Հոդվածը «Առաջադեմ կենսավերականգնման տեխնոլոգիաներ և սինթետիկ օրգանական միացությունների (SOC) վերամշակման գործընթացներ» հետազոտական ​​թեմայի մի մասն է։ Դիտել բոլոր 14 հոդվածները
Ցածր մոլեկուլային քաշով պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինները (ՊԱԱ), ինչպիսիք են նավթալինը և տեղակալված նավթալինները (մեթիլենաֆթալին, նավթաթթու, 1-նաֆթիլ-N-մեթիլկարբամատ և այլն), լայնորեն օգտագործվում են տարբեր արդյունաբերություններում և գենոտոքսիկ, մուտագեն և/կամ քաղցկեղածին են օրգանիզմների համար: Այս սինթետիկ օրգանական միացությունները (ՍՕԱ) կամ քսենոբիոտիկները համարվում են առաջնահերթ աղտոտիչներ և լուրջ սպառնալիք են ներկայացնում համաշխարհային շրջակա միջավայրի և հանրային առողջության համար: Մարդկային գործունեության ինտենսիվությունը (օրինակ՝ ածխի գազիֆիկացիա, նավթի վերամշակում, տրանսպորտային միջոցների արտանետումներ և գյուղատնտեսական կիրառություններ) որոշում է այս ամենուրեք հանդիպող և կայուն միացությունների կոնցենտրացիան, ճակատագիրը և տեղափոխումը: Ֆիզիկական և քիմիական մշակման/հեռացման մեթոդներից բացի, որպես անվտանգ, ծախսարդյունավետ և խոստումնալից այլընտրանք են դարձել կանաչ և էկոլոգիապես մաքուր տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են կենսավերականգնումը, որոնք օգտագործում են միկրոօրգանիզմներ, որոնք ունակ են լիովին քայքայել ՊՕԱ-ները կամ դրանք վերածել ոչ թունավոր ենթամթերքների: Հողի միկրոբիոտայում Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia և Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus և Paenibacillus) և Actinobacteria (Rhodococcus և Arthrobacter) տեսակներին պատկանող տարբեր բակտերիալ տեսակներ ցույց են տվել տարբեր օրգանական միացություններ քայքայելու ունակություն: Նյութափոխանակության ուսումնասիրությունները, գենոմիկան և մետագենոմիկ վերլուծությունը օգնում են մեզ հասկանալ այս պարզ կենսաձևերում առկա կատաբոլիկ բարդությունն ու բազմազանությունը, որոնք կարող են հետագայում կիրառվել արդյունավետ կենսաքայքայման համար: ՊԱՀ-ների երկարատև գոյությունը հանգեցրել է նոր քայքայման ֆենոտիպերի ի հայտ գալուն՝ հորիզոնական գեների փոխանցման միջոցով՝ օգտագործելով գենետիկական տարրեր, ինչպիսիք են պլազմիդները, տրանսպոզոնները, բակտերիոֆագերը, գենոմային կղզիները և ինտեգրատիվ կոնյուգատիվ տարրերը: Հատուկ իզոլյատների կամ մոդելային համայնքների (կոնսորցիումների) համակարգային կենսաբանությունը և գենետիկական ինժեներիան կարող են հնարավորություն տալ այս ՊԱՀ-ների համապարփակ, արագ և արդյունավետ կենսավերականգնման՝ սիներգետիկ ազդեցությունների միջոցով: Այս ակնարկում մենք կկենտրոնանանք նավթալենի և տեղակալված նավթալեն քայքայող մանրէների տարբեր նյութափոխանակության ուղիների և բազմազանության, գենետիկական կազմի և բազմազանության, ինչպես նաև բջջային արձագանքների/հարմարվողականության վրա: Սա կտրամադրի էկոլոգիական տեղեկատվություն դաշտային կիրառման և արդյունավետ կենսավերականգնման համար շտամների օպտիմալացման համար:
Արդյունաբերությունների (նավթաքիմիական, գյուղատնտեսական, դեղագործական, տեքստիլ ներկանյութերի, կոսմետիկայի և այլն) արագ զարգացումը նպաստել է համաշխարհային տնտեսական բարգավաճմանը և կենսամակարդակի բարելավմանը: Այս էքսպոնենցիալ զարգացումը հանգեցրել է մեծ թվով սինթետիկ օրգանական միացությունների (SOC) արտադրությանը, որոնք օգտագործվում են տարբեր ապրանքների արտադրության համար: Այս օտար միացությունները կամ SOC-ները ներառում են պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածիններ (PAH), թունաքիմիկատներ, մոլախոտերի դեմ պայքարի միջոցներ, պլաստիկացնող նյութեր, ներկանյութեր, դեղագործական նյութեր, օրգանոֆոսֆատներ, կրակմարիչներ, ցնդող օրգանական լուծիչներ և այլն: Դրանք արտանետվում են մթնոլորտ, ջրային և ցամաքային էկոհամակարգեր, որտեղ ունեն բազմաչափ ազդեցություն՝ վնասակար ազդեցություն ունենալով տարբեր կենսաձևերի վրա՝ ֆիզիկաքիմիական հատկությունների և համայնքի կառուցվածքի փոփոխության միջոցով (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020): Շատ արոմատիկ աղտոտիչներ ուժեղ և կործանարար ազդեցություն ունեն բազմաթիվ անվնաս էկոհամակարգերի/կենսաբազմազանության թեժ կետերի վրա (օրինակ՝ մարջանային խութեր, արկտիկական/անտարկտիկական սառցե շերտեր, բարձր լեռնային լճեր, խորջրյա նստվածքներ և այլն) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020): Վերջին գեոմիկրոբիոլոգիական ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ արհեստական ​​կառույցների (կառուցված միջավայր) մակերեսների վրա սինթետիկ օրգանական նյութի (օրինակ՝ արոմատիկ աղտոտիչներ) և դրանց ածանցյալների նստեցումը (օրինակ՝ գրանիտից, քարից, փայտից և մետաղից պատրաստված մշակութային ժառանգության վայրեր և հուշարձաններ) արագացնում է դրանց քայքայումը (Gadd 2017; Liu et al. 2018): Մարդկային գործունեությունը կարող է ուժեղացնել և վատթարացնել հուշարձանների և շենքերի կենսաբանական քայքայումը՝ օդի աղտոտման և կլիմայի փոփոխության միջոցով (Liu et al. 2020): Այս օրգանական աղտոտիչները ռեակցիայի մեջ են մտնում մթնոլորտում գտնվող ջրային գոլորշու հետ և նստում կառուցվածքի վրա՝ առաջացնելով նյութի ֆիզիկական և քիմիական քայքայում: Կենսաքայքայումը լայնորեն ճանաչվում է որպես նյութերի տեսքի և հատկությունների անցանկալի փոփոխություններ, որոնք առաջանում են կենդանի օրգանիզմների կողմից և ազդում են դրանց պահպանման վրա (Pochon and Jaton, 1967): Այս միացությունների հետագա մանրէային ազդեցությունը (նյութափոխանակությունը) կարող է նվազեցնել կառուցվածքային ամբողջականությունը, պահպանման արդյունավետությունը և մշակութային արժեքը (Gadd, 2017; Liu et al., 2018): Մյուս կողմից, որոշ դեպքերում, այս կառուցվածքներին մանրէային հարմարվողականությունը և արձագանքը օգտակար են եղել, քանի որ դրանք ձևավորում են բիոթաղանթներ և այլ պաշտպանիչ կեղևներ, որոնք նվազեցնում են քայքայման/քայքայման արագությունը (Martino, 2016): Հետևաբար, քարե, մետաղական և փայտե հուշարձանների արդյունավետ երկարաժամկետ կայուն պահպանման ռազմավարությունների մշակումը պահանջում է այս գործընթացում ներգրավված հիմնական գործընթացների մանրակրկիտ ըմբռնում: Բնական գործընթացների (երկրաբանական գործընթացներ, անտառային հրդեհներ, հրաբխային ժայթքումներ, բույսերի և մանրէների ռեակցիաներ) համեմատ, մարդկային գործունեությունը հանգեցնում է պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինների (PAH) և այլ օրգանական ածխածնի (OC) մեծ ծավալների արտանետման էկոհամակարգեր: Գյուղատնտեսության մեջ օգտագործվող բազմաթիվ PAH-ներ (միջատասպաններ և թունաքիմիկատներ, ինչպիսիք են DDT-ն, ատրազինը, կարբարիլը, պենտաքլորֆենոլը և այլն), արդյունաբերության մեջ (հում նավթ, նավթի տիղմ/թափոններ, նավթից ստացված պլաստմասսաներ, ՊԽԲ-ներ, պլաստիֆիկատորներ, լվացող միջոցներ, ախտահանիչներ, ֆումիգանտներ, բուրավետիչներ և կոնսերվանտներ), անձնական խնամքի միջոցներում (արևապաշտպան քսուքներ, ախտահանիչներ, միջատներից պաշտպանող միջոցներ և պոլիցիկլիկ մուշկներ) և զինամթերքում (պայթուցիկներ, ինչպիսիք են 2,4,6-TNT-ն) կարող են լինել քսենոբիոտիկներ, որոնք կարող են ազդել մոլորակի առողջության վրա (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015): Այս ցանկը կարող է ընդլայնվել՝ ներառելով նավթից ստացված միացություններ (վառելիքի յուղեր, քսանյութեր, ասֆալտեններ), բարձր մոլեկուլային քաշի բիոպլաստիկներ և իոնային հեղուկներ (Amde et al., 2015): Աղյուսակ 1-ում ներկայացված են տարբեր արոմատիկ աղտոտիչներ և դրանց կիրառությունները տարբեր ոլորտներում: Վերջին տարիներին սկսել են աճել ցնդող օրգանական միացությունների, ինչպես նաև ածխաթթու գազի և այլ ջերմոցային գազերի մարդածին արտանետումները (Dvorak et al., 2017): Այնուամենայնիվ, մարդածին ազդեցությունը զգալիորեն գերազանցում է բնականին: Բացի այդ, մենք պարզեցինք, որ մի շարք օրգանական օրգանական միացություններ պահպանվում են բազմաթիվ շրջակա միջավայրերում և նույնականացվել են որպես բիոմների վրա բացասական ազդեցություն ունեցող նորահայտ աղտոտիչներ (Նկար 1): Շրջակա միջավայրի պաշտպանության գործակալությունները, ինչպիսին է ԱՄՆ շրջակա միջավայրի պաշտպանության գործակալությունը (USEPA), այս աղտոտիչներից շատերը ներառել են իրենց առաջնահերթությունների ցանկում՝ դրանց ցիտոտոքսիկ, գենոտոքսիկ, մուտագեն և քաղցկեղածին հատկությունների պատճառով: Հետևաբար, անհրաժեշտ են խիստ հեռացման կանոնակարգեր և աղտոտված էկոհամակարգերից թափոնների մշակման/հեռացման արդյունավետ ռազմավարություններ: Ֆիզիկական և քիմիական մշակման տարբեր մեթոդներ, ինչպիսիք են պիրոլիզը, օքսիդատիվ ջերմային մշակումը, օդային աերացիան, աղբավայրերում տեղադրումը, այրումը և այլն, անարդյունավետ և թանկ են և առաջացնում են կոռոզիվ, թունավոր և դժվարամատչելի ենթամթերքներ: Համաշխարհային բնապահպանական իրազեկվածության բարձրացման հետ մեկտեղ, այս աղտոտիչները և դրանց ածանցյալները (օրինակ՝ հալոգենացված, նիտրո, ալկիլ և/կամ մեթիլ) քայքայելու ունակ միկրոօրգանիզմները (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020) ավելի ու ավելի մեծ ուշադրություն են գրավում (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020): Այս տեղական թեկնածու միկրոօրգանիզմների օգտագործումը միայնակ կամ խառը մշակույթներում (գաղութներում) արոմատիկ աղտոտիչները հեռացնելու համար առավելություններ ունի շրջակա միջավայրի անվտանգության, արժեքի, արդյունավետության, արդյունավետության և կայունության առումով: Հետազոտողները նաև ուսումնասիրում են մանրէային գործընթացների ինտեգրումը էլեկտրաքիմիական օքսիդա-վերականգնման մեթոդների, մասնավորապես՝ կենսաէլեկտրաքիմիական համակարգերի (BES) հետ՝ որպես աղտոտիչների մշակման/հեռացման խոստումնալից տեխնոլոգիա (Huang et al., 2011): BES տեխնոլոգիան ավելի ու ավելի է ուշադրություն գրավում իր բարձր արդյունավետության, ցածր գնի, շրջակա միջավայրի անվտանգության, սենյակային ջերմաստիճանում շահագործման, կենսահամատեղելի նյութերի և արժեքավոր ենթամթերքներ (օրինակ՝ էլեկտրաէներգիա, վառելիք և քիմիական նյութեր) վերականգնելու ունակության շնորհիվ (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020): Բարձր արդյունավետությամբ գենոմի հաջորդականության և օմիկայի գործիքների/մեթոդների ի հայտ գալը նոր տեղեկատվության հարուստ աղբյուր է տվել տարբեր քայքայող միկրոօրգանիզմների ռեակցիաների գենետիկական կարգավորման, պրոտեոմիկայի և ֆլուքսոմիկայի վերաբերյալ: Այս գործիքների համակարգային կենսաբանության հետ համադրումը էլ ավելի է խորացրել մեր հասկացողությունը միկրոօրգանիզմներում թիրախային կատաբոլիկ ուղիների ընտրության և նուրբ կարգավորման (այսինքն՝ նյութափոխանակության դիզայն) վերաբերյալ՝ արդյունավետ և արդյունավետ կենսաքայքայման հասնելու համար: Հարմար թեկնածու միկրոօրգանիզմներ օգտագործելով արդյունավետ կենսավերականգնման ռազմավարություններ մշակելու համար մենք պետք է հասկանանք միկրոօրգանիզմների կենսաքիմիական ներուժը, նյութափոխանակության բազմազանությունը, գենետիկական կազմը և էկոլոգիան (աուտոէկոլոգիա/սինեկոլոգիա):
