სტატია წარმოადგენს კვლევითი თემის „მოწინავე ბიორემედიაციის ტექნოლოგიები და სინთეზური ორგანული ნაერთების (SOC) გადამუშავების პროცესები“ ნაწილს. იხილეთ ყველა 14 სტატია
დაბალი მოლეკულური წონის პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადები (PAH), როგორიცაა ნაფტალინი და ჩანაცვლებული ნაფტალინები (მეთილნაფტალინი, ნაფთოის მჟავა, 1-ნაფთილ-N-მეთილკარბამატი და ა.შ.), ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაში და გენოტოქსიური, მუტაგენური და/ან კანცეროგენულია ორგანიზმებისთვის. ეს სინთეზური ორგანული ნაერთები (SOC) ანუ ქსენობიოტიკები პრიორიტეტულ დამაბინძურებლებად ითვლება და სერიოზულ საფრთხეს უქმნის გლობალურ გარემოს და საზოგადოებრივ ჯანმრთელობას. ადამიანის საქმიანობის ინტენსივობა (მაგ., ქვანახშირის გაზიფიკაცია, ნავთობის გადამუშავება, სატრანსპორტო საშუალებების გამონაბოლქვი და სოფლის მეურნეობის გამოყენება) განსაზღვრავს ამ ყველგან გავრცელებული და მდგრადი ნაერთების კონცენტრაციას, ბედს და ტრანსპორტირებას. ფიზიკური და ქიმიური დამუშავების/მოცილების მეთოდების გარდა, უსაფრთხო, ეკონომიური და პერსპექტიული ალტერნატივაა ისეთი მწვანე და ეკოლოგიურად სუფთა ტექნოლოგიები, როგორიცაა ბიორემედიაცია, რომლებიც იყენებენ მიკროორგანიზმებს, რომლებსაც შეუძლიათ POC-ების სრულად დაშლა ან მათი არატოქსიკურ თანმდევ პროდუქტებად გარდაქმნა. ნიადაგის მიკრობიოტაში არსებულმა სხვადასხვა ბაქტერიულმა სახეობამ, რომლებიც მიეკუთვნებიან Proteobacteria-ს (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia და Neosphingobacterium), Firmicutes-ს (Bacillus და Paenibacillus) და Actinobacteria-ს (Rhodococcus და Arthrobacter) ფილებს, აჩვენა სხვადასხვა ორგანული ნაერთების დაშლის უნარი. მეტაბოლური კვლევები, გენომიკა და მეტაგენომიკური ანალიზი გვეხმარება გავიგოთ ამ მარტივ სიცოცხლის ფორმებში არსებული კატაბოლური სირთულე და მრავალფეროვნება, რომელთა შემდგომი გამოყენება შესაძლებელია ეფექტური ბიოდეგრადაციისთვის. პოლიმილოვანი არომატიზატორების (PAH) ხანგრძლივმა არსებობამ განაპირობა დეგრადაციის ახალი ფენოტიპების გაჩენა ჰორიზონტალური გენის გადაცემის გზით, გენეტიკური ელემენტების, როგორიცაა პლაზმიდები, ტრანსპოზონები, ბაქტერიოფაგები, გენომური კუნძულები და ინტეგრაციული კონიუგატიური ელემენტები, გამოყენებით. სპეციფიკური იზოლატების ან სამოდელო თემების (კონსორციუმების) სისტემური ბიოლოგია და გენეტიკური ინჟინერია ხელს უწყობს ამ პოლიმილოვანი არომატიზატორების ყოვლისმომცველი, სწრაფი და ეფექტური ბიორემედიაციის განხორციელებას სინერგიული ეფექტების გზით. ამ მიმოხილვაში ჩვენ ყურადღებას გავამახვილებთ ნაფტალინისა და ჩანაცვლებული ნაფტალინის დამშლელი ბაქტერიების სხვადასხვა მეტაბოლურ გზებსა და მრავალფეროვნებაზე, გენეტიკურ შემადგენლობასა და მრავალფეროვნებაზე, ასევე უჯრედულ რეაქციებზე/ადაპტაციაზე. ეს უზრუნველყოფს ეკოლოგიურ ინფორმაციას საველე გამოყენებისა და ეფექტური ბიორემედიაციისთვის შტამების ოპტიმიზაციისთვის.
ინდუსტრიების (პეტროქიმიური მრეწველობა, სოფლის მეურნეობა, ფარმაცევტული საშუალებები, ტექსტილის საღებავები, კოსმეტიკა და ა.შ.) სწრაფმა განვითარებამ ხელი შეუწყო გლობალურ ეკონომიკურ კეთილდღეობას და ცხოვრების დონის გაუმჯობესებას. ამ ექსპონენციალურმა განვითარებამ გამოიწვია დიდი რაოდენობით სინთეზური ორგანული ნაერთების (SOC) წარმოება, რომლებიც გამოიყენება სხვადასხვა პროდუქტის წარმოებისთვის. ეს უცხო ნაერთები ან SOC-ები მოიცავს პოლიციკლურ არომატულ ნახშირწყალბადებს (PAH), პესტიციდებს, ჰერბიციდებს, პლასტიფიკატორებს, საღებავებს, ფარმაცევტულ პროდუქტებს, ორგანოფოსფატებს, ცეცხლგამძლე ნივთიერებებს, აქროლად ორგანულ გამხსნელებს და ა.შ. ისინი გამოიყოფა ატმოსფეროში, წყლისა და ხმელეთის ეკოსისტემებში, სადაც მათ მრავალგანზომილებიანი ზემოქმედება აქვთ, რაც იწვევს მავნე ზემოქმედებას სხვადასხვა ბიოფორმებზე ფიზიკურ-ქიმიური თვისებებისა და თანასაზოგადოების სტრუქტურის შეცვლის გზით (პეტრი და სხვ., 2015; ბერნჰარდტი და სხვ., 2017; სარკარი და სხვ., 2020). ბევრ არომატულ დამაბინძურებელს ძლიერი და დამანგრეველი გავლენა აქვს მრავალ ხელუხლებელ ეკოსისტემაზე/ბიომრავალფეროვნების ცხელ წერტილზე (მაგ. მარჯნის რიფები, არქტიკული/ანტარქტიდის ყინულოვანი საფარი, მაღალმთიანი ტბები, ღრმა ზღვის ნალექები და ა.შ.) (ჯონსი 2010; ბეიერი და სხვ. 2020; ნორდბორგი და სხვ. 2020). ბოლოდროინდელმა გეომიკრობიოლოგიურმა კვლევებმა აჩვენა, რომ სინთეზური ორგანული ნივთიერების (მაგ. არომატული დამაბინძურებლების) და მათი წარმოებულების დალექვა ხელოვნური ნაგებობების (აშენებული გარემოს) ზედაპირზე (მაგ. გრანიტის, ქვის, ხის და ლითონისგან დამზადებული კულტურული მემკვიდრეობის ძეგლები და ძეგლები) აჩქარებს მათ დეგრადაციას (გადი 2017; ლიუ და სხვ. 2018). ადამიანის საქმიანობამ შეიძლება გააძლიეროს და გააუარესოს ძეგლებისა და შენობების ბიოლოგიური დეგრადაცია ჰაერის დაბინძურებისა და კლიმატის ცვლილების გზით (ლიუ და სხვ. 2020). ეს ორგანული დამაბინძურებლები რეაგირებენ ატმოსფეროში წყლის ორთქლთან და ილექებიან სტრუქტურაზე, რაც იწვევს მასალის ფიზიკურ და ქიმიურ დეგრადაციას. ბიოდეგრადაცია ფართოდ არის აღიარებული, როგორც მასალების გარეგნობისა და თვისებების არასასურველი ცვლილებები, რომლებიც გამოწვეულია ცოცხალი ორგანიზმებით და გავლენას ახდენს მათ შენარჩუნებაზე (პოჩონი და ჯატონი, 1967). ამ ნაერთების შემდგომმა მიკრობულმა მოქმედებამ (მეტაბოლიზმმა) შეიძლება შეამციროს სტრუქტურული მთლიანობა, კონსერვაციის ეფექტურობა და კულტურული ღირებულება (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). მეორეს მხრივ, ზოგიერთ შემთხვევაში, ამ სტრუქტურებთან მიკრობული ადაპტაცია და რეაქცია სასარგებლო აღმოჩნდა, რადგან ისინი ქმნიან ბიოფილმებს და სხვა დამცავ ქერქებს, რომლებიც ამცირებენ დაშლის/დაშლის სიჩქარეს (Martino, 2016). ამიტომ, ქვის, ლითონის და ხის ძეგლების ეფექტური გრძელვადიანი მდგრადი კონსერვაციის სტრატეგიების შემუშავება მოითხოვს ამ პროცესში ჩართული ძირითადი პროცესების საფუძვლიან გაგებას. ბუნებრივ პროცესებთან შედარებით (გეოლოგიური პროცესები, ტყის ხანძრები, ვულკანური ამოფრქვევები, მცენარეული და ბაქტერიული რეაქციები), ადამიანის საქმიანობა იწვევს პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (PAH) და სხვა ორგანული ნახშირბადის (OC) დიდი რაოდენობით გამოყოფას ეკოსისტემებში. სოფლის მეურნეობაში (ინსექტიციდები და პესტიციდები, როგორიცაა DDT, ატრაზინი, კარბარილი, პენტაქლორფენოლი და ა.შ.), მრეწველობაში (ნედლი ნავთობი, ნავთობის ნალექი/ნარჩენები, ნავთობპროდუქტებისგან მიღებული პლასტმასი, პოლიქლორირებული ბიფენილები, პლასტიფიკატორები, სარეცხი საშუალებები, სადეზინფექციო საშუალებები, ფუმიგანტები, სუნამოები და კონსერვანტები), პირადი მოვლის საშუალებებში (მზისგან დამცავი კრემები, სადეზინფექციო საშუალებები, მწერების საწინააღმდეგო საშუალებები და პოლიციკლური მუშკები) და საბრძოლო მასალაში (ასაფეთქებელი ნივთიერებები, როგორიცაა 2,4,6-TNT) გამოყენებული მრავალი პოლიურეთანის მჟავა წარმოადგენს პოტენციურ ქსენობიოტიკს, რომელმაც შეიძლება გავლენა მოახდინოს პლანეტის ჯანმრთელობაზე (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). ეს სია შეიძლება გაფართოვდეს ნავთობპროდუქტებისგან მიღებული ნაერთების (საწვავის ზეთები, საპოხი მასალები, ასფალტენები), მაღალი მოლეკულური წონის ბიოპლასტმასები და იონური სითხეები (Amde et al., 2015) ჩათვლით. ცხრილში 1 ჩამოთვლილია სხვადასხვა არომატული დამაბინძურებლები და მათი გამოყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაში. ბოლო წლებში აქროლადი ორგანული ნაერთების, ასევე ნახშირორჟანგის და სხვა სათბურის გაზების ანთროპოგენური ემისიები გაიზარდა (დვორაკი და სხვ., 2017). თუმცა, ანთროპოგენური ზემოქმედება მნიშვნელოვნად აღემატება ბუნებრივს. გარდა ამისა, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ რიგი SOC-ები მრავალ გარემოში რჩება და იდენტიფიცირებულია, როგორც ახალი დამაბინძურებლები, რომლებსაც უარყოფითი გავლენა აქვთ ბიომებზე (სურათი 1). გარემოსდაცვითმა სააგენტოებმა, როგორიცაა აშშ-ის გარემოს დაცვის სააგენტო (USEPA), ამ დამაბინძურებლების უმეტესობა შეიტანეს პრიორიტეტულ სიაში მათი ციტოტოქსიკური, გენოტოქსიკური, მუტაგენური და კანცეროგენული თვისებების გამო. ამიტომ, საჭიროა ნარჩენების გადამუშავების/დაბინძურებული ეკოსისტემებიდან ამოღების მკაცრი რეგულაციები და ეფექტური სტრატეგიები. სხვადასხვა ფიზიკური და ქიმიური დამუშავების მეთოდები, როგორიცაა პიროლიზი, ჟანგვითი თერმული დამუშავება, ჰაერის აერაცია, ნაგავსაყრელზე განთავსება, დაწვა და ა.შ. არაეფექტური და ძვირადღირებულია და წარმოქმნის კოროზიულ, ტოქსიკურ და ძნელად დასამუშავებელ თანმდევ პროდუქტებს. გლობალური გარემოსდაცვითი ცნობიერების ამაღლებასთან ერთად, სულ უფრო მეტ ყურადღებას იპყრობს მიკროორგანიზმები, რომლებსაც შეუძლიათ ამ დამაბინძურებლების და მათი წარმოებულების (როგორიცაა ჰალოგენირებული, ნიტრო, ალკილი და/ან მეთილი) დაშლა (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). ამ ადგილობრივი კანდიდატი მიკროორგანიზმების გამოყენებას მარტო ან შერეულ კულტურებში (კოლონიებში) არომატული დამაბინძურებლების მოსაშორებლად უპირატესობა აქვს გარემოსდაცვითი უსაფრთხოების, ღირებულების, ეფექტურობის, ეფექტიანობისა და მდგრადობის თვალსაზრისით. მკვლევარები ასევე იკვლევენ მიკრობული პროცესების ინტეგრაციას ელექტროქიმიურ რედოქს მეთოდებთან, კერძოდ, ბიოელექტროქიმიურ სისტემებთან (BES), როგორც დამაბინძურებლების დამუშავების/მოცილების პერსპექტიულ ტექნოლოგიას (Huang et al., 2011). BES ტექნოლოგიამ სულ უფრო მეტი ყურადღება მიიპყრო მისი მაღალი ეფექტურობის, დაბალი ღირებულების, გარემოსდაცვითი უსაფრთხოების, ოთახის ტემპერატურაზე მუშაობის, ბიოშეთავსებადი მასალების და ძვირფასი თანმდევი პროდუქტების (მაგ., ელექტროენერგია, საწვავი და ქიმიკატები) აღდგენის შესაძლებლობის გამო (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). მაღალი გამტარუნარიანობის გენომის სეკვენირებისა და ომიკის ინსტრუმენტების/მეთოდების გაჩენამ მოგვაწოდა უამრავი ახალი ინფორმაცია სხვადასხვა დეგრადატორი მიკროორგანიზმების რეაქციების გენეტიკური რეგულირების, პროტეომიკისა და ფლუქსომიკის შესახებ. ამ ინსტრუმენტების სისტემურ ბიოლოგიასთან გაერთიანებამ კიდევ უფრო გააღრმავა ჩვენი გაგება მიკროორგანიზმებში სამიზნე კატაბოლური გზების შერჩევისა და დახვეწის შესახებ (ანუ მეტაბოლური დიზაინი) ეფექტური და ეფექტიანი ბიოდეგრადაციის მისაღწევად. შესაფერისი კანდიდატი მიკროორგანიზმების გამოყენებით ეფექტური ბიორემედიაციის სტრატეგიების შესამუშავებლად, ჩვენ უნდა გვესმოდეს მიკროორგანიზმების ბიოქიმიური პოტენციალი, მეტაბოლური მრავალფეროვნება, გენეტიკური შემადგენლობა და ეკოლოგია (აუტოეკოლოგია/სინეკოლოგია).
