neet vervange ring vaan de naftaleenring ringhydroxylatie um ‘n dihydrodiol te vörme, wat weurt geoxideerd tot 4-hydroxymethylcatechol in ‘n reeks door enzym gekatalyseerde reacties en ‘t centrale koolstofweeg binnegeit via de meta-ringsplitsingsroute. Op dezelfde meneer woort gerapporteerd dat S. paucimobilis 2322 NDO gebruukde um 2-methylnaftaleen te hydroxylere, wat wijer weurt geoxideerd um methyl salicylaat en methylcatechol te vörme (Dutta et al., 1998).
Naftoïnezoere (vervange/neet vervange) zien ontgifting/biotransformatie bijprodukte die gevörmp zien tijdens de aafbraok vaan methylnaftaleen, fenantreen en antraceen en weure losgelaote in ‘t gebruukde kweekmedium. D’r is gerapporteerd dat ‘t grond-isolaat Stenotrophomonas maltophilia CSV89 in staot is um 1-naftoïnezuur es koolstofbron te metabolisere (Phale et al., 1995). De metabolisme begint mit dihydroxylatie vaan de aromatische ring um 1,2-dihydroxy-8-carboxynaftaleen te vörme. De resulterende diol weurt geoxideerd tot catechol via 2-hydroxy-3-carboxybenzylidenpyruvaat, 3-formylsalicylies zoer, 2-hydroxyisoftalzuur en salicylies zuur en geit ‘t centrale koolstofpaad binne via de meta-ringsplitspaad (Figuur 3).
Carbaryl is un nafthylcarbamaat pesticide. Sinds de Groene Rivvelutie in India in de jaore 1970 heet ‘t gebruuk vaan chemische meststoffe en pesticide geleid tot ‘n touwnaome vaan de oetstoet vaan polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH) oet landbouw neet-puntbronne (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Nao sjatting weurt 55% (85.722.000 hectare) vaan ‘t totale akkerland in India behandeld mèt chemische pesticide. In de aafgeloupe vief jaor (2015-2020) heet de Indiase landboewsector gemiddeld 55.000 tot 60.000 ton pesticide per jaor gebruuk (Departement vaan Coöperaties en Boerewelzijn, Ministerie vaan Landbouw, Indiase regering, augustus 2020). In de noordeleke en centraole Gangesvlakte (de staote mit de hoegste bevolking en bevolkingsdichtheid) is ‘t gebruuk vaan pesticide op gewasse wijdverbreid, boebij ‘t euverheersende insecticide. Carbaryl (1-naftyl-N-methylcarbamate) is un breidspectrum, matig tot hoeg giftig carbamaat insecticide dat in de Indiase landbouw weurt gebruuk mit un gemiddelde snelheid vaan 100-110 ton. ‘t Weurt meistal verkoch oonder de handelsnaom Sevin en weurt gebruuk um insekte (bladluise, vuurmiere, vlösse, mijte, spinneke en väöl aandere peste) die ‘n versjeienheid aon gewasse (maïs, sojaboon, katoen, vruchte en greunte) aaffectere, te behierse. Sommige micro-organisme wie Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus en Arthrobacter kinne ouch weure gebruuk um aandere peste te bestrieje. D’r is gerapporteerd dat RC100 carbaryl kin aafbreke (Larkin en Day, 1986; Chapalamadugu en Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha en Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). De aafbraokweeg vaan carbaryl is oetgebreid bestudeerd op biochemisch, enzymatisch en genetisch niveau in bodem-isolate vaan Pseudomonas sp. Stamme C4, C5 en C6 (Swetha en Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Afb. 3). De stofwisseling begint mit de hydrolyse vaan de ester binding door carbaryl hydrolase (CH) um 1-naftol, methylamine en koolstofdioxide te vörme. 1-naftol weurt vervolgens umgezat nao 1,2-dihydroxynaftaleen door 1-naftol hydroxylase (1-NH), wat wijer weurt gemetaboliseerd via de centrale koolstofweeg via salicylaat en gentisaat. Sommige carbaryl-aafbrekende bacterieje zien gerapporteerd um ‘t tot salicylies zoer te metabolisere via ‘t splitse vaan de catechol ortho ring (Larkin en Day, 1986; Chapalamadugu en Chaudhry, 1991). Opvallend, naftaleen-aafbrekende bacterieje metabolisere veural salicylies zuur via catechol, terwiel carbaryl-aafbrekende bacterieje ‘t leefs salicylies zuur via de gentisaat weeg metabolisere.
