Мәкалә "Алдынгы биоремедиация технологияләре һәм синтетик органик кушылмаларны (SOC) кабат эшкәртү процесслары" тикшеренү темасының бер өлеше. Барлык 14 мәкаләне карагыз.
Нафталин һәм аның урынына куелган нафталиннар (метилнафталин, нафтои кислотасы, 1-нафтил-N-метилкарбамат һ.б.) кебек түбән молекуляр авырлыктагы полициклик ароматик углеводородлар (ПАУ) төрле сәнәгать тармакларында киң кулланыла һәм организмнар өчен генотоксик, мутаген һәм/яки канцероген. Бу синтетик органик кушылмалар (СОУ) яки ксенобиотиклар өстенлекле пычраткычлар дип санала һәм глобаль әйләнә-тирә мохиткә һәм халык сәламәтлегенә җитди куркыныч тудыра. Кеше эшчәнлегенең интенсивлыгы (мәсәлән, күмерне газлаштыру, нефть эшкәртү, транспорт чараларыннан чыккан зыянлы матдәләр һәм авыл хуҗалыгында куллану) бу киң таралган һәм даими кушылмаларның концентрациясен, язмышын һәм ташылуын билгели. Физик һәм химик эшкәртү/юкка чыгару ысулларыннан тыш, ПОУларны тулысынча таркатырга яки аларны токсик булмаган өстәмә продуктларга әйләндерергә сәләтле микроорганизмнарны кулланучы биоремедиация кебек яшел һәм әйләнә-тирә мохиткә зыянсыз технологияләр куркынычсыз, экономияле һәм өметле альтернатива буларак барлыкка килде. Туфрак микробиотасында Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia һәм Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus һәм Paenibacillus) һәм Actinobacteria (Rhodococcus һәм Arthrobacter) филларына караган төрле бактерия төрләре төрле органик кушылмаларны таркату сәләтен күрсәтте. Метаболик тикшеренүләр, геномика һәм метагеномик анализ безгә бу гади тереклек формаларында булган катаболик катлаулылыкны һәм төрлелекне аңларга ярдәм итә, аларны нәтиҗәле биодеградация өчен кулланырга мөмкин. PAHларның озак вакытлы яшәве плазмидалар, транспозоннар, бактериофаглар, геном утраулары һәм интегратив конъюгатив элементлар кебек генетик элементларны кулланып, горизонталь ген күчерү аша яңа деградация фенотиплары барлыкка килүгә китерде. Система биологиясе һәм билгеле бер изолятларның яки ​​модель җәмгыятьләренең (консорциумнарның) генетик инженериясе синергетик эффектлар аша бу PAHларның комплекслы, тиз һәм нәтиҗәле биоремедиациясен тәэмин итә ала. Бу күзәтүдә без нафталин һәм аның урынына куелган нафталинны таркатучы бактерияләрнең төрле метаболик юлларына һәм төрлелегенә, генетик составына һәм төрлелегенә, шулай ук ​​күзәнәк җавапларына/адаптацияләренә игътибар итәбез. Бу кыр куллану өчен экологик мәгълүмат һәм нәтиҗәле биоремедиация өчен штаммнарны оптимальләштерү мөмкинлеге бирәчәк.
Сәнәгать тармакларының тиз үсеше (нефть химиясе, авыл хуҗалыгы, фармацевтика, текстиль буягычлары, косметика һ.б.) глобаль икътисади чәчәк атуга һәм тормыш дәрәҗәсен яхшыртуга өлеш кертте. Бу экспоненциаль үсеш төрле продуктлар җитештерү өчен кулланыла торган күп санлы синтетик органик кушылмалар (СОК) җитештерүгә китерде. Бу чит кушылмалар яки СОКларга полициклик ароматик углеводородлар (ПАУ), пестицидлар, гербицидлар, пластификаторлар, буягычлар, фармацевтика препаратлары, органофосфатлар, ялкын тоткарлаучы матдәләр, очучан органик эреткечләр һ.б. керә. Алар атмосферага, су һәм җир экосистемаларына чыгарыла, анда алар күп үлчәмле йогынты ясый, физик-химик үзлекләрне һәм җәмгыять структурасын үзгәртү аша төрле биоформаларга тискәре йогынты ясый (Петри һ.б., 2015; Бернхардт һ.б., 2017; Саркар һ.б., 2020). Күп кенә хуш исле пычраткычлар күп кенә бөтен экосистемаларга/биологик төрлелекнең кайнар нокталарына (мәсәлән, мәрҗән рифлары, Арктика/Антарктида боз катламнары, биек тау күлләре, тирән диңгез утырмалары һ.б.) көчле һәм җимергеч йогынты ясый (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Соңгы геомикробиологик тикшеренүләр күрсәткәнчә, ясалма корылмалар өслегенә (төзелеш мохите) (мәсәлән, мәдәни мирас объектлары һәм гранит, таш, агач һәм металлдан ясалган һәйкәлләр) синтетик органик матдәләрнең (мәсәлән, хуш исле пычраткычларның) һәм аларның туындыларының утыруы аларның таркалуын тизләтә (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Кеше эшчәнлеге һава пычрануы һәм климат үзгәреше аша һәйкәлләрнең һәм биналарның биологик таркалуын көчәйтергә һәм начарайтырга мөмкин (Liu et al. 2020). Бу органик пычраткычлар атмосферадагы су пары белән реакциягә керә һәм корылмага утыра, бу материалның физик һәм химик таркалуына китерә. Биодеградация тере организмнар аркасында материалларның тышкы кыяфәтендә һәм үзлекләрендә аларның сакланышына тәэсир итүче теләмәгән үзгәрешләр буларак киң танылган (Pochon һәм Jaton, 1967). Бу кушылмаларның алга таба микроблар белән тәэсире (метаболизмы) структураның бөтенлеген, саклау нәтиҗәлелеген һәм мәдәни кыйммәтен киметергә мөмкин (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Икенче яктан, кайбер очракларда, микробларның бу структураларга адаптацияләнүе һәм аларга җавап бирүе файдалы булып чыкты, чөнки алар биофильмнар һәм башка саклагыч кабыклар барлыкка китерә, алар таркалу/таркалу тизлеген киметә (Martino, 2016). Шуңа күрә таш, металл һәм агач һәйкәлләре өчен нәтиҗәле озак вакытлы тотрыклы саклау стратегияләрен эшләү бу процесста катнашкан төп процессларны җентекләп аңлауны таләп итә. Табигый процесслар белән чагыштырганда (геологик процесслар, урман янгыннары, вулкан атылулары, үсемлекләр һәм бактерияләр реакцияләре), кеше эшчәнлеге экосистемаларга күп күләмдә полициклик ароматик углеводородларның (PAHs) һәм башка органик углеродның (OC) чыгарылуына китерә. Авыл хуҗалыгында (инсектицидлар һәм пестицидлар, мәсәлән, ДДТ, атразин, карбарил, пентахлорфенол һ.б.), сәнәгатьтә (чимал нефть, нефть ләмнәре/калдыклары, нефтьтән алынган пластмассалар, ПХБ, пластификаторлар, юу чаралары, дезинфекцияләүчеләр, фумигантлар, хушбуйлар һәм консервантлар), шәхси гигиена чаралары (кояштан саклаучы кремнар, дезинфекцияләүчеләр, бөҗәкләргә каршы чаралар һәм полициклик мускус) һәм сугыш кирәк-яраклары (шартлагыч матдәләр, мәсәлән, 2,4,6-ТНТ) кулланыла торган күп кенә ПАХлар планета сәламәтлегенә тәэсир итә алырлык ксенобиотиклар булып тора (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Бу исемлекне нефтьтән алынган кушылмаларны (ягулык майлары, майлау материаллары, асфальтеннар), югары молекуляр авырлыктагы биопластикларны һәм ион сыеклыкларын да кертеп киңәйтергә мөмкин (Amde et al., 2015). 1 нче таблицада төрле хуш исле пычраткычлар һәм аларның төрле тармакларда кулланылышы күрсәтелгән. Соңгы елларда антропоген йогынтысы очучан органик кушылмаларның, шулай ук ​​углекислый газның һәм башка парник газларының чыгарылуы арта башлады (Дворак һ.б., 2017). Ләкин антропоген йогынты табигый йогынтыдан күпкә артып китә. Моннан тыш, без күп кенә SOCларның күп кенә әйләнә-тирә мохит мохитендә сакланып калуын һәм биомнарга тискәре йогынты ясаучы барлыкка килүче пычраткыч матдәләр буларак билгеләнүен ачыкладык (1 нче рәсем). АКШ Әйләнә-тирә мохитне саклау агентлыгы (USEPA) кебек әйләнә-тирә мохитне саклау агентлыклары бу пычраткычларның күбесен цитотоксик, генотоксик, мутаген һәм канцероген үзлекләре аркасында өстенлекле исемлеккә керттеләр. Шуңа күрә катгый юк итү кагыйдәләре һәм пычранган экосистемалардан калдыкларны эшкәртү/чыгару өчен нәтиҗәле стратегияләр кирәк. Пиролиз, оксидатив термик эшкәртү, һава аэрациясе, чүплеккә ташлау, яндыру һ.б. кебек төрле физик һәм химик эшкәртү ысуллары нәтиҗәсез һәм кыйммәт, коррозияле, агулы һәм эшкәртү авыр булган өстәмә продуктлар барлыкка китерә. Дөньякүләм әйләнә-тирә мохиткә игътибар арту белән, бу пычраткыч матдәләрне һәм аларның туындыларын (мәсәлән, галогенлаштырылган, нитро, алкил һәм/яки метил) таркатырга сәләтле микроорганизмнар игътибарны җәлеп итә (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Бу җирле кандидат микроорганизмнарны хуш исле пычраткыч матдәләрне бетерү өчен аерым яки катнаш культураларда (колонияләрдә) куллану әйләнә-тирә мохит куркынычсызлыгы, бәясе, нәтиҗәлелеге, нәтиҗәлелеге һәм тотрыклылыгы ягыннан өстенлекләргә ия. Тикшеренүчеләр шулай ук ​​микроб процессларын электрохимик редокс ысуллары, атап әйткәндә, биоэлектрохимик системалар (BES) белән интеграцияләүне пычраткыч матдәләрне эшкәртү/чистарту өчен перспективалы технология буларак өйрәнәләр (Huang et al., 2011). BES технологиясе югары нәтиҗәлелеге, арзан бәясе, экологик куркынычсызлыгы, бүлмә температурасында эшләве, био-сыйныфлы материаллары һәм кыйммәтле өстәмә продуктларны (мәсәлән, электр энергиясе, ягулык һәм химик матдәләр) торгызу мөмкинлеге аркасында игътибарны җәлеп итә (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Югары җитештерүчәнлекле геном секвенирлавы һәм омика кораллары/методларының барлыкка килүе төрле деградацияләүче микроорганизмнар реакцияләренең генетик көйләнеше, протеомикасы һәм флюксомикасы турында күп яңа мәгълүмат бирде. Бу коралларны система биологиясе белән берләштерү микроорганизмнарда максатчан катаболик юлларны сайлау һәм көйләү (ягъни метаболик дизайн) турындагы аңлавыбызны тагын да яхшыртты, бу нәтиҗәле һәм нәтиҗәле биодеградациягә ирешү өчен кирәк. Яраклы кандидат микроорганизмнарны кулланып, нәтиҗәле биоремедиация стратегияләрен эшләү өчен, безгә микроорганизмнарның биохимик потенциалын, метаболик төрлелеген, генетик составын һәм экологиясен (аутоэкология/синекология) аңларга кирәк.