სურ. 1. დაბალი მოლეკულური წონის პოლიმოლური ნაერთების წყაროები და გზები სხვადასხვა გარემო გარემოსა და ბიოტაზე მოქმედი სხვადასხვა ფაქტორების მეშვეობით. წყვეტილი ხაზები წარმოადგენს ეკოსისტემის ელემენტებს შორის ურთიერთქმედებას.
ამ მიმოხილვაში ჩვენ შევეცადეთ შეგვეჯამებინა მონაცემები მარტივი პოლიმორფული ამინომჟავების, როგორიცაა ნაფტალინი და ჩანაცვლებული ნაფტალინები, დეგრადაციის შესახებ სხვადასხვა ბაქტერიული იზოლატების მიერ, რომლებიც მოიცავს მეტაბოლურ გზებსა და მრავალფეროვნებას, დეგრადაციაში ჩართულ ფერმენტებს, გენის შემადგენლობას/შინაარსსა და მრავალფეროვნებას, უჯრედულ რეაქციებს და ბიორემედიაციის სხვადასხვა ასპექტს. ბიოქიმიური და მოლეკულური დონეების გაგება ხელს შეუწყობს შესაფერისი მასპინძელი შტამების იდენტიფიცირებას და მათ შემდგომ გენეტიკურ ინჟინერიას ასეთი პრიორიტეტული დამაბინძურებლების ეფექტური ბიორემედიაციისთვის. ეს ხელს შეუწყობს ეფექტური ბიორემედიაციისთვის ადგილმდებარეობის სპეციფიკური ბაქტერიული კონსორციუმების შექმნის სტრატეგიების შემუშავებას.
ტოქსიკური და სახიფათო არომატული ნაერთების დიდი რაოდენობით არსებობა (რომელიც აკმაყოფილებს ჰაკელის წესს 4n + 2π ელექტრონები, n = 1, 2, 3, ...) სერიოზულ საფრთხეს უქმნის სხვადასხვა გარემოს, როგორიცაა ჰაერი, ნიადაგი, ნალექები, ზედაპირული და მიწისქვეშა წყლები (Puglisi et al., 2007). ამ ნაერთებს აქვთ ერთჯერადი ბენზოლის რგოლები (მონოციკლური) ან მრავალჯერადი ბენზოლის რგოლები (პოლიციკლური), რომლებიც განლაგებულია ხაზოვანი, კუთხოვანი ან კლასტერული ფორმით და ავლენენ სტაბილურობას (სტაბილურობა/არასტაბილურობა) გარემოში მაღალი უარყოფითი რეზონანსული ენერგიისა და ინერტულობის (ინერტულობა) გამო, რაც შეიძლება აიხსნას მათი ჰიდროფობიურობითა და აღდგენილი მდგომარეობით. როდესაც არომატული რგოლი შემდგომში ჩანაცვლდება მეთილის (-CH3), კარბოქსილის (-COOH), ჰიდროქსილის (-OH) ან სულფონატის (-HSO3) ჯგუფებით, ის ხდება უფრო სტაბილური, აქვს უფრო ძლიერი მიდრეკილება მაკრომოლეკულების მიმართ და ბიოაკუმულაციურია ბიოლოგიურ სისტემებში (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). ზოგიერთი დაბალმოლეკულური პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადი (LMWAH), როგორიცაა ნაფტალინი და მისი წარმოებულები [მეთილნაფტალინი, ნაფთოის მჟავა, ნაფტალინსულფონატი და 1-ნაფთილის N-მეთილკარბამატი (კარბარილი)], აშშ-ის გარემოს დაცვის სააგენტოს მიერ შეტანილია პრიორიტეტული ორგანული დამაბინძურებლების სიაში, როგორც გენოტოქსიკური, მუტაგენური და/ან კანცეროგენული (Cerniglia, 1984). NM-PAH-ების ამ კლასის გარემოში გამოყოფამ შეიძლება გამოიწვიოს ამ ნაერთების ბიოაკუმულაცია კვებითი ჯაჭვის ყველა დონეზე, რითაც გავლენას ახდენს ეკოსისტემების ჯანმრთელობაზე (ბინკოვა და სხვ., 2000; სროგი, 2007; ქუინი და სხვ., 2009).
პოლიაკალური არომატიზატორების ბიოტაში მოხვედრის წყაროები და გზები, ძირითადად, სხვადასხვა ეკოსისტემის კომპონენტებს, როგორიცაა ნიადაგი, მიწისქვეშა წყლები, ზედაპირული წყლები, კულტურები და ატმოსფერო, შორის მიგრაცია და ურთიერთქმედებაა (Arey and Atkinson, 2003). სურათი 1 ასახავს სხვადასხვა დაბალი მოლეკულური წონის პოლიაკალური არომატიზატორების ურთიერთქმედებას და განაწილებას ეკოსისტემებში და მათ ბიოტა/ადამიანის ზემოქმედებამდე მიმავალ გზებს. პოლიაკალური არომატიზატორები ზედაპირებზე ილექება ჰაერის დაბინძურების შედეგად და სატრანსპორტო საშუალებების გამონაბოლქვის, სამრეწველო გამონაბოლქვი აირების (ქვანახშირის გაზიფიკაცია, წვა და კოქსის წარმოება) მიგრაციის (დრიფტის) და მათი დალექვის გზით. სამრეწველო საქმიანობა, როგორიცაა სინთეზური ტექსტილის, საღებავებისა და საღებავების წარმოება; ხის კონსერვაცია; რეზინის დამუშავება; ცემენტის წარმოების საქმიანობა; პესტიციდების წარმოება; და სოფლის მეურნეობის გამოყენება, პოლიაკალური არომატიზატორების ძირითადი წყაროებია ხმელეთისა და წყლის სისტემებში (Bamforth and Singleton, 2005; Wick et al., 2011). კვლევებმა აჩვენა, რომ გარეუბნებსა და ურბანულ რაიონებში, მაგისტრალებთან ახლოს და დიდ ქალაქებში ნიადაგები უფრო მგრძნობიარეა პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (PAH) მიმართ ელექტროსადგურებიდან, საცხოვრებელი სახლების გათბობიდან, საჰაერო და საგზაო მოძრაობის დატვირთვისა და სამშენებლო საქმიანობიდან გამონაბოლქვის გამო (სუმანი და სხვ., 2016). (2008)-მა აჩვენა, რომ აშშ-ს ქალაქ ლუიზიანას შტატში, ნიუ ორლეანში, გზების მახლობლად ნიადაგში PAH-ების შემცველობა 7189 μg/kg-ს აღწევდა, ხოლო ღია სივრცეში მხოლოდ 2404 μg/kg-ს შეადგენდა. ანალოგიურად, აშშ-ს რამდენიმე ქალაქში ქვანახშირის გაზიფიკაციის ობიექტების მახლობლად მდებარე ტერიტორიებზე PAH-ების 300 μg/kg-მდე მაღალი დონე დაფიქსირდა (კანალი და ჰარაიამა, 2000; ბამფორტი და სინგლტონი, 2005). ინდოეთის სხვადასხვა ქალაქების, როგორიცაა დელი (შარმა და სხვ., 2008), აგრა (დუბეი და სხვ., 2014), მუმბაი (კულკარნი და ვენკატარამანი, 2000) და ვისახაპატნამი (კულკარნი და სხვ., 2014), ნიადაგები შეიცავს პოლიურეთანური ნაერთების (PAH) მაღალ კონცენტრაციას. არომატული ნაერთები უფრო ადვილად ადსორბირდება ნიადაგის ნაწილაკებზე, ორგანულ ნივთიერებებსა და თიხის მინერალებზე, რითაც ხდება ნახშირბადის ძირითადი შთანთქმის წყაროები ეკოსისტემებში (სროგი, 2007; პენგი და სხვ., 2008). წყლის ეკოსისტემებში პოლიურეთანური ნაერთების ძირითადი წყაროებია ნალექები (სველი/მშრალი ნალექი და წყლის ორთქლი), ურბანული ჩამონადენი, ჩამდინარე წყლების ჩაშვება, მიწისქვეშა წყლების შევსება და ა.შ. (სროგი, 2007). დადგენილია, რომ საზღვაო ეკოსისტემებში პოლიურეთანური ნაერთების დაახლოებით 80% წარმოიქმნება ნალექების, დანალექების და ნარჩენების ჩაშვების შედეგად (მოტელეი-მასეი და სხვ., 2006; სროგი, 2007). ზედაპირულ წყლებში ან მყარი ნარჩენების გადამამუშავებელი პუნქტებიდან გამონაჟონში პოლიურეთილ-აზოტების (PAH) მაღალი კონცენტრაცია საბოლოოდ მიწისქვეშა წყლებში ჩაედინება, რაც საზოგადოებრივი ჯანმრთელობის სერიოზულ საფრთხეს წარმოადგენს, რადგან სამხრეთ და სამხრეთ-აღმოსავლეთ აზიის მოსახლეობის 70%-ზე მეტი მიწისქვეშა წყლებს სვამს (Duttagupta et al., 2019). ინდოეთის დასავლეთ ბენგალში, მდინარეების (32) და მიწისქვეშა წყლების (235) ანალიზზე დადებულმა დატაგუპტას და სხვების (2020) ბოლოდროინდელმა კვლევამ აჩვენა, რომ ქალაქის მაცხოვრებლების დაახლოებით 53% და სოფლის მაცხოვრებლების 44% (სულ 20 მილიონი მოსახლე) შესაძლოა ნაფტალინის (4.9–10.6 μg/L) და მისი წარმოებულების ზემოქმედების ქვეშ იმყოფებოდეს. მიწის გამოყენების დიფერენცირებული ნიმუშები და მიწისქვეშა წყლების მოპოვების ზრდა მიწისქვეშა წყლებში დაბალი მოლეკულური წონის პოლიურეთილ-აზოტების ვერტიკალური ტრანსპორტის (ადვექციის) კონტროლს ძირითად ფაქტორებად მიიჩნევა. მდინარის აუზებსა და მიწისქვეშა ნალექებში პოლიურეთილ-აზოტები გავლენას ახდენს სოფლის მეურნეობის ჩამონადენზე, მუნიციპალურ და სამრეწველო ჩამდინარე წყლების ჩაშვებაზე და მყარი ნარჩენების/ნაგვის ჩაშვებაზე. ატმოსფერული ნალექები კიდევ უფრო ამძაფრებს პოლიურეთილ-აზოტების დაბინძურებას. PAH-ების და მათი ალკილის წარმოებულების მაღალი კონცენტრაციები (სულ 51) დაფიქსირდა მსოფლიოს მდინარეებში/წყალშემკრებ აუზებში, როგორიცაა ფრეიზერის მდინარე, ლუანის მდინარე, დენსოს მდინარე, მისურის მდინარე, ანაკოსტიის მდინარე, ებროს მდინარე და დელავერის მდინარე (იუნკერი და სხვ., 2002; მოტელეი-მასეი და სხვ., 2006; ლი და სხვ., 2010; ამოაკო და სხვ., 2011; კიმი და სხვ., 2018). განგის აუზის ნალექებში ნაფტალინი და ფენანთრენი ყველაზე მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა (აღმოჩენილია ნიმუშების 70%-ში) (დატაგუპტა და სხვ., 2019). გარდა ამისა, კვლევებმა აჩვენა, რომ სასმელი წყლის ქლორირებამ შეიძლება გამოიწვიოს უფრო ტოქსიკური, ჟანგბადით გაჯერებული და ქლორირებული PAH-ების წარმოქმნა (მანოლი და სამარა, 1999). პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადები (PAH) გროვდება მარცვლეულში, ხილსა და ბოსტნეულში მცენარეების მიერ დაბინძურებული ნიადაგიდან, მიწისქვეშა წყლებიდან და ნალექებიდან მათი შეწოვის შედეგად (Fismes et al., 2002). მრავალი წყლის ორგანიზმი, როგორიცაა თევზი, მიდიები, მოლუსკები და კრევეტები, დაბინძურებულია PAH-ებით დაბინძურებული საკვებისა და ზღვის წყლის მოხმარების, ასევე ქსოვილებისა და კანის მეშვეობით (Mackay and Fraser, 2000). მომზადების/დამუშავების მეთოდებმა, როგორიცაა გრილზე შეწვა, შეწვა, შებოლვა, შეწვა, გაშრობა, გამოცხობა და ნახშირზე მომზადება, ასევე შეიძლება გამოიწვიოს PAH-ების მნიშვნელოვანი რაოდენობა საკვებში. ეს დიდწილად დამოკიდებულია შებოლილი მასალის არჩევანზე, ფენოლურ/არომატულ ნახშირწყალბადების შემცველობაზე, მომზადების პროცედურაზე, გამათბობლის ტიპზე, ტენიანობის შემცველობაზე, ჟანგბადის მიწოდებასა და წვის ტემპერატურაზე (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადები (PAH) ასევე აღმოჩენილია რძეში სხვადასხვა კონცენტრაციით (0.75–2.1 მგ/ლ) (Girelli et al., 2014). ამ პოლიმორფული აზოტების (PAH) დაგროვება საკვებში ასევე დამოკიდებულია საკვების ფიზიკურ-ქიმიურ თვისებებზე, ხოლო მათი ტოქსიკური ეფექტები დაკავშირებულია ფიზიოლოგიურ ფუნქციებთან, მეტაბოლურ აქტივობასთან, შეწოვასთან, განაწილებასთან და ორგანიზმში განაწილებასთან (მეჩინი და სხვ., 2011).
პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (PAH) ტოქსიკურობა და მავნე ზემოქმედება დიდი ხანია ცნობილია (ჩერნიგლია, 1984). დაბალი მოლეკულური წონის პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადები (LMW-PAH) (ორიდან სამ რგოლამდე) შეიძლება კოვალენტურად დაუკავშირდნენ სხვადასხვა მაკრომოლეკულებს, როგორიცაა დნმ, რნმ და ცილები და კანცეროგენულია (სანტარელი და სხვ., 2008). მათი ჰიდროფობიური ბუნების გამო, ისინი გამოყოფილია ლიპიდური მემბრანებით. ადამიანებში, ციტოქრომ P450 მონოოქსიგენაზები PAH-ებს ჟანგავენ ეპოქსიდებად, რომელთაგან ზოგიერთი მაღალრეაქტიულია (მაგ., ბაედიოლის ეპოქსიდი) და შეიძლება გამოიწვიოს ნორმალური უჯრედების ავთვისებიანად ტრანსფორმაცია (მარსტონი და სხვ., 2001). გარდა ამისა, PAH-ების ტრანსფორმაციის პროდუქტები, როგორიცაა ქინონები, ფენოლები, ეპოქსიდები, დიოლები და ა.შ., უფრო ტოქსიკურია, ვიდრე საწყისი ნაერთები. ზოგიერთ პოლიამერიკულ-აზოტოვან მჟავას და მათ მეტაბოლურ შუალედურ პროდუქტებს შეუძლიათ გავლენა მოახდინონ ჰორმონებსა და მეტაბოლიზმის სხვადასხვა ფერმენტებზე, რითაც უარყოფითად აისახება ზრდაზე, ცენტრალურ ნერვულ სისტემაზე, რეპროდუქციულ და იმუნურ სისტემებზე (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). დაბალი მოლეკულური წონის პოლიამერიკული მჟავას ხანმოკლე ზემოქმედება, როგორც აღინიშნა, იწვევს ფილტვების ფუნქციის დარღვევას და თრომბოზას ასთმიანებში და ზრდის კანის, ფილტვების, შარდის ბუშტის და კუჭ-ნაწლავის კიბოს განვითარების რისკს (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). ცხოველებზე ჩატარებულმა კვლევებმა ასევე აჩვენა, რომ პოლიამერიკული მჟავას ზემოქმედებამ შეიძლება უარყოფითი გავლენა მოახდინოს რეპროდუქციულ ფუნქციასა და განვითარებაზე და გამოიწვიოს კატარაქტა, თირკმლის და ღვიძლის დაზიანება და სიყვითლე. სხვადასხვა პოლიამერიკული მჟავას ბიოტრანსფორმაციის პროდუქტები, როგორიცაა დიოლები, ეპოქსიდები, ქინონები და თავისუფალი რადიკალები (კათიონები), წარმოქმნიან დნმ-ის ადუქტებს. სტაბილური ადუქტები ცვლის დნმ-ის რეპლიკაციის მექანიზმს, მაშინ როდესაც არასტაბილურ ადუქტებს შეუძლიათ დნმ-ის დეპურინაცია (ძირითადად ადენინად და ზოგჯერ გუანინად); ორივემ შეიძლება გამოიწვიოს შეცდომები, რომლებიც მუტაციებს იწვევს (შვაიგერტი და სხვ. 2001). გარდა ამისა, ქინონებს (ბენზო-/პან-) შეუძლიათ რეაქტიული ჟანგბადის სახეობების (ROS) წარმოქმნა, რაც იწვევს დნმ-ის და სხვა მაკრომოლეკულების ფატალურ დაზიანებას, რითაც გავლენას ახდენს ქსოვილების ფუნქციაზე/სიცოცხლეზე (ევა და დანუტა 2017). პირენის, ბიფენილის და ნაფტალინის დაბალი კონცენტრაციების ქრონიკული ზემოქმედება, როგორც აღინიშნა, ექსპერიმენტულ ცხოველებში კიბოს იწვევს (დიგსი და სხვ. 2012). მათი ლეტალური ტოქსიკურობის გამო, ამ PAH-ების გაწმენდა/მოცილება დაზიანებული/დაბინძურებული ადგილებიდან პრიორიტეტულია.
დაბინძურებული ადგილებიდან/გარემოდან პოლიურეთა ჰიდროქლორიდების მოსაშორებლად გამოყენებულია სხვადასხვა ფიზიკური და ქიმიური მეთოდი. ისეთ პროცესებს, როგორიცაა დაწვა, დექლორირება, ულტრაიისფერი დაჟანგვა, ფიქსაცია და გამხსნელის ექსტრაქცია, ბევრი ნაკლი აქვს, მათ შორის ტოქსიკური ქვეპროდუქტების წარმოქმნა, პროცესის სირთულე, უსაფრთხოებისა და მარეგულირებელი საკითხები, დაბალი ეფექტურობა და მაღალი ღირებულება. თუმცა, მიკრობული ბიოდეგრადაცია (ე.წ. ბიორემედიაცია) პერსპექტიული ალტერნატიული მიდგომაა, რომელიც გულისხმობს მიკროორგანიზმების გამოყენებას სუფთა კულტურების ან კოლონიების სახით. ფიზიკურ და ქიმიურ მეთოდებთან შედარებით, ეს პროცესი ეკოლოგიურად სუფთა, არაინვაზიური, ეკონომიური და მდგრადია. ბიორემედიაცია შეიძლება განხორციელდეს დაზიანებულ ადგილზე (in situ) ან სპეციალურად მომზადებულ ადგილზე (ex situ) და შესაბამისად, ტრადიციულ ფიზიკურ და ქიმიურ მეთოდებთან შედარებით უფრო მდგრად რემედიაციის მეთოდად ითვლება (Juhasz and Naidu, 2000; Andreoni and Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
არომატული დამაბინძურებლების დეგრადაციაში ჩართული მიკრობული მეტაბოლური ეტაპების გაგებას უდიდესი სამეცნიერო და ეკონომიკური შედეგები მოაქვს ეკოლოგიური და გარემოსდაცვითი მდგრადობისთვის. ნალექებსა და ორგანულ ნაერთებში (ანუ ნავთობში, ბუნებრივ აირსა და ქვანახშირში, ანუ წიაღისეულ საწვავში) მთელ მსოფლიოში დაახლოებით 2.1×1018 გრამი ნახშირბადი (C) ინახება, რაც მნიშვნელოვან წვლილს შეაქვს გლობალურ ნახშირბადის ციკლში. თუმცა, სწრაფი ინდუსტრიალიზაცია, წიაღისეული საწვავის მოპოვება და ადამიანის საქმიანობა აფერხებს ამ ლითოსფერული ნახშირბადის რეზერვუარებს, რის შედეგადაც ყოველწლიურად ატმოსფეროში გამოთავისუფლდება დაახლოებით 5.5×1015 გ ორგანული ნახშირბადი (დამაბინძურებლების სახით) (გონსალეს-გაია და სხვ., 2019). ამ ორგანული ნახშირბადის უმეტესი ნაწილი ხმელეთისა და ზღვის ეკოსისტემებში შედის დანალექის, ტრანსპორტირებისა და ჩამონადენის გზით. გარდა ამისა, წიაღისეული საწვავიდან მიღებული ახალი სინთეზური დამაბინძურებლები, როგორიცაა პლასტმასი, პლასტიფიკატორები და პლასტმასის სტაბილიზატორები (ფტალატები და მათი იზომერები), სერიოზულად აბინძურებენ ზღვის, ნიადაგისა და წყლის ეკოსისტემებს და მათ ბიოტას, რითაც ამწვავებენ გლობალურ კლიმატურ რისკებს. წყნარ ოკეანეში, ჩრდილოეთ ამერიკასა და სამხრეთ-აღმოსავლეთ აზიას შორის, დაგროვდა პოლიეთილენტერეფტალატის (PET) სხვადასხვა სახის მიკროპლასტმასი, ნანოპლასტმასი, პლასტმასის ფრაგმენტები და მათი ტოქსიკური მონომერული პროდუქტები, რომლებიც წარმოიქმნა პოლიეთილენტერეფტალატისგან (PET), რამაც შექმნა „დიდი წყნარი ოკეანის ნაგვის ლაქა“, რაც ზიანს აყენებს ზღვის ორგანიზმებს (Newell et al., 2020). სამეცნიერო კვლევებმა დაამტკიცა, რომ ასეთი დამაბინძურებლების/ნარჩენების მოცილება შეუძლებელია რაიმე ფიზიკური ან ქიმიური მეთოდით. ​​ამ კონტექსტში, ყველაზე სასარგებლო მიკროორგანიზმები არიან ისინი, ვისაც შეუძლია დამაბინძურებლების ჟანგვითი მეტაბოლიზაცია ნახშირორჟანგად, ქიმიურ ენერგიად და სხვა არატოქსიკურ თანმდევ პროდუქტებად, რომლებიც საბოლოოდ შედიან სხვა საკვები ნივთიერებების ციკლის პროცესებში (H, O, N, S, P, Fe და ა.შ.). ამრიგად, არომატული დამაბინძურებლების მინერალიზაციის მიკრობული ეკოფიზიოლოგიის და მისი გარემოსდაცვითი კონტროლის გაგება გადამწყვეტია მიკრობული ნახშირბადის ციკლის, წმინდა ნახშირბადის ბიუჯეტის და მომავალი კლიმატური რისკების შესაფასებლად. გარემოდან ასეთი ნაერთების მოცილების გადაუდებელი საჭიროების გათვალისწინებით, გაჩნდა სუფთა ტექნოლოგიებზე ორიენტირებული სხვადასხვა ეკოინდუსტრია. ალტერნატიულად, ეკოსისტემებში დაგროვილი სამრეწველო ნარჩენების/ნარჩენი ქიმიკატების ვალორიზაცია (ანუ „ნარჩენებიდან სიმდიდრემდე“ მიდგომა) წრიული ეკონომიკისა და მდგრადი განვითარების მიზნების ერთ-ერთ საყრდენად ითვლება (Close et al., 2012). ამიტომ, ამ პოტენციური დეგრადაციის კანდიდატების მეტაბოლური, ფერმენტული და გენეტიკური ასპექტების გაგება უდიდესი მნიშვნელობისაა ასეთი არომატული დამაბინძურებლების ეფექტური მოცილების და ბიორემედიაციისთვის.