Naftaleensulfoonzuur/disulfoonzuur en naftylaminesulfoonzuurderivate kinne weure gebruuk es tussemiddele in de productie vaan azokleurstoffe, bevochtige middele, dispersante, enz. Alhoewel dees verbindinge ‘n lieg toxiciteit höbbe veur minse, höbbe cytotoxiciteitsbeoordeilinge aongetoond dat ze dodelek zien veur vèsse, dafim en algae, et. 1994). Vertegewoordigers vaan ‘t geslach Pseudomonas (stamme A3, C22) zien gerapporteerd um ‘t metabolisme te initiëre door dubbele hydroxylatie vaan de aromatische ring die de sulfonzuurgroep bevat um ‘n dihydrodiol te vörme, wat wiejer weurt umgezat nao 1,2-dihydroxynaftaleen door spóntaone splitsing vaan de sulfitegroep (B sulfiterilon et al., 1918). ‘t Resulterende 1,2-dihydroxynaftaleen weurt gekataboliseerd via de klassieke naftaleenweeg, d.w.z. de catechol- of gentisaatweeg (Figuur 4). ‘t Is aongetoend dat aminonaftaleensulfonzuur en hydroxynaftaleensulfonzuur volledeg kinne weure aafgebraoke door gemengde bacteriële consortiums mit complementaire catabolische paajer (Nortemann et al., 1986). D’r is aongetoend dat eine lid vaan ‘t consortium aminonaftaleensulfonzuur of hydroxynaftaleensulfoonzuur door 1,2-dioxygenatie desulfuriseert, onderwieles dat aminosalicylaat of hydroxysalicylaat in ‘t kweekmedium weurt losgelaote es ‘n doodlopende metaboliet en daonao weurt opgenome door aandere lede vaan ‘t consortium. Naftaleendisulfonzuur is relatief polair mer slech biodegradeerbaar en kin daorum via versjillende weeg weure gemetaboliseerd. De ierste desulfurisering vint plaots tijdens regioselectieve dihydroxylatie vaan de aromatische ring en de sulfonzuurgroep; de twiede desulfurisering vint plaots tijdens de hydroxylatie vaan 5-sulfosalicylies zuur door salicylies zuur 5-hydroxylase um gentisisch zuur te vörme, wat de centrale koolstofpaad binnedringk (Brilon et al., 1981) (Figuur 4). De enzyme die verantweurdelek zien veur de aafbraok vaan naftaleen zien ouch verantweurdelek veur de metabolisme vaan naftaleensulfonaat (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figuur 4. Metabolische paajer veur de aafbraok vaan naftaleensulfonaat. De getalle in de cirkels vertegenwoordige de enzyme die verantweurdelek zien veur de metabolisme vaan naftilsulfonaat, geliek/identiek aon de enzyme besjreve in fig. 3.
PAH’s mit ‘n lieg moleculair gewiech (LMW-PAH’s) zien reduceerbaar, hydrofobisch en slech oplosbaar, en daorum neet vatbaar veur natuurlike aafbraok/aafbraok. Echter, aërobe micro-organisme zien in staot um ‘t te oxidere door moleculaire zuurstof (O2) op te numme. Dees enzyme behure veural tot de klasse vaan oxidoreductase en kinne versjillende reacties oetveure zoe es aromatische ring hydroxylatie (mono- of dihydroxylatie), dehydrogenering en aromatische ringsplitsing. De producte die weure verkriege door dees reacties zien in ‘n hoegere oxidatietoestand en weure gemekkeliker gemetaboliseerd via de centrale koolstofweeg (Phale et al., 2020). De enzyme in de aafbraokpaad zien gerapporteerd es induceerbaar. De activiteit vaan dees enzyme is hiel lieg of verwaarloosbaar es celle were gegreujd op sumpele koolstof bronne zoe es glucose of organische zure. Tabel 3 vattet de versjillende enzyme (oxygenase, hydrolase, dehydrogenase, oxidase, enz.) same die betrokke zien in de metabolisme vaan naftaleen en zien aafgeleide.
Tabel 3. Biochemische kenmerke vaan enzyme die verantweurdelek zien veur de aafbraok vaan naftaleen en zien aafgeleide.
Radioisotoopstudies (18O2) höbbe aongetoend dat de incorporatie vaan moleculaire O2 in aromatische ringe door oxygenases de meis belangrieke stap is in ‘t activere vaan wijere biodegradatie vaan ‘n verbinding (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). De opname vaan ein zuurstof atoom (O) vaan moleculaire zuurstof (O2) in ‘t substraot weurt geïnisjeerd door ofwel endogene of exogene monooxygenases (ouch wel hydroxylases geneump). ‘n Aander zoerstofatoom weurt gereduceerd tot water. Exogene monooxygenases vermindere flavine mit NADH of NADPH, terwiel in endomonooxygenases flavine weurt verminderd door ‘t substraot. De positie vaan hydroxylatie resulteert in diversiteit in produkvörming. Beveurbeeld, salicylaat 1-hydroxylase hydroxyleert salicylies zuur op de C1-positie, boedoor catechol weurt gevörmp. Aan de andere kant hydroxyleert de multicomponente salicylaat 5-hydroxylase (die reductase, ferredoxine en oxygenase sub-einhede bevat) salicylies zoer op de C5-positie, boedoor gentisisch zoer vörmp (Yamamoto et al., 1965).
Dioxygenases bringe twie O2-atome in ‘t substraot. Aofhenkelek vaan de gevörmde produkte, weure ze verdeild in ring hydroxylerende dioxygenases en ring splittende dioxygenases. Ring hydroxylerende dioxygenases zette aromatische substrate um in cis-dihydrodiole (beveurbeeld naftaleen) en zien wijdverbreid oonder bacterieje. Tot noe toe is aongetoend tot organisme die ringhydroxylerende dioxygenases bevatte in staot zien um op versjillende aromatische koolstofbronne te greuje, en dees enzyme weure geclassificeerd es NDO (naftaleen), tolueen dioxygenase (TDO, tolueen) en bifenyl dioxygenase (BPDO, bifenyl). Zoewel NDO es BPDO kinne de dubbele oxidatie en zijketting hydroxylatie vaan versjillende polycyclische aromatische koolwaterstoffe (tolueen, nitrotolueen, xyleen, ethylbenzeen, naftaleen, bifenyl, fluoreen, indole, methylnaftaleen, nafthaleen, fenthaleen, acetofenon, enz.) (Boyd en Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO is un multicomponent systeem dat besteit oet un oxidoreductase, un ferredoxine en un actief site-bevattende oxygenase-component (Gibson en Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). De catalytische einheid vaan NDO besteit oet ‘n groete α-subeinheid en ‘n klein β-subeinheid gerangsjik in ‘n α3β3-configuratie. NDO behuurt tot ‘n groete femilie vaan oxygenases en zien α-sub-eenheid bevat ‘n Rieske-site [2Fe-2S] en ‘n mononucleair neet-heme iezer, wat de substraatspecificiteit vaan NDO bepaolt (Parales et al., 1998). Normaal gesproke were in ein catalytische cyclus twie elektrone vaan de reductie vaan ‘t pyridinenucleotide euvergedrage nao ‘t Fe(II)-ion in de actieve plaots via ‘n reductase, ‘n ferredoxine en ‘n Rieske-site. De reducerende equivalente activere moleculaire zuurstof, wat ‘n veurwaarde is veur substraatdihydroxylatie (Ferraro et al., 2005). Tot noe toe zien d’r mer ‘n paar NDO’s gezuuverd en in detail gekarakteriseerd vaan versjèllende stamme en de genetische controle vaan de weeg die betrokke zien bij de aafbraok vaan naftaleen is in detail bestudeerd (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Ring-splittende dioxygenases (endo- of ortho-ring-splitsende enzymes en exodiol- of meta-ring-splitsende enzymes) wèrke op gehydroxyleerde aromatische verbindinge. De ortho-ring-cleaving dioxygenase is beveurbeeld catechol-1,2-dioxygenase, terwiel de meta-ring-cleaving dioxygenase catechol-2,3-dioxygenase is (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Neve versjillende oxygenases zien d’r ouch versjillende dehydrogenases verantweurdelek veur de dehydrogenering vaan aromatische dihydrodiole, alcohole en aldehyde en ‘t gebruuk vaan NAD+/NADP+ es elektronacceptore, wat ‘n paar vaan de belangrieke enzyme zien die betrokke zien in de metabolisme (Gibson en Subramanian, 1984; Shaw en Farayama, 1909; Farayama, et al., et al. 2020).
