Məqalə “Qabaqcıl bioremediasiya texnologiyaları və sintetik üzvi birləşmələrin (SOC) təkrar emalı prosesləri” adlı tədqiqat mövzusunun bir hissəsidir. Bütün 14 məqaləyə baxın
Naftalin və əvəz olunmuş naftalinlər (metilnaftalin, nafto turşusu, 1-naftil-N-metilkarbamat və s.) kimi aşağı molekulyar çəkili polisiklik aromatik karbohidrogenlər (PAH) müxtəlif sənaye sahələrində geniş istifadə olunur və orqanizmlər üçün genotoksik, mutagen və/və ya kanserogendir. Bu sintetik üzvi birləşmələr (SOC) və ya ksenobiotiklər prioritet çirkləndiricilər hesab olunur və qlobal ətraf mühit və ictimai sağlamlıq üçün ciddi təhlükə yaradır. İnsan fəaliyyətinin intensivliyi (məsələn, kömür qazlaşdırması, neft emalı, nəqliyyat vasitələrinin tullantıları və kənd təsərrüfatı tətbiqləri) bu geniş yayılmış və davamlı birləşmələrin konsentrasiyasını, taleyini və daşınmasını müəyyən edir. Fiziki və kimyəvi təmizləmə/təmizləmə metodlarına əlavə olaraq, POC-ları tamamilə parçalaya bilən və ya onları toksik olmayan yan məhsullara çevirə bilən mikroorqanizmlərdən istifadə edən bioremediasiya kimi yaşıl və ekoloji cəhətdən təmiz texnologiyalar təhlükəsiz, səmərəli və perspektivli alternativ kimi ortaya çıxmışdır. Torpaq mikrobiotasında Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia və Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus və Paenibacillus) və Actinobacteria (Rhodococcus və Arthrobacter) filalarına aid müxtəlif bakteriya növləri müxtəlif üzvi birləşmələri parçalamaq qabiliyyətini nümayiş etdirmişdir. Metabolik tədqiqatlar, genomika və metagenomik analiz bizə bu sadə həyat formalarında mövcud olan katabolik mürəkkəbliyi və müxtəlifliyi anlamağa kömək edir ki, bu da səmərəli bioparçalanma üçün daha da tətbiq oluna bilər. PAH-ların uzunmüddətli mövcudluğu plazmidlər, transpozonlar, bakteriofaqlar, genom adaları və inteqrativ konjugativ elementlər kimi genetik elementlərdən istifadə edərək üfüqi gen ötürülməsi yolu ilə yeni parçalanma fenotiplərinin ortaya çıxmasına səbəb olmuşdur. Xüsusi izolyatların və ya model icmaların (konsorsiumların) sistem biologiyası və genetik mühəndisliyi sinergetik təsirlər vasitəsilə bu PAH-ların hərtərəfli, sürətli və səmərəli bioremediasiyasına imkan verə bilər. Bu icmalda biz naftalin və əvəzedici naftalin parçalayan bakteriyaların müxtəlif metabolik yollarına və müxtəlifliyinə, genetik tərkibinə və müxtəlifliyinə, eləcə də hüceyrə reaksiyalarına/adaptasiyalarına diqqət yetiririk. Bu, sahə tətbiqi üçün ekoloji məlumat və səmərəli bioremediasiya üçün ştamm optimallaşdırması təmin edəcək.
Sənaye sahələrinin (neft-kimya, kənd təsərrüfatı, əczaçılıq, tekstil boyaları, kosmetika və s.) sürətli inkişafı qlobal iqtisadi rifaha və həyat səviyyəsinin yaxşılaşmasına töhfə vermişdir. Bu eksponensial inkişaf müxtəlif məhsulların istehsalında istifadə olunan çox sayda sintetik üzvi birləşmələrin (SOC) istehsalına səbəb olmuşdur. Bu xarici birləşmələrə və ya SOC-lara polisiklik aromatik karbohidrogenlər (PAH), pestisidlər, herbisidlər, plastifikatorlar, boyalar, əczaçılıq məhsulları, orqanofosfatlar, alov gecikdiriciləri, uçucu üzvi həlledicilər və s. daxildir. Onlar atmosferə, su və quru ekosistemlərinə atılır və burada çoxölçülü təsirlərə malikdir və fiziki-kimyəvi xüsusiyyətlərin və icma quruluşunun dəyişdirilməsi yolu ilə müxtəlif bioformalara zərərli təsir göstərir (Petrie və b., 2015; Bernhardt və b., 2017; Sarkar və b., 2020). Bir çox aromatik çirkləndiricilər bir çox toxunulmamış ekosistemlərə/biomüxtəliflik qaynar nöqtələrinə (məsələn, mərcan rifləri, Arktika/Antarktika buz təbəqələri, yüksək dağ gölləri, dərin dəniz çöküntüləri və s.) güclü və dağıdıcı təsir göstərir (Jones 2010; Beyer və b. 2020; Nordborg və b. 2020). Son geomikrobioloji tədqiqatlar göstərib ki, süni konstruksiyaların (tikilmiş mühitin) səthlərində (məsələn, mədəni irs yerləri və qranit, daş, ağac və metaldan hazırlanmış abidələr) sintetik üzvi maddələrin (məsələn, aromatik çirkləndiricilərin) və onların törəmələrinin çökməsi onların parçalanmasını sürətləndirir (Gadd 2017; Liu və b. 2018). İnsan fəaliyyəti hava çirklənməsi və iqlim dəyişikliyi vasitəsilə abidələrin və binaların bioloji parçalanmasını gücləndirə və pisləşdirə bilər (Liu və b. 2020). Bu üzvi çirkləndiricilər atmosferdəki su buxarı ilə reaksiyaya girir və konstruksiyaya çökür, bu da materialın fiziki və kimyəvi parçalanmasına səbəb olur. Bioloji parçalanma, canlı orqanizmlərin materialların görünüşündə və xüsusiyyətlərində onların qorunmasına təsir edən arzuolunmaz dəyişikliklər kimi geniş şəkildə tanınır (Pochon və Jaton, 1967). Bu birləşmələrin daha da mikrob təsiri (metabolizmi) struktur bütövlüyünü, qoruma effektivliyini və mədəni dəyərini azalda bilər (Gadd, 2017; Liu və b., 2018). Digər tərəfdən, bəzi hallarda, bu strukturlara mikrobların uyğunlaşması və reaksiyasının faydalı olduğu aşkar edilmişdir, çünki onlar çürümə/parçalanma sürətini azaldan biofilmlər və digər qoruyucu qabıqlar əmələ gətirir (Martino, 2016). Buna görə də, daş, metal və taxta abidələr üçün effektiv uzunmüddətli davamlı qoruma strategiyalarının hazırlanması bu prosesdə iştirak edən əsas proseslərin hərtərəfli başa düşülməsini tələb edir. Təbii proseslərlə (geoloji proseslər, meşə yanğınları, vulkan püskürmələri, bitki və bakterial reaksiyalar) müqayisədə insan fəaliyyəti ekosistemlərə çoxlu miqdarda politsiklik aromatik karbohidrogenlərin (PAH) və digər üzvi karbonun (OC) buraxılması ilə nəticələnir. Kənd təsərrüfatında (DDT, atrazin, karbaril, pentaxlorfenol və s. kimi insektisidlər və pestisidlər), sənayedə (xam neft, neft çamuru/tullantıları, neftdən əldə edilən plastiklər, PCB-lər, plastifikatorlar, yuyucu vasitələr, dezinfeksiyaedicilər, fumigantlar, ətirlər və konservantlar), fərdi qulluq məhsulları (günəşdən qoruyucu kremlər, dezinfeksiyaedicilər, həşərat kovucuları və polisiklik müşklər) və sursatlarda (2,4,6-TNT kimi partlayıcı maddələr) istifadə edilən bir çox PAH-lar planet sağlamlığına təsir göstərə biləcək potensial ksenobiotiklərdir (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna və Phale, 2008; Petrie və b., 2015). Bu siyahı neftdən əldə edilən birləşmələri (yanacaq yağları, sürtkü yağları, asfaltenlər), yüksək molekulyar çəkili bioplastikləri və ion mayelərini əhatə etməklə genişləndirilə bilər (Amde və b., 2015). Cədvəl 1-də müxtəlif aromatik çirkləndiricilər və onların müxtəlif sənaye sahələrində tətbiqləri sadalanır. Son illərdə uçucu üzvi birləşmələrin, eləcə də karbon qazının və digər istixana qazlarının antropogen tullantıları artmağa başlayıb (Dvorak və b., 2017). Lakin antropogen təsirlər təbii təsirləri xeyli üstələyir. Bundan əlavə, bir sıra SOC-ların bir çox ətraf mühit mühitində qaldığını və biomlara mənfi təsir göstərən yeni yaranan çirkləndiricilər kimi müəyyən edildiyini aşkar etdik (Şəkil 1). Amerika Birləşmiş Ştatları Ətraf Mühitin Mühafizəsi Agentliyi (USEPA) kimi ətraf mühit agentlikləri bu çirkləndiricilərin bir çoxunu sitotoksik, genotoksik, mutagen və kanserogen xüsusiyyətlərinə görə prioritet siyahılarına daxil ediblər. Buna görə də, çirklənmiş ekosistemlərdən tullantıların təmizlənməsi/çıxarılması üçün ciddi qaydalara və effektiv strategiyalara ehtiyac var. Piroliz, oksidləşdirici termik təmizləmə, hava aerasiyası, poliqonlaşdırma, yandırma və s. kimi müxtəlif fiziki və kimyəvi təmizləmə üsulları səmərəsiz və baha başa gəlir və korroziyaya uğrayan, zəhərli və emalı çətin olan yan məhsullar yaradır. Qlobal ekoloji məlumatlılığın artması ilə bu çirkləndiriciləri və onların törəmələrini (məsələn, halogenləşdirilmiş, nitro, alkil və/və ya metil) parçalaya bilən mikroorqanizmlər getdikcə daha çox diqqəti cəlb edir (Fennell və b., 2004; Haritash və Kaushik, 2009; Phale və b., 2020; Sarkar və b., 2020; Schwanemann və b., 2020). Bu yerli namizəd mikroorqanizmlərin aromatik çirkləndiricilərin təmizlənməsi üçün tək və ya qarışıq kulturalarda (koloniyalarda) istifadəsi ətraf mühitin təhlükəsizliyi, dəyəri, səmərəliliyi, effektivliyi və davamlılığı baxımından üstünlüklərə malikdir. Tədqiqatçılar həmçinin çirkləndiricilərin təmizlənməsi/təmizlənməsi üçün perspektivli bir texnologiya kimi mikrob proseslərinin elektrokimyəvi redoks metodları, yəni bioelektrokimyəvi sistemlər (BES) ilə inteqrasiyasını araşdırırlar (Huang və b., 2011). BES texnologiyası yüksək səmərəliliyi, aşağı qiyməti, ətraf mühitin təhlükəsizliyi, otaq temperaturunda işləməsi, biouyğun materialları və dəyərli yan məhsulları (məsələn, elektrik enerjisi, yanacaq və kimyəvi maddələr) bərpa etmək qabiliyyətinə görə getdikcə daha çox diqqət cəlb edir (Pant və b., 2012; Nazari və b., 2020). Yüksək məhsuldarlıqlı genom ardıcıllığı və omik alətlərinin/metodlarının meydana gəlməsi müxtəlif parçalayıcı mikroorqanizmlərin reaksiyalarının genetik tənzimlənməsi, proteomikası və fluksomikası haqqında zəngin yeni məlumatlar təqdim etmişdir. Bu alətlərin sistem biologiyası ilə birləşdirilməsi, səmərəli və effektiv biodeqradasiyaya nail olmaq üçün mikroorqanizmlərdə hədəf katabolik yolların seçilməsi və dəqiq tənzimlənməsi (yəni metabolik dizayn) haqqında anlayışımızı daha da artırmışdır. Uyğun namizəd mikroorqanizmlərdən istifadə edərək effektiv bioremediasiya strategiyaları hazırlamaq üçün mikroorqanizmlərin biokimyəvi potensialını, metabolik müxtəlifliyini, genetik tərkibini və ekologiyasını (autoekologiya/sinekologiya) başa düşməliyik.
