Maqola “Ilg‘or bioremediatsiya texnologiyalari va sintetik organik birikmalarni (SOC) qayta ishlash jarayonlari” tadqiqot mavzusining bir qismidir. Barcha 14 ta maqolani ko‘ring.
Naftalin va uning o'rnini bosuvchi naftalinlar (metilnaftalin, naftoy kislotasi, 1-naftil-N-metilkarbamat va boshqalar) kabi past molekulyar og'irlikdagi politsiklik aromatik uglevodorodlar (PAH) turli sohalarda keng qo'llaniladi va organizmlar uchun genotoksik, mutagen va/yoki kanserogen hisoblanadi. Ushbu sintetik organik birikmalar (SOC) yoki ksenobiotiklar ustuvor ifloslantiruvchi moddalar hisoblanadi va global atrof-muhit va aholi salomatligiga jiddiy tahdid soladi. Inson faoliyatining intensivligi (masalan, ko'mirni gazlashtirish, neftni qayta ishlash, transport vositalarining chiqindilari va qishloq xo'jaligida qo'llanilishi) ushbu keng tarqalgan va doimiy birikmalarning konsentratsiyasini, taqdirini va tashilishini belgilaydi. Fizik va kimyoviy tozalash/olib tashlash usullaridan tashqari, POClarni butunlay parchalashga yoki ularni toksik bo'lmagan qo'shimcha mahsulotlarga aylantirishga qodir mikroorganizmlardan foydalanadigan bioremediatsiya kabi yashil va ekologik toza texnologiyalar xavfsiz, tejamkor va istiqbolli alternativa sifatida paydo bo'ldi. Tuproq mikrobiotasidagi Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia va Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus va Paenibacillus) va Actinobacteria (Rhodococcus va Arthrobacter) filalariga mansub turli xil bakteriyalar turlari turli xil organik birikmalarni parchalash qobiliyatini namoyish etdi. Metabolik tadqiqotlar, genomik va metagenomik tahlil bizga ushbu oddiy hayot shakllarida mavjud bo'lgan katabolik murakkablik va xilma-xillikni tushunishga yordam beradi, bu esa keyinchalik samarali bioparchalanish uchun qo'llanilishi mumkin. PAHlarning uzoq muddatli mavjudligi plazmidlar, transpozonlar, bakteriofaglar, genomik orollar va integrativ konjugativ elementlar kabi genetik elementlardan foydalangan holda gorizontal gen uzatish orqali yangi parchalanish fenotiplarining paydo bo'lishiga olib keldi. Muayyan izolatlar yoki model jamoalarning (konsorsiumlar) tizim biologiyasi va genetik muhandisligi sinergetik ta'sirlar orqali ushbu PAHlarning keng qamrovli, tez va samarali bioremediatsiyasini ta'minlashi mumkin. Ushbu sharhda biz naftalin va uning o'rnini bosuvchi naftalin parchalovchi bakteriyalarning turli metabolik yo'llari va xilma-xilligi, genetik tarkibi va xilma-xilligi hamda hujayrali javoblari/moslashuvlariga e'tibor qaratamiz. Bu dala qo'llanilishi uchun ekologik ma'lumot va samarali bioremediatsiya uchun shtammlarni optimallashtirish imkonini beradi.
Sanoatning jadal rivojlanishi (neft-kimyo, qishloq xo'jaligi, farmatsevtika, to'qimachilik bo'yoqlari, kosmetika va boshqalar) global iqtisodiy farovonlik va turmush darajasining yaxshilanishiga hissa qo'shdi. Ushbu eksponensial rivojlanish turli xil mahsulotlarni ishlab chiqarishda ishlatiladigan ko'p miqdordagi sintetik organik birikmalar (SOC) ishlab chiqarilishiga olib keldi. Bu xorijiy birikmalar yoki SOClar politsiklik aromatik uglevodorodlar (PAU), pestitsidlar, gerbitsidlar, plastifikatorlar, bo'yoqlar, farmatsevtika mahsulotlari, organofosfatlar, olovni saqlovchi moddalar, uchuvchan organik erituvchilar va boshqalarni o'z ichiga oladi. Ular atmosferaga, suv va quruqlikdagi ekotizimlarga chiqariladi, bu yerda ular ko'p o'lchovli ta'sir ko'rsatadi va fizik-kimyoviy xususiyatlar va jamoa tuzilishini o'zgartirish orqali turli bioformalarga zararli ta'sir ko'rsatadi (Petrie va boshqalar, 2015; Bernhardt va boshqalar, 2017; Sarkar va boshqalar, 2020). Ko'plab aromatik ifloslantiruvchi moddalar ko'plab buzilmagan ekotizimlar/bioxilma-xillikning qaynoq nuqtalariga (masalan, marjon riflari, Arktika/Antarktika muzliklari, baland tog' ko'llari, chuqur dengiz cho'kindilari va boshqalar) kuchli va halokatli ta'sir ko'rsatadi (Jones 2010; Beyer va boshqalar, 2020; Nordborg va boshqalar, 2020). Yaqinda o'tkazilgan geomikrobiologik tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, sintetik organik moddalarning (masalan, aromatik ifloslantiruvchi moddalar) va ularning hosilalarining sun'iy inshootlar (qurilgan muhit) (masalan, madaniy meros ob'ektlari va granit, tosh, yog'och va metalldan yasalgan yodgorliklar) yuzasiga cho'kishi ularning parchalanishini tezlashtiradi (Gadd 2017; Liu va boshqalar, 2018). Inson faoliyati havo ifloslanishi va iqlim o'zgarishi orqali yodgorliklar va binolarning biologik parchalanishini kuchaytirishi va yomonlashtirishi mumkin (Liu va boshqalar, 2020). Bu organik ifloslantiruvchi moddalar atmosferadagi suv bug'i bilan reaksiyaga kirishadi va strukturaga joylashadi, bu esa materialning fizik va kimyoviy parchalanishiga olib keladi. Biologik parchalanish tirik organizmlar tomonidan materiallarning tashqi ko'rinishi va xususiyatlarida ularning saqlanishiga ta'sir qiluvchi kiruvchi o'zgarishlar sifatida keng tan olingan (Pochon va Jaton, 1967). Ushbu birikmalarning keyingi mikrobial ta'siri (metabolizmi) strukturaviy yaxlitlikni, saqlash samaradorligini va madaniy qiymatini pasaytirishi mumkin (Gadd, 2017; Liu va boshqalar, 2018). Boshqa tomondan, ba'zi hollarda, mikrobiallarning ushbu tuzilmalarga moslashishi va ularga javob berishi foydali ekanligi aniqlandi, chunki ular parchalanish/parchalanish tezligini kamaytiradigan biofilmlar va boshqa himoya qobiqlarini hosil qiladi (Martino, 2016). Shuning uchun, tosh, metall va yog'och yodgorliklari uchun samarali uzoq muddatli barqaror saqlash strategiyalarini ishlab chiqish bu jarayonda ishtirok etadigan asosiy jarayonlarni chuqur tushunishni talab qiladi. Tabiiy jarayonlar (geologik jarayonlar, o'rmon yong'inlari, vulqon otilishlari, o'simlik va bakterial reaksiyalar) bilan solishtirganda, inson faoliyati ekotizimlarga katta hajmdagi politsiklik aromatik uglevodorodlar (PAH) va boshqa organik uglerodning (OC) chiqarilishiga olib keladi. Qishloq xo'jaligida (insektitsidlar va pestitsidlar, masalan, DDT, atrazin, karbaril, pentaxlorfenol va boshqalar), sanoatda (xom neft, neft loy/chiqindilari, neftdan olingan plastmassalar, PCBlar, plastifikatorlar, yuvish vositalari, dezinfektsiyalovchi vositalar, fumigantlar, xushbo'y moddalar va konservantlar), shaxsiy parvarish vositalari (quyoshdan himoya qiluvchi kremlar, dezinfektsiyalovchi vositalar, hasharotlarga qarshi vositalar va politsiklik mushklar) va o'q-dorilar (2,4,6-TNT kabi portlovchi moddalar) ishlatiladigan ko'plab PAHlar sayyoramiz salomatligiga ta'sir qilishi mumkin bo'lgan potentsial ksenobiotiklardir (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna va Phale, 2008; Petrie va boshqalar, 2015). Ushbu ro'yxatni neftdan olingan birikmalar (yoqilg'i moylari, moylash materiallari, asfaltenlar), yuqori molekulyar og'irlikdagi bioplastiklar va ion suyuqliklarni o'z ichiga olgan holda kengaytirish mumkin (Amde va boshqalar, 2015). 1-jadvalda turli xil aromatik ifloslantiruvchi moddalar va ularning turli sohalarda qo'llanilishi keltirilgan. So'nggi yillarda uchuvchan organik birikmalarning, shuningdek, karbonat angidrid va boshqa issiqxona gazlarining antropogen chiqindilari ko'paya boshladi (Dvorak va boshqalar, 2017). Biroq, antropogen ta'sirlar tabiiy ta'sirlardan sezilarli darajada oshib ketadi. Bundan tashqari, biz bir qator SOClarning ko'plab atrof-muhit muhitida saqlanib qolishini va biomlarga salbiy ta'sir ko'rsatadigan yangi paydo bo'layotgan ifloslantiruvchi moddalar sifatida aniqlanganini aniqladik (1-rasm). Amerika Qo'shma Shtatlari Atrof-muhitni muhofaza qilish agentligi (USEPA) kabi atrof-muhit agentliklari ushbu ifloslantiruvchi moddalarning ko'pini sitotoksik, genotoksik, mutagen va kanserogen xususiyatlari tufayli o'zlarining ustuvor ro'yxatiga kiritdilar. Shuning uchun, ifloslangan ekotizimlardan chiqindilarni qayta ishlash/olib tashlash bo'yicha qat'iy qoidalar va samarali strategiyalar zarur. Piroliz, oksidlovchi termik ishlov berish, havo aeratsiyasi, poligonga tashlash, yoqish va boshqalar kabi turli xil fizik va kimyoviy tozalash usullari samarasiz va qimmatga tushadi hamda korroziv, toksik va qayta ishlash qiyin bo'lgan yon mahsulotlarni hosil qiladi. Global ekologik xabardorlikning ortishi bilan, ushbu ifloslantiruvchi moddalarni va ularning hosilalarini (masalan, galogenlangan, nitro, alkil va/yoki metil) parchalashga qodir mikroorganizmlar tobora ko'proq e'tiborni tortmoqda (Fennell va boshqalar, 2004; Haritash va Kaushik, 2009; Phale va boshqalar, 2020; Sarkar va boshqalar, 2020; Schwanemann va boshqalar, 2020). Aromatik ifloslantiruvchi moddalarni olib tashlash uchun ushbu mahalliy nomzod mikroorganizmlarni yakka o'zi yoki aralash kulturalarda (koloniyalarda) ishlatish ekologik xavfsizlik, xarajat, samaradorlik, samaradorlik va barqarorlik nuqtai nazaridan afzalliklarga ega. Tadqiqotchilar shuningdek, ifloslantiruvchi moddalarni tozalash/yo'q qilish uchun istiqbolli texnologiya sifatida mikrobial jarayonlarni elektrokimyoviy oksidlanish-qaytarilish usullari, ya'ni bioelektrokimyoviy tizimlar (BES) bilan integratsiyalashni o'rganmoqdalar (Huang va boshqalar, 2011). BES texnologiyasi yuqori samaradorligi, arzonligi, ekologik xavfsizligi, xona haroratida ishlashi, biomoslashuvchan materiallari va qimmatli qo'shimcha mahsulotlarni (masalan, elektr energiyasi, yoqilg'i va kimyoviy moddalar) qayta tiklash qobiliyati tufayli tobora ko'proq e'tiborni tortmoqda (Pant va boshqalar, 2012; Nazari va boshqalar, 2020). Yuqori o'tkazuvchanlikdagi genom ketma-ketligi va omiks vositalari/usullarining paydo bo'lishi turli xil parchalanuvchi mikroorganizmlarning reaksiyalarining genetik regulyatsiyasi, proteomikasi va flyuksomikasi bo'yicha ko'plab yangi ma'lumotlarni taqdim etdi. Ushbu vositalarni tizim biologiyasi bilan birlashtirish samarali va samarali biodegradatsiyaga erishish uchun mikroorganizmlardagi maqsadli katabolik yo'llarni tanlash va sozlash (ya'ni metabolik dizayn) haqidagi tushunchamizni yanada oshirdi. Tegishli nomzod mikroorganizmlardan foydalangan holda samarali bioremediatsiya strategiyalarini ishlab chiqish uchun biz mikroorganizmlarning biokimyoviy salohiyatini, metabolik xilma-xilligini, genetik tarkibini va ekologiyasini (avtoekologiya/sinekologiya) tushunishimiz kerak.