Enzymes zoe es hydrolases (esterases, amidases) zien ‘n twiede belangrieke klasse vaan enzymes dee water gebruuke um covalente bindinge te splitse en ‘n breie substraatspecificiteit vertoene. Carbarylhydrolase en aandere hydrolases weure besjouwd es oonderdeile vaan ‘t periplasma (transmembraan) in lede vaan Gram-negatieve bacterieje (Kamini et al., 2018). Carbaryl heet zoewel ‘n amide- es ‘n esterverbinding; daorum kin ‘t door esterase of amidase weure gehydrolyseerd um 1-naftol te vörme. Carbaryl in Rhizobium rhizobium stam AC10023 en Arthrobacter stam RC100 is gerapporteerd um te functionere es esterase en amidase, respectievelik. Carbaryl in Arthrobacter-stam RC100 functioneert ouch es amidase. ‘t Is aongetoend dat RC100 veer N-methylcarbamaatklasse-insecticide wie carbaryl, methomyl, mefenamic acid en XMC hydrolyseert (Hayaatsu et al., 2001). D’r woort gemeld dat CH in Pseudomonas sp. C5pp kin werke op carbaryl (100% activiteit) en 1-naphthylacetaat (36% activiteit), mer neet op 1-naphthylacetamide, wat aonguuf dat ‘t ‘n esterase is (Trivedi et al., 2016).
Biochemische studies, enzymreguleringspatrone en genetische analyse höbbe aongetoond dat de naftaleen-aafbraokgene besteit oet twie induceerbare regelgevende einhede of “operone”: nah (de “opwaartse weeg”, boebij naftaleen umzèt in salicylies zuur) en sal (de “stroomwaartse weeg”, boebij ‘t via ‘t centraal koolstofkatecholpaad umzèt in salicylienzuur). Salicylies zuur en zien analoge kinne es inducers fungere (Shamsuzzaman en Barnsley, 1974). In de aonwezigheid vaan glucose of organische zure, weurt ‘t operon oonderdrök. Figuur 5 toent de complete genetische organisatie vaan de aafbraok vaan naftaleen (in operonvörm). Versjèllende geneumde variante/vörme vaan ‘t nah-gen (ndo/pah/dox) zien besjreve en höbbe gevoonde ‘n hoege volgordehomologie (90%) oonder alle Pseudomonas-soorte (Abbasian et al., 2016). De gene vaan de naftaleen-opwaartse weeg waore euver ‘t algemein in ‘n consensusvolgorde gerangsjik, wie in Figuur 5A. ‘n Aander gen, nahQ, woort ouch gerapporteerd es betrokke bij de naftaleenmetabolisme en bevond zich miestal tusse nahC en nahE, mer zien werkeleke functie moot nog weure oetgelag. Op dezelfde meneer woort ‘t nahY-gen, verantweurdelek veur naftaleengeveulige chemotaxis, gevoonde aon ‘t distaal eind vaan ‘t nah-operon bij sommige lede. In Ralstonia sp. bleek ‘t U2-gen dat glutathion S-transferase (gsh) codeert zich tusse nahAa en nahAb te bevinde, mer heet gein invlood op de kinmerke vaan ‘t gebruuk vaan naftaleen (Zylstra et al., 1997).
Figuur 5. Genetische organisatie en diversiteit woergenome tijdens de aafbraok vaan naftaleen oonder bacteriële soorte; (A) Boveste naftaleenweeg, metabolisme vaan naftaleen tot salicylies zuur; (B) Lieger naftaleenweeg, salicylies zuur via catechol nao de centrale koolstofweeg; (C) salicylies zuur via gentisaat nao de centrale koolstofpaad.