1 нче рәсем. Төрле мохит мохите һәм биотага тәэсир итүче төрле факторлар аша түбән молекулярлы ПАГ чыганаклары һәм юллары. Үзек сызыклар экосистема элементлары арасындагы үзара бәйләнешләрне күрсәтә.
Бу күзәтүдә без төрле бактериаль изолятлар белән нафталин һәм аның урынына куелган нафталиннар кебек гади ПАГларның деградациясе турындагы мәгълүматларны гомумиләштерергә тырыштык, алар метаболик юлларны һәм төрлелекне, деградациядә катнашкан ферментларны, ген составын/эчтәлеген һәм төрлелеген, күзәнәк җавапларын һәм биоремедиациянең төрле аспектларын үз эченә ала. Биохимик һәм молекуляр дәрәҗәләрне аңлау шундый өстенлекле пычраткычларны нәтиҗәле биоремедиацияләү өчен яраклы хуҗа штаммнарын ачыкларга һәм аларның алга таба генетик инженериясенә ярдәм итәчәк. Бу нәтиҗәле биоремедиация өчен махсус бактерия консорциумнарын булдыру стратегияләрен эшләүгә ярдәм итәчәк.
Күп санлы агулы һәм куркыныч ароматик кушылмаларның булуы (Гюкель кагыйдәсенә туры килә: 4n + 2π электроннар, n = 1, 2, 3, …) һава, туфрак, утырмалар, өслек һәм җир асты сулары кебек төрле әйләнә-тирә мохит өчен җитди куркыныч тудыра (Пуглиси һ.б., 2007). Бу кушылмаларның сызыклы, почмаклы яки кластер формасында урнашкан бер бензол боҗралары (моноцикллы) яки күп бензол боҗралары (полицикллы) бар һәм алар югары тискәре резонанс энергиясе һәм инертлыгы (инертлыгы) аркасында әйләнә-тирә мохиттә тотрыклылык (стабильлек/тотрыксызлык) күрсәтәләр, моны аларның гидрофоблыгы һәм киметелгән халәте белән аңлатырга мөмкин. Ароматик боҗраны метил (-CH3), карбоксил (-COOH), гидроксил (-OH) яки сульфонат (-HSO3) төркемнәре алыштырганда, ул тотрыклырак була, макромолекулаларга көчлерәк бәйләнешкә ия була һәм биологик системаларда биоаккумуляцияләнә (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Кайбер түбән молекуляр авырлыктагы полициклик ароматик углеводородлар (LMWAHs), мәсәлән, нафталин һәм аның туындылары [метилнафталин, нафтои кислотасы, нафталинсульфонат һәм 1-нафтил N-метилкарбамат (карбарил)], АКШ Әйләнә-тирә мохитне саклау агентлыгы тарафыннан генотоксик, мутаген һәм/яки канцероген буларак өстенлекле органик пычраткычлар исемлегенә кертелгән (Cerniglia, 1984). Бу класстагы NM-PAHларның әйләнә-тирә мохиткә чыгарылуы азык чылбырының барлык дәрәҗәләрендә дә бу кушылмаларның биоаккумуляциясенә китерергә мөмкин, шуның белән экосистемаларның сәламәтлегенә тәэсир итә (Бинкова һ.б., 2000; Сроги, 2007; Куинн һ.б., 2009).
ПАГларның биотага күчү чыганаклары һәм юллары, нигездә, туфрак, җир асты сулары, өслек сулары, культуралар һәм атмосфера кебек төрле экосистема компонентлары арасындагы миграция һәм үзара бәйләнеш аша бара (Арей һәм Аткинсон, 2003). 1 нче рәсемдә экосистемалардагы төрле түбән молекуляр авырлыктагы ПАГларның үзара бәйләнеше һәм таралышы, шулай ук ​​аларның биотага/кешеләргә тәэсир итү юллары күрсәтелгән. ПАГлар һава пычрануы нәтиҗәсендә һәм транспорт чаралары чыгаруларының, сәнәгать чыгару газларының (күмер газификациясе, яну һәм кокс җитештерү) миграциясе (дрифты) һәм аларның утыруы аша өслекләргә җыела. Синтетик тукымалар, буяулар һәм буяулар җитештерү кебек сәнәгать эшчәнлеге; агачны саклау; каучук эшкәртү; цемент җитештерү эшчәнлеге; пестицидлар җитештерү; һәм авыл хуҗалыгы кулланулары җир өслеге һәм су системаларында ПАГларның төп чыганаклары булып тора (Бэмфорт һәм Синглтон, 2005; Вик һ.б., 2011). Тикшеренүләр күрсәткәнчә, шәһәр яны һәм шәһәр районнарында, автомобиль юллары янындагы һәм зур шәһәрләрдәге туфраклар электр станцияләреннән, торак йортларны җылытудан, һава һәм юл хәрәкәте йөкләмәләреннән һәм төзелеш эшчәнлегеннән чыккан чыгарулар аркасында полициклик ароматик углеводородларга (ПАУ) күбрәк бирешүчән (Суман һ.б., 2016). (2008) күрсәткәнчә, АКШның Луизиана штатындагы Яңа Орлеан шәһәрендә юллар янындагы туфракта ПАУ 7189 мкг/кг кадәр, ә ачык киңлектә алар нибары 2404 мкг/кг гына булган. Шулай ук, АКШның берничә шәһәрендәге күмер газлаштыру урыннары янындагы районнарда ПАУ дәрәҗәсе 300 мкг/кг кадәр җиткәне турында хәбәр ителгән (Канали һәм Хараяма, 2000; Бамфорт һәм Синглтон, 2005). Дели (Шарма һ.б., 2008), Агра (Дубей һ.б., 2014), Мумбай (Кулкарни һәм Венкатараман, 2000) һәм Висакхапатнам (Кулкарни һ.б., 2014) кебек төрле Һиндстан шәһәрләреннән алынган туфракларда ПАХларның югары концентрациясе булуы турында хәбәр ителә. Хуш исле кушылмалар туфрак кисәкчәләренә, органик матдәләргә һәм балчык минералларына җиңелрәк сеңә, шуның белән экосистемаларда төп углерод йотучыларына әйләнә (Сроги, 2007; Пенг һ.б., 2008). Су экосистемаларында ПАХларның төп чыганаклары явым-төшем (дымлы/коры явым-төшем һәм су пары), шәһәр агымы, агынты сулар чыгару, җир асты суларын тулыландыру һ.б. (Сроги, 2007). Диңгез экосистемаларында ПАХларның якынча 80% явым-төшем, утырма һәм калдыклар чыгарудан килеп чыга дип исәпләнә (Мотелай-Массей һ.б., 2006; Сроги, 2007). Өслек суларында яки каты калдыкларны чыгару урыннарыннан агып чыккан суларда ПАХларның югары концентрациясе җир асты суларына агып чыга, бу халык сәламәтлегенә зур куркыныч тудыра, чөнки Көньяк һәм Көньяк-Көнчыгыш Азиядә халыкның 70% тан артыгы җир асты суларын эчә (Duttagupta et al., 2019). Дуттагупта һ.б. (2020) тарафыннан үткәрелгән соңгы тикшеренүләр күрсәткәнчә, Һиндстанның Көнбатыш Бенгалиясендә елга (32) һәм җир асты сулары (235) анализлары буенча шәһәр халкының якынча 53% ы һәм авыл халкының 44% ы (барлыгы 20 миллион кеше) нафталин (4,9–10,6 мкг/л) һәм аның туындылары тәэсиренә дучар булырга мөмкин. Җир куллануның төрле үрнәкләре һәм җир асты суларын чыгаруның артуы җир астындагы түбән молекуляр авырлыктагы ПАХларның вертикаль ташуын (адвекция) контрольдә тотучы төп факторлар дип санала. Авыл хуҗалыгы агымы, муниципаль һәм сәнәгать калдыклары чыгарулары, каты калдыклар/чүп чыгарулары елга бассейннарында һәм җир асты утырмаларында ПАХларның тәэсиренә дучар булуы ачыкланган. Атмосфера явым-төшемнәре ПАХ пычрануын тагын да көчәйтә. Фрейзер елгасы, Луан елгасы, Денсо елгасы, Миссури елгасы, Анакостия елгасы, Эбро елгасы һәм Делавэр елгасы кебек бөтен дөнья елгаларында/су бассейннарында ПАГ һәм аларның алкил туындыларының югары концентрациясе (барлыгы 51) теркәлгән (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Ганг елгасы бассейны утырмаларында нафталин һәм фенантрен иң әһәмиятле булып чыкты (үрнәкләрнең 70% ында ачыкланган) (Duttagupta et al., 2019). Моннан тыш, тикшеренүләр эчәр суны хлорлауның күбрәк агулы кислородлы һәм хлорлы ПАГ барлыкка килүенә китерергә мөмкинлеген күрсәтте (Маноли һәм Самара, 1999). ПАГлар үсемлекләрнең пычранган туфрактан, җир асты суларыннан һәм явым-төшемнәрдән сеңдерүе нәтиҗәсендә ярмаларда, җиләк-җимешләрдә һәм яшелчәләрдә җыела (Фисмес һ.б., 2002). Балык, мидия, моллюсклар һәм креветкалар кебек күп су организмнары пычранган ризык һәм диңгез суын куллану аша, шулай ук ​​тукыма һәм тире аша ПАГлар белән пычрана (Маккай һәм Фрейзер, 2000). Грильдә пешерү, кыздыру, төтенләү, кыздыру, киптерү, пешерү һәм күмердә пешерү кебек пешерү/эшкәртү ысуллары да ризыкта ПАГларның күп күләмдә булуына китерергә мөмкин. Бу күбесенчә төтенләү материалын сайлауга, фенол/ароматик углеводородлар составына, пешерү ысулына, җылыткыч төренә, дымлылыкка, кислород белән тәэмин итүгә һәм яну температурасына бәйле (Гуиллен һ.б., 2000; Гомес һ.б., 2013). Полициклик ароматик углеводородлар (ПАГ) шулай ук ​​сөттә төрле концентрацияләрдә (0,75–2,1 мг/л) ачыкланган (Гирелли һ.б., 2014). Бу ПАКларның азыкта туплануы шулай ук ​​азыкның физик-химик үзлекләренә бәйле, ә аларның токсик йогынтысы физиологик функцияләр, метаболик активлык, сеңү, таралу һәм организмда таралу белән бәйле (Мечини һ.б., 2011).
Полициклик ароматик углеводородларның (ПАУ) токсиклыгы һәм зарарлы йогынтысы күптән билгеле (Черниглия, 1984). Түбән молекуляр авырлыктагы полициклик ароматик углеводородлар (ТМВ-ПАУ) (икедән өчкә кадәр боҗра) ДНК, РНК һәм аксымнар кебек төрле макромолекулаларга ковалент рәвештә бәйләнә ала һәм канцероген (Сантарелли һ.б., 2008). Гидрофоб табигате аркасында алар липид мембраналары белән аерыла. Кешеләрдә цитохром P450 монооксигеназалары ПАУларны эпоксидларга кадәр оксидлаштыра, аларның кайберләре югары реактив (мәсәлән, баедиол эпоксиды) һәм нормаль күзәнәкләрнең яман шеш күзәнәкләренә әйләнүенә китерергә мөмкин (Марстон һ.б., 2001). Моннан тыш, ПАУларның трансформация продуктлары, мәсәлән, хиноннар, феноллар, эпоксидлар, диоллар һ.б., башлангыч кушылмаларга караганда агулырак. Кайбер ПАГлар һәм аларның метаболик арадаш продуктлары гормоннарга һәм метаболизмдагы төрле ферментларга тәэсир итә ала, шуның белән үсешкә, үзәк нерв системасына, репродуктив һәм иммун системаларына тискәре йогынты ясый (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Түбән молекуляр авырлыктагы ПАГларга кыска вакытлы тәэсир итү астма белән авыручыларда үпкә функциясенең бозылуына һәм тромбозга китерүе, шулай ук ​​тире, үпкә, сидек куыгы һәм ашказаны-эчәк раглары куркынычын арттыруы турында хәбәр ителә (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Хайваннарда үткәрелгән тикшеренүләр шулай ук ​​ПАГ тәэсиренең репродуктив функциягә һәм үсешкә тискәре йогынты ясавын һәм катаракта, бөер һәм бавыр зарарлануына, шулай ук ​​сары авыруга китерергә мөмкинлеген күрсәтте. Диоллар, эпоксидлар, хиноннар һәм ирекле радикаллар (катионнар) кебек төрле ПАГ биотрансформация продуктларының ДНК аддуктларын барлыкка китерүе күрсәтелгән. Стабиль аддуктларның ДНК репликация механизмын үзгәртүе күрсәтелгән, ә тотрыксыз аддуктлар ДНКны депуринацияләнмәгәнгә мөмкин (нигездә, аденинга һәм кайвакыт гуанинга); икесе дә мутацияләргә китерә торган хаталар китереп чыгарырга мөмкин (Schweigert et al. 2001). Моннан тыш, хиноннар (бензо-/пан-) реактив кислород төрләрен (ROS) барлыкка китерә ала, ДНКга һәм башка макромолекулаларга үлемечле зыян китерә, шуның белән тукымаларның функциясенә/тормышчанлыгына тәэсир итә (Ewa and Danuta 2017). Пирен, бифенил һәм нафталинның түбән концентрацияләренә хроник тәэсир итү эксперименталь хайваннарда яман шешкә китерә дип хәбәр ителә (Diggs et al. 2012). Аларның үлемечле токсиклыгы аркасында, бу ПАХларны зарарланган/пычранган урыннардан чистарту/алып ташлау өстенлекле бурыч булып тора.
ПАХларны пычранган урыннардан/тирә мохиттән чыгару өчен төрле физик һәм химик ысуллар кулланылган. Яндыру, декхлорлау, ультрафиолет оксидлашуы, фиксацияләү һәм эреткеч белән экстракцияләү кебек процессларның күп кимчелекләре бар, шул исәптән агулы өстәмә продуктлар барлыкка килү, процессның катлаулылыгы, куркынычсызлык һәм норматив мәсьәләләр, түбән нәтиҗәлелек һәм югары бәя. Ләкин микроб биодеградациясе (биоремедиация дип атала) - микроорганизмнарны саф культуралар яки колонияләр рәвешендә куллануны үз эченә алган өметле альтернатив ысул. Физик һәм химик ысуллар белән чагыштырганда, бу процесс экологик яктан чиста, инвазив булмаган, чыгымлы һәм тотрыклы. Биоремедиация зарарланган урында (in situ) яки махсус әзерләнгән урында (ex situ) үткәрелергә мөмкин, шуңа күрә ул традицион физик һәм химик ысулларга караганда тотрыклырак ремедиация ысулы дип санала (Юхасз һәм Найду, 2000; Андреони һәм Джанфред, 2007; Мегхарадж һ.б., 2011; Фале һ.б., 2020; Саркар һ.б., 2020).
Ароматлы пычраткыч матдәләрнең таркалуында катнашкан микроб метаболик этапларын аңлау экологик һәм әйләнә-тирә мохитнең тотрыклылыгы өчен зур фәнни һәм икътисади әһәмияткә ия. Дөнья күләмендә якынча 2,1 × 1018 грамм углерод (C) утырмаларда һәм органик кушылмаларда (мәсәлән, нефть, табигый газ һәм күмер, ягъни казылма ягулыкларда) саклана, бу глобаль углерод циклына зур өлеш кертә. Ләкин тиз индустриализация, казылма ягулык чыгару һәм кеше эшчәнлеге бу литосфера углерод резервуарларын киметә, ел саен атмосферага якынча 5,5 × 1015 г органик углерод (пычратучы матдәләр буларак) чыгарыла (Гонсалес-Гая һ.б., 2019). Бу органик углеродның күпчелек өлеше җир өсте һәм диңгез экосистемаларына утырма, транспорт һәм агым аша керә. Моннан тыш, казылма ягулыклардан алынган яңа синтетик пычраткыч матдәләр, мәсәлән, пластик, пластификаторлар һәм пластик стабилизаторлар (фталатлар һәм аларның изомерлары), диңгез, туфрак һәм су экосистемаларын һәм аларның биотасын җитди пычрата, шуның белән глобаль климат куркынычларын көчәйтә. Полиэтилен терефталаттан (ПЭТ) алынган төрле микропластиклар, нанопластиклар, пластик кисәкләре һәм аларның агулы мономер продуктлары Төньяк Америка һәм Көньяк-Көнчыгыш Азия арасындагы Тын океанда тупланып, "Зур Тын океан чүп кисәге" барлыкка китереп, диңгез тормышына зыян китергән (Ньюэлл һ.б., 2020). Фәнни тикшеренүләр мондый пычраткыч матдәләрне/калдыкларны бернинди физик яки химик ысуллар белән дә бетерү мөмкин түгеллеген раслады. Бу контекстта иң файдалы микроорганизмнар - пычраткыч матдәләрне углерод диоксидына, химик энергиягә һәм башка токсик булмаган продуктларга оксидлашып метаболизлый алырлык микроорганизмнар, алар ахыр чиктә башка туклыклы матдәләр циклы процессларына (H, O, N, S, P, Fe һ.б.) керәләр. Шулай итеп, хуш исле пычраткыч минерализациясенең микроб экофизиологиясен һәм аның әйләнә-тирә мохитне контрольдә тотуын аңлау микроб углерод циклын, чиста углерод бюджетын һәм киләчәк климат куркынычларын бәяләү өчен бик мөһим. Мондый кушылмаларны әйләнә-тирә мохиттән бетерүнең кичектергесез зарурлыгын исәпкә алып, чиста технологияләргә юнәлтелгән төрле эко-индустрияләр барлыкка килде. Икенче яктан, экосистемаларда тупланган сәнәгать калдыкларын/чүп-чар химик матдәләрен бәяләү (ягъни, калдыкларны байлыкка әйләндерү ысулы) әйләнмә икътисад һәм тотрыклы үсеш максатларының бер терәге дип санала (Close et al., 2012). Шуңа күрә, бу потенциаль деградация кандидатларының метаболик, ферментатив һәм генетик аспектларын аңлау мондый хуш исле пычраткычларны нәтиҗәле бетерү һәм биоремедиацияләү өчен бик мөһим.
Күп санлы хуш исле пычраткычлар арасында без нафталин һәм аның урынына куелган нафталиннар кебек түбән молекуляр авырлыктагы ПАКларга аерым игътибар бирәбез. Бу кушылмалар нефть чыганакларыннан алынган ягулыкларның, текстиль буягычларының, кулланучы товарларының, пестицидларның (нафталин һәм бөҗәкләргә каршы матдәләр), пластификаторларның һәм таниннарның төп компонентлары булып тора һәм шуңа күрә күп экосистемаларда киң таралган (Preuss et al., 2003). Соңгы докладларда нафталин концентрациясенең сулы утырмаларда, җир асты суларында һәм җир асты туфракларында, вадоза зоналарында һәм елга юлларында туплануы ассызыклана, бу аның әйләнә-тирә мохиттә биоаккумуляциясен күрсәтә (Duttagupta et al., 2019, 2020). 2 нче таблицада нафталин һәм аның туендырмаларының физик-химик үзлекләре, кулланылышы һәм сәламәтлеккә йогынтысы кыскача күрсәтелгән. Башка югары молекуляр авырлыктагы ПАКлар белән чагыштырганда, нафталин һәм аның туендырмалары азрак гидрофоб, суда эри һәм экосистемаларда киң таралган, шуңа күрә алар еш кына ПАКларның метаболизмын, генетикасын һәм метаболик төрлелеген өйрәнү өчен модель субстратлар буларак кулланыла. Күп санлы микроорганизмнар нафталин һәм аның туендырмаларын метаболизмга кертә ала, һәм аларның метаболик юллары, ферментлары һәм көйләү үзенчәлекләре турында тулы мәгълүмат бар (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Моннан тыш, нафталин һәм аның туендырмалары, аларның күп булуы һәм биокулланылышы аркасында, әйләнә-тирә мохит пычрануын бәяләү өчен прототип кушылмалар буларак билгеләнә. АКШ Әйләнә-тирә мохитне саклау агентлыгы сигарет төтененнән, нигездә, тулы булмаган янудан, нафталинның уртача дәрәҗәсе куб метрга 5,19 мкг, ә ян агым төтененнән 7,8 дән 46 мкг га кадәр булуын исәпләп чыгара, ә креозот һәм нафталинга дучар булу 100 дән 10 000 тапкыр югарырак (Preuss et al. 2003). Аеруча нафталинның төрләргә, төбәккә һәм җенескә хас сулыш алу токсиклыгы һәм канцерогенлыгы ачыкланган. Хайваннарда үткәрелгән тикшеренүләргә нигезләнеп, Халыкара яман шешне тикшерү агентлыгы (IARC) нафталинны "кеше өчен мөмкин булган канцероген" дип классификацияләде (2B төркеме)1. Алыштырылган нафталиннарга, нигездә, ингаляция яки парентераль (эчәр юл белән) тәэсир итү үпкә тукымаларына зыян китерә һәм тычканнарда үпкә шешләре ешлыгын арттыра (Милли токсикология программасы 2). Кискен йогынтыларга күңел болгану, косу, корсак авыртуы, диарея, баш авыртуы, чуалу, көчле тирләү, температура, тахикардия һ.б. керә. Икенче яктан, киң спектрлы карбамат инсектициды карбарил (1-нафтил N-метилкарбамат) су умырткасызлары, амфибияләр, бал кортлары һәм кешеләр өчен агулы булуы һәм паралич китереп чыгаручы ацетилхолинэстеразаны тоткарлавы күрсәтелгән (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). Шуңа күрә, микроб деградациясе механизмнарын, генетик көйләүне, ферментатив һәм күзәнәк реакцияләрен аңлау пычранган мохиттә биоремедиация стратегияләрен эшләү өчен бик мөһим.
2 нче таблица. Нафталин һәм аның туындыларының физик-химик үзлекләре, кулланылышы, идентификацияләү ысуллары һәм алар белән бәйле авырулар турында тулы мәгълүмат.
Пычранган нишаларда гидрофоб һәм липофиль ароматик пычраткычлар әйләнә-тирә мохит микробиомына (җәмгыятькә) төрле күзәнәк йогынтысы китерергә мөмкин, мәсәлән, мембрана сыеклыгының үзгәрүе, мембрана үткәрүчәнлеге, липид ике катламлы шешенү, энергия күчерүнең бозылуы (электрон транспорт чылбыры/протон хәрәкәтләндергеч көче) һәм мембрана белән бәйле аксымнар активлыгы (Sikkema et al., 1995). Моннан тыш, катехоллар һәм хиноннар кебек кайбер эри торган арадаш матдәләр реактив кислород төрләрен (ROS) барлыкка китерә һәм ДНК һәм аксымнар белән аддуктлар барлыкка китерә (Penning et al., 1999). Шулай итеп, экосистемаларда мондый кушылмаларның күп булуы микроб җәмгыятьләренә төрле физиологик дәрәҗәләрдә, шул исәптән үзләштерү/ташу, күзәнәк эчендәге трансформация, ассимиляция/куллану һәм бүлекләштерүдә нәтиҗәле деградацияләүчеләргә әйләнергә сайлап басым ясый.
Рибосомаль мәгълүмат базасы проекты II (RDP-II) буенча эзләнү нәтиҗәсендә, нафталин яки аның туындылары белән пычранган мохиттән яки баету культураларыннан барлыгы 926 бактерия төре аерып алынган. Proteobacteria төркемендә иң күп вәкилләр саны булган (n = 755), аннан соң Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) һәм классификацияләнмәгән бактерияләр (8) килә (2 нче рәсем). γ-Proteobacteria вәкилләре (Pseudomonadales һәм Xanthomonadales) югары G+C эчтәлеге булган барлык Грам-тискәре төркемнәрдә дә өстенлек иткән (54%), ә Clostridiales һәм Bacillales (30%) G+C эчтәлеге түбән булган Грам-позитив төркемнәр булган. Pseudomonas (иң күп сан, 338 төр) төрле пычранган экосистемаларда (күмер деграды, нефть, чимал нефть, ләм, нефть агып чыгулары, агынты сулар, органик калдыклар һәм чүплекләр), шулай ук ​​бөтен экосистемаларда (туфрак, елгалар, утырмалар һәм җир асты сулары) нафталин һәм аның метил деривативларын таркатырга сәләтле дип хәбәр ителә (2 нче рәсем). Моннан тыш, бу төбәкләрнең кайберләрен баету тикшеренүләре һәм метагеномик анализ культуралаштырылмаган Legionella һәм Clostridium төрләренең таркату сәләтенә ия булуын күрсәтте, бу яңа юлларны һәм метаболик төрлелекне өйрәнү өчен бу бактерияләрне үстерү кирәклеген күрсәтә.
2 нче рәсем. Нафталин һәм нафталин туындылары белән пычранган мохиттә бактерия вәкилләренең таксономик төрлелеге һәм экологик таралышы.
Төрле ароматлы углеводородларны таркатучы микроорганизмнар арасында күбесе нафталинны углерод һәм энергиянең бердәнбер чыганагы буларак таркатырга сәләтле. Нафталин метаболизмында катнашучы вакыйгалар эзлеклелеге Pseudomonas sp. өчен тасвирланган. (штаммнар: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 һәм CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 һәм башка штаммнар (ND6 һәм AS1) (Mahajan һ.б., 1994; Resnick һ.б., 1996; Annweiler һ.б., 2000; Basu һ.б., 2003; Dennis һәм Zylstra, 2004; Sota һ.б., 2006; Метаболизм күп компонентлы диоксигеназа [нафталин диоксигеназа (NDO), боҗралы гидроксиллаучы диоксигеназа] тарафыннан башлана, ул молекуляр кислородны икенче субстрат итеп кулланып, нафталинны цис-нафталиндиолга әйләндерә (3 нче рәсем). Цис-дигидродиол 1,2-дигидроксинафталинга а белән әйләнә. дегидрогеназа. Боҗраны кисүче диоксигеназа, 1,2-дигидроксинафталин диоксигеназа (12DHNDO), 1,2-дигидроксинафталинны 2-гидроксихром-2-карбон кислотасына әйләндерә. Ферментатив цис-транс изомеризациясе транс-о-гидроксибензилиденпируватны барлыкка китерә, ул гидратаза альдолазасы белән салицил альдегидына һәм пируватка аерыла. Органик кислота пируваты нафталин углерод скелетыннан алынган һәм үзәк углерод юлына юнәлтелгән беренче C3 кушылмасы иде. Моннан тыш, NAD+-бәйле салицилальдегид дегидрогеназа салицилальдегидны салицил кислотасына әйләндерә. Бу этапта метаболизм нафталин деградациясенең "өске юлы" дип атала. Бу юл күпчелек нафталин деградацияләүче бактерияләрдә бик еш очрый. Ләкин берничә искәрмә бар; мәсәлән, термофил Bacillus hamburgii 2дә нафталин деградациясе нафталин тарафыннан башлана. 2,3-диоксигеназа 2,3-дихидроксинафтален формалаштыра (Аннвейлер һ.б., 2000).
3 нче рәсем. Нафталин, метилнафталин, нафтои кислотасы һәм карбарил деградациясе юллары. Түгәрәк эчендәге саннар нафталин һәм аның туындыларын аннан соңгы продуктларга эзлекле әйләндерү өчен җаваплы ферментларны күрсәтә. 1 — нафталин диоксигеназа (NDO); 2, цис-дигидродиолдегидрогеназа; 3, 1,2-дигидроксинафталин диоксигеназа; 4, 2-гидроксихром-2-карбоксил кислотасы изомераза; 5, транс-O-гидроксибензилиденпируват гидратаза альдолаза; 6, салицилалдегиддегидрогеназа; 7, салицилат 1-гидроксилаза; 8, катехол 2,3-диоксигеназа (C23DO); 9, 2-гидроксимуконат ярымальдегиддегидрогеназа; 10, 2-оксопент-4-эноат гидратаза; 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 кислотасы оксидазасы; 28, гидроксиизофталат декарбоксилаза; 29, карбарилгидролаза (CH4); 30, 1-нафтол-2-гидроксилаза.
Организмга һәм аның генетик составына карап, барлыкка килгән салицил кислотасы катехол юлы аша салицилат 1-гидроксилаза (S1H) ярдәмендә яки гентисат юлы аша салицилат 5-гидроксилаза (S5H) ярдәмендә алга таба метаболизмга керә (3 нче рәсем). Салицил кислотасы нафталин метаболизмында төп арадаш продукт булганлыктан (өске юл), салицил кислотасыннан TCA арадаш продуктына кадәрге адымнар еш кына аскы юл дип атала, һәм геннар бер оперонга оешкан. Өске юл оперонындагы (nah) һәм аскы юл оперонындагы (sal) геннарның уртак көйләүче факторлар белән көйләнүен күрү гадәти күренеш; мәсәлән, NahR һәм салицил кислотасы индукторлар булып эшли, бу ике оперонга да нафталинны тулысынча метаболизмга кертү мөмкинлеге бирә (Phale et al., 2019, 2020).
Моннан тыш, катехол катехол 2,3-диоксигеназа (C23DO) ярдәмендә мета юл аша циклик рәвештә 2-гидроксимуконат ярымальдегидына аерыла (Yen et al., 1988) һәм 2-гидроксимуконат ярымальдегид гидролазасы белән гидролизланып, 2-гидроксипент-2,4-диеной кислотасы барлыкка килә. Аннары 2-гидроксипент-2,4-диеноат гидратаза (2-оксопент-4-эноат гидратаза) һәм альдолаза (4-гидрокси-2-оксопентаноат альдолаза) ярдәмендә пируват һәм ацетальдегидка әйләнә һәм аннары үзәк углерод юлына керә (3 нче рәсем). Икенче вариант буларак, катехол 1,2-оксигеназа (C12DO) ярдәмендә орто юл аша цис,цис-муконатка циклик рәвештә аерыла. Муконат циклоизомераза, муконолактон изомераза һәм β-кетоадипат-ноллактон гидролаза цис, цис-муконатны 3-оксоадипатка әйләндерә, ул сукцинил-КоА һәм ацетил-КоА аша үзәк углерод юлына керә (Нозаки һ.б., 1968) (3 нче рәсем).
Гентисат (2,5-дигидроксибензоат) юлында ароматик боҗра гентисат 1,2-диоксигеназа (GDO) белән малеилпируват барлыкка китерү өчен өзелә. Бу продукт турыдан-туры пируват һәм малатка гидролизланырга мөмкин, яисә фумарилпируват барлыкка китерү өчен изомерлаштырылырга мөмкин, аннары ул пируват һәм фумаратка гидролизланырга мөмкин (Larkin and Day, 1986). Альтернатив юлны сайлау биохимик һәм генетик дәрәҗәләрдә Грам-тискәре һәм Грам-уңай бактерияләрдә күзәтелгән (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Грам-тискәре бактерияләр (Pseudomonas) салицил кислотасын кулланырга өстенлек бирәләр, ул нафталин метаболизмын индукторлый, аны салицилат 1-гидроксилаза ярдәмендә катехолга декарбоксиллый (Gibson and Subramanian, 1984). Икенче яктан, Грам-позитив бактерияләрдә (Rhodococcus) салицилат 5-гидроксилаза салицилат кислотасын гентизин кислотасына әйләндерә, ә салицилат кислотасы нафталин геннары транскрипциясенә индуктив йогынты ясамый (Grund et al., 1992) (3 нче рәсем).
Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas һәм Mycobacterium төрләре монометилнафталин яки диметилнафталинны таркатырга мөмкин дип хәбәр ителә (Dean-Raymond һәм Bartha, 1975; Cane һәм Williams, 1982; Mahajan һ.б., 1994; Dutta һ.б., 1998; Hedlund һ.б., 1999). Алар арасында Pseudomonas sp. CSV86 ның 1-метилнафталин һәм 2-метилнафталин таркату юлы биохимик һәм ферментатив дәрәҗәләрдә ачык өйрәнелгән (Mahajan һ.б., 1994). 1-Метилнафталин ике юл аша метаболизмга керә. Башта ароматик боҗра гидроксиллана (метилнафталинның алыштырылмаган боҗрасы) цис-1,2-дигидрокси-1,2-дигидро-8-метилнафталин барлыкка китерә, ул метил салицилат һәм метилкатехолга кадәр оксидлаша, аннары боҗра бүленгәннән соң үзәк углерод юлына керә (3 нче рәсем). Бу юл "углерод чыганагы юлы" дип атала. Икенче "детоксикация юлында" метил төркеме NDO белән гидроксиллана һәм 1-гидроксиметилнафталин барлыкка китерә ала, ул 1-нафтоик кислотага кадәр оксидлаша һәм культура мохитенә үле продукт буларак чыгарыла. Тикшеренүләр CSV86 штаммы бердәнбер углерод һәм энергия чыганагы буларак 1- һәм 2-нафтоик кислотасында үсә алмавын күрсәтте, бу аның детоксикация юлын раслый (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). 2-метилнафталинда метил төркеме гидроксилаза белән гидроксиллана һәм 2-гидроксиметилнафталин барлыкка килә. Моннан тыш, нафталин боҗрасының алыштырылмаган боҗрасы боҗра гидроксиллана һәм дигидродиол барлыкка килә, ул фермент катализланган реакцияләр сериясендә 4-гидроксиметилкатехолга оксидлаша һәм мета-боҗра бүленү юлы аша үзәк углерод юлына керә. Шулай ук, S. paucimobilis 2322 NDO кулланып, 2-метилнафталинны гидроксиллый, ул алга таба метил салицилат һәм метилкатехол барлыкка китереп оксидлаша (Dutta et al., 1998).
Нафтой кислоталары (алмаштырылган/алмаштырылмаган) - метилнафталин, фенантрен һәм антрацен таркалуы вакытында барлыкка килгән һәм кулланылган культура мохитенә чыгарылган детоксикация/биотрансформация продуктлары. Stenotrophomonas maltophilia CSV89 туфрак изоляты 1-нафтой кислотасын углерод чыганагы буларак метаболизмга сәләтле дип хәбәр ителә (Phale et al., 1995). Метаболизм ароматик боҗраның дигидроксиллашуыннан башланып, 1,2-дигидрокси-8-карбоксинафталин барлыкка китерә. Нәтиҗәдә барлыкка килгән диол 2-гидрокси-3-карбоксибензилиденепируват, 3-формилсалицил кислотасы, 2-гидроксиизофталик кислотасы һәм салицил кислотасы аша катехолга оксидлаша һәм мета-боҗра бүленеш юлы аша үзәк углерод юлына керә (3 нче рәсем).
Карбарил - нафтил карбамат пестициды. 1970 елларда Һиндстанда Яшел революциядән соң, химик ашламалар һәм пестицидлар куллану авыл хуҗалыгында кулланылмый торган чыганаклардан полициклик ароматик углеводородлар (ПАУ) чыгаруларның артуына китерде (Пингали, 2012; Дуттагупта һ.б., 2020). Һиндстанда гомуми чәчүлек җирләренең якынча 55% ы (85 722 000 гектар) химик пестицидлар белән эшкәртелә. Соңгы биш ел эчендә (2015–2020) Һиндстан авыл хуҗалыгы секторы ел саен уртача 55 000-60 000 тонна пестицид кулланган (Кооперативлар һәм фермерларның иминлеге департаменты, Һиндстан Хөкүмәтенең Авыл хуҗалыгы министрлыгы, 2020 елның августы). Төньяк һәм үзәк Ганг тигезлекләрендә (халык саны һәм халык тыгызлыгы иң югары булган штатларда) чәчүлекләрдә пестицидлар куллану киң таралган, инсектицидлар өстенлек итә. Карбарил (1-нафтил-N-метилкарбамат) - киң спектрлы, уртача һәм югары токсик карбамат инсектициды, ул Һиндстан авыл хуҗалыгында уртача 100–110 тонна күләмендә кулланыла. Ул гадәттә Sevin сәүдә исеме астында сатыла һәм төрле культураларга (кукуруз, соя, мамык, җиләк-җимеш һәм яшелчәләр) зыян китерүче бөҗәкләрне (битлар, ут кырмыскалары, бүргеләр, талпаннар, үрмәкүчләр һәм башка күп кенә ачык һава корткычлары) контрольдә тоту өчен кулланыла. Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus һәм Arthrobacter кебек кайбер микроорганизмнар башка корткычларны контрольдә тоту өчен дә кулланылырга мөмкин. RC100 карбарилны таркатырга мөмкин дип хәбәр ителә (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Карбарилның таркату юлы Pseudomonas sp. C4, C5 һәм C6 штаммнарының туфрак изолятларында биохимик, ферментатив һәм генетик дәрәҗәләрдә киң өйрәнелгән (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (3 нче рәсем). Метаболик юл эфир бәйләнешенең карбарил гидролазасы (CH3) белән гидролизыннан башлана, 1-нафтол, метиламин һәм углекислый газ барлыкка китерә. 1-нафтол аннары 1-нафтол гидроксилаза (1-NH) ярдәмендә 1,2-дигидроксинафталинга әйләнә, ул салицилат һәм гентисат аша үзәк углерод юлы аша метаболизмга керә. Кайбер карбарил деградацияләүче бактерияләрнең аны катехол орто боҗрасын бүлү аша салицил кислотасына әйләндерүе турында хәбәр ителә (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). Шунысы игътибарга лаек, нафталин деградацияләүче бактерияләр, нигездә, салицил кислотасын катехол аша метаболизмга китерә, ә карбарил деградацияләүче бактерияләр салицил кислотасын гентисат юлы аша метаболизмга өстенлек бирәләр.
Нафталинсульфон кислотасы/дисульфон кислотасы һәм нафтиламинсульфон кислотасы туындылары азо буягычлар, дымландыручы агентлар, диспергантлар һ.б. җитештерүдә арадаш продуктлар буларак кулланылырга мөмкин. Бу кушылмалар кешеләр өчен түбән токсиклыкка ия ​​булсалар да, цитотоксиклыкны бәяләү аларның балыклар, дафнияләр һәм суүсемнәр өчен үлемечле булуын күрсәтте (Greim et al., 1994). Pseudomonas ыругы вәкилләре (A3, C22 штаммнары) сульфон кислотасы төркемен үз эченә алган ароматик боҗраның икеләтә гидроксиллануы аша метаболизмны башлап җибәрүләре турында хәбәр ителә, бу дигидродиол барлыкка китерә, ул аннары сульфит төркеменең үзеннән-үзе бүленүе аркасында 1,2-дигидроксинафталинга әйләнә (Brilon et al., 1981). Нәтиҗәдә барлыкка килгән 1,2-дигидроксинафталин классик нафталин юлы, ягъни катехол яки гентисат юлы аша катаболизлана (4 нче рәсем). Аминонафталинсульфон кислотасы һәм гидроксинафталинсульфон кислотасы катнаш бактерия консорциумнары белән комплементар катаболик юллар белән тулысынча таркалырга мөмкин булуы күрсәтелгән (Нортеманн һ.б., 1986). Консорциумның бер әгъзасы аминонафталинсульфон кислотасын яки гидроксинафталинсульфон кислотасын 1,2-диоксигенлаштыру юлы белән десулфуризацияли, ә аминосалицилат яки гидроксисалицилатлар культура мохитенә үле метаболит буларак чыгарыла һәм аннары консорциумның башка әгъзалары тарафыннан үзләштерелә. Нафталинсульфон кислотасы чагыштырмача поляр, ләкин начар биологик таркалучан һәм шуңа күрә төрле юллар аша метаболизмга керә ала. Беренче десулфуризация ароматик боҗраның һәм сульфон кислотасы төркеменең региоселектив дигидроксилизациясе вакытында була; Икенче десулфуризация салицил кислотасы 5-гидроксилаза белән 5-сульфосалицил кислотасын гидроксиллаштыру вакытында була, гентизин кислотасы барлыкка килә, ул үзәк углерод юлына керә (Brilon et al., 1981) (4 нче рәсем). Нафталин таркалуы өчен җаваплы ферментлар шулай ук ​​нафталин сульфонаты метаболизмы өчен дә җаваплы (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
4 нче рәсем. Нафталин сульфонаты таркалуының метаболик юллары. Түгәрәкләр эчендәге саннар нафтил сульфонат метаболизмы өчен җаваплы ферментларны күрсәтә, 3 нче рәсемдә сурәтләнгән ферментларга охшаш/бер үк.
Түбән молекуляр авырлыктагы ПАГлар (ТМВ-ПАГлар) редукцияләнә, гидрофоб һәм начар эри, шуңа күрә табигый таркалуга/деградациягә бирешмиләр. Ләкин аэроб микроорганизмнар молекуляр кислородны (O2) сеңдереп, аны оксидлаштыра алалар. Бу ферментлар, нигездә, оксидоредуктазалар классына керә һәм ароматик боҗра гидроксилизациясе (моно- яки дигидроксилизация), дегидрогенизация һәм ароматик боҗра бүленеше кебек төрле реакцияләрне башкара ала. Бу реакцияләрдән алынган продуктлар югарырак оксидлашу дәрәҗәсендә була һәм үзәк углерод юлы аша җиңелрәк метаболизмга керә (Phale et al., 2020). Деградация юлындагы ферментларның индукцияләнүчән булуы турында хәбәр ителгән. Бу ферментларның активлыгы күзәнәкләр глюкоза яки органик кислоталар кебек гади углерод чыганакларында үстерелгәндә бик түбән яки исәпкә алынмый. 3 нче таблицада нафталин һәм аның туындылары метаболизмында катнашкан төрле ферментлар (оксигеназалар, гидролазалар, дегидрогеназалар, оксидазалар һ.б.) кыскача күрсәтелгән.
3 нче таблица. Нафталин һәм аның туындыларының таркалуына җаваплы ферментларның биохимик үзенчәлекләре.
Радиоизотоп тикшеренүләре (18O2) күрсәткәнчә, оксигеназалар ярдәмендә молекуляр O2-нең ароматик боҗраларга кушылуы кушылманың алга таба биодеградациясен активлаштыруда иң мөһим адым булып тора (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Молекуляр кислородтан (O2) бер кислород атомының (O) субстратка кушылуы эндоген яки экзоген монооксигеназалар (гидроксилазалар дип тә атала) тарафыннан башлана. Тагын бер кислород атомы суга әйләнә. Экзоген монооксигеназалар флавинны NADH яки NADPH белән киметә, ә эндомоноооксигеназаларда флавин субстрат тарафыннан киметә. Гидроксиллашу позициясе продукт формалашуында төрлелеккә китерә. Мәсәлән, салицилат 1-гидроксилаза салицилат кислотасын C1 позициясендә гидроксиллый, катехол барлыкка китерә. Икенче яктан, күп компонентлы салицилат 5-гидроксилаза (редуктаза, ферредоксин һәм оксигеназа субберәмлекләрен үз эченә ала) салицилат кислотасын C5 позициясендә гидроксиллый, гентизин кислотасын барлыкка китерә (Yamamoto et al., 1965).
Диоксигеназалар субстратка ике O2 атомын кертә. Файда булган продуктларга карап, алар боҗралы гидроксиллаучы диоксигеназалар һәм боҗралы бүлүче диоксигеназаларга бүленә. Боҗралы гидроксиллаучы диоксигеназалар ароматлы субстратларны цис-дигидродиолларга (мәсәлән, нафталинга) әйләндерә һәм бактерияләр арасында киң таралган. Бүгенге көнгә кадәр боҗралы гидроксиллаучы диоксигеназалар булган организмнарның төрле ароматлы углерод чыганакларында үсә алуы күрсәтелгән, һәм бу ферментлар NDO (нафталин), толуол диоксигеназа (TDO, толуол) һәм бифенил диоксигеназа (BPDO, бифенил) дип классификацияләнә. NDO да, BPDO да төрле полициклик ароматик углеводородларның (толуол, нитротолуол, ксилол, этилбензол, нафталин, бифенил, фтор, индол, метилнафталин, нафталинсульфонат, фенантрен, антрацен, ацетофенон һ.б.) икеләтә оксидлашуын һәм ян чылбыр гидроксиллашуын катализлый ала (Бойд һәм Шелдрейк, 1998; Фале һ.б., 2020). NDO - оксидоредуктаза, ферредоксин һәм актив үзәкле оксигеназа компонентыннан торган күп компонентлы система (Гибсон һәм Субраманиан, 1984; Ресник һ.б., 1996). NDO каталитик берәмлеге зур α субберәмлегеннән һәм α3β3 конфигурациясендә урнашкан кечкенә β субберәмлегеннән тора. NDO зур оксигеназалар гаиләсенә карый һәм аның α-субберәмлегендә Риске сайты [2Fe-2S] һәм мононуклеар гем булмаган тимер бар, бу NDO субстрат спецификасын билгели (Parales et al., 1998). Гадәттә, бер каталитик циклда пиридин нуклеотидының редукциясеннән ике электрон редуктаза, ферредоксин һәм Риске сайты аша актив сайттагы Fe(II) ионына күчерелә. Редукцияләүче эквивалентлар молекуляр кислородны активлаштыра, бу субстрат дигидроксилизациясе өчен алшарт булып тора (Ferraro et al., 2005). Бүгенге көнгә кадәр төрле штаммнардан бары тик берничә NDO гына чистартылган һәм җентекләп характеристикаланган, һәм нафталин деградациясендә катнашкан юлларның генетик контроле җентекләп өйрәнелгән (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Боҗраны кисү диоксигеназалары (эндо- яки орто-боҗраны кисү ферментлары һәм экзодиол- яки мета-боҗраны кисү ферментлары) гидроксилланган ароматик кушылмаларга тәэсир итә. Мәсәлән, орто-боҗраны кисү диоксигеназасы катехол-1,2-диоксигеназа, ә мета-боҗраны кисү диоксигеназасы катехол-2,3-диоксигеназа (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Төрле оксигеназалардан тыш, ароматик дигидродиолларның, спиртларның һәм альдегидларның дегидрогенизациясе һәм NAD+/NADP+ электрон акцепторлары буларак куллану өчен җаваплы төрле дегидрогеназалар да бар, алар метаболизмда катнашучы мөһим ферментларның кайберләре (Gibson and Subramanian, 1984; Shaw and Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Гидролазалар (эстеразалар, амидазалар) кебек ферментлар ковалент бәйләнешләрне өзү өчен су куллана торган һәм киң субстрат спецификасы күрсәтә торган икенче мөһим ферментлар классы. Карбарил гидролазасы һәм башка гидролазалар Грам-тискәре бактерияләр әгъзаларында периплазманың (трансмембрананың) компонентлары дип санала (Камини һ.б., 2018). Карбарилның амид һәм эфир бәйләнеше бар; шуңа күрә ул эстераза яки амидаза белән гидролизланып, 1-нафтол барлыкка китерергә мөмкин. Rhizobium rhizobium AC10023 штаммындагы карбарил һәм Arthrobacter RC100 штаммындагы карбарил эстераза һәм амидаза буларак эшли дип хәбәр ителә. Arthrobacter RC100 штаммындагы карбарил шулай ук ​​амидаза буларак та эшли. RC100 карбарил, метомил, мефенамин кислотасы һәм XMC кебек дүрт N-метилкарбамат класслы инсектицидны гидролизлый (Hayaatsu et al., 2001). Pseudomonas sp. C5pp составындагы CH карбарилга (100% активлык) һәм 1-нафтил ацетатка (36% активлык) тәэсир итә ала, ләкин 1-нафтилацетамидка тәэсир итми, бу аның эстераза булуын күрсәтә (Trivedi et al., 2016).
Биохимик тикшеренүләр, ферментларны көйләү үрнәкләре һәм генетик анализ күрсәткәнчә, нафталин деградациясе геннары ике индукцияләнә торган көйләү берәмлегеннән яки "опероннардан" тора: nah ("өске юл", нафталинны салицил кислотасына әйләндерә) һәм sal ("аскы юл", салицил кислотасын катехол аша үзәк углерод юлына әйләндерә). Салицил кислотасы һәм аның аналоглары индукторлар булып хезмәт итә ала (Shamsuzzaman һәм Barnsley, 1974). Глюкоза яки органик кислоталар булганда, оперон бастырыла. 5 нче рәсемдә нафталин деградациясенең тулы генетик оешмасы күрсәтелгән (оперон формасында). Nah генының берничә аталган варианты/формасы (ndo/pah/dox) тасвирланган һәм барлык Pseudomonas төрләре арасында югары эзлеклелек гомологиясенә (90%) ия булуы ачыкланган (Abbasian et al., 2016). Нафталин өске юлының геннары, гадәттә, 5А рәсемендә күрсәтелгәнчә, консенсус тәртибендә урнаштырылган. Тагын бер ген, nahQ, шулай ук ​​нафталин метаболизмында катнашуы турында хәбәр ителде һәм гадәттә nahC һәм nahE арасында урнашкан, ләкин аның чын функциясе әлегә ачыкланмаган. Шулай ук, нафталинга сизгер хемотаксис өчен җаваплы nahY гены кайбер әгъзаларда nah оперонының дисталь очында табылган. Ralstonia sp.-та глутатион S-трансферазаны (gsh) кодлаучы U2 гены nahAa һәм nahAb арасында урнашкан, ләкин нафталинны куллану үзенчәлекләренә тәэсир итмәгән (Zylstra et al., 1997).
5 нче рәсем. Бактерия төрләре арасында нафталин деградациясе вакытында күзәтелгән генетик оешма һәм төрлелек; (A) Өске нафталин юлы, нафталинның салицил кислотасына метаболизмы; (B) Аскы нафталин юлы, салицил кислотасының катехол аша үзәк углерод юлына күчүе; (C) салицил кислотасының гентисат аша үзәк углерод юлына күчүе.
"Аскы юл" (sal оперон) гадәттә nahGTHINLMOKJ дан тора һәм катехол метаторлаштыручы бүленеш юлы аша салицилатны пируватка һәм ацетальдегидка әйләндерә. nahG гены (салицилат гидроксилазасын кодлый) оперонның проксималь очында сакланганлыгы ачыкланган (5B рәсем). Башка нафталинны таркатучы штаммнар белән чагыштырганда, P. putida CSV86 да nah һәм sal опероннары тандем һәм бик тыгыз бәйләнгән (якынча 7,5 кб). Кайбер Грам-тискәре бактерияләрдә, мәсәлән, Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 һәм P. putida AK5, нафталин гентисат юлы аша үзәк углерод метаболиты буларак метаболизмга керә (sgp/nag оперон формасында). Ген кассетасы гадәттә nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI формасында күрсәтелә, анда nagR (LysR тибындагы регуляторны кодлый) өске очта урнашкан (5C рәсем).
Карбарил үзәк углерод циклына 1-нафтол, 1,2-дигидроксинафталин, салицил кислотасы һәм гентизин кислотасы метаболизмы аша керә (3 нче рәсем). Генетик һәм метаболик тикшеренүләргә нигезләнеп, бу юлны "өскә" (карбарилның салицил кислотасына әйләнүе), "урта" (салицил кислотасының гентизин кислотасына әйләнүе) һәм "аска" (гентизин кислотасының үзәк углерод юлының арадашчы продуктларына әйләнүе) дип бүлү тәкъдим ителде (Singh et al., 2013). C5pp (supercontig A, 76.3 kb) геном анализы күрсәткәнчә, mcbACBDEF гены карбарилны салицил кислотасына әйләндерүдә катнаша, аннары салицил кислотасын гентизин кислотасына әйләндерүдә mcbIJKL, ә гентизин кислотасын үзәк углерод арадаш матдәләренә (фумарат һәм пируват, Триведи һ.б., 2016) әйләндерүдә mcbOQP катнаша (6 нчы рәсем).
Ароматик углеводородларның (шул исәптән нафталин һәм салицил кислотасы) таркалуында катнашкан ферментларның тиешле кушылмалар белән индукцияләнергә һәм глюкоза яки органик кислоталар кебек гади углерод чыганаклары белән ингибирланырга мөмкинлеге турында хәбәр ителгән (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Нафталин һәм аның туындыларының төрле метаболик юллары арасында нафталин һәм карбарилның көйләү үзенчәлекләре билгеле бер дәрәҗәдә өйрәнелгән. Нафталин өчен, югары һәм түбән агым юлларындагы геннар LysR тибындагы транс-эффектлы уңай регулятор NahR белән көйләнә. Ул салицил кислотасы белән nah генын индукцияләү һәм аның аннан соңгы югары дәрәҗәдәге экспрессиясе өчен кирәк (Yen һәм Gunsalus, 1982). Моннан тыш, тикшеренүләр күрсәткәнчә, интегратив хуҗа факторы (IHF) һәм XylR (sigma 54-бәйле транскрипция регуляторы) нафталин метаболизмында геннарның транскрипция активлашуы өчен дә мөһим (Ramos et al., 1997). Тикшеренүләр күрсәткәнчә, катехол мета-боҗра ачу юлының ферментлары, атап әйткәндә, катехол 2,3-диоксигеназа, нафталин һәм/яки салицил кислотасы катнашында индукцияләнә (Basu et al., 2006). Тикшеренүләр күрсәткәнчә, катехол орто-боҗра ачу юлының ферментлары, атап әйткәндә, катехол 1,2-диоксигеназа, бензой кислотасы һәм цис,цис-муконат катнашында индукцияләнә (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
C5pp штаммында биш ген, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR һәм mcbS, карбарил деградациясен контрольдә тоту өчен җаваплы булган LysR/TetR транскрипция регуляторлары гаиләсенә караган регуляторларны кодлый. Гомологик mcbG гены Burkholderia RP00725'тә фенантрен метаболизмында катнашучы LysR тибындагы регулятор PhnS (58% аминокислота охшашлыгы) белән иң якын бәйләнештә булуы ачыкланды (Trivedi et al., 2016). mcbH гены арадаш юлда (салицил кислотасын гентизин кислотасына әйләндерү) катнашуы ачыкланды һәм Pseudomonas һәм Burkholderia'да LysR тибындагы транскрипция регуляторы NagR/DntR/NahR'га карый. Бу гаилә әгъзалары салицил кислотасын деградация геннарын индукцияләү өчен махсус эффектор молекуласы буларак таныйлар дип хәбәр ителде. Икенче яктан, LysR һәм TetR тибындагы транскрипция регуляторларына караган өч ген, mcbN, mcbR һәм mcbS, аскы агым юлында (гентисат-үзәк углерод юлының метаболитлары) ачыкланган.
Прокариотларда плазмидалар, транспозоннар, профаглар, геном утраулары һәм интегратив конъюгатив элементлар (ICE) аша горизонталь ген күчерү процесслары (алу, алмашу яки күчерү) бактерия геномнарында пластиклыкның төп сәбәпләре булып тора, бу билгеле бер функцияләрнең/үзенчәлекләрнең артуына яки югалуына китерә. Бу бактерияләргә төрле мохит шартларына тиз җайлашырга мөмкинлек бирә, хуҗага потенциаль адаптив метаболик өстенлекләр бирә, мәсәлән, ароматик кушылмаларның таркалуы. Метаболик үзгәрешләр еш кына таркалу опероннарын, аларның көйләү механизмнарын һәм фермент спецификасын көйләү аша ирешелә, бу ароматик кушылмаларның киңрәк диапазонының таркалуын җиңеләйтә (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Нафталин таркалуы өчен ген кассеталар плазмидалар (конъюгатив һәм конъюгатив булмаган), транспозоннар, геномнар, ICEлар һәм төрле бактерия төрләренең комбинацияләре кебек төрле күчмә элементларда урнашканлыгы ачыкланган (5 нче рәсем). Pseudomonas G7 плазмидасында NAH7 плазмидының nah һәм sal опероннары бер үк юнәлештә транскрипцияләнә һәм мобилизация өчен Tn4653 транспозазасын таләп итә торган кимчелекле транспозонның бер өлеше булып тора (Sota et al., 2006). Pseudomonas NCIB9816-4 штаммында ген конъюгатив плазмид pDTG1да ике оперон (якынча 15 кб аралы) буларак табылган, алар капма-каршы юнәлешләрдә транскрипцияләнгән (Dennis and Zylstra, 2004). Pseudomonas putida AK5 штаммында конъюгатив булмаган плазмид pAK5 гентисат юлы аша нафталин деградациясе өчен җаваплы ферментны кодлый (Izmalkova et al., 2013). Pseudomonas PMD-1 штаммында nah опероны хромосомада урнашкан, ә sal опероны pMWD-1 конъюгатив плазмидасында урнашкан (Zuniga et al., 1981). Ләкин, Pseudomonas stutzeri AN10да барлык нафталин деградациясе геннары (nah һәм sal опероннары) хромосомада урнашкан һәм, мөгаен, транспозиция, рекомбинация һәм яңадан урнашу вакыйгалары аша җәлеп ителә (Bosch et al., 2000). Pseudomonas sp. CSV86да nah һәм sal опероннары геномда ICE (ICECSV86) формасында урнашкан. Структура tRNAGly белән саклана, аннан соң рекомбинация/беркетү урыннарын (attR һәм attL) һәм tRNAGlyның ике очында урнашкан фагсыман интегразаны күрсәтүче туры кабатлаулар килә, шуңа күрә структурасы буенча ICEclc элементына (Pseudomonas knackmusii'да хлорокатехол деградациясе өчен ICEclcB13) охшаш. ICE'дагы геннар бик түбән тапшыру ешлыгы белән (10-8) конъюгация юлы белән күчерелергә мөмкин, шуның белән деградация үзлекләрен реципиентка тапшырырга мөмкин дип хәбәр ителә (Basu һәм Phale, 2008; Phale һ.б., 2019).
Карбарил деградациясе өчен җаваплы геннарның күбесе плазмидада урнашкан. Arthrobacter sp. RC100 өч плазмиданы (pRC1, pRC2 һәм pRC300) үз эченә ала, аларның икесе конъюгатив плазмид, pRC1 һәм pRC2, карбарилны гентисатка әйләндерә торган ферментларны кодлый. Икенче яктан, гентисатны үзәк углерод метаболитларына әйләндерүдә катнашкан ферментлар хромосомада урнашкан (Hayaatsu et al., 1999). Rhizobium ыругының бактерияләре. Карбарилны 1-нафтолго әйләндерү өчен кулланыла торган AC100 штаммы pAC200 плазмидасын үз эченә ала, ул CHны кодлаучы cehA генын Tnceh транспозонының бер өлеше буларак йөртә, ул инсерция элементсыман эзлеклелекләр (istA һәм istB) белән әйләндереп алынган (Hashimoto et al., 2002). Sphingomonas CF06 штаммында карбарил деградациясе гены биш плазмидада бар дип санала: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 һәм pCF05. Бу плазмидларның ДНК гомологиясе югары, бу геннарның дупликациясе вакыйгасы булуын күрсәтә (Feng et al., 1997). Ике Pseudomonas төреннән торган карбарил деградацияләүче симбионтта 50581 штаммы mcd карбарил гидролаза генын кодлый торган конъюгатив плазмид pCD1 (50 kb) бар, ә 50552 штаммындагы конъюгатив плазмид 1-нафтол деградацияләүче ферментны кодлый (Chapalamadugu һәм Chaudhry, 1991). Achromobacter WM111 штаммында mcd furadan гидролаза гены 100 kb плазмидада (pPDL11) урнашкан. Бу ген төрле географик төбәкләрдән төрле бактерияләрдә төрле плазмидларда (100, 105, 115 яки 124 кб) булуы күрсәтелгән (Парек һ.б., 1995). Pseudomonas sp. C5pp'та карбарил деградациясе өчен җаваплы барлык геннар да 76,3 кб эзлеклелекне үз эченә алган геномда урнашкан (Trivedi һ.б., 2016). Геном анализы (6,15 Мб) 42 MGE һәм 36 GEI булуын ачыклады, шуларның 17 MGE'сы суперконтиг А'да (76,3 кб) урнашкан, уртача асимметрик G+C эчтәлеге (54–60 моль%), бу горизонталь ген күчерү вакыйгалары булуын күрсәтә (Trivedi һ.б., 2016). P. putida XWY-1 карбарил деградацияләүче геннарның охшаш урнашуын күрсәтә, ләкин бу геннар плазмидада урнашкан (Zhu һ.б., 2019).
Биохимик һәм геном дәрәҗәләрендә метаболик нәтиҗәлелектән тыш, микроорганизмнар шулай ук ​​хемотаксис, күзәнәк өслеген үзгәртү үзлекләре, бүлекләргә бүленү, өстенлекле куллану, биосурфактант җитештерү һ.б. кебек башка үзлекләр яки җаваплар күрсәтәләр, бу аларга пычранган мохиттә хуш исле пычраткыч матдәләрне нәтиҗәлерәк метаболизмга китерергә ярдәм итә (7 нче рәсем).
7 нче рәсем. Чит пычраткыч кушылмаларны нәтиҗәле биологик яктан таркату өчен идеаль ароматлы углеводородларны таркатучы бактерияләрнең төрле күзәнәк җавап стратегияләре.
Хемотаксик реакцияләр гетероген пычранган экосистемаларда органик пычраткыч матдәләрнең таркалуын көчәйтүче факторлар дип санала. (2002) Pseudomonas sp. G7 хемотаксисының нафталинга су системаларында нафталин таркалу тизлеген арттыруын күрсәтте. Кыргый типтагы G7 штаммы нафталинны хемотаксис җитмәгән мутант штаммга караганда күпкә тизрәк таркатты. NahY аксымының (мембрана топологиясе белән 538 аминокислота) NAH7 плазмидасында метаклеаваж юл геннары белән бергә транскрипцияләнүе ачыкланды, һәм хемотаксис трансдюсерлары кебек үк, бу аксым нафталин таркалуы өчен хеморецептор булып эшли кебек (Grimm and Harwood 1997). Hansel һ.б. (2009) тарафыннан үткәрелгән тагын бер тикшеренү аксымның хемотаксик булуын, ләкин аның таркалу тизлеге югары булуын күрсәтте. (2011) Pseudomonas (P. putida) газсыман нафталинга хемотаксик җавап күрсәтте, анда газ фазасы диффузиясе күзәнәкләргә нафталинның тотрыклы агымына китерде, бу күзәнәкләрнең хемотаксик җавапларын контрольдә тотты. Тикшеренүчеләр бу хемотаксик үз-үзен таркалу тизлеген арттырачак микробларны булдыру өчен файдаландылар. Тикшеренүләр күрсәткәнчә, хемосенсор юллар шулай ук ​​күзәнәк бүленеше, күзәнәк циклын көйләү һәм биофильм формалашуы кебек башка күзәнәк функцияләрен дә көйли, шуның белән таркалу тизлеген контрольдә тотарга ярдәм итә. Ләкин, бу үзенчәлекне (хемотаксис) нәтиҗәле таркалу өчен куллану берничә киртә белән тоткарлана. Төп киртә: (а) төрле паралог рецепторлар бер үк кушылмаларны/лигандларны таный; (б) альтернатив рецепторларның булуы, ягъни энергетик тропизм; (в) бер үк рецептор гаиләсенең сизү өлкәләрендәге эзлеклелекнең сизелерлек аермалары; һәм (г) төп бактериаль сенсор аксымнары турында мәгълүмат җитмәү (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Кайвакыт ароматик углеводородларның биодеградациясе берничә метаболит/арадаш матдәләр барлыкка китерә, алар бер бактерия төркеме өчен хемотактик, ә башкалар өчен җирәнгеч булырга мөмкин, бу процессны тагын да катлауландыра. Лигандларның (ароматик углеводородлар) химик рецепторлар белән үзара бәйләнешен ачыклау өчен, без Pseudomonas putida һәм Escherichia coli сенсор һәм сигнал доменнарын кушып, гибрид сенсор аксымнарын (PcaY, McfR һәм NahY) төзедек, алар ароматик кислоталар, TCA арадаш матдәләре һәм нафталин рецепторларына юнәлтелгән (Luu et al., 2019).
Нафталин һәм башка полициклик ароматик углеводородлар (ПАУ) йогынтысында бактерия мембранасы структурасы һәм микроорганизмнарның бөтенлеге сизелерлек үзгәрешләргә дучар була. Тикшеренүләр күрсәткәнчә, нафталин гидрофоб үзара бәйләнешләр аша ацил чылбырының үзара бәйләнешенә комачаулый, шуның белән мембрананың шешенүен һәм сыеклыгын арттыра (Sikkema et al., 1995). Бу зарарлы йогынтыга каршы тору өчен, бактерияләр мембрана сыеклыгын изо/антеизо тармакланган чылбырлы май кислоталары арасындагы нисбәтне һәм май кислотасы составын үзгәртеп һәм цис-туендырылмаган май кислоталарын тиешле транс-изомерларга изомерлаштырып көйлиләр (Heipieper and de Bont, 1994). Нафталин белән эшкәртүдә үстерелгән Pseudomonas stutzeri'да туендырылган һәм туендырылмаган май кислотасы нисбәте 1,1 дән 2,1 гә кадәр арткан, ә Pseudomonas JS150'дә бу нисбәт 7,5 тән 12,0 гә кадәр арткан (Mrozik et al., 2004). Нафталинда үстерелгәндә, Achromobacter KAs 3–5 күзәнәкләре нафталин кристаллары тирәсендә күзәнәк агрегациясен һәм күзәнәк өслеге зарядының кимүен (-22,5 дән -2,5 мВ га кадәр) күрсәтте, бу цитоплазматик конденсация һәм вакуолизация белән бергә барды, бу күзәнәк структурасында һәм күзәнәк өслеге үзлекләрендәге үзгәрешләрне күрсәтә (Mohapatra һ.б., 2019). Күзәнәк/өслек үзгәрешләре ароматик пычраткыч матдәләрне яхшырак үзләштерү белән турыдан-туры бәйле булса да, тиешле биоинженерия стратегияләре тулысынча оптимальләштерелмәгән. Күзәнәк формасын манипуляцияләү биологик процессларны оптимальләштерү өчен сирәк кулланылды (Volke һәм Nikel, 2018). Күзәнәк бүленешенә тәэсир итүче геннарны бетерү күзәнәк морфологиясендә үзгәрешләргә китерә. Күзәнәк бүленешенә тәэсир итүче геннарны бетерү күзәнәк морфологиясендә үзгәрешләргә китерә. Bacillus subtilis күзәнәк пердесе аксымы SepF перде формалашуында катнаша һәм күзәнәк бүленешенең киләсе адымнары өчен кирәк, ләкин ул мөһим ген түгел. Bacillus subtilis'та пептид-гликан гидролазаларын кодлаучы геннарны бетерү күзәнәкнең озынаюына, үсешнең специфик тизлегенең артуына һәм фермент җитештерү сәләтенең яхшыруына китерде (Cui һ.б., 2018).
Карбарил деградациясе юлын бүлекләргә бүлү Pseudomonas C5pp һәм C7 штаммнарын нәтиҗәле деградацияләүгә ирешү өчен тәкъдим ителде (Kamini et al., 2018). Карбарилның тышкы мембрана пердесе аша һәм/яки диффузияләнүче пориннар аша периплазматик киңлеккә күчерелүе тәкъдим ителә. CH - карбарилның гидролизын 1-нафтолго катализлаучы периплазматик фермент, ул тотрыклырак, гидрофобрак һәм агулырак. CH периплазмада локализацияләнгән һәм карбарилга түбән аффинитетка ия, шулай итеп 1-нафтол формалашуын контрольдә тота, шуның белән аның күзәнәкләрдә туплануын булдырмый һәм күзәнәкләр өчен токсиклыгын киметә (Kamini et al., 2018). Нәтиҗәдә барлыкка килгән 1-нафтол цитоплазмага эчке мембрана аша бүленеш һәм/яки диффузия юлы белән күчерелә, аннары үзәк углерод юлында алга таба метаболизм өчен югары аффинитетлы 1NH ферменты белән 1,2-дигидроксинафталинга гидроксилләнә.
Микроорганизмнар ксенобиотик углерод чыганакларын таркату өчен генетик һәм метаболик мөмкинлекләргә ия булсалар да, аларны куллануның иерархик структурасы (ягъни, катлаулы углерод чыганакларына караганда гади чыганакларны өстенлекле куллану) биодеградациягә зур киртә булып тора. Гади углерод чыганакларының булуы һәм кулланылуы ПАГ кебек катлаулы/өстенлекле булмаган углерод чыганакларын таркатучы ферментларны кодлаучы геннарны киметә. Яхшы өйрәнелгән мисал - глюкоза һәм лактоза Escherichia coli белән бергә кулланылганда, глюкоза лактозага караганда нәтиҗәлерәк кулланыла (Jacob and Monod, 1965). Pseudomonas төрле ПАГларны һәм ксенобиотик кушылмаларны углерод чыганаклары буларак таркатуы турында хәбәр ителгән. Pseudomonas'та углерод чыганакларын куллану иерархиясе органик кислоталар > глюкоза > ароматик кушылмалар (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Ләкин, искәрмә бар. Кызыклысы шунда ки, Pseudomonas sp. CSV86 глюкоза урынына ароматик углеводородларны (бензой кислотасы, нафталин һ.б.) өстенлекле куллана торган һәм ароматик углеводородларны органик кислоталар белән бергә метаболизмга китерә торган уникаль иерархик структура күрсәтә (Basu et al., 2006). Бу бактериядә ароматик углеводородларның таркалуы һәм ташылуы өчен геннар глюкоза яки органик кислоталар кебек икенче углерод чыганагы булганда да кимеми. Глюкоза һәм ароматик углеводородлар мохитендә үстерелгәндә, глюкоза ташу һәм метаболизмы өчен геннар кимеми, ароматик углеводородлар беренче логарифм фазасында, ә глюкоза икенче логарифм фазасында кулланылуы күзәтелде (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Икенче яктан, органик кислоталарның булуы ароматик углеводородлар метаболизмы экспрессиясенә тәэсир итмәде, шуңа күрә бу бактерия биодеградация тикшеренүләре өчен кандидат штамм булыр дип көтелә (Phale et al., 2020).
Углеводород биотрансформациясенең микроорганизмнарда оксидлашу стрессына һәм антиоксидант ферментларның көчәюенә китерергә мөмкинлеге билгеле. Стационар фаза күзәнәкләрендә дә, агулы кушылмалар булганда да нафталинның нәтиҗәсез биодеградациясе реактив кислород төрләре (ROS) барлыкка килүенә китерә (Kang et al. 2006). Нафталинны деградацияләүче ферментлар тимер-көкерт кластерларын үз эченә алганлыктан, оксидлашу стрессы астында гемдагы тимер һәм тимер-көкерт аксымнары оксидлашачак, бу аксымның активсызлануына китерә. Ферредоксин-NADP+ редуктаза (Fpr), супероксид дисмутаза (SOD) белән бергә, NADP+/NADPH һәм ике ферредоксин яки флаводоксин молекуласы арасындагы кире кайтарыла торган оксидлашу-калыбына китерү реакциясен җайга сала, шуның белән ROSны чистарта һәм оксидлашу стрессы астында тимер-көкерт үзәген торгыза (Li et al. 2006). Pseudomonas'та Fpr һәм SodA (SOD) оксидлашу стрессы белән китереп чыгарылырга мөмкин дип хәбәр ителә, һәм нафталин өстәлгән шартларда үсеш вакытында дүрт Pseudomonas штаммында (O1, W1, As1 һәм G1) SOD һәм каталаза активлыгы артуы күзәтелгән (Kang et al., 2006). Тикшеренүләр күрсәткәнчә, аскорбин кислотасы яки тимер (Fe2+) кебек антиоксидантлар өстәү нафталинның үсеш тизлеген арттырырга мөмкин. Rhodococcus erythropolis нафталин мохитендә үскәндә, sodA (Fe/Mn супероксид дисмутаза), sodC (Cu/Zn супероксид дисмутаза) һәм recA кебек оксидлашу стрессы белән бәйле цитохром P450 геннарының транскрипциясе арткан (Sazykin et al., 2019). Нафталинда үстерелгән Pseudomonas күзәнәкләренең чагыштырмача санлы протеомик анализы оксидатив стресс реакциясе белән бәйле төрле аксымнарның артуы стресс белән көрәшү стратегиясе булуын күрсәтте (Herbst et al., 2013).
Микроорганизмнарның гидрофоб углерод чыганаклары тәэсирендә биосурфактантлар җитештерүе турында хәбәр ителә. Бу өслек актив матдәләр - нефть-су яки һава-су чикләрендә агрегатлар барлыкка китерә алырлык амфифиль өслек актив кушылмалар. Бу ялган эрүне стимуллаштыра һәм ароматик углеводородларның адсорбциясен җиңеләйтә, нәтиҗәдә нәтиҗәле биодеградациягә китерә (Рахман һ.б., 2002). Бу үзенчәлекләр аркасында биосурфактантлар төрле тармакларда киң кулланыла. Бактериаль культураларга химик өслек актив матдәләр яки биосурфактантлар өстәү углеводород деградациясенең нәтиҗәлелеген һәм тизлеген арттыра ала. Биосурфактантлар арасында Pseudomonas aeruginosa тарафыннан җитештерелгән рамнолипидлар киң өйрәнелгән һәм характерланган (Hisatsuka һ.б., 1971; Рахман һ.б., 2002). Моннан тыш, башка төр биосурфактантлар арасында липопептидлар (Pseudomonas fluorescens муциннары), 378 эмульгаторы (Pseudomonas fluorescens) (Розенберг һәм Рон, 1999), Rhodococcus'тан трегалоза дисахарид липидлары (Ramdahl, 1985), Bacillus'тан лихенин (Saraswathy һәм Hallberg, 2002) һәм Bacillus subtilis'тан (Siegmund һәм Wagner, 1991) һәм Bacillus amyloliquefaciens'тан (Zhi һ.б., 2017) өслек актив матдәләр бар. Бу көчле өслек актив матдәләрнең өслек киеренкелеген 72 дин/см2 дан 30 дин/см2 га кадәр киметүе күрсәтелгән, бу углеводородларның яхшырак сеңүенә мөмкинлек бирә. Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia һәм башка бактерия төрләренең нафталин һәм метилнафталин мохитендә үстерелгәндә төрле рхамнолипид һәм гликолипид нигезендәге биосурфактантлар җитештерә алуы турында хәбәр ителгән (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 нафтой кислотасы кебек ароматик кушылмаларда үстерелгәндә күзәнәктән тыш биосурфактант Biosur-Pm җитештерә ала (Phale et al., 1995). Biosur-Pm формалашу кинетикасы аның синтезы үсешкә һәм рН-ка бәйле процесс булуын күрсәтте. Нейтраль рН-та күзәнәкләр тарафыннан җитештерелгән Biosur-Pm күләме рН 8,5-кә караганда югарырак булуы ачыкланды. рН 8,5-тә үстерелгән күзәнәкләр рН 7,0-та үстерелгән күзәнәкләргә караганда гидрофобрак һәм ароматик һәм алифатик кушылмаларга югарырак якынлыкка ия ​​иде. Rhodococcus spp.-та. N6, югарырак углерод һәм азот (C:N) нисбәте һәм тимер чикләүләре - күзәнәктән тыш биосурфактантлар җитештерү өчен оптималь шартлар (Mutalik et al., 2008). Штаммнарны һәм ферментацияне оптимальләштерү юлы белән биосурфактантларның (сурфактиннар) биосинтезын яхшырту омтылышлары ясалды. Ләкин культура мохитендә сурфактант титры түбән (1,0 г/л), бу зур күләмле җитештерү өчен кыенлыклар тудыра (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Шуңа күрә аның биосинтезын яхшырту өчен ген инженериясе ысуллары кулланылды. Ләкин, оперонның зурлыгы (∼25 кб) һәм кворум сизү системасының катлаулы биосинтетик көйләнеше аркасында аны инженерлык модификацияләү авыр (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Bacillus бактерияләрендә берничә генетик инженерия модификациясе үткәрелде, алар, нигездә, промоторны (srfA оперон) алыштыру, YerP сурфактин экспорт аксымын һәм ComX һәм PhrC көйләүче факторларын артык экспрессияләү юлы белән сурфактин җитештерүне арттыруга юнәлтелгән (Jiao et al., 2017). Ләкин бу генетик инженерия ысуллары бер яки берничә генетик модификациягә генә иреште һәм әлегә коммерция җитештерүенә ирешмәде. Шуңа күрә белемгә нигезләнгән оптимизация ысулларын өйрәнү кирәк.
PAH биологик таркалуын өйрәнү, нигездә, стандарт лаборатория шартларында үткәрелә. Ләкин, пычранган урыннарда яки пычранган мохиттә, күп кенә абиотик һәм биотик факторларның (температура, рН, кислород, туклыклы матдәләрнең булуы, субстратның биологик булуы, башка ксенобиотиклар, соңгы продуктларның тоткарлануы һ.б.) микроорганизмнарның таркалу сәләтен үзгәртүе һәм аңа йогынты ясавы күрсәтелгән.
Температура PAH биологик таркалуына сизелерлек йогынты ясый. Температура арткан саен, эрегән кислород концентрациясе кими, бу аэроб микроорганизмнар метаболизмына тәэсир итә, чөнки аларга гидроксилизация яки боҗра бүленеше реакцияләрен башкара торган оксигеназалар өчен субстратларның берсе буларак молекуляр кислород кирәк. Еш кына югары температураның төп PAHларны агулырак кушылмаларга әйләндерүе, шуның белән биологик таркалуны тоткарлавы билгеләп үтелә (Muller et al., 1998).
Күп кенә PAH белән пычранган урыннарның, мәсәлән, кислота шахталары дренажы белән пычранган урыннарның (рН 1–4) һәм селтеле сыеклык белән пычранган табигый газ/күмер газификациясе урыннарының (рН 8–12) рН күрсәткечләренең югары булуы билгеләп үтелде. Бу шартлар биодеградация процессына җитди йогынты ясый ала. Шуңа күрә, микроорганизмнарны биоремедиация өчен куллану алдыннан, селтеле туфраклар өчен аммоний сульфаты яки аммоний нитраты кебек яраклы химик матдәләрне (уртачадан бик түбән оксидлашу-кайтару потенциалы белән) өстәп, яки кислоталы урыннар өчен кальций карбонаты яки магний карбонаты белән известьләп, рНны көйләргә киңәш ителә (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020).
Зыян күргән зонага кислород белән тәэмин итү PAH биологик таркалу тизлеген чикләүче фактор булып тора. Әйләнә-тирә мохитнең редокс шартлары аркасында, in situ биоремедиация процесслары гадәттә тышкы чыганаклардан кислород кертүне таләп итә (туфрак эшкәртү, һаваны чистарту һәм химик өстәмәләр) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) пычранган су катламына магний пероксидын (кислород чыгаручы кушылма) өстәү BTEX кушылмаларын нәтиҗәле биоремедиацияли алуын күрсәттеләр. Башка бер тикшеренүдә пычранган су катламында фенол һәм BTEXның in situ таркалуы натрий нитратын кертү һәм экстракция коелары төзү юлы белән тикшерелде, бу нәтиҗәле биоремедиациягә ирешү өчен кулланыла (Bewley and Webb, 2001).