1-rasm. Past molekulyar PAHlarning turli xil atrof-muhit muhitlari va biotaga ta'sir qiluvchi turli omillar orqali manbalari va yo'llari. Nuqta chiziqlar ekotizim elementlari orasidagi o'zaro ta'sirni ifodalaydi.
Ushbu sharhda biz naftalin va uning o'rnini bosuvchi naftalinlar kabi oddiy PAHlarning turli bakteriyalar izolatlari tomonidan parchalanishi haqidagi ma'lumotlarni umumlashtirishga harakat qildik, bu metabolik yo'llar va xilma-xillik, parchalanishda ishtirok etuvchi fermentlar, gen tarkibi/tarkibi va xilma-xilligi, hujayra reaksiyalari va bioremediatsiyaning turli jihatlarini qamrab oladi. Biokimyoviy va molekulyar darajalarni tushunish bunday ustuvor ifloslantiruvchi moddalarni samarali bioremediatsiya qilish uchun mos mezbon shtammlarni aniqlashga va ularni keyingi genetik muhandislikka yordam beradi. Bu samarali bioremediatsiya uchun joyga xos bakterial konsorsiumlarni yaratish strategiyalarini ishlab chiqishga yordam beradi.
Ko'p miqdordagi zaharli va xavfli aromatik birikmalarning mavjudligi (Gukel qoidasi 4n + 2π elektronlariga mos keladi, n = 1, 2, 3, …) havo, tuproq, cho'kindilar, yer usti va yer osti suvlari kabi turli xil atrof-muhit muhitlariga jiddiy tahdid soladi (Puglisi va boshqalar, 2007). Bu birikmalar chiziqli, burchakli yoki klaster shaklida joylashgan bitta benzol halqalariga (monotsiklik) yoki bir nechta benzol halqalariga (politsiklik) ega va yuqori salbiy rezonans energiyasi va inertligi (inertlik) tufayli atrof-muhitda barqarorlikni (barqarorlik/beqarorlik) namoyon etadi, bu ularning gidrofobikligi va kamaytirilgan holati bilan izohlanishi mumkin. Aromatik halqa metil (-CH3), karboksil (-COOH), gidroksil (-OH) yoki sulfonat (-HSO3) guruhlari bilan almashtirilganda, u yanada barqarorlashadi, makromolekulalarga kuchliroq yaqinlikka ega bo'ladi va biologik tizimlarda bioakkumulyativ bo'ladi (Seo va boshqalar, 2009; Phale va boshqalar, 2020). Naftalin va uning hosilalari [metilnaftalin, naftalen kislotasi, naftalensulfonat va 1-naftil N-metilkarbamat (karbaril)] kabi ba'zi past molekulyar og'irlikdagi politsiklik aromatik uglevodorodlar (LMWAHs) AQSh Atrof-muhitni muhofaza qilish agentligi tomonidan genotoksik, mutagen va/yoki kanserogen sifatida ustuvor organik ifloslantiruvchi moddalar ro'yxatiga kiritilgan (Cerniglia, 1984). Ushbu sinfdagi NM-PAHlarning atrof-muhitga chiqarilishi oziq-ovqat zanjirining barcha darajalarida ushbu birikmalarning bioakkumulyatsiyasiga olib kelishi mumkin va shu bilan ekotizimlarning sog'lig'iga ta'sir qiladi (Binkova va boshqalar, 2000; Srogi, 2007; Quinn va boshqalar, 2009).
PAHlarning biotaga kirish manbalari va yo'llari asosan tuproq, yer osti suvlari, yer usti suvlari, ekinlar va atmosfera kabi turli ekotizim komponentlari o'rtasidagi migratsiya va o'zaro ta'sirlar orqali amalga oshiriladi (Arey va Atkinson, 2003). 1-rasmda turli xil past molekulyar og'irlikdagi PAHlarning ekotizimlardagi o'zaro ta'siri va tarqalishi hamda ularning biota/odamlarga ta'sir qilish yo'llari ko'rsatilgan. PAHlar havo ifloslanishi natijasida va transport vositalari chiqindilarining, sanoat chiqindi gazlarining (ko'mir gazlanishi, yonish va koks ishlab chiqarish) migratsiyasi (drifti) va ularning cho'kishi orqali sirtlarga cho'kadi. Sintetik to'qimachilik, bo'yoqlar va bo'yoqlar ishlab chiqarish; yog'ochni saqlash; kauchukni qayta ishlash; tsement ishlab chiqarish faoliyati; pestitsidlar ishlab chiqarish; va qishloq xo'jaligida qo'llanilishi kabi sanoat faoliyati quruqlik va suv tizimlarida PAHlarning asosiy manbalari hisoblanadi (Bamforth va Singleton, 2005; Wick va boshqalar, 2011). Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, shahar atrofi va shahar hududlarida, magistral yo'llar yaqinida va yirik shaharlardagi tuproqlar elektr stansiyalari, turar-joy isitish tizimlari, havo va yo'l transporti yuklari va qurilish ishlari natijasida chiqadigan chiqindilar tufayli politsiklik aromatik uglevodorodlarga (PAU) ko'proq moyil bo'ladi (Suman va boshqalar, 2016). (2008) shuni ko'rsatdiki, AQShning Luiziana shtatidagi Nyu-Orlean shahridagi yo'llar yaqinidagi tuproqdagi PAH miqdori 7189 mkg/kg gacha, ochiq joylarda esa atigi 2404 mkg/kg ni tashkil etgan. Xuddi shunday, AQShning bir nechta shaharlaridagi ko'mir gazlashtirish joylari yaqinidagi hududlarda PAH darajasi 300 mkg/kg gacha yetgani haqida xabar berilgan (Kanaly va Harayama, 2000; Bamforth va Singleton, 2005). Dehli (Sharma va boshqalar, 2008), Agra (Dubey va boshqalar, 2014), Mumbay (Kulkarni va Venkataraman, 2000) va Visakhapatnam (Kulkarni va boshqalar, 2014) kabi turli Hindiston shaharlaridagi tuproqlarda PAHlarning yuqori konsentratsiyasi mavjudligi haqida xabar berilgan. Xushbo'y birikmalar tuproq zarralari, organik moddalar va loy minerallariga osonroq so'riladi, shu bilan ekotizimlarda asosiy uglerod yutuvchi moddalarga aylanadi (Srogi, 2007; Peng va boshqalar, 2008). Suv ekotizimlarida PAHlarning asosiy manbalari yog'ingarchilik (nam/quruq yog'ingarchilik va suv bug'i), shahar oqimi, oqava suvlarning oqishi, yer osti suvlarining qayta tiklanishi va boshqalardir (Srogi, 2007). Dengiz ekotizimlaridagi PAHlarning taxminan 80% yog'ingarchilik, cho'kindi va chiqindilarning oqishi natijasida hosil bo'ladi deb taxmin qilinadi (Motelay-Massei va boshqalar, 2006; Srogi, 2007). Qattiq chiqindilarni yo'q qilish joylaridan chiqadigan suv yoki yer usti suvlarida PAHlarning yuqori konsentratsiyasi oxir-oqibat yer osti suvlariga oqib tushadi va bu aholi salomatligiga katta xavf tug'diradi, chunki Janubiy va Janubi-Sharqiy Osiyo aholisining 70% dan ortig'i yer osti suvlarini ichadi (Duttagupta va boshqalar, 2019). Duttagupta va boshqalar (2020) tomonidan Hindistonning G'arbiy Bengaliya shtatidan daryo (32) va yer osti suvlari (235) tahlillari bo'yicha olib borilgan yaqinda o'tkazilgan tadqiqot shuni ko'rsatdiki, shahar aholisining taxminan 53% va qishloq aholisining 44% (jami 20 million aholi) naftalin (4,9–10,6 mkg/L) va uning hosilalariga duchor bo'lishi mumkin. Yerdan foydalanishning turlicha shakllari va yer osti suvlarining ko'payishi yer osti suvlarida past molekulyar og'irlikdagi PAHlarning vertikal tashishini (adveksiyasini) boshqaradigan asosiy omillar hisoblanadi. Qishloq xo'jaligi oqimi, shahar va sanoat chiqindi suvlari chiqindilari va qattiq chiqindilar/axlat chiqindilari daryo havzalari va yer osti cho'kindilaridagi PAHlardan ta'sirlangani aniqlangan. Atmosfera yog'inlari PAH ifloslanishini yanada kuchaytiradi. Dunyo bo'ylab Fraser daryosi, Louan daryosi, Denso daryosi, Missuri daryosi, Anacostia daryosi, Ebro daryosi va Delaver daryosi kabi daryolar/suv havzalarida PAH va ularning alkil hosilalarining yuqori konsentratsiyasi (jami 51 ta) qayd etilgan (Yunker va boshqalar, 2002; Motelay-Massei va boshqalar, 2006; Li va boshqalar, 2010; Amoako va boshqalar, 2011; Kim va boshqalar, 2018). Ganges daryosi havzasidagi cho'kindilarda naftalin va fenantren eng muhim deb topildi (namunalarning 70 foizida aniqlangan) (Duttagupta va boshqalar, 2019). Bundan tashqari, tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, ichimlik suvini xlorlash ko'proq zaharli kislorodli va xlorli PAHlarning hosil bo'lishiga olib kelishi mumkin (Manoli va Samara, 1999). PAHlar o'simliklarning ifloslangan tuproq, yer osti suvlari va yog'ingarchilikdan o'zlashtirishi natijasida donli mahsulotlar, meva va sabzavotlarda to'planadi (Fismes va boshqalar, 2002). Baliq, midiya, mollyuskalar va qisqichbaqalar kabi ko'plab suv organizmlari ifloslangan oziq-ovqat va dengiz suvini iste'mol qilish, shuningdek, to'qimalar va teri orqali PAHlar bilan ifloslangan (Mackay va Fraser, 2000). Grilda pishirish, qovurish, dudlash, qovurish, quritish, pishirish va ko'mirda pishirish kabi pishirish/qayta ishlash usullari ham oziq-ovqatda PAHlarning sezilarli miqdoriga olib kelishi mumkin. Bu ko'p jihatdan dudlanadigan materialni tanlashga, fenol/aromatik uglevodorodlar miqdoriga, pishirish jarayoniga, isitgich turiga, namlik miqdoriga, kislorod ta'minoti va yonish haroratiga bog'liq (Guillén va boshqalar, 2000; Gomes va boshqalar, 2013). Sutda turli konsentratsiyalarda (0,75–2,1 mg/L) politsiklik aromatik uglevodorodlar (PAH) ham aniqlangan (Girelli va boshqalar, 2014). Ushbu PAHlarning oziq-ovqatda to'planishi oziq-ovqatning fizik-kimyoviy xususiyatlariga ham bog'liq, ularning toksik ta'siri esa fiziologik funktsiyalar, metabolik faollik, so'rilish, taqsimlanish va tanada taqsimlanish bilan bog'liq (Mechini va boshqalar, 2011).