De “onderste weeg” (sal operon) besteit typisch oet nahGTHINLMOKJ en zet salicylaat um in pyruvaat en acetaldehyde via de catechol metaring cleavage weeg. ‘t NahG-gen (wat salicylaathydroxylase codeert) bleek te zien behawwe aon ‘t proximale eind vaan ‘t operon (afb. 5B). In vergelieking mit aandere naftaleen-aafbrekende stamme, zien de nah- en sal-operone in P. putida CSV86 same en zeer nauw verwant (ongeveer 7,5 kb). In sommige Gram-negatieve bacterieje, wie Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, en P. putida AK5, naftaleen weurt gemetaboliseerd es ‘n centraal koolstofmetaboliet via de gentisate paad (in de vörm vaan ‘t sgp/nag operon). De gencassette weurt typisch weergegeve in de vörm nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, boebij nagR (dee ‘n LysR-type regulator codeert) zich aon ‘t baoveste eind bevindt (Figuur 5C).
Carbaryl geit de centrale koolstofcyclus binne via de metabolisme vaan 1-naftol, 1,2-dihydroxynaftaleen, salicylies zuur en gentisisch zuur (Figuur 3). Op basis vaan genetische en metabolische studies is veurgesjtèld um dees weeg te verdeile in “opwaartse” (umzetting vaan carbaryl in salicylies zuur), “midde” (umzètting vaan salicylies zuur in gentisisch zuur) en “stroomaafwaarts” (umzètting vaan gentisisch zuur in centraal koolstofweeg tussemiddele) (Sing et al., 2013). Genomische analyse vaan C5pp (supercontig A, 76,3 kb) onthulde dat ‘t mcbACBDEF-gen betrokke is bij de umzètting vaan carbaryl in salicylies zoer, gevolg door mcbIJKL in de umzètting vaan salicylies zuur in gentisisch zuur, en mcbOQP in ‘t umzètte vaan centraal genmaratischzuur en tussemiddele ( pyruvaat, Trivedi et al., 2016) (Figuur 6).
D’r is gerapporteerd dat enzyme die betrokke zien bij de aafbraok vaan aromatische koolwaterstoffe (inclusief naftaleen en salicylieszuur) kinne weure geïnduceerd door de corresponderende verbindinge en geremd kinne weure door eenvoudige koolstofbronne wie glucose of organische zure (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2019). Onder de versjillende stofwisselingsweeg vaan naftaleen en zien aafgeleide, zien de regelgevende kenmerke vaan naftaleen en carbaryl tot op zekere huugte bestudeerd. Veur naftaleen weure gene in zoewel de stroumwaartse es de stroumaafwaartse routes gereguleerd door NahR, ‘n LysR-type trans-acterende positieve regelgever. ‘t Is nuudig veur de inductie vaan ‘t nah-gen door salicylies zuur en de dao-op volgende hoegniveau-expressie (Yen en Gunsalus, 1982). Daoneve höbbe studies aongetoend dat integratieve gashierfactor (IHF) en XylR (sigma 54-afhankeleke transcriptieregulator) ouch essentieel zien veur de transcriptieactivatie vaan gene in ‘t naftaleenmetabolisme (Ramos et al., 1997). Oonderzeuke höbbe aongetoend dat enzyme vaan de catechol meta-ring-openingsroute, naomelek catechol 2,3-dioxygenase, weure geïnduceerd in de aanwezigheid vaan naftaleen en/of salicylies zuur (Basu et al., 2006). Oonderzeuke höbbe aongetoend dat enzyme vaan de catechol ortho-ring-openingsroute, naomelek catechol 1,2-dioxygenase, weure geïnduceerd in de aonwezigheid vaan benzoïnezoer en cis,cis-muconaat (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
In stam C5pp codere vijf gene, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR en mcbS, regelgevers die behure tot de LysR/TetR-femilie vaan transcriptieregelgevers die verantweurdelek zien veur ‘t controlere vaan carbaryl-aafbraok. ‘t Homoloog gen mcbG bleek ‘t mies gerelateerd te zien aon de LysR-type regulator PhnS (58% aminozoeridentiteit) betrokke bij ‘t fenanthreen-metabolisme in Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). ‘t mcbH-gen bleek betrokke te zien in de tusseligkende route (umzètting vaan salicylies zuur nao gentisisch zuur) en behuurt tot de LysR-type transcriptieregulator NagR/DntR/NahR in Pseudomonas en Burkholderia. D’r woort gerapporteerd dat lede vaan dees femilie salicylies zoer herkinde es ‘n specifiek effectormolecuul veur de inductie vaan aafbraokgene. Aan de andere kant woorte drei gene, mcbN, mcbR en mcbS, die behure tot LysR- en TetR-type transcriptieregulatore, geïdentificeerd in de stroumaafwaartse weeg (gentisaat-centrale koolstofweegmetabolieten).