Şəkil 1. Aşağı molekullu PAH-ların müxtəlif ətraf mühit mühitləri və biota təsir edən müxtəlif amillər vasitəsilə mənbələri və yolları. Kəsik xətlər ekosistem elementləri arasındakı qarşılıqlı təsirləri təmsil edir.
Bu icmalda, metabolik yolları və müxtəlifliyi, parçalanmada iştirak edən fermentləri, gen tərkibini/məzmunu və müxtəlifliyini, hüceyrə reaksiyalarını və bioremediasiyanın müxtəlif aspektlərini əhatə edən müxtəlif bakterial izolatlar tərəfindən naftalin və əvəz olunmuş naftalinlər kimi sadə PAH-ların parçalanması haqqında məlumatları ümumiləşdirməyə çalışdıq. Biokimyəvi və molekulyar səviyyələrin başa düşülməsi, bu cür prioritet çirkləndiricilərin effektiv bioremediasiyası üçün uyğun ev sahibi ştammlarının müəyyənləşdirilməsinə və onların sonrakı genetik mühəndisliyinə kömək edəcəkdir. Bu, effektiv bioremediasiya üçün sahəyə xas bakteriya konsorsiumlarının yaradılması strategiyalarının hazırlanmasına kömək edəcəkdir.
Çox sayda zəhərli və təhlükəli aromatik birləşmələrin olması (Hukkel qaydası 4n + 2π elektronlarına uyğundur, n = 1, 2, 3, …) hava, torpaq, çöküntülər, səth və yeraltı sular kimi müxtəlif ətraf mühit mühitləri üçün ciddi təhlükə yaradır (Puglisi və b., 2007). Bu birləşmələr xətti, bucaqlı və ya klaster şəklində düzülmüş tək benzol halqalarına (monosiklik) və ya çoxlu benzol halqalarına (polisiklik) malikdir və yüksək mənfi rezonans enerjisi və ətalət (inertlik) səbəbindən ətraf mühitdə sabitlik (sabitlik/qeyri-sabitlik) nümayiş etdirir ki, bu da onların hidrofobikliyi və azalmış vəziyyəti ilə izah edilə bilər. Aromatik halqa metil (-CH3), karboksil (-COOH), hidroksil (-OH) və ya sulfonat (-HSO3) qrupları ilə əvəz edildikdə, o, daha sabit olur, makromolekullara daha güclü yaxınlığa malikdir və bioloji sistemlərdə bioakkumulyativdir (Seo və b., 2009; Phale və b., 2020). Naftalin və onun törəmələri [metilnaftalin, naftalen turşusu, naftalensulfonat və 1-naftil N-metilkarbamat (karbaril)] kimi bəzi aşağı molekulyar çəkili polisiklik aromatik karbohidrogenlər (LMWAHs) ABŞ Ətraf Mühitin Mühafizəsi Agentliyi tərəfindən genotoksik, mutagen və/və ya kanserogen kimi prioritet üzvi çirkləndiricilər siyahısına daxil edilmişdir (Cerniglia, 1984). Bu sinif NM-PAH-ların ətraf mühitə buraxılması, qida zəncirinin bütün səviyyələrində bu birləşmələrin bioakkumulyasiyasına səbəb ola bilər və bununla da ekosistemlərin sağlamlığına təsir göstərə bilər (Binkova və b., 2000; Srogi, 2007; Quinn və b., 2009).
PAH-ların biotaya mənbələri və yolları əsasən torpaq, yeraltı sular, səth suları, bitkilər və atmosfer kimi müxtəlif ekosistem komponentləri arasında miqrasiya və qarşılıqlı təsirlərdən keçir (Arey və Atkinson, 2003). Şəkil 1-də müxtəlif aşağı molekulyar çəkili PAH-ların ekosistemlərdə qarşılıqlı təsiri və paylanması, eləcə də onların biota/insanlara məruz qalma yolları göstərilir. PAH-lar hava çirklənməsi nəticəsində və nəqliyyat vasitələrinin tullantılarının, sənaye işlənmiş qazlarının (kömür qazlaşdırılması, yanma və koks istehsalı) miqrasiyası (sürüşməsi) və onların çökməsi yolu ilə səthlərdə çökür. Sintetik tekstil, boya və boya istehsalı; ağacın qorunması; rezin emalı; sement istehsalı fəaliyyətləri; pestisid istehsalı; və kənd təsərrüfatı tətbiqləri kimi sənaye fəaliyyətləri quru və su sistemlərində PAH-ların əsas mənbələridir (Bamforth və Singleton, 2005; Wick və b., 2011). Tədqiqatlar göstərir ki, şəhərətrafı və şəhər ərazilərində, magistral yolların yaxınlığında və böyük şəhərlərdə torpaqlar elektrik stansiyalarından, yaşayış məntəqələrinin istilik sistemlərindən, hava və yol yüklərindən və tikinti fəaliyyətlərindən yaranan emissiyalar səbəbindən polisiklik aromatik karbohidrogenlərə (PAH) daha çox həssasdır (Suman və b., 2016). (2008) ABŞ-ın Luiziana ştatının Yeni Orlean şəhərində yolların yaxınlığındakı torpaqda PAH-ların 7189 μq/kq-a qədər, açıq məkanda isə cəmi 2404 μq/kq olduğunu göstərib. Eynilə, ABŞ-ın bir neçə şəhərində kömür qazlaşdırma sahələrinə yaxın ərazilərdə 300 μq/kq-a qədər PAH səviyyələri qeydə alınıb (Kanaly və Harayama, 2000; Bamforth və Singleton, 2005). Dehli (Sharma və b., 2008), Aqra (Dubey və b., 2014), Mumbay (Kulkarni və Venkataraman, 2000) və Visakhapatnam (Kulkarni və b., 2014) kimi müxtəlif Hindistan şəhərlərindən olan torpaqlarda yüksək konsentrasiyalı PAH-lar olduğu bildirilir. Aromatik birləşmələr torpaq hissəciklərinə, üzvi maddələrə və gil minerallarına daha asan adsorbsiya olunur və beləliklə, ekosistemlərdə əsas karbon uducularına çevrilir (Srogi, 2007; Peng və b., 2008). Su ekosistemlərində PAH-ların əsas mənbələri yağıntılar (yaş/quru yağıntı və su buxarı), şəhər axını, çirkab sularının axıdılması, yeraltı suların doldurulması və s.-dir (Srogi, 2007). Dəniz ekosistemlərində PAH-ların təxminən 80%-nin yağıntı, çöküntü və tullantı axıdılmasından əmələ gəldiyi təxmin edilir (Motelay-Massei və b., 2006; Srogi, 2007). Səth sularında və ya bərk tullantıların atılması yerlərindən çıxan sızmalarda PAH-ların daha yüksək konsentrasiyası nəticədə yeraltı sulara sızır və bu da ictimai səhiyyə üçün böyük təhlükə yaradır, çünki Cənubi və Cənub-Şərqi Asiyada əhalinin 70%-dən çoxu yeraltı su içir (Duttagupta və b., 2019). Duttagupta və b. (2020) tərəfindən Hindistanın Qərbi Benqal bölgəsində çay (32) və yeraltı su (235) təhlilləri ilə bağlı aparılan son tədqiqat nəticəsində şəhər sakinlərinin təxminən 53%-nin və kənd sakinlərinin 44%-nin (cəmi 20 milyon sakin) naftalin (4.9–10.6 μg/L) və onun törəmələrinə məruz qala biləcəyi aşkar edilmişdir. Fərqli torpaq istifadə modelləri və yeraltı suların hasilatının artması yeraltı sularda aşağı molekulyar çəkili PAH-ların şaquli daşınmasını (adveksiyasını) idarə edən əsas amillər hesab olunur. Kənd təsərrüfatı axınlarının, bələdiyyə və sənaye çirkab sularının axıdılmasının və bərk tullantıların/zibil axıdılmasının çay hövzələrində və yeraltı çöküntülərdə PAH-lardan təsirləndiyi aşkar edilmişdir. Atmosfer yağıntıları PAH çirklənməsini daha da ağırlaşdırır. Dünyanın çaylarında/su hövzələrində, məsələn, Fraser çayı, Louan çayı, Denso çayı, Missuri çayı, Anacostia çayı, Ebro çayı və Delaver çayında yüksək konsentrasiyalı PAH-lar və onların alkil törəmələri (cəmi 51) qeydə alınıb (Yunker və b., 2002; Motelay-Massei və b., 2006; Li və b., 2010; Amoako və b., 2011; Kim və b., 2018). Qanq çayı hövzəsi çöküntülərində naftalin və fenantren ən əhəmiyyətlisi hesab edilmişdir (nümunələrin 70%-də aşkar edilmişdir) (Duttagupta və b., 2019). Bundan əlavə, tədqiqatlar göstərib ki, içməli suyun xlorlanması daha zəhərli oksigenləşdirilmiş və xlorlanmış PAH-ların əmələ gəlməsinə səbəb ola bilər (Manoli və Samara, 1999). PAH-lar bitkilərin çirklənmiş torpaqlardan, yeraltı sulardan və yağıntılardan mənimsəməsi nəticəsində dənli bitkilərdə, meyvə və tərəvəzlərdə toplanır (Fismes və b., 2002). Balıq, midiya, molyusk və karides kimi bir çox su orqanizmi çirklənmiş qida və dəniz suyunun istehlakı, eləcə də toxumalar və dəri vasitəsilə PAH-larla çirklənir (Mackay və Fraser, 2000). Qril, qovurma, hisə vermə, qızartma, qurutma, bişirmə və kömürdə bişirmə kimi bişirmə/emal üsulları da qidada xeyli miqdarda PAH-a səbəb ola bilər. Bu, əsasən hisə verilən materialın seçimindən, fenol/aromatik karbohidrogen tərkibindən, bişirmə prosedurundan, qızdırıcının növündən, nəm miqdarından, oksigen təchizatından və yanma temperaturundan asılıdır (Guillén və b., 2000; Gomes və b., 2013). Polisiklik aromatik karbohidrogenlər (PAH-lar) süddə müxtəlif konsentrasiyalarda (0,75–2,1 mq/L) da aşkar edilmişdir (Girelli və b., 2014). Bu PAH-ların qidada toplanması həmçinin qidanın fiziki-kimyəvi xüsusiyyətlərindən asılıdır, onların zəhərli təsirləri isə fizioloji funksiyalar, metabolik aktivlik, udma, paylanma və bədən paylanması ilə əlaqədardır (Mechini və digərləri, 2011).
Polisiklik aromatik karbohidrogenlərin (PAH) toksikliyi və zərərli təsirləri uzun müddətdir məlumdur (Cherniglia, 1984). Aşağı molekulyar çəkili polisiklik aromatik karbohidrogenlər (LMW-PAH) (iki-üç halqa) DNT, RNT və zülallar kimi müxtəlif makromolekullara kovalent şəkildə bağlana bilər və kanserogendir (Santarelli və b., 2008). Hidrofob təbiətlərinə görə onlar lipid membranları ilə ayrılır. İnsanlarda sitoxrom P450 monooksigenazaları PAH-ları epoksidlərə oksidləşdirir, bunlardan bəziləri yüksək reaktivdir (məsələn, baediol epoksid) və normal hüceyrələrin bədxassəli hüceyrələrə çevrilməsinə səbəb ola bilər (Marston və b., 2001). Bundan əlavə, xinonlar, fenollar, epoksidlər, diollar və s. kimi PAH-ların çevrilmə məhsulları ana birləşmələrdən daha zəhərlidir. Bəzi PAH-lar və onların metabolik ara məhsulları maddələr mübadiləsində hormonlara və müxtəlif fermentlərə təsir göstərə bilər və bununla da böyüməyə, mərkəzi sinir sisteminə, reproduktiv və immun sistemlərinə mənfi təsir göstərə bilər (Swetha və Phale, 2005; Vamsee-Krishna və b., 2006; Oostingh və b., 2008). Aşağı molekulyar çəkili PAH-lara qısamüddətli məruz qalmanın astmatiklərdə ağciyər funksiyasının pozulmasına və trombozuna səbəb olduğu, dəri, ağciyər, sidik kisəsi və mədə-bağırsaq xərçəngi riskini artırdığı bildirilmişdir (Olsson və b., 2010; Diggs və b., 2011). Heyvanlar üzərində aparılan tədqiqatlar da PAH-a məruz qalmanın reproduktiv funksiyaya və inkişafa mənfi təsir göstərə biləcəyini və katarakta, böyrək və qaraciyər zədələnməsinə və sarılığa səbəb ola biləcəyini göstərmişdir. Diollar, epoksidlər, xinonlar və sərbəst radikallar (kationlar) kimi müxtəlif PAH biotransformasiya məhsullarının DNT adduktları əmələ gətirdiyi göstərilmişdir. Stabil adduktların DNT replikasiya mexanizmini dəyişdirdiyi, qeyri-sabit adduktların isə DNT-ni depurinləşdirə biləcəyi (əsasən adeninə və bəzən quaninə); hər ikisi mutasiyalara səbəb olan səhvlər yarada bilər (Schweigert və b. 2001). Bundan əlavə, xinonlar (benzo-/pan-) reaktiv oksigen növləri (ROS) yarada bilər, DNT-yə və digər makromolekullara ölümcül zərər verə bilər və bununla da toxuma funksiyasına/həyat qabiliyyətinə təsir göstərir (Ewa və Danuta 2017). Piren, bifenil və naftalinin aşağı konsentrasiyalarına xroniki məruz qalmanın eksperimental heyvanlarda xərçəngə səbəb olduğu bildirilmişdir (Diggs və b. 2012). Ölümcül toksikliklərinə görə, bu PAH-ların təsirlənmiş/çirklənmiş yerlərdən təmizlənməsi/çıxarılması prioritetdir.