მრავალ არომატულ დამაბინძურებელს შორის, ჩვენ განსაკუთრებულ ყურადღებას ვაქცევთ დაბალმოლეკულურ პოლიმორფულ ნახშირწყლებს, როგორიცაა ნაფტალინი და ჩანაცვლებული ნაფტალინები. ეს ნაერთები ნავთობპროდუქტებიდან მიღებული საწვავის, ტექსტილის საღებავების, სამომხმარებლო პროდუქტების, პესტიციდების (ნაფტალინის ბურთულები და მწერების საწინააღმდეგო საშუალებები), პლასტიფიკატორებისა და ტანინების ძირითადი კომპონენტებია და, შესაბამისად, ფართოდ არის გავრცელებული მრავალ ეკოსისტემაში (Preuss et al., 2003). ბოლოდროინდელი ანგარიშები ხაზს უსვამს ნაფტალინის კონცენტრაციების დაგროვებას წყალშემკრებ ნალექებში, მიწისქვეშა წყლებსა და მიწისქვეშა ნიადაგებში, ვადოზის ზონებსა და მდინარის კალაპოტში, რაც მიუთითებს მის ბიოაკუმულაციაზე გარემოში (Duttagupta et al., 2019, 2020). ცხრილი 2 აჯამებს ნაფტალინისა და მისი წარმოებულების ფიზიკურ-ქიმიურ თვისებებს, გამოყენებას და ჯანმრთელობაზე ზემოქმედებას. სხვა მაღალმოლეკულურ პოლიმორფულ ნახშირწყლებთან შედარებით, ნაფტალინი და მისი წარმოებულები ნაკლებად ჰიდროფობიურია, უფრო წყალში ხსნადი და ფართოდ არის გავრცელებული ეკოსისტემებში, ამიტომ ისინი ხშირად გამოიყენება როგორც სამოდელო სუბსტრატები პოლიმორფული ნახშირწყლოვანი ნივთიერებების მეტაბოლიზმის, გენეტიკისა და მეტაბოლური მრავალფეროვნების შესასწავლად. მიკროორგანიზმების დიდ რაოდენობას შეუძლია ნაფტალინის და მისი წარმოებულების მეტაბოლიზება და ხელმისაწვდომია ყოვლისმომცველი ინფორმაცია მათი მეტაბოლური გზების, ფერმენტებისა და მარეგულირებელი მახასიათებლების შესახებ (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). გარდა ამისა, ნაფტალინი და მისი წარმოებულები გარემოს დაბინძურების შეფასების პროტოტიპ ნაერთებად არის მიჩნეული მათი მაღალი სიმრავლისა და ბიოშეღწევადობის გამო. აშშ-ის გარემოს დაცვის სააგენტოს შეფასებით, ნაფტალინის საშუალო დონე სიგარეტის კვამლიდან, ძირითადად არასრული წვის შედეგად, 5.19 მკგ კუბურ მეტრზეა, ხოლო გვერდითი ნაკადის კვამლიდან 7.8-დან 46 მკგ-მდე, ხოლო კრეოზოტისა და ნაფტალინის ზემოქმედება 100-დან 10,000-ჯერ მეტია (Preuss et al. 2003). კერძოდ, ნაფტალინს აქვს სახეობრივი, რეგიონული და სქესის მიხედვით სპეციფიკური რესპირატორული ტოქსიკურობა და კანცეროგენულობა. ცხოველებზე ჩატარებული კვლევების საფუძველზე, კიბოს კვლევის საერთაშორისო სააგენტომ (IARC) ნაფტალინი კლასიფიცირება გაუკეთა, როგორც „ადამიანის შესაძლო კანცეროგენი“ (ჯგუფი 2B)1. ჩანაცვლებული ნაფტალინების ზემოქმედება, ძირითადად ინჰალაციის ან პარენტერალური (პერორალური) მიღების გზით, იწვევს ფილტვის ქსოვილის დაზიანებას და ზრდის ფილტვის სიმსივნეების განვითარების შემთხვევებს ვირთხებსა და თაგვებში (ეროვნული ტოქსიკოლოგიის პროგრამა 2). მწვავე ეფექტები მოიცავს გულისრევას, ღებინებას, მუცლის ტკივილს, დიარეას, თავის ტკივილს, დაბნეულობას, ძლიერ ოფლიანობას, ცხელებას, ტაქიკარდიას და ა.შ. მეორეს მხრივ, ფართო სპექტრის კარბამატის ინსექტიციდი კარბარილი (1-ნაფთილის N-მეთილკარბამატი), როგორც აღნიშნულია, ტოქსიკურია წყლის უხერხემლოების, ამფიბიების, თაფლის ფუტკრებისა და ადამიანებისთვის და ნაჩვენებია, რომ ის თრგუნავს აცეტილქოლინესტერაზას, რაც იწვევს დამბლას (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). ამიტომ, მიკრობული დეგრადაციის, გენეტიკური რეგულირების, ფერმენტული და უჯრედული რეაქციების მექანიზმების გაგება გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა დაბინძურებულ გარემოში ბიორემედიაციის სტრატეგიების შემუშავებისთვის.
ცხრილი 2. ნაფტალინისა და მისი წარმოებულების ფიზიკურ-ქიმიური თვისებების, გამოყენების, იდენტიფიკაციის მეთოდებისა და მათთან დაკავშირებული დაავადებების შესახებ დეტალური ინფორმაცია.
დაბინძურებულ ნიშებში, ჰიდროფობულ და ლიპოფილურ არომატულ დამაბინძურებლებს შეუძლიათ გამოიწვიონ სხვადასხვა უჯრედული ეფექტი გარემოს მიკრობიომზე (საზოგადოებაზე), როგორიცაა მემბრანის სითხის, მემბრანის გამტარიანობის ცვლილებები, ლიპიდური ორმაგი შრის შეშუპება, ენერგიის გადაცემის დარღვევა (ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი/პროტონის მამოძრავებელი ძალა) და მემბრანასთან ასოცირებული ცილების აქტივობა (Sikkema et al., 1995). გარდა ამისა, ზოგიერთი ხსნადი შუალედური პროდუქტი, როგორიცაა კატექოლები და ქინონები, წარმოქმნის რეაქტიულ ჟანგბადის სახეობებს (ROS) და ქმნის ადუქტებს დნმ-თან და ცილებთან (Penning et al., 1999). ამრიგად, ეკოსისტემებში ასეთი ნაერთების სიმრავლე ახდენს შერჩევით ზეწოლას მიკრობულ საზოგადოებებზე, რათა ისინი გახდნენ ეფექტური დეგრადატორები სხვადასხვა ფიზიოლოგიურ დონეზე, მათ შორის შთანთქმის/ტრანსპორტის, უჯრედშიდა ტრანსფორმაციის, ასიმილაციის/გამოყენების და კომპარტმენტალიზაციის დროს.
რიბოსომული მონაცემთა ბაზის პროექტის II (RDP-II) ძიების შედეგად გამოვლინდა, რომ ნაფტალინით ან მისი წარმოებულებით დაბინძურებული მედიიდან ან გამდიდრების კულტურებიდან სულ 926 ბაქტერიული სახეობა იქნა იზოლირებული. Proteobacteria ჯგუფს ჰქონდა წარმომადგენლების ყველაზე დიდი რაოდენობა (n = 755), შემდეგ მოდიოდა Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) და არაკლასიფიცირებული ბაქტერიები (8) (სურათი 2). γ-Proteobacteria-ს (Pseudomonadales და Xanthomonadales) წარმომადგენლები დომინირებდნენ ყველა გრამუარყოფით ჯგუფში, G+C მაღალი შემცველობით (54%), ხოლო Clostridiales და Bacillales (30%) იყო გრამდადებითი ჯგუფები G+C დაბალი შემცველობით. Pseudomonas-ს (ყველაზე დიდი რაოდენობა, 338 სახეობა) ნაფტალინის და მისი მეთილის წარმოებულების დაშლა სხვადასხვა დაბინძურებულ ეკოსისტემაში (ქვანახშირის ფისი, ნავთობი, ნედლი ნავთობი, ნალექი, ნავთობის დაღვრა, ჩამდინარე წყლები, ორგანული ნარჩენები და ნაგავსაყრელები), ასევე ხელუხლებელ ეკოსისტემებში (ნიადაგი, მდინარეები, ნალექი და მიწისქვეშა წყლები) შეუძლია (სურათი 2). გარდა ამისა, ამ რეგიონების ზოგიერთი გამდიდრების კვლევებმა და მეტაგენომიკურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ Legionella-ს და Clostridium-ის დაუკულტივებელ სახეობებს შეიძლება ჰქონდეთ დაშლის უნარი, რაც მიუთითებს ამ ბაქტერიების კულტივირების აუცილებლობაზე ახალი გზებისა და მეტაბოლური მრავალფეროვნების შესასწავლად.
სურ. 2. ბაქტერიული წარმომადგენლების ტაქსონომიური მრავალფეროვნება და ეკოლოგიური განაწილება ნაფტალინით და ნაფტალინის წარმოებულებით დაბინძურებულ გარემოში.
სხვადასხვა არომატული ნახშირწყალბადების დამშლელი მიკროორგანიზმებიდან, უმეტესობას შეუძლია ნაფტალინის დაშლა, როგორც ნახშირბადისა და ენერგიის ერთადერთი წყაროს. ნაფტალინის მეტაბოლიზმში ჩართული მოვლენების თანმიმდევრობა აღწერილია Pseudomonas sp.-სთვის. (შტამები: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 და CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 და სხვა შტამები (ND6 და AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis and Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; მეტაბოლიზმი იწყება მრავალკომპონენტიანი დიოქსიგენაზათი [ნაფტალინის დიოქსიგენაზა (NDO), რგოლის ჰიდროქსილირებადი დიოქსიგენაზა], რომელიც აკატალიზებს ნაფტალინის ერთ-ერთი არომატული რგოლის დაჟანგვას მოლეკულური ჟანგბადის გამოყენებით, როგორც მეორე სუბსტრატი, ნაფტალინის ცის-ნაფტალინდიოლად გარდაქმნით (სურათი 3). ცის-დიჰიდროდიოლი გარდაიქმნება 1,2-დიჰიდროქსინაფტალინად დეჰიდროგენაზა. რგოლის გახლეჩვის ფერმენტი, 1,2-დიჰიდროქსინაფთალინ დიოქსიგენაზა (12DHNDO), 1,2-დიჰიდროქსინაფთალენს გარდაქმნის 2-ჰიდროქსიქრომენ-2-კარბოქსილის მჟავად. ფერმენტული ცის-ტრანს იზომერიზაცია წარმოქმნის ტრანს-ო-ჰიდროქსიბენზილიდენპირუვატს, რომელიც ჰიდრატაზა ალდოლაზას მიერ იშლება სალიცილის ალდეჰიდად და პირუვატად. ორგანული მჟავა პირუვატი იყო პირველი C3 ნაერთი, რომელიც წარმოიქმნა ნაფტალინის ნახშირბადის ჩონჩხიდან და მიმართული იყო ცენტრალურ ნახშირბადის გზაზე. გარდა ამისა, NAD+-დამოკიდებული სალიცილალდეჰიდ დეჰიდროგენაზა გარდაქმნის სალიცილალდეჰიდს სალიცილატის მჟავად. ამ ეტაპზე მეტაბოლიზმს ნაფტალინის დაშლის „ზედა გზა“ ეწოდება. ეს გზა ძალიან ხშირია ნაფტალინის დამშლელი ბაქტერიების უმეტესობაში. თუმცა, არსებობს რამდენიმე გამონაკლისი; მაგალითად, თერმოფილურ Bacillus hamburgii 2-ში, ნაფტალინის დაშლა იწყება ნაფტალინის 2,3-დიოქსიგენაზას მიერ, რათა წარმოიქმნას 2,3-დიჰიდროქსინაფტალინი (Annweiler et al., 2000).