In prokaryotes, horizontale gen euverdrach processe (verwerving, oetwisseling, of euverdrach) via plasmides, transposons, prophage, genomische eilande, en integratieve conjugatieve eleminte (ICE) zien belangrieke oorzake vaan plasticiteit in bacteriële genome, wat leidt tot ‘t wins of verlees vaan specifieke functies/eigensjappe. ‘t Sjtelt bacterieje in staot um zich snel aon te passe aan versjillende umgevingscondities, wat potentiële adaptieve metabolische veurdeile gief veur de gashier, zoe es de aofbraok vaan aromatische verbindinge. Metabolische veranderinge weure dèks bereik door ‘t fine-tune vaan aafbraokoperone, hun regelgevende mechanismes en enzymspecificiteite, wat de aafbraok vaan ‘n breier scala aon aromatische verbindinge vergemekelek (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). De gencassettes veur de aafbraok vaan naftaleen zien gebleke te vinde op ‘n versjeieheid aon mobiele eleminte wie plasmide (conjugatief en neet-conjugatief), transposone, genome, ICE’s en combinaties vaan versjèllende bacteriële soorte (Figuur 5). In Pseudomonas G7 were de nah en sal operons vaan plasmide NAH7 in dezelfde richting getranscribeerd en make ze deil oet vaan ‘n defect transposon dee transposase Tn4653 nuudig heet veur mobilisatie (Sota et al., 2006). In Pseudomonas-stam NCIB9816-4 woort ‘t gen gevoonde op ‘t conjugatief plasmide pDTG1 es twie operon (ongeveer 15 kb oetein) die in tegegestelde riechtinge woorte getranscribeerd (Dennis en Zylstra, 2004). In Pseudomonas putida-stam AK5 codeert ‘t neet-conjugatief plasmide pAK5 ‘t enzym dat verantweurdelek is veur de aafbraok vaan naftaleen via de gentisaatroute (Izmalkova et al., 2013). In Pseudomonas-stam PMD-1 bevindt zich ut nah-operon op ut chromosoom, terwiel ut sal-operon zich op ut conjugatief plasmide pMWD-1 bevindt (Zuniga et al., 1981). In Pseudomonas stutzeri AN10 bevinde zich alle naftaleen-aafbraokgene (nah- en sal operons) echter op ut chromosoom en were ze vermoedelek gerekruteerd door middel vaan transpositie, recombinatie en herrangsjikkingsgebäörtenisse (Bosch et al., 2000). In Pseudomonas sp. CSV86, de nah- en sal-operone bevinde zich in ‘t genoom in de vörm vaan ICE (ICECSV86). De structuur is besjermp door tRNAGly gevolg door directe herhaolinge die recombinatie/hechtingsplaatse (attR en attL) aongeve en ‘n faag-achtige integrase aon beide kante vaan tRNAGly, dus structureel vergeliekbaar mit ‘t ICEclc-elemint (ICEclcB13 in Pseudomonas knackmusii veur chlorocatechol-degradatie). D’r is gerapporteerd dat gene op ICE kinne weure euvergedrage door conjugatie mit ‘n extreem liege euverdrachsfrequentie (10-8), boedoor aafbraok-eigesjappe nao de oontvanger weure euvergedrage (Basu en Phale, 2008; Phale et al., 2019).
De mieste gene die verantweurdelek zien veur de aofbraok vaan carbaryl bevinde zich op plasmides. Arthrobacter sp. RC100 bevat drei plasmiden (pRC1, pRC2 en pRC300) boevaan twie conjugatieve plasmiden, pRC1 en pRC2, de enzyme codere die carbaryl umzètte in gentisaat. Aan de aandere kant bevinde zich de enzyme die betrokke zien bij de umzètting vaan gentisaat nao de centrale koolstofmetaboliete op ‘t chromosoom (Hayaatsu et al., 1999). Bacterieje vaan ‘t geslach Rhizobium. Stam AC100, gebruuk veur de umzètting vaan carbaryl nao 1-naftol, bevat plasmide pAC200, wat ‘t cehA-gen draag wat CH codeert es oonderdeil vaan ‘t Tnceh-transposon, umgeve door insertie-element-achtige sequenties (istA en istB) (Hashimoto et al., 2002). In de Sphingomonas-stam CF06 weurt gedach dat ‘t carbaryl-aafbraokgen aonwezig is in vijf plasmide: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 en pCF05. De DNA-homologie vaan dees plasmide is hoeg, wat aonguuf op ‘t bestoon vaan ‘n geduplicatiegebeurtenis (Feng et al., 1997). In ‘n carbaryl-degraderende symbiont dee besteit oet twie Pseudomonas-soorte, bevat stam 50581 ‘n conjugatief plasmide pCD1 (50 kb) wat ‘t mcd carbarylhydrolase-gen codeert, terwijl ‘t conjugatief plasmide in stam 50552 ‘n 1-naphthode-codeerende en Cpaguduc-en codeert Chaudhry, 1991). In de Achromobacter-stam WM111 bevindt zich ut mcd furadan hydrolase-gen op un 100 kb plasmide (pPDL11). Dit gen is aongetoend te zien op versjillende plasmiden (100, 105, 115 of 124 kb) in versjillende bacterieje oet versjillende geografische regio’s (Parekh et al., 1995). In Pseudomonas sp. C5pp, alle gene die verantweurdelek zien veur carbaryl-aafbraok zien gelege in un genoom mit 76,3 kb volgorde (Trivedi et al., 2016). Genoomanalyse (6,15 Mb) onthulde de aanwezigheid vaan 42 MGE’s en 36 GEI’s, boevaan 17 MGE’s zich bevonde in supercontig A (76,3 kb) mit ‘n gemiddeld asymmetrisch G+C-gehalte (54–60 mol%), wat meugeleke horizontale geneuverdrachsgebäörtenisse suggereert (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 vertoent un soortgelieke rangsjikking vaan carbaryl-degraderende gene, mer dees gene zien op un plasmide gelege (Zhu et al., 2019).
Neve metabolische efficiëntie op biochemisch en genomisch niveau, vertoene micro-organisme ouch aandere eigensjappe of reacties zoe es chemotaxis, celloppervlakmodificatie eigensjappe, compartimentalisatie, veurkäör gebruuk, biosurfactante productie, enz., wat ze helpe um efficiënter aromatische verontreinigende stoffe in besmette umgevinge te metabolisere (Figuur 7).
Figuur 7. Versjèllende cellulaire reactiestrategieje vaan ideale aromatische koolwaterstof-aafbrekende bacterieje veur efficiënte biodegradatie vaan vreemde verontreinigende verbindinge.