Çirklənmiş ərazilərdən/mühitlərdən PAH-ları təmizləmək üçün müxtəlif fiziki və kimyəvi üsullardan istifadə edilmişdir. Yandırma, dexlorlaşdırma, UB oksidləşmə, fiksasiya və həlledici ilə ekstraksiya kimi proseslərin bir çox mənfi cəhətləri var, o cümlədən zəhərli yan məhsulların əmələ gəlməsi, prosesin mürəkkəbliyi, təhlükəsizlik və tənzimləmə məsələləri, aşağı səmərəlilik və yüksək qiymət. Lakin, mikrobial biodeqradasiya (bioremediasiya adlanır) mikroorqanizmlərin təmiz kulturalar və ya koloniyalar şəklində istifadəsini əhatə edən perspektivli alternativ bir yanaşmadır. Fiziki və kimyəvi üsullarla müqayisədə bu proses ekoloji cəhətdən təmiz, invaziv olmayan, səmərəli və davamlıdır. Bioremediasiya təsirlənmiş ərazidə (in situ) və ya xüsusi hazırlanmış ərazidə (ex situ) həyata keçirilə bilər və buna görə də ənənəvi fiziki və kimyəvi üsullardan daha davamlı bir remediasiya metodu hesab olunur (Juhasz və Naidu, 2000; Andreoni və Gianfreda, 2007; Megharaj və b., 2011; Phale və b., 2020; Sarkar və b., 2020).
Aromatik çirkləndiricilərin parçalanmasında iştirak edən mikrob metabolik mərhələlərinin başa düşülməsinin ekoloji və ətraf mühitin dayanıqlığı üçün böyük elmi və iqtisadi əhəmiyyəti var. Dünyada çöküntülərdə və üzvi birləşmələrdə (yəni neft, təbii qaz və kömür, yəni qazıntı yanacaqları) təxminən 2,1 × 1018 qram karbon (C) saxlanılır və bu da qlobal karbon dövrünə əhəmiyyətli töhfə verir. Lakin sürətli sənayeləşmə, qazıntı yanacaqlarının çıxarılması və insan fəaliyyəti bu litosfer karbon rezervuarlarını tükəndirir və atmosferə hər il təxminən 5,5 × 1015 q üzvi karbon (çirkləndirici kimi) buraxır (Gonzalez-Gaya və b., 2019). Bu üzvi karbonun əksəriyyəti çöküntü, daşınma və axın yolu ilə quru və dəniz ekosistemlərinə daxil olur. Bundan əlavə, qazıntı yanacaqlarından əldə edilən yeni sintetik çirkləndiricilər, məsələn, plastiklər, plastifikatorlar və plastik stabilizatorlar (ftalatlar və onların izomerləri) dəniz, torpaq və su ekosistemlərini və onların biotasını ciddi şəkildə çirkləndirir və bununla da qlobal iqlim risklərini artırır. Polietilen tereftalatdan (PET) əldə edilən müxtəlif növ mikroplastiklər, nanoplastiklər, plastik fraqmentlər və onların zəhərli monomer məhsulları Şimali Amerika və Cənub-Şərqi Asiya arasında Sakit Okeanda toplanaraq "Böyük Sakit Okean Zibil Yamağı" əmələ gətirmiş və dəniz həyatına zərər vermişdir (Newell və b., 2020). Elmi tədqiqatlar bu cür çirkləndiricilərin/tullantıların heç bir fiziki və ya kimyəvi üsulla təmizlənməsinin mümkün olmadığını sübut etmişdir. Bu kontekstdə ən faydalı mikroorqanizmlər çirkləndiriciləri oksidləşdirici şəkildə karbon qazına, kimyəvi enerjiyə və nəticədə digər qida dövriyyəsi proseslərinə (H, O, N, S, P, Fe və s.) daxil olan digər toksik olmayan yan məhsullara çevirə bilənlərdir. Beləliklə, aromatik çirkləndiricilərin minerallaşmasının mikrobial ekofizologiyasını və onun ətraf mühitə nəzarətini anlamaq mikrobial karbon dövriyyəsini, xalis karbon büdcəsini və gələcək iqlim risklərini qiymətləndirmək üçün çox vacibdir. Bu cür birləşmələrin ətraf mühitdən təmizlənməsinə təcili ehtiyac duyulduğu üçün təmiz texnologiyalara yönəlmiş müxtəlif eko-sənaye sahələri yaranmışdır. Alternativ olaraq, ekosistemlərdə toplanmış sənaye tullantılarının/tullantı kimyəvi maddələrinin qiymətləndirilməsi (yəni, tullantıların sərvətə çevrilməsi yanaşması) dairəvi iqtisadiyyatın və davamlı inkişaf məqsədlərinin əsaslarından biri hesab olunur (Close və b., 2012). Buna görə də, bu potensial deqradasiya namizədlərinin metabolik, fermentativ və genetik aspektlərinin başa düşülməsi bu cür aromatik çirkləndiricilərin effektiv şəkildə təmizlənməsi və bioremediasiyası üçün son dərəcə vacibdir.
Çoxsaylı aromatik çirkləndiricilər arasında naftalin və əvəzedici naftalinlər kimi aşağı molekulyar çəkili PAH-lara xüsusi diqqət yetiririk. Bu birləşmələr neftdən əldə edilən yanacaqların, tekstil boyalarının, istehlak məhsullarının, pestisidlərin (naftalin və həşərat kovucularının), plastifikatorların və taninlərin əsas komponentləridir və buna görə də bir çox ekosistemlərdə geniş yayılmışdır (Preuss və b., 2003). Son hesabatlarda naftalin konsentrasiyalarının akvifer çöküntülərində, yeraltı sularda və yeraltı torpaqlarda, vadoz zonalarında və çay yataqlarında toplandığı vurğulanır ki, bu da onun ətraf mühitdə bioakkumulyasiyasını göstərir (Duttagupta və b., 2019, 2020). Cədvəl 2-də naftalin və onun törəmələrinin fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri, tətbiqləri və sağlamlığa təsiri ümumiləşdirilir. Digər yüksək molekulyar çəkili PAH-larla müqayisədə naftalin və onun törəmələri daha az hidrofob, daha çox suda həll olur və ekosistemlərdə geniş yayılmışdır, buna görə də onlar tez-tez PAH-ların metabolizmasını, genetikasını və metabolik müxtəlifliyini öyrənmək üçün model substratlar kimi istifadə olunur. Çox sayda mikroorqanizm naftalin və onun törəmələrini metabolizə edə bilir və onların metabolik yolları, fermentləri və tənzimləyici xüsusiyyətləri haqqında ətraflı məlumat mövcuddur (Mallick və b., 2011; Phale və b., 2019, 2020). Bundan əlavə, naftalin və onun törəmələri yüksək bolluğu və bioəlçatanlığı səbəbindən ətraf mühitin çirklənməsinin qiymətləndirilməsi üçün prototip birləşmələr kimi təyin olunur. ABŞ Ətraf Mühitin Mühafizəsi Agentliyi hesablayır ki, siqaret tüstüsündən, əsasən natamam yanmadan, naftalinin orta səviyyəsi kubmetr üçün 5,19 mkq, yan axın tüstüsündən isə 7,8-46 mkq təşkil edir, kreozot və naftalinə məruz qalma isə 100-10.000 dəfə yüksəkdir (Preuss və b., 2003). Xüsusilə naftalinin növ, region və cinsə xas tənəffüs toksikliyi və kanserogenliyi olduğu aşkar edilmişdir. Heyvan tədqiqatlarına əsasən, Beynəlxalq Xərçəng Tədqiqatları Agentliyi (IARC) naftalini "mümkün insan kanserogeni" (2B Qrupu)1 kimi təsnif etmişdir. Əvəz edilmiş naftalinlərə, əsasən inhalyasiya və ya parenteral (oral) qəbul yolu ilə məruz qalma ağciyər toxumasının zədələnməsinə səbəb olur və siçovullarda və siçanlarda ağciyər şişlərinin yaranma hallarını artırır (Milli Toksikologiya Proqramı 2). Kəskin təsirlərə ürəkbulanma, qusma, qarın ağrısı, ishal, baş ağrısı, çaşqınlıq, çox tərləmə, qızdırma, taxikardiya və s. daxildir. Digər tərəfdən, geniş spektrli karbamat insektisid karbaril (1-naftil N-metilkarbamat) su onurğasızları, amfibiyalar, bal arıları və insanlar üçün zəhərli olduğu və iflicə səbəb olan asetilkolinesterazanı inhibə etdiyi göstərilmişdir (Smulders və b., 2003; Bulen və Distel, 2011). Buna görə də, çirklənmiş mühitlərdə mikrobların parçalanmasının, genetik tənzimlənməsinin, fermentativ və hüceyrə reaksiyalarının mexanizmlərini anlamaq çirklənmiş mühitlərdə bioremediasiya strategiyalarının hazırlanması üçün çox vacibdir.
Cədvəl 2. Naftalin və onun törəmələrinin fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri, istifadəsi, identifikasiya üsulları və əlaqəli xəstəlikləri haqqında ətraflı məlumat.
Çirklənmiş nişlərdə hidrofob və lipofil aromatik çirkləndiricilər ətraf mühit mikrobiomuna (icmasına) müxtəlif hüceyrə təsirləri yarada bilər, məsələn, membran axıcılığında, membran keçiriciliyində, lipid ikiqat təbəqəsinin şişməsində, enerji ötürülməsinin pozulmasında (elektron daşıma zənciri/proton hərəkətverici qüvvəsi) və membranla əlaqəli zülalların aktivliyində (Sikkema və b., 1995). Bundan əlavə, katexollar və xinonlar kimi bəzi həll olan ara maddələr reaktiv oksigen növləri (ROS) yaradır və DNT və zülallarla adduktlar əmələ gətirir (Penning və b., 1999). Beləliklə, ekosistemlərdə bu cür birləşmələrin bolluğu mikrob icmalarına udma/nəqliyyat, hüceyrədaxili transformasiya, assimilyasiya/istifadə və bölmələşmə daxil olmaqla müxtəlif fizioloji səviyyələrdə səmərəli parçalayıcılara çevrilmək üçün selektiv təzyiq göstərir.