Politsiklik aromatik uglevodorodlarning (PAH) toksikligi va zararli ta'siri uzoq vaqtdan beri ma'lum (Cherniglia, 1984). Past molekulyar og'irlikdagi politsiklik aromatik uglevodorodlar (LMW-PAH) (ikki-uch halqa) DNK, RNK va oqsillar kabi turli makromolekulalarga kovalent ravishda bog'lanishi mumkin va kanserogen hisoblanadi (Santarelli va boshqalar, 2008). Gidrofob tabiati tufayli ular lipid membranalari bilan ajralib turadi. Odamlarda sitoxrom P450 monooksigenazalari PAHlarni epoksidlarga oksidlaydi, ularning ba'zilari yuqori reaktivdir (masalan, baediol epoksid) va normal hujayralarning xavfli hujayralarga aylanishiga olib kelishi mumkin (Marston va boshqalar, 2001). Bundan tashqari, xinonlar, fenollar, epoksidlar, diollar va boshqalar kabi PAHlarning transformatsiya mahsulotlari asosiy birikmalarga qaraganda ko'proq zaharli hisoblanadi. Ba'zi PAHlar va ularning metabolik oraliq mahsulotlari metabolizmdagi gormonlar va turli fermentlarga ta'sir qilishi mumkin, shu bilan o'sish, markaziy asab tizimi, reproduktiv va immun tizimlariga salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin (Swetha va Phale, 2005; Vamsee-Krishna va boshqalar, 2006; Oostingh va boshqalar, 2008). Past molekulyar og'irlikdagi PAHlarga qisqa muddatli ta'sir qilish astmatiklarda o'pka funktsiyasining buzilishiga va trombozga olib kelishi hamda teri, o'pka, siydik pufagi va oshqozon-ichak saratoni xavfini oshirishi haqida xabar berilgan (Olsson va boshqalar, 2010; Diggs va boshqalar, 2011). Hayvonlar ustida o'tkazilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, PAH ta'siri reproduktiv funktsiya va rivojlanishga salbiy ta'sir ko'rsatishi va katarakt, buyrak va jigar shikastlanishi va sariqlikka olib kelishi mumkin. Diollar, epoksidlar, xinonlar va erkin radikallar (kationlar) kabi turli PAH biotransformatsiya mahsulotlari DNK qo'shimchalarini hosil qilishi ko'rsatilgan. Barqaror adduktlar DNK replikatsiya mexanizmini o'zgartirishi ko'rsatilgan, beqaror adduktlar esa DNKni depurinatsiya qilishi mumkin (asosan adeninga va ba'zan guaninga); ikkalasi ham mutatsiyalarga olib keladigan xatolarni keltirib chiqarishi mumkin (Schweigert va boshqalar, 2001). Bundan tashqari, xinonlar (benzo-/pan-) reaktiv kislorod turlarini (ROS) hosil qilishi, DNK va boshqa makromolekulalarga halokatli zarar yetkazishi va shu bilan to'qima funktsiyasi/hayotiyligiga ta'sir qilishi mumkin (Ewa va Danuta, 2017). Piren, bifenil va naftalinning past konsentratsiyalariga surunkali ta'sir qilish eksperimental hayvonlarda saraton kasalligiga olib kelishi haqida xabar berilgan (Diggs va boshqalar, 2012). Ularning halokatli toksikligi tufayli, ushbu PAHlarni ta'sirlangan/ifloslangan joylardan tozalash/olib tashlash ustuvor vazifa hisoblanadi.
Ifloslangan joylar/muhitlardan PAHlarni olib tashlash uchun turli xil fizik va kimyoviy usullar qo'llanilgan. Yonish, dexlorlash, UB oksidlanishi, fiksatsiya va erituvchi bilan ekstraktsiya kabi jarayonlar ko'plab kamchiliklarga ega, jumladan, zaharli qo'shimcha mahsulotlarning hosil bo'lishi, jarayonning murakkabligi, xavfsizlik va tartibga solish muammolari, past samaradorlik va yuqori narx. Biroq, mikrobial biodegradatsiya (bioremediatsiya deb ataladi) mikroorganizmlarni sof kulturalar yoki koloniyalar shaklida ishlatishni o'z ichiga olgan istiqbolli muqobil yondashuvdir. Fizik va kimyoviy usullar bilan taqqoslaganda, bu jarayon ekologik toza, invaziv bo'lmagan, tejamkor va barqarordir. Bioremediatsiya zararlangan joyda (in situ) yoki maxsus tayyorlangan joyda (ex situ) amalga oshirilishi mumkin va shuning uchun an'anaviy fizik va kimyoviy usullarga qaraganda ancha barqaror remediatsiya usuli hisoblanadi (Juhasz va Naidu, 2000; Andreoni va Gianfreda, 2007; Megharaj va boshqalar, 2011; Phale va boshqalar, 2020; Sarkar va boshqalar, 2020).
Aromatik ifloslantiruvchi moddalarning parchalanishida ishtirok etadigan mikrobial metabolik bosqichlarni tushunish ekologik va ekologik barqarorlik uchun ulkan ilmiy va iqtisodiy ahamiyatga ega. Dunyo bo'ylab cho'kindilar va organik birikmalarda (ya'ni, neft, tabiiy gaz va ko'mir, ya'ni qazilma yoqilg'ilar) taxminan 2,1 × 1018 gramm uglerod (C) saqlanadi va bu global uglerod aylanishiga sezilarli hissa qo'shadi. Biroq, tez sanoatlashtirish, qazilma yoqilg'ilarni qazib olish va inson faoliyati ushbu litosfera uglerod rezervuarlarini kamaytirmoqda va har yili atmosferaga taxminan 5,5 × 1015 g organik uglerod (ifloslantiruvchi moddalar sifatida) chiqarilmoqda (Gonsales-Gaya va boshqalar, 2019). Ushbu organik uglerodning katta qismi quruqlik va dengiz ekotizimlariga cho'kindi, tashish va oqim orqali kiradi. Bundan tashqari, qazilma yoqilg'ilardan olingan yangi sintetik ifloslantiruvchi moddalar, masalan, plastmassalar, plastifikatorlar va plastik stabilizatorlar (ftalatlar va ularning izomerlari) dengiz, tuproq va suv ekotizimlarini va ularning biotasini jiddiy ravishda ifloslantiradi va shu bilan global iqlim xavflarini kuchaytiradi. Polietilen tereftalatdan (PET) olingan turli xil mikroplastiklar, nanoplastiklar, plastik parchalar va ularning zaharli monomer mahsulotlari Shimoliy Amerika va Janubi-Sharqiy Osiyo o'rtasidagi Tinch okeanida to'planib, "Buyuk Tinch okeani chiqindilari maydoni"ni hosil qildi va dengiz hayotiga zarar yetkazdi (Newell va boshqalar, 2020). Ilmiy tadqiqotlar shuni isbotladiki, bunday ifloslantiruvchi moddalarni/chiqindilarni hech qanday fizik yoki kimyoviy usullar bilan olib tashlashning iloji yo'q. Shu nuqtai nazardan, eng foydali mikroorganizmlar ifloslantiruvchi moddalarni oksidlovchi ravishda karbonat angidrid, kimyoviy energiya va boshqa toksik bo'lmagan yon mahsulotlarga aylantira oladigan mikroorganizmlardir, ular oxir-oqibat boshqa ozuqaviy sikl jarayonlariga (H, O, N, S, P, Fe va boshqalar) kiradi. Shunday qilib, aromatik ifloslantiruvchi mineralizatsiyaning mikrobial ekofizologiyasini va uning atrof-muhitni nazorat qilishni tushunish mikrobial uglerod siklini, sof uglerod byudjetini va kelajakdagi iqlim xavflarini baholash uchun juda muhimdir. Bunday birikmalarni atrof-muhitdan olib tashlash zarurati tufayli toza texnologiyalarga yo'naltirilgan turli xil eko-sanoat tarmoqlari paydo bo'ldi. Shu bilan bir qatorda, ekotizimlarda to'plangan sanoat chiqindilari/chiqindi kimyoviy moddalarini baholash (ya'ni, chiqindilarni boylikka aylantirish yondashuvi) aylanma iqtisodiyot va barqaror rivojlanish maqsadlarining ustunlaridan biri sifatida qaraladi (Close va boshqalar, 2012). Shuning uchun, bunday aromatik ifloslantiruvchi moddalarni samarali olib tashlash va bioremediatsiya qilish uchun ushbu potentsial degradatsiya nomzodlarining metabolik, fermentativ va genetik jihatlarini tushunish juda muhimdir.
Ko'plab aromatik ifloslantiruvchi moddalar orasida biz naftalin va uning o'rnini bosuvchi naftalinlar kabi past molekulyar og'irlikdagi PAHlarga alohida e'tibor qaratamiz. Bu birikmalar neftdan olingan yoqilg'ilar, to'qimachilik bo'yoqlari, iste'mol mahsulotlari, pestitsidlar (naftalin va hasharotlarga qarshi vositalar), plastifikatorlar va taninlarning asosiy tarkibiy qismlari bo'lib, shuning uchun ko'plab ekotizimlarda keng tarqalgan (Preuss va boshqalar, 2003). So'nggi hisobotlarda naftalin konsentratsiyasining suvli cho'kindilarda, yer osti suvlari va yer osti tuproqlarida, vadoza zonalarida va daryo o'zanlarida to'planishi ta'kidlangan, bu uning atrof-muhitda bioakkumulyatsiyasini ko'rsatadi (Duttagupta va boshqalar, 2019, 2020). 2-jadvalda naftalin va uning hosilalarining fizik-kimyoviy xususiyatlari, qo'llanilishi va sog'liqqa ta'siri umumlashtirilgan. Boshqa yuqori molekulyar og'irlikdagi PAHlar bilan solishtirganda, naftalin va uning hosilalari kamroq gidrofob, suvda ko'proq eriydi va ekotizimlarda keng tarqalgan, shuning uchun ular ko'pincha PAHlarning metabolizmi, genetikasi va metabolik xilma-xilligini o'rganish uchun model substratlar sifatida ishlatiladi. Ko'p sonli mikroorganizmlar naftalin va uning hosilalarini metabolizmga qodir va ularning metabolik yo'llari, fermentlari va tartibga solish xususiyatlari haqida keng qamrovli ma'lumotlar mavjud (Mallick va boshqalar, 2011; Phale va boshqalar, 2019, 2020). Bundan tashqari, naftalin va uning hosilalari yuqori miqdori va biomavjudligi tufayli atrof-muhit ifloslanishini baholash uchun prototip birikmalar sifatida belgilangan. AQSh Atrof-muhitni muhofaza qilish agentligining hisob-kitoblariga ko'ra, sigaret tutunidan, asosan to'liq bo'lmagan yonishdan, naftalinning o'rtacha darajasi kubometr uchun 5,19 mkg va yon tutundan 7,8 dan 46 mkg gacha, kreozot va naftalinga ta'sir qilish esa 100 dan 10 000 baravar yuqori (Preuss va boshqalar, 2003). Xususan, naftalin tur, mintaqa va jinsga xos nafas olish toksikligi va kanserogenligiga ega ekanligi aniqlangan. Hayvonlar bo'yicha tadqiqotlarga asoslanib, Xalqaro Saraton Tadqiqotlari Agentligi (IARC) naftalinni "odamlar uchun potentsial kanserogen" (2B guruhi)1 sifatida tasnifladi. O'rnini bosuvchi naftalinlarga, asosan inhalatsiya yoki parenteral (og'iz orqali) yuborish orqali ta'sir qilish o'pka to'qimalarining shikastlanishiga olib keladi va kalamushlar va sichqonlarda o'pka o'smalari paydo bo'lish ehtimolini oshiradi (Milliy toksikologiya dasturi 2). O'tkir ta'sirlarga ko'ngil aynishi, qusish, qorin og'rig'i, diareya, bosh og'rig'i, chalkashlik, kuchli terlash, isitma, taxikardiya va boshqalar kiradi. Boshqa tomondan, keng spektrli karbamat insektitsidi karbaril (1-naftil N-metilkarbamat) suv umurtqasizlari, amfibiyalar, asalarilar va odamlar uchun zaharli ekanligi va falajga olib keladigan atsetilxolinesterazani inhibe qilishi ko'rsatilgan (Smulders va boshqalar, 2003; Bulen va Distel, 2011). Shuning uchun, mikrobial degradatsiya mexanizmlarini, genetik regulyatsiyani, fermentativ va hujayrali reaksiyalarni tushunish ifloslangan muhitda bioremediatsiya strategiyalarini ishlab chiqish uchun juda muhimdir.
2-jadval. Naftalin va uning hosilalarining fizik-kimyoviy xususiyatlari, qo'llanilishi, identifikatsiyalash usullari va ular bilan bog'liq kasalliklar haqida batafsil ma'lumot.
Ifloslangan joylarda gidrofob va lipofil aromatik ifloslantiruvchi moddalar atrof-muhit mikrobiomiga (jamoasiga) turli xil hujayra ta'sirlarini keltirib chiqarishi mumkin, masalan, membrana suyuqligining o'zgarishi, membrana o'tkazuvchanligi, lipid ikki qatlamining shishishi, energiya uzatishning buzilishi (elektron transport zanjiri/proton harakatlantiruvchi kuchi) va membrana bilan bog'liq oqsillarning faolligi (Sikkema va boshqalar, 1995). Bundan tashqari, katexollar va xinonlar kabi ba'zi eruvchan oraliq moddalar reaktiv kislorod turlarini (ROS) hosil qiladi va DNK va oqsillar bilan qo'shimcha birikmalar hosil qiladi (Penning va boshqalar, 1999). Shunday qilib, ekotizimlardagi bunday birikmalarning ko'pligi mikrobial jamoalarga turli fiziologik darajalarda, jumladan, qabul qilish/tashish, hujayra ichidagi transformatsiya, assimilyatsiya/foydalanish va bo'linishda samarali degradatorlarga aylanishi uchun tanlab bosim o'tkazadi.