Chemotactische reacties weure besjouwd es factore die de aafbraok vaan organische verontreinigende stoffe in heterogeen vervuilde ecosysteme vergroete. (2002) heet aongetoond dat chemotaxis vaan Pseudomonas sp. G7 tot naftaleen verhoogde de snelheid vaan naftaleen aafbraok in watersysteme. De wildtype-stam G7 aafbreekde naftaleen väöl sneller es un chemotaxis-deficiënte mutante stam. ‘t NahY-eiwit (538 aminozure mit membraantopologie) bleek co-transcribeerd te zien mit de metacleavage-paadgene op ‘t NAH7-plasmide, en wie chemotaxis-transducers, liek dit eiwit te functionere es ‘n chemoreceptor veur naftaleen-aafbraok (Grimm en Harwood 1997). ‘n Aandere studie door Hansel et al. (2009) leet zien dat ‘t eiwit chemotactisch is, mer dat ‘t aafbraoksnelheid hoeg is. (2011) demonstreerde ‘n chemotactische reactie vaan Pseudomonas (P. putida) op gaasvörmige naftaleen, boebij gasfasediffusie resulteerde in ‘n gestadige stroming vaan naftaleen nao de celle, wat de chemotactische reactie vaan de celle controleerde. De oonderzeukers gebruukde dit chemotactisch gedraag um microbe te manipulere die de snelheid vaan aafbraok zowwe verhoege. Oonderzeuke höbbe aongetoend tot chemosensorische paajer ouch aander cellulaire functies regulere zoe es cell divisie, cell cyclus regulering, en biofilm vorming, en zoe helpe um de snelheid vaan aafbraok te controlere. ‘t Gebruuk vaan dees eigesjap (chemotaxis) veur efficiënte aafbraok weurt echter belemmerd door versjèllende knelpunte. De groete obstakels zien: (a) versjillende paraloge receptore herkinne dezelfde verbindinge/ligande; (b) ‘t bestoon vaan alternatieve receptore, d.w.z. energetisch tropisme; (c) significante volgordeversjèlle in de zintuigleke domeine vaan dezelfde receptorfemilie; en (d) gebrek aon informatie euver de belangriekste bacteriële sensoreiwitte (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Soms, de biodegradatie vaan aromatische koolwaterstoffe produceert mierdere metaboliete/tusseprodukte, welke chemotactisch kinne zien veur de eine gróp bacterieje mer aafkierend veur aandere, wat ‘t proces nog ingewikkelder maak. Um de interacties vaan ligande (aromatische koolwaterstoffe) mit chemische receptore te identificere, höbbe veer hybride sensoreiwitte (PcaY, McfR en NahY) geconstrueerd door de sensor- en signalerende domeine vaan Pseudomonas putida en Escherichia coli te fusere, die de receptore veur aromatische zure, TCA-tussemiddele, respectievelik nathalene en nathalene richte (Lu et al., et al.). 2019).
Oonder de invlood vaan naftaleen en aandere polycyclische aromatische koolwaterstoffe (PAH’s), ondergaon de structuur vaan ‘t bacteriële membraan en de integriteit vaan de micro-organisme significante veranderinge. Oonderzeuke höbbe aongetoend dat naftaleen de interactie vaan de acylketting beïnvlood door middel vaan hydrofobe interacties, boedoor de zwelling en vloeibaarheid vaan ‘t membraan vergroet (Sikkema et al., 1995). Um dit sjäöjeleke effek tege te goon, regulere bacterieje de vloeibaarheid vaan ‘t membraan door de ratio en de vetzoersamestèlling tusse iso/anteiso vertakte ketting vètte te verandere en cis-oonverzadigde vètte te isomerisere in de euvereinkomstig trans-isomere (Heipieper en de Bont, 1994). In Pseudomonas stutzeri die greujde mit naftaleenbehandeling, naom de verzaodeg tot onverzaodeg vetzoerverhawding touw vaan 1,1 tot 2,1, terwiel in Pseudomonas JS150 dees verhouding touwnaom vaan 7,5 tot 12,0 (Mrozik et al., 2004). Es Achromobacter KAs 3-5-celle op naftaleen woorte gegreujd, vertoende ze cel-aggregatie roond naftaleenkristalle en ‘n aofname in de cel-oppervlaktelaojing (vaan -22,5 tot -2,5 mV) vergezeld door cytoplasmatische condensatie en vacuolisatie, wat veranderinge in celstructuur en cel-oppervlakteigensjappe aonguuf (Mohapatra et al., 2019). Alhoewel cellulaire/oppervlakteveranderinge direk verboonde zien mit ‘n baeter opname vaan aromatische verontreinigende stoffe, zien relevante biotechnische strategieje neet gróndeg geoptimaliseerd. Manipulatie vaan celvörm is zelde gebruuk um biologische processe te optimalisere (Volke en Nikel, 2018). Deletie vaan gene die de cell divisie beïnvleuje zörg veur veranderinge in de cell morfologie. Deletie vaan gene die de cell divisie beïnvleuje zörg veur veranderinge in de cell morfologie. In Bacillus subtilis is gebleke dat ‘t celseptum eiwit SepF betrokke is bij de vörming vaan ‘t septum en is ‘t nuudig veur de volgende stappe vaan celdivisie, mer ‘t is gein essentieel gen. Deletie vaan gene die peptideglycaanhydrolases in Bacillus subtilis codere resulteerde in celverlenging, verhoogde specifieke greujsnelheid en verbeterde enzymproductiecapaciteit (Cui et al., 2018).
Compartimentalisatie vaan de carbaryl-aafbrekingsweeg is veurgesjtèld um efficiënte aafbraok vaan Pseudomonas-stamme C5pp en C7 te bereike (Kamini et al., 2018). D’r weurt veurgesjtèld dat carbaryl via ‘t septum vaan ‘t boetenste membraan en/of via diffusibele porine nao de periplasmatische ruimte weurt getransporteerd. CH is un periplasmatisch enzym dat de hydrolyse vaan carbaryl tot 1-naftol katalyseert, wat stabieler, hydrofobier en giftiger is. CH is gelokaliseerd in ‘t periplasma en heet ‘n liege affiniteit veur carbaryl, boedoor de vörming vaan 1-naftol weurt gecontroleerd, boedoor de accumulatie in celle weurt veurkomme en de toxiciteit veur celle weurt verminderd (Kamini et al., 2018). ‘t Resulterende 1-naftol weurt via ‘t binnenste membraan door te verdeile en/of diffusie nao ‘t cytoplasma getransporteerd, en weurt vervolgens gehydroxyleerd tot 1,2-dihydroxynaftaleen door ‘t hoeg-affiniteit enzym 1NH veur wijer metabolisme in ‘t centrale koolstofpaad.
Alhoewel micro-organisme de genetische en metabolische meugelekhede höbbe um xenobiotische koolstof bronne aaf te breke, is de hierarchische structuur vaan hunne gebruuk (d.w.z. veurkäör gebruuk vaan sumpel bove complexe koolstof bronne) ‘n groet obstakel veur biodegradatie. De aonwezigheid en ‘t gebruuk vaan simpele koolstofbronne reguleert gene die enzyme codere die complexe/neet-veurkeurde koolstofbronne zoewie PAH’s aafbreke. Un good bestudeerd veurbeeld is dat es glucose en lactose same weure gevoed aon Escherichia coli, glucose efficiënter weurt gebruuk es lactose (Jacob en Monod, 1965). Pseudomonas is gerapporteerd um ‘n versjeijenheid aon PAH’s en xenobiotische verbindinge es koolstofbronne aaf te breke. De hiërarchie vaan ‘t gebruuk vaan koolstofbronne in Pseudomonas is organische zure > glucose > aromatische verbindinge (Hylemon en Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). D’r is echter ‘n oetzundering. Interessant is dat Pseudomonas sp. CSV86 vertoent un unieke hiërarchische structuur die veurkeur aromatische koolwaterstoffe (benzoïnezuur, naftaleen, enz.) gebruuk in plaats vaan glucose en aromatische koolwaterstoffe co-metaboliseert mit organische zure (Basu et al., 2006). In deze bacterie, de gene veur aofbraok en transport vaan aromatische koolwaterstoffe weure neet aofgereguleerd, zelfs in de aonwezigheid vaan un twiede koolstof bron zoe es glucose of organische zure. Es ‘t in glucose- en aromatische koolwaterstofmedium woort gegreujd, woort gezeen dat de gene veur glucosetransport en -metabolisme woorte aafgereguleerd, aromatische koolwaterstoffe woorte gebruuk in de ierste logfase en glucose woort gebruuk in de twiede logfase (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Aan de andere kant heet de aonwezigheid vaan organische zure gein invlood op de expressie vaan aromatische koolwaterstofmetabolisme, dus weurt verwach dat dees bacterie ‘n kandidaatstam zal zien veur biodegradatie-studies (Phale et al., 2020).
‘t Is bekind dat biotransformatie vaan koolwaterstof oxidatieve stress en ‘n uppregulering vaan antioxidante enzyme in micro-organisme kin veroorzake. Inefficiënte biodegradatie vaan naftaleen zoewel in stationaire fasecelle es in de aonwezigheid vaan giftige verbindinge leidt tot de vorming vaan reactieve zuurstofsoorte (ROS) (Kang et al. 2006). Umtot naftaleen-aafbrekende enzyme iezer-zwavelclusters bevatte, zal onder oxidatieve stress ‘t iezer in heem en iezer-zwavel-eiwitte geoxideerd were, wat leidt tot eiwit-inactievering. Ferredoxine-NADP+ reductase (Fpr), same mit superoxidedismutase (SOD), bemiddelt de reversibele redoxreactie tusse NADP+/NADPH en twie molecule vaan ferredoxine of flavodoxine, zoedoende ROS opruip en ‘t iezer-zwavelcentrum oonder oxidatieve stress hersjtèld (Li et al. 2006). D’r is gerapporteerd dat zoewel Fpr es SodA (SOD) in Pseudomonas kinne weure geïnduceerd door oxidatieve stress, en verhoogde SOD- en catalase-activiteite woorte gezeen in veer Pseudomonas-stamme (O1, W1, As1 en G1) tijdens de greuj oonder naftaleen-toegevoogde umstandeghede (Kang et al., 2006). Oonderzeuke höbbe aongetoond dat de toevoeging vaan antioxidante wie ascorbienzoer of iezezer (Fe2+) de greujsnelheid vaan naftaleen kin verhoege. Wie Rhodococcus erythropolis in naftaleenmedium greujde, woort de transcriptie vaan oxidatieve stress-gerelateerde cytochroom P450-gene, boe-oonder sodA (Fe/Mn superoxidedismutase), sodC (Cu/Zn superoxidedismutase) en recA verhoeg (Sazykin et al., 2019). Vergeliekinde kwantitatieve proteomische analyse vaan Pseudomonas-celle gekweek in naftaleen leet zien dat upregulatie vaan versjèllende eiwitte geassocieerd mèt de oxidatieve stressrespons ‘n stresscopingstrategie is (Herbst et al., 2013).
D’r is gerapporteerd dat micro-organisme biosurfactante producere oonder de actie vaan hydrofobe koolstofbronne. Dees oppervlakteactieve stoffe zien amfifiele oppervlakteactieve verbindinge die aggregate kinne vörme op olie-water of loch-water grensvlakte. Dit bevordert pseudo-oplosbaarheid en vergemekelik de adsorptie vaan aromatische koolwaterstoffe, wat resulteert in efficiënte biodegradatie (Rahman et al., 2002). Vaanwege dees eigesjappe were biosurfactante väöl gebruuk in versjèllende industrieje. ‘t Toevoege vaan chemische surfactante of biosurfactante aon bacteriële kweek kin de efficiëntie en snelheid vaan koolwaterstof-aafbraok verhoege. Oonder de biosurfactante zien rhamnolipide geproduceerd door Pseudomonas aeruginosa oetgebreid bestudeerd en gekarakteriseerd (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Daoneve zien aandere soorte biosurfactante lipopeptides (mucines vaan Pseudomonas fluorescens), emulgator 378 (vaan Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg en Ron, 1999), trehalosedisaccharide lipides vaan Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenlus en Bacillus vaan Sacillus (Sacilwa, 2002), en surfactant vaan Bacillus subtilis (Siegmund en Wagner, 1991) en Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Dees krachtige oppervlakteactieve stoffe höbbe aongetoend dat ze de oppervlaktespanning vermindere vaan 72 dynes/cm tot minder es 30 dynes/cm, wat ‘n betere koolwaterstofabsorptie meugelek maak. D’r is gerapporteerd dat Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia en aandere bacteriële soorte versjillende rhamnolipide- en glycolipide-gebaseerde biosurfactante kinne producere es ze in naftaleen- en methylnaftaleenmedia were gegreujd (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 kin extracellulair biosurfactant Biosur-Pm producere es ‘t gegreujd weurt op aromatische verbindinge wie naphthoïnezuur (Phale et al., 1995). De kinetica vaan de vörming vaan Biosur-Pm leet zien dat de synthese ‘n greuj- en pH-aofhenkelek proces is. D’r woort gevoonde dat de wieväölheid Biosur-Pm geproduceerd door celle bij neutrale pH hoeger waor es die bij pH 8,5. Celle die greujde bie pH 8,5 waore mie hydrofobie en hadde ‘n hoegere affiniteit veur aromatische en alifatische verbindinge es celle die greujde bie pH 7,0. In Rhodococcus spp. N6, ‘n hoeger koolstof-stikstof (C:N)-ratio en ‘n beperking vaan iezer zien optimale umstandeghede veur de productie vaan extracellulaire biosurfactante (Mutalik et al., 2008). D’r zien poginge gemaak um de biosynthese vaan biosurfactante (surfactine) te verbetere door stamme en fermentasie te optimalisere. De titer vaan surfactant in ‘t kweekmedium is echter lieg (1,0 g/L), wat ‘n oetdaging vörmp veur groetsjalige productie (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Daorom zien methodes veur genetische manipulatie gebruuk um de biosynthese te verbaetere. De technische modificatie is echter lesteg vaanwege de groete gruutde vaan ‘t operon (∼25 kb) en de complexe biosynthetische regulering vaan ‘t quorumsensingsysteem (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). ‘n Aontal genetische manipulaties zien oetgeveurd in Bacillus-bacterieje, veural gerich op ‘t vergroete vaan de surfactineproductie door de promotor (srfA-operon) te vervange, door ‘t surfactine-exporteiwit YerP en de regelgevende factore ComX en PhrC te euverexpressere (Jiao et al., 2017). Deze methodes veur genetische manipulatie höbbe echter mer eine of minder genetische modificaties bereik en zien nog neet in commerciële produksie bereik. Daorom is weijer oonderzeuk vaan op kinnes gebaseerde optimalisatiemethodes nuudig.
PAH-biodegradatie-oonderzeuke weure veural oetgeveurd oonder standaard laboratoriumcondities. Echter, op besmette plekke of in besmette umgevinge, väöl abiotische en biotische factore (temperatuur, pH, zuurstof, voedingsstoffe besjikbaarheid, substraot biobesjikbaarheid, aander xenobiotica, eindproduk remming, etc.) is aongetoend tot ze de aafbraok capaciteit vaan micro-organisme verandere en beïnvleuje.
Temperatuur heet un significant effek op de biodegradatie vaan PAH. Naomaote de temperatuur touwnump, nump de concentratie vaan opgeloste zuurstof af, wat de metabolisme vaan aërobe micro-organismes beïnvlood, gezeen ze moleculaire zuurstof nudig höbbe es ein vaan de substraote veur oxygenases dee hydroxylatie of ring splitting reacties oetveure. ‘t Weurt dèks opgemerk dat ‘n verheugde temperatuur de mojer PAH’s umzèt in mie giftige verbindinge, boedoor biodegradatie weert geremp (Muller et al., 1998).
D’r is opgemerk dat väöl PAH-besmette locaties extreme pH-waardes höbbe, zoe es locaties die besmet zien door zoermiendrainage (pH 1-4) en locaties die besmette zien mit alkalisch lichaam (pH 8-12). Dees umstandeghede kinne ‘t biodegradatieproces serieus beïnvleuje. Daorum weurt ‘t aongeraoje um de pH aon te passe door gesjikde chemicalieje (mèt maotig tot hiel lieg oxidatie-reductiepotentieel) toe te voge, zoewie ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat veur alkalische groond of kalkering mit calciumcarbonaat of magnesiumcarbonaat veur zoerplaatse (Bow en Gulen et 1955). Sar 2020).
De zuurstofveurziening nao ‘t aangetaste gebeed is de snelheidsbeperkende factor veur PAH-biodegradatie. Vaanwege de redoxcondities vaan de umgeving, höbbe in situ bioremediatieprocesse miestal de introductie vaan zuurstof vaan externe bronne (bewerking, lochsjparing en chemische toevoeging) nuudig (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) leet zien dat de toevoeging vaan magnesiumperoxide (‘n zuurstof-aofgevende verbinding) aon ‘n besmette waterleiding effectief BTEX-verbindinge koos bioremediere. ‘n Anger oonderzeuk heet de in situ aafbraok vaan fenol en BTEX in ‘n besmette waterleiding oonderzeuk door natriumnitraat te injectere en extractieputte te make um effectieve bioremediatie te bereike (Bewley en Webb, 2001).