Ribosomal Verilənlər Bazası Layihəsi-II (RDP-II)-də aparılan axtarış nəticəsində məlum olub ki, naftalin və ya onun törəmələri ilə çirklənmiş mühitdən və ya zənginləşdirmə kulturalarından cəmi 926 bakteriya növü təcrid olunub. Proteobacteria qrupunda ən çox nümayəndə sayı (n = 755), ardınca Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) və təsnif olunmamış bakteriyalar (8) gəlir (Şəkil 2). γ-Proteobacteria nümayəndələri (Pseudomonadales və Xanthomonadales) yüksək G+C tərkibli (54%) bütün Qram-mənfi qruplarda üstünlük təşkil edib, Clostridiales və Bacillales (30%) isə aşağı G+C tərkibli Qram-müsbət qruplar olub. Pseudomonas (ən çox sayda, 338 növ) müxtəlif çirklənmiş ekosistemlərdə (kömür qətran, neft, xam neft, çamur, neft dağılmaları, çirkab suları, üzvi tullantılar və poliqonlar), eləcə də toxunulmamış ekosistemlərdə (torpaq, çaylar, çöküntülər və yeraltı sular) naftalin və onun metil törəmələrini parçalaya bildiyi bildirilmişdir (Şəkil 2). Bundan əlavə, bu bölgələrin bəzilərinin zənginləşdirilməsi və metagenomik təhlili göstərmişdir ki, becərilməmiş Legionella və Clostridium növləri parçalanma qabiliyyətinə malik ola bilər ki, bu da yeni yolları və metabolik müxtəlifliyi öyrənmək üçün bu bakteriyaların becərilməsinə ehtiyac olduğunu göstərir.
Şəkil 2. Naftalin və naftalin törəmələri ilə çirklənmiş mühitlərdə bakteriya nümayəndələrinin taksonomik müxtəlifliyi və ekoloji paylanması.
Müxtəlif aromatik karbohidrogenləri parçalayan mikroorqanizmlər arasında əksəriyyəti naftalini karbon və enerjinin yeganə mənbəyi kimi parçalaya bilir. Naftalin metabolizmasında iştirak edən hadisələrin ardıcıllığı Pseudomonas sp. üçün təsvir edilmişdir. (ştammlar: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 və CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 və digər ştammlar (ND6 və AS1) (Mahajan və b., 1994; Resnick və b., 1996; Annweiler və b., 2000; Basu və b., 2003; Dennis və Zylstra, 2004; Sota və b., 2006; Metabolizm, molekulyar oksigeni digər substrat kimi istifadə edərək naftalinin aromatik halqalarından birinin oksidləşməsini katalizləşdirən və naftalini sis-naftalenediola çevirən çoxkomponentli dioksigenaza [naftalin dioksigenaza (NDO)] tərəfindən başlanır (Şəkil 3). Cis-dihidrodiol 1,2-dihidroksinaftaline çevrilir. dehidrogenaza. Halqa parçalayan dioksigenaza, 1,2-dihidroksinaftalin dioksigenaza (12DHNDO), 1,2-dihidroksinaftalini 2-hidroksixrom-2-karboksilik turşuya çevirir. Enzimatik sis-trans izomerləşməsi hidrataza aldolaza tərəfindən salisilik aldehid və piruvata parçalanan trans-o-hidroksibenzilidenepiruvatı əmələ gətirir. Üzvi turşu piruvat naftalin karbon skeletindən əldə edilən və mərkəzi karbon yoluna yönəldilən ilk C3 birləşməsi idi. Bundan əlavə, NAD+-asılı salisilikaldehid dehidrogenaza salisilikaldehidi salisilik turşuya çevirir. Bu mərhələdə metabolizm naftalinin parçalanmasının "yuxarı yolu" adlanır. Bu yol əksər naftalini parçalayan bakteriyalarda çox yaygındır. Lakin, bir neçə istisna var; məsələn, termofil Bacillus hamburgii 2-də naftalinin parçalanması naftalin tərəfindən başlanır. 2,3-dioksigenaz 2,3-dihidroksinaftalin əmələ gətirir (Annweiler et al., 2000).
Şəkil 3. Naftalin, metilnaftalin, naftoy turşusu və karbaril parçalanma yolları. Dairəvi rəqəmlər naftalin və onun törəmələrinin sonrakı məhsullara ardıcıl çevrilməsindən məsul olan fermentləri təmsil edir. 1 — naftalin dioksigenaza (NDO); 2, sis-dihidrodiol dehidrogenaza; 3, 1,2-dihidroksinaftalin dioksigenaza; 4, 2-hidroksixrom-2-karboksilik turşu izomeraza; 5, trans-O-hidroksibenzilidenepiruvat hidrataza aldolaza; 6, salisiladehid dehidrogenaza; 7, salisilat 1-hidroksilaza; 8, katexol 2,3-dioksigenaza (C23DO); 9, 2-hidroksimukonat yarımaldehid dehidrogenaza; 10, 2-oksopent-4-enoat hidrataza; 11, 4-hidroksi-2-oksopentanoat aldolaza; 12, asetaldehid dehidrogenaza; 13, katexol-1,2-dioksigenaza (C12DO); 14, mukonat sikloizomeraza; 15, mukonolakton delta-izomeraza; 16, β-ketoadipatenollakton hidrolaza; 17, β-ketoadipat suksinil-CoA transferaza; 18, β-ketoadipat-CoA tiolaza; 19, suksinil-CoA: asetil-CoA suksiniltransferaza; 20, salisilat 5-hidroksilaza; 21 – gentizat 1,2-dioksigenaza (GDO); 22, maleilpiruvat izomeraza; 23, fumarilpiruvat hidrolaza; 24, metilnaftalin hidroksilaza (NDO); 25, hidroksimetilnaftalin dehidrogenaza; 26, naftaldehid dehidrogenaza; 27, 3-formilsalisilik turşu oksidaza; 28, hidroksiizoftalat dekarboksilaza; 29, karbaril hidrolaza (CH4); 30, 1-naftol-2-hidroksilaza.
Orqanizmdən və onun genetik quruluşundan asılı olaraq, əmələ gələn salisilik turşusu ya salisilat 1-hidroksilaza (S1H) istifadə edərək katexol yolu ilə, ya da salisilat 5-hidroksilaza (S5H) istifadə edərək gentisat yolu ilə daha da metabolizə olunur (Şəkil 3). Salisilik turşu naftalin metabolizmasında əsas aralıq məhsul olduğundan (yuxarı yol), salisilik turşudan TCA aralığına keçid mərhələləri çox vaxt aşağı yol adlanır və genlər tək bir operon şəklində təşkil olunur. Yuxarı yol operonundakı (nah) və aşağı yol operonundakı (sal) genlərin ümumi tənzimləyici amillərlə tənzimləndiyini görmək adi haldır; məsələn, NahR və salisilik turşusu induktor kimi çıxış edir və hər iki operonun naftalini tamamilə metabolizə etməsinə imkan verir (Phale və b., 2019, 2020).
Bundan əlavə, katexol katexol 2,3-dioksigenaza (C23DO) tərəfindən meta yol vasitəsilə tsiklik olaraq 2-hidroksimukonat yarımaldehidinə parçalanır (Yen və b., 1988) və 2-hidroksimukonat yarımaldehid hidrolaza tərəfindən daha sonra hidrolizə olunaraq 2-hidroksipent-2,4-dienoik turşusu əmələ gətirir. 2-hidroksipent-2,4-dienoat daha sonra hidrataza (2-oksopent-4-enoat hidrataza) və aldolaza (4-hidroksi-2-oksopentanoat aldolaza) tərəfindən piruvata və asetaldehidə çevrilir və sonra mərkəzi karbon yoluna daxil olur (Şəkil 3). Alternativ olaraq, katexol 1,2-oksigenaza (C12DO) tərəfindən orto yol vasitəsilə tsiklik olaraq sis,sis-mukonata parçalanır. Mukonat sikloizomeraza, mukonolakton izomeraza və β-ketoadipat-nollakton hidrolaza sis,sis-mukonatı 3-oksoadipata çevirir və bu da suksinil-CoA və asetil-CoA vasitəsilə mərkəzi karbon yoluna daxil olur (Nozaki və b., 1968) (Şəkil 3).
Gentisat (2,5-dihidroksibenzoat) yolunda aromatik halqa maleilpiruvat əmələ gətirmək üçün gentatin 1,2-dioksigenaza (GDO) tərəfindən parçalanır. Bu məhsul birbaşa piruvat və malata hidroliz edilə bilər və ya fumarilpiruvat əmələ gətirmək üçün izomerləşdirilə bilər, sonra isə piruvat və fumarata hidroliz edilə bilər (Larkin və Day, 1986). Alternativ yolun seçimi həm Qram-mənfi, həm də Qram-müsbət bakteriyalarda biokimyəvi və genetik səviyyələrdə müşahidə edilmişdir (Morawski və b., 1997; Whyte və b., 1997). Qram-mənfi bakteriyalar (Pseudomonas) naftalin metabolizmasının induktoru olan salisilik turşusundan istifadə etməyi üstün tuturlar və onu salisilat 1-hidroksilaza istifadə edərək katexol halına dekarboksilləşdirirlər (Gibson və Subramanian, 1984). Digər tərəfdən, Qram-müsbət bakteriyalarda (Rhodococcus) salisilat 5-hidroksilaza salisilik turşusunu gentis turşusuna çevirir, halbuki salisilik turşusu naftalin genlərinin transkripsiyasına induktiv təsir göstərmir (Grund və digərləri, 1992) (Şəkil 3).
Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas və Mycobacterium növlərinin monometilnaftalin və ya dimetilnaftalini parçalaya biləcəyi bildirilmişdir (Dean-Raymond və Bartha, 1975; Cane və Williams, 1982; Mahajan və b., 1994; Dutta və b., 1998; Hedlund və b., 1999). Bunların arasında Pseudomonas sp. CSV86-nın 1-metilnaftalin və 2-metilnaftalin parçalanma yolu biokimyəvi və fermentativ səviyyələrdə aydın şəkildə öyrənilmişdir (Mahajan və b., 1994). 1-Metilnaftalin iki yolla metabolizə olunur. Əvvəlcə aromatik halqa hidroksillənir (metilnaftalinin əvəz olunmamış halqası), sis-1,2-dihidroksi-1,2-dihidro-8-metilnaftalin əmələ gətirir ki, bu da metil salisilat və metilkatexol şəklində oksidləşir və sonra halqa parçalanmasından sonra mərkəzi karbon yoluna daxil olur (Şəkil 3). Bu yol "karbon mənbəyi yolu" adlanır. İkinci "detoksifikasiya yolu"nda metil qrupu NDO ilə hidroksilləşdirilərək 1-hidroksimetilnaftalin əmələ gətirə bilər ki, bu da 1-naftoid turşusuna qədər oksidləşir və ölü məhsul kimi mədəni mühitə xaric olur. Tədqiqatlar göstərib ki, CSV86 ştammı yeganə karbon və enerji mənbəyi kimi 1- və 2-naftoid turşusu üzərində böyüyə bilmir və bu da onun detoksifikasiya yolunu təsdiqləyir (Mahajan və b., 1994; Basu və b., 2003). 2-metilnaftalində metil qrupu 2-hidroksimetilnaftalin əmələ gətirmək üçün hidroksilaza ilə hidroksilazaya məruz qalır. Bundan əlavə, naftalin halqasının əvəz olunmamış halqası bir sıra ferment katalizli reaksiyalarda 4-hidroksimetilkatekola oksidləşən və meta-halqa parçalanma yolu ilə mərkəzi karbon yoluna daxil olan dihidrodiol əmələ gətirmək üçün halqa hidroksilazaya məruz qalır. Eynilə, S. paucimobilis 2322-nin NDO-dan istifadə edərək 2-metilnaftalini hidroksilata etdiyi, daha sonra isə metil salisilat və metilkatekol əmələ gətirmək üçün oksidləşdiyi bildirilir (Dutta və b., 1998).
Naftoy turşuları (əvəzlənmiş/əvəzlənməmiş) metilnaftalin, fenantren və antrasenin parçalanması zamanı əmələ gələn və sərf olunmuş becərmə mühitinə buraxılan detoksifikasiya/biotransformasiya yan məhsullarıdır. Torpaq izolyatının Stenotrophomonas maltophilia CSV89 olduğu bildirilmişdir ki, o, 1-naftoy turşusunu karbon mənbəyi kimi metabolizə edə bilir (Phale və b., 1995). Metabolizm aromatik halqanın dihidroksilləşməsi ilə başlayır və 1,2-dihidroksi-8-karboksinaftalin əmələ gətirir. Yaranan diol 2-hidroksi-3-karboksibenzilidenepiruvat, 3-formilsalisilik turşusu, 2-hidroksiizoftalik turşusu və salisilik turşusu vasitəsilə katexol halqasına oksidləşir və meta-halqa parçalanma yolu ilə mərkəzi karbon yoluna daxil olur (Şəkil 3).