სურათი 3. ნაფტალინის, მეთილნაფტალინის, ნაფტოის მჟავისა და კარბარილის დაშლის გზები. წრეში მოქცეული რიცხვები წარმოადგენს ფერმენტებს, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან ნაფტალინის და მისი წარმოებულების შემდგომ პროდუქტებად თანმიმდევრულ გარდაქმნაზე. 1 — ნაფტალინის დიოქსიგენაზა (NDO); 2, ცის-დიჰიდროდიოლის დეჰიდროგენაზა; 3, 1,2-დიჰიდროქსინაფტალინის დიოქსიგენაზა; 4, 2-ჰიდროქსიქრომენ-2-კარბოქსილის მჟავას იზომერაზა; 5, ტრანს-O-ჰიდროქსიბენზილიდენპირუვატჰიდრაზა ალდოლაზა; 6, სალიცილატდეჰიდის დეჰიდროგენაზა; 7, სალიცილატ 1-ჰიდროქსილაზა; 8, კატექოლ 2,3-დიოქსიგენაზა (C23DO); 9, 2-ჰიდროქსიმუკონატ სემიალდეჰიდის დეჰიდროგენაზა; 10, 2-ოქსოპენტ-4-ენოატ ჰიდრატაზა; 11, 4-ჰიდროქსი-2-ოქსოპენტაოატ ალდოლაზა; 12, აცეტალდეჰიდდეჰიდროგენაზა; 13, კატექოლ-1,2-დიოქსიგენაზა (C12DO); 14, მუკონატ ციკლოიზომერაზა; 15, მუკონოლაქტონ დელტა-იზომერაზა; 16, β-კეტოადიპატენოლაქტონ ჰიდროლაზა; 17, β-კეტოადიპატე სუქცინილ-CoA ტრანსფერაზა; 18, β-კეტოადიპატე-CoA თიოლაზა; 19, სუქცინილ-CoA: აცეტილ-CoA სუქცინილტრანსფერაზა; 20, სალიცილატ 5-ჰიდროქსილაზა; 21 – გენტიზატ 1,2-დიოქსიგენაზა (GDO); 22, მალეილპირუვატ იზომერაზა; 23, ფუმარილპირუვატ ჰიდროლაზა; 24, მეთილნაფტალინ ჰიდროქსილაზა (NDO); 25, ჰიდროქსიმეთილნაფტალინ დეჰიდროგენაზა; 26, ნაფტალდეჰიდდეჰიდროგენაზა; 27, 3-ფორმილსალიცილის მჟავას ოქსიდაზა; 28, ჰიდროქსიიზოფტალატ დეკარბოქსილაზა; 29, კარბარილ ჰიდროლაზა (CH); 30, 1-ნაფთოლ-2-ჰიდროქსილაზა.
ორგანიზმისა და მისი გენეტიკური შემადგენლობის მიხედვით, შედეგად მიღებული სალიცილის მჟავა შემდგომ მეტაბოლიზდება ან კატექოლის გზით სალიცილატ 1-ჰიდროქსილაზას (S1H) გამოყენებით, ან გენტიზატის გზით სალიცილატ 5-ჰიდროქსილაზას (S5H) გამოყენებით (სურათი 3). ვინაიდან სალიცილის მჟავა ნაფტალინის მეტაბოლიზმის მთავარი შუალედური პროდუქტია (ზედა გზა), სალიცილის მჟავიდან TCA შუალედურ პროდუქტამდე გადასვლის ეტაპებს ხშირად ქვედა გზას უწოდებენ და გენები ორგანიზებულია ერთ ოპერონად. ხშირად შეინიშნება, რომ ზედა გზის ოპერონის (nah) და ქვედა გზის ოპერონის (sal) გენები რეგულირდება საერთო მარეგულირებელი ფაქტორებით; მაგალითად, NahR და სალიცილის მჟავა მოქმედებენ როგორც ინდუქტორები, რაც ორივე ოპერონს საშუალებას აძლევს სრულად მეტაბოლიზდეს ნაფტალინი (Phale et al., 2019, 2020).
გარდა ამისა, კატექოლი ციკლურად იშლება 2-ჰიდროქსიმუკონატ სემიალდეჰიდამდე მეტა გზით კატექოლ 2,3-დიოქსიგენაზას (C23DO) მიერ (იენი და სხვ., 1988) და შემდგომ ჰიდროლიზდება 2-ჰიდროქსიმუკონატ სემიალდეჰიდ ჰიდროლაზას მიერ 2-ჰიდროქსიპენტ-2,4-დიენოინის მჟავის წარმოქმნით. შემდეგ 2-ჰიდროქსიპენტ-2,4-დიენოატი გარდაიქმნება პირუვატად და აცეტალდეჰიდად ჰიდრატაზას (2-ოქსოპენტ-4-ენოატ ჰიდრატაზა) და ალდოლაზას (4-ჰიდროქსი-2-ოქსოპენტაოატ ალდოლაზა) მიერ და შემდეგ შედის ცენტრალურ ნახშირბადის გზაზე (სურათი 3). ალტერნატიულად, კატექოლი ციკლურად იშლება ცის,ცის-მუკონატად ორთო გზით კატექოლ 1,2-ოქსიგენაზას (C12DO) მიერ. მუკონატ ციკლოიზომერაზა, მუკონოლაქტონის იზომერაზა და β-კეტოადიპატე-ნოლაქტონის ჰიდროლაზა ცის,ცის-მუკონატს 3-ოქსოადიპატად გარდაქმნიან, რომელიც ცენტრალურ ნახშირბადის გზაში სუქცინილ-CoA-სა და აცეტილ-CoA-ს მეშვეობით შედის (ნოზაკი და სხვ., 1968) (სურათი 3).
გენტიზატის (2,5-დიჰიდროქსიბენზოატი) გზაზე არომატული რგოლი გენტიზატ 1,2-დიოქსიგენაზას (GDO) მიერ მალეილპირუვატის წარმოქმნით იშლება. ეს პროდუქტი შეიძლება პირდაპირ ჰიდროლიზდეს პირუვატად და მალატად, ან შეიძლება იზომერიზებული იყოს ფუმარილპირუვატის წარმოქმნით, რომელიც შემდეგ შეიძლება ჰიდროლიზდეს პირუვატად და ფუმარატად (Larkin and Day, 1986). ალტერნატიული გზის არჩევანი დაფიქსირდა როგორც გრამუარყოფით, ასევე გრამდადებით ბაქტერიებში ბიოქიმიურ და გენეტიკურ დონეზე (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). გრამუარყოფითი ბაქტერიები (Pseudomonas) უპირატესობას ანიჭებენ სალიცილის მჟავას გამოყენებას, რომელიც ნაფტალინის მეტაბოლიზმის ინდუქტორია და დეკარბოქსილირებენ მას კატექოლამდე სალიცილატ 1-ჰიდროქსილაზას გამოყენებით (Gibson and Subramanian, 1984). მეორე მხრივ, გრამდადებით ბაქტერიებში (Rhodococcus), სალიცილატ 5-ჰიდროქსილაზა სალიცილის მჟავას გენტისინის მჟავად გარდაქმნის, მაშინ როდესაც სალიცილის მჟავას ნაფტალინის გენების ტრანსკრიფციაზე ინდუქციური ეფექტი არ აქვს (Grund et al., 1992) (სურათი 3).
არსებობს ინფორმაცია, რომ ისეთ სახეობებს, როგორიცაა Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas და Mycobacterium სახეობები, შეუძლიათ მონომეთილნაფტალინის ან დიმეთილნაფტალინის დაშლა (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). მათ შორის, Pseudomonas sp. CSV86-ის 1-მეთილნაფტალინის და 2-მეთილნაფტალინის დაშლის გზა ნათლად არის შესწავლილი ბიოქიმიურ და ფერმენტულ დონეზე (Mahajan et al., 1994). 1-მეთილნაფტალინი მეტაბოლიზდება ორი გზით. პირველ რიგში, არომატული რგოლი ჰიდროქსილირდება (მეთილნაფტალინის შეუცვლელი რგოლი) ცის-1,2-დიჰიდროქსი-1,2-დიჰიდრო-8-მეთილნაფტალინის წარმოქმნით, რომელიც შემდგომ იჟანგება მეთილსალიცილატამდე და მეთილკატექოლამდე, შემდეგ კი რგოლის გახლეჩის შემდეგ შედის ცენტრალურ ნახშირბადის გზაში (სურათი 3). ამ გზას ეწოდება „ნახშირბადის წყაროს გზა“. მეორე „დეტოქსიკაციის გზაში“ მეთილის ჯგუფის ჰიდროქსილირება შესაძლებელია NDO-თი 1-ჰიდროქსიმეთილნაფტალინის წარმოქმნით, რომელიც შემდგომ იჟანგება 1-ნაფთოის მჟავამდე და გამოიყოფა კულტურულ გარემოში ჩიხური პროდუქტის სახით. კვლევებმა აჩვენა, რომ შტამი CSV86 ვერ იზრდება 1- და 2-ნაფთოის მჟავაზე, როგორც ერთადერთ ნახშირბადისა და ენერგიის წყაროზე, რაც ადასტურებს მის დეტოქსიკაციის გზას (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). 2-მეთილნაფტალინში მეთილის ჯგუფი განიცდის ჰიდროქსილირებას ჰიდროქსილაზას მიერ 2-ჰიდროქსიმეთილნაფტალინის წარმოქმნით. გარდა ამისა, ნაფტალინის რგოლის შეუცვლელი რგოლი განიცდის რგოლის ჰიდროქსილირებას დიჰიდროდიოლის წარმოქმნით, რომელიც ფერმენტებით კატალიზირებული რეაქციების სერიის დროს იჟანგება 4-ჰიდროქსიმეთილკატექოლად და შედის ცენტრალურ ნახშირბადის გზაზე მეტა-რგოლის დაშლის გზით. ანალოგიურად, აღწერილია, რომ S. paucimobilis 2322 იყენებს NDO-ს 2-მეთილნაფტალინის ჰიდროქსილირებისთვის, რომელიც შემდგომ იჟანგება მეთილსალიცილატის და მეთილკატექოლის წარმოქმნით (Dutta et al., 1998).
ნაფთოის მჟავები (ჩანაცვლებული/არაჩანაცვლებული) წარმოადგენენ დეტოქსიკაციის/ბიოტრანსფორმაციის თანმდევ პროდუქტებს, რომლებიც წარმოიქმნება მეთილნაფტალინის, ფენანთრენის და ანტრაცენის დაშლის დროს და გამოიყოფა გამოყენებული კულტურული გარემოში. ცნობილია, რომ ნიადაგის იზოლატი Stenotrophomonas maltophilia CSV89 1-ნაფთოის მჟავას, როგორც ნახშირბადის წყაროს, მეტაბოლიზებას ახდენს (Phale et al., 1995). მეტაბოლიზმი იწყება არომატული რგოლის დიჰიდროქსილირებით 1,2-დიჰიდროქსი-8-კარბოქსინაფტალინის წარმოქმნით. შედეგად მიღებული დიოლი იჟანგება კატექოლამდე 2-ჰიდროქსი-3-კარბოქსიბენზილიდენპირუვატის, 3-ფორმილსალიცილის მჟავას, 2-ჰიდროქსიიზოფტალის მჟავას და სალიცილის მჟავას მეშვეობით და ცენტრალურ ნახშირბადის გზაში შედის მეტარგოლის დაშლის გზით (სურათი 3).