Նկ. 1. Ցածր մոլեկուլային պոլիհիդրատային ակտիվ նյութերի աղբյուրներն ու ուղիները տարբեր շրջակա միջավայրի միջավայրերում և բիոտայի վրա ազդող տարբեր գործոններով: Կետագծերը ներկայացնում են էկոհամակարգի տարրերի միջև փոխազդեցությունները:
Այս ակնարկում մենք փորձել ենք ամփոփել տարբեր բակտերիալ իզոլյատների կողմից պարզ PAH-ների, ինչպիսիք են նավթալինը և տեղակալված նավթալենները, քայքայման վերաբերյալ տվյալները, որոնք ներառում են նյութափոխանակության ուղիները և բազմազանությունը, քայքայմանը մասնակցող ֆերմենտները, գեների կազմը/պարունակությունը և բազմազանությունը, բջջային արձագանքները և կենսավերականգնման տարբեր ասպեկտները: Կենսաքիմիական և մոլեկուլային մակարդակների ըմբռնումը կօգնի նույնականացնել համապատասխան տեր շտամները և դրանց հետագա գենետիկական ինժեներիան՝ նման առաջնահերթ աղտոտիչների արդյունավետ կենսավերականգնման համար: Սա կօգնի մշակել արդյունավետ կենսավերականգնման համար տեղանքին բնորոշ բակտերիալ կոնսորցիումների ստեղծման ռազմավարություններ:
Մեծ թվով թունավոր և վտանգավոր արոմատիկ միացությունների առկայությունը (որոնք բավարարում են Հակելի 4n + 2π էլեկտրոնների կանոնը, n = 1, 2, 3, ...) լուրջ սպառնալիք է ներկայացնում տարբեր շրջակա միջավայրի միջավայրերի համար, ինչպիսիք են օդը, հողը, նստվածքները, մակերեսային և ստորգետնյա ջրերը (Puglisi et al., 2007): Այս միացություններն ունեն մեկ բենզոլային օղակներ (մոնոցիկլիկ) կամ բազմակի բենզոլային օղակներ (պոլիցիկլիկ), որոնք դասավորված են գծային, անկյունային կամ կլաստերային ձևով և ցուցաբերում են կայունություն (կայունություն/անկայունություն) շրջակա միջավայրում՝ բարձր բացասական ռեզոնանսային էներգիայի և իներտության (իներտություն) պատճառով, ինչը կարելի է բացատրել դրանց հիդրոֆոբությամբ և վերականգնված վիճակով: Երբ արոմատիկ օղակը հետագայում փոխարինվում է մեթիլ (-CH3), կարբօքսիլ (-COOH), հիդրօքսիլ (-OH) կամ սուլֆոնատ (-HSO3) խմբերով, այն դառնում է ավելի կայուն, ունի ավելի ուժեղ կապ մակրոմոլեկուլների նկատմամբ և կենսակուտակվող է կենսաբանական համակարգերում (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020): Որոշ ցածր մոլեկուլային զանգվածով պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածիններ (LMWAH), ինչպիսիք են նավթալինը և դրա ածանցյալները [մեթիլենաֆթալին, նավթաթթու, նավթալինսուլֆոնատ և 1-նաֆթիլ N-մեթիլկարբամատ (կարբարիլ)], ԱՄՆ շրջակա միջավայրի պաշտպանության գործակալության կողմից ներառվել են առաջնահերթ օրգանական աղտոտիչների ցանկում՝ որպես գենոտոքսիկ, մուտագեն և/կամ քաղցկեղածին (Cerniglia, 1984): NM-PAH-ների այս դասի արտանետումը շրջակա միջավայր կարող է հանգեցնել այս միացությունների կենսակուտակման սննդային շղթայի բոլոր մակարդակներում, այդպիսով ազդելով էկոհամակարգերի առողջության վրա (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009):
Բիոտա պոլիմոլեկուլային ակտիվ նյութերի (ՊԱԿ) ներթափանցման աղբյուրներն ու ուղիները հիմնականում տարբեր էկոհամակարգային բաղադրիչների՝ հողի, ստորգետնյա ջրերի, մակերեսային ջրերի, մշակաբույսերի և մթնոլորտի միջև միգրացիայի և փոխազդեցությունների միջոցով են (Արեյ և Ատկինսոն, 2003): Նկար 1-ը ցույց է տալիս տարբեր ցածր մոլեկուլային քաշով ՊԱԿ-ների փոխազդեցությունները և բաշխումը էկոհամակարգերում և դրանց կենսաբանական/մարդկային ազդեցության ուղիները: ՊԱԿ-ները նստեցվում են մակերեսների վրա օդի աղտոտվածության հետևանքով և տրանսպորտային միջոցների արտանետումների, արդյունաբերական արտանետվող գազերի (ածխի գազիֆիկացում, այրում և կոքսի արտադրություն) միգրացիայի (դրեյֆ) և դրանց նստեցման միջոցով: Արդյունաբերական գործունեությունները, ինչպիսիք են սինթետիկ տեքստիլի, ներկերի և ներկերի արտադրությունը, փայտի պահպանումը, ռետինի մշակումը, ցեմենտի արտադրության գործունեությունը, թունաքիմիկատների արտադրությունը և գյուղատնտեսական կիրառությունները, ՊԱԿ-ների հիմնական աղբյուրներն են ցամաքային և ջրային համակարգերում (Բամֆորթ և Սինգլթոն, 2005; Վիք և այլք, 2011): Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ արվարձանային և քաղաքային տարածքներում, մայրուղիների մոտ և խոշոր քաղաքներում հողերը ավելի ենթակա են պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինների (ՊԱԱ) նկատմամբ՝ էլեկտրակայաններից, բնակելի շենքերի ջեռուցման, օդային և ճանապարհային երթևեկության ծանրաբեռնվածության, ինչպես նաև շինարարական գործունեության արտանետումների պատճառով (Սուման և այլք, 2016): (2008) ցույց է տվել, որ ԱՄՆ-ի Լուիզիանա նահանգի Նոր Օռլեան քաղաքում ճանապարհների մոտ գտնվող հողում ՊԱԱ-ների պարունակությունը կազմել է մինչև 7189 մկգ/կգ, մինչդեռ բաց տարածքում՝ ընդամենը 2404 մկգ/կգ: Նմանապես, ԱՄՆ-ի մի քանի քաղաքներում ածխի գազիֆիկացման կայանների մոտ գտնվող տարածքներում գրանցվել է մինչև 300 մկգ/կգ ՊԱԱ մակարդակ (Կանալի և Հարայամա, 2000; Բամֆորթ և Սինգլթոն, 2005): Հնդկաստանի տարբեր քաղաքների, ինչպիսիք են Դելիի (Sharma et al., 2008), Ագրայի (Dubey et al., 2014), Մումբայի (Kulkarni and Venkataraman, 2000) և Վիսախապատնամի (Kulkarni et al., 2014), հողերը պարունակում են պոլիմիլային ակտիվ նյութեր (ՊԱԿ) բարձր կոնցենտրացիաներ: Արոմատիկ միացություններն ավելի հեշտությամբ են ադսորբվում հողի մասնիկների, օրգանական նյութերի և կավե հանքանյութերի վրա, այդպիսով դառնալով էկոհամակարգերում ածխածնի հիմնական կլանիչներ (Srogi, 2007; Peng et al., 2008): Ջրային էկոհամակարգերում ՊԱԿ-ների հիմնական աղբյուրներն են տեղումները (թաց/չոր տեղումներ և ջրային գոլորշի), քաղաքային հոսքը, կեղտաջրերի արտանետումը, ստորգետնյա ջրերի լիցքավորումը և այլն (Srogi, 2007): Հաշվարկվում է, որ ծովային էկոհամակարգերում ՊԱԿ-ների մոտ 80%-ը առաջանում է տեղումներից, նստվածքագոյացումից և թափոնների արտանետումից (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007): Մակերևութային ջրերում կամ պինդ թափոնների աղբավայրերից արտահոսքերից պոլիկալ ակտիվ նյութերով (ՊԱԿ) բարձր կոնցենտրացիաները, ի վերջո, արտահոսում են ստորգետնյա ջրեր, ինչը լուրջ հանրային առողջության սպառնալիք է ներկայացնում, քանի որ Հարավային և Հարավարևելյան Ասիայի բնակչության ավելի քան 70%-ը խմում է ստորգետնյա ջրեր (Դաթագուպտա և այլք, 2019): Հնդկաստանի Արևմտյան Բենգալիայում (32) գետերի (32) և ստորգետնյա ջրերի (235) վերլուծությունների վերաբերյալ Դութագուպտայի և այլոց (2020) կողմից վերջերս անցկացված ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ քաղաքային բնակիչների մոտավորապես 53%-ը և գյուղական բնակիչների 44%-ը (ընդհանուր առմամբ 20 միլիոն բնակիչ) կարող են ենթարկվել նավթալինի (4.9–10.6 մկգ/լ) և դրա ածանցյալների ազդեցությանը: Հողօգտագործման տարբեր ձևերը և ստորգետնյա ջրերի արդյունահանման աճը համարվում են ցածր մոլեկուլային քաշով ՊԱԿ-ների ուղղահայաց տեղափոխումը (ադվեկցիա) ենթամակերևույթում: Գյուղատնտեսական հոսքաջրերը, քաղաքային և արդյունաբերական կեղտաջրերի արտանետումները, ինչպես նաև պինդ թափոնների/աղբի արտանետումները, ինչպես պարզվել է, ազդվում են ՊԱԿ-ներից գետավազաններում և ենթամակերևութային նստվածքներում: Մթնոլորտային տեղումները ավելի են սրում ՊԱԿ-ների աղտոտվածությունը: Աշխարհի գետերում/ջրհավաք ավազաններում, ինչպիսիք են Ֆրեյզեր գետը, Լուան գետը, Դենսո գետը, Միսսուրի գետը, Անակոստիա գետը, Էբրո գետը և Դելավեր գետը, գրանցվել են ՊԱՀ-ների և դրանց ալկիլ ածանցյալների բարձր կոնցենտրացիաներ (ընդհանուր առմամբ 51) (Յունկեր և այլք, 2002; Մոտելեյ-Մասսեյ և այլք, 2006; Լի և այլք, 2010; Ամոակո և այլք, 2011; Կիմ և այլք, 2018): Գանգես գետի ավազանի նստվածքներում նավթալինը և ֆենանտրենը եղել են ամենակարևորը (հայտնաբերվել են նմուշների 70%-ում) (Դուտտագուպտա և այլք, 2019): Ավելին, ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ խմելու ջրի քլորացումը կարող է հանգեցնել ավելի թունավոր թթվածնավորված և քլորացված ՊԱՀ-ների առաջացմանը (Մանոլի և Սամարա, 1999): ՊԱԿ-ները կուտակվում են հացահատիկայիններում, մրգերում և բանջարեղենում՝ աղտոտված հողերից, ստորգետնյա ջրերից և տեղումներից բույսերի կողմից դրանց կլանման արդյունքում (Fismes et al., 2002): Շատ ջրային օրգանիզմներ, ինչպիսիք են ձկները, միդիաները, կակղամորթները և ծովախեցգետինները, աղտոտվում են ՊԱԿ-ներով՝ աղտոտված սննդի և ծովի ջրի սպառման, ինչպես նաև հյուսվածքների և մաշկի միջոցով (Mackay and Fraser, 2000): Խոհարարության/մշակման մեթոդները, ինչպիսիք են խորովելը, թխելը, ծխեցումը, տապակելը, չորացնելը, թխելը և ածխի վրա եփելը, նույնպես կարող են հանգեցնել ՊԱԿ-ների զգալի քանակի սննդի մեջ: Սա մեծապես կախված է ծխեցնող նյութի ընտրությունից, ֆենոլային/արոմատիկ ածխաջրածինների պարունակությունից, եփման ընթացակարգից, ջեռուցիչի տեսակից, խոնավության պարունակությունից, թթվածնի մատակարարումից և այրման ջերմաստիճանից (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013): Պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածիններ (ՊԱԿ) նույնպես հայտնաբերվել են կաթի մեջ տարբեր կոնցենտրացիաներով (0.75–2.1 մգ/լ) (Girelli et al., 2014): Այս պոլիմիլային ակտիվ նյութերը (ՊԱԿ) սննդի մեջ կուտակվում են նաև կախված սննդի ֆիզիկաքիմիական հատկություններից, մինչդեռ դրանց թունավոր ազդեցությունները կապված են ֆիզիոլոգիական գործառույթների, նյութափոխանակության ակտիվության, կլանման, բաշխման և օրգանիզմում դրանց բաշխման հետ (Մեչինի և այլք, 2011):
Պոլիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինների (ՊԱԱ) թունավորությունը և վնասակար ազդեցությունները հայտնի են վաղուց (Չերնիգլիա, 1984): Ցածր մոլեկուլային քաշ ունեցող պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինները (ՑՄՔ-ՊԱԱ) (երկու-երեք օղակ) կարող են կովալենտորեն կապվել տարբեր մակրոմոլեկուլների հետ, ինչպիսիք են ԴՆԹ-ն, ՌՆԹ-ն և սպիտակուցները, և քաղցկեղածին են (Սանտարելլի և այլք, 2008): Իրենց հիդրոֆոբ բնույթի պատճառով դրանք բաժանված են լիպիդային թաղանթներով: Մարդկանց մոտ ցիտոքրոմ P450 մոնոօքսիգենազները օքսիդացնում են ՊԱԱ-ները էպօքսիդների, որոնցից մի քանիսը բարձր ռեակտիվ են (օրինակ՝ բեյդիոլ էպօքսիդ) և կարող են հանգեցնել նորմալ բջիջների չարորակ բջիջների վերափոխմանը (Մարստոն և այլք, 2001): Բացի այդ, ՊԱԱ-ների վերափոխման արգասիքները, ինչպիսիք են քինոնները, ֆենոլները, էպօքսիդները, դիոլները և այլն, ավելի թունավոր են, քան սկզբնական միացությունները: Որոշ պոլիմոլեկուլային ակտիվ նյութեր (ՊԱԿ) և դրանց նյութափոխանակության միջանկյալ նյութերը կարող են ազդել հորմոնների և նյութափոխանակության տարբեր ֆերմենտների վրա, դրանով իսկ բացասաբար ազդելով աճի, կենտրոնական նյարդային համակարգի, վերարտադրողական և իմունային համակարգերի վրա (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008): Ցածր մոլեկուլային քաշով ՊԱԿ-ների կարճաժամկետ ազդեցությունը, ըստ հաղորդումների, առաջացնում է թոքերի ֆունկցիայի խանգարում և թրոմբոզ ասթմատիկների մոտ, ինչպես նաև մեծացնում է մաշկի, թոքերի, միզապարկի և ստամոքս-աղիքային քաղցկեղի առաջացման ռիսկը (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011): Կենդանիների վրա կատարված ուսումնասիրությունները նույնպես ցույց են տվել, որ ՊԱԿ-ների ազդեցությունը կարող է բացասական ազդեցություն ունենալ վերարտադրողական ֆունկցիայի և զարգացման վրա և կարող է առաջացնել կատարակտ, երիկամների և լյարդի վնասվածք, ինչպես նաև դեղնախտ: ՊԱԿ-ների տարբեր կենսափոխակերպման արգասիքներ, ինչպիսիք են դիոլները, էպօքսիդները, քինոնները և ազատ ռադիկալները (կատիոնները), առաջացնում են ԴՆԹ-ի ադդուկտներ: Կայուն ադդուկտները, ինչպես ցույց է տրվել, փոխում են ԴՆԹ-ի վերարտադրության մեխանիզմը, մինչդեռ անկայուն ադդուկտները կարող են ԴՆԹ-ն քայքայել (հիմնականում ադենինի և երբեմն գուանինի). երկուսն էլ կարող են առաջացնել սխալներ, որոնք հանգեցնում են մուտացիաների (Schweigert et al. 2001): Բացի այդ, քինոնները (բենզո-/պան-) կարող են առաջացնել ռեակտիվ թթվածնային տեսակներ (ROS), որոնք մահացու վնաս են հասցնում ԴՆԹ-ին և այլ մակրոմոլեկուլներին, այդպիսով ազդելով հյուսվածքների ֆունկցիայի/կենսունակության վրա (Ewa and Danuta 2017): Պիրենի, բիֆենի և նավթալինի ցածր կոնցենտրացիաների քրոնիկ ազդեցությունը, ինչպես հաղորդվել է, քաղցկեղ է առաջացնում փորձարարական կենդանիների մոտ (Diggs et al. 2012): Դրանց մահացու թունավորության պատճառով, այս PAH-ների մաքրումը/հեռացումը տուժած/աղտոտված հատվածներից առաջնահերթություն է:
Աղտոտված վայրերից/միջավայրերից ՊԱՀ-ները հեռացնելու համար օգտագործվել են տարբեր ֆիզիկական և քիմիական մեթոդներ: Այնպիսի գործընթացները, ինչպիսիք են այրումը, քլորացումը, ուլտրամանուշակագույն օքսիդացումը, ֆիքսացիան և լուծիչի արդյունահանումը, ունեն բազմաթիվ թերություններ, այդ թվում՝ թունավոր ենթամթերքների առաջացումը, գործընթացի բարդությունը, անվտանգության և կարգավորման հետ կապված խնդիրները, ցածր արդյունավետությունը և բարձր արժեքը: Այնուամենայնիվ, մանրէային կենսաքայքայումը (կոչվում է կենսավերականգնում) խոստումնալից այլընտրանքային մոտեցում է, որը ներառում է միկրոօրգանիզմների օգտագործումը մաքուր կուլտուրաների կամ գաղութների տեսքով: Ֆիզիկական և քիմիական մեթոդների համեմատ, այս գործընթացը էկոլոգիապես մաքուր է, ոչ ինվազիվ, ծախսարդյունավետ և կայուն: Կենսաբանական վերականգնումը կարող է իրականացվել ազդակիր վայրում (in situ) կամ հատուկ պատրաստված վայրում (ex situ) և, հետևաբար, համարվում է ավելի կայուն վերականգնման մեթոդ, քան ավանդական ֆիզիկական և քիմիական մեթոդները (Juhasz and Naidu, 2000; Andreoni and Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020):
Արոմատիկ աղտոտիչների քայքայման մեջ ներգրավված մանրէային նյութափոխանակության փուլերի հասկացումը հսկայական գիտական ​​և տնտեսական հետևանքներ ունի էկոլոգիական և շրջակա միջավայրի կայունության համար: Աշխարհում նստվածքներում և օրգանական միացություններում (այսինքն՝ նավթում, բնական գազում և ածուխում, այսինքն՝ բրածո վառելիքներում) պահվում է մոտավորապես 2.1×1018 գրամ ածխածին (C), ինչը զգալի ներդրում է ունենում համաշխարհային ածխածնային ցիկլում: Այնուամենայնիվ, արագ արդյունաբերականացումը, բրածո վառելիքի արդյունահանումը և մարդկային գործունեությունը սպառում են այս ընդերքի ածխածնային պաշարները՝ տարեկան մթնոլորտ արտանետելով մոտավորապես 5.5×1015 գ օրգանական ածխածին (որպես աղտոտիչներ) (Gonzalez-Gaya et al., 2019): Այս օրգանական ածխածնի մեծ մասը ցամաքային և ծովային էկոհամակարգեր է մտնում նստվածքագոյացման, տեղափոխման և հոսքի միջոցով: Բացի այդ, բրածո վառելիքներից ստացված նոր սինթետիկ աղտոտիչները, ինչպիսիք են պլաստմասսաները, պլաստիկացնողները և պլաստիկ կայունացուցիչները (ֆտալատները և դրանց իզոմերները), լրջորեն աղտոտում են ծովային, հողային և ջրային էկոհամակարգերը և դրանց բիոտան, դրանով իսկ սրելով գլոբալ կլիմայական ռիսկերը: Հյուսիսային Ամերիկայի և Հարավարևելյան Ասիայի միջև գտնվող Խաղաղ օվկիանոսում կուտակվել են պոլիէթիլեն տերեֆտալատից (PET) ստացված տարբեր տեսակի միկրոպլաստիկներ, նանոպլաստիկներ, պլաստիկի բեկորներ և դրանց թունավոր մոնոմերային արտադրանքներ՝ կազմելով «Խաղաղօվկիանոսյան մեծ աղբի կույտը»՝ վնասելով ծովային կյանքին (Newell et al., 2020): Գիտական ​​ուսումնասիրությունները ապացուցել են, որ նման աղտոտիչները/թափոնները հեռացնելը հնարավոր չէ որևէ ֆիզիկական կամ քիմիական մեթոդով: Այս համատեքստում ամենաօգտակար միկրոօրգանիզմներն այն միկրոօրգանիզմներն են, որոնք ընդունակ են օքսիդատիվ կերպով նյութափոխանակել աղտոտիչները ածխաթթու գազի, քիմիական էներգիայի և այլ ոչ թունավոր ենթամթերքների, որոնք, ի վերջո, մտնում են այլ սննդանյութերի ցիկլային գործընթացների մեջ (H, O, N, S, P, Fe և այլն): Այսպիսով, արոմատիկ աղտոտիչների հանքայնացման մանրէային էկոֆիզիոլոգիայի և դրա շրջակա միջավայրի վերահսկողության հասկացումը կարևոր է մանրէային ածխածնի ցիկլի, զուտ ածխածնային բյուջեի և ապագա կլիմայական ռիսկերի գնահատման համար: Հաշվի առնելով նման միացությունները շրջակա միջավայրից հեռացնելու հրատապ անհրաժեշտությունը, ի հայտ են եկել մաքուր տեխնոլոգիաների վրա կենտրոնացած տարբեր էկոարդյունաբերություններ: Այլընտրանքորեն, էկոհամակարգերում կուտակված արդյունաբերական թափոնների/թափոնային քիմիական նյութերի արժեքի բարձրացումը (այսինքն՝ «թափոններից հարստություն» մոտեցումը) համարվում է շրջանաձև տնտեսության և կայուն զարգացման նպատակների հիմնասյուներից մեկը (Քլոուզ և այլք, 2012): Հետևաբար, այս պոտենցիալ քայքայման թեկնածուների նյութափոխանակության, ֆերմենտային և գենետիկական ասպեկտների հասկացումը չափազանց կարևոր է նման արոմատիկ աղտոտիչների արդյունավետ հեռացման և կենսավերականգնման համար:
Բազմաթիվ արոմատիկ աղտոտիչների շարքում մենք հատուկ ուշադրություն ենք դարձնում ցածր մոլեկուլային քաշ ունեցող ՊՄՀ-ներին, ինչպիսիք են նավթալինը և տեղակալված նավթալինները: Այս միացությունները նավթից ստացված վառելիքների, տեքստիլ ներկանյութերի, սպառողական ապրանքների, թունաքիմիկատների (մազաթելային գնդիկներ և միջատներին վանող միջոցներ), պլաստիկացնող նյութերի և տանինների հիմնական բաղադրիչներն են և, հետևաբար, լայնորեն տարածված են բազմաթիվ էկոհամակարգերում (Preuss et al., 2003): Վերջին զեկույցներում ընդգծվում է նավթալինի կոնցենտրացիաների կուտակումը ջրատար նստվածքներում, ստորգետնյա ջրերում և ենթամակերեսային հողերում, վազոդային գոտիներում և գետերի հուներում, ինչը ենթադրում է դրա կենսակուտակումը շրջակա միջավայրում (Duttagupta et al., 2019, 2020): Աղյուսակ 2-ում ամփոփված են նավթալինի և դրա ածանցյալների ֆիզիկաքիմիական հատկությունները, կիրառությունները և առողջության վրա ազդեցությունը: Համեմատած այլ բարձր մոլեկուլային քաշ ունեցող ՊՄՀ-ների հետ, նավթալինը և դրա ածանցյալները պակաս հիդրոֆոբ են, ավելի ջրում լուծվող և լայնորեն տարածված են էկոհամակարգերում, ուստի դրանք հաճախ օգտագործվում են որպես մոդելային հիմքեր ՊՄՀ-ների նյութափոխանակությունը, գենետիկան և նյութափոխանակության բազմազանությունը ուսումնասիրելու համար: Մեծ թվով միկրոօրգանիզմներ ունակ են նյութափոխանակել նավթալինը և դրա ածանցյալները, և դրանց նյութափոխանակության ուղիների, ֆերմենտների և կարգավորող առանձնահատկությունների վերաբերյալ համապարփակ տեղեկատվություն կա (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020): Բացի այդ, նավթալինը և դրա ածանցյալները նշանակվում են որպես շրջակա միջավայրի աղտոտվածության գնահատման նախատիպային միացություններ՝ իրենց բարձր առատության և կենսամատչելիության շնորհիվ: ԱՄՆ շրջակա միջավայրի պաշտպանության գործակալությունը գնահատում է, որ նավթալինի միջին մակարդակը կազմում է 5.19 մկգ մեկ խորանարդ մետրի համար ծխախոտի ծխից, հիմնականում թերի այրումից, և 7.8-ից 46 մկգ՝ կողմնակի հոսքի ծխից, մինչդեռ կրեոզոտի և նավթալինի ազդեցությունը 100-ից 10,000 անգամ ավելի բարձր է (Preuss et al. 2003): Մասնավորապես, նավթալինը, ինչպես պարզվել է, ունի տեսակի, տարածաշրջանի և սեռի համար բնորոշ շնչառական թունավորություն և քաղցկեղածինություն: Կենդանիների վրա կատարված ուսումնասիրությունների հիման վրա, Քաղցկեղի հետազոտությունների միջազգային գործակալությունը (IARC) նավթալինը դասակարգել է որպես «հնարավոր մարդկային քաղցկեղածին» (2B խումբ)1: Փոխարինող նավթալինների ազդեցությունը, հիմնականում ինհալացիոն կամ պարենտերալ (բերանային) ընդունման միջոցով, առաջացնում է թոքային հյուսվածքի վնասվածք և մեծացնում է առնետների և մկների մոտ թոքերի ուռուցքների առաջացման հաճախականությունը (Ազգային տոքսիկոլոգիայի ծրագիր 2): Սուր ազդեցություններից են սրտխառնոցը, փսխումը, որովայնի ցավը, լուծը, գլխացավը, շփոթվածությունը, առատ քրտնարտադրությունը, ջերմությունը, տախիկարդիան և այլն: Մյուս կողմից, լայն սպեկտրի կարբամատ միջատասպան կարբարիլը (1-նաֆթիլ N-մեթիլկարբամատ) թունավոր է ջրային անողնաշարավորների, երկկենցաղների, մեղուների և մարդկանց համար և ցույց է տրվել, որ այն արգելակում է ացետիլխոլինէսթերազը՝ առաջացնելով կաթվածահարություն (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011): Հետևաբար, մանրէային քայքայման, գենետիկական կարգավորման, ֆերմենտատիվ և բջջային ռեակցիաների մեխանիզմների հասկացումը կարևոր է աղտոտված միջավայրերում կենսավերականգնման ռազմավարություններ մշակելու համար:
Աղյուսակ 2. Նավթալինի և դրա ածանցյալների ֆիզիկաքիմիական հատկությունների, կիրառությունների, նույնականացման մեթոդների և դրանց հետ կապված հիվանդությունների վերաբերյալ մանրամասն տեղեկատվություն:
Աղտոտված խորշերում հիդրոֆոբ և լիպոֆիլ արոմատիկ աղտոտիչները կարող են տարբեր բջջային ազդեցություններ առաջացնել շրջակա միջավայրի միկրոբիոմի (համայնքի) վրա, ինչպիսիք են թաղանթի հեղուկության, թաղանթի թափանցելիության փոփոխությունները, լիպիդային երկշերտի այտուցը, էներգիայի փոխանցման խափանումը (էլեկտրոնների փոխադրման շղթա/պրոտոնային շարժիչ ուժ) և թաղանթին կապված սպիտակուցների ակտիվությունը (Sikkema et al., 1995): Բացի այդ, որոշ լուծելի միջանկյալ նյութեր, ինչպիսիք են կատեխոլները և քինոնները, առաջացնում են ռեակտիվ թթվածնային տեսակներ (ROS) և ձևավորում են ադդուկտներ ԴՆԹ-ի և սպիտակուցների հետ (Penning et al., 1999): Այսպիսով, էկոհամակարգերում նման միացությունների առատությունը ընտրողական ճնշում է գործադրում մանրէային համայնքների վրա՝ դրանք դարձնելու արդյունավետ քայքայողներ տարբեր ֆիզիոլոգիական մակարդակներում, ներառյալ կլանումը/փոխադրումը, ներբջջային տրանսֆորմացիան, ասիմիլյացիան/օգտագործումը և կոմպարտմենտալիզացիան:
Ռիբոսոմային տվյալների բազայի նախագծի II (RDP-II) որոնումը ցույց տվեց, որ նավթալինով կամ դրա ածանցյալներով աղտոտված միջավայրերից կամ հարստացման կուլտուրաներից անջատվել է ընդհանուր առմամբ 926 բակտերիալ տեսակ: Proteobacteria խումբն ուներ ներկայացուցիչների ամենամեծ թիվը (n = 755), որին հաջորդում էին Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) և չդասակարգված բակտերիաները (8) (Նկար 2): γ-Proteobacteria-ի (Pseudomonadales և Xanthomonadales) ներկայացուցիչները գերակշռում էին բոլոր գրամ-բացասական խմբերում՝ G+C բարձր պարունակությամբ (54%), մինչդեռ Clostridiales-ը և Bacillales-ը (30%) գրամ-դրական խմբեր էին՝ G+C ցածր պարունակությամբ: Pseudomonas-ը (ամենաբարձր թիվը՝ 338 տեսակ) ի վիճակի է քայքայել նավթալինը և դրա մեթիլ ածանցյալները տարբեր աղտոտված էկոհամակարգերում (ածխածնային խեժ, նավթ, հում նավթ, տիղմ, նավթի թափոններ, կեղտաջրեր, օրգանական թափոններ և աղբավայրեր), ինչպես նաև անվնաս էկոհամակարգերում (հող, գետեր, նստվածքներ և ստորգետնյա ջրեր) (Նկար 2): Ավելին, այս շրջաններից մի քանիսի հարստացման ուսումնասիրությունները և մետագենոմիկ վերլուծությունը ցույց են տվել, որ չմշակված Legionella և Clostridium տեսակները կարող են ունենալ քայքայման ունակություն, ինչը վկայում է այս մանրէների կուլտուրայի մշակման անհրաժեշտության մասին՝ նոր ուղիները և նյութափոխանակության բազմազանությունը ուսումնասիրելու համար:
Նկ. 2. Բակտերիալ ներկայացուցիչների տաքսոնոմիկ բազմազանությունը և էկոլոգիական բաշխումը նավթալինով և նավթալինի ածանցյալներով աղտոտված միջավայրերում:
Տարբեր արոմատիկ ածխաջրածիններ քայքայող միկրոօրգանիզմների մեջ մեծ մասը կարող է քայքայել նավթալինը որպես ածխածնի և էներգիայի միակ աղբյուր: Նավթալինի նյութափոխանակության հետ կապված իրադարձությունների հաջորդականությունը նկարագրվել է Pseudomonas sp.-ի համար: (շտամներ՝ NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 և CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 և այլ շտամներ (ND6 և AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis and Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Նյութափոխանակությունը սկսվում է բազմաբաղադրիչ դիօքսիգենազի [նաֆթալին դիօքսիգենազ (NDO), օղակի հիդրօքսիլացնող դիօքսիգենազ] կողմից, որը կատալիզացնում է նավթալինի արոմատիկ օղակներից մեկի օքսիդացումը՝ օգտագործելով մոլեկուլային թթվածինը որպես մյուս սուբստրատ, նավթալինը վերածելով ցիս-նաֆթալենդիոլի (Նկար 3): Ցիս-դիհիդրոդիոլը վերածվում է 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալինի՝ դեհիդրոգենազ։ Օղակը կտրող դիօքսիգենազը՝ 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալին դիօքսիգենազը (12DHNDO), 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալինը վերածում է 2-հիդրօքսիքրոմեն-2-կարբօքսիլաթթվի։ Ֆերմենտային ցիս-տրանս իզոմերիզացիան առաջացնում է տրանս-օ-հիդրօքսիբենզիլիդենպիրուվատ, որը հիդրատազ ալդոլազի կողմից բաժանվում է սալիցիլային ալդեհիդի և պիրուվատի։ Օրգանական թթվի պիրուվատը նավթալինի ածխածնային կմախքից ստացված առաջին C3 միացությունն էր և ուղղորդվում կենտրոնական ածխածնային ուղու մեջ։ Բացի այդ, NAD+-կախյալ սալիցիլալդեհիդ դեհիդրոգենազը սալիցիլալդեհիդը վերածում է սալիցիլաթթվի։ Այս փուլում նյութափոխանակությունը կոչվում է նավթալինի քայքայման «վերին ուղի»։ Այս ուղին շատ տարածված է նավթալինը քայքայող մանրէների մեծ մասում։ Այնուամենայնիվ, կան մի քանի բացառություններ. օրինակ՝ ջերմասեր Bacillus hamburgii 2-ում նավթալինի քայքայումը սկսվում է նավթալին 2,3-դիօքսիգենազով՝ առաջացնելով 2,3-դիհիդրօքսինաֆտալին (Annweiler et al., 2000):
Նկար 3. Նաֆթալինի, մեթիլենաֆթալինի, նավթաթթվի և կարբարիլի քայքայման ուղիները: Շրջանակված թվերը ներկայացնում են նավթալինի և դրա ածանցյալների հաջորդական փոխակերպման համար պատասխանատու ֆերմենտները հաջորդական արգասիքների: 1 — նավթալին դիօքսիգենազ (NDO); 2, ցիս-դիհիդրոդիոլ դեհիդրոգենազ; 3, 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալին դիօքսիգենազ; 4, 2-հիդրօքսիքրոմեն-2-կարբօքսիլաթթվի իզոմերազ; 5, տրանս-O-հիդրօքսիբենզիլիդենպիրուվատ հիդրատազ ալդոլազ; 6, սալիցիլալդեհիդ դեհիդրոգենազ; 7, սալիցիլատ 1-հիդրօքսիլազ; 8, կատեխոլ 2,3-դիօքսիգենազ (C23DO); 9, 2-հիդրօքսիմուկոնատ կիսալդեհիդ դեհիդրոգենազ; 10, 2-օքսոպենտ-4-ենոատ հիդրատազ; 11, 4-հիդրօքսի-2-օքսոպենտանոատ ալդոլազ; 12, ացետալդեհիդ դեհիդրոգենազ; 13, կատեխոլ-1,2-դիօքսիգենազ (C12DO); 14, մուկոնատ ցիկլոիզոմերազ; 15, մուկոնոլակտոն դելտա-իզոմերազ; 16, β-կետոադիպատենոլակտոն հիդրոլազ; 17, β-կետոադիպատ սուկցինիլ-CoA տրանսֆերազ; 18, β-կետոադիպատ-CoA թիոլազ; 19, սուկցինիլ-CoA՝ ացետիլ-CoA սուկցինիլտրանսֆերազ; 20, սալիցիլատ 5-հիդրօքսիլազ; 21 – գենտիզատ 1,2-դիօքսիգենազ (GDO); 22, մալեյիլպիրուվատ իզոմերազ; 23, ֆումարիլպիրուվատ հիդրոլազ; 24, մեթիլենֆթալին հիդրօքսիլազ (NDO); 25, հիդրօքսիմեթիլնաֆթալին դեհիդրոգենազ; 26, նավթալդեհիդ դեհիդրոգենազ; 27, 3-ֆորմիլսալիցիլաթթվի օքսիդազ; 28, հիդրօքսիիզոֆթալատ դեկարբօքսիլազ; 29, կարբարիլ հիդրոլազ (CH); 30, 1-նաֆթոլ-2-հիդրօքսիլազ:
Կախված օրգանիզմից և նրա գենետիկական կազմից, ստացված սալիցիլաթթուն հետագայում մետաբոլիզացվում է կամ կատեխոլային ուղով՝ օգտագործելով սալիցիլատ 1-հիդրօքսիլազ (S1H), կամ գենտիսատային ուղով՝ օգտագործելով սալիցիլատ 5-հիդրօքսիլազ (S5H) (Նկար 3): Քանի որ սալիցիլաթթուն նավթալինի նյութափոխանակության հիմնական միջանկյալ նյութն է (վերին ուղի), սալիցիլաթթվից մինչև TCA միջանկյալ նյութ անցնող քայլերը հաճախ անվանում են ստորին ուղի, և գեները կազմակերպվում են մեկ օպերոնի մեջ: Հաճախ կարելի է տեսնել, որ վերին ուղու օպերոնի (nah) և ստորին ուղու օպերոնի (sal) գեները կարգավորվում են ընդհանուր կարգավորող գործոններով. օրինակ՝ NahR-ը և սալիցիլաթթուն գործում են որպես ինդուկտորներ, թույլ տալով երկու օպերոններին էլ ամբողջությամբ մետաբոլիզացնել նավթալինը (Phale et al., 2019, 2020):
Բացի այդ, կատեխոլը ցիկլիկորեն տրոհվում է 2-հիդրօքսիմուկոնատ կիսալդեհիդի՝ մետա ուղու միջոցով՝ կատեխոլ 2,3-դիօքսիգենազի (C23DO) կողմից (Yen et al., 1988) և հետագայում հիդրոլիզվում է 2-հիդրօքսիմուկոնատ կիսալդեհիդ հիդրոլազի կողմից՝ առաջացնելով 2-հիդրօքսիպենտ-2,4-դիենոաթթու։ Այնուհետև 2-հիդրօքսիպենտ-2,4-դիենոատը վերածվում է պիրուվատի և ացետալդեհիդի՝ հիդրատազի (2-օքսոպենտ-4-ենոատ հիդրատազ) և ալդոլազի (4-հիդրօքսի-2-օքսոպենտանոատ ալդոլազ) կողմից, ապա մտնում է կենտրոնական ածխածնային ուղի (Նկար 3)։ Այլընտրանքորեն, կատեխոլը ցիկլիկորեն տրոհվում է ցիս,ցիս-մուկոնատի՝ օրթո ուղու միջոցով՝ կատեխոլ 1,2-օքսիգենազի (C12DO) կողմից։ Մուկոնատ ցիկլոիզոմերազը, մուկոնոլակտոն իզոմերազը և β-կետոադիպատ-նոլակտոն հիդրոլազը ցիս,ցիս-մուկոնատը վերածում են 3-օքսոադիպատի, որը կենտրոնական ածխածնային ուղի է մտնում սուկցինիլ-CoA-ի և ացետիլ-CoA-ի միջոցով (Նոզակի և այլք, 1968) (Նկար 3):
Գենտիզատի (2,5-դիհիդրօքսիբենզոատ) ուղու վրա արոմատիկ օղակը կտրվում է գենտիզատ 1,2-դիօքսիգենազի (GDO) կողմից՝ առաջացնելով մալեյիլպիրուվատ: Այս արգասիք կարող է անմիջապես հիդրոլիզվել՝ դառնալով պիրուվատ և մալատ, կամ այն ​​կարող է իզոմերիզացվել՝ առաջացնելով ֆումարիլպիրուվատ, որը հետագայում կարող է հիդրոլիզվել՝ դառնալով պիրուվատ և ֆումարատ (Larkin and Day, 1986): Այլընտրանքային ուղու ընտրությունը նկատվել է և՛ գրամ-բացասական, և՛ գրամ-դրական մանրէների մոտ՝ կենսաքիմիական և գենետիկական մակարդակներում (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997): Գրամ-բացասական մանրէները (Pseudomonas) նախընտրում են օգտագործել սալիցիլաթթու, որը նավթալինի նյութափոխանակության ինդուկտոր է, այն դեկարբօքսիլացնելով կատեխոլի՝ օգտագործելով սալիցիլատ 1-հիդրօքսիլազ (Gibson and Subramanian, 1984): Մյուս կողմից, գրամ-դրական մանրէների (Rhodococcus) մոտ սալիցիլատ 5-հիդրօքսիլազը սալիցիլաթթուն վերածում է գենտիզինաթթվի, մինչդեռ սալիցիլաթթուն ինդուկտիվ ազդեցություն չունի նավթալինի գեների տրանսկրիպցիայի վրա (Grund et al., 1992) (Նկար 3):
Հաղորդվել է, որ այնպիսի տեսակներ, ինչպիսիք են Pseudomonas CSV86-ը, Oceanobacterium NCE312-ը, Marinhomonas naphthotrophicus-ը, Sphingomonas paucimobilis 2322-ը, Vibrio cyclotrophus-ը, Pseudomonas fluorescens LP6a-ն, Pseudomonas-ը և Mycobacterium-ի տեսակները, կարող են քայքայել մոնոմեթիլնաֆթալինը կամ դիմեթիլնաֆթալինը (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999): Դրանց թվում Pseudomonas sp. CSV86-ի 1-մեթիլեննաֆթալինի և 2-մեթիլեննաֆթալինի քայքայման ուղին հստակ ուսումնասիրվել է կենսաքիմիական և ֆերմենտատիվ մակարդակներում (Mahajan et al., 1994): 1-մեթիլնաֆթալինը նյութափոխանակվում է երկու ուղիով: Նախ, արոմատիկ օղակը հիդրօքսիլացվում է (մեթիլենաֆթալինի չփոխարինված օղակը)՝ առաջացնելով ցիս-1,2-դիհիդրօքսի-1,2-դիհիդրօքսի-8-մեթիլենաֆթալին, որը հետագայում օքսիդացվում է մեթիլ սալիցիլատի և մեթիլկատեխոլի, ապա օղակի քայքայումից հետո մտնում է կենտրոնական ածխածնային ուղի (Նկար 3): Այս ուղին կոչվում է «ածխածնի աղբյուրի ուղի»: Երկրորդ «դետոքսիկացիայի ուղում» մեթիլ խումբը կարող է հիդրօքսիլացվել NDO-ի միջոցով՝ առաջացնելով 1-հիդրօքսիմեթիլնաֆթալին, որը հետագայում օքսիդացվում է 1-նաֆթոաթթվի և արտազատվում կուլտուրայի միջավայր՝ որպես փակուղի: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ CSV86 շտամը չի կարողանում աճել 1- և 2-նաֆթոաթթվի վրա՝ որպես միակ ածխածնի և էներգիայի աղբյուր, ինչը հաստատում է դրա դետոքսիկացիայի ուղին (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003): 2-մեթիլենաֆթալինում մեթիլ խումբը ենթարկվում է հիդրօքսիլացման հիդրօքսիլազի միջոցով՝ առաջացնելով 2-հիդրօքսիմեթիլնաֆթալին: Բացի այդ, նավթալինային օղակի չփոխարինված օղակը ենթարկվում է օղակի հիդրօքսիլացման՝ առաջացնելով դիհիդրոդիոլ, որը օքսիդանում է մինչև 4-հիդրօքսիմեթիլկատեխոլ մի շարք ֆերմենտային կատալիզացված ռեակցիաների միջոցով և մտնում է կենտրոնական ածխածնային ուղի մետա-օղակի քայքայման ուղու միջոցով: Նմանապես, S. paucimobilis 2322-ը, ըստ հաղորդումների, օգտագործում է NDO՝ 2-մեթիլենաֆթալինը հիդրօքսիլացնելու համար, որը հետագայում օքսիդանում է՝ առաջացնելով մեթիլ սալիցիլատ և մեթիլկատեխոլ (Dutta et al., 1998):