Karbaril naftil karbamat pestisididir. 1970-ci illərdə Hindistanda baş verən Yaşıl İnqilabdan bəri kimyəvi gübrələrin və pestisidlərin istifadəsi kənd təsərrüfatında istifadə olunmayan mənbələrdən çıxan politsiklik aromatik karbohidrogen (PAH) tullantılarının artmasına səbəb olmuşdur (Pingali, 2012; Duttagupta və b., 2020). Hindistanda ümumi əkin sahələrinin təxminən 55%-i (85.722.000 hektar) kimyəvi pestisidlərlə işlənir. Son beş ildə (2015–2020) Hindistan kənd təsərrüfatı sektoru ildə orta hesabla 55.000-60.000 ton pestisid istifadə etmişdir (Kooperativlər və Fermerlərin Rifahı Departamenti, Kənd Təsərrüfatı Nazirliyi, Hindistan Hökuməti, Avqust 2020). Şimal və mərkəzi Qanq düzənliklərində (ən yüksək əhali və əhali sıxlığına malik ştatlar) pestisidlərin bitkilərdə istifadəsi geniş yayılmışdır və insektisidlər üstünlük təşkil edir. Karbaril (1-naftil-N-metilkarbamat) geniş spektrli, orta və yüksək zəhərli karbamat insektisididir və Hindistan kənd təsərrüfatında orta hesabla 100-110 ton sürətlə istifadə olunur. Adətən Sevin ticarət adı altında satılır və müxtəlif bitkilərə (qarğıdalı, soya, pambıq, meyvə və tərəvəz) təsir edən həşəratları (bitkilər, od qarışqaları, birələr, gənələr, hörümçəklər və bir çox digər açıq hava zərərvericiləri) idarə etmək üçün istifadə olunur. Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus və Arthrobacter kimi bəzi mikroorqanizmlər də digər zərərvericiləri idarə etmək üçün istifadə edilə bilər. RC100-ün karbarili parçalaya biləcəyi bildirilmişdir (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu və b., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi və b., 2017). Karbarilin parçalanma yolu Pseudomonas sp. C4, C5 və C6 ştammlarının torpaq izolatlarında biokimyəvi, fermentativ və genetik səviyyələrdə geniş şəkildə öyrənilmişdir (Swetha and Phale, 2005; Trivedi və b., 2016) (Şəkil 3). Metabolik yol 1-naftol, metilamin və karbon qazı əmələ gətirmək üçün karbaril hidrolaza (CH3) tərəfindən efir rabitəsinin hidrolizi ilə başlayır. 1-naftol daha sonra 1-naftol hidroksilaza (1-NH) tərəfindən 1,2-dihidroksinaftalinə çevrilir və bu da mərkəzi karbon yolu ilə salisilat və gentisat vasitəsilə metabolizə olunur. Bəzi karbaril parçalayan bakteriyaların katexol orto halqasının parçalanması yolu ilə onu salisilik turşuya çevirdiyi bildirilir (Larkin və Day, 1986; Chapalamadugu və Chaudhry, 1991). Xüsusilə, naftalin parçalayan bakteriyalar əsasən salisilik turşusunu katexol vasitəsilə metabolizə edir, karbaril parçalayan bakteriyalar isə salisilik turşusunu gentisat yolu ilə metabolizə etməyə üstünlük verirlər.
Naftalinsulfon turşusu/disulfon turşusu və naftilaminsulfon turşusu törəmələri azo boyalarının, isladıcı maddələrin, dispersantların və s. istehsalında ara məhsullar kimi istifadə edilə bilər. Bu birləşmələrin insanlar üçün aşağı toksikliyi olsa da, sitotoksiklik qiymətləndirmələri onların balıqlar, dafniyalar və yosunlar üçün ölümcül olduğunu göstərmişdir (Greim və b., 1994). Pseudomonas cinsinin nümayəndələrinin (A3, C22 ştammları) sulfon turşusu qrupunu ehtiva edən aromatik halqanın ikiqat hidroksilləşməsi ilə metabolizmə başlayaraq dihidrodiol əmələ gətirdiyi və sulfit qrupunun spontan parçalanması ilə 1,2-dihidroksinaftalinə çevrildiyi bildirilmişdir (Brilon və b., 1981). Nəticədə yaranan 1,2-dihidroksinaftalin klassik naftalin yolu, yəni katexol və ya gentisat yolu ilə katabolizə olunur (Şəkil 4). Göstərilmişdir ki, aminoftalinsulfon turşusu və hidroksinaftalinsulfon turşusu tamamlayıcı katabolik yollarla qarışıq bakteriya konsorsiumları tərəfindən tamamilə parçalana bilər (Nortemann və b., 1986). Konsorsiumun bir üzvünün aminoftalinsulfon turşusunu və ya hidroksinaftalinsulfon turşusunu 1,2-dioksigenləşmə yolu ilə kükürdsüzləşdirdiyi, aminosalisilat və ya hidroksisalisilat isə ölü metabolit kimi mədəni mühitə buraxıldığı və sonradan konsorsiumun digər üzvləri tərəfindən mənimsənildiyi göstərilmişdir. Naftalinsulfon turşusu nisbətən polyardır, lakin zəif bioloji parçalanır və buna görə də müxtəlif yollarla metabolizə oluna bilər. İlk kükürdsüzləşmə aromatik halqanın və sulfon turşusu qrupunun regioselektiv dihidroksilləşməsi zamanı baş verir; İkinci kükürdsüzləşmə, mərkəzi karbon yoluna daxil olan gentis turşusu əmələ gətirmək üçün salisil turşusu 5-hidroksilaza tərəfindən 5-sulfosalisil turşusunun hidroksilləşməsi zamanı baş verir (Brilon və b., 1981) (Şəkil 4). Naftalinin parçalanmasından məsul olan fermentlər həmçinin naftalin sulfonat metabolizmasından da məsuldurlar (Brilon və b., 1981; Keck və b., 2006).
Şəkil 4. Naftalin sulfonatın parçalanması üçün metabolik yollar. Dairələrin içərisindəki rəqəmlər Şəkil 3-də təsvir edilən fermentlərə bənzər/eyni olan naftil sulfonat metabolizmasından məsul olan fermentləri təmsil edir.
Aşağı molekulyar çəkili PAH-lar (LMW-PAH-lar) reduksiya olunan, hidrofob və zəif həll olan maddələrdir və buna görə də təbii parçalanmaya/deqradasiyaya həssas deyillər. Lakin, aerob mikroorqanizmlər molekulyar oksigeni (O2) udmaqla onu oksidləşdirə bilirlər. Bu fermentlər əsasən oksidoreduktazalar sinfinə aiddir və aromatik halqa hidroksilləşməsi (mono- və ya dihidroksilləşməsi), dehidrogenləşməsi və aromatik halqa parçalanması kimi müxtəlif reaksiyalar həyata keçirə bilirlər. Bu reaksiyalardan əldə edilən məhsullar daha yüksək oksidləşmə vəziyyətindədir və mərkəzi karbon yolu ilə daha asan metabolizə olunur (Phale və b., 2020). Deqradasiya yolundakı fermentlərin induksiya edilə biləcəyi bildirilmişdir. Hüceyrələr qlükoza və ya üzvi turşular kimi sadə karbon mənbələrində yetişdirildikdə bu fermentlərin aktivliyi çox aşağı və ya əhəmiyyətsizdir. Cədvəl 3-də naftalin və onun törəmələrinin metabolizmasında iştirak edən müxtəlif fermentlər (oksigenazalar, hidrolazalar, dehidrogenazalar, oksidazalar və s.) ümumiləşdirilir.
Cədvəl 3. Naftalin və onun törəmələrinin parçalanmasından məsul olan fermentlərin biokimyəvi xüsusiyyətləri.
Radioizotop tədqiqatları (18O2) göstərmişdir ki, oksigenazalar tərəfindən molekulyar O2-nin aromatik halqalara daxil edilməsi birləşmənin daha da bioloji parçalanmasını aktivləşdirməkdə ən vacib addımdır (Hayaishi və b., 1955; Mason və b., 1955). Molekulyar oksigendən (O2) bir oksigen atomunun (O) substrata daxil edilməsi ya endogen, ya da ekzogen monooksigenazalar (hidroksilazalar da adlanır) tərəfindən başlanır. Başqa bir oksigen atomu suya reduksiya olunur. Ekzogen monooksigenazalar flavini NADH və ya NADPH ilə reduksiya edir, endomonooksigenazalarda isə flavin substrat tərəfindən reduksiya olunur. Hidroksilasiya mövqeyi məhsulun əmələ gəlməsində müxtəlifliyə səbəb olur. Məsələn, salisilat 1-hidroksilaza C1 mövqeyində salisilik turşusunu hidroksilatlayır və katexol əmələ gətirir. Digər tərəfdən, çoxkomponentli salisilat 5-hidroksilaza (reduktaza, ferredoksin və oksigenaza alt birləşmələrini ehtiva edir) salisilik turşusunu C5 mövqeyində hidroksilləşdirir və gentis turşusu əmələ gətirir (Yamamoto və b., 1965).
Dioksigenazalar substrata iki O2 atomu daxil edir. Əmələ gələn məhsullardan asılı olaraq, onlar halqa hidroksilləşdirici dioksigenazalara və halqa parçalayıcı dioksigenazalara bölünür. Halqa hidroksilləşdirici dioksigenazalar aromatik substratları sis-dihidrodiollara (məsələn, naftalin) çevirir və bakteriyalar arasında geniş yayılmışdır. Bu günə qədər halqa hidroksilləşdirici dioksigenazalar ehtiva edən orqanizmlərin müxtəlif aromatik karbon mənbələrində böyüməyə qadir olduğu göstərilmişdir və bu fermentlər NDO (naftalin), toluol dioksigenaza (TDO, toluol) və bifenil dioksigenaza (BPDO, bifenil) kimi təsnif edilir. Həm NDO, həm də BPDO müxtəlif polisiklik aromatik karbohidrogenlərin (toluol, nitrotoluol, ksilol, etilbenzol, naftalin, bifenil, flüoren, indol, metilnaftalin, naftalinsulfonat, fenantren, antrasen, asetofenon və s.) ikiqat oksidləşməsini və yan zəncir hidroksilləşməsini katalizləşdirə bilər (Boyd və Sheldrake, 1998; Phale və b., 2020). NDO oksidoreduktaza, ferredoksin və aktiv sahə tərkibli oksigenaza komponentindən ibarət çoxkomponentli sistemdir (Gibson və Subramanian, 1984; Resnick və b., 1996). NDO-nun katalitik vahidi α3β3 konfiqurasiyasında düzülmüş böyük α alt vahidindən və kiçik β alt vahidindən ibarətdir. NDO böyük bir oksigenaza ailəsinə aiddir və onun α-alt vahidi Rieske sahəsini [2Fe-2S] və NDO-nun substrat spesifikliyini təyin edən mononüvəli qeyri-hem dəmirini ehtiva edir (Parales və b., 1998). Tipik olaraq, bir katalitik dövrdə piridin nukleotidinin reduksiyasından iki elektron reduktaza, ferredoksin və Rieske sahəsi vasitəsilə aktiv sahədəki Fe(II) ionuna ötürülür. Reduksiya ekvivalentləri molekulyar oksigeni aktivləşdirir ki, bu da substrat dihidroksilləşməsi üçün vacib şərtdir (Ferraro və b., 2005). Bu günə qədər yalnız bir neçə NDO müxtəlif ştammlardan təmizlənmiş və ətraflı şəkildə xarakterizə edilmişdir və naftalinin parçalanmasında iştirak edən yolların genetik nəzarəti ətraflı öyrənilmişdir (Resnick və b., 1996; Parales və b., 1998; Karlsson və b., 2003). Halqa parçalayan dioksigenazalar (endo- və ya orto-halqa parçalayan fermentlər və ekzodiol- və ya meta-halqa parçalayan fermentlər) hidroksillənmiş aromatik birləşmələrə təsir göstərir. Məsələn, orto-halqa parçalayan dioksigenaza katexol-1,2-dioksigenaza, meta-halqa parçalayan dioksigenaza isə katexol-2,3-dioksigenazadır (Kojima və b., 1961; Nozaki və b., 1968). Müxtəlif oksigenazalara əlavə olaraq, aromatik dihidrodiolların, spirtlərin və aldehidlərin dehidrogenləşməsindən məsul olan və NAD+/NADP+-ı elektron akseptorları kimi istifadə edən müxtəlif dehidrogenazalar da mövcuddur ki, bunlar da maddələr mübadiləsində iştirak edən bəzi vacib fermentlərdir (Gibson və Subramanian, 1984; Shaw və Harayama, 1990; Fahle və b., 2020).