კარბარილი ნაფთილის კარბამატის პესტიციდია. 1970-იან წლებში ინდოეთში მწვანე რევოლუციის შემდეგ, ქიმიური სასუქებისა და პესტიციდების გამოყენებამ გამოიწვია პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (PAH) ემისიების ზრდა სოფლის მეურნეობის არაწერტილოვანი წყაროებიდან (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). ინდოეთში სახნავ-სათესი მიწების დაახლოებით 55% (85,722,000 ჰექტარი) დამუშავებულია ქიმიური პესტიციდებით. ბოლო ხუთი წლის განმავლობაში (2015–2020) ინდოეთის სოფლის მეურნეობის სექტორმა ყოველწლიურად საშუალოდ 55,000-დან 60,000 ტონამდე პესტიციდი გამოიყენა (კოოპერატივებისა და ფერმერთა კეთილდღეობის დეპარტამენტი, სოფლის მეურნეობის სამინისტრო, ინდოეთის მთავრობა, 2020 წლის აგვისტო). ჩრდილოეთ და ცენტრალურ განგეთის ვაკეებზე (ყველაზე მაღალი მოსახლეობისა და მოსახლეობის სიმჭიდროვის მქონე შტატები) პესტიციდების გამოყენება ფართოდაა გავრცელებული, ინსექტიციდებით დომინირებენ. კარბარილი (1-ნაფთილ-N-მეთილკარბამატი) ფართო სპექტრის, ზომიერად ან მაღალტოქსიკური კარბამატის ინსექტიციდია, რომელიც ინდოეთის სოფლის მეურნეობაში გამოიყენება საშუალოდ 100-110 ტონა რაოდენობით. ის ძირითადად იყიდება სავაჭრო სახელწოდებით „სევინი“ და გამოიყენება მწერების (ბუგრები, ცეცხლის ჭიანჭველები, რწყილები, ტკიპები, ობობები და მრავალი სხვა გარე მავნებელი) კონტროლისთვის, რომლებიც აზიანებენ სხვადასხვა კულტურებს (სიმინდი, სოიო, ბამბა, ხილი და ბოსტნეული). ზოგიერთი მიკროორგანიზმი, როგორიცაა Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus და Arthrobacter, ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა მავნებლების კონტროლისთვის. არსებობს ინფორმაცია, რომ RC100-ს შეუძლია კარბარილის დაშლა (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). კარბარილის დაშლის გზა ფართოდ იქნა შესწავლილი ბიოქიმიურ, ფერმენტულ და გენეტიკურ დონეზე Pseudomonas sp. შტამების C4, C5 და C6 ნიადაგის იზოლატებში (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (სურ. 3). მეტაბოლური გზა იწყება ეთერული ბმის ჰიდროლიზით კარბარილ ჰიდროლაზას (CH4) მიერ 1-ნაფთოლის, მეთილამინის და ნახშირორჟანგის წარმოქმნით. შემდეგ 1-ნაფთოლი გარდაიქმნება 1,2-დიჰიდროქსინაფთალინად 1-ნაფთოლ ჰიდროქსილაზას (1-NH) მეშვეობით, რომელიც შემდგომ მეტაბოლიზდება ცენტრალური ნახშირბადის გზით სალიცილატისა და გენტიზატის მეშვეობით. ზოგიერთი კარბარილ-დამაშრობელი ბაქტერია, როგორც აღინიშნა, მას სალიცილის მჟავად გარდაქმნის კატექოლის ორთო რგოლის გახლეჩის გზით (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). აღსანიშნავია, რომ ნაფტალინის დამშლელი ბაქტერიები ძირითადად სალიცილის მჟავას კატექოლის მეშვეობით მეტაბოლიზებენ, ხოლო კარბარილ-დაშლელი ბაქტერიები უპირატესობას ანიჭებენ სალიცილის მჟავას გენტიზატის გზით მეტაბოლიზებას.
ნაფტალინსულფონის მჟავა/დისულფონის მჟავა და ნაფთილამინსულფონის მჟავას წარმოებულები შეიძლება გამოყენებულ იქნას შუალედურ პროდუქტებად აზოსაღებავების, დამატენიანებელი საშუალებების, დისპერსანტების და ა.შ. წარმოებაში. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ნაერთებს დაბალი ტოქსიკურობა აქვთ ადამიანისთვის, ციტოტოქსიკურობის შეფასებებმა აჩვენა, რომ ისინი სასიკვდილოა თევზების, დაფნიებისა და წყალმცენარეებისთვის (Greim et al., 1994). Pseudomonas-ის გვარის წარმომადგენლები (შტამები A3, C22) აღინიშნა მეტაბოლიზმის ინიცირება სულფონის მჟავას ჯგუფის შემცველი არომატული რგოლის ორმაგი ჰიდროქსილირებით, დიჰიდროდიოლის წარმოქმნით, რომელიც შემდგომში გარდაიქმნება 1,2-დიჰიდროქსინაფტალინად სულფიტის ჯგუფის სპონტანური დაშლით (Brilon et al., 1981). შედეგად მიღებული 1,2-დიჰიდროქსინაფტალინი კატაბოლიზდება კლასიკური ნაფტალინის გზით, ანუ კატექოლის ან გენტიზატის გზით (სურათი 4). ნაჩვენებია, რომ ამინომაფტალინსულფონმჟავას და ჰიდროქსინაფტალინსულფონმჟავას სრული დაშლა შესაძლებელია შერეული ბაქტერიული კონსორციუმებით, დამატებითი კატაბოლური გზებით (ნორტემანი და სხვ., 1986). ნაჩვენებია, რომ კონსორციუმის ერთი წევრი აშორებს ამინომაფტალინსულფონმჟავას ან ჰიდროქსინაფტალინსულფონმჟავას 1,2-დიოქსიგენაციით, ხოლო ამინოსალიცილატი ან ჰიდროქსისალიცილატი გამოიყოფა კულტურულ გარემოში, როგორც ჩიხური მეტაბოლიტი და შემდგომში შეიწოვება კონსორციუმის სხვა წევრების მიერ. ნაფტალინდისულფონმჟავა შედარებით პოლარულია, მაგრამ ცუდად ბიოდეგრადირებადი და შესაბამისად, მისი მეტაბოლიზება შესაძლებელია სხვადასხვა გზით. პირველი გოგირდოვანება ხდება არომატული რგოლისა და სულფონმჟავას ჯგუფის რეგიოსელექციური დიჰიდროქსილირების დროს; მეორე გოგირდის შემცველობა ხდება 5-სულფოსალიცილის მჟავას ჰიდროქსილირების დროს სალიცილის მჟავა 5-ჰიდროქსილაზას მიერ, გენტისინის მჟავას წარმოქმნით, რომელიც შედის ცენტრალურ ნახშირბადის გზაზე (Brilon et al., 1981) (სურათი 4). ნაფტალინის დაშლაზე პასუხისმგებელი ფერმენტები ასევე პასუხისმგებელნი არიან ნაფტალინის სულფონატის მეტაბოლიზმზე (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
სურათი 4. ნაფტალინის სულფონატის დაშლის მეტაბოლური გზები. წრეებში მოცემული რიცხვები წარმოადგენს ნაფთილსულფონატის მეტაბოლიზმზე პასუხისმგებელ ფერმენტებს, რომლებიც მსგავსი/იდენტურია ნახ. 3-ში აღწერილი ფერმენტებისა.
დაბალი მოლეკულური წონის პოლიურეთილ-აზოტის ნაერთები (LMW-PAH) აღდგენითი, ჰიდროფობიური და ცუდად ხსნადია და, შესაბამისად, არ არის მგრძნობიარე ბუნებრივი დაშლის/დეგრადაციის მიმართ. თუმცა, აერობული მიკროორგანიზმები ახერხებენ მის დაჟანგვას მოლეკულური ჟანგბადის (O2) შთანთქმით. ეს ფერმენტები ძირითადად მიეკუთვნება ოქსიდორედუქტაზების კლასს და შეუძლიათ სხვადასხვა რეაქციების შესრულება, როგორიცაა არომატული რგოლის ჰიდროქსილირება (მონო- ან დიჰიდროქსილირება), დეჰიდროგენიზაცია და არომატული რგოლის გახლეჩა. ამ რეაქციებიდან მიღებული პროდუქტები უფრო მაღალ დაჟანგვის მდგომარეობაშია და უფრო ადვილად მეტაბოლიზდება ცენტრალური ნახშირბადის გზით (Phale et al., 2020). დაშლის გზაზე მყოფი ფერმენტები ინდუცირებადია. ამ ფერმენტების აქტივობა ძალიან დაბალი ან უმნიშვნელოა, როდესაც უჯრედები იზრდება ნახშირბადის მარტივ წყაროებზე, როგორიცაა გლუკოზა ან ორგანული მჟავები. ცხრილი 3 აჯამებს სხვადასხვა ფერმენტებს (ოქსიგენაზები, ჰიდროლაზები, დეჰიდროგენაზები, ოქსიდაზები და ა.შ.), რომლებიც მონაწილეობენ ნაფტალინის და მისი წარმოებულების მეტაბოლიზმში.
ცხრილი 3. ნაფტალინისა და მისი წარმოებულების დაშლაზე პასუხისმგებელი ფერმენტების ბიოქიმიური მახასიათებლები.
რადიოიზოტოპურმა კვლევებმა (18O2) აჩვენა, რომ მოლეკულური O2-ის არომატულ რგოლებში ოქსიგენაზების მიერ შეტანა ნაერთის შემდგომი ბიოდეგრადაციის გააქტიურების ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაბიჯია (ჰაიაიში და სხვ., 1955; მეისონი და სხვ., 1955). მოლეკულური ჟანგბადიდან (O2) ერთი ჟანგბადის ატომის (O) შეტანა სუბსტრატში იწყება ენდოგენური ან ეგზოგენური მონოოქსიგენაზებით (ასევე ჰიდროქსილაზებით). კიდევ ერთი ჟანგბადის ატომი აღდგება წყლად. ეგზოგენური მონოოქსიგენაზები აღადგენენ ფლავინს NADH-ით ან NADPH-ით, ხოლო ენდომონოოქსიგენაზებში ფლავინი აღდგება სუბსტრატით. ჰიდროქსილირების პოზიცია იწვევს პროდუქტის წარმოქმნის მრავალფეროვნებას. მაგალითად, სალიცილატ 1-ჰიდროქსილაზა აჰიდროქსილირებს სალიცილის მჟავას C1 პოზიციაზე, წარმოქმნის კატექოლს. მეორე მხრივ, მრავალკომპონენტიანი სალიცილატ 5-ჰიდროქსილაზა (რომელიც შეიცავს რედუქტაზას, ფერედოქსინს და ოქსიგენაზას ქვეერთეულებს) ახდენს სალიცილის მჟავას ჰიდროქსილირებას C5 პოზიციაზე, რაც წარმოქმნის გენტისინის მჟავას (იამამოტო და სხვ., 1965).