Ribosomal Database Project-II (RDP-II) da qidiruv natijasida jami 926 ta bakterial tur naftalin yoki uning hosilalari bilan ifloslangan muhit yoki boyitish kulturalaridan ajratilganligi aniqlandi. Proteobacteria guruhi eng ko'p vakillarga ega edi (n = 755), undan keyin Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) va tasniflanmagan bakteriyalar (8) (2-rasm). γ-Proteobacteria vakillari (Pseudomonadales va Xanthomonadales) G+C miqdori yuqori bo'lgan barcha Gram-manfiy guruhlarda ustunlik qilishdi (54%), Clostridiales va Bacillales (30%) esa G+C miqdori past bo'lgan Gram-musbat guruhlar edi. Pseudomonas (eng ko'p son, 338 tur) turli ifloslangan ekotizimlarda (ko'mir smolasi, neft, xom neft, loy, neft to'kilishi, oqova suvlar, organik chiqindilar va poligonlar), shuningdek, butun ekotizimlarda (tuproq, daryolar, cho'kindilar va yer osti suvlari) naftalin va uning metil hosilalarini parchalashi mumkinligi haqida xabar berilgan (2-rasm). Bundan tashqari, ushbu mintaqalarning ba'zilarini boyitish bo'yicha tadqiqotlar va metagenomik tahlillar shuni ko'rsatdiki, madaniyatsiz Legionella va Clostridium turlari parchalanish qobiliyatiga ega bo'lishi mumkin, bu esa yangi yo'llar va metabolik xilma-xillikni o'rganish uchun ushbu bakteriyalarni kultivatsiya qilish zarurligini ko'rsatadi.
2-rasm. Naftalin va naftalin hosilalari bilan ifloslangan muhitda bakteriyalar vakillarining taksonomik xilma-xilligi va ekologik tarqalishi.
Turli aromatik uglevodorodlarni parchalovchi mikroorganizmlar orasida ko'pchiligi naftalinni uglerod va energiyaning yagona manbai sifatida parchalashga qodir. Naftalin metabolizmida ishtirok etadigan hodisalar ketma-ketligi Pseudomonas sp. uchun tasvirlangan. (shtammlar: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 va CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 va boshqa shtammlar (ND6 va AS1) (Mahajan va boshqalar, 1994; Resnick va boshqalar, 1996; Annweiler va boshqalar, 2000; Basu va boshqalar, 2003; Dennis va Zylstra, 2004; Sota va boshqalar, 2006; Metabolizm ko'p komponentli dioksigenaza [naftalin dioksigenaza (NDO), halqali gidroksillovchi dioksigenaza] tomonidan boshlanadi, bu esa naftalinning aromatik halqalaridan birining oksidlanishini katalizlaydi va molekulyar kislorodni boshqa substrat sifatida ishlatadi, natijada naftalin sis-naftalenediolga aylanadi (3-rasm). Cis-digidrodiol 1,2-dihidroksinaftalinga a tomonidan aylanadi. dehidrogenaza. Halqa shaklida bo'linadigan dioksigenaza, 1,2-dihidroksinaftalin dioksigenaza (12DHNDO), 1,2-dihidroksinaftalinni 2-gidroksixrom-2-karboksilik kislotaga aylantiradi. Fermentativ sis-trans izomerizatsiyasi trans-o-gidroksibenzilidenepiruvatni hosil qiladi, u gidrataza aldolaza tomonidan salitsil aldegid va piruvatga parchalanadi. Organik kislota piruvat naftalin uglerod skeletidan olingan va markaziy uglerod yo'liga yo'naltirilgan birinchi C3 birikmasi edi. Bundan tashqari, NAD+ ga bog'liq salitsilaldegid dehidrogenaza salitsilaldegidni salitsil kislotaga aylantiradi. Bu bosqichdagi metabolizm naftalin parchalanishining "yuqori yo'li" deb ataladi. Bu yo'l ko'pgina naftalin parchalanuvchi bakteriyalarda juda keng tarqalgan. Biroq, bir nechta istisnolar mavjud; masalan, termofil Bacillus hamburgii 2 da naftalin parchalanishi naftalin tomonidan boshlanadi. 2,3-dioksigenaza 2,3-dihidroksinaftalin hosil qiladi (Annweiler va boshq., 2000).
3-rasm. Naftalin, metilnaftalin, naftoy kislotasi va karbaril degradatsiyasi yo'llari. Doira ichidagi raqamlar naftalin va uning hosilalarini keyingi mahsulotlarga ketma-ket aylantirish uchun mas'ul bo'lgan fermentlarni ifodalaydi. 1 — naftalin dioksigenaza (NDO); 2, sis-dihidrodioldegidrogenaza; 3, 1,2-dihidroksinaftalin dioksigenaza; 4, 2-gidroksixrom-2-karboksilik kislota izomeraza; 5, trans-O-gidroksibenzilidenepiruvat gidrataza aldolaza; 6, salitsilaldegiddegidrogenaza; 7, salitsilat 1-gidroksilaza; 8, katexol 2,3-dioksigenaza (C23DO); 9, 2-gidroksimukonat semialdegiddegidrogenaza; 10, 2-oksopent-4-enoat gidrataza; 11, 4-gidroksi-2-oksopentanoat aldolaza; 12, asetaldegiddegidrogenaza; 13, katekol-1,2-dioksigenaza (C12DO); 14, mukonat sikloizomeraza; 15, mukonolakton delta-izomeraza; 16, β-ketoadipatenollakton gidrolaza; 17, β-ketoadipat suksinil-CoA transferaza; 18, β-ketoadipat-CoA tiolaza; 19, suksinil-CoA: asetil-CoA suksiniltransferaza; 20, salitsilat 5-gidroksilaza; 21 – gentisat 1,2-dioksigenaza (GDO); 22, maleilpiruvat izomeraza; 23, fumarilpiruvat gidrolaza; 24, metilnaftalin gidroksilaza (NDO); 25, gidroksimetilnaftalin dehidrogenaza; 26, naftaldegid dehidrogenaza; 27, 3-formilsalitsil kislota oksidaza; 28, gidroksiizoftalat dekarboksilaza; 29, karbaril gidrolaza (CH4); 30, 1-naftol-2-gidroksilaza.
Organizmga va uning genetik tarkibiga qarab, hosil bo'lgan salitsil kislotasi salitsilat 1-gidroksilaza (S1H) yordamida katexin yo'li orqali yoki salitsilat 5-gidroksilaza (S5H) yordamida gentisat yo'li orqali qo'shimcha metabolizmga uchraydi (3-rasm). Salitsil kislotasi naftalin metabolizmidagi asosiy oraliq mahsulot (yuqori yo'l) bo'lgani uchun, salitsil kislotasidan TCA oraliq mahsulotigacha bo'lgan bosqichlar ko'pincha pastki yo'l deb ataladi va genlar bitta operonga birlashtirilgan. Yuqori yo'l operonidagi (nah) va pastki yo'l operonidagi (sal) genlar umumiy tartibga soluvchi omillar bilan tartibga solinishi odatiy holdir; masalan, NahR va salitsil kislotasi induktor vazifasini bajaradi, bu ikkala operonga ham naftalinni to'liq metabolizmga keltirishga imkon beradi (Phale va boshqalar, 2019, 2020).
Bundan tashqari, katexol katexol 2,3-dioksigenaza (C23DO) tomonidan meta yo'l orqali 2-gidroksimukonat semialdegidga siklik ravishda parchalanadi (Yen va boshqalar, 1988) va 2-gidroksimukonat semialdegid gidrolaza tomonidan gidrolizlanib, 2-gidroksipent-2,4-dienoik kislota hosil qiladi. Keyin 2-gidroksipent-2,4-dienoat gidrataza (2-oksopent-4-enoat gidrataza) va aldolaza (4-gidroksi-2-oksopentanoat aldolaza) tomonidan piruvat va asetaldegidga aylanadi va keyin markaziy uglerod yo'liga kiradi (3-rasm). Shu bilan bir qatorda, katexol katexol 1,2-oksigenaza (C12DO) tomonidan orto yo'l orqali sis,sis-mukonatga siklik ravishda parchalanadi. Mukonat sikloizomeraza, mukonolakton izomeraza va β-ketoadipat-nollakton gidrolaza sis,sis-mukonatni 3-oksoadipatga aylantiradi, bu esa markaziy uglerod yo'liga suksinil-CoA va asetil-CoA orqali kiradi (Nozaki va boshqalar, 1968) (3-rasm).
Gentisat (2,5-dihidroksibenzoat) yo'lida aromatik halqa gentalat 1,2-dioksigenaza (GDO) tomonidan maleilpiruvat hosil qilish uchun yoriladi. Ushbu mahsulot to'g'ridan-to'g'ri piruvat va malatgacha gidrolizlanishi yoki fumarilpiruvat hosil qilish uchun izomerlanishi mumkin, keyin esa piruvat va fumaratgacha gidrolizlanishi mumkin (Larkin va Day, 1986). Muqobil yo'lni tanlash ham Gram-manfiy, ham Gram-musbat bakteriyalarda biokimyoviy va genetik darajalarda kuzatilgan (Morawski va boshqalar, 1997; Whyte va boshqalar, 1997). Gram-manfiy bakteriyalar (Pseudomonas) naftalin metabolizmining induktori bo'lgan salitsil kislotasidan foydalanishni afzal ko'rishadi, uni salitsilat 1-gidroksilaza yordamida katexolga dekarboksillaydilar (Gibson va Subramanian, 1984). Boshqa tomondan, Gram-musbat bakteriyalarda (Rhodococcus) salitsilat 5-gidroksilaza salitsil kislotasini gentis kislotasiga aylantiradi, salitsil kislotasi esa naftalin genlarining transkripsiyasiga induktiv ta'sir ko'rsatmaydi (Grund va boshqalar, 1992) (3-rasm).
Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas va Mycobacterium turlari monometilnaftalin yoki dimetilnaftalinni parchalashi mumkinligi haqida xabar berilgan (Dean-Raymond va Bartha, 1975; Cane va Williams, 1982; Mahajan va boshqalar, 1994; Dutta va boshqalar, 1998; Hedlund va boshqalar, 1999). Ular orasida Pseudomonas sp. CSV86 ning 1-metilnaftalin va 2-metilnaftalin parchalanish yo'li biokimyoviy va fermentativ darajalarda aniq o'rganilgan (Mahajan va boshqalar, 1994). 1-Metilnaftalin ikki yo'l orqali metabollanadi. Birinchidan, aromatik halqa gidroksillanadi (metilnaftalinning almashtirilmagan halqasi), sis-1,2-dihidroksi-1,2-dihidro-8-metilnaftalin hosil qiladi, u keyinchalik metil salitsilat va metilkatexolga oksidlanadi va keyin halqa bo'linishidan keyin markaziy uglerod yo'liga kiradi (3-rasm). Bu yo'l "uglerod manbai yo'li" deb ataladi. Ikkinchi "detoksifikatsiya yo'li"da metil guruhi NDO tomonidan gidroksillanadi va 1-gidroksimetilnaftalin hosil bo'ladi, u keyinchalik 1-naftoy kislotaga oksidlanadi va o'lik mahsulot sifatida madaniyat muhitiga chiqariladi. Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, CSV86 shtammi yagona uglerod va energiya manbai sifatida 1- va 2-naftoy kislotasida o'sishga qodir emas, bu uning detoksifikatsiya yo'lini tasdiqlaydi (Mahajan va boshqalar, 1994; Basu va boshqalar, 2003). 2-metilnaftalinda metil guruhi gidroksilaza tomonidan gidroksillanishga uchraydi va 2-gidroksimetilnaftalin hosil qiladi. Bundan tashqari, naftalin halqasining almashtirilmagan halqasi digidrodiol hosil qilish uchun halqa gidroksillanishga uchraydi, u ferment katalizlangan reaksiyalar seriyasida 4-gidroksimetilkatekolga oksidlanadi va meta-halqa bo'linish yo'li orqali markaziy uglerod yo'liga kiradi. Xuddi shunday, S. paucimobilis 2322 ning 2-metilnaftalinni gidroksillash uchun NDO dan foydalanishi haqida xabar berilgan, u esa keyinchalik metil salitsilat va metilkatekol hosil qilish uchun oksidlanadi (Dutta va boshqalar, 1998).