Hidrolazlar (esterazalar, amidazalar) kimi fermentlər, kovalent rabitələri parçalamaq üçün sudan istifadə edən və geniş substrat spesifikliyi nümayiş etdirən ikinci vacib ferment sinfidir. Karbaril hidrolaza və digər hidrolazalar Qram-mənfi bakteriyaların üzvlərində periplazmanın (transmembran) komponentləri hesab olunur (Kamini və b., 2018). Karbaril həm amid, həm də ester əlaqəsinə malikdir; buna görə də, 1-naftol əmələ gətirmək üçün ya esteraza, ya da amidaza tərəfindən hidrolizə edilə bilər. Rhizobium rhizobium ştammının AC10023 və Arthrobacter RC100 ştammındakı karbarilin müvafiq olaraq esteraza və amidaza kimi fəaliyyət göstərdiyi bildirilir. Arthrobacter RC100 ştammındakı karbaril də amidaza kimi fəaliyyət göstərir. RC100-ün karbaril, metomil, mefenamik turşu və XMC kimi dörd N-metilkarbamat sinif insektisidini hidrolizə etdiyi göstərilmişdir (Hayaatsu və b., 2001). Pseudomonas sp. C5pp-dəki CH-nin karbaril (100% aktivlik) və 1-naftil asetat (36% aktivlik) üzərində təsir göstərə biləcəyi, lakin 1-naftilasetamid üzərində təsir göstərmədiyi bildirilmişdir ki, bu da onun esteraza olduğunu göstərir (Trivedi və b., 2016).
Biokimyəvi tədqiqatlar, ferment tənzimləmə nümunələri və genetik analizlər göstərmişdir ki, naftalin deqradasiya genləri iki induksiya edilə bilən tənzimləyici vahiddən və ya "operonlardan" ibarətdir: nah (naftalini salisil turşusuna çevirən "yuxarı axın yolu") və sal (katekol vasitəsilə salisil turşusunu mərkəzi karbon yoluna çevirən "aşağı axın yolu). Salisil turşusu və onun analoqları induktor kimi çıxış edə bilər (Shamsuzzaman və Barnsley, 1974). Qlükoza və ya üzvi turşuların iştirakı ilə operon bastırılır. Şəkil 5 naftalin deqradasiyasının tam genetik təşkilini göstərir (operon şəklində). Nah geninin bir neçə adlandırılmış variantı/forması (ndo/pah/dox) təsvir edilmiş və bütün Pseudomonas növləri arasında yüksək ardıcıllıq homologiyasına (90%) malik olduğu aşkar edilmişdir (Abbasian və b., 2016). Naftalin yuxarı axın yolunun genləri ümumiyyətlə Şəkil 5A-da göstərildiyi kimi konsensus qaydasında düzülmüşdür. Başqa bir gen olan nahQ-nın da naftalin metabolizmasında iştirak etdiyi və adətən nahC və nahE arasında yerləşdiyi bildirilir, lakin onun faktiki funksiyası hələ də aydınlaşdırılmayıb. Eynilə, naftalinə həssas kemotaksisdən məsul olan nahY geni bəzi üzvlərdə nah operonunun distal ucunda tapılıb. Ralstonia sp.-də qlütation S-transferazanı (gsh) kodlayan U2 geni nahAa və nahAb arasında yerləşsə də, naftalin istifadə xüsusiyyətlərinə təsir göstərməyib (Zylstra və b., 1997).
Şəkil 5. Bakterial növlər arasında naftalinin parçalanması zamanı müşahidə edilən genetik təşkilatlanma və müxtəliflik; (A) Yuxarı naftalin yolu, naftalinin salisil turşusuna metabolizmi; (B) Aşağı naftalin yolu, salisil turşusunun katexol vasitəsilə mərkəzi karbon yoluna keçməsi; (C) salisil turşusunun gentisat vasitəsilə mərkəzi karbon yoluna keçməsi.
"Aşağı yol" (sal operon) adətən nahGTHINLMOKJ-dən ibarətdir və katexol metarinq parçalanma yolu vasitəsilə salisilatı piruvata və asetaldehidə çevirir. NahG geni (salisilat hidroksilazanı kodlayan) operonun proksimal ucunda qorunub saxlanıldığı aşkar edilmişdir (Şəkil 5B). Digər naftalin parçalayan ştammlarla müqayisədə P. putida CSV86-da nah və sal operonları tandemdir və çox yaxından əlaqəlidir (təxminən 7,5 kb). Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 və P. putida AK5 kimi bəzi qram-mənfi bakteriyalarda naftalin gentisat yolu ilə (sgp/nag operon şəklində) mərkəzi karbon metaboliti kimi metabolizə olunur. Gen kaseti adətən nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI şəklində təmsil olunur, burada nagR (LysR tipli tənzimləyicini kodlayan) yuxarı ucunda yerləşir (Şəkil 5C).
Karbaril mərkəzi karbon dövrünə 1-naftol, 1,2-dihidroksinaftalin, salisil turşusu və gentis turşusunun metabolizması yolu ilə daxil olur (Şəkil 3). Genetik və metabolik tədqiqatlara əsasən, bu yolun "yuxarı axın" (karbarilin salisil turşusuna çevrilməsi), "orta" (salisil turşusunun gentis turşusuna çevrilməsi) və "aşağı axın" (gentis turşusunun mərkəzi karbon yolu aralıq məhsullarına çevrilməsi) bölmək təklif edilmişdir (Singh və b., 2013). C5pp-nin (supercontig A, 76.3 kb) genomik analizi göstərdi ki, mcbACBDEF genləri karbarilin salisil turşusuna çevrilməsində, ardınca salisil turşusunun gentis turşusuna çevrilməsində mcbIJKL və gentis turşusunun mərkəzi karbon aralıq məhsullarına (fumarat və piruvat, Trivedi və b., 2016) çevrilməsində mcbOQP iştirak edir (Şəkil 6).
Aromatik karbohidrogenlərin (naftalin və salisil turşusu daxil olmaqla) parçalanmasında iştirak edən fermentlərin müvafiq birləşmələr tərəfindən induksiya edilə və qlükoza və ya üzvi turşular kimi sadə karbon mənbələri tərəfindən inhibə edilə biləcəyi bildirilmişdir (Shingler, 2003; Phale və b., 2019, 2020). Naftalin və onun törəmələrinin müxtəlif metabolik yolları arasında naftalin və karbarilin tənzimləyici xüsusiyyətləri müəyyən dərəcədə öyrənilmişdir. Naftalin üçün həm yuxarı, həm də aşağı axın yollarındakı genlər LysR tipli trans-aktiv müsbət tənzimləyici olan NahR tərəfindən tənzimlənir. Bu, salisil turşusu tərəfindən nah geninin induksiyası və sonrakı yüksək səviyyəli ifadəsi üçün tələb olunur (Yen və Gunsalus, 1982). Bundan əlavə, tədqiqatlar göstərmişdir ki, inteqrativ sahib faktoru (IHF) və XylR (sigma 54-asılı transkripsiya tənzimləyicisi) naftalin metabolizmasında genlərin transkripsiya aktivləşməsi üçün də vacibdir (Ramos və b., 1997). Tədqiqatlar göstərmişdir ki, katekol meta-halqa açılış yolunun fermentləri, yəni katexol 2,3-dioksigenaza, naftalin və/və ya salisil turşusunun iştirakı ilə induksiya olunur (Basu və b., 2006). Tədqiqatlar göstərmişdir ki, katekol orto-halqa açılış yolunun fermentləri, yəni katexol 1,2-dioksigenaza, benzoik turşusu və sis,sis-mukonatın iştirakı ilə induksiya olunur (Parsek və b., 1994; Tover və b., 2001).
C5pp ştammında, karbaril parçalanmasını idarə edən LysR/TetR transkripsiya tənzimləyiciləri ailəsinə aid olan beş gen, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR və mcbS, tənzimləyiciləri kodlaşdırır. Homoloji mcbG geni, Burkholderia RP00725-də fenantren metabolizmasında iştirak edən LysR tipli tənzimləyici PhnS (58% amin turşusu eyniliyi) ilə ən yaxın əlaqəli olduğu aşkar edilmişdir (Trivedi və b., 2016). mcbH geni ara yolda (salisil turşusunun gentis turşusuna çevrilməsi) iştirak etdiyi və Pseudomonas və Burkholderia-da LysR tipli transkripsiya tənzimləyicisi NagR/DntR/NahR-a aid olduğu aşkar edilmişdir. Bu ailənin üzvlərinin salisil turşusunu parçalanma genlərinin induksiyası üçün spesifik effektor molekulu kimi tanıdıqları bildirilmişdir. Digər tərəfdən, aşağı axın yolunda (gentisat-mərkəzi karbon yolu metabolitləri) LysR və TetR tipli transkripsiya tənzimləyicilərinə aid olan üç gen, mcbN, mcbR və mcbS müəyyən edilmişdir.
Prokaryotlarda plazmidlər, transpozonlar, profaqlar, genom adaları və inteqrativ konjugativ elementlər (ICE) vasitəsilə üfüqi gen transfer prosesləri (əldə etmə, mübadilə və ya ötürmə) bakteriya genomlarında plastikliyin əsas səbəbləridir və spesifik funksiyaların/xüsusiyyətlərin qazanılmasına və ya itirilməsinə səbəb olur. Bu, bakteriyaların müxtəlif ətraf mühit şəraitinə tez uyğunlaşmasına imkan verir və aromatik birləşmələrin parçalanması kimi potensial adaptiv metabolik üstünlüklər təmin edir. Metabolik dəyişikliklər tez-tez parçalanma operonlarının, onların tənzimləyici mexanizmlərinin və ferment spesifikliyinin incə tənzimlənməsi yolu ilə əldə edilir ki, bu da daha geniş aromatik birləşmələrin parçalanmasını asanlaşdırır (Nojiri və b., 2004; Phale və b., 2019, 2020). Naftalin parçalanması üçün gen kasetlərinin plazmidlər (konjugativ və qeyri-konjugativ), transpozonlar, genomlar, ICE-lər və müxtəlif bakteriya növlərinin kombinasiyaları kimi müxtəlif mobil elementlərdə yerləşdiyi aşkar edilmişdir (Şəkil 5). Pseudomonas G7-də, NAH7 plazmidinin nah və sal operonları eyni istiqamətdə transkripsiya olunur və mobilizasiya üçün Tn4653 transpozaza tələb edən qüsurlu transpozon hissəsidir (Sota və b., 2006). Pseudomonas NCIB9816-4 ştammında, gen konjugativ plazmid pDTG1 üzərində əks istiqamətlərdə transkripsiya olunmuş iki operon (təxminən 15 kb aralı) şəklində tapılmışdır (Dennis və Zylstra, 2004). Pseudomonas putida AK5 ştammında, konjugativ olmayan plazmid pAK5, gentisat yolu ilə naftalinin parçalanmasından məsul olan fermenti kodlayır (Izmalkova və b., 2013). Pseudomonas PMD-1 ştammında nah operon xromosomda, sal operon isə konjugativ plazmid pMWD-1-də yerləşir (Zuniga və b., 1981). Lakin, Pseudomonas stutzeri AN10-da bütün naftalin parçalanma genləri (nah və sal operonları) xromosomda yerləşir və ehtimal ki, transpozisiya, rekombinasiya və yenidənqurma hadisələri vasitəsilə cəlb olunur (Bosch və b., 2000). Pseudomonas sp. CSV86-da nah və sal operonları genomda ICE (ICECSV86) şəklində yerləşir. Struktur tRNAGly tərəfindən qorunur, ardınca rekombinasiya/qoşma yerlərini (attR və attL) göstərən birbaşa təkrarlar və tRNAGly-nin hər iki ucunda yerləşən faqa bənzər inteqraza gəlir, beləliklə, struktur olaraq ICEclc elementinə (xlorokatexol parçalanması üçün Pseudomonas knackmusii-də ICEclcB13) bənzəyir. ICE-dəki genlərin son dərəcə aşağı ötürmə tezliyi (10-8) ilə konjugasiya yolu ilə ötürülə biləcəyi və bununla da parçalanma xüsusiyyətlərini alıcıya ötürə biləcəyi bildirilmişdir (Basu və Phale, 2008; Phale və b., 2019).