დიოქსიგენაზები სუბსტრატში ორ O2 ატომს აერთიანებენ. წარმოქმნილი პროდუქტების მიხედვით, ისინი იყოფა რგოლის ჰიდროქსილირებად დიოქსიგენაზებად და რგოლის გახლეჩად დიოქსიგენაზებად. რგოლის ჰიდროქსილირებად დიოქსიგენაზები არომატულ სუბსტრატებს ცის-დიჰიდროდიოლებად (მაგ., ნაფტალინად) გარდაქმნიან და ფართოდ არის გავრცელებული ბაქტერიებში. დღეისათვის დადასტურებულია, რომ რგოლის ჰიდროქსილირებად დიოქსიგენაზების შემცველი ორგანიზმები სხვადასხვა არომატულ ნახშირბადის წყაროებზე ზრდის უნარით ხასიათდებიან და ეს ფერმენტები კლასიფიცირდება როგორც NDO (ნაფტალინი), ტოლუოლ დიოქსიგენაზა (TDO, ტოლუოლი) და ბიფენილ დიოქსიგენაზა (BPDO, ბიფენილი). როგორც NDO-ს, ასევე BPDO-ს შეუძლია სხვადასხვა პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (ტოლუოლი, ნიტროტოლუოლი, ქსილენი, ეთილბენზოლი, ნაფტალინი, ბიფენილი, ფლუორენი, ინდოლი, მეთილნაფტალინი, ნაფტალინსულფონატი, ფენანთრენი, ანტრაცენი, აცეტოფენონი და ა.შ.) ორმაგი დაჟანგვისა და გვერდითი ჯაჭვის ჰიდროქსილირების კატალიზება (ბოიდი და შელდრაკი, 1998; ფალი და სხვ., 2020). NDO არის მრავალკომპონენტიანი სისტემა, რომელიც შედგება ოქსიდორედუქტაზას, ფერედოქსინის და აქტიური ცენტრის შემცველი ოქსიგენაზას კომპონენტისგან (გიბსონი და სუბრამანიანი, 1984; რესნიკი და სხვ., 1996). NDO-ს კატალიზური ერთეული შედგება დიდი α ქვეერთეულისა და პატარა β ქვეერთეულისგან, რომლებიც განლაგებულია α3β3 კონფიგურაციაში. NDO ოქსიგენაზების დიდ ოჯახს მიეკუთვნება და მისი α-ქვეერთეული შეიცავს რისკეს უბანს [2Fe-2S] და მონონუკლეარულ არაჰემურ რკინას, რომელიც განსაზღვრავს NDO-ს სუბსტრატის სპეციფიკურობას (Parales et al., 1998). როგორც წესი, ერთ კატალიზურ ციკლში, პირიდინის ნუკლეოტიდის აღდგენიდან ორი ელექტრონი გადადის აქტიურ უბანში არსებულ Fe(II) იონზე რედუქტაზას, ფერედოქსინის და რისკეს უბანის მეშვეობით. აღდგენითი ეკვივალენტები ააქტიურებენ მოლეკულურ ჟანგბადს, რაც სუბსტრატის დიჰიდროქსილირების წინაპირობაა (Ferraro et al., 2005). დღეისათვის, სხვადასხვა შტამებიდან მხოლოდ რამდენიმე NDO არის გაწმენდილი და დეტალურად დახასიათებული და ნაფტალინის დეგრადაციაში ჩართული გზების გენეტიკური კონტროლი დეტალურად არის შესწავლილი (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). რგოლის გამხსნელი დიოქსიგენაზები (ენდო- ან ორთო-რგოლის გამხსნელი ფერმენტები და ეგზოდიოლი- ან მეტა-რგოლის გამხსნელი ფერმენტები) მოქმედებენ ჰიდროქსილირებულ არომატულ ნაერთებზე. მაგალითად, ორთო-რგოლის გამხსნელი დიოქსიგენაზა არის კატექოლ-1,2-დიოქსიგენაზა, ხოლო მეტა-რგოლის გამხსნელი დიოქსიგენაზა არის კატექოლ-2,3-დიოქსიგენაზა (კოჯიმა და სხვ., 1961; ნოზაკი და სხვ., 1968). სხვადასხვა ოქსიგენაზების გარდა, ასევე არსებობს სხვადასხვა დეჰიდროგენაზები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან არომატული დიჰიდროდიოლების, სპირტებისა და ალდეჰიდების დეჰიდროგენაციაზე და იყენებენ NAD+/NADP+-ს, როგორც ელექტრონების აქცეპტორებს, რომლებიც მეტაბოლიზმში მონაწილე რამდენიმე მნიშვნელოვან ფერმენტს წარმოადგენენ (გიბსონი და სუბრამანიანი, 1984; შოუ და ჰარაიამა, 1990; ფალე და სხვ., 2020).
ისეთი ფერმენტები, როგორიცაა ჰიდროლაზები (ესთერაზები, ამიდაზები), წარმოადგენენ ფერმენტების მეორე მნიშვნელოვან კლასს, რომლებიც იყენებენ წყალს კოვალენტური ბმების გასახსნელად და ავლენენ ფართო სუბსტრატის სპეციფიკურობას. კარბარილ ჰიდროლაზა და სხვა ჰიდროლაზები გრამუარყოფითი ბაქტერიების წევრებში პერიპლაზმის (ტრანსმემბრანული) კომპონენტებად ითვლება (Kamini et al., 2018). კარბარილს აქვს როგორც ამიდური, ასევე ეთერული ბმა; შესაბამისად, მისი ჰიდროლიზება შესაძლებელია ესთერაზას ან ამიდაზას მიერ 1-ნაფთოლის წარმოქმნით. Rhizobium rhizobium შტამ AC10023-სა და Arthrobacter შტამ RC100-ში კარბარილი, როგორც აღინიშნა, შესაბამისად ფუნქციონირებს როგორც ესთერაზა და ამიდაზა. Arthrobacter შტამ RC100-ში კარბარილი ასევე ფუნქციონირებს როგორც ამიდაზა. ნაჩვენებია, რომ RC100 ახდენს N-მეთილკარბამატის კლასის ოთხი ინსექტიციდის ჰიდროლიზს, როგორიცაა კარბარილი, მეთომილი, მეფენამის მჟავა და XMC (Hayaatsu et al., 2001). გავრცელებული ინფორმაციით, Pseudomonas sp. C5pp-ში CH-ს შეუძლია იმოქმედოს კარბარილზე (100% აქტივობა) და 1-ნაფთილის აცეტატზე (36% აქტივობა), მაგრამ არა 1-ნაფთილაცეტამიდზე, რაც მიუთითებს, რომ ეს არის ესთერაზა (Trivedi et al., 2016).
ბიოქიმიურმა კვლევებმა, ფერმენტების რეგულირების ნიმუშებმა და გენეტიკურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ ნაფტალინის დეგრადაციის გენები შედგება ორი ინდუცირებადი მარეგულირებელი ერთეულისგან ან „ოპერონისგან“: nah („ზემო დინების გზა“, რომელიც ნაფტალინს სალიცილის მჟავად გარდაქმნის) და sal („ქვემო დინების გზა“, რომელიც სალიცილის მჟავას კატექოლის მეშვეობით ცენტრალურ ნახშირბადის გზად გარდაქმნის). სალიცილის მჟავას და მის ანალოგებს შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც ინდუქტორები (შამსუზამანი და ბარნსლი, 1974). გლუკოზის ან ორგანული მჟავების თანაარსებობისას, ოპერონი რეპრესირებულია. სურათი 5 გვიჩვენებს ნაფტალინის დეგრადაციის სრულ გენეტიკურ ორგანიზაციას (ოპერონის სახით). აღწერილია nah გენის რამდენიმე დასახელებული ვარიანტი/ფორმა (ndo/pah/dox) და აღმოჩნდა, რომ მათ აქვთ მაღალი თანმიმდევრობის ჰომოლოგია (90%) Pseudomonas-ის ყველა სახეობას შორის (Abbasian et al., 2016). ნაფტალინის ზემო დინების გზის გენები ზოგადად განლაგებულია კონსენსუსის მიხედვით, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათი 5A-ზე. ნაფტალინის მეტაბოლიზმში მონაწილეობდა კიდევ ერთი გენი, nahQ, რომელიც, როგორც წესი, nahC-სა და nahE-ს შორის მდებარეობდა, თუმცა მისი რეალური ფუნქცია ჯერ კიდევ გასარკვევია. ანალოგიურად, ნაფტალინის მიმართ მგრძნობიარე ქემოტაქსისისთვის პასუხისმგებელი nahY გენი ზოგიერთ წევრში nah ოპერონის დისტალურ ბოლოში აღმოჩნდა. Ralstonia sp.-ში, გლუტათიონ S-ტრანსფერაზას (gsh) კოდირების U2 გენი nahAa-სა და nahAb-ს შორის აღმოჩნდა, თუმცა ნაფტალინის გამოყენების მახასიათებლებზე გავლენა არ მოუხდენია (Zylstra et al., 1997).
სურათი 5. ბაქტერიულ სახეობებში ნაფტალინის დაშლის დროს დაფიქსირებული გენეტიკური ორგანიზაცია და მრავალფეროვნება; (A) ნაფტალინის ზედა გზა, ნაფტალინის სალიცილის მჟავად მეტაბოლიზმი; (B) ნაფტალინის ქვედა გზა, სალიცილის მჟავა კატექოლის მეშვეობით ცენტრალურ ნახშირბადის გზამდე; (C) სალიცილის მჟავა გენტიზატის მეშვეობით ცენტრალურ ნახშირბადის გზამდე.
„ქვედა გზა“ (sal ოპერონი) როგორც წესი, შედგება nahGTHINLMOKJ-ისგან და სალიცილატს პირუვატად და აცეტალდეჰიდად გარდაქმნის კატექოლის მეტარული დაშლის გზით. nahG გენი (რომელიც აკოდირებს სალიცილატ ჰიდროქსილაზას) კონსერვირებული აღმოჩნდა ოპერონის პროქსიმალურ ბოლოში (სურ. 5B). სხვა ნაფტალინის დამშლელ შტამებთან შედარებით, P. putida CSV86-ში nah და sal ოპერონები ტანდემურია და ძალიან მჭიდროდ არის დაკავშირებული (დაახლოებით 7.5 კბ). ზოგიერთ გრამუარყოფით ბაქტერიაში, როგორიცაა Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 და P. putida AK5, ნაფტალინი მეტაბოლიზდება ცენტრალური ნახშირბადის მეტაბოლიტის სახით გენტისატის გზით (sgp/nag ოპერონის სახით). გენის კასეტა, როგორც წესი, წარმოდგენილია nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI ფორმით, სადაც nagR (რომელიც აკოდირებს LysR ტიპის რეგულატორს) ზედა ბოლოშია განთავსებული (სურათი 5C).
კარბარილი ცენტრალურ ნახშირბადის ციკლში შედის 1-ნაფთოლის, 1,2-დიჰიდროქსინაფტალინის, სალიცილის მჟავას და გენტისინის მჟავას მეტაბოლიზმის გზით (სურათი 3). გენეტიკურ და მეტაბოლურ კვლევებზე დაყრდნობით, შემოთავაზებულია ამ გზის დაყოფა „ზემოთ“ (კარბარილის სალიცილის მჟავად გარდაქმნა), „შუა“ (სალიცილის მჟავას გენტისინის მჟავად გარდაქმნა) და „ქვემოთ“ (გენტისინის მჟავას ცენტრალური ნახშირბადის გზის შუალედურ პროდუქტებად გარდაქმნა) (სინგი და სხვ., 2013). C5pp-ის (სუპერკონტიგი A, 76.3 კბ) გენომურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ mcbACBDEF გენი მონაწილეობს კარბარილის სალიცილის მჟავად გარდაქმნაში, შემდეგ mcbIJKL მონაწილეობს სალიცილის მჟავას გენტისინის მჟავად გარდაქმნაში, ხოლო mcbOQP მონაწილეობს გენტისინის მჟავას ცენტრალურ ნახშირბადის შუალედურ პროდუქტებად (ფუმარატი და პირუვატი, ტრივედი და სხვ., 2016) გარდაქმნაში (სურათი 6).