Նավթաթթուները (փոխարինված/չփոխարինված) դետոքսիկացիայի/կենսափոխակերպման ենթամթերքներ են, որոնք առաջանում են մեթիլենաֆթալինի, ֆենանտրենի և անտրացենի քայքայման ընթացքում և արտազատվում են օգտագործված մշակութային միջավայրի մեջ: Հաղորդվել է, որ հողի մեկուսացված Stenotrophomonas maltophilia CSV89-ը կարող է նյութափոխանակել 1-նաֆթոյաթթուն որպես ածխածնի աղբյուր (Phale et al., 1995): Մետաբոլիզմը սկսվում է արոմատիկ օղակի դիհիդրօքսիլացումով՝ առաջացնելով 1,2-դիհիդրօքսի-8-կարբօքսինաֆթալին: Արդյունքում ստացված դիոլը օքսիդանում է կատեխոլի՝ 2-հիդրօքսի-3-կարբօքսիբենզիլիդենպիրուվատի, 3-ֆորմիլսալիցիլաթթվի, 2-հիդրօքսիիզոֆթալաթթվի և սալիցիլաթթվի միջոցով, և մտնում է կենտրոնական ածխածնային ուղի՝ մետա-օղակի քայքայման ուղով (Նկար 3):
Կարբարիլը նավթիլ կարբամատային թունաքիմիկատ է: 1970-ականներին Հնդկաստանում տեղի ունեցած «Կանաչ հեղափոխությունից» ի վեր քիմիական պարարտանյութերի և թունաքիմիկատների օգտագործումը հանգեցրել է գյուղատնտեսական ոչ կետային աղբյուրներից պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինների (ՊԱԱ) արտանետումների աճի (Պինգալի, 2012; Դուտտագուպտա և այլք, 2020): Հնդկաստանում ընդհանուր վարելահողերի մոտ 55%-ը (85,722,000 հեկտար) մշակվում է քիմիական թունաքիմիկատներով: Վերջին հինգ տարիների ընթացքում (2015–2020) Հնդկաստանի գյուղատնտեսական ոլորտը տարեկան միջինում օգտագործել է 55,000-ից 60,000 տոննա թունաքիմիկատներ (Հնդկաստանի կառավարության գյուղատնտեսության նախարարության կոոպերատիվների և ֆերմերների բարեկեցության վարչություն, օգոստոս 2020): Հյուսիսային և կենտրոնական Գանգեսյան հարթավայրերում (ամենաբարձր բնակչություն և բնակչության խտություն ունեցող նահանգներ) թունաքիմիկատների օգտագործումը մշակաբույսերի վրա լայնորեն տարածված է, որտեղ գերակշռում են միջատասպանները: Կարբարիլը (1-նաֆթիլ-N-մեթիլկարբամատ) լայն սպեկտրի, չափավորից մինչև բարձր թունավորության կարբամատային միջատասպան է, որն օգտագործվում է Հնդկաստանի գյուղատնտեսությունում միջինում 100-110 տոննա չափով: Այն սովորաբար վաճառվում է Սևին առևտրային անվան տակ և օգտագործվում է միջատների (լվիճներ, կրակե մրջյուններ, 배리ներ, տզեր, սարդեր և շատ այլ բացօթյա վնասատուներ) դեմ պայքարելու համար, որոնք ազդում են տարբեր մշակաբույսերի (եգիպտացորեն, սոյա, բամբակ, մրգեր և բանջարեղեն) վրա: Որոշ միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus և Arthrobacter, կարող են օգտագործվել նաև այլ վնասատուների դեմ պայքարելու համար: Հաղորդվել է, որ RC100-ը կարող է քայքայել կարբարիլը (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017): Կարբարիլի քայքայման ուղին լայնորեն ուսումնասիրվել է կենսաքիմիական, ֆերմենտատիվ և գենետիկական մակարդակներում Pseudomonas sp. շտամների C4, C5 և C6 հողի մեկուսացված նմուշներում (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Նկար 3): Նյութափոխանակության ուղին սկսվում է էսթերային կապի հիդրոլիզով կարբարիլ հիդրոլազի (CH4) կողմից՝ առաջացնելով 1-նաֆթոլ, մեթիլամին և ածխաթթու գազ: Այնուհետև 1-նաֆթոլը 1-նաֆթոլ հիդրօքսիլազի (1-NH) միջոցով վերածվում է 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալինի, որը հետագայում նյութափոխանակվում է կենտրոնական ածխածնային ուղով՝ սալիցիլատի և գենտիզատի միջոցով: Որոշ կարբարիլ քայքայող մանրէներ, ըստ հաղորդումների, այն նյութափոխանակում են սալիցիլաթթվի՝ կատեխոլային օրթո օղակի խզման միջոցով (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991): Հատկանշական է, որ նավթալին քայքայող մանրէները հիմնականում նյութափոխանակում են սալիցիլաթթուն կատեխոլի միջոցով, մինչդեռ կարբարիլ քայքայող մանրէները նախընտրում են սալիցիլաթթուն նյութափոխանակել գենտիզատի ուղով:
Նավթալինսուլֆոնաթթուն/դիսուլֆոնաթթուն և նավթիլամինսուլֆոնաթթվի ածանցյալները կարող են օգտագործվել որպես միջանկյալ նյութեր ազոներկերի, թրջող նյութերի, ցրող նյութերի և այլնի արտադրության մեջ: Չնայած այս միացությունները ցածր թունավորություն ունեն մարդկանց համար, ցիտոտոքսիկության գնահատումները ցույց են տվել, որ դրանք մահացու են ձկների, դաֆնիայի և ջրիմուռների համար (Greim et al., 1994): Pseudomonas ցեղի ներկայացուցիչները (շտամներ A3, C22) հաղորդվել են, որ նյութափոխանակությունը սկսում են սուլֆոնաթթվային խումբ պարունակող արոմատիկ օղակի կրկնակի հիդրօքսիլացման միջոցով՝ առաջացնելով դիհիդրոդիոլ, որը հետագայում վերածվում է 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալինի՝ սուլֆիտային խմբի ինքնաբուխ տրոհման միջոցով (Brilon et al., 1981): Արդյունքում ստացված 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալինը կատաբոլիզացվում է դասական նավթալինային ուղով, այսինքն՝ կատեխոլ կամ գենտիզատ ուղով (Նկար 4): Ապացուցված է, որ ամինոնաֆթալինսուլֆոնաթթուն և հիդրօքսինաֆթալինսուլֆոնաթթուն կարող են լիովին քայքայվել խառը բակտերիալ կոնսորցիումների կողմից՝ լրացուցիչ կատաբոլիկ ուղիներով (Nortemann et al., 1986): Ապացուցված է, որ կոնսորցիումի մեկ անդամ ծծմբազերծում է ամինոնաֆթալինսուլֆոնաթթուն կամ հիդրօքսինաֆթալինսուլֆոնաթթուն 1,2-դիօքսիգենացման միջոցով, մինչդեռ ամինոսալիցիլատը կամ հիդրօքսիսալիցիլատը արտազատվում է կուլտուրայի միջավայր՝ որպես փակուղի մտնող մետաբոլիտ, և հետագայում կլանվում է կոնսորցիումի մյուս անդամների կողմից: Նաֆթալինդիսուլֆոնաթթուն համեմատաբար բևեռային է, բայց վատ կենսաքայքայվող է և, հետևաբար, կարող է նյութափոխանակվել տարբեր ուղիներով: Առաջին ծծմբազերծումը տեղի է ունենում արոմատիկ օղակի և սուլֆոնաթթվային խմբի ռեգիոսելեկտիվ դիհիդրօքսիլացման ժամանակ։ Երկրորդ ծծմբազերծումը տեղի է ունենում 5-սուլֆոսալիցիլաթթվի հիդրօքսիլացման ընթացքում սալիցիլաթթվի 5-հիդրօքսիլազի կողմից՝ առաջացնելով գենտիսիկ թթու, որը մտնում է կենտրոնական ածխածնային ուղի (Brilon et al., 1981) (Նկար 4): Նաֆթալինի քայքայման համար պատասխանատու ֆերմենտները պատասխանատու են նաև նավթալին սուլֆոնատի նյութափոխանակության համար (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006):
Նկար 4. Նավթալին սուլֆոնատի քայքայման նյութափոխանակության ուղիները: Շրջանակների ներսում թվերը ներկայացնում են նաֆթիլ սուլֆոնատի նյութափոխանակության համար պատասխանատու ֆերմենտները, որոնք նման են/նույնական են ՆԿ. 3-ում նկարագրված ֆերմենտներին:
Ցածր մոլեկուլային զանգվածով ՊՄՀ-ները (ՑՄՔ-ՊՄՀ) վերականգնվող, հիդրոֆոբ և վատ լուծելի են, ուստի ենթակա չեն բնական քայքայման/քայքայման: Այնուամենայնիվ, աէրոբ միկրոօրգանիզմները կարող են օքսիդացնել դրանք՝ կլանելով մոլեկուլային թթվածին (O2): Այս ֆերմենտները հիմնականում պատկանում են օքսիդոռեդուկտազների դասին և կարող են իրականացնել տարբեր ռեակցիաներ, ինչպիսիք են՝ արոմատիկ օղակի հիդրօքսիլացումը (մոնո- կամ դիհիդրօքսիլացում), դեհիդրոգենացումը և արոմատիկ օղակի քայքայումը: Այս ռեակցիաներից ստացված արգասիքները գտնվում են ավելի բարձր օքսիդացման վիճակում և ավելի հեշտությամբ նյութափոխանակվում են կենտրոնական ածխածնային ուղու միջոցով (Phale et al., 2020): Քայքայման ուղու ֆերմենտները, ինչպես հաղորդվել է, ինդուկցվող են: Այս ֆերմենտների ակտիվությունը շատ ցածր է կամ աննշան, երբ բջիջները աճեցվում են պարզ ածխածնային աղբյուրների վրա, ինչպիսիք են գլյուկոզան կամ օրգանական թթուները: Աղյուսակ 3-ում ամփոփված են նավթալինի և դրա ածանցյալների նյութափոխանակության մեջ ներգրավված տարբեր ֆերմենտները (օքսիգենազներ, հիդրոլազներ, դեհիդրոգենազներ, օքսիդազներ և այլն):
Աղյուսակ 3. Նաֆթալինի և դրա ածանցյալների քայքայման համար պատասխանատու ֆերմենտների կենսաքիմիական բնութագրերը։
Ռադիոիզոտոպային ուսումնասիրությունները (18O2) ցույց են տվել, որ մոլեկուլային O2-ի ներառումը արոմատիկ օղակների մեջ օքսիգենազների կողմից ամենակարևոր քայլն է միացության հետագա կենսաքայքայման ակտիվացման գործում (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955): Մոլեկուլային թթվածնից (O2) մեկ թթվածնի ատոմի (O) ներառումը սուբստրատի մեջ սկսվում է կամ էնդոգեն, կամ էկզոգեն մոնոօքսիգենազներով (նաև կոչվում են հիդրօքսիլազներ): Մեկ այլ թթվածնի ատոմը վերականգնվում է մինչև ջուր: Էկզոգեն մոնոօքսիգենազները վերականգնում են ֆլավինը NADH-ով կամ NADPH-ով, մինչդեռ էնդոմոնոօքսիգենազներում ֆլավինը վերականգնվում է սուբստրատի կողմից: Հիդրօքսիլացման դիրքը հանգեցնում է արտադրանքի առաջացման բազմազանության: Օրինակ, սալիցիլատ 1-հիդրօքսիլազը հիդրօքսիլացնում է սալիցիլաթթուն C1 դիրքում՝ առաջացնելով կատեխոլ: Մյուս կողմից, բազմաբաղադրիչ սալիցիլատ 5-հիդրօքսիլազը (որը պարունակում է ռեդուկտազ, ֆերեդօքսին և օքսիգենազային ենթամիավորներ) հիդրօքսիլացնում է սալիցիլաթթուն C5 դիրքում՝ առաջացնելով գենտիսիկ թթու (Յամամոտո և այլք, 1965):
Դիօքսիգենազները հիմքի մեջ ներառում են երկու O2 ատոմ: Կախված առաջացած արգասիքներից՝ դրանք բաժանվում են օղակի հիդրօքսիլացնող դիօքսիգենազների և օղակի կտրող դիօքսիգենազների: Օղակի հիդրօքսիլացնող դիօքսիգենազները արոմատիկ հիմքերը վերածում են ցիս-դիհիդրոդիոլների (օրինակ՝ նավթալին) և լայնորեն տարածված են մանրէների շրջանում: Մինչ օրս ցույց է տրվել, որ օղակի հիդրօքսիլացնող դիօքսիգենազներ պարունակող օրգանիզմները կարող են աճել տարբեր արոմատիկ ածխածնի աղբյուրների վրա, և այդ ֆերմենտները դասակարգվում են որպես NDO (նաֆթալին), տոլուոլ դիօքսիգենազ (TDO, տոլուոլ) և բիֆենիլ դիօքսիգենազ (BPDO, բիֆենիլ): Ե՛վ NDO-ն, և՛ BPDO-ն կարող են կատալիզացնել տարբեր պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինների (տոլուոլ, նիտրոտոլուոլ, քսիլեն, էթիլբենզոլ, նավթալին, բիֆենիլ, ֆլուորեն, ինդոլ, մեթիլենաֆթալին, նավթալինսուլֆոնատ, ֆենանտրեն, անտրացեն, ացետոֆենոն և այլն) կրկնակի օքսիդացումը և կողմնային շղթայի հիդրօքսիլացումը (Boyd and Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020): NDO-ն բազմաբաղադրիչ համակարգ է, որը բաղկացած է օքսիդոռեդուկտազից, ֆեռեդոքսինից և ակտիվ կենտրոն պարունակող օքսիգենազային բաղադրիչից (Gibson and Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996): NDO-ի կատալիտիկ միավորը բաղկացած է մեծ α ենթամիավորից և փոքր β ենթամիավորից, որոնք դասավորված են α3β3 կոնֆիգուրացիայով: NDO-ն պատկանում է օքսիգենազների մեծ ընտանիքի, և դրա α-ենթամիավորը պարունակում է Ռիսկեի տեղամաս [2Fe-2S] և մոնոնուկլեար ոչ հեմային երկաթ, որը որոշում է NDO-ի սուբստրատի յուրահատկությունը (Parales et al., 1998): Սովորաբար, մեկ կատալիտիկ ցիկլում պիրիդին նուկլեոտիդի վերականգնումից երկու էլեկտրոն փոխանցվում են ակտիվ կենտրոնում գտնվող Fe(II) իոնին՝ ռեդուկտազի, ֆերեդոքսինի և Ռիսկեի տեղամասի միջոցով: Վերականգնող համարժեքները ակտիվացնում են մոլեկուլային թթվածինը, որը սուբստրատի դիհիդրօքսիլացման նախապայման է (Ferraro et al., 2005): Մինչ օրս միայն մի քանի NDO-ներ են մաքրվել և մանրամասն բնութագրվել տարբեր շտամներից, և նավթալինի քայքայման մեջ ներգրավված ուղիների գենետիկական վերահսկողությունը մանրամասն ուսումնասիրվել է (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003): Օղակ կտրող դիօքսիգենազները (էնդո- կամ օրթո-օղակ կտրող ֆերմենտներ և էկզոդիոլ- կամ մետա-օղակ կտրող ֆերմենտներ) ազդում են հիդրօքսիլացված արոմատիկ միացությունների վրա: Օրինակ, օրթո-օղակ կտրող դիօքսիգենազը կատեխոլ-1,2-դիօքսիգենազն է, մինչդեռ մետա-օղակ կտրող դիօքսիգենազը կատեխոլ-2,3-դիօքսիգենազն է (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968): Տարբեր օքսիգենազներից բացի, կան նաև տարբեր դեհիդրոգենազներ, որոնք պատասխանատու են արոմատիկ դիհիդրոդիոլների, սպիրտների և ալդեհիդների դեհիդրոգենացման համար և օգտագործում են NAD+/NADP+ որպես էլեկտրոնային ակցեպտորներ, որոնք նյութափոխանակության մեջ ներգրավված կարևոր ֆերմենտներից են (Gibson and Subramanian, 1984; Shaw and Harayama, 1990; Fahle et al., 2020):
Հիդրոլազների (էսթերազներ, ամիդազներ) նման ֆերմենտները ֆերմենտների երկրորդ կարևոր դասն են, որոնք օգտագործում են ջուր՝ կովալենտային կապերը կտրելու և լայն սուբստրատի յուրահատկություն ցուցաբերելու համար: Կարբարիլ հիդրոլազը և այլ հիդրոլազները համարվում են գրամ-բացասական մանրէների անդամների պերիպլազմայի (տրանսմեմբրանային) բաղադրիչներ (Կամինի և այլք, 2018): Կարբարիլն ունի և՛ ամիդային, և՛ էսթերային կապ. հետևաբար, այն կարող է հիդրոլիզվել էսթերազի կամ ամիդազի միջոցով՝ առաջացնելով 1-նաֆթոլ: Rhizobium rhizobium AC10023 շտամի և Arthrobacter RC100 շտամի կարբարիլը, ինչպես հաղորդվել է, գործում է համապատասխանաբար որպես էսթերազ և ամիդազ: Arthrobacter RC100 շտամի կարբարիլը նաև գործում է որպես ամիդազ: RC100-ը, ինչպես ցույց է տրվել, հիդրոլիզացնում է չորս N-մեթիլկարբամատ դասի միջատասպաններ, ինչպիսիք են կարբարիլը, մեթոմիլը, մեֆենամաթթուն և XMC-ն (Հայաացու և այլք, 2001): Հաղորդվել է, որ Pseudomonas sp. C5pp-ում առկա CH-ն կարող է ազդել կարբարիլի (100% ակտիվություն) և 1-նաֆթիլացետատի (36% ակտիվություն) վրա, բայց ոչ 1-նաֆթիլացետամիդի վրա, ինչը ցույց է տալիս, որ այն էսթերազ է (Trivedi et al., 2016):
Կենսաքիմիական ուսումնասիրությունները, ֆերմենտային կարգավորման օրինաչափությունները և գենետիկական վերլուծությունը ցույց են տվել, որ նավթալինի քայքայման գեները բաղկացած են երկու ինդուկտիվ կարգավորող միավորներից կամ «օպերոններից». nah («վերև հոսանքի ուղի», որը նավթալինը վերածում է սալիցիլաթթվի) և sal («վերև հոսանքի ուղի», որը սալիցիլաթթուն վերածում է կենտրոնական ածխածնային ուղու՝ կատեխոլի միջոցով): Սալիցիլաթթուն և դրա անալոգները կարող են հանդես գալ որպես ինդուկտորներ (Shamsuzzaman and Barnsley, 1974): Գլյուկոզի կամ օրգանական թթուների առկայության դեպքում օպերոնը ճնշվում է: Նկար 5-ը ցույց է տալիս նավթալինի քայքայման ամբողջական գենետիկ կազմակերպումը (օպերոնի տեսքով): Նկարագրվել են nah գենի մի քանի անվանական տարբերակներ/ձևեր (ndo/pah/dox) և պարզվել է, որ ունեն բարձր հաջորդականության համանմանություն (90%) բոլոր Pseudomonas տեսակների շրջանում (Abbasian et al., 2016): Նավթալինի վերև հոսանքի ուղու գեները, ընդհանուր առմամբ, դասավորված են համաձայնեցված կարգով, ինչպես ցույց է տրված նկար 5A-ում: Մեկ այլ գեն՝ nahQ-ն, նույնպես հաղորդվել է, որ մասնակցում է նավթալինի նյութափոխանակությանը և սովորաբար գտնվում է nahC-ի և nahE-ի միջև, սակայն դրա իրական գործառույթը դեռևս պարզված չէ: Նմանապես, նավթալինի նկատմամբ զգայուն քեմոտաքսիսի համար պատասխանատու nahY գենը որոշ անդամների մոտ հայտնաբերվել է nah օպերոնի դիստալ ծայրում: Ralstonia sp.-ի մոտ գլուտատիոն S-տրանսֆերազը (gsh) կոդավորող U2 գենը հայտնաբերվել է nahAa-ի և nahAb-ի միջև, բայց չի ազդել նավթալինի օգտագործման բնութագրերի վրա (Zylstra et al., 1997):
Նկար 5. Բակտերիալ տեսակների շրջանում նավթալինի քայքայման ընթացքում դիտարկվող գենետիկական կազմակերպումը և բազմազանությունը. (A) Վերին նավթալինային ուղի, նավթալինի նյութափոխանակությունը դեպի սալիցիլաթթվային. (B) Ստորին նավթալինային ուղի, սալիցիլաթթու՝ կատեխոլի միջոցով դեպի կենտրոնական ածխածնային ուղի. (C) սալիցիլաթթու՝ գենտիզատի միջոցով դեպի կենտրոնական ածխածնային ուղի։
«Ստորին ուղին» (sal օպերոն) սովորաբար բաղկացած է nahGTHINLMOKJ-ից և սալիցիլատը վերածում է պիրուվատի և ացետալդեհիդի՝ կատեխոլ մետարային քայքայման ուղու միջոցով: Պարզվել է, որ nahG գենը (կոդավորում է սալիցիլատ հիդրօքսիլազը) պահպանված է օպերոնի պրոքսիմալ ծայրում (Նկար 5Բ): Համեմատած այլ նավթալին քայքայող շտամների հետ, P. putida CSV86-ում nah և sal օպերոնները տանդեմ են և շատ սերտորեն կապված են (մոտ 7.5 կբ): Որոշ գրամ-բացասական մանրէների մոտ, ինչպիսիք են Ralstonia sp. U2-ը, Polaromonas naphthalenivorans CJ2-ը և P. putida AK5-ը, նավթալինը նյութափոխանակվում է որպես կենտրոնական ածխածնային մետաբոլիտ՝ gentisate ուղու միջոցով (sgp/nag օպերոնի տեսքով): Գեների կասետը սովորաբար ներկայացված է nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI ձևով, որտեղ nagR-ը (կոդավորելով LysR տիպի կարգավորիչ) գտնվում է վերին ծայրում (Նկար 5C):
Կարբարիլը կենտրոնական ածխածնային ցիկլ է մտնում 1-նաֆթոլի, 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալինի, սալիցիլաթթվի և գենտիզինաթթվի նյութափոխանակության միջոցով (Նկար 3): Գենետիկական և նյութափոխանակության ուսումնասիրությունների հիման վրա առաջարկվել է այս ուղին բաժանել «վերև հոսանքի» (կարբարիլի փոխակերպումը սալիցիլաթթվի), «միջին հոսանքի» (սալիցիլաթթվի փոխակերպումը գենտիզինաթթվի) և «ներքևի հոսանքի» (գենտիզինաթթվի փոխակերպումը կենտրոնական ածխածնային ուղու միջանկյալ նյութերի) (Singh et al., 2013): C5pp-ի (supercontig A, 76.3 կբ) գենոմային վերլուծությունը ցույց է տվել, որ mcbACBDEF գենը մասնակցում է կարբարիլի սալիցիլաթթվի փոխակերպմանը, որին հաջորդում է mcbIJKL գենը՝ սալիցիլաթթվի գենտիզինաթթվի փոխակերպման մեջ, իսկ mcbOQP-ն՝ գենտիզինաթթվի կենտրոնական ածխածնային միջանկյալ նյութերի (ֆումարատ և պիրուվատ, Trivedi et al., 2016) փոխակերպմանը (Նկար 6):
Հաղորդվել է, որ արոմատիկ ածխաջրածինների (ներառյալ նավթալինը և սալիցիլաթթուն) քայքայմանը մասնակցող ֆերմենտները կարող են ինդուկցվել համապատասխան միացություններով և արգելակվել պարզ ածխածնի աղբյուրներով, ինչպիսիք են գլյուկոզը կամ օրգանական թթուները (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020): Նաֆթալինի և դրա ածանցյալների տարբեր նյութափոխանակության ուղիների շարքում նավթալինի և կարբարիլի կարգավորիչ առանձնահատկությունները որոշ չափով ուսումնասիրվել են: Նաֆթալինի դեպքում, ինչպես վերև, այնպես էլ ներքևի ուղիների գեները կարգավորվում են NahR-ով, որը LysR տիպի տրանս-գործող դրական կարգավորիչ է: Այն անհրաժեշտ է nah գենի սալիցիլաթթվի կողմից ինդուկցիայի և դրա հետագա բարձր մակարդակի արտահայտման համար (Yen and Gunsalus, 1982): Ավելին, ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ ինտեգրատիվ հյուրընկալող գործոնը (IHF) և XylR-ը (sigma 54-կախյալ տրանսկրիպցիոն կարգավորիչ) նույնպես կարևոր են նավթալինի նյութափոխանակության մեջ գեների տրանսկրիպցիոն ակտիվացման համար (Ramos et al., 1997): Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ կատեխոլային մետա-օղակի բացման ուղու ֆերմենտները, մասնավորապես՝ կատեխոլ 2,3-դիօքսիգենազը, ինդուկցվում են նավթալինի և/կամ սալիցիլաթթվի առկայությամբ (Basu et al., 2006): Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ կատեխոլային օրթո-օղակի բացման ուղու ֆերմենտները, մասնավորապես՝ կատեխոլ 1,2-դիօքսիգենազը, ինդուկցվում են բենզոյաթթվի և ցիս,ցիս-մուկոնատի առկայությամբ (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001):
C5pp շտամում հինգ գեներ՝ mcbG, mcbH, mcbN, mcbR և mcbS, կոդավորում են կարգավորիչներ, որոնք պատկանում են LysR/TetR տրանսկրիպցիոն կարգավորիչների ընտանիքին, որոնք պատասխանատու են կարբարիլների քայքայման վերահսկման համար: Պարզվել է, որ հոմոլոգ mcbG գենը ամենամոտն է Burkholderia RP00725-ում ֆենանտրենի նյութափոխանակությանը մասնակցող LysR տիպի կարգավորիչ PhnS-ին (58% ամինաթթվային նույնականություն) (Trivedi et al., 2016): Պարզվել է, որ mcbH գենը մասնակցում է միջանկյալ ուղուն (սալիցիլաթթվի փոխակերպումը գենտիզինաթթվի) և պատկանում է Pseudomonas-ում և Burkholderia-ում LysR տիպի տրանսկրիպցիոն կարգավորիչ NagR/DntR/NahR-ին: Հաղորդվել է, որ այս ընտանիքի անդամները ճանաչում են սալիցիլաթթուն որպես քայքայման գեների ինդուկցիայի համար նախատեսված յուրահատուկ էֆեկտոր մոլեկուլ: Մյուս կողմից, հոսանքն ի վար գտնվող ուղում (գենտիսատ-կենտրոնական ածխածնային ուղու մետաբոլիտներ) նույնականացվել են երեք գեներ՝ mcbN, mcbR և mcbS, որոնք պատկանում են LysR և TetR տիպի տրանսկրիպցիոն կարգավորիչներին։
Պրոկարիոտներում հորիզոնական գեների փոխանցման գործընթացները (ձեռքբերում, փոխանակում կամ փոխանցում) պլազմիդների, տրանսպոզոնների, պրոֆագերի, գենոմային կղզիների և ինտեգրատիվ կոնյուգատիվ տարրերի (ICE) միջոցով բակտերիալ գենոմների պլաստիկության հիմնական պատճառներն են, որոնք հանգեցնում են որոշակի գործառույթների/հատկանիշների ձեռքբերմանը կամ կորստին: Այն թույլ է տալիս բակտերիաներին արագորեն հարմարվել տարբեր շրջակա միջավայրի պայմաններին, ապահովելով տիրոջ համար հարմարվողական նյութափոխանակության պոտենցիալ առավելություններ, ինչպիսիք են արոմատիկ միացությունների քայքայումը: Նյութափոխանակության փոփոխությունները հաճախ իրականացվում են քայքայման օպերոնների, դրանց կարգավորող մեխանիզմների և ֆերմենտային յուրահատկությունների նուրբ կարգավորման միջոցով, ինչը նպաստում է արոմատիկ միացությունների ավելի լայն շրջանակի քայքայմանը (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020): Նաֆթալինի քայքայման գեների կասետները հայտնաբերվել են տարբեր շարժական տարրերի վրա, ինչպիսիք են պլազմիդները (կոնյուգատիվ և ոչ կոնյուգատիվ), տրանսպոզոնները, գենոմները, ICE-ները և տարբեր բակտերիալ տեսակների համակցությունները (Նկար 5): Pseudomonas G7-ում NAH7 պլազմիդի nah և sal օպերոնները տրանսկրիպցվում են նույն կողմնորոշմամբ և կազմում են դեֆեկտիվ տրանսպոզոնի մաս, որի մոբիլիզացիայի համար անհրաժեշտ է Tn4653 տրանսպոզազը (Sota et al., 2006): Pseudomonas NCIB9816-4 շտամի դեպքում գենը հայտնաբերվել է pDTG1 կոնյուգատիվ պլազմիդի վրա՝ որպես երկու օպերոն (մոտավորապես 15 կբ հեռավորության վրա), որոնք տրանսկրիպցվել են հակառակ ուղղություններով (Dennis and Zylstra, 2004): Pseudomonas putida շտամի AK5-ում ոչ կոնյուգատիվ pAK5 պլազմիդը կոդավորում է նավթալինի քայքայման համար պատասխանատու ֆերմենտը՝ գենտիսատային ուղով (Izmalkova et al., 2013): Pseudomonas PMD-1 շտամի դեպքում nah օպերոնը գտնվում է քրոմոսոմի վրա, մինչդեռ sal օպերոնը՝ pMWD-1 կոնյուգատիվ պլազմիդի վրա (Zuniga et al., 1981): Սակայն, Pseudomonas stutzeri AN10-ում նավթալինի քայքայման բոլոր գեները (nah և sal օպերոնները) տեղակայված են քրոմոսոմի վրա և ենթադրաբար հավաքագրվում են տրանսպոզիցիայի, ռեկոմբինացիայի և վերադասավորման իրադարձությունների միջոցով (Bosch et al., 2000): Pseudomonas sp. CSV86-ում nah և sal օպերոնները տեղակայված են գենոմում՝ ICE-ի տեսքով (ICECSV86): Կառուցվածքը պաշտպանված է tRNAGly-ով, որին հաջորդում են ուղիղ կրկնություններ, որոնք ցույց են տալիս ռեկոմբինացիայի/կցման տեղամասեր (attR և attL) և tRNAGly-ի երկու ծայրերում տեղակայված ֆագանման ինտեգրազ, այդպիսով կառուցվածքային առումով նման է ICEclc տարրին (ICEclcB13 Pseudomonas knackmusii-ում՝ քլորկատեխոլի քայքայման համար): Հաղորդվել է, որ ICE-ի վրա գեները կարող են փոխանցվել կոնյուգացիայի միջոցով՝ չափազանց ցածր փոխանցման հաճախականությամբ (10-8), այդպիսով քայքայման հատկությունները փոխանցելով ընդունողին (Basu and Phale, 2008; Phale et al., 2019):
Կարբարիլի քայքայման համար պատասխանատու գեների մեծ մասը գտնվում է պլազմիդների վրա: Arthrobacter sp. RC100-ը պարունակում է երեք պլազմիդ (pRC1, pRC2 և pRC300), որոնցից երկու կոնյուգատիվ պլազմիդներ՝ pRC1-ը և pRC2-ը, կոդավորում են այն ֆերմենտները, որոնք կարբարիլը փոխակերպում են գենտիզատի: Մյուս կողմից, գենտիզատի կենտրոնական ածխածնային մետաբոլիտների փոխակերպմանը մասնակցող ֆերմենտները գտնվում են քրոմոսոմի վրա (Hayaatsu et al., 1999): Rhizobium ցեղի մանրէներ: Կարբարիլը 1-նաֆթոլի փոխակերպման համար օգտագործվող AC100 շտամը պարունակում է pAC200 պլազմիդ, որը կրում է CH-ն կոդավորող cehA գենը՝ որպես Tnceh տրանսպոզոնի մի մաս, որը շրջապատված է ներդրման տարրանման հաջորդականություններով (istA և istB) (Hashimoto et al., 2002): Sphingomonas CF06 շտամում կարբարիլ քայքայման գենը, ենթադրաբար, առկա է հինգ պլազմիդներում՝ pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 և pCF05: Այս պլազմիդների ԴՆԹ-ի հոմոլոգությունը բարձր է, ինչը վկայում է գեների կրկնօրինակման իրադարձության գոյության մասին (Feng et al., 1997): Երկու Pseudomonas տեսակներից կազմված կարբարիլ քայքայող սիմբիոնտում 50581 շտամը պարունակում է pCD1 կոնյուգատիվ պլազմիդ (50 կբ), որը կոդավորում է mcd կարբարիլ հիդրոլազի գենը, մինչդեռ 50552 շտամում կոնյուգատիվ պլազմիդը կոդավորում է 1-նաֆթոլ քայքայող ֆերմենտ (Chapalamadugu and Chaudhry, 1991): Achromobacter WM111 շտամում mcd ֆուրադան հիդրոլազի գենը գտնվում է 100 կբ պլազմիդի վրա (pPDL11): Այս գենը, ինչպես ցույց է տրվել, առկա է տարբեր պլազմիդների վրա (100, 105, 115 կամ 124 կբ) տարբեր աշխարհագրական շրջանների տարբեր մանրէներում (Parekh et al., 1995): Pseudomonas sp. C5pp-ի մոտ կարբարիլ քայքայման համար պատասխանատու բոլոր գեները տեղակայված են 76.3 կբ հաջորդականություն ունեցող գենոմում (Trivedi et al., 2016): Գենոմի վերլուծությունը (6.15 Mb) բացահայտել է 42 MGE-ների և 36 GEI-ների առկայություն, որոնցից 17 MGE-ները տեղակայված էին A սուպերկոնտիգում (76.3 կբ)՝ միջին ասիմետրիկ G+C պարունակությամբ (54–60 մոլ%), ինչը ենթադրում է գեների հորիզոնական փոխանցման հնարավոր դեպքեր (Trivedi et al., 2016): P. putida XWY-1-ը ցուցադրում է կարբարիլ քայքայող գեների նմանատիպ դասավորություն, բայց այս գեները տեղակայված են պլազմիդի վրա (Zhu et al., 2019):
Բացի կենսաքիմիական և գենոմային մակարդակներում նյութափոխանակության արդյունավետությունից, միկրոօրգանիզմները ցուցաբերում են նաև այլ հատկություններ կամ արձագանքներ, ինչպիսիք են քեմոտաքսիսը, բջջային մակերեսի փոփոխման հատկությունները, կոմպարտմենտալացումը, նախընտրելի օգտագործումը, կենսամակերևութային ակտիվ նյութերի արտադրությունը և այլն, որոնք օգնում են նրանց ավելի արդյունավետ նյութափոխանակել արոմատիկ աղտոտիչները աղտոտված միջավայրերում (Նկար 7):
Նկար 7. Օտարերկրյա աղտոտող միացությունների արդյունավետ կենսաքայքայման համար իդեալական արոմատիկ ածխաջրածին քայքայող բակտերիաների տարբեր բջջային արձագանքման ռազմավարություններ:
Քիմիոտակտիկ ռեակցիաները համարվում են օրգանական աղտոտիչների քայքայումը խթանող գործոններ տարասեռ աղտոտված էկոհամակարգերում: (2002) ցույց տվեց, որ Pseudomonas sp. G7-ի նավթալինի նկատմամբ քեմոտաքսիսը մեծացնում է նավթալինի քայքայման արագությունը ջրային համակարգերում: Վայրի տիպի G7 շտամը նավթալինը քայքայել է շատ ավելի արագ, քան քեմոտաքսիսի պակաս ունեցող մուտանտ շտամը: Պարզվել է, որ NahY սպիտակուցը (538 ամինաթթուներ թաղանթային տոպոլոգիայով) համատեղ տրանսկրիպցիայի է ենթարկվում NAH7 պլազմիդի մետաքսիլավաժի ուղու գեների հետ, և ինչպես քեմոտաքսիս տրանսդյուցորները, այս սպիտակուցը, կարծես, գործում է որպես նավթալինի քայքայման քեմոռեցեպտոր (Grimm and Harwood 1997): Հանսելի և այլոց կողմից (2009) կատարված մեկ այլ ուսումնասիրություն ցույց տվեց, որ սպիտակուցը քեմոտակտիկ է, բայց դրա քայքայման արագությունը բարձր է: (2011) ցույց տվեց Pseudomonas (P. putida)-ի քեմոտակտիկ արձագանքը գազային նավթալինի նկատմամբ, որտեղ գազային փուլի դիֆուզիան հանգեցնում է նավթալինի կայուն հոսքի դեպի բջիջներ, որը վերահսկում է բջիջների քեմոտակտիկ արձագանքը: Հետազոտողները օգտագործել են այս քեմոտակտիկ վարքագիծը՝ մանրէներ ստեղծելու համար, որոնք կբարձրացնեն քայքայման արագությունը: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ քեմոտաքսիկ ուղիները կարգավորում են նաև այլ բջջային գործառույթներ, ինչպիսիք են բջջային բաժանումը, բջջային ցիկլի կարգավորումը և կենսաթաղանթի առաջացումը, դրանով իսկ օգնելով վերահսկել քայքայման արագությունը: Այնուամենայնիվ, այս հատկության օգտագործումը (քեմոտաքսիս) արդյունավետ քայքայման համար խոչընդոտվում է մի քանի խոչընդոտներով: Հիմնական խոչընդոտներն են՝ (ա) տարբեր պարալոգ ընկալիչները ճանաչում են նույն միացությունները/լիգանդները. (բ) այլընտրանքային ընկալիչների գոյությունը, այսինքն՝ էներգետիկ տրոպիզմը. (գ) նույն ընկալիչների ընտանիքի զգայական տիրույթներում նշանակալի հաջորդականության տարբերություններ. և (դ) հիմնական բակտերիալ սենսորային սպիտակուցների վերաբերյալ տեղեկատվության պակասը (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018): Երբեմն, արոմատիկ ածխաջրածինների կենսաքայքայումը առաջացնում է բազմաթիվ մետաբոլիտներ/միջանկյալ նյութեր, որոնք կարող են քեմոտակտիկ լինել մանրէների մեկ խմբի համար, բայց վանող՝ մյուսների համար, ինչը էլ ավելի է բարդացնում գործընթացը։ Լիգանդների (արոմատիկ ածխաջրածիններ) և քիմիական ընկալիչների փոխազդեցությունները բացահայտելու համար մենք կառուցել ենք հիբրիդային սենսորային սպիտակուցներ (PcaY, McfR և NahY)՝ միաձուլելով Pseudomonas putida-ի և Escherichia coli-ի սենսորային և ազդանշանային տիրույթները, որոնք համապատասխանաբար թիրախավորում են արոմատիկ թթուների, TCA միջանկյալ նյութերի և նավթալինի ընկալիչները (Luu et al., 2019):
Նաֆթալինի և այլ պոլիցիկլիկ արոմատիկ ածխաջրածինների (ՊԱԱ) ազդեցության տակ բակտերիալ թաղանթի կառուցվածքը և միկրոօրգանիզմների ամբողջականությունը ենթարկվում են զգալի փոփոխությունների: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ նավթալինը խանգարում է ացիլային շղթայի փոխազդեցությանը հիդրոֆոբ փոխազդեցությունների միջոցով, դրանով իսկ մեծացնելով թաղանթի այտուցվածությունը և հեղուկությունը (Sikkema et al., 1995): Այս վնասակար ազդեցությանը հակազդելու համար բակտերիաները կարգավորում են թաղանթի հեղուկությունը՝ փոխելով իզո/անտեյզո ճյուղավորված շղթայով ճարպաթթուների միջև հարաբերակցությունը և ճարպաթթուների կազմը և իզոմերացնելով ցիս-չհագեցած ճարպաթթուները համապատասխան տրանս-իզոմերների (Heipieper and de Bont, 1994): Նաֆթալինային մշակմամբ աճեցված Pseudomonas stutzeri-ի դեպքում հագեցած և չհագեցած ճարպաթթուների հարաբերակցությունը 1.1-ից աճել է մինչև 2.1, մինչդեռ Pseudomonas JS150-ի դեպքում այս հարաբերակցությունը 7.5-ից աճել է մինչև 12.0 (Mrozik et al., 2004): Նավթալինի վրա աճեցնելիս Achromobacter KAs 3-5 բջիջները ցուցաբերել են բջջային ագրեգացիա նավթալինի բյուրեղների շուրջ և բջջային մակերեսային լիցքի նվազում (-22.5-ից մինչև -2.5 մՎ), որը ուղեկցվել է ցիտոպլազմային խտացմամբ և վակուոլիզացիայով, ինչը վկայում է բջջային կառուցվածքի և բջջային մակերեսային հատկությունների փոփոխությունների մասին (Mohapatra et al., 2019): Չնայած բջջային/մակերեսային փոփոխությունները ուղղակիորեն կապված են արոմատիկ աղտոտիչների ավելի լավ կլանման հետ, համապատասխան կենսաինժեներական ռազմավարությունները լիովին օպտիմալացված չեն: Բջջի ձևի մանիպուլյացիան հազվադեպ է օգտագործվել կենսաբանական գործընթացները օպտիմալացնելու համար (Volke and Nikel, 2018): Բջջային բաժանմանը ազդող գեների ջնջումը առաջացնում է բջջային ձևաբանության փոփոխություններ: Բջջային բաժանմանը ազդող գեների ջնջումը առաջացնում է բջջային ձևաբանության փոփոխություններ: Bacillus subtilis-ում ցույց է տրվել, որ բջջային միջնապատի սպիտակուց SepF-ը մասնակցում է միջնապատի ձևավորմանը և անհրաժեշտ է բջջային բաժանման հետագա փուլերի համար, բայց այն էական գեն չէ: Bacillus subtilis-ում պեպտիդ գլիկան հիդրոլազները կոդավորող գեների դելեցիան հանգեցրել է բջիջների երկարացմանը, աճի տեսակարար արագության ավելացմանը և ֆերմենտների արտադրության կարողության բարելավմանը (Cui et al., 2018):
Pseudomonas C5pp և C7 շտամների արդյունավետ քայքայման հասնելու համար առաջարկվել է կարբարիլային քայքայման ուղու բաժանարար բաժանում (Kamini et al., 2018): Առաջարկվում է, որ կարբարիլը տեղափոխվում է պերիպլազմային տարածություն արտաքին թաղանթի միջնապատի և/կամ դիֆուզիոն պորինների միջոցով: CH-ն պերիպլազմային ֆերմենտ է, որը կատալիզացնում է կարբարիլի հիդրոլիզը մինչև 1-նաֆթոլ, որն ավելի կայուն է, ավելի հիդրոֆոբ և ավելի թունավոր: CH-ն տեղայնացված է պերիպլազմայում և ունի ցածր կապակցություն կարբարիլի նկատմամբ, այդպիսով վերահսկելով 1-նաֆթոլի առաջացումը, այդպիսով կանխելով դրա կուտակումը բջիջներում և նվազեցնելով դրա թունավորությունը բջիջների համար (Kamini et al., 2018): Արդյունքում ստացված 1-նաֆթոլը տեղափոխվում է ցիտոպլազմա ներքին թաղանթի միջով՝ բաժանման և/կամ դիֆուզիայի միջոցով, ապա հիդրօքսիլացվում է մինչև 1,2-դիհիդրօքսինաֆթալին՝ բարձր կապակցություն ունեցող ֆերմենտի 1NH միջոցով՝ կենտրոնական ածխածնային ուղում հետագա նյութափոխանակության համար:
Չնայած միկրոօրգանիզմներն ունեն քսենոբիոտիկ ածխածնի աղբյուրները քայքայելու գենետիկական և նյութափոխանակային կարողություններ, դրանց օգտագործման հիերարխիկ կառուցվածքը (այսինքն՝ պարզ ածխածնի աղբյուրների նախընտրելի օգտագործումը բարդի համեմատ) կենսաքայքայման հիմնական խոչընդոտն է: Պարզ ածխածնի աղբյուրների առկայությունը և օգտագործումը նվազեցնում է այն ֆերմենտները կոդավորող գեների ակտիվությունը, որոնք քայքայում են բարդ/ոչ նախընտրելի ածխածնի աղբյուրները, ինչպիսիք են պոլիմիլային ակտիվ նյութերը (PAH): Լավ ուսումնասիրված օրինակ է այն, որ երբ գլյուկոզը և լակտոզան համատեղ մատակարարվում են Escherichia coli-ին, գլյուկոզը ավելի արդյունավետ է օգտագործվում, քան լակտոզան (Jacob and Monod, 1965): Հաղորդվել է, որ Pseudomonas-ը քայքայում է մի շարք PAH-ներ և քսենոբիոտիկ միացություններ որպես ածխածնի աղբյուրներ: Pseudomonas-ի ածխածնի աղբյուրների օգտագործման հիերարխիան հետևյալն է՝ օրգանական թթուներ > գլյուկոզ > արոմատիկ միացություններ (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996): Այնուամենայնիվ, կա բացառություն: Հետաքրքիր է, որ Pseudomonas sp. CSV86-ը ցուցաբերում է եզակի հիերարխիկ կառուցվածք, որը նախընտրելիորեն օգտագործում է արոմատիկ ածխաջրածիններ (բենզոյաթթու, նավթալին և այլն)՝ գլյուկոզի փոխարեն, և համատեղ նյութափոխանակում է արոմատիկ ածխաջրածինները օրգանական թթուների հետ (Basu et al., 2006): Այս մանրէի մոտ արոմատիկ ածխաջրածինների քայքայման և տեղափոխման գեները չեն նվազում նույնիսկ երկրորդ ածխածնի աղբյուրի, ինչպիսիք են գլյուկոզը կամ օրգանական թթուները, առկայության դեպքում: Երբ աճեցվում է գլյուկոզայի և արոմատիկ ածխաջրածինների միջավայրում, նկատվել է, որ գլյուկոզայի տեղափոխման և նյութափոխանակության գեները նվազում են, արոմատիկ ածխաջրածիններն օգտագործվել են առաջին լոգարիթմական փուլում, իսկ գլյուկոզը՝ երկրորդ լոգարիթմական փուլում (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017): Մյուս կողմից, օրգանական թթուների առկայությունը չի ազդել արոմատիկ ածխաջրածինների նյութափոխանակության արտահայտման վրա, ուստի այս մանրէն, ենթադրվում է, որ կլինի կենսաքայքայման ուսումնասիրությունների թեկնածու շտամ (Phale et al., 2020):
Հայտնի է, որ ածխաջրածնային կենսատրանսֆորմացիան կարող է առաջացնել օքսիդատիվ սթրես և հակաօքսիդանտային ֆերմենտների ակտիվացում միկրոօրգանիզմներում: Նավթալինի անարդյունավետ կենսաքայքայումը ինչպես ստացիոնար փուլի բջիջներում, այնպես էլ թունավոր միացությունների առկայության դեպքում հանգեցնում է ռեակտիվ թթվածնային տեսակների (ROS) առաջացմանը (Kang et al. 2006): Քանի որ նավթալինը քայքայող ֆերմենտները պարունակում են երկաթ-ծծմբի կլաստերներ, օքսիդատիվ սթրեսի տակ հեմի և երկաթ-ծծմբի սպիտակուցների երկաթը կօքսիդանա, ինչը կհանգեցնի սպիտակուցի ինակտիվացման: Ֆերեդօքսին-NADP+ ռեդուկտազը (Fpr), սուպերօքսիդ դիսմուտազի (SOD) հետ միասին, միջնորդում է NADP+/NADPH-ի և ֆերեդօքսինի կամ ֆլավոդոքսինի երկու մոլեկուլների միջև շրջելի օքսիդա-վերականգնողական ռեակցիան, այդպիսով կլանելով ROS-ը և վերականգնելով երկաթ-ծծմբի կենտրոնը օքսիդատիվ սթրեսի տակ (Li et al. 2006): Հաղորդվել է, որ Pseudomonas-ի և՛ Fpr-ը, և՛ SodA-ն (SOD) կարող են առաջանալ օքսիդատիվ սթրեսի հետևանքով, և SOD-ի և կատալազի ակտիվության աճ է նկատվել Pseudomonas-ի չորս շտամներում (O1, W1, As1 և G1) նավթալինի ավելացման պայմաններում աճի ընթացքում (Kang et al., 2006): Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ հակաօքսիդանտների, ինչպիսիք են ասկորբինաթթուն կամ երկաթը (Fe2+), ավելացումը կարող է մեծացնել նավթալինի աճի տեմպը: Երբ Rhodococcus erythropolis-ը աճել է նավթալինային միջավայրում, օքսիդատիվ սթրեսի հետ կապված ցիտոքրոմ P450 գեների, այդ թվում՝ sodA-ի (Fe/Mn սուպերօքսիդ դիսմուտազ), sodC-ի (Cu/Zn սուպերօքսիդ դիսմուտազ) և recA-ի տրանսկրիպցիան մեծացել է (Sazykin et al., 2019): Նաֆթալինում կուլտիվացված Pseudomonas բջիջների համեմատական ​​քանակական պրոտեոմիկ վերլուծությունը ցույց է տվել, որ օքսիդատիվ սթրեսի արձագանքի հետ կապված տարբեր սպիտակուցների ակտիվացումը սթրեսի հաղթահարման ռազմավարություն է (Herbst et al., 2013):
Հաղորդվել է, որ միկրոօրգանիզմները արտադրում են կենսամակերևութային ակտիվ նյութեր հիդրոֆոբ ածխածնի աղբյուրների ազդեցության տակ: Այս մակերևութային ակտիվ նյութերը ամֆիֆիլային մակերևութային ակտիվ միացություններ են, որոնք կարող են ագրեգատներ առաջացնել յուղ-ջուր կամ օդ-ջուր միջերեսներում: Սա նպաստում է կեղծլուծելիացմանը և հեշտացնում է արոմատիկ ածխաջրածինների ադսորբցիան, ինչը հանգեցնում է արդյունավետ կենսաքայքայման (Rahman et al., 2002): Այս հատկությունների շնորհիվ կենսամակերևութային ակտիվ նյութերը լայնորեն կիրառվում են տարբեր արդյունաբերություններում: Քիմիական մակերևութային ակտիվ նյութերի կամ կենսամակերևութային ակտիվ նյութերի ավելացումը բակտերիալ կուլտուրաներին կարող է բարձրացնել ածխաջրածինների քայքայման արդյունավետությունը և արագությունը: Կենսամակերևութային ակտիվ նյութերի շարքում Pseudomonas aeruginosa-ի կողմից արտադրված ռամնոլիպիդները լայնորեն ուսումնասիրվել և բնութագրվել են (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002): Բացի այդ, կենսամակերևութային ակտիվ նյութերի այլ տեսակներից են լիպոպեպտիդները (մուցիններ Pseudomonas fluorescens-ից), էմուլգատոր 378-ը (Pseudomonas fluorescens-ից) (Rosenberg and Ron, 1999), տրեհալոզային դիսախարիդային լիպիդները Rhodococcus-ից (Ramdahl, 1985), լիխենինը Bacillus-ից (Saraswathy and Hallberg, 2002) և մակերևութային ակտիվ նյութը Bacillus subtilis-ից (Siegmund and Wagner, 1991) և Bacillus amyloliquefaciens-ից (Zhi et al., 2017): Այս հզոր մակերևութային ակտիվ նյութերը, ինչպես ցույց է տրվել, նվազեցնում են մակերեսային լարվածությունը 72 դին/սմ-ից մինչև 30 դին/սմ-ից պակաս, ինչը թույլ է տալիս ավելի լավ կլանել ածխաջրածինները: Հաղորդվել է, որ Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia և այլ մանրէային տեսակներ կարող են արտադրել տարբեր ռամնոլիպիդային և գլիկոլիպիդային կենսամակերևութային ակտիվ նյութեր, երբ աճեցվում են նավթալինային և մեթիլենային միջավայրերում (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005): Pseudomonas maltophilia CSV89-ը կարող է արտադրել արտաբջջային կենսամակերևութային ակտիվ նյութ Biosur-Pm, երբ աճեցվում է արոմատիկ միացությունների, ինչպիսին է նավթաթթուն (Phale et al., 1995): Biosur-Pm-ի առաջացման կինետիկան ցույց տվեց, որ դրա սինթեզը աճից և pH-ից կախված գործընթաց է: Պարզվել է, որ չեզոք pH-ի դեպքում բջիջների կողմից արտադրվող Biosur-Pm-ի քանակը ավելի բարձր էր, քան pH 8.5-ի դեպքում: pH 8.5-ում աճեցված բջիջները ավելի հիդրոֆոբ էին և ավելի բարձր կապ ունեին արոմատիկ և ալիֆատիկ միացությունների նկատմամբ, քան pH 7.0-ում աճեցված բջիջները: Rhodococcus spp.-ում: N6-ը, ածխածնի և ազոտի (C:N) ավելի բարձր հարաբերակցությունը և երկաթի սահմանափակումը օպտիմալ պայմաններ են արտաբջջային կենսամակերևութային ակտիվ նյութերի արտադրության համար (Mutalik et al., 2008): Փորձեր են արվել բարելավել կենսամակերևութային ակտիվ նյութերի (մակերևութային ակտիվ նյութերի) կենսասինթեզը՝ օպտիմալացնելով շտամները և խմորումը: Այնուամենայնիվ, կուլտուրայի միջավայրում մակերևութային ակտիվ նյութի տիտրը ցածր է (1.0 գ/լ), ինչը մարտահրավեր է ներկայացնում մեծածավալ արտադրության համար (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019): Հետևաբար, գենետիկական ինժեներիայի մեթոդներ են օգտագործվել դրա կենսասինթեզը բարելավելու համար: Այնուամենայնիվ, դրա ինժեներական մոդիֆիկացիան դժվար է օպերոնի մեծ չափի (∼25 կբ) և քվորումի զգայուն համակարգի բարդ կենսասինթետիկ կարգավորման պատճառով (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019): Bacillus բակտերիաների վրա իրականացվել են մի շարք գենետիկական ինժեներիայի փոփոխություններ, որոնք հիմնականում ուղղված են սուրբակտինի արտադրությունը մեծացնելուն՝ փոխարինելով պրոմոտորը (srfA օպերոն), գերարտահայտելով սուրբակտինի արտահանման սպիտակուց YerP-ն և կարգավորող ComX և PhrC գործոնները (Jiao et al., 2017): Այնուամենայնիվ, այս գենետիկական ինժեներիայի մեթոդները հասել են միայն մեկ կամ մի քանի գենետիկական փոփոխությունների և դեռևս չեն հասել առևտրային արտադրության: Հետևաբար, անհրաժեշտ է գիտելիքների վրա հիմնված օպտիմալացման մեթոդների հետագա ուսումնասիրություն:
ՊԱԿ-ների կենսաքայքայման ուսումնասիրությունները հիմնականում իրականացվում են ստանդարտ լաբորատոր պայմաններում: Այնուամենայնիվ, աղտոտված վայրերում կամ աղտոտված միջավայրերում ցույց է տրվել, որ բազմաթիվ աբիոտիկ և կենսաբանական գործոններ (ջերմաստիճան, pH, թթվածին, սննդանյութերի մատչելիություն, սուբստրատի կենսամատչելիություն, այլ քսենոբիոտիկներ, վերջնական արտադրանքի արգելակում և այլն) փոփոխում և ազդում են միկրոօրգանիզմների քայքայման կարողության վրա:
Ջերմաստիճանը զգալի ազդեցություն ունի PAH-ների կենսաքայքայման վրա: Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց լուծված թթվածնի կոնցենտրացիան նվազում է, ինչը ազդում է աէրոբ միկրոօրգանիզմների նյութափոխանակության վրա, քանի որ նրանք մոլեկուլային թթվածին են պահանջում որպես հիդրօքսիլացման կամ օղակի քայքայման ռեակցիաներ իրականացնող օքսիգենազների սուբստրատներից մեկը: Հաճախ նշվում է, որ բարձր ջերմաստիճանը սկզբնական PAH-ները վերածում է ավելի թունավոր միացությունների, այդպիսով կանխելով կենսաքայքայումը (Մյուլլեր և այլք, 1998):
Նշվել է, որ շատ պոլիկալիումային հիդրոքլորային ակտիվ նյութերով (ՊՀԱ) աղտոտված վայրերում pH-ի ծայրահեղ արժեքներ կան, ինչպիսիք են թթվային հանքերի ջրահեռացման աղտոտված վայրերը (pH 1–4) և ալկալային արտահոսքով աղտոտված բնական գազի/ածխի գազիֆիկացման վայրերը (pH 8–12): Այս պայմանները կարող են լրջորեն ազդել կենսաքայքայման գործընթացի վրա: Հետևաբար, կենսավերականգնման համար միկրոօրգանիզմներ օգտագործելուց առաջ խորհուրդ է տրվում կարգավորել pH-ը՝ ավելացնելով համապատասխան քիմիական նյութեր (միջինից մինչև շատ ցածր օքսիդավերականգնման պոտենցիալով), ինչպիսիք են ամոնիումի սուլֆատը կամ ամոնիումի նիտրատը ալկալային հողերի համար կամ կալցիումի կարբոնատով կամ մագնեզիումի կարբոնատով կրաքարի միջոցով՝ թթվային վայրերի համար (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020):
Թթվածնի մատակարարումը տուժած տարածքին PAH-ների կենսաքայքայման արագությունը սահմանափակող գործոն է: Միջավայրի օքսիդա-վերականգնման պայմանների պատճառով, տեղում կենսավերականգնման գործընթացները սովորաբար պահանջում են թթվածնի ներմուծում արտաքին աղբյուրներից (հողագործություն, օդային ցողում և քիմիական նյութերի ավելացում) (Pardieck et al., 1992): Օդենկրանցը և այլք (1996) ցույց են տվել, որ մագնեզիումի պերօքսիդի (թթվածին արտանետող միացություն) ավելացումը աղտոտված ջրատար հորիզոնին կարող է արդյունավետորեն կենսավերականգնել BTEX միացությունները: Մեկ այլ ուսումնասիրություն ուսումնասիրել է ֆենոլի և BTEX-ի տեղում քայքայումը աղտոտված ջրատար հորիզոնում՝ նատրիումի նիտրատ ներարկելով և արդյունահանման հորեր կառուցելով՝ արդյունավետ կենսավերականգնման հասնելու համար (Bewley and Webb, 2001):