Мақала «Биоремедиацияның озық технологиялары және синтетикалық органикалық қосылыстарды (СОҚ) қайта өңдеу процестері» зерттеу тақырыбының бөлігі болып табылады. Барлық 14 мақаланы қараңыз.
Нафталин және алмастырылған нафталиндер (метилнафталин, нафтой қышқылы, 1-нафтил-N-метилкарбамат және т.б.) сияқты төмен молекулалық салмақты полициклді хош иісті көмірсутектер (ПАХ) әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады және организмдер үшін генотоксикалық, мутагендік және/немесе канцерогендік болып табылады. Бұл синтетикалық органикалық қосылыстар (СОҚ) немесе ксенобиотиктер басым ластаушы заттар болып саналады және жаһандық қоршаған орта мен қоғамдық денсаулыққа үлкен қауіп төндіреді. Адам қызметінің қарқындылығы (мысалы, көмірді газдандыру, мұнай өңдеу, көлік шығарындылары және ауылшаруашылық қолдану) осы кең таралған және тұрақты қосылыстардың концентрациясын, тағдырын және тасымалдануын анықтайды. Физикалық және химиялық өңдеу/жою әдістерінен басқа, ПОҚ-ны толығымен ыдыратуға немесе оларды улы емес қосалқы өнімдерге айналдыруға қабілетті микроорганизмдерді пайдаланатын биоремедиация сияқты жасыл және экологиялық таза технологиялар қауіпсіз, үнемді және перспективалы балама ретінде пайда болды. Топырақ микробиотасында Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia және Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus және Paenibacillus) және Actinobacteria (Rhodococcus және Arthrobacter) филасы болып табылатын әртүрлі бактерия түрлері әртүрлі органикалық қосылыстарды ыдырату қабілетін көрсетті. Метаболикалық зерттеулер, геномика және метагеномдық талдау бізге осы қарапайым тіршілік формаларында кездесетін катаболикалық күрделілік пен әртүрлілікті түсінуге көмектеседі, оларды тиімді биодеградация үшін қолдануға болады. PAH-тардың ұзақ мерзімді өмір сүруі плазмидалар, транспозондар, бактериофагтар, геномдық аралдар және интегративті конъюгативті элементтер сияқты генетикалық элементтерді қолдана отырып, көлденең гендерді тасымалдау арқылы жаңа деградация фенотиптерінің пайда болуына әкелді. Нақты изоляттардың немесе модельдік қауымдастықтардың (консорциумдардың) жүйелік биологиясы және генетикалық инженериясы синергетикалық әсерлер арқылы осы PAH-тарды кешенді, жылдам және тиімді биоремедиациялауға мүмкіндік бере алады. Бұл шолуда біз нафталин мен оның орнына алынған нафталинді ыдырататын бактериялардың әртүрлі метаболикалық жолдары мен әртүрлілігіне, генетикалық құрамы мен әртүрлілігіне, сондай-ақ жасушалық реакцияларына/бейімделуіне назар аударамыз. Бұл далалық қолдану және тиімді биоремедиация үшін штаммдарды оңтайландыру үшін экологиялық ақпарат береді.
Өнеркәсіптің қарқынды дамуы (мұнайхимия, ауыл шаруашылығы, фармацевтика, тоқыма бояғыштары, косметика және т.б.) әлемдік экономикалық өркендеуге және өмір сүру деңгейінің жақсаруына ықпал етті. Бұл экспоненциалды даму әртүрлі өнімдерді өндіру үшін қолданылатын көптеген синтетикалық органикалық қосылыстардың (СОҚ) өндірілуіне әкелді. Бұл шетелдік қосылыстарға немесе СОҚ-ларға полициклді хош иісті көмірсутектер (ПАК), пестицидтер, гербицидтер, пластификаторлар, бояғыштар, фармацевтикалық препараттар, органофосфаттар, жалынға төзімді заттар, ұшпа органикалық еріткіштер және т.б. жатады. Олар атмосфераға, су және құрлық экожүйелеріне шығарылады, онда олар көп өлшемді әсер етеді, физикалық-химиялық қасиеттер мен қауымдастық құрылымын өзгерту арқылы әртүрлі биоформаларға зиянды әсер етеді (Петри және т.б., 2015; Бернхардт және т.б., 2017; Саркар және т.б., 2020). Көптеген хош иісті ластаушы заттар көптеген бүтін экожүйелерге/биоалуантүрліліктің ыстық нүктелеріне (мысалы, маржан рифтері, Арктика/Антарктика мұз қабаттары, биік тау көлдері, терең теңіз шөгінділері және т.б.) күшті және жойқын әсер етеді (Jones 2010; Beyer және т.б. 2020; Nordborg және т.б. 2020). Жақында жүргізілген геомикробиологиялық зерттеулер жасанды құрылыстардың (салынған орта) беттеріне (мысалы, мәдени мұра нысандары мен граниттен, тастан, ағаштан және металдан жасалған ескерткіштер) синтетикалық органикалық заттардың (мысалы, хош иісті ластаушы заттардың) және олардың туындыларының тұндырылуы олардың ыдырауын тездететінін көрсетті (Gadd 2017; Liu және т.б. 2018). Адамның қызметі ауаның ластануы және климаттың өзгеруі арқылы ескерткіштер мен ғимараттардың биологиялық ыдырауын күшейтіп, нашарлатуы мүмкін (Liu және т.б. 2020). Бұл органикалық ластаушы заттар атмосферадағы су буымен әрекеттесіп, құрылымға шөгіп, материалдың физикалық және химиялық ыдырауын тудырады. Биоыдырау тірі организмдердің материалдардың сыртқы түрі мен қасиеттеріндегі олардың сақталуына әсер ететін жағымсыз өзгерістер ретінде кеңінен танылған (Pochon және Jaton, 1967). Бұл қосылыстардың одан әрі микробтық әрекеті (метаболизмі) құрылымдық тұтастықты, сақтау тиімділігін және мәдени құндылығын төмендетуі мүмкін (Gadd, 2017; Liu және т.б., 2018). Екінші жағынан, кейбір жағдайларда микробтардың бұл құрылымдарға бейімделуі және оларға реакциясы пайдалы екені анықталды, себебі олар ыдырау/ыдырау жылдамдығын төмендететін биофильмдер мен басқа да қорғаныш қабықтарын түзеді (Martino, 2016). Сондықтан тас, металл және ағаш ескерткіштері үшін тиімді ұзақ мерзімді тұрақты сақтау стратегияларын әзірлеу бұл процеске қатысатын негізгі процестерді мұқият түсінуді талап етеді. Табиғи процестермен (геологиялық процестер, орман өрттері, жанартау атқылауы, өсімдіктер мен бактериялық реакциялар) салыстырғанда, адам қызметінің нәтижесінде экожүйелерге полициклді хош иісті көмірсутектердің (ПАХ) және басқа да органикалық көміртектің (ОК) көп мөлшерде бөлінуі байқалады. Ауыл шаруашылығында (инсектицидтер мен пестицидтер, мысалы, ДДТ, атразин, карбарил, пентахлорфенол және т.б.), өнеркәсіпте (шикі мұнай, мұнай шламы/қалдықтары, мұнайдан алынған пластмассалар, ПХД, пластификаторлар, жуғыш заттар, дезинфекциялық құралдар, фумиганттар, хош иістендіргіштер және консерванттар), жеке күтім құралдары (күннен қорғайтын кремдер, дезинфекциялық құралдар, жәндіктерге қарсы құралдар және полициклді мускус) және оқ-дәрілер (2,4,6-ТНТ сияқты жарылғыш заттар) қолданылатын көптеген ПАХтар планета денсаулығына әсер етуі мүмкін ксенобиотиктер болып табылады (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Бұл тізімді мұнайдан алынған қосылыстарды (отын майлары, майлағыштар, асфальтендер), жоғары молекулалық салмақтағы биопластиктер және иондық сұйықтықтарды қосу арқылы кеңейтуге болады (Amde et al., 2015). 1-кестеде әртүрлі хош иісті ластаушы заттар және олардың әртүрлі салаларда қолданылуы көрсетілген. Соңғы жылдары ұшпа органикалық қосылыстардың, сондай-ақ көмірқышқыл газының және басқа да парниктік газдардың антропогендік шығарындылары артып келеді (Дворак және т.б., 2017). Дегенмен, антропогендік әсерлер табиғи әсерлерден айтарлықтай асып түседі. Сонымен қатар, біз бірқатар SOC-тардың көптеген қоршаған орта орталарында сақталатынын және биомдарға кері әсер ететін жаңа ластаушы заттар ретінде анықталғанын анықтадық (1-сурет). Америка Құрама Штаттарының Қоршаған ортаны қорғау агенттігі (USEPA) сияқты қоршаған ортаны қорғау агенттіктері цитотоксикалық, генотоксикалық, мутагендік және канцерогендік қасиеттеріне байланысты осы ластаушы заттардың көпшілігін өздерінің басым тізіміне енгізді. Сондықтан, қалдықтарды өңдеу/ластанған экожүйелерден шығарудың қатаң ережелері және тиімді стратегиялары қажет. Пиролиз, тотығу термиялық өңдеу, ауа аэрациясы, полигонға тастау, жағу және т.б. сияқты әртүрлі физикалық және химиялық өңдеу әдістері тиімсіз және қымбат, коррозиялық, улы және өңдеу қиын қосалқы өнімдерді тудырады. Әлемдік экологиялық хабардарлықтың артуымен, осы ластаушы заттарды және олардың туындыларын (мысалы, галогенделген, нитро, алкил және/немесе метил) ыдырата алатын микроорганизмдер барған сайын назар аударып келеді (Fennell және т.б., 2004; Haritash және Kaushik, 2009; Phale және т.б., 2020; Sarkar және т.б., 2020; Schwanemann және т.б., 2020). Хош иісті ластаушы заттарды кетіру үшін осы жергілікті кандидат микроорганизмдерді жеке немесе аралас дақылдарда (колонияларда) пайдалану қоршаған орта қауіпсіздігі, құны, тиімділігі, тиімділігі және тұрақтылығы тұрғысынан артықшылықтарға ие. Зерттеушілер сонымен қатар микробтық процестерді ластаушы заттарды өңдеу/кетірудің перспективалы технологиясы ретінде электрохимиялық тотығу-тотықсыздану әдістерімен, атап айтқанда биоэлектрохимиялық жүйелермен (BES) интеграциялауды зерттеп жатыр (Huang және т.б., 2011). BES технологиясы жоғары тиімділігі, арзан құны, экологиялық қауіпсіздігі, бөлме температурасында жұмыс істеуі, биоүйлесімді материалдары және құнды қосалқы өнімдерді (мысалы, электр энергиясы, отын және химиялық заттар) қалпына келтіру мүмкіндігіне байланысты барған сайын назар аударып келеді (Pant және т.б., 2012; Nazari және т.б., 2020). Жоғары өнімді геномдық секвенирлеу және омика құралдарының/әдістерінің пайда болуы әртүрлі ыдыратқыш микроорганизмдердің реакцияларының генетикалық реттелуі, протеомикасы және флюксомикасы туралы көптеген жаңа ақпарат берді. Бұл құралдарды жүйелік биологиямен біріктіру тиімді және тиімді биодеградацияға қол жеткізу үшін микроорганизмдердегі мақсатты катаболикалық жолдарды таңдау және дәл баптау (яғни, метаболикалық дизайн) туралы түсінігімізді одан әрі жақсартты. Қолайлы кандидат микроорганизмдерді қолдана отырып, тиімді биоремедиация стратегияларын жасау үшін біз микроорганизмдердің биохимиялық әлеуетін, метаболикалық әртүрлілігін, генетикалық құрамын және экологиясын (аутоэкология/синекология) түсінуіміз керек.