არსებობს ინფორმაცია, რომ არომატული ნახშირწყალბადების (მათ შორის ნაფტალინის და სალიცილის მჟავის) დაშლაში ჩართული ფერმენტები შეიძლება ინდუცირებული იყოს შესაბამისი ნაერთებით და ინჰიბირებული იყოს ნახშირბადის მარტივი წყაროებით, როგორიცაა გლუკოზა ან ორგანული მჟავები (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). ნაფტალინისა და მისი წარმოებულების სხვადასხვა მეტაბოლურ გზებს შორის, გარკვეულწილად შესწავლილია ნაფტალინისა და კარბარილის მარეგულირებელი მახასიათებლები. ნაფტალინის შემთხვევაში, როგორც ზემოთ, ასევე ქვემოთ მდებარე გზებში არსებული გენები რეგულირდება NahR-ით, LysR ტიპის ტრანს-მოქმედი დადებითი რეგულატორით. ის აუცილებელია სალიცილის მჟავით nah გენის ინდუქციისთვის და მისი შემდგომი მაღალი დონის ექსპრესიისთვის (Yen and Gunsalus, 1982). გარდა ამისა, კვლევებმა აჩვენა, რომ ინტეგრაციული მასპინძელი ფაქტორი (IHF) და XylR (სიგმა 54-დამოკიდებული ტრანსკრიფციული რეგულატორი) ასევე კრიტიკულია ნაფტალინის მეტაბოლიზმში გენების ტრანსკრიფციული აქტივაციისთვის (Ramos et al., 1997). კვლევებმა აჩვენა, რომ კატექოლის მეტა-რგოლის გამხსნელი გზის ფერმენტები, კერძოდ, კატექოლ 2,3-დიოქსიგენაზა, ინდუცირდება ნაფტალინის და/ან სალიცილის მჟავას თანაარსებობით (Basu et al., 2006). კვლევებმა აჩვენა, რომ კატექოლის ორთო-რგოლის გამხსნელი გზის ფერმენტები, კერძოდ, კატექოლ 1,2-დიოქსიგენაზა, ინდუცირდება ბენზოის მჟავას და ცის,ცის-მუკონატის თანაარსებობით (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
C5pp შტამში ხუთი გენი, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR და mcbS, აკოდირებს რეგულატორებს, რომლებიც მიეკუთვნებიან ტრანსკრიფციული რეგულატორების LysR/TetR ოჯახს, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან კარბარილის დეგრადაციის კონტროლზე. ჰომოლოგიური გენი mcbG ყველაზე მჭიდროდ არის დაკავშირებული LysR ტიპის რეგულატორ PhnS-თან (58% ამინომჟავის იდენტურობა), რომელიც მონაწილეობს ფენანთრენის მეტაბოლიზმში Burkholderia RP00725-ში (Trivedi et al., 2016). აღმოჩნდა, რომ mcbH გენი მონაწილეობს შუალედურ გზაში (სალიცილის მჟავას გენტისინის მჟავად გარდაქმნა) და მიეკუთვნება LysR ტიპის ტრანსკრიფციულ რეგულატორ NagR/DntR/NahR-ს Pseudomonas-სა და Burkholderia-ში. ამ ოჯახის წევრები, როგორც აღინიშნებოდა, ამოიცნობენ სალიცილის მჟავას, როგორც სპეციფიკურ ეფექტორ მოლეკულას დეგრადაციის გენების ინდუქციისთვის. მეორე მხრივ, ქვედა დინების გზაზე (გენტისატი-ცენტრალური ნახშირბადის გზის მეტაბოლიტები) იდენტიფიცირებული იქნა სამი გენი, mcbN, mcbR და mcbS, რომლებიც მიეკუთვნებიან LysR და TetR ტიპის ტრანსკრიფციულ რეგულატორებს.
პროკარიოტებში, ჰორიზონტალური გენის გადაცემის პროცესები (შეძენა, გაცვლა ან გადაცემა) პლაზმიდების, ტრანსპოზონების, პროფაგების, გენომური კუნძულების და ინტეგრაციული კონიუგაციური ელემენტების (ICE) მეშვეობით ბაქტერიული გენომების პლასტიურობის ძირითადი მიზეზებია, რაც იწვევს სპეციფიკური ფუნქციების/თვისებების მომატებას ან დაკარგვას. ეს საშუალებას აძლევს ბაქტერიებს სწრაფად მოერგონ სხვადასხვა გარემო პირობებს, რაც მასპინძელს პოტენციურ ადაპტაციურ მეტაბოლურ უპირატესობებს აძლევს, როგორიცაა არომატული ნაერთების დეგრადაცია. მეტაბოლური ცვლილებები ხშირად მიიღწევა დეგრადაციის ოპერონების, მათი მარეგულირებელი მექანიზმების და ფერმენტული სპეციფიკურობის დახვეწის გზით, რაც ხელს უწყობს არომატული ნაერთების უფრო ფართო სპექტრის დეგრადაციას (ნოჯირი და სხვ., 2004; ფალე და სხვ., 2019, 2020). ნაფტალინის დეგრადაციის გენის კასეტები განლაგებულია სხვადასხვა მოძრავ ელემენტებზე, როგორიცაა პლაზმიდები (კონიუგაციური და არაკონიუგაციური), ტრანსპოზონები, გენომები, ICE და სხვადასხვა ბაქტერიული სახეობების კომბინაციები (სურათი 5). Pseudomonas G7-ში, პლაზმიდი NAH7-ის nah და sal ოპერონები ტრანსკრიფცირებულია ერთი და იგივე ორიენტაციით და წარმოადგენს დეფექტური ტრანსპოზონის ნაწილს, რომლის მობილიზაციისთვის საჭიროა ტრანსპოზა Tn4653 (Sota et al., 2006). Pseudomonas შტამ NCIB9816-4-ში, გენი აღმოჩენილი იქნა კონიუგაციურ პლაზმიდ pDTG1-ზე ორი ოპერონის სახით (დაახლოებით 15 კბ დაშორებით ერთმანეთისგან), რომლებიც ტრანსკრიფცირებული იყო საპირისპირო მიმართულებით (Dennis and Zylstra, 2004). Pseudomonas putida შტამ AK5-ში, არაკონიუგაციური პლაზმიდი pAK5 აკოდირებს ფერმენტს, რომელიც პასუხისმგებელია ნაფტალინის დაშლაზე გენტისატის გზით (Izmalkova et al., 2013). Pseudomonas შტამ PMD-1-ში, nah ოპერონი მდებარეობს ქრომოსომაზე, ხოლო sal ოპერონი მდებარეობს კონიუგაციურ პლაზმიდ pMWD-1-ზე (Zuniga et al., 1981). თუმცა, Pseudomonas stutzeri AN10-ში ნაფტალინის დეგრადაციის ყველა გენი (nah და sal ოპერონები) ქრომოსომაზეა განლაგებული და, სავარაუდოდ, ტრანსპოზიციის, რეკომბინაციისა და გადალაგების მოვლენების მეშვეობით ხდება მათი რეკრუტირება (Bosch et al., 2000). Pseudomonas sp. CSV86-ში nah და sal ოპერონები გენომში ICE-ს (ICECSV86) სახითაა განლაგებული. სტრუქტურა დაცულია tRNAGly-ით, რასაც მოჰყვება პირდაპირი გამეორებები, რაც რეკომბინაციის/მიმაგრების ადგილებზე მიუთითებს (attR და attL) და ფაგის მსგავსი ინტეგრაზა, რომელიც tRNAGly-ს ორივე ბოლოშია განლაგებული, რითაც სტრუქტურულად მსგავსია ICEclc ელემენტისა (ICEclcB13 Pseudomonas knackmusii-ში ქლორკატექოლის დეგრადაციისთვის). არსებობს ინფორმაცია, რომ ICE-ზე გენების გადატანა შესაძლებელია კონიუგაციის გზით უკიდურესად დაბალი გადაცემის სიხშირით (10-8), რითაც დეგრადაციის თვისებები გადაეცემა რეციპიენტს (Basu and Phale, 2008; Phale et al., 2019).
კარბარილის დეგრადაციაზე პასუხისმგებელი გენების უმეტესობა პლაზმიდებზეა განლაგებული. Arthrobacter sp. RC100 შეიცავს სამ პლაზმიდს (pRC1, pRC2 და pRC300), რომელთაგან ორი კონიუგაციური პლაზმიდი, pRC1 და pRC2, აკოდირებს ფერმენტებს, რომლებიც კარბარილს გენტიზატად გარდაქმნიან. მეორეს მხრივ, გენტიზატის ცენტრალურ ნახშირბადის მეტაბოლიტებად გარდაქმნაში ჩართული ფერმენტები ქრომოსომაზეა განლაგებული (Hayaatsu et al., 1999). Rhizobium გვარის ბაქტერიები. შტამი AC100, რომელიც გამოიყენება კარბარილის 1-ნაფთოლად გარდასაქმნელად, შეიცავს პლაზმიდ pAC200-ს, რომელიც შეიცავს cehA გენს, რომელიც აკოდირებს CH-ს, როგორც Tnceh ტრანსპოზონის ნაწილს, რომელიც გარშემორტყმულია ჩასმის ელემენტის მსგავსი თანმიმდევრობებით (istA და istB) (Hashimoto et al., 2002). Sphingomonas-ის შტამ CF06-ში, კარბარილის დეგრადაციის გენი, სავარაუდოდ, ხუთ პლაზმიდში გვხვდება: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 და pCF05. ამ პლაზმიდების დნმ-ის ჰომოლოგია მაღალია, რაც გენის დუბლირების მოვლენის არსებობაზე მიუთითებს (Feng et al., 1997). ორი Pseudomonas სახეობისგან შემდგარ კარბარილ-დეგრადირებად სიმბიონტში, შტამი 50581 შეიცავს კონიუგაციურ პლაზმიდ pCD1-ს (50 კბ), რომელიც აკოდირებს mcd კარბარილ ჰიდროლაზას გენს, მაშინ როდესაც შტამ 50552-ში კონიუგაციური პლაზმიდი აკოდირებს 1-ნაფთოლის დეგრადირებად ფერმენტს (Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). Achromobacter-ის შტამ WM111-ში, mcd ფურადანის ჰიდროლაზას გენი მდებარეობს 100 კბ პლაზმიდზე (pPDL11). ეს გენი წარმოდგენილია სხვადასხვა პლაზმიდებზე (100, 105, 115 ან 124 კბ) სხვადასხვა გეოგრაფიული რეგიონის სხვადასხვა ბაქტერიაში (Parekh et al., 1995). Pseudomonas sp. C5pp-ში კარბარილის დეგრადაციაზე პასუხისმგებელი ყველა გენი განლაგებულია 76.3 კბ თანმიმდევრობის მქონე გენომში (Trivedi et al., 2016). გენომის ანალიზმა (6.15 მბ) გამოავლინა 42 MGE-ს და 36 GEI-ს არსებობა, რომელთაგან 17 MGE განლაგებული იყო სუპერკონტიგ A-ში (76.3 კბ) საშუალო ასიმეტრიული G+C შემცველობით (54–60 მოლ%), რაც მიუთითებს გენის ჰორიზონტალური გადაცემის შესაძლო მოვლენებზე (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 ავლენს კარბარილის დეგრადაციის გენების მსგავს განლაგებას, მაგრამ ეს გენები განლაგებულია პლაზმიდზე (Zhu et al., 2019).
ბიოქიმიურ და გენომურ დონეზე მეტაბოლური ეფექტურობის გარდა, მიკროორგანიზმები ასევე ავლენენ სხვა თვისებებს ან რეაქციებს, როგორიცაა ქემოტაქსისი, უჯრედის ზედაპირის მოდიფიკაციის თვისებები, კომპარტმენტალიზაცია, პრივილეგირებული გამოყენება, ბიოსურფაქტანტის წარმოება და ა.შ., რაც მათ ეხმარება დაბინძურებულ გარემოში არომატული დამაბინძურებლების უფრო ეფექტურად მეტაბოლიზაციაში (სურათი 7).
სურათი 7. უცხო დამაბინძურებლების ეფექტური ბიოდეგრადაციისთვის იდეალური არომატული ნახშირწყალბადების დამშლელი ბაქტერიების სხვადასხვა უჯრედული რეაგირების სტრატეგია.
ქიმიოტაქტიკური რეაქციები ჰეტეროგენულად დაბინძურებულ ეკოსისტემებში ორგანული დამაბინძურებლების დეგრადაციის გამაძლიერებელ ფაქტორებად ითვლება. (2002)-მა აჩვენა, რომ Pseudomonas sp. G7-ის ნაფტალინად ქიმიოტაქსმა წყლის სისტემებში ნაფტალინის დეგრადაციის სიჩქარე გაზარდა. ველური ტიპის შტამი G7 ნაფტალინს გაცილებით სწრაფად აშლიდა, ვიდრე ქიმიოტაქსის-დეფიციტური მუტანტური შტამი. აღმოჩნდა, რომ NahY ცილა (538 ამინომჟავა მემბრანული ტოპოლოგიით) თანატრანსკრიბირებულია NAH7 პლაზმიდზე არსებული მეტაკლივაჟის გზის გენებთან და ქიმიოტაქსის გადამყვანების მსგავსად, ეს ცილა, როგორც ჩანს, ნაფტალინის დეგრადაციის ქემორეცეპტორის ფუნქციას ასრულებს (გრიმი და ჰარვუდი 1997). ჰანსელის და სხვების მიერ ჩატარებულმა კიდევ ერთმა კვლევამ (2009) აჩვენა, რომ ცილა ქიმიოტაქტიკურია, მაგრამ მისი დეგრადაციის სიჩქარე მაღალია. (2011)-მა აჩვენა Pseudomonas-ის (P. putida) ქიმიოტაქტიკური პასუხი აირისებრ ნაფტალინზე, სადაც აირისებრი ფაზის დიფუზია იწვევდა ნაფტალინის სტაბილურ ნაკადს უჯრედებში, რაც აკონტროლებდა უჯრედების ქიმიოტაქტიკურ პასუხს