Karbaril parçalanmasından məsul olan genlərin əksəriyyəti plazmidlərdə yerləşir. Arthrobacter sp. RC100 üç plazmiddən (pRC1, pRC2 və pRC300) ibarətdir ki, bunlardan iki konjugativ plazmid, pRC1 və pRC2, karbarili gentisata çevirən fermentləri kodlayır. Digər tərəfdən, gentisatın mərkəzi karbon metabolitlərinə çevrilməsində iştirak edən fermentlər xromosomda yerləşir (Hayaatsu və b., 1999). Rhizobium cinsinin bakteriyaları. Karbarilin 1-naftol çevrilməsi üçün istifadə edilən AC100 ştammı, daxiletmə elementinə bənzər ardıcıllıqlarla (istA və istB) əhatə olunmuş Tnceh transpozonunun bir hissəsi kimi CH kodlayan cehA genini daşıyan plazmid pAC200 ehtiva edir (Hashimoto və b., 2002). Sphingomonas CF06 ştammında karbaril deqradasiya geninin beş plazmiddə mövcud olduğuna inanılır: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 və pCF05. Bu plazmidlərin DNT homologiyası yüksəkdir ki, bu da genlərin təkrarlanması hadisəsinin mövcudluğunu göstərir (Feng və b., 1997). İki Pseudomonas növündən ibarət karbaril deqradasiya edən simbiontda 50581 ştammı mcd karbaril hidrolaza genini kodlayan konjugativ plazmid pCD1 (50 kb) ehtiva edir, 50552 ştammındakı konjugativ plazmid isə 1-naftol deqradasiya edən fermenti kodlayır (Chapalamadugu və Chaudhry, 1991). Achromobacter WM111 ştammında mcd furadan hidrolaza geni 100 kb plazmiddə (pPDL11) yerləşir. Bu genin müxtəlif coğrafi bölgələrdən olan müxtəlif bakteriyalarda müxtəlif plazmidlərdə (100, 105, 115 və ya 124 kb) mövcud olduğu göstərilmişdir (Parekh və b., 1995). Pseudomonas sp. C5pp-də karbaril parçalanmasından məsul olan bütün genlər 76,3 kb ardıcıllığı əhatə edən genomda yerləşir (Trivedi və b., 2016). Genom analizi (6,15 Mb) 42 MGE və 36 GEI-nin mövcudluğunu aşkar etdi, bunlardan 17 MGE orta asimmetrik G+C tərkibi (54–60 mol%) ilə superkontig A-da (76,3 kb) yerləşirdi ki, bu da mümkün üfüqi gen ötürülməsi hadisələrini göstərir (Trivedi və b., 2016). P. putida XWY-1 karbaril parçalayan genlərin oxşar düzülüşünü nümayiş etdirir, lakin bu genlər plazmiddə yerləşir (Zhu və b., 2019).
Biokimyəvi və genom səviyyələrində metabolik səmərəliliyə əlavə olaraq, mikroorqanizmlər həmçinin kimyotaksis, hüceyrə səthinin modifikasiya xüsusiyyətləri, bölmələşmə, üstünlük verilən istifadə, biosərt aktiv maddələrin istehsalı və s. kimi digər xüsusiyyətlər və ya reaksiyalar nümayiş etdirirlər ki, bu da onlara çirklənmiş mühitlərdə aromatik çirkləndiriciləri daha səmərəli şəkildə metabolizə etməyə kömək edir (Şəkil 7).
Şəkil 7. Xarici çirkləndirici birləşmələrin səmərəli bioloji parçalanması üçün ideal aromatik karbohidrogen parçalayan bakteriyaların müxtəlif hüceyrə reaksiya strategiyaları.
Heterogen çirklənmiş ekosistemlərdə üzvi çirkləndiricilərin parçalanmasını artıran amillər kimi kemotaktik reaksiyalar hesab olunur. (2002) Pseudomonas sp. G7-nin naftala kemotaksisinin su sistemlərində naftalinin parçalanma sürətini artırdığını göstərdi. Vəhşi tip G7 ştammı, kemotaksis çatışmazlığı olan mutant ştammdan daha sürətli naftalini parçaladı. NahY zülalının (membran topologiyasına malik 538 amin turşusu) NAH7 plazmidindəki metakleavaj yolu genləri ilə birgə transkripsiya olunduğu aşkar edildi və kemotaksis çeviriciləri kimi, bu zülalın naftalinin parçalanması üçün kemoreseptor kimi fəaliyyət göstərdiyi görünür (Grimm və Harwood 1997). Hansel və digərləri tərəfindən aparılan başqa bir tədqiqat (2009) zülalın kemotaktik olduğunu, lakin parçalanma sürətinin yüksək olduğunu göstərdi. (2011) Pseudomonas (P. putida)-nın qaz halındakı naftalinə kemotaktik reaksiyasını nümayiş etdirmişdir ki, burada qaz fazalı diffuziya hüceyrələrə sabit naftalin axını ilə nəticələnmiş və bu da hüceyrələrin kemotaktik reaksiyasını idarə etmişdir. Tədqiqatçılar bu kemotaktik davranışdan parçalanma sürətini artıracaq mikrobları yaratmaq üçün istifadə etmişlər. Tədqiqatlar göstərmişdir ki, kemotaktik yollar həmçinin hüceyrə bölünməsi, hüceyrə dövrünün tənzimlənməsi və biofilmin əmələ gəlməsi kimi digər hüceyrə funksiyalarını da tənzimləyir və bununla da parçalanma sürətinin idarə olunmasına kömək edir. Lakin, bu xüsusiyyətdən (kemotaksis) səmərəli parçalanma üçün istifadə etmək bir neçə maneə ilə çətinləşir. Əsas maneələr bunlardır: (a) fərqli paraloq reseptorlar eyni birləşmələri/liqandları tanıyır; (b) alternativ reseptorların mövcudluğu, yəni enerjili tropizm; (c) eyni reseptor ailəsinin sensor sahələrində əhəmiyyətli ardıcıllıq fərqləri; və (d) əsas bakterial sensor zülalları haqqında məlumatın olmaması (Ortega və b., 2017; Martin-Mora və b., 2018). Bəzən aromatik karbohidrogenlərin bioloji parçalanması bir qrup bakteriya üçün kemotaktik, digərləri üçün isə iyrənc ola bilən və prosesi daha da çətinləşdirən çoxlu metabolit/aralıq məhsullar əmələ gətirir. Ligandların (aromatik karbohidrogenlərin) kimyəvi reseptorlarla qarşılıqlı təsirini müəyyən etmək üçün, müvafiq olaraq aromatik turşular, TCA aralıq məhsulları və naftalin reseptorlarını hədəf alan Pseudomonas putida və Escherichia coli-nin sensor və siqnal domenlərini birləşdirərək hibrid sensor zülalları (PcaY, McfR və NahY) qurduq (Luu və digərləri, 2019).
Naftalin və digər polisiklik aromatik karbohidrogenlərin (PAH) təsiri altında bakteriya membranının strukturu və mikroorqanizmlərin bütövlüyü əhəmiyyətli dəyişikliklərə məruz qalır. Tədqiqatlar göstərir ki, naftalin hidrofob qarşılıqlı təsirlər vasitəsilə asil zəncirinin qarşılıqlı təsirinə mane olur və bununla da membranın şişkinliyini və axıcılığını artırır (Sikkema və b., 1995). Bu zərərli təsiri aradan qaldırmaq üçün bakteriyalar izo/antiezo şaxələnmiş zəncirli yağ turşuları arasındakı nisbəti və yağ turşusu tərkibini dəyişdirərək və sis-doymamış yağ turşularını müvafiq trans-izomerlərə izomerləşdirərək membran axıcılığını tənzimləyir (Heipieper və de Bont, 1994). Naftalinlə müalicə olunan Pseudomonas stutzeri-də doymuş və doymamış yağ turşusu nisbəti 1,1-dən 2,1-ə qədər artmışdır, Pseudomonas JS150-də isə bu nisbət 7,5-dən 12,0-ə qədər artmışdır (Mrozik və b., 2004). Naftalin üzərində yetişdirildikdə, Achromobacter KAs 3-5 hüceyrələri naftalin kristalları ətrafında hüceyrə aqreqasiyası və hüceyrə səthi yükünün azalması (-22,5-dən -2,5 mV-a qədər) müşahidə etdi ki, bu da sitoplazmatik kondensasiya və vakuolizasiya ilə müşayiət olunur ki, bu da hüceyrə strukturunda və hüceyrə səthi xüsusiyyətlərində dəyişiklikləri göstərir (Mohapatra və b., 2019). Hüceyrə/səth dəyişiklikləri aromatik çirkləndiricilərin daha yaxşı mənimsənilməsi ilə birbaşa əlaqəli olsa da, müvafiq biomühəndislik strategiyaları tam optimallaşdırılmamışdır. Hüceyrə formasının manipulyasiyası bioloji prosesləri optimallaşdırmaq üçün nadir hallarda istifadə edilmişdir (Volke və Nikel, 2018). Hüceyrə bölünməsinə təsir edən genlərin silinməsi hüceyrə morfologiyasında dəyişikliklərə səbəb olur. Hüceyrə bölünməsinə təsir edən genlərin silinməsi hüceyrə morfologiyasında dəyişikliklərə səbəb olur. Bacillus subtilis-də hüceyrə arakəsməsi zülalı SepF-in arakəsmənin əmələ gəlməsində iştirak etdiyi və hüceyrə bölünməsinin sonrakı mərhələləri üçün tələb olunduğu göstərilmişdir, lakin bu, vacib bir gen deyil. Bacillus subtilis-də peptid qlikan hidrolazlarını kodlayan genlərin silinməsi hüceyrənin uzanmasına, spesifik böyümə sürətinin artmasına və ferment istehsal qabiliyyətinin yaxşılaşmasına səbəb olmuşdur (Cui və digərləri, 2018).
Pseudomonas C5pp və C7 ştammlarının səmərəli şəkildə parçalanmasına nail olmaq üçün karbaril parçalanma yolunun bölmələşdirilməsi təklif edilmişdir (Kamini və b., 2018). Karbarilin xarici membran arakəsməsi və/və ya diffuziya olunan porinlər vasitəsilə periplazmatik məkana daşınması təklif olunur. CH, karbarilin daha sabit, daha hidrofob və daha zəhərli olan 1-naftol halına qədər hidrolizini katalizləşdirən periplazmatik fermentdir. CH periplazmada lokallaşdırılır və karbarilə aşağı yaxınlığa malikdir, beləliklə, 1-naftolun əmələ gəlməsini idarə edir, bununla da onun hüceyrələrdə toplanmasının qarşısını alır və hüceyrələrə toksikliyini azaldır (Kamini və b., 2018). Nəticədə yaranan 1-naftol bölünmə və/və ya diffuziya yolu ilə daxili membran boyunca sitoplazmaya daşınır və daha sonra mərkəzi karbon yolunda daha da metabolizm üçün yüksək yaxınlıqlı ferment 1NH tərəfindən 1,2-dihidroksinaftalinə hidroksillənir.