1-сурет. Төмен молекулалы PAH-тардың әртүрлі қоршаған орта орталары және биотаға әсер ететін әртүрлі факторлар арқылы өту көздері мен жолдары. Үзік сызықтар экожүйе элементтері арасындағы өзара әрекеттесуді білдіреді.
Бұл шолуда біз нафталин және алмастырылған нафталиндер сияқты қарапайым ПАГ-тардың әртүрлі бактериялық изоляттармен ыдырауы туралы деректерді қорытындылауға тырыстық, олар метаболизм жолдары мен әртүрлілігін, ыдырауға қатысатын ферменттерді, ген құрамын/мазмұнын және әртүрлілігін, жасушалық реакцияларды және биоремедиацияның әртүрлі аспектілерін қамтиды. Биохимиялық және молекулалық деңгейлерді түсіну осындай басым ластаушы заттарды тиімді биоремедиациялау үшін қолайлы қожайын штамдарын анықтауға және оларды одан әрі генетикалық инженериялауға көмектеседі. Бұл тиімді биоремедиация үшін учаскеге тән бактериялық консорциумдарды құру стратегияларын әзірлеуге көмектеседі.
Уытты және қауіпті хош иісті қосылыстардың көп болуы (Гюкель ережесіне сәйкес 4n + 2π электрондар, n = 1, 2, 3, …) ауа, топырақ, шөгінділер, жер үсті және жер асты сулары сияқты әртүрлі қоршаған орта орталарына үлкен қауіп төндіреді (Пуглиси және т.б., 2007). Бұл қосылыстарда сызықтық, бұрыштық немесе кластерлік түрде орналасқан жалғыз бензол сақиналары (моноциклді) немесе бірнеше бензол сақиналары (полициклді) бар және жоғары теріс резонанстық энергия мен инерттілікке (инерттілікке) байланысты қоршаған ортада тұрақтылық (тұрақтылық/тұрақсыздық) көрсетеді, мұны олардың гидрофобтығымен және төмендетілген күйімен түсіндіруге болады. Хош иісті сақина метил (-CH3), карбоксил (-COOH), гидроксил (-OH) немесе сульфонат (-HSO3) топтарымен ауыстырылған кезде, ол тұрақты болады, макромолекулаларға күшті аффинділікке ие болады және биологиялық жүйелерде биоаккумуляциялық болады (Seo және т.б., 2009; Phale және т.б., 2020). Нафталин және оның туындылары [метилнафталин, нафтои қышқылы, нафталинсульфонат және 1-нафтил N-метилкарбамат (карбарил)] сияқты кейбір төмен молекулалық салмақты полициклді хош иісті көмірсутектер (LMWAHs) АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің генотоксикалық, мутагендік және/немесе канцерогендік ретінде басым органикалық ластаушы заттар тізіміне енгізілді (Cerniglia, 1984). NM-PAH класының қоршаған ортаға шығарылуы қоректік тізбектің барлық деңгейлерінде осы қосылыстардың биожинақталуына әкелуі мүмкін, осылайша экожүйелердің денсаулығына әсер етеді (Бинкова және т.б., 2000; Сроги, 2007; Куинн және т.б., 2009).
ПАГ-тың биотаға ену көздері мен жолдары негізінен топырақ, жер асты сулары, жер үсті сулары, дақылдар және атмосфера сияқты әртүрлі экожүйе компоненттерінің арасындағы миграция және өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асады (Arey және Atkinson, 2003). 1-суретте экожүйелердегі әртүрлі төмен молекулалық салмақты ПАГ-тардың өзара әрекеттесуі мен таралуы және олардың биотаға/адамға әсер ету жолдары көрсетілген. ПАГ-тар ауаның ластануы нәтижесінде және көлік шығарындыларының, өнеркәсіптік пайдаланылған газдардың (көмірді газдандыру, жану және кокс өндірісі) миграциясы (дрейфі) және олардың тұндырылуы арқылы беттерге шөгеді. Синтетикалық тоқыма бұйымдарын, бояғыштар мен бояуларды өндіру; ағашты сақтау; резеңке өңдеу; цемент өндірісі қызметі; пестицидтер өндірісі; және ауылшаруашылық қолдану сияқты өнеркәсіптік қызмет құрлықтағы және су жүйелеріндегі ПАГ-тың негізгі көздері болып табылады (Bamforth және Singleton, 2005; Wick және т.б., 2011). Зерттеулер қала маңындағы және қала маңындағы, тас жолдардың маңындағы және ірі қалалардағы топырақтардың электр станцияларынан, тұрғын үйлерді жылытудан, ауа және жол қозғалысы жүктемелерінен және құрылыс жұмыстарынан шығатын шығарындыларға байланысты полициклді хош иісті көмірсутектерге (ПАХ) көбірек ұшырайтынын көрсетті (Суман және т.б., 2016). (2008) АҚШ-тың Луизиана штатындағы Жаңа Орлеан қаласындағы жолдардың маңындағы топырақтағы ПАХ мөлшері 7189 мкг/кг дейін жеткенін, ал ашық кеңістікте олар тек 2404 мкг/кг болғанын көрсетті. Сол сияқты, АҚШ-тың бірнеше қалаларындағы көмірді газдандыру орындарына жақын аудандарда ПАХ деңгейі 300 мкг/кг дейін жеткені туралы хабарланды (Канали және Хараяма, 2000; Бамфорт және Синглтон, 2005). Үндістанның Дели (Шарма және т.б., 2008), Агра (Дубей және т.б., 2014), Мумбай (Кулкарни және Венкатараман, 2000) және Вишакхапатнам (Кулкарни және т.б., 2014) сияқты әртүрлі қалаларының топырақтарында ПАГ-тың жоғары концентрациясы бар екені туралы хабарланған. Хош иісті қосылыстар топырақ бөлшектеріне, органикалық заттарға және саз минералдарына оңай сіңеді, осылайша экожүйелердегі негізгі көміртегі сіңіргіштеріне айналады (Сроги, 2007; Пенг және т.б., 2008). Су экожүйелеріндегі ПАГ-тың негізгі көздері жауын-шашын (ылғалды/құрғақ жауын-шашын және су буы), қалалық ағынды сулар, ағынды сулардың төгілуі, жер асты суларының қайта толтырылуы және т.б. (Сроги, 2007). Теңіз экожүйелеріндегі ПАГ-тың шамамен 80%-ы жауын-шашыннан, шөгінділерден және қалдықтардың төгілуінен пайда болады деп есептеледі (Мотелай-Массей және т.б., 2006; Сроги, 2007). Жер үсті суларындағы немесе қатты қалдықтарды тастау орындарынан шыққан ағынды сулардағы ПАГ-тың жоғары концентрациясы ақырында жер асты суларына ағып, қоғамдық денсаулыққа үлкен қауіп төндіреді, себебі Оңтүстік және Оңтүстік-Шығыс Азия халқының 70%-дан астамы жер асты суларын ішеді (Duttagupta et al., 2019). Дуттагупта және т.б. (2020) жүргізген жақында Үндістанның Батыс Бенгалия аймағындағы өзен (32) және жер асты суларын (235) талдау бойынша жүргізілген зерттеу қала тұрғындарының шамамен 53%-ы және ауыл тұрғындарының 44%-ы (барлығы 20 миллион тұрғын) нафталинге (4,9–10,6 мкг/л) және оның туындыларына ұшырауы мүмкін екенін анықтады. Жерді пайдаланудың әртүрлі үлгілері және жер асты суларын өндірудің артуы жер астындағы төмен молекулалық салмақты ПАГ-тың тік тасымалын (адвекциясын) басқаратын негізгі факторлар болып саналады. Ауыл шаруашылығы ағындары, муниципалдық және өнеркәсіптік ағынды сулардың төгінділері және қатты қалдықтар/қоқыс төгінділері өзен бассейндеріндегі және жер асты шөгінділеріндегі ПАГ-тың әсеріне ұшырайтыны анықталды. Атмосфералық жауын-шашын ПАГ ластануын одан әрі күшейтеді. Фрейзер өзені, Луан өзені, Денсо өзені, Миссури өзені, Анакостия өзені, Эбро өзені және Делавэр өзені сияқты әлемнің өзендерінде/су бассейндерінде ПАГ және олардың алкил туындыларының жоғары концентрациясы (барлығы 51) тіркелген (Yunker және т.б., 2002; Motelay-Massei және т.б., 2006; Li және т.б., 2010; Amoako және т.б., 2011; Kim және т.б., 2018). Ганг өзені бассейнінің шөгінділерінде нафталин мен фенантрен ең маңызды болып табылды (үлгілердің 70%-ында анықталды) (Duttagupta және т.б., 2019). Сонымен қатар, зерттеулер ауыз суды хлорлау улы оттегімен қаныққан және хлорланған ПАГ-тардың пайда болуына әкелуі мүмкін екенін көрсетті (Маноли және Самара, 1999). ПАГ дәнді дақылдарда, жемістер мен көкөністерде өсімдіктердің ластанған топырақтан, жер асты суларынан және жауын-шашыннан сіңіруі нәтижесінде жиналады (Фисмес және т.б., 2002). Балық, мидия, моллюскалар және асшаяндар сияқты көптеген су организмдері ластанған тағам мен теңіз суын тұтыну арқылы, сондай-ақ тіндер мен тері арқылы ПАГ-пен ластанған (Маккай және Фрейзер, 2000). Грильде пісіру, қуыру, ыстау, қуыру, кептіру, пісіру және көмірде пісіру сияқты пісіру/өңдеу әдістері де тағамда ПАГ-тың айтарлықтай мөлшеріне әкелуі мүмкін. Бұл көбінесе ыстау материалын таңдауға, фенолдық/хош иісті көмірсутектердің құрамына, пісіру процесіне, қыздырғыш түріне, ылғалдылық құрамына, оттегімен қамтамасыз етілуіне және жану температурасына байланысты (Гуиллен және т.б., 2000; Гомес және т.б., 2013). Полициклді хош иісті көмірсутектер (ПАГ) сүтте әртүрлі концентрацияларда (0,75–2,1 мг/л) да анықталған (Гирелли және т.б., 2014). Бұл ПАХ-тардың тағамда жиналуы тағамның физика-химиялық қасиеттеріне де байланысты, ал олардың уытты әсері физиологиялық функциялармен, метаболикалық белсенділікпен, сіңірумен, таралуымен және денеде таралуымен байланысты (Mechini et al., 2011).