Naftoy kislotalari (almashtirilgan/almashtirilmagan) metilnaftalin, fenantren va antratsenning parchalanishi jarayonida hosil bo'ladigan va sarflangan kultura muhitiga chiqariladigan detoksifikatsiya/biotransformatsiya yon mahsulotlaridir. Stenotrophomonas maltophilia CSV89 tuproq izolyati 1-naftoy kislotasini uglerod manbai sifatida metabolizmga qodir ekanligi haqida xabar berilgan (Phale va boshqalar, 1995). Metabolizm aromatik halqaning digidroksillanishi bilan boshlanadi va 1,2-dihidroksi-8-karboksinaftalin hosil qiladi. Olingan diol 2-gidroksi-3-karboksibenzilidenepiruvat, 3-formilsalitsil kislotasi, 2-gidroksiizoftalik kislota va salitsil kislotasi orqali katexolga oksidlanadi va meta-halqa bo'linish yo'li orqali markaziy uglerod yo'liga kiradi (3-rasm).
Karbaril naftil karbamat pestitsididir. 1970-yillarda Hindistonda Yashil inqilobdan beri kimyoviy o'g'itlar va pestitsidlardan foydalanish qishloq xo'jaligidagi nuqta bo'lmagan manbalardan chiqadigan politsiklik aromatik uglevodorodlar (PAH) chiqindilarining ko'payishiga olib keldi (Pingali, 2012; Duttagupta va boshqalar, 2020). Hindistondagi umumiy ekin maydonlarining taxminan 55% (85 722 000 gektar) kimyoviy pestitsidlar bilan ishlov beriladi. So'nggi besh yil ichida (2015–2020) Hindiston qishloq xo'jaligi sektori yiliga o'rtacha 55 000 dan 60 000 tonnagacha pestitsidlardan foydalangan (Hindiston hukumati Qishloq xo'jaligi vazirligi, Kooperativlar va fermerlar farovonligi departamenti, 2020-yil avgust). Shimoliy va markaziy Gangetik tekisliklarida (aholisi va aholisi zichligi eng yuqori bo'lgan shtatlar) ekinlarda pestitsidlardan foydalanish keng tarqalgan bo'lib, insektitsidlar ustunlik qiladi. Karbaril (1-naftil-N-metilkarbamat) keng spektrli, o'rtacha va yuqori darajada zaharli karbamat insektitsidi bo'lib, Hindiston qishloq xo'jaligida o'rtacha 100–110 tonna miqdorida qo'llaniladi. U odatda Sevin savdo nomi ostida sotiladi va turli xil ekinlarga (makkajo'xori, soya, paxta, meva va sabzavotlar) ta'sir qiluvchi hasharotlarni (shira, olov chumolilari, burgalar, oqadilar, o'rgimchaklar va boshqa ko'plab ochiq havoda yashovchi zararkunandalar) nazorat qilish uchun ishlatiladi. Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus va Arthrobacter kabi ba'zi mikroorganizmlar boshqa zararkunandalarni nazorat qilish uchun ham ishlatilishi mumkin. RC100 karbarilni parchalashi mumkinligi haqida xabar berilgan (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu va boshqalar, 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi va boshqalar, 2017). Karbarilning parchalanish yo'li Pseudomonas sp. shtammlarining C4, C5 va C6 tuproq izolatlarida biokimyoviy, fermentativ va genetik darajalarda keng o'rganilgan (Swetha and Phale, 2005; Trivedi va boshqalar, 2016) (3-rasm). Metabolik yo'l karbaril gidrolaza (CH3) tomonidan efir bog'lanishining gidrolizidan boshlanadi va 1-naftol, metilamin va karbonat angidrid hosil qiladi. Keyin 1-naftol 1-naftol gidroksilaza (1-NH) tomonidan 1,2-dihidroksinaftalinga aylanadi, u keyinchalik markaziy uglerod yo'li orqali salitsilat va gentisat orqali metabollanadi. Ba'zi karbaril parchalovchi bakteriyalar uni katexol orto halqasini parchalash orqali salitsil kislotasiga aylantirgani haqida xabar berilgan (Larkin va Day, 1986; Chapalamadugu va Chaudhry, 1991). Shunisi e'tiborga loyiqki, naftalin parchalovchi bakteriyalar asosan salitsil kislotasini katexol orqali metabollashtiradi, karbaril parchalovchi bakteriyalar esa salitsil kislotasini gentisat yo'li orqali metabolizm qilishni afzal ko'rishadi.
Naftalinsulfon kislotasi/disulfon kislotasi va naftilaminsulfon kislotasi hosilalari azo bo'yoqlari, namlovchi moddalar, dispersantlar va boshqalarni ishlab chiqarishda oraliq mahsulotlar sifatida ishlatilishi mumkin. Ushbu birikmalar odamlar uchun past toksiklikka ega bo'lsa-da, sitotoksiklikni baholash ularning baliqlar, dafniyalar va suv o'tlari uchun halokatli ekanligini ko'rsatdi (Greim va boshqalar, 1994). Pseudomonas turkumining vakillari (A3, C22 shtammlari) sulfon kislotasi guruhini o'z ichiga olgan aromatik halqaning ikki marta gidroksillanishi orqali dihidrodiol hosil qilish orqali metabolizmni boshlashi haqida xabar berilgan, bu esa keyinchalik sulfit guruhining o'z-o'zidan parchalanishi orqali 1,2-dihidroksinaftalinga aylanadi (Brilon va boshqalar, 1981). Olingan 1,2-dihidroksinaftalin klassik naftalin yo'li, ya'ni katexol yoki gentisat yo'li orqali katabolizlanadi (4-rasm). Aminonaftalinsulfon kislotasi va gidroksinaftalinsulfon kislotasi qo'shimcha katabolik yo'llar bilan aralash bakterial konsortsiumlar tomonidan to'liq parchalanishi mumkinligi ko'rsatilgan (Nortemann va boshqalar, 1986). Konsortsium a'zolaridan biri aminonaftalinsulfon kislotasi yoki gidroksinaftalinsulfon kislotasini 1,2-dioksigenatsiya orqali desulfurizatsiya qilishi, aminosalitsilat yoki gidroksinaftalinsulfon kislotasi esa o'lik metabolit sifatida madaniyat muhitiga chiqarilishi va keyinchalik konsortsiumning boshqa a'zolari tomonidan qabul qilinishi ko'rsatilgan. Naftalinsulfon kislotasi nisbatan qutbli, ammo yomon biologik parchalanadi va shuning uchun turli yo'llar orqali metabolizmga uchrashi mumkin. Birinchi desulfurizatsiya aromatik halqa va sulfon kislotasi guruhining regioselektiv digidroksillanishi paytida sodir bo'ladi; Ikkinchi desulfurizatsiya salitsil kislotasi 5-gidroksilaza tomonidan 5-sulfosalitsil kislotasining gidroksillanishi paytida sodir bo'ladi va gentis kislotasini hosil qiladi, bu esa markaziy uglerod yo'liga kiradi (Brilon va boshqalar, 1981) (4-rasm). Naftalinning parchalanishi uchun mas'ul bo'lgan fermentlar naftalin sulfonat metabolizmi uchun ham mas'uldir (Brilon va boshqalar, 1981; Keck va boshqalar, 2006).
4-rasm. Naftalin sulfonatning parchalanishining metabolik yo'llari. Doira ichidagi raqamlar 3-rasmda tasvirlangan fermentlarga o'xshash/bir xil bo'lgan naftil sulfonat metabolizmi uchun mas'ul bo'lgan fermentlarni ifodalaydi.
Past molekulyar og'irlikdagi PAHlar (LMW-PAH) qaytariladigan, gidrofob va yomon eriydi, shuning uchun tabiiy parchalanish/degradatsiyaga moyil emas. Biroq, aerob mikroorganizmlar molekulyar kislorodni (O2) yutish orqali uni oksidlashga qodir. Bu fermentlar asosan oksidoreduktazalar sinfiga kiradi va aromatik halqa gidroksillanishi (mono- yoki digidroksillanishi), degidrogenlanishi va aromatik halqa parchalanishi kabi turli reaksiyalarni amalga oshirishi mumkin. Ushbu reaksiyalardan olingan mahsulotlar yuqori oksidlanish holatida bo'ladi va markaziy uglerod yo'li orqali osonroq metabollanadi (Phale va boshqalar, 2020). Degradatsiya yo'lidagi fermentlar induktsiyalanishi mumkinligi haqida xabar berilgan. Hujayralar glyukoza yoki organik kislotalar kabi oddiy uglerod manbalarida o'stirilganda, bu fermentlarning faolligi juda past yoki ahamiyatsiz bo'ladi. 3-jadvalda naftalin va uning hosilalari metabolizmida ishtirok etadigan turli fermentlar (oksigenazalar, gidrolazalar, dehidrogenazalar, oksidazalar va boshqalar) umumlashtirilgan.
3-jadval. Naftalin va uning hosilalarining parchalanishiga sabab bo'lgan fermentlarning biokimyoviy xususiyatlari.
Radioizotop tadqiqotlari (18O2) shuni ko'rsatdiki, molekulyar O2 ning oksigenazalar tomonidan aromatik halqalarga qo'shilishi birikmaning keyingi biologik parchalanishini faollashtirishdagi eng muhim bosqichdir (Hayaishi va boshqalar, 1955; Mason va boshqalar, 1955). Molekulyar kisloroddan (O2) bitta kislorod atomining (O) substratga qo'shilishi endogen yoki ekzogen monooksigenazalar (gidroksilazalar deb ham ataladi) tomonidan boshlanadi. Boshqa kislorod atomi suvga qaytariladi. Ekzogen monooksigenazalar flavinni NADH yoki NADPH bilan qaytaradi, endomonooksigenazalarda esa flavin substrat tomonidan qaytariladi. Gidroksillanish holati mahsulot hosil bo'lishida xilma-xillikka olib keladi. Masalan, salitsilat 1-gidroksilaza C1 holatida salitsil kislotasini gidroksillaydi va katexol hosil qiladi. Boshqa tomondan, ko'p komponentli salitsilat 5-gidroksilaza (reduktaza, ferredoksin va oksigenaza subbirliklarini o'z ichiga olgan) salitsil kislotasini C5 holatida gidroksillaydi va gentis kislotasini hosil qiladi (Yamamoto va boshqalar, 1965).
Dioksigenazalar substratga ikkita O2 atomini qo'shadi. Hosil bo'lgan mahsulotlarga qarab, ular halqali gidroksillovchi dioksigenazalar va halqali parchalovchi dioksigenazalarga bo'linadi. Halqali gidroksillovchi dioksigenazalar aromatik substratlarni sis-digidrodiollarga (masalan, naftalin) aylantiradi va bakteriyalar orasida keng tarqalgan. Bugungi kunga qadar halqali gidroksillovchi dioksigenazalarni o'z ichiga olgan organizmlar turli aromatik uglerod manbalarida o'sishi mumkinligi ko'rsatilgan va bu fermentlar NDO (naftalin), toluol dioksigenaza (TDO, toluol) va bifenil dioksigenaza (BPDO, bifenil) deb tasniflanadi. NDO ham, BPDO ham turli xil politsiklik aromatik uglevodorodlarning (toluol, nitrotoluol, ksilol, etilbenzol, naftalin, bifenil, ftoren, indol, metilnaftalin, naftalinsulfonat, fenantren, antratsen, asetofenon va boshqalar) ikki tomonlama oksidlanishini va yon zanjir gidroksillanishini katalizlashi mumkin (Boyd va Sheldrake, 1998; Phale va boshqalar, 2020). NDO oksidoreduktaza, ferredoksin va faol joyni o'z ichiga olgan oksigenaza komponentidan iborat ko'p komponentli tizimdir (Gibson va Subramanian, 1984; Resnick va boshqalar, 1996). NDO ning katalitik birligi α3β3 konfiguratsiyasida joylashgan katta α kichik birligi va kichik β kichik birligidan iborat. NDO katta oksigenazalar oilasiga tegishli va uning α-subuniti Rieske saytini [2Fe-2S] va NDO substratning o'ziga xosligini belgilaydigan mononuklear gem bo'lmagan temirni o'z ichiga oladi (Parales va boshqalar, 1998). Odatda, bitta katalitik siklda piridin nukleotidining kamayishidan ikkita elektron reduktaza, ferredoksin va Rieske sayti orqali faol saytdagi Fe(II) ioniga o'tkaziladi. Qaytaruvchi ekvivalentlar molekulyar kislorodni faollashtiradi, bu substrat digidroksillanishi uchun zarur shartdir (Ferraro va boshqalar, 2005). Bugungi kunga qadar faqat bir nechta NDOlar turli shtammlardan tozalangan va batafsil tavsiflangan va naftalin degradatsiyasida ishtirok etadigan yo'llarning genetik nazorati batafsil o'rganilgan (Resnick va boshqalar, 1996; Parales va boshqalar, 1998; Karlsson va boshqalar, 2003). Halqalarni ajratuvchi dioksigenazalar (endo- yoki orto-halqalarni ajratuvchi fermentlar va ekzodiol- yoki meta-halqalarni ajratuvchi fermentlar) gidroksillangan aromatik birikmalarga ta'sir qiladi. Masalan, orto-halqalarni ajratuvchi dioksigenaza katekol-1,2-dioksigenaza, meta-halqalarni ajratuvchi dioksigenaza esa katekol-2,3-dioksigenaza (Kojima va boshqalar, 1961; Nozaki va boshqalar, 1968). Turli oksigenazalardan tashqari, aromatik dihidrodiollar, spirtlar va aldegidlarning degidrogenlanishi va NAD+/NADP+ ni elektron akseptorlari sifatida ishlatish uchun mas'ul bo'lgan turli xil dehidrogenazalar ham mavjud, ular metabolizmda ishtirok etadigan muhim fermentlardan biridir (Gibson va Subramanian, 1984; Shaw va Harayama, 1990; Fahle va boshqalar, 2020).