Mikroorqanizmlərin ksenobiotik karbon mənbələrini parçalamaq üçün genetik və metabolik qabiliyyətləri olsa da, onların istifadəsinin iyerarxik strukturu (yəni, mürəkkəb karbon mənbələrinə nisbətən sadə mənbələrin üstünlük təşkil etməsi) bioloji parçalanmaya əsas maneədir. Sadə karbon mənbələrinin mövcudluğu və istifadəsi PAH kimi mürəkkəb/üstünlük verilməyən karbon mənbələrini parçalayan fermentləri kodlayan genləri aşağı salır. Yaxşı öyrənilmiş bir nümunə, qlükoza və laktozanın Escherichia coli-yə birlikdə verildikdə, qlükoza laktozadan daha səmərəli istifadə edilməsidir (Jacob və Monod, 1965). Pseudomonas-ın müxtəlif PAH-ları və ksenobiotik birləşmələri karbon mənbəyi kimi parçaladığı bildirilir. Pseudomonas-da karbon mənbəyinin istifadəsinin iyerarxiyası üzvi turşular > qlükoza > aromatik birləşmələrdir (Hylemon və Phibbs, 1972; Collier və b., 1996). Lakin, bir istisna var. Maraqlıdır ki, Pseudomonas sp. CSV86, qlükoza əvəzinə aromatik karbohidrogenlərdən (benzoik turşusu, naftalin və s.) üstünlük verən və aromatik karbohidrogenləri üzvi turşularla birlikdə metabolizə edən unikal iyerarxik quruluş nümayiş etdirir (Basu və b., 2006). Bu bakteriyada, aromatik karbohidrogenlərin parçalanması və daşınması üçün genlər, qlükoza və ya üzvi turşular kimi ikinci bir karbon mənbəyinin olması halında belə, aşağı tənzimlənmir. Qlükoza və aromatik karbohidrogen mühitində yetişdirildikdə, qlükoza daşınması və metabolizması üçün genlərin aşağı tənzimləndiyi, aromatik karbohidrogenlərin birinci loqarifmik fazada, qlükozanın isə ikinci loqarifmik fazada istifadə edildiyi müşahidə edilmişdir (Basu və b., 2006; Choudhary və b., 2017). Digər tərəfdən, üzvi turşuların olması aromatik karbohidrogen metabolizmasının ifadəsinə təsir göstərməmişdir, buna görə də bu bakteriyanın bioloji parçalanma tədqiqatları üçün namizəd ştamm olması gözlənilir (Phale və b., 2020).
Məlumdur ki, karbohidrogen biotransformasiyası mikroorqanizmlərdə oksidləşdirici stressə və antioksidant fermentlərin yüksəlməsinə səbəb ola bilər. Həm stasionar fazalı hüceyrələrdə, həm də zəhərli birləşmələrin iştirakı ilə səmərəsiz naftalin bioparçalanması reaktiv oksigen növlərinin (ROS) əmələ gəlməsinə səbəb olur (Kang və b. 2006). Naftalin parçalayan fermentlər dəmir-kükürd klasterlərini ehtiva etdiyindən, oksidləşdirici stress altında hemdəki dəmir və dəmir-kükürd zülalları oksidləşəcək və bu da zülalın inaktivləşməsinə səbəb olacaq. Ferredoksin-NADP+ reduktaza (Fpr), superoksid dismutaza (SOD) ilə birlikdə, NADP+/NADPH ilə iki ferredoksin və ya flavodoksin molekulu arasında geri dönən redoks reaksiyasına vasitəçilik edir və bununla da ROS-u təmizləyir və oksidləşdirici stress altında dəmir-kükürd mərkəzini bərpa edir (Li və b. 2006). Pseudomonas-da həm Fpr, həm də SodA (SOD)-nin oksidləşdirici stress tərəfindən induksiya edilə biləcəyi bildirilmişdir və naftalin əlavə olunmuş şəraitdə böyümə zamanı dörd Pseudomonas ştammında (O1, W1, As1 və G1) SOD və katalaza aktivliyinin artması müşahidə edilmişdir (Kang və b., 2006). Tədqiqatlar göstərir ki, askorbin turşusu və ya dəmir dəmir (Fe2+) kimi antioksidantların əlavə edilməsi naftalinin böyümə sürətini artıra bilər. Rhodococcus erythropolis naftalin mühitində böyüdükdə, sodA (Fe/Mn superoksid dismutaza), sodC (Cu/Zn superoksid dismutaza) və recA daxil olmaqla oksidləşdirici stresslə əlaqəli sitoxrom P450 genlərinin transkripsiyası artmışdır (Sazykin və b., 2019). Naftalində becərilən Pseudomonas hüceyrələrinin müqayisəli kəmiyyət proteomik təhlili göstərdi ki, oksidləşdirici stress reaksiyası ilə əlaqəli müxtəlif zülalların yüksəldilməsi stresslə mübarizə strategiyasıdır (Herbst və digərləri, 2013).
Mikroorqanizmlərin hidrofob karbon mənbələrinin təsiri altında biosərt aktiv maddələr istehsal etdiyi bildirilir. Bu səthi aktiv maddələr yağ-su və ya hava-su sərhədlərində aqreqatlar əmələ gətirə bilən amfifil səthi aktiv birləşmələrdir. Bu, yalançı həllolmanı təşviq edir və aromatik karbohidrogenlərin adsorbsiyasını asanlaşdırır və nəticədə səmərəli bioparçalanmaya səbəb olur (Rahman və b., 2002). Bu xüsusiyyətlərə görə biosərt aktiv maddələr müxtəlif sənaye sahələrində geniş istifadə olunur. Bakterial kulturalara kimyəvi səthi aktiv maddələrin və ya biosərt aktiv maddələrin əlavə edilməsi karbohidrogen parçalanmasının səmərəliliyini və sürətini artıra bilər. Biosərt aktiv maddələr arasında Pseudomonas aeruginosa tərəfindən istehsal olunan ramnolipidlər geniş şəkildə öyrənilmiş və xarakterizə edilmişdir (Hisatsuka və b., 1971; Rahman və b., 2002). Bundan əlavə, digər biosərt aktiv maddələrə lipopeptidlər (Pseudomonas fluorescens-dən musinlər), emulqator 378 (Pseudomonas fluorescens-dən) (Rosenberg və Ron, 1999), Rhodococcus-dan trehaloza disaxarid lipidləri (Ramdahl, 1985), Bacillus-dan likenin (Saraswathy və Hallberg, 2002) və Bacillus subtilis-dən (Siegmund və Wagner, 1991) və Bacillus amyloliquefaciens-dən (Zhi və b., 2017) səthi aktiv maddələr daxildir. Bu güclü səthi aktiv maddələrin səthi gərginliyi 72 din/sm3-dən 30 din/sm3-dən aşağıya endirdiyi və karbohidrogenlərin daha yaxşı udulmasına imkan verdiyi göstərilmişdir. Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia və digər bakteriya növlərinin naftalin və metilnaftalin mühitində yetişdirildikdə müxtəlif rhamnolipid və qlikolipid əsaslı biosurfaktantlar istehsal edə biləcəyi bildirilmişdir (Kanga və b., 1997; Puntus və b., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89, naftoy turşusu kimi aromatik birləşmələr üzərində yetişdirildikdə hüceyrədənkənar biosurfaktant Biosur-Pm istehsal edə bilər (Phale və b., 1995). Biosur-Pm əmələ gəlməsinin kinetikası göstərdi ki, onun sintezi böyümə və pH-dan asılı bir prosesdir. Neytral pH-da hüceyrələr tərəfindən istehsal edilən Biosur-Pm miqdarının pH 8.5-dəkindən daha yüksək olduğu aşkar edilmişdir. pH 8.5-də yetişdirilən hüceyrələr daha hidrofob idi və pH 7.0-də yetişdirilən hüceyrələrə nisbətən aromatik və alifatik birləşmələrə daha yüksək yaxınlığa malik idi. Rhodococcus spp.-də. N6, daha yüksək karbon-azot (C:N) nisbəti və dəmir məhdudiyyəti hüceyrədənkənar biosərt aktiv maddələrin istehsalı üçün optimal şərtlərdir (Mutalik və b., 2008). Ştammları və fermentasiyanı optimallaşdırmaqla biosərt aktiv maddələrin (sərt aktiv maddələrin) biosintezini yaxşılaşdırmaq üçün cəhdlər edilmişdir. Lakin, becərmə mühitində səth aktiv maddənin titri aşağıdır (1.0 q/L), bu da genişmiqyaslı istehsal üçün çətinlik yaradır (Jiao və b., 2017; Wu və b., 2019). Buna görə də, onun biosintezini yaxşılaşdırmaq üçün gen mühəndisliyi metodlarından istifadə edilmişdir. Lakin, operonun böyük ölçüsü (∼25 kb) və kvorum sensor sisteminin mürəkkəb biosintetik tənzimlənməsi səbəbindən onun mühəndislik modifikasiyası çətindir (Jiao və b., 2017; Wu və b., 2019). Bacillus bakteriyalarında bir sıra genetik mühəndislik modifikasiyaları həyata keçirilmişdir ki, bunlar əsasən promotoru (srfA operonu) əvəz etməklə, surfaktin ixrac zülalı YerP-ni və tənzimləyici amillər olan ComX və PhrC-ni həddindən artıq ifadə etməklə surfaktin istehsalını artırmaq məqsədi daşıyır (Jiao və b., 2017). Lakin, bu genetik mühəndislik metodları yalnız bir və ya bir neçə genetik modifikasiyaya nail olmuş və hələlik kommersiya istehsalına çatmamışdır. Buna görə də, bilik əsaslı optimallaşdırma metodlarının daha da öyrənilməsi zəruridir.
PAH-ın bioloji parçalanma tədqiqatları əsasən standart laboratoriya şəraitində aparılır. Bununla belə, çirklənmiş yerlərdə və ya çirklənmiş mühitlərdə bir çox abiotik və biotik amillərin (temperatur, pH, oksigen, qida maddələrinin mövcudluğu, substratın biomənimsənilməsi, digər ksenobiotiklər, son məhsulun inhibisiyası və s.) mikroorqanizmlərin parçalanma qabiliyyətini dəyişdirdiyi və təsir etdiyi göstərilmişdir.
Temperatur PAH-ın bioloji parçalanmasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Temperatur artdıqca həll olmuş oksigen konsentrasiyası azalır ki, bu da aerob mikroorqanizmlərin metabolizmasına təsir göstərir, çünki onlar hidroksilləşmə və ya halqa parçalanma reaksiyaları aparan oksigenazalar üçün substratlardan biri kimi molekulyar oksigen tələb edirlər. Tez-tez qeyd olunur ki, yüksək temperatur ana PAH-ları daha zəhərli birləşmələrə çevirir və bununla da bioloji parçalanmanı maneə törədir (Muller və b., 1998).
Qeyd edilmişdir ki, PAH ilə çirklənmiş bir çox ərazilərdə, məsələn, turşu mədən drenajı ilə çirklənmiş ərazilərdə (pH 1-4) və qələvi sızma ilə çirklənmiş təbii qaz/kömür qazlaşdırma ərazilərində (pH 8-12) həddindən artıq pH dəyərləri mövcuddur. Bu şərtlər bioloji parçalanma prosesinə ciddi təsir göstərə bilər. Buna görə də, mikroorqanizmlərdən bioremediasiya üçün istifadə etməzdən əvvəl, qələvi torpaqlar üçün ammonium sulfat və ya ammonium nitrat kimi uyğun kimyəvi maddələr (orta və çox aşağı oksidləşmə-reduksiya potensialına malik) əlavə etməklə və ya turşulu ərazilər üçün kalsium karbonat və ya maqnezium karbonatla əhəngləməklə pH-ı tənzimləmək tövsiyə olunur (Bowlen və b. 1995; Gupta və Sar 2020).
Təsirə məruz qalan əraziyə oksigen tədarükü PAH-ın bioparçalanması üçün sürəti məhdudlaşdıran amildir. Ətraf mühitin redoks şərtlərinə görə, yerində bioremediasiya prosesləri adətən xarici mənbələrdən (şumlama, hava ilə təmizləmə və kimyəvi əlavə) oksigen daxil edilməsini tələb edir (Pardieck və b., 1992). Odenkranz və b. (1996) çirklənmiş su qatına maqnezium peroksidin (oksigen buraxan birləşmə) əlavə edilməsinin BTEX birləşmələrini effektiv şəkildə bioremediasiya edə biləcəyini nümayiş etdirdilər. Başqa bir tədqiqatda effektiv bioremediasiyaya nail olmaq üçün natrium nitrat vurulmaqla və ekstraksiya quyuları tikməklə çirklənmiş su qatında fenol və BTEX-in yerində parçalanması araşdırılmışdır (Bewley və Webb, 2001).