Полициклді хош иісті көмірсутектердің (ПАХ) уыттылығы мен зиянды әсерлері ұзақ уақыт бойы белгілі болды (Cherniglia, 1984). Төмен молекулалық салмағы бар полициклді хош иісті көмірсутектер (ТМХ-ПАХ) (екі-үш сақина) ДНҚ, РНҚ және ақуыздар сияқты әртүрлі макромолекулалармен ковалентті түрде байланыса алады және канцерогенді болып табылады (Santarelli et al., 2008). Гидрофобты табиғатына байланысты олар липидті мембраналармен бөлінген. Адамдарда цитохром P450 монооксигеназалары ПАХ-тарды эпоксидтерге дейін тотықтырады, олардың кейбіреулері жоғары реактивті (мысалы, бадиол эпоксиді) және қалыпты жасушалардың қатерлі жасушаларға айналуына әкелуі мүмкін (Marston et al., 2001). Сонымен қатар, хинондар, фенолдар, эпоксидтер, диолдар және т.б. сияқты ПАХ-тардың трансформация өнімдері бастапқы қосылыстарға қарағанда улырақ. Кейбір PAH және олардың метаболикалық аралық өнімдері метаболизмдегі гормондар мен әртүрлі ферменттерге әсер етуі мүмкін, осылайша өсуге, орталық жүйке жүйесіне, репродуктивті және иммундық жүйелерге кері әсер етеді (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna және т.б., 2006; Oostingh және т.б., 2008). Төмен молекулалық салмақты PAH-қа қысқа мерзімді әсер ету астмамен ауыратындарда өкпе функциясының бұзылуына және тромбозға әкелетіні және тері, өкпе, қуық және асқазан-ішек жолдарының қатерлі ісіктерінің қаупін арттыратыны туралы хабарланған (Olsson және т.б., 2010; Diggs және т.б., 2011). Жануарларға жүргізілген зерттеулер PAH әсерінің репродуктивті функция мен дамуға кері әсер етуі мүмкін екенін және катаракта, бүйрек пен бауырдың зақымдануы және сарғаюды тудыруы мүмкін екенін көрсетті. Диолдар, эпоксидтер, хинондар және бос радикалдар (катиондар) сияқты әртүрлі PAH биотрансформация өнімдері ДНҚ аддукттарын түзетіні көрсетілген. Тұрақты аддукттар ДНҚ репликация механизмін өзгертетіні көрсетілген, ал тұрақсыз аддукттар ДНҚ-ны депуринацилауы мүмкін (негізінен аденинге және кейде гуанинге); екеуі де мутацияларға әкелетін қателіктерді тудыруы мүмкін (Schweigert және т.б., 2001). Сонымен қатар, хинондар (бензо-/пан-) реактивті оттегі түрлерін (ROS) түзе алады, бұл ДНҚ-ға және басқа макромолекулаларға өлімге әкелетін зақым келтіреді, осылайша тіндердің функциясына/тіршілікке қабілеттілігіне әсер етеді (Ewa және Danuta, 2017). Пирен, бифенил және нафталиннің төмен концентрацияларына созылмалы әсер ету тәжірибелік жануарларда қатерлі ісік тудыратыны туралы хабарланған (Diggs және т.б., 2012). Олардың өлімге әкелетін уыттылығына байланысты, зақымдалған/ластанған жерлерден осы PAH-тарды тазарту/алып тастау басымдық болып табылады.
Ластанған жерлерден/ортада ПАХ-тарды жою үшін әртүрлі физикалық және химиялық әдістер қолданылды. Жағу, хлорсыздандыру, ультракүлгін тотығу, бекіту және еріткішпен экстракциялау сияқты процестердің көптеген кемшіліктері бар, соның ішінде улы қосалқы өнімдердің түзілуі, процестің күрделілігі, қауіпсіздік және реттеу мәселелері, төмен тиімділік және жоғары құны. Дегенмен, микробтық биодеградация (биоремедиация деп аталады) микроорганизмдерді таза дақылдар немесе колониялар түрінде пайдалануды қамтитын перспективалы балама тәсіл болып табылады. Физикалық және химиялық әдістермен салыстырғанда бұл процесс экологиялық таза, инвазивті емес, үнемді және тұрақты. Биоремедиацияны зақымдалған жерде (in situ) немесе арнайы дайындалған жерде (ex situ) жүргізуге болады және сондықтан дәстүрлі физикалық және химиялық әдістерге қарағанда тұрақтырақ қалпына келтіру әдісі болып саналады (Juhasz және Naidu, 2000; Andreoni және Gianfreda, 2007; Megharaj және т.б., 2011; Phale және т.б., 2020; Sarkar және т.б., 2020).
Хош иісті ластаушы заттардың ыдырауына қатысатын микробтық метаболикалық кезеңдерді түсіну экологиялық және экологиялық тұрақтылық үшін үлкен ғылыми және экономикалық салдарға ие. Дүние жүзінде шөгінділер мен органикалық қосылыстарда (яғни, мұнай, табиғи газ және көмір, яғни қазба отындары) шамамен 2,1 × 1018 грамм көміртек (C) сақталады, бұл жаһандық көміртек цикліне айтарлықтай үлес қосады. Дегенмен, жылдам индустрияландыру, қазба отынын өндіру және адам қызметі бұл литосфералық көміртегі резервуарларын таусып, жыл сайын атмосфераға шамамен 5,5 × 1015 г органикалық көміртек (ластаушы заттар ретінде) шығарылуда (Гонсалес-Гая және т.б., 2019). Бұл органикалық көміртектің көп бөлігі құрлықтағы және теңіз экожүйелеріне шөгінділер, тасымалдау және ағынды сулар арқылы енеді. Сонымен қатар, қазба отындарынан алынған жаңа синтетикалық ластаушы заттар, мысалы, пластмассалар, пластификаторлар және пластикалық тұрақтандырғыштар (фталаттар және олардың изомерлері) теңіз, топырақ және су экожүйелерін және олардың биотасын қатты ластайды, осылайша жаһандық климаттық тәуекелдерді күшейтеді. Солтүстік Америка мен Оңтүстік-Шығыс Азия арасындағы Тынық мұхитында полиэтилентерефталаттан (ПЭТ) алынған әртүрлі микропластиктер, нанопластиктер, пластикалық фрагменттер және олардың улы мономер өнімдері жиналып, «Ұлы Тынық мұхиты қоқыс дағын» құрап, теңіз тіршілігіне зиян келтірді (Ньюэлл және т.б., 2020). Ғылыми зерттеулер мұндай ластаушы заттарды/қалдықтарды ешқандай физикалық немесе химиялық әдістермен жою мүмкін емес екенін дәлелдеді. Бұл тұрғыда ең пайдалы микроорганизмдер - ластаушы заттарды көмірқышқыл газына, химиялық энергияға және басқа да улы емес қосалқы өнімдерге тотығу жолымен метаболиздеуге қабілетті, олар ақырында басқа қоректік заттардың айналым процестеріне (H, O, N, S, P, Fe және т.б.) енеді. Осылайша, хош иісті ластаушы заттардың минералдануының микробтық экофизиологиясын және оны қоршаған ортаны бақылауды түсіну микробтық көміртек циклін, таза көміртек бюджетін және болашақ климаттық тәуекелдерді бағалау үшін өте маңызды. Мұндай қосылыстарды қоршаған ортадан шығарудың шұғыл қажеттілігін ескере отырып, таза технологияларға бағытталған әртүрлі эко-өнеркәсіптер пайда болды. Балама ретінде, экожүйелерде жиналған өнеркәсіптік қалдықтарды/қалдық химиялық заттарды бағалау (яғни, қалдықтарды байлыққа айналдыру тәсілі) айналмалы экономика мен тұрақты даму мақсаттарының тіректерінің бірі ретінде қарастырылады (Close және т.б., 2012). Сондықтан, мұндай хош иісті ластаушы заттарды тиімді жою және биоремедиациялау үшін осы ықтимал деградация кандидаттарының метаболикалық, ферментативті және генетикалық аспектілерін түсіну өте маңызды.
Көптеген хош иісті ластаушы заттардың ішінде біз нафталин және алмастырылған нафталиндер сияқты төмен молекулалық салмақты ПАГ-тарға ерекше назар аударамыз. Бұл қосылыстар мұнайдан алынатын отындардың, тоқыма бояғыштарының, тұтыну өнімдерінің, пестицидтердің (нафталиндер мен жәндіктерге қарсы құралдар), пластификаторлардың және таниндердің негізгі компоненттері болып табылады және сондықтан көптеген экожүйелерде кең таралған (Preuss et al., 2003). Жақында жарияланған есептер нафталин концентрациясының сулы шөгінділерде, жер асты суларында және жер асты топырақтарында, вадоза аймақтарында және өзен арналарында жиналуын көрсетеді, бұл оның қоршаған ортада биожинақталуын көрсетеді (Duttagupta et al., 2019, 2020). 2-кестеде нафталин мен оның туындыларының физика-химиялық қасиеттері, қолданылуы және денсаулыққа әсері қорытындыланған. Басқа жоғары молекулалық салмақты ПАГ-тармен салыстырғанда, нафталин және оның туындылары аз гидрофобты, суда еритін және экожүйелерде кең таралған, сондықтан олар көбінесе ПАГ метаболизмін, генетикасын және метаболикалық әртүрлілігін зерттеу үшін модельдік субстраттар ретінде қолданылады. Көптеген микроорганизмдер нафталин мен оның туындыларын метаболиздей алады, және олардың метаболизм жолдары, ферменттері және реттеуші ерекшеліктері туралы жан-жақты ақпарат бар (Mallick және т.б., 2011; Phale және т.б., 2019, 2020). Сонымен қатар, нафталин мен оның туындылары олардың көптігі мен биожетімділігіне байланысты қоршаған ортаның ластануын бағалау үшін прототиптік қосылыстар ретінде белгіленеді. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің бағалауы бойынша, темекі түтінінен, негізінен толық емес жанудан пайда болатын нафталиннің орташа деңгейі текше метрге 5,19 мкг және бүйірлік түтіннен 7,8-ден 46 мкг-ға дейін, ал креозот пен нафталинге ұшырау 100-ден 10 000 есеге дейін жоғары (Preuss және т.б., 2003). Атап айтқанда, нафталиннің түрге, аймаққа және жынысқа тән тыныс алу уыттылығы мен канцерогенділігі бар екені анықталды. Жануарларға жүргізілген зерттеулерге сүйене отырып, Халықаралық қатерлі ісіктерді зерттеу агенттігі (IARC) нафталинді «адам үшін ықтимал канцероген» (2B тобы)1 ретінде жіктеді. Алмастырылған нафталиндердің, негізінен ингаляциялық немесе парентеральды (ішке қабылдау) әсер етуі өкпе тінінің зақымдануын тудырады және егеуқұйрықтар мен тышқандарда өкпе ісіктерінің пайда болу жиілігін арттырады (Ұлттық токсикология бағдарламасы 2). Жедел әсерлерге жүрек айну, құсу, іштің ауыруы, диарея, бас ауруы, сананың шатасуы, қатты тершеңдік, қызба, тахикардия және т.б. жатады. Екінші жағынан, кең спектрлі карбамат инсектициді карбарил (1-нафтил N-метилкарбамат) су омыртқасыздарына, қосмекенділерге, бал араларына және адамдарға улы екені және паралич тудыратын ацетилхолинэстеразаны тежейтіні көрсетілген (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). Сондықтан, микробтық деградация механизмдерін, генетикалық реттеуді, ферментативті және жасушалық реакцияларды түсіну ластанған ортада биоремедиация стратегияларын әзірлеу үшін өте маңызды.
2-кесте. Нафталин мен оның туындыларының физика-химиялық қасиеттері, қолданылуы, идентификациялау әдістері және онымен байланысты аурулары туралы толық ақпарат.
Ластанған қуыстарда гидрофобты және липофильді хош иісті ластағыштар қоршаған ортаның микробиомына (қауымдастығына) әртүрлі жасушалық әсерлер тудыруы мүмкін, мысалы, мембрана сұйықтығының, мембрана өткізгіштігінің, липидті қос қабаттың ісінуі, энергия берілуінің бұзылуы (электрон тасымалдау тізбегі/протон қозғаушы күші) және мембранамен байланысты ақуыздардың белсенділігі (Sikkema et al., 1995). Сонымен қатар, катехолдар мен хинондар сияқты кейбір еритін аралық заттар реактивті оттегі түрлерін (ROS) түзеді және ДНҚ мен ақуыздармен аддукттар түзеді (Penning et al., 1999). Осылайша, экожүйелердегі мұндай қосылыстардың көптігі микробтық қауымдастықтарға сіңіру/тасымалдау, жасушаішілік трансформация, ассимиляция/пайдалану және бөлімшелер құруды қоса алғанда, әртүрлі физиологиялық деңгейлерде тиімді деградаторларға айналу үшін селективті қысым жасайды.