Gidrolazalar (esterazalar, amidazalar) kabi fermentlar suvdan foydalanib kovalent bog'lanishlarni uzadigan va keng substrat o'ziga xosligini namoyish etadigan ikkinchi muhim fermentlar sinfidir. Karbaril gidrolaza va boshqa gidrolazalar Gram-manfiy bakteriyalar a'zolarida periplazma (transmembran) tarkibiy qismlari hisoblanadi (Kamini va boshqalar, 2018). Karbaril ham amid, ham efir bog'lanishiga ega; shuning uchun u esteraza yoki amidaza tomonidan 1-naftol hosil qilish uchun gidrolizlanishi mumkin. Rhizobium rhizobium shtammi AC10023 va Arthrobacter RC100 shtammlaridagi karbaril mos ravishda esteraza va amidaza vazifasini bajarishi haqida xabar berilgan. Arthrobacter RC100 shtammidagi karbaril ham amidaza vazifasini bajaradi. RC100 karbaril, metomil, mefenamik kislota va XMC kabi to'rtta N-metilkarbamat sinfidagi insektitsidlarni gidrolizlashi ko'rsatilgan (Hayaatsu va boshqalar, 2001). Pseudomonas sp. C5pp tarkibidagi CH karbaril (100% faollik) va 1-naftil asetat (36% faollik) ga ta'sir qilishi mumkinligi, ammo 1-naftilatsetamidga ta'sir qilmasligi haqida xabar berilgan, bu uning esteraza ekanligini ko'rsatadi (Trivedi va boshqalar, 2016).
Biokimyoviy tadqiqotlar, fermentlarni boshqarish naqshlari va genetik tahlil shuni ko'rsatdiki, naftalin degradatsiyasi genlari ikkita induktsiyalanadigan tartibga soluvchi birlik yoki "operon" dan iborat: nah (naftalinni salitsil kislotasiga aylantiruvchi "yuqori oqim yo'li") va sal (katekol orqali salitsil kislotasini markaziy uglerod yo'liga aylantiruvchi "pastki oqim yo'li". Salitsil kislotasi va uning analoglari induktor sifatida harakat qilishi mumkin (Shamsuzzaman va Barnsley, 1974). Glyukoza yoki organik kislotalar mavjud bo'lganda, operon bostiriladi. 5-rasmda naftalin degradatsiyasining to'liq genetik tashkil etilishi (operon shaklida) ko'rsatilgan. Nah genining bir nechta nomlangan variantlari/shakllari (ndo/pah/dox) tasvirlangan va barcha Pseudomonas turlari orasida yuqori ketma-ketlik gomologiyasiga (90%) ega ekanligi aniqlangan (Abbasian va boshqalar, 2016). Naftalin yuqori oqim yo'lining genlari odatda 5A-rasmda ko'rsatilganidek, konsensus tartibida joylashtirilgan. Boshqa bir gen, nahQ, ham naftalin metabolizmida ishtirok etishi va odatda nahC va nahE orasida joylashganligi haqida xabar berilgan, ammo uning haqiqiy vazifasi hali aniqlanmagan. Xuddi shunday, naftalinga sezgir kemotaksis uchun mas'ul bo'lgan nahY geni ba'zi a'zolarda nah operonining distal uchida topilgan. Ralstonia sp. da glutation S-transferaza (gsh) ni kodlovchi U2 geni nahAa va nahAb orasida joylashganligi aniqlangan, ammo naftalindan foydalanish xususiyatlariga ta'sir qilmagan (Zylstra va boshqalar, 1997).
5-rasm. Bakterial turlar orasida naftalin parchalanishi paytida kuzatiladigan genetik tashkilot va xilma-xillik; (A) Yuqori naftalin yo'li, naftalinning salitsil kislotasiga metabolizmi; (B) Pastki naftalin yo'li, salitsil kislotasining katexol orqali markaziy uglerod yo'liga o'tishi; (C) salitsil kislotasining gentisat orqali markaziy uglerod yo'liga o'tishi.
"Pastki yo'l" (sal operon) odatda nahGTHINLMOKJ dan iborat bo'lib, katexol metaring bo'linish yo'li orqali salitsilatni piruvat va asetaldegidga aylantiradi. NahG geni (salitsilat gidroksilazani kodlovchi) operonning proksimal uchida saqlanib qolganligi aniqlandi (5B-rasm). Boshqa naftalinni parchalovchi shtammlar bilan solishtirganda, P. putida CSV86 da nah va sal operonlari tandem va juda chambarchas bog'liq (taxminan 7,5 kb). Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 va P. putida AK5 kabi ba'zi grammanfiy bakteriyalarda naftalin gentisat yo'li orqali markaziy uglerod metaboliti sifatida metabollanadi (sgp/nag operon shaklida). Gen kassetasi odatda nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI shaklida ifodalanadi, bu yerda nagR (LysR tipidagi regulyatorni kodlovchi) yuqori uchida joylashgan (5C-rasm).
Karbaril markaziy uglerod aylanishiga 1-naftol, 1,2-dihidroksinaftalin, salitsil kislotasi va gentis kislotasi metabolizmi orqali kiradi (3-rasm). Genetik va metabolik tadqiqotlar asosida bu yo'lni "yuqori oqim" (karbarilning salitsil kislotasiga aylanishi), "o'rta" (salitsil kislotasining gentis kislotasiga aylanishi) va "pastki oqim" (gentis kislotasining markaziy uglerod yo'li oraliq mahsulotlariga aylanishi) ga bo'lish taklif qilingan (Singh va boshqalar, 2013). C5pp (supercontig A, 76,3 kb) ning genomik tahlili shuni ko'rsatdiki, mcbACBDEF geni karbarilni salitsil kislotasiga aylantirishda, undan keyin salitsil kislotasini gentis kislotasiga aylantirishda mcbIJKL va gentis kislotasini markaziy uglerod oraliq mahsulotlariga (fumarat va piruvat, Trivedi va boshqalar, 2016) aylantirishda mcbOQP ishtirok etadi (6-rasm).
Aromatik uglevodorodlarning (shu jumladan, naftalin va salitsil kislotasining) parchalanishida ishtirok etadigan fermentlar mos keladigan birikmalar tomonidan induktsiya qilinishi va glyukoza yoki organik kislotalar kabi oddiy uglerod manbalari tomonidan inhibe qilinishi mumkinligi haqida xabar berilgan (Shingler, 2003; Phale va boshqalar, 2019, 2020). Naftalin va uning hosilalarining turli metabolik yo'llari orasida naftalin va karbarilning tartibga solish xususiyatlari ma'lum darajada o'rganilgan. Naftalin uchun yuqori va pastki yo'llardagi genlar LysR tipidagi trans-ta'sir qiluvchi musbat regulyator bo'lgan NahR tomonidan tartibga solinadi. Bu salitsil kislotasi tomonidan nah genining induktsiyalanishi va uning keyingi yuqori darajadagi ifodalanishi uchun zarur (Yen va Gunsalus, 1982). Bundan tashqari, tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, integrativ xost omili (IHF) va XylR (sigma 54 ga bog'liq transkripsiya regulyatori) ham naftalin metabolizmida genlarning transkripsiya faollashuvi uchun juda muhimdir (Ramos va boshqalar, 1997). Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, katexol meta-halqa ochilish yo'lining fermentlari, ya'ni katexol 2,3-dioksigenaza, naftalin va/yoki salitsil kislotasi ishtirokida induksiyalanadi (Basu va boshqalar, 2006). Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, katexol orto-halqa ochilish yo'lining fermentlari, ya'ni katexol 1,2-dioksigenaza, benzoik kislota va sis, sis-mukonat ishtirokida induksiyalanadi (Parsek va boshqalar, 1994; Tover va boshqalar, 2001).
C5pp shtammida beshta gen, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR va mcbS, karbaril degradatsiyasini boshqarish uchun mas'ul bo'lgan transkripsiya regulyatorlarining LysR/TetR oilasiga mansub regulyatorlarni kodlaydi. Gomologik mcbG geni Burkholderia RP00725 da fenantren metabolizmida ishtirok etadigan LysR tipidagi regulyator PhnS (58% aminokislota identifikatsiyasi) bilan eng yaqin bog'liqligi aniqlandi (Trivedi va boshqalar, 2016). mcbH geni oraliq yo'lda (salitsil kislotasining gentis kislotasiga aylanishi) ishtirok etishi va Pseudomonas va Burkholderia da LysR tipidagi transkripsiya regulyatori NagR/DntR/NahR ga tegishli ekanligi aniqlandi. Ushbu oila a'zolari salitsil kislotasini degradatsiya genlarini induktsiya qilish uchun o'ziga xos effektor molekulasi sifatida tan olishlari haqida xabar berilgan. Boshqa tomondan, LysR va TetR tipidagi transkripsiya regulyatorlariga tegishli uchta gen, mcbN, mcbR va mcbS, pastki oqim yo'lida (gentisat-markaziy uglerod yo'li metabolitlari) aniqlandi.
Prokaryotlarda plazmidlar, transpozonlar, profaglar, genomik orollar va integrativ konjugativ elementlar (ICE) orqali gorizontal gen uzatish jarayonlari (sotib olish, almashish yoki uzatish) bakterial genomlarda plastisitning asosiy sabablari bo'lib, ma'lum funktsiyalar/xususiyatlarning ortishi yoki yo'qolishiga olib keladi. Bu bakteriyalarga turli xil atrof-muhit sharoitlariga tez moslashish imkonini beradi, bu esa xo'jayinga aromatik birikmalarning parchalanishi kabi potentsial adaptiv metabolik afzalliklarni beradi. Metabolik o'zgarishlar ko'pincha parchalanish operonlarini, ularning tartibga solish mexanizmlarini va fermentlarning o'ziga xosligini nozik sozlash orqali amalga oshiriladi, bu esa kengroq aromatik birikmalarning parchalanishini osonlashtiradi (Nojiri va boshqalar, 2004; Phale va boshqalar, 2019, 2020). Naftalin parchalanishi uchun gen kassetalari plazmidlar (konjugativ va konjugativ bo'lmagan), transpozonlar, genomlar, ICElar va turli bakteriyalar turlarining kombinatsiyalari kabi turli xil mobil elementlarda joylashganligi aniqlandi (5-rasm). Pseudomonas G7 da NAH7 plazmidining nah va sal operonlari bir xil yo'nalishda transkripsiyalangan va mobilizatsiya uchun Tn4653 transpozazasini talab qiladigan nuqsonli transpozonning bir qismidir (Sota va boshqalar, 2006). Pseudomonas NCIB9816-4 shtammida gen konjugativ plazmid pDTG1 da qarama-qarshi yo'nalishlarda transkripsiyalangan ikkita operon (taxminan 15 kb masofada) sifatida topilgan (Dennis va Zylstra, 2004). Pseudomonas putida AK5 shtammida konjugativ bo'lmagan plazmid pAK5 gentisat yo'li orqali naftalinning parchalanishi uchun mas'ul bo'lgan fermentni kodlaydi (Izmalkova va boshqalar, 2013). Pseudomonas PMD-1 shtammida nah operon xromosomada, sal operon esa konjugativ plazmid pMWD-1 da joylashgan (Zuniga va boshqalar, 1981). Biroq, Pseudomonas stutzeri AN10 da barcha naftalin degradatsiyasi genlari (nah va sal operonlari) xromosomada joylashgan va ehtimol transpozitsiya, rekombinatsiya va qayta tashkil etish hodisalari orqali jalb qilingan (Bosch va boshqalar, 2000). Pseudomonas sp. CSV86 da nah va sal operonlari genomda ICE (ICECSV86) shaklida joylashgan. Struktura tRNAGly bilan himoyalangan, undan keyin rekombinatsiya/birikish joylarini (attR va attL) ko'rsatuvchi to'g'ridan-to'g'ri takrorlanishlar va tRNAGly ning ikkala uchida joylashgan fagga o'xshash integraza mavjud bo'lib, shu bilan ICEclc elementiga (xlorokatexol degradatsiyasi uchun Pseudomonas knackmusii dagi ICEclcB13) strukturaviy jihatdan o'xshash. ICE dagi genlar juda past uzatish chastotasi (10-8) bilan konjugatsiya orqali o'tkazilishi va shu bilan degradatsiya xususiyatlarini qabul qiluvchiga o'tkazishi mumkinligi haqida xabar berilgan (Basu va Phale, 2008; Phale va boshqalar, 2019).
Karbaril degradatsiyasi uchun mas'ul bo'lgan genlarning aksariyati plazmidlarda joylashgan. Arthrobacter sp. RC100 tarkibida uchta plazmid (pRC1, pRC2 va pRC300) mavjud bo'lib, ulardan ikkita konjugativ plazmid, pRC1 va pRC2, karbarilni gentisatga aylantiruvchi fermentlarni kodlaydi. Boshqa tomondan, gentisatni markaziy uglerod metabolitlariga aylantirishda ishtirok etadigan fermentlar xromosomada joylashgan (Hayaatsu va boshqalar, 1999). Rhizobium turkumidagi bakteriyalar. Karbarilni 1-naftolga aylantirish uchun ishlatiladigan AC100 shtammi, qo'shilish elementiga o'xshash ketma-ketliklar (istA va istB) bilan o'ralgan Tnceh transpozonining bir qismi sifatida CH ni kodlovchi cehA genini olib yuruvchi plazmid pAC200 ni o'z ichiga oladi (Hashimoto va boshqalar, 2002). Sphingomonas CF06 shtammida karbaril degradatsiyasi geni beshta plazmidada mavjud deb ishoniladi: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 va pCF05. Bu plazmidlarning DNK gomologiyasi yuqori, bu genlarning ko'payish hodisasi mavjudligini ko'rsatadi (Feng va boshqalar, 1997). Ikki Pseudomonas turidan tashkil topgan karbaril degradatsiyasi simbiontida 50581 shtammi mcd karbaril gidrolaza genini kodlovchi konjugativ plazmid pCD1 (50 kb) ni o'z ichiga oladi, 50552 shtammidagi konjugativ plazmid esa 1-naftol degradatsiyasi fermentini kodlaydi (Chapalamadugu va Chaudhry, 1991). Achromobacter WM111 shtammida mcd furadan gidrolaza geni 100 kb plazmidda (pPDL11) joylashgan. Bu gen turli geografik mintaqalardagi turli bakteriyalarda turli plazmidlarda (100, 105, 115 yoki 124 kb) mavjudligi ko'rsatilgan (Parekh va boshqalar, 1995). Pseudomonas sp. C5pp da karbaril degradatsiyasi uchun mas'ul bo'lgan barcha genlar 76,3 kb ketma-ketlikni qamrab oluvchi genomda joylashgan (Trivedi va boshqalar, 2016). Genom tahlili (6,15 Mb) 42 ta MGE va 36 ta GEI mavjudligini aniqladi, ulardan 17 ta MGE o'rtacha assimetrik G+C miqdori (54–60 mol%) bo'lgan superkontig A (76,3 kb) da joylashgan bo'lib, bu gorizontal genlarni uzatish hodisalarini ko'rsatadi (Trivedi va boshqalar, 2016). P. putida XWY-1 karbaril degradatsiyasi genlarining o'xshash joylashuvini namoyish etadi, ammo bu genlar plazmidda joylashgan (Zhu va boshqalar, 2019).
Biokimyoviy va genom darajalarida metabolik samaradorlikdan tashqari, mikroorganizmlar ifloslangan muhitda aromatik ifloslantiruvchi moddalarni samaraliroq metabolizmga yordam beradigan boshqa xususiyatlar yoki reaksiyalarni ham namoyish etadi, masalan, xemotaksis, hujayra yuzasini modifikatsiya qilish xususiyatlari, bo'linish, imtiyozli foydalanish, biosurfaktant ishlab chiqarish va boshqalar (7-rasm).
7-rasm. Chet el ifloslantiruvchi birikmalarini samarali biologik parchalanish uchun ideal aromatik uglevodorodlarni parchalovchi bakteriyalarning turli xil hujayrali javob strategiyalari.
Xemotaktik reaksiyalar heterojen ifloslangan ekotizimlarda organik ifloslantiruvchi moddalarning parchalanishini kuchaytiruvchi omillar hisoblanadi. (2002) Pseudomonas sp. G7 ning naftalinga xemotaksisi suv tizimlarida naftalin parchalanish tezligini oshirishini ko'rsatdi. Yovvoyi tipdagi G7 shtammi naftalinni xemotaksis yetishmaydigan mutant shtammga qaraganda ancha tezroq parchaladi. NahY oqsili (membrana topologiyasiga ega 538 aminokislotalar) NAH7 plazmidasidagi metakleavaj yo'li genlari bilan birgalikda transkripsiyalanganligi aniqlandi va xemotaksis transduserlari singari, bu oqsil naftalin parchalanishi uchun xemoreseptor vazifasini bajaradi (Grimm va Harwood 1997). Hansel va boshqalar tomonidan olib borilgan yana bir tadqiqot (2009) oqsilning xemotaktik ekanligini, ammo uning parchalanish tezligi yuqori ekanligini ko'rsatdi. (2011) Pseudomonas (P. putida) ning gazsimon naftalinga kemotaktik javobini ko'rsatdi, bu yerda gaz fazasi diffuziyasi hujayralarga naftalinning barqaror oqishini keltirib chiqardi, bu esa hujayralarning kemotaktik javobini boshqardi. Tadqiqotchilar bu kemotaktik xatti-harakatdan parchalanish tezligini oshiradigan mikroblarni yaratish uchun foydalandilar. Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, kemotaktik yo'llar hujayra bo'linishi, hujayra siklini tartibga solish va biofilm hosil bo'lishi kabi boshqa hujayra funktsiyalarini ham tartibga soladi va shu bilan parchalanish tezligini nazorat qilishga yordam beradi. Biroq, bu xususiyatdan (kemotaksis) samarali parchalanish uchun foydalanish bir nechta to'siqlar bilan to'sqinlik qiladi. Asosiy to'siqlar: (a) turli paralog retseptorlar bir xil birikmalar/ligandlarni taniydilar; (b) muqobil retseptorlarning mavjudligi, ya'ni energetik tropizm; (c) bir xil retseptorlar oilasining sezgir domenlarida sezilarli ketma-ketlik farqlari; va (d) asosiy bakterial sensor oqsillari haqida ma'lumot yo'qligi (Ortega va boshqalar, 2017; Martin-Mora va boshqalar, 2018). Ba'zan aromatik uglevodorodlarning bioparchalanishi bir nechta metabolitlar/oraliq mahsulotlarni hosil qiladi, bu bakteriyalarning bir guruhi uchun kemotaktik, ammo boshqalari uchun jirkanch bo'lishi mumkin, bu jarayonni yanada murakkablashtiradi. Ligandlarning (aromatik uglevodorodlar) kimyoviy retseptorlar bilan o'zaro ta'sirini aniqlash uchun biz mos ravishda aromatik kislotalar, TCA oraliq mahsulotlari va naftalin retseptorlarini nishonga oluvchi Pseudomonas putida va Escherichia coli sensor va signalizatsiya domenlarini birlashtirish orqali gibrid sensor oqsillarini (PcaY, McfR va NahY) yaratdik (Luu va boshqalar, 2019).
Naftalin va boshqa politsiklik aromatik uglevodorodlar (PAU) ta'sirida bakterial membrananing tuzilishi va mikroorganizmlarning yaxlitligi sezilarli o'zgarishlarga uchraydi. Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, naftalin gidrofob o'zaro ta'sirlar orqali atil zanjirining o'zaro ta'siriga xalaqit beradi va shu bilan membrananing shishishi va suyuqligini oshiradi (Sikkema va boshqalar, 1995). Ushbu zararli ta'sirga qarshi turish uchun bakteriyalar membrana suyuqligini izo/antiezo tarmoqlangan zanjirli yog 'kislotalari orasidagi nisbat va yog 'kislotalari tarkibini o'zgartirish va sis-to'yinmagan yog 'kislotalarini mos keladigan trans-izomerlarga izomerizatsiya qilish orqali tartibga soladi (Heipieper va de Bont, 1994). Naftalin bilan ishlov berishda o'stirilgan Pseudomonas stutzeri da to'yingan va to'yinmagan yog 'kislotalari nisbati 1,1 dan 2,1 gacha oshdi, Pseudomonas JS150 da esa bu nisbat 7,5 dan 12,0 gacha oshdi (Mrozik va boshqalar, 2004). Naftalinda o'stirilganda, Achromobacter KAs 3–5 hujayralari naftalin kristallari atrofida hujayra agregatsiyasini va hujayra yuzasi zaryadining pasayishini (-22,5 dan -2,5 mV gacha), sitoplazmatik kondensatsiya va vakuolizatsiya bilan birga namoyon bo'ldi, bu hujayra tuzilishi va hujayra yuzasi xususiyatlaridagi o'zgarishlarni ko'rsatadi (Mohapatra va boshqalar, 2019). Hujayra/sirt o'zgarishlari aromatik ifloslantiruvchi moddalarni yaxshiroq qabul qilish bilan bevosita bog'liq bo'lsa-da, tegishli biomuhandislik strategiyalari to'liq optimallashtirilmagan. Hujayra shaklini manipulyatsiya qilish biologik jarayonlarni optimallashtirish uchun kamdan-kam hollarda qo'llanilgan (Volke va Nikel, 2018). Hujayra bo'linishiga ta'sir qiluvchi genlarni o'chirish hujayra morfologiyasida o'zgarishlarga olib keladi. Hujayra bo'linishiga ta'sir qiluvchi genlarni o'chirish hujayra morfologiyasida o'zgarishlarga olib keladi. Bacillus subtilisda hujayra septum oqsili SepF septum shakllanishida ishtirok etishi va hujayra bo'linishining keyingi bosqichlari uchun zarurligi ko'rsatilgan, ammo u muhim gen emas. Bacillus subtilisda peptid glikan gidrolazalarini kodlovchi genlarning o'chirilishi hujayralarning uzayishiga, o'ziga xos o'sish tezligining oshishiga va ferment ishlab chiqarish quvvatining yaxshilanishiga olib keldi (Cui va boshqalar, 2018).
Pseudomonas C5pp va C7 shtammlarining samarali parchalanishiga erishish uchun karbaril parchalanish yo'lini bo'limlarga ajratish taklif qilingan (Kamini va boshqalar, 2018). Karbaril tashqi membrana septum orqali va/yoki diffuziyalanuvchi porinlar orqali periplazmatik bo'shliqqa tashiladi, deb taklif qilinadi. CH - bu karbarilning 1-naftolga gidrolizini katalizlovchi periplazmatik ferment bo'lib, u barqarorroq, gidrofobroq va toksikroqdir. CH periplazmada lokalizatsiya qilingan va karbarilga past affinlikka ega, shu bilan 1-naftolning hosil bo'lishini nazorat qiladi, shu bilan uning hujayralarda to'planishini oldini oladi va hujayralar uchun toksikligini kamaytiradi (Kamini va boshqalar, 2018). Olingan 1-naftol ichki membrana orqali sitoplazmaga bo'linish va/yoki diffuziya orqali tashiladi va keyin markaziy uglerod yo'lida keyingi metabolizm uchun yuqori affinlikli 1NH fermenti tomonidan 1,2-dihidroksinaftalinga gidroksillanadi.
Mikroorganizmlar ksenobiotik uglerod manbalarini parchalash uchun genetik va metabolik qobiliyatlarga ega bo'lsa-da, ulardan foydalanishning ierarxik tuzilishi (ya'ni, murakkab uglerod manbalariga qaraganda oddiy manbalardan ustun foydalanish) bioparchalanishga asosiy to'siq hisoblanadi. Oddiy uglerod manbalarining mavjudligi va ulardan foydalanish PAH kabi murakkab/afzal bo'lmagan uglerod manbalarini parchalaydigan fermentlarni kodlovchi genlarni pasaytiradi. Yaxshi o'rganilgan misol shundaki, glyukoza va laktoza Escherichia coli bilan birgalikda berilganda, glyukoza laktozaga qaraganda samaraliroq ishlatiladi (Jacob va Monod, 1965). Pseudomonas turli xil PAH va ksenobiotik birikmalarni uglerod manbalari sifatida parchalashi haqida xabar berilgan. Pseudomonasda uglerod manbalaridan foydalanish ierarxiyasi organik kislotalar > glyukoza > aromatik birikmalardir (Hylemon va Phibbs, 1972; Collier va boshqalar, 1996). Biroq, istisno mavjud. Qizig'i shundaki, Pseudomonas sp. CSV86 glyukoza o'rniga aromatik uglevodorodlardan (benzoik kislota, naftalin va boshqalar) afzalroq foydalanadigan va aromatik uglevodorodlarni organik kislotalar bilan birgalikda metabolizmga keltiradigan noyob ierarxik tuzilishga ega (Basu va boshqalar, 2006). Ushbu bakteriyada aromatik uglevodorodlarning parchalanishi va tashish genlari glyukoza yoki organik kislotalar kabi ikkinchi uglerod manbai mavjud bo'lganda ham pasaymaydi. Glyukoza va aromatik uglevodorodlar muhitida o'stirilganda, glyukoza tashish va metabolizm genlari pasayganligi, aromatik uglevodorodlar birinchi log fazasida va glyukoza ikkinchi log fazasida ishlatilganligi kuzatildi (Basu va boshqalar, 2006; Choudhary va boshqalar, 2017). Boshqa tomondan, organik kislotalarning mavjudligi aromatik uglevodorodlar metabolizmining ifodalanishiga ta'sir qilmadi, shuning uchun bu bakteriya biodegradatsiya tadqiqotlari uchun nomzod shtamm bo'lishi kutilmoqda (Phale va boshqalar, 2020).
Ma'lumki, uglevodorod biotransformatsiyasi mikroorganizmlarda oksidlovchi stress va antioksidant fermentlarning yuqori regulyatsiyasiga olib kelishi mumkin. Naftalinning samarasiz bioparchalanishi ham statsionar faza hujayralarida, ham toksik birikmalar ishtirokida reaktiv kislorod turlarining (ROS) hosil bo'lishiga olib keladi (Kang va boshqalar, 2006). Naftalinni parchalovchi fermentlar tarkibida temir-oltingugurt klasterlari bo'lganligi sababli, oksidlovchi stress ta'sirida gemdagi temir va temir-oltingugurt oqsillari oksidlanadi va bu oqsilning inaktivatsiyasiga olib keladi. Ferredoksin-NADP+ reduktaza (Fpr) superoksid dismutaza (SOD) bilan birgalikda NADP+/NADPH va ferredoksin yoki flavodoksinning ikkita molekulasi o'rtasidagi qaytariladigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyasini vositachilik qiladi, shu bilan ROSni yo'q qiladi va oksidlovchi stress ta'sirida temir-oltingugurt markazini tiklaydi (Li va boshqalar, 2006). Pseudomonasdagi Fpr va SodA (SOD) oksidlovchi stress ta'sirida paydo bo'lishi mumkinligi haqida xabar berilgan va naftalin qo'shilgan sharoitlarda o'sish jarayonida to'rtta Pseudomonas shtammida (O1, W1, As1 va G1) SOD va katalaza faolligining ortishi kuzatilgan (Kang va boshqalar, 2006). Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, askorbin kislotasi yoki temir temir (Fe2+) kabi antioksidantlarning qo'shilishi naftalinning o'sish tezligini oshirishi mumkin. Rhodococcus eritropolis naftalin muhitida o'sganda, sodA (Fe/Mn superoksid dismutaza), sodC (Cu/Zn superoksid dismutaza) va recA kabi oksidlovchi stress bilan bog'liq sitoxrom P450 genlarining transkripsiyasi oshgan (Sazykin va boshqalar, 2019). Naftalinda o'stirilgan Pseudomonas hujayralarining qiyosiy miqdoriy proteomik tahlili shuni ko'rsatdiki, oksidlovchi stressga javob bilan bog'liq turli oqsillarning yuqori regulyatsiyasi stressni yengish strategiyasi hisoblanadi (Herbst va boshqalar, 2013).
Mikroorganizmlar gidrofob uglerod manbalari ta'sirida biosurfaktantlar ishlab chiqarishi haqida xabar berilgan. Bu sirt faol moddalar amfifil sirt faol birikmalar bo'lib, ular neft-suv yoki havo-suv chegaralarida agregatlar hosil qilishi mumkin. Bu soxta eruvchanlikni rag'batlantiradi va aromatik uglevodorodlarning adsorbsiyasini osonlashtiradi, natijada samarali bioparchalanishga olib keladi (Rahman va boshqalar, 2002). Ushbu xususiyatlar tufayli biosurfaktantlar turli sohalarda keng qo'llaniladi. Bakterial kulturalarga kimyoviy sirt faol moddalar yoki biosurfaktantlarni qo'shish uglevodorodlarning parchalanish samaradorligi va tezligini oshirishi mumkin. Biosurfaktantlar orasida Pseudomonas aeruginosa tomonidan ishlab chiqarilgan ramnolipidlar keng o'rganilgan va tavsiflangan (Hisatsuka va boshqalar, 1971; Rahman va boshqalar, 2002). Bundan tashqari, biosurfaktantlarning boshqa turlariga lipopeptidlar (Pseudomonas fluorescens dan olingan musinlar), 378 emulsifikatori (Pseudomonas fluorescens dan olingan) (Rosenberg va Ron, 1999), Rhodococcus dan olingan trehaloza disaxarid lipidlari (Ramdahl, 1985), Bacillus dan olingan lichenin (Saraswathy va Hallberg, 2002) va Bacillus subtilis (Siegmund va Wagner, 1991) va Bacillus amyloliquefaciens dan olingan sirt faol moddalar (Zhi va boshqalar, 2017) kiradi. Bu kuchli sirt faol moddalar sirt tarangligini 72 din/sm3 dan 30 din/sm3 dan kamroqqa kamaytirishi, bu esa uglevodorodlarning yaxshiroq so'rilishini ta'minlashi ko'rsatilgan. Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia va boshqa bakteriyalar turlari naftalin va metilnaftalin muhitida o'stirilganda turli xil rhamnolipid va glikolipid asosidagi biosurfaktantlarni ishlab chiqarishi mumkinligi haqida xabar berilgan (Kanga va boshqalar, 1997; Puntus va boshqalar, 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 naftoy kislotasi kabi aromatik birikmalarda o'stirilganda hujayradan tashqari biosurfaktant Biosur-Pm ishlab chiqarishi mumkin (Phale va boshqalar, 1995). Biosur-Pm hosil bo'lishining kinetikasi uning sintezi o'sish va pH ga bog'liq jarayon ekanligini ko'rsatdi. Neytral pH da hujayralar tomonidan ishlab chiqarilgan Biosur-Pm miqdori pH 8,5 ga qaraganda yuqori ekanligi aniqlandi. pH 8,5 da o'stirilgan hujayralar pH 7,0 da o'stirilgan hujayralarga qaraganda ko'proq gidrofob va aromatik va alifatik birikmalarga yuqori yaqinlikka ega edi. Rhodococcus spp. da. N6, yuqori uglerod va azot (C:N) nisbati va temirning cheklanishi hujayradan tashqari biosurfaktantlar ishlab chiqarish uchun optimal sharoitlardir (Mutalik va boshqalar, 2008). Shtammlar va fermentatsiyani optimallashtirish orqali biosurfaktantlar (surfaktinlar) biosintezini yaxshilashga urinishlar qilingan. Biroq, madaniyat muhitidagi sirt faol moddasining titri past (1,0 g/L), bu esa keng ko'lamli ishlab chiqarish uchun qiyinchilik tug'diradi (Jiao va boshqalar, 2017; Wu va boshqalar, 2019). Shuning uchun uning biosintezini yaxshilash uchun genetik muhandislik usullari qo'llanilgan. Biroq, operonning katta o'lchami (~25 kb) va kvorum sezgir tizimining murakkab biosintetik regulyatsiyasi tufayli uni muhandislik modifikatsiyasi qiyin (Jiao va boshqalar, 2017; Wu va boshqalar, 2019). Bacillus bakteriyalarida bir qator genetik muhandislik modifikatsiyalari amalga oshirildi, asosan promotorni (srfA operon) almashtirish, sirtaktin eksport oqsili YerP va tartibga soluvchi omillar ComX va PhrC ni ortiqcha ifodalash orqali sirtaktin ishlab chiqarishni ko'paytirishga qaratilgan (Jiao va boshqalar, 2017). Biroq, bu genetik muhandislik usullari faqat bir yoki bir nechta genetik modifikatsiyaga erishdi va hali tijorat ishlab chiqarishiga yetib bormadi. Shuning uchun, bilimga asoslangan optimallashtirish usullarini yanada o'rganish zarur.
PAH bioparchalanish tadqiqotlari asosan standart laboratoriya sharoitlarida o'tkaziladi. Biroq, ifloslangan joylarda yoki ifloslangan muhitda ko'plab abiotik va biotik omillar (harorat, pH, kislorod, ozuqa moddalarining mavjudligi, substratning biomavjudligi, boshqa ksenobiotiklar, yakuniy mahsulotning inhibatsiyasi va boshqalar) mikroorganizmlarning parchalanish qobiliyatini o'zgartirishi va ta'sir qilishi ko'rsatilgan.
Harorat PAHning biologik parchalanishiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Harorat oshishi bilan erigan kislorod konsentratsiyasi pasayadi, bu esa aerob mikroorganizmlarning metabolizmiga ta'sir qiladi, chunki ular gidroksillanish yoki halqali parchalanish reaksiyalarini amalga oshiradigan oksigenazalar uchun substratlardan biri sifatida molekulyar kislorodga muhtoj. Ko'pincha yuqori harorat ota-ona PAHlarini toksikroq birikmalarga aylantirishi va shu bilan biologik parchalanishni inhibe qilishi qayd etilgan (Muller va boshqalar, 1998).
Ko'pgina PAH bilan ifloslangan joylarda, masalan, kislotali kon drenajlari bilan ifloslangan joylarda (pH 1–4) va ishqoriy süzgüç bilan ifloslangan tabiiy gaz/ko'mir gazifikatsiya joylarida (pH 8–12) pH qiymatlari juda yuqori ekanligi qayd etilgan. Bu sharoitlar biologik parchalanish jarayoniga jiddiy ta'sir ko'rsatishi mumkin. Shuning uchun, mikroorganizmlarni bioremediatsiya uchun ishlatishdan oldin, ishqoriy tuproqlar uchun ammoniy sulfat yoki ammoniy nitrat kabi mos kimyoviy moddalarni (o'rtacha va juda past oksidlanish-qaytarilish potensialiga ega) qo'shish yoki kislotali joylar uchun kaltsiy karbonat yoki magniy karbonat bilan ohaklash orqali pH ni sozlash tavsiya etiladi (Bowlen va boshqalar 1995; Gupta va Sar 2020).
Ta'sirlangan hududga kislorod yetkazib berish PAH bioparchalanishi uchun tezlikni cheklovchi omil hisoblanadi. Atrof-muhitning oksidlanish-qaytarilish sharoitlari tufayli, in situ bioremediatsiya jarayonlari odatda tashqi manbalardan (shudgorlash, havo bilan tozalash va kimyoviy qo'shimchalar) kislorod kiritishni talab qiladi (Pardieck va boshqalar, 1992). Odenkranz va boshqalar (1996) ifloslangan suv qatlamiga magniy peroksid (kislorod ajratuvchi birikma) qo'shilishi BTEX birikmalarini samarali bioremediatsiya qilishi mumkinligini ko'rsatdilar. Boshqa bir tadqiqotda samarali bioremediatsiyaga erishish uchun natriy nitrat in'ektsiyasi va ekstraksiya quduqlarini qurish orqali ifloslangan suv qatlamida fenol va BTEX ning in situ degradatsiyasi o'rganildi (Bewley va Webb, 2001).