Рибосомалық дерекқор Project-II (RDP-II) жүйесінде іздеу нәтижесінде нафталинмен немесе оның туындыларымен ластанған ортадан немесе байыту дақылдарынан барлығы 926 бактерия түрі бөлініп алынғаны анықталды. Proteobacteria тобында өкілдер саны ең көп болды (n = 755), одан кейін Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) және жіктелмеген бактериялар (8) келеді (2-сурет). γ-Proteobacteria өкілдері (Pseudomonadales және Xanthomonadales) G+C құрамы жоғары барлық грам-теріс топтарда басым болды (54%), ал Clostridiales және Bacillales (30%) G+C құрамы төмен грам-позитивті топтар болды. Pseudomonas (ең көп саны, 338 түрі) әртүрлі ластанған экожүйелерде (көмір шайыры, мұнай, шикі мұнай, шлам, мұнай төгінділері, ағынды сулар, органикалық қалдықтар және қоқыс полигондары), сондай-ақ тұтас экожүйелерде (топырақ, өзендер, шөгінділер және жер асты сулары) нафталин мен оның метил туындыларын ыдырата алатыны туралы хабарланды (2-сурет). Сонымен қатар, осы аймақтардың кейбірін байыту зерттеулері мен метагеномдық талдауы өсірілмеген Legionella және Clostridium түрлерінің ыдырау қабілеті болуы мүмкін екенін көрсетті, бұл жаңа жолдар мен метаболикалық әртүрлілікті зерттеу үшін осы бактерияларды өсіру қажеттілігін көрсетеді.
2-сурет. Нафталин және оның туындыларымен ластанған ортадағы бактерия өкілдерінің таксономиялық әртүрлілігі және экологиялық таралуы.
Әртүрлі хош иісті көмірсутектерді ыдырататын микроорганизмдердің ішінде көпшілігі нафталинді көміртек пен энергияның жалғыз көзі ретінде ыдырата алады. Нафталин метаболизміне қатысатын оқиғалардың тізбегі Pseudomonas sp. үшін сипатталған. (штаммдар: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 және CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 және басқа штаммдар (ND6 және AS1) (Mahajan және т.б., 1994; Resnick және т.б., 1996; Annweiler және т.б., 2000; Basu және т.б., 2003; Dennis and Zylstra, 2004; Sota және т.б., 2006; Метаболизм көп компонентті диоксигеназа [нафталин диоксигеназасы (NDO), сақиналы гидроксилденетін диоксигеназа] арқылы басталады, ол нафталиннің хош иісті сақиналарының бірін екінші субстрат ретінде молекулалық оттегін пайдаланып тотығуын катализдейді, нафталинді цис-нафталиндиолға айналдырады (3-сурет). Цис-дигидродиол 1,2-дигидроксинафталинге а арқылы айналады. дегидрогеназа. Сақинаны бөлетін диоксигеназа, 1,2-дигидроксинафталин диоксигеназа (12DHNDO), 1,2-дигидроксинафталинді 2-гидроксихромен-2-карбон қышқылына айналдырады. Ферментативті цис-транс изомерленуі транс-о-гидроксибензилиденпируватты түзеді, ол гидратаза альдолазасымен салицил альдегиді мен пируватқа бөлінеді. Органикалық қышқыл пируват нафталин көміртегі қаңқасынан алынған және орталық көміртегі жолына бағытталған алғашқы C3 қосылысы болды. Сонымен қатар, NAD+-тәуелді салицилальдегиддегидрогеназа салицилальдегидті салицил қышқылына айналдырады. Бұл кезеңдегі метаболизм нафталиннің ыдырауының «жоғарғы жолы» деп аталады. Бұл жол нафталинді ыдырататын бактериялардың көпшілігінде өте кең таралған. Дегенмен, бірнеше ерекшеліктер бар; мысалы, термофильді Bacillus hamburgii 2-де нафталиннің ыдырауы нафталинмен басталады. 2,3-диоксигеназа 2,3-дигидроксинафталин түзеді (Annweiler және т.б., 2000).
3-сурет. Нафталин, метилнафталин, нафтой қышқылы және карбарил ыдырау жолдары. Шеңбер ішіндегі сандар нафталин мен оның туындыларының кейінгі өнімдерге тізбекті түрленуіне жауапты ферменттерді білдіреді. 1 — нафталин диоксигеназа (NDO); 2, цис-дигидродиолдегидрогеназа; 3, 1,2-дигидроксинафталин диоксигеназа; 4, 2-гидроксихром-2-карбон қышқылының изомеразасы; 5, транс-O-гидроксибензилиденпируватгидратаза альдолазасы; 6, салицилальдегиддегидрогеназа; 7, салицилат 1-гидроксилаза; 8, катехол 2,3-диоксигеназа (C23DO); 9, 2-гидроксимуконат жартылай альдегиддегидрогеназа; 10, 2-оксопент-4-эноатгидратаза; 11, 4-гидрокси-2-оксопентаноат альдолазасы; 12, ацетальдегиддегидрогеназасы; 13, катехол-1,2-диоксигеназа (C12DO); 14, муконат циклоизомеразасы; 15, муконолактон дельта-изомеразасы; 16, β-кетоадипатеноллактон гидролазасы; 17, β-кетоадипат сукцинил-КоА трансферазасы; 18, β-кетоадипат-КоА тиолазасы; 19, сукцинил-КоА: ацетил-КоА сукцинилтрансферазасы; 20, салицилат 5-гидроксилазасы; 21 – гентизат 1,2-диоксигеназасы (GDO); 22, малеилпируват изомеразасы; 23, фумарилпируват гидролазасы; 24, метилнафталин гидроксилазасы (NDO); 25, гидроксиметилнафталиндегидрогеназа; 26, нафтальдегиддегидрогеназа; 27, 3-формилсалицил қышқылы оксидазасы; 28, гидроксиизофталат декарбоксилаза; 29, карбарилгидролаза (CH4); 30, 1-нафтол-2-гидроксилаза.
Организмге және оның генетикалық құрамына байланысты, алынған салицил қышқылы салицил 1-гидроксилаза (S1H) көмегімен катехол жолы арқылы немесе салицил 5-гидроксилаза (S5H) көмегімен гентисат жолы арқылы одан әрі метаболизденеді (3-сурет). Салицил қышқылы нафталин метаболизміндегі негізгі аралық өнім болғандықтан (жоғарғы жол), салицил қышқылынан TCA аралық өніміне дейінгі қадамдар көбінесе төменгі жол деп аталады, ал гендер бір оперонға біріктірілген. Жоғарғы жол оперонындағы (nah) және төменгі жол оперонындағы (sal) гендердің жалпы реттеуші факторлармен реттелетінін жиі көруге болады; мысалы, NahR және салицил қышқылы индукторлар ретінде әрекет етеді, бұл екі оперонға да нафталинді толығымен метаболиздеуге мүмкіндік береді (Phale et al., 2019, 2020).
Сонымен қатар, катехол мета жол арқылы катехол 2,3-диоксигеназа (C23DO) арқылы циклдік түрде 2-гидроксимуконат жартылай альдегидіне бөлінеді (Yen және т.б., 1988) және одан әрі 2-гидроксимуконат жартылай альдегид гидролазасымен гидролизденіп, 2-гидроксипент-2,4-диен қышқылын түзеді. Содан кейін 2-гидроксипент-2,4-диеноат гидратаза (2-оксопент-4-эноат гидратаза) және альдолаза (4-гидрокси-2-оксопентаноат альдолаза) арқылы пируват пен ацетальдегидке айналады, содан кейін орталық көміртек жолына енеді (3-сурет). Балама ретінде, катехол орто жол арқылы катехол 1,2-оксигеназа (C12DO) арқылы циклдік түрде цис,цис-муконатқа бөлінеді. Муконат циклоизомеразасы, муконолактон изомеразасы және β-кетоадипат-ноллактон гидролазасы цис,цис-муконатты 3-оксоадипатқа айналдырады, ол сукцинил-КоА және ацетил-КоА арқылы орталық көміртек жолына енеді (Нозаки және т.б., 1968) (3-сурет).
Гентизат (2,5-дигидроксибензоат) жолында хош иісті сақина гентизат 1,2-диоксигеназа (GDO) арқылы малеилпируват түзу үшін бөлінеді. Бұл өнімді пируват пен малатқа тікелей гидролиздеуге немесе фумарилпируват түзу үшін изомерлеуге болады, содан кейін оны пируват пен фумаратқа гидролиздеуге болады (Larkin and Day, 1986). Балама жолды таңдау биохимиялық және генетикалық деңгейлерде грам-теріс және грам-позитивті бактерияларда байқалды (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Грам-теріс бактериялар (Pseudomonas) нафталин метаболизмінің индукторы болып табылатын салицил қышқылын қолдануды жөн көреді, оны салицилат 1-гидроксилазаны пайдаланып катехолға декарбоксилдейді (Gibson and Subramanian, 1984). Екінші жағынан, грам-позитивті бактерияларда (Rhodococcus) салицил қышқылын гентизин қышқылына айналдырады, ал салицил қышқылы нафталин гендерінің транскрипциясына индуктивті әсер етпейді (Grund және т.б., 1992) (3-сурет).
Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas және Mycobacterium түрлері монометилнафталинді немесе диметилнафталинді ыдырата алатыны туралы хабарланған (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan және т.б., 1994; Dutta және т.б., 1998; Hedlund және т.б., 1999). Олардың ішінде Pseudomonas sp. CSV86 1-метилнафталин және 2-метилнафталин ыдырау жолы биохимиялық және ферментативті деңгейде анық зерттелген (Mahajan және т.б., 1994). 1-метилнафталин екі жол арқылы метаболизденеді. Біріншіден, хош иісті сақина гидроксилденеді (метилнафталиннің алмастырылмаған сақинасы), цис-1,2-дигидрокси-1,2-дигидро-8-метилнафталин түзеді, ол метил салицилат пен метилкатехолға дейін тотығады, содан кейін сақина бөлінуінен кейін орталық көміртегі жолына енеді (3-сурет). Бұл жол «көміртек көзі жолы» деп аталады. Екінші «детоксикация жолында» метил тобын NDO арқылы гидроксилденіп, 1-гидроксиметилнафталин түзуге болады, ол одан әрі 1-нафтои қышқылына дейін тотығады және өлі өнім ретінде қоректік ортаға шығарылады. Зерттеулер CSV86 штаммының жалғыз көміртек және энергия көзі ретінде 1- және 2-нафтои қышқылында өсе алмайтынын көрсетті, бұл оның детоксикация жолын растайды (Mahajan және т.б., 1994; Basu және т.б., 2003). 2-метилнафталинде метил тобы гидроксилазамен гидроксилденуге ұшырап, 2-гидроксиметилнафталин түзеді. Сонымен қатар, нафталин сақинасының алмастырылмаған сақинасы дигидродиол түзу үшін сақина гидроксилденуге ұшырайды, ол фермент катализденетін реакциялар сериясында 4-гидроксиметилкатехолға дейін тотығады және мета-сақина бөліну жолы арқылы орталық көміртек жолына енеді. Сол сияқты, S. paucimobilis 2322 NDO-ны пайдаланып, 2-метилнафталинді гидроксилдейді, ол одан әрі метилсалицилатты және метилкатехолды түзу үшін тотығады (Dutta et al., 1998).
Нафтой қышқылдары (алмастырылған/алмастырылмаған) - метилнафталин, фенантрен және антраценнің ыдырауы кезінде түзілетін және пайдаланылған қоректік ортаға шығарылатын детоксикация/биотрансформацияның қосалқы өнімдері. Stenotrophomonas maltophilia CSV89 топырақ изоляты 1-нафтой қышқылын көміртек көзі ретінде метаболиздей алатыны туралы хабарланған (Phale et al., 1995). Метаболизм хош иісті сақинаның дигидроксилденуінен басталып, 1,2-дигидрокси-8-карбоксинафталин түзіледі. Алынған диол 2-гидрокси-3-карбоксибензилиденепируват, 3-формилсалицил қышқылы, 2-гидроксиизофталит қышқылы және салицил қышқылы арқылы катехолға тотығады және мета-сақина бөліну жолы арқылы орталық көміртек жолына енеді (3-сурет).
Карбарил - нафтилкарбамат пестициді. 1970 жылдары Үндістандағы Жасыл революциядан бері химиялық тыңайтқыштар мен пестицидтерді қолдану ауылшаруашылық нүктелік емес көздерден полициклді хош иісті көмірсутектердің (ПАУ) шығарындыларының артуына әкелді (Пингали, 2012; Дуттагупта және т.б., 2020). Үндістандағы жалпы егістік алқаптарының шамамен 55%-ы (85 722 000 гектар) химиялық пестицидтермен өңделеді. Соңғы бес жылда (2015–2020) Үндістанның ауыл шаруашылығы секторы жылына орта есеппен 55 000-нан 60 000 тоннаға дейін пестицид пайдаланды (Үндістан үкіметінің Ауыл шаруашылығы министрлігінің Кооперативтер және фермерлердің әл-ауқаты департаменті, 2020 жылдың тамыз айы). Солтүстік және орталық Ганг жазықтарында (халық саны мен тығыздығы ең жоғары штаттарда) пестицидтерді дақылдарға қолдану кең таралған, инсектицидтер басым. Карбарил (1-нафтил-N-метилкарбамат) - Үндістан ауыл шаруашылығында орта есеппен 100-110 тонна мөлшерінде қолданылатын кең спектрлі, орташадан жоғары уытты карбамат инсектициді. Ол әдетте Sevin сауда белгісімен сатылады және әртүрлі дақылдарға (жүгері, соя, мақта, жемістер мен көкөністер) әсер ететін жәндіктерді (тли, от құмырсқалары, бүргелер, кенелер, өрмекшілер және басқа да көптеген сыртқы зиянкестер) бақылау үшін қолданылады. Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus және Arthrobacter сияқты кейбір микроорганизмдерді басқа зиянкестермен күресу үшін де пайдалануға болады. RC100 карбарилді ыдырата алатыны туралы хабарланған (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Карбарилдің ыдырау жолы Pseudomonas sp. C4, C5 және C6 штамдарының топырақ изоляттарында биохимиялық, ферментативті және генетикалық деңгейлерде кеңінен зерттелген (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (3-сурет). Метаболикалық жол эфирлік байланыстың карбарилгидролазамен (CH4) гидролизінен басталып, 1-нафтол, метиламин және көмірқышқыл газын түзеді. 1-нафтол содан кейін 1-нафтол гидроксилаза (1-NH) арқылы 1,2-дигидроксинафталинге айналады, ол салицилат және гентизат арқылы орталық көміртегі жолы арқылы одан әрі метаболизденеді. Кейбір карбарилді ыдырататын бактериялардың оны катехол орто сақинасын бөлу арқылы салицил қышқылына айналдыратыны туралы хабарланған (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). Атап айтқанда, нафталинді ыдырататын бактериялар негізінен салицил қышқылын катехол арқылы метаболиздейді, ал карбарилді ыдырататын бактериялар салицил қышқылын гентизат жолы арқылы метаболиздегенді жөн көреді.
Нафталинсульфон қышқылы/дисульфон қышқылы және нафтиламинсульфон қышқылының туындылары азо бояғыштарды, ылғалдандырғыштарды, дисперганттарды және т.б. өндіруде аралық өнімдер ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бұл қосылыстардың адамдарға уыттылығы төмен болғанымен, цитотоксикалық бағалау олардың балықтарға, дафнияларға және балдырларға өлімге әкелетінін көрсетті (Greim et al., 1994). Pseudomonas туысының өкілдері (A3, C22 штамдары) сульфон қышқылы тобын қамтитын хош иісті сақинаның қос гидроксилденуі арқылы метаболизмді бастайтыны туралы хабарланған, бұл дигидродиол түзеді, ол әрі қарай сульфит тобының өздігінен бөлінуі арқылы 1,2-дигидроксинафталинге айналады (Brilon et al., 1981). Алынған 1,2-дигидроксинафталин классикалық нафталин жолы, яғни катехол немесе гентизат жолы арқылы катаболизденеді (4-сурет). Аминонафталинсульфон қышқылы мен гидроксинафталинсульфон қышқылының аралас бактериялық консорциумдар арқылы комплементарлы катаболикалық жолдармен толығымен ыдырауы мүмкін екендігі көрсетілген (Nortemann et al., 1986). Консорциумның бір мүшесі аминонафталинсульфон қышқылын немесе гидроксинафталинсульфон қышқылын 1,2-диоксигендеу арқылы күкіртсіздендіретіні, ал аминосалицилат немесе гидроксисалицилатты өсірілетін ортаға өлі метаболит ретінде бөлініп, кейіннен консорциумның басқа мүшелерімен сіңетіні көрсетілген. Нафталинсульфон қышқылы салыстырмалы түрде полярлы, бірақ нашар биологиялық ыдырайтын және сондықтан әртүрлі жолдар арқылы метаболизденуі мүмкін. Алғашқы күкіртсіздену хош иісті сақина мен сульфон қышқылы тобының региоселективті дигидроксилденуі кезінде жүреді; Екінші күкіртсіздену 5-сульфосалицил қышқылының салицил қышқылы 5-гидроксилазамен гидроксилденуі кезінде жүреді, нәтижесінде гентизин қышқылы түзіледі, ол орталық көміртек жолына енеді (Brilon et al., 1981) (4-сурет). Нафталиннің ыдырауына жауапты ферменттер нафталин сульфонатының метаболизміне де жауапты (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
4-сурет. Нафталин сульфонатының ыдырауының метаболикалық жолдары. Шеңберлердің ішіндегі сандар 3-суретте сипатталған ферменттерге ұқсас/бірдей нафтил сульфонатының метаболизміне жауапты ферменттерді білдіреді.
Төмен молекулалық салмақты ПАГ (ТМҚ-ПАГ) тотықсыздандырылатын, гидрофобты және нашар еритін, сондықтан табиғи ыдырауға/ыдырауға ұшырамайды. Дегенмен, аэробты микроорганизмдер оны молекулалық оттегін (O2) сіңіру арқылы тотықтыра алады. Бұл ферменттер негізінен оксидоредуктазалар класына жатады және хош иісті сақина гидроксилденуі (моно- немесе дигидроксилденуі), дегидрогенденуі және хош иісті сақинаның бөлінуі сияқты әртүрлі реакцияларды орындай алады. Бұл реакциялардан алынған өнімдер жоғары тотығу күйінде болады және орталық көміртек жолы арқылы оңай метаболизденеді (Phale et al., 2020). Ыдырау жолындағы ферменттердің индукцияланатыны туралы хабарланған. Жасушалар глюкоза немесе органикалық қышқылдар сияқты қарапайым көміртек көздерінде өсірілгенде, бұл ферменттердің белсенділігі өте төмен немесе елеусіз болады. 3-кестеде нафталин мен оның туындыларының метаболизміне қатысатын әртүрлі ферменттер (оксигеназалар, гидролазалар, дегидрогеназалар, оксидазалар және т.б.) қорытындыланған.
3-кесте. Нафталин мен оның туындыларының ыдырауына жауапты ферменттердің биохимиялық сипаттамалары.
Радиоизотоптық зерттеулер (18O2) молекулалық O2-нің оксигеназалармен ароматты сақиналарға қосылуы қосылыстың одан әрі биоыдырауын белсендірудегі ең маңызды қадам екенін көрсетті (Hayaishi және т.б., 1955; Mason және т.б., 1955). Молекулалық оттегіден (O2) бір оттегі атомының (O) субстратқа қосылуы эндогендік немесе экзогендік монооксигеназалармен (гидроксилазалар деп те аталады) басталады. Тағы бір оттегі атомы суға тотықсызданады. Экзогендік монооксигеназалар флавинді NADH немесе NADPH арқылы тотықсыздандырады, ал эндомонооксигеназаларда флавин субстратпен тотықсызданады. Гидроксилдену орны өнімнің түзілуінің әртүрлілігіне әкеледі. Мысалы, салицилат 1-гидроксилаза салицил қышқылын C1 орнында гидроксилдеп, катехол түзеді. Екінші жағынан, көп компонентті салицилат 5-гидроксилаза (редуктаза, ферредоксин және оксигеназа суббірліктерін қамтиды) салицил қышқылын С5 позициясында гидроксилдейді, нәтижесінде гентизин қышқылы түзіледі (Yamamoto et al., 1965).
Диоксигеназалар субстратқа екі O2 атомын қосады. Түзілген өнімдерге байланысты олар сақиналы гидроксилденетін диоксигеназалар және сақиналы бөлгіш диоксигеназалар болып бөлінеді. Сақиналы гидроксилденетін диоксигеназалар хош иісті субстраттарды цис-дигидродиолдарға (мысалы, нафталинге) айналдырады және бактериялар арасында кең таралған. Бүгінгі күнге дейін сақиналы гидроксилденетін диоксигеназалары бар организмдердің әртүрлі хош иісті көміртек көздерінде өсе алатыны көрсетілген және бұл ферменттер NDO (нафталин), толуол диоксигеназа (TDO, толуол) және бифенил диоксигеназа (BPDO, бифенил) болып жіктеледі. NDO да, BPDO да әртүрлі полициклді хош иісті көмірсутектердің (толуол, нитротолуол, ксилол, этилбензол, нафталин, бифенил, фтор, индол, метилнафталин, нафталинсульфонат, фенантрен, антрацен, ацетофенон және т.б.) қос тотығуын және бүйір тізбекті гидроксилденуін катализдей алады (Бойд және Шелдрейк, 1998; Фале және т.б., 2020). NDO - оксидоредуктазадан, ферредоксиннен және белсенді учаскесі бар оксигеназа компонентінен тұратын көп компонентті жүйе (Гибсон және Субраманиан, 1984; Ресник және т.б., 1996). NDO каталитикалық блогы α3β3 конфигурациясында орналасқан үлкен α суббірлігінен және кіші β суббірлігінен тұрады. NDO оксигеназалардың үлкен тұқымдасына жатады және оның α-суббірлігінде Риске сайты [2Fe-2S] және NDO субстрат ерекшелігін анықтайтын мононуклеарлы гем емес темір бар (Parales және т.б., 1998). Әдетте, бір каталитикалық циклде пиридин нуклеотидінің тотықсыздануынан екі электрон редуктаза, ферредоксин және Риске сайты арқылы белсенді сайттағы Fe(II) ионына ауысады. Тотықсыздандырғыш эквиваленттер молекулалық оттегін белсендіреді, бұл субстрат дигидроксилденуінің алғышарты болып табылады (Ferraro және т.б., 2005). Бүгінгі күнге дейін әртүрлі штамдардан тек бірнеше NDO тазартылып, егжей-тегжейлі сипатталды және нафталиннің ыдырауына қатысатын жолдардың генетикалық бақылауы егжей-тегжейлі зерттелді (Resnick және т.б., 1996; Parales және т.б., 1998; Karlsson және т.б., 2003). Сақинаны бөлетін диоксигеназалар (эндо- немесе орто-сақинаны бөлетін ферменттер және экзодиол- немесе мета-сақинаны бөлетін ферменттер) гидроксилденген хош иісті қосылыстарға әсер етеді. Мысалы, орто-сақинаны бөлетін диоксигеназа катехол-1,2-диоксигеназа, ал мета-сақинаны бөлетін диоксигеназа катехол-2,3-диоксигеназа болып табылады (Kojima және т.б., 1961; Nozaki және т.б., 1968). Әртүрлі оксигеназалардан басқа, хош иісті дигидродиолдардың, спирттер мен альдегидтердің дегидрленуіне және NAD+/NADP+ электрон акцепторлары ретінде пайдаланылуына жауапты әртүрлі дегидрогеназалар да бар, олар метаболизмге қатысатын маңызды ферменттердің бірі болып табылады (Gibson және Subramanian, 1984; Shaw және Harayama, 1990; Fahle және т.б., 2020).
Гидролазалар (эстеразалар, амидазалар) сияқты ферменттер ковалентті байланыстарды үзу үшін суды пайдаланатын және кең субстраттық ерекшелікті көрсететін ферменттердің екінші маңызды класы болып табылады. Карбарил гидролазасы және басқа гидролазалар грамтеріс бактериялар мүшелерінде периплазманың (трансмембрананың) компоненттері болып саналады (Камини және т.б., 2018). Карбарилдің амидтік және эфирлік байланысы бар; сондықтан оны эстераза немесе амидаза гидролиздеп, 1-нафтол түзуі мүмкін. Rhizobium rhizobium AC10023 штаммындағы және Arthrobacter RC100 штаммындағы карбарил сәйкесінше эстераза және амидаза ретінде қызмет ететіні туралы хабарланған. Arthrobacter RC100 штаммындағы карбарил де амидаза ретінде қызмет етеді. RC100 карбарил, метомил, мефенамин қышқылы және XMC сияқты төрт N-метилкарбамат класындағы инсектицидтерді гидролиздейтіні көрсетілген (Hayaatsu және т.б., 2001). Pseudomonas sp. C5pp құрамындағы CH карбарилге (100% белсенділік) және 1-нафтил ацетатына (36% белсенділік) әсер ете алатыны, бірақ 1-нафтилацетамидке әсер етпейтіні туралы хабарланды, бұл оның эстераза екенін көрсетеді (Trivedi және т.б., 2016).
Биохимиялық зерттеулер, ферменттерді реттеу үлгілері және генетикалық талдау нафталиннің ыдырау гендерінің екі индукцияланатын реттеуші бірліктен немесе «опероннан» тұратынын көрсетті: nah («жоғары ағыс жолы», нафталинді салицил қышқылына айналдырады) және sal («төменгі ағыс жолы», салицил қышқылын катехол арқылы орталық көміртегі жолына айналдырады). Салицил қышқылы және оның аналогтары индукторлар ретінде әрекет ете алады (Shamsuzzaman және Barnsley, 1974). Глюкоза немесе органикалық қышқылдар болған кезде оперон басылады. 5-суретте нафталиннің ыдырауының толық генетикалық ұйымдасуы көрсетілген (оперон түрінде). nah генінің бірнеше аталған нұсқалары/формалары (ndo/pah/dox) сипатталған және барлық Pseudomonas түрлері арасында жоғары тізбекті гомологияға (90%) ие екені анықталған (Abbasian және т.б., 2016). Нафталиннің жоғары ағыс жолының гендерлері, әдетте, 5A-суретте көрсетілгендей консенсус ретімен орналастырылған. Тағы бір ген, nahQ, нафталин метаболизміне қатысатыны және әдетте nahC мен nahE арасында орналасқаны туралы хабарланды, бірақ оның нақты қызметі әлі анықталмаған. Сол сияқты, нафталинге сезімтал хемотаксиске жауапты nahY гені кейбір мүшелерде nah оперонының дистальды ұшында табылды. Ralstonia sp.-де глутатион S-трансферазасын (gsh) кодтайтын U2 гені nahAa мен nahAb арасында орналасқаны анықталды, бірақ нафталинді пайдалану сипаттамаларына әсер еткен жоқ (Zylstra et al., 1997).
5-сурет. Бактериялық түрлер арасында нафталиннің ыдырауы кезінде байқалатын генетикалық ұйымдасу және әртүрлілік; (A) Жоғарғы нафталин жолы, нафталиннің салицил қышқылына метаболизмі; (B) Төменгі нафталин жолы, салицил қышқылының катехол арқылы орталық көміртегі жолына өтуі; (C) гентисат арқылы орталық көміртегі жолына өтетін салицил қышқылы.
«Төменгі жол» (sal оперон) әдетте nahGTHINLMOKJ-ден тұрады және катехол метаторингтік бөліну жолы арқылы салицилатты пируват пен ацетальдегидке айналдырады. nahG гені (салицилат гидроксилазасын кодтайтын) оперонның проксимальды ұшында сақталғаны анықталды (5B сурет). Басқа нафталинді ыдырататын штаммдармен салыстырғанда, P. putida CSV86-да nah және sal оперондары тандем болып табылады және өте тығыз байланысты (шамамен 7,5 кб). Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 және P. putida AK5 сияқты кейбір грамтеріс бактерияларда нафталин гентисат жолы арқылы орталық көміртек метаболиті ретінде метаболизденеді (sgp/nag оперон түрінде). Ген кассетасы әдетте nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI түрінде көрсетіледі, мұндағы nagR (LysR типті реттегішті кодтайтын) жоғарғы ұшында орналасқан (5C сурет).
Карбарил орталық көміртек цикліне 1-нафтол, 1,2-дигидроксинафталин, салицил қышқылы және гентизин қышқылының метаболизмі арқылы енеді (3-сурет). Генетикалық және метаболикалық зерттеулерге сүйене отырып, бұл жолды «жоғары ағыс» (карбарилдің салицил қышқылына айналуы), «орта» (салицил қышқылының гентизин қышқылына айналуы) және «төмен ағыс» (гентизин қышқылының орталық көміртек жолының аралық өнімдеріне айналуы) деп бөлу ұсынылды (Singh et al., 2013). C5pp (supercontig A, 76,3 кб) геномдық талдауы mcbACBDEF генінің карбарилді салицил қышқылына айналдыруға, содан кейін салицил қышқылын гентизин қышқылына айналдыруға mcbIJKL және гентизин қышқылын орталық көміртек аралық өнімдеріне (фумарат және пируват, Trivedi және т.б., 2016) айналдыруға mcbOQP қатысатынын көрсетті (6-сурет).
Хош иісті көмірсутектердің (нафталин мен салицил қышқылын қоса алғанда) ыдырауына қатысатын ферменттер тиісті қосылыстармен индукциялануы және глюкоза немесе органикалық қышқылдар сияқты қарапайым көміртек көздерімен тежелуі мүмкін екендігі туралы хабарланған (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Нафталин мен оның туындыларының әртүрлі метаболикалық жолдарының арасында нафталин мен карбарилдің реттеуші ерекшеліктері белгілі бір дәрежеде зерттелген. Нафталин үшін жоғары және төменгі жолдардағы гендер LysR типті транс-әсер ететін оң реттегіш NahR арқылы реттеледі. Ол салицил қышқылымен nah генін индукциялау және оның кейінгі жоғары деңгейлі экспрессиясы үшін қажет (Yen және Gunsalus, 1982). Сонымен қатар, зерттеулер интегративті хост факторы (IHF) және XylR (sigma 54-тәуелді транскрипциялық реттегіш) нафталин метаболизміндегі гендердің транскрипциялық белсенділігі үшін де маңызды екенін көрсетті (Ramos et al., 1997). Зерттеулер катехол мета-сақина ашылу жолының ферменттерінің, атап айтқанда катехол 2,3-диоксигеназаның, нафталин және/немесе салицил қышқылының қатысуымен индукцияланатынын көрсетті (Basu және т.б., 2006). Зерттеулер катехол орто-сақина ашылу жолының ферменттерінің, атап айтқанда катехол 1,2-диоксигеназаның, бензой қышқылы мен цис,цис-муконаттың қатысуымен индукцияланатынын көрсетті (Parsek және т.б., 1994; Tover және т.б., 2001).
C5pp штаммында бес ген, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR және mcbS, карбарил ыдырауын бақылауға жауапты LysR/TetR транскрипциялық реттегіштер тұқымдасына жататын реттегіштерді кодтайды. Гомологиялық mcbG гені Burkholderia RP00725-те фенантрен метаболизміне қатысатын LysR типті реттегіш PhnS (58% аминқышқылының сәйкестігі)-мен ең тығыз байланысты екені анықталды (Trivedi et al., 2016). mcbH гені аралық жолға (салицил қышқылының гентизин қышқылына айналуы) қатысатыны және Pseudomonas және Burkholderia-дағы LysR типті транскрипциялық реттегіш NagR/DntR/NahR-ға жататыны анықталды. Бұл тұқымдастың мүшелері салицил қышқылын ыдырау гендерінің индукциясы үшін арнайы эффекторлық молекула ретінде танитыны туралы хабарланды. Екінші жағынан, төменгі ағыс жолында (гентисат-орталық көміртек жолының метаболиттері) LysR және TetR типті транскрипциялық реттегіштерге жататын үш ген, mcbN, mcbR және mcbS анықталды.
Прокариоттарда плазмидалар, транспозондар, профагтар, геномдық аралдар және интегративтік конъюгативті элементтер (ICE) арқылы гендердің көлденең тасымалдану процестері (алу, алмасу немесе тасымалдану) бактериялық геномдардағы пластиканың негізгі себептері болып табылады, бұл белгілі бір функциялардың/белгілердің пайда болуына немесе жоғалуына әкеледі. Бұл бактериялардың әртүрлі қоршаған орта жағдайларына тез бейімделуіне мүмкіндік береді, бұл хош иісті қосылыстардың ыдырауы сияқты иесіне әлеуетті бейімделгіш метаболикалық артықшылықтар береді. Метаболикалық өзгерістер көбінесе ыдырау оперондарын, олардың реттеу механизмдерін және ферменттердің ерекшелігін дәл баптау арқылы жүзеге асырылады, бұл хош иісті қосылыстардың кең ауқымының ыдырауын жеңілдетеді (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Нафталиннің ыдырауына арналған ген кассеталары плазмидалар (конъюгативті және конъюгативті емес), транспозондар, геномдар, ICE және әртүрлі бактерия түрлерінің комбинациялары сияқты әртүрлі жылжымалы элементтерде орналасқаны анықталды (5-сурет). Pseudomonas G7 плазмидасында NAH7 плазмидінің nah және sal оперондары бірдей бағытта транскрипцияланған және мобилизация үшін Tn4653 транспозазасын қажет ететін ақаулы транспозонның бөлігі болып табылады (Sota және т.б., 2006). Pseudomonas NCIB9816-4 штаммында ген конъюгативті плазмидада pDTG1 екі оперон ретінде (шамамен 15 кб арақашықтықта) қарама-қарсы бағытта транскрипцияланған түрінде табылды (Dennis және Zylstra, 2004). Pseudomonas putida AK5 штаммында конъюгативті емес плазмид pAK5 гентизат жолы арқылы нафталиннің ыдырауына жауапты ферментті кодтайды (Izmalkova және т.б., 2013). Pseudomonas PMD-1 штаммында nah опероны хромосомада, ал sal опероны pMWD-1 конъюгативті плазмидасында орналасқан (Zuniga et al., 1981). Дегенмен, Pseudomonas stutzeri AN10 штаммында барлық нафталин деградациясының гендері (nah және sal оперондары) хромосомада орналасқан және транспозиция, рекомбинация және қайта құру оқиғалары арқылы тартылған деп болжанады (Bosch et al., 2000). Pseudomonas sp. CSV86 штаммында nah және sal оперондары геномда ICE (ICECSV86) түрінде орналасқан. Құрылым tRNAGly арқылы қорғалған, содан кейін рекомбинация/тіркелу орындарын (attR және attL) көрсететін тікелей қайталаулар және tRNAGly-дің екі ұшында орналасқан фаг тәрізді интеграза бар, осылайша құрылымдық жағынан ICEclc элементіне (хлоркатехолдың ыдырауы үшін Pseudomonas knackmusii ішіндегі ICEclcB13) ұқсас. ICE-дегі гендердің өте төмен тасымалдау жиілігімен (10-8) конъюгация арқылы берілуі мүмкін екендігі, осылайша ыдырау қасиеттерін реципиентке беруі мүмкін екендігі туралы хабарланған (Basu және Phale, 2008; Phale және т.б., 2019).
Карбарилдің ыдырауына жауапты гендердің көпшілігі плазмидтерде орналасқан. Arthrobacter sp. RC100 құрамында үш плазмид (pRC1, pRC2 және pRC300) бар, олардың екі конъюгативті плазмидасы, pRC1 және pRC2, карбарилді гентизатқа айналдыратын ферменттерді кодтайды. Екінші жағынан, гентизаттың орталық көміртек метаболиттеріне айналуына қатысатын ферменттер хромосомада орналасқан (Hayaatsu et al., 1999). Rhizobium туысының бактериялары. Карбарилді 1-нафтолға айналдыру үшін қолданылатын AC100 штаммы құрамында CH кодтайтын cehA генін Tnceh транспозонының бөлігі ретінде инсерция элементі тәрізді тізбектермен (istA және istB) қоршалған тасымалдаушы pAC200 плазмидасы бар (Hashimoto et al., 2002). Sphingomonas CF06 штаммында карбарил деградациясы гені бес плазмидада болады деп есептеледі: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 және pCF05. Бұл плазмидтердің ДНҚ гомологиясы жоғары, бұл геннің дупликациясы оқиғасының бар екенін көрсетеді (Feng және т.б., 1997). Екі Pseudomonas түрінен тұратын карбарилді ыдырататын симбионтта 50581 штаммында mcd карбарил гидролаза генін кодтайтын конъюгативті плазмид pCD1 (50 кб) бар, ал 50552 штаммындағы конъюгативті плазмид 1-нафтолды ыдырататын ферментті кодтайды (Chapalamadugu және Chaudhry, 1991). Achromobacter WM111 штаммында mcd furadan гидролаза гені 100 кб плазмидада (pPDL11) орналасқан. Бұл геннің әртүрлі географиялық аймақтардан келген әртүрлі бактерияларда әртүрлі плазмидтерде (100, 105, 115 немесе 124 кб) болатыны көрсетілген (Parekh et al., 1995). Pseudomonas sp. C5pp-те карбарил ыдырауына жауапты барлық гендер 76,3 кб тізбекті қамтитын геномда орналасқан (Trivedi et al., 2016). Геномдық талдау (6,15 Мб) 42 MGE және 36 GEI бар екенін анықтады, оның ішінде 17 MGE орташа асимметриялық G+C құрамымен (54–60 моль%) суперконтиг А-да (76,3 кб) орналасқан, бұл көлденең ген тасымалдау оқиғаларының болуы мүмкін екенін көрсетеді (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 карбарил ыдырайтын гендердің ұқсас орналасуын көрсетеді, бірақ бұл гендер плазмидада орналасқан (Zhu et al., 2019).
Биохимиялық және геномдық деңгейлердегі метаболикалық тиімділіктен басқа, микроорганизмдер ластанған ортада хош иісті ластаушы заттарды тиімдірек метаболиздеуге көмектесетін хемотаксис, жасуша бетінің модификациялық қасиеттері, бөлімдерге бөлу, артықшылықты пайдалану, биосурфактант өндірісі және т.б. сияқты басқа да қасиеттерді немесе реакцияларды көрсетеді (7-сурет).
7-сурет. Бөгде ластаушы қосылыстарды тиімді биоыдырату үшін идеалды хош иісті көмірсутектерді ыдырататын бактериялардың әртүрлі жасушалық жауап стратегиялары.
Хемотаксиялық реакциялар гетерогенді ластанған экожүйелерде органикалық ластаушы заттардың ыдырауын күшейтетін факторлар болып саналады. (2002) Pseudomonas sp. G7 нафталинге хемотаксис су жүйелерінде нафталиннің ыдырау жылдамдығын арттыратынын көрсетті. Жабайы типтегі G7 штаммы нафталинді хемотаксис жетіспейтін мутантты штаммға қарағанда әлдеқайда жылдам ыдыратты. NahY ақуызы (мембрана топологиясы бар 538 аминқышқылы) NAH7 плазмидасында метаклеаваж жолының гендерімен бірге транскрипцияланғаны анықталды және хемотаксис түрлендіргіштері сияқты, бұл ақуыз нафталиннің ыдырауына арналған хеморецептор ретінде қызмет ететін сияқты (Grimm and Harwood 1997). Hansel және т.б. жүргізген тағы бір зерттеу (2009) ақуыздың хемотаксикалық екенін, бірақ оның ыдырау жылдамдығы жоғары екенін көрсетті. (2011) Pseudomonas (P. putida) газ тәрізді нафталинге хемотаксистік реакциясын көрсетті, мұнда газ фазасының диффузиясы жасушаларға нафталиннің тұрақты ағынына әкелді, бұл жасушалардың хемотаксистік реакциясын басқарды. Зерттеушілер бұл хемотаксистік мінез-құлықты ыдырау жылдамдығын арттыратын микробтарды жасау үшін пайдаланды. Зерттеулер хемосенсорлық жолдардың жасушалардың бөлінуі, жасуша циклін реттеу және биоүлбірдің түзілуі сияқты басқа да жасушалық функцияларды реттейтінін, осылайша ыдырау жылдамдығын бақылауға көмектесетінін көрсетті. Дегенмен, бұл қасиетті (хемотаксис) тиімді ыдырау үшін пайдалану бірнеше кедергілерге байланысты қиындық тудырады. Негізгі кедергілер: (а) әртүрлі паралогты рецепторлар бірдей қосылыстарды/лигандтарды таниды; (b) балама рецепторлардың болуы, яғни энергетикалық тропизм; (c) бір рецептор тұқымдасының сенсорлық домендеріндегі тізбектің айтарлықтай айырмашылықтары; және (d) негізгі бактериялық сенсорлық ақуыздар туралы ақпараттың жетіспеушілігі (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Кейде хош иісті көмірсутектердің биоыдырауы бірнеше метаболиттерді/аралық өнімдерді түзеді, олар бактериялардың бір тобы үшін хемотактикалық, ал басқалары үшін жиіркенішті болуы мүмкін, бұл процесті одан әрі қиындатады. Лигандтардың (хош иісті көмірсутектердің) химиялық рецепторлармен өзара әрекеттесуін анықтау үшін біз Pseudomonas putida және Escherichia coli сенсорлық және сигналдық домендерін біріктіру арқылы гибридті сенсорлық ақуыздарды (PcaY, McfR және NahY) құрдық, олар сәйкесінше хош иісті қышқылдардың, TCA аралық өнімдерінің және нафталин рецепторларын нысанаға алады (Luu және т.б., 2019).
Нафталин мен басқа да полициклді хош иісті көмірсутектердің (ПАХ) әсерінен бактериялық мембрананың құрылымы мен микроорганизмдердің тұтастығы айтарлықтай өзгерістерге ұшырайды. Зерттеулер нафталиннің гидрофобты өзара әрекеттесулер арқылы ацил тізбегінің өзара әрекеттесуіне кедергі келтіретінін, осылайша мембрананың ісінуін және сұйықтығын арттыратынын көрсетті (Sikkema және т.б., 1995). Бұл зиянды әсерге қарсы тұру үшін бактериялар изо/антеизо тармақталған тізбекті май қышқылдары арасындағы қатынасты және май қышқылдарының құрамын өзгерту және цис-қанықпаған май қышқылдарын тиісті транс-изомерлерге изомерлеу арқылы мембрана сұйықтығын реттейді (Heipieper және de Bont, 1994). Нафталинмен өңдеуде өсірілген Pseudomonas stutzeri-де қаныққан және қанықпаған май қышқылдарының қатынасы 1,1-ден 2,1-ге дейін өсті, ал Pseudomonas JS150-де бұл қатынас 7,5-тен 12,0-ге дейін өсті (Mrozik және т.б., 2004). Нафталинде өсірілген кезде, Achromobacter KAs 3–5 жасушалары нафталин кристалдарының айналасында жасуша агрегациясын және жасуша бетінің зарядының төмендеуін (-22,5-тен -2,5 мВ-қа дейін) көрсетті, бұл цитоплазмалық конденсация мен вакуолизациямен қатар жүрді, бұл жасуша құрылымы мен жасуша бетінің қасиеттерінің өзгеруін көрсетеді (Mohapatra және т.б., 2019). Жасушалық/беттік өзгерістер хош иісті ластаушы заттардың жақсы сіңуімен тікелей байланысты болғанымен, тиісті биоинженерия стратегиялары толық оңтайландырылмаған. Жасуша пішінін манипуляциялау биологиялық процестерді оңтайландыру үшін сирек қолданылды (Volke және Nikel, 2018). Жасуша бөлінуіне әсер ететін гендердің жойылуы жасуша морфологиясының өзгеруіне әкеледі. Жасуша бөлінуіне әсер ететін гендердің жойылуы жасуша морфологиясының өзгеруіне әкеледі. Bacillus subtilis-те жасуша септумының SepF ақуызы септумның түзілуіне қатысатыны және жасуша бөлінуінің кейінгі сатылары үшін қажет екені көрсетілген, бірақ ол маңызды ген емес. Bacillus subtilis-те пептидтік гликан гидролазаларын кодтайтын гендердің жойылуы жасушалардың ұзаруына, өсу қарқынының жоғарылауына және фермент өндірісінің жақсаруына әкелді (Cui және т.б., 2018).
Pseudomonas C5pp және C7 штамдарының тиімді ыдырауына қол жеткізу үшін карбарил ыдырау жолын бөлімдерге бөлу ұсынылды (Kamini және т.б., 2018). Карбарил сыртқы мембраналық перде арқылы және/немесе диффузиялық пориндер арқылы периплазмалық кеңістікке тасымалданады деп болжануда. CH - карбарилдің гидролизін 1-нафтолға дейін катализдейтін периплазмалық фермент, ол тұрақтырақ, гидрофобтырақ және уыттырақ. CH периплазмада локализацияланған және карбарилге төмен аффинділікке ие, осылайша 1-нафтолдың түзілуін бақылайды, осылайша оның жасушаларда жиналуына жол бермейді және жасушаларға уыттылығын төмендетеді (Kamini және т.б., 2018). Алынған 1-нафтол ішкі мембрана арқылы цитоплазмаға бөліну және/немесе диффузия арқылы тасымалданады, содан кейін орталық көміртегі жолында одан әрі метаболизм үшін жоғары аффинділік ферменті 1NH арқылы 1,2-дигидроксинафталинге гидроксилденеді.
Микроорганизмдер ксенобиотикалық көміртек көздерін ыдырату үшін генетикалық және метаболикалық қабілеттерге ие болғанымен, оларды пайдаланудың иерархиялық құрылымы (яғни, күрделі көміртек көздеріне қарағанда қарапайымды артық пайдалану) биоыдырауға үлкен кедергі болып табылады. Қарапайым көміртек көздерінің болуы және пайдаланылуы ПАГ сияқты күрделі/артықшылықты емес көміртек көздерін ыдырататын ферменттерді кодтайтын гендерді төмендетеді. Жақсы зерттелген мысал ретінде глюкоза мен лактоза Escherichia coli-ге бірге берілгенде, глюкоза лактозаға қарағанда тиімдірек пайдаланылатынын айтуға болады (Jacob and Monod, 1965). Pseudomonas көміртек көздері ретінде әртүрлі ПАГ мен ксенобиотикалық қосылыстарды ыдырататыны туралы хабарланған. Pseudomonas-та көміртек көзін пайдалану иерархиясы органикалық қышқылдар > глюкоза > хош иісті қосылыстар болып табылады (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Дегенмен, ерекшелік бар. Қызығы, Pseudomonas sp. CSV86 глюкозаның орнына хош иісті көмірсутектерді (бензой қышқылы, нафталин және т.б.) артықшылықпен пайдаланатын және хош иісті көмірсутектерді органикалық қышқылдармен бірге метаболиздейтін бірегей иерархиялық құрылымды көрсетеді (Basu және т.б., 2006). Бұл бактерияда хош иісті көмірсутектердің ыдырауы мен тасымалдануына арналған гендер глюкоза немесе органикалық қышқылдар сияқты екінші көміртек көзі болған кезде де төмендемейді. Глюкоза және хош иісті көмірсутектер ортасында өсірілген кезде глюкоза тасымалдауы мен метаболизміне арналған гендер төмендегені, хош иісті көмірсутектер бірінші логарифмдік фазада, ал глюкоза екінші логарифмдік фазада пайдаланылғаны байқалды (Basu және т.б., 2006; Choudhary және т.б., 2017). Екінші жағынан, органикалық қышқылдардың болуы хош иісті көмірсутектердің метаболизмінің экспрессиясына әсер еткен жоқ, сондықтан бұл бактерия биодеградациялық зерттеулер үшін кандидат штамм болады деп күтілуде (Phale және т.б., 2020).
Көмірсутектердің биотрансформациясы микроорганизмдерде тотығу стрессін және антиоксидантты ферменттердің жоғарылауын тудыруы мүмкін екені белгілі. Стационарлық фазалық жасушаларда да, улы қосылыстардың қатысуымен де нафталиннің тиімсіз биодеградациясы реактивті оттегі түрлерінің (ROS) пайда болуына әкеледі (Kang et al. 2006). Нафталинді ыдырататын ферменттерде темір-күкірт кластерлері болғандықтан, тотығу стрессі кезінде гемдегі темір және темір-күкірт ақуыздары тотығады, бұл ақуыздың инактивациясына әкеледі. Ферредоксин-NADP+ редуктаза (Fpr) супероксиддисмутазамен (SOD) бірге NADP+/NADPH мен ферредоксин немесе флаводоксиннің екі молекуласы арасындағы қайтымды тотығу-тотықсыздану реакциясын жүргізеді, осылайша ROS-ты тазартады және тотығу стрессі кезінде темір-күкірт орталығын қалпына келтіреді (Li et al. 2006). Pseudomonas-та Fpr және SodA (SOD) тотығу стрессінің әсерінен пайда болуы мүмкін екендігі туралы хабарланған, ал нафталин қосылған жағдайда өсу кезінде төрт Pseudomonas штамдарында (O1, W1, As1 және G1) SOD мен каталаза белсенділігінің жоғарылауы байқалған (Kang және т.б., 2006). Зерттеулер аскорбин қышқылы немесе темір темір (Fe2+) сияқты антиоксиданттарды қосу нафталиннің өсу жылдамдығын арттыруы мүмкін екенін көрсетті. Rhodococcus erythropolis нафталин ортасында өскен кезде, sodA (Fe/Mn супероксид дисмутазасы), sodC (Cu/Zn супероксид дисмутазасы) және recA сияқты тотығу стрессіне байланысты цитохром P450 гендерінің транскрипциясы артты (Sazykin және т.б., 2019). Нафталинде өсірілген Pseudomonas жасушаларының салыстырмалы сандық протеомикалық талдауы тотығу стрессінің реакциясымен байланысты әртүрлі ақуыздардың жоғарылауы стресспен күресу стратегиясы екенін көрсетті (Herbst және т.б., 2013).
Микроорганизмдер гидрофобты көміртек көздерінің әсерінен биосурфактанттар түзетіні туралы хабарланған. Бұл беттік белсенді заттар - мұнай-су немесе ауа-су шекараларында агрегаттар түзе алатын амфифилді беттік белсенді қосылыстар. Бұл жалған ерігіштікке ықпал етеді және хош иісті көмірсутектердің адсорбциясын жеңілдетеді, нәтижесінде тиімді биоыдырау жүреді (Rahman et al., 2002). Осы қасиеттеріне байланысты биосурфактанттар әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады. Бактериялық дақылдарға химиялық беттік белсенді заттарды немесе биосурфактанттарды қосу көмірсутектердің ыдырау тиімділігі мен жылдамдығын арттыра алады. Биосурфактанттардың ішінде Pseudomonas aeruginosa өндіретін рамнолипидтер кеңінен зерттеліп, сипатталған (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Сонымен қатар, биосурфактанттардың басқа түрлеріне липопептидтер (Pseudomonas fluorescens муциндері), 378 эмульгаторы (Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg and Ron, 1999), Rhodococcus тригалоза дисахарид липидтері (Ramdahl, 1985), Bacillus лихенини (Saraswathy and Hallberg, 2002) және Bacillus subtilis (Siegmund and Wagner, 1991) және Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017) беттік белсенді зат жатады. Бұл күшті беттік белсенді заттардың беттік керілуді 72 дин/см2-ден 30 дин/см2-ден төменге дейін төмендететіні, көмірсутектердің жақсы сіңуіне мүмкіндік беретіні көрсетілген. Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia және басқа бактерия түрлері нафталин және метилнафталин ортасында өсірілген кезде әртүрлі рхамнолипидті және гликолипидті негіздегі биосурфактанттарды өндіре алатыны туралы хабарланған (Kanga және т.б., 1997; Puntus және т.б., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 нафтой қышқылы сияқты хош иісті қосылыстарда өсірілген кезде жасушадан тыс биосурфактант Biosur-Pm өндіре алады (Phale және т.б., 1995). Biosur-Pm түзілу кинетикасы оның синтезі өсуге және рН-ға тәуелді процесс екенін көрсетті. Бейтарап рН кезінде жасушалар өндіретін Biosur-Pm мөлшері рН 8,5 кезіндегіден жоғары екені анықталды. рН 8,5 кезінде өсірілген жасушалар гидрофобты болды және рН 7,0 кезінде өсірілген жасушаларға қарағанда хош иісті және алифатты қосылыстарға жоғары аффинділікке ие болды. Rhodococcus spp.-та. N6, көміртектің азотқа (C:N) қатынасының жоғарылығы және темірдің шектелуі жасушадан тыс биосурфактанттарды өндірудің оңтайлы жағдайлары болып табылады (Mutalik және т.б., 2008). Штаммдар мен ашытуды оңтайландыру арқылы биосурфактанттардың (сурфактиндердің) биосинтезін жақсартуға әрекеттер жасалды. Дегенмен, қоректік ортадағы беттік-белсенді заттың титрі төмен (1,0 г/л), бұл ірі көлемді өндіріс үшін қиындық тудырады (Jiao және т.б., 2017; Wu және т.б., 2019). Сондықтан оның биосинтезін жақсарту үшін гендік инженерия әдістері қолданылды. Дегенмен, оны инженерлік модификациялау оперонның үлкен өлшеміне (∼25 кб) және кворумды сезу жүйесінің күрделі биосинтетикалық реттелуіне байланысты қиын (Jiao және т.б., 2017; Wu және т.б., 2019). Bacillus бактерияларында бірқатар генетикалық инженерия модификациялары жүргізілді, негізінен промоторды (srfA оперон) ауыстыру, сурфактин экспорттық ақуызы YerP және реттеуші факторлар ComX және PhrC шамадан тыс экспрессиялау арқылы сурфактин өндірісін арттыруға бағытталған (Jiao et al., 2017). Дегенмен, бұл гендік инженерия әдістері тек бір немесе бірнеше генетикалық модификацияға қол жеткізді және әлі коммерциялық өндіріске жеткен жоқ. Сондықтан білімге негізделген оңтайландыру әдістерін одан әрі зерттеу қажет.
PAH биоыдырауын зерттеу негізінен стандартты зертханалық жағдайларда жүргізіледі. Дегенмен, ластанған жерлерде немесе ластанған ортада көптеген абиотикалық және биотикалық факторлардың (температура, рН, оттегі, қоректік заттардың қолжетімділігі, субстраттың биожетімділігі, басқа ксенобиотиктер, соңғы өнімнің тежелуі және т.б.) микроорганизмдердің ыдырау қабілетін өзгертетіні және әсер ететіні көрсетілген.
Температура PAH биоыдырауына айтарлықтай әсер етеді. Температура жоғарылаған сайын еріген оттегі концентрациясы төмендейді, бұл аэробты микроорганизмдердің метаболизміне әсер етеді, себебі олар гидроксилдену немесе сақиналы бөлшектеу реакцияларын жүзеге асыратын оксигеназалар үшін субстраттардың бірі ретінде молекулалық оттегіні қажет етеді. Жоғары температура бастапқы PAH-тарды улы қосылыстарға айналдыратыны, осылайша биоыдырауды тежейтіні жиі атап өтіледі (Muller et al., 1998).
Көптеген PAH ластанған орындарда, мысалы, қышқыл шахталардың дренажымен ластанған жерлер (рН 1-4) және сілтілі сүзіндімен ластанған табиғи газ/көмір газдандыру орындары (рН 8-12) сияқты рН мәндерінің шамадан тыс екені байқалды. Бұл жағдайлар биоыдырау процесіне айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Сондықтан, биоремедиация үшін микроорганизмдерді қолданар алдында, сілтілі топырақтар үшін аммоний сульфаты немесе аммоний нитраты сияқты қолайлы химиялық заттарды (орташадан өте төмен тотығу-тотықсыздану әлеуеті бар) қосу немесе қышқыл жерлер үшін кальций карбонаты немесе магний карбонатымен әктеу арқылы рН деңгейін реттеу ұсынылады (Bowlen және т.б. 1995; Gupta және Sar 2020).
Зақымдалған аймаққа оттегінің берілуі PAH биодеградациясының жылдамдығын шектейтін фактор болып табылады. Қоршаған ортаның тотығу-тотықсыздану жағдайларына байланысты, in situ биоремедиация процестері әдетте сыртқы көздерден (жер өңдеу, ауамен үрлеу және химиялық қоспалар) оттегінің енгізілуін талап етеді (Pardieck және т.б., 1992). Odenkranz және т.б. (1996) ластанған сулы қабатқа магний асқын тотығын (оттегі бөлетін қосылыс) қосу BTEX қосылыстарын тиімді биоремедиациялай алатынын көрсетті. Тағы бір зерттеу ластанған сулы қабатта фенол мен BTEX-тің in situ ыдырауын натрий нитратын енгізу және тиімді биоремедиацияға қол жеткізу үшін экстракция ұңғымаларын салу арқылы зерттеді (Bewley және Webb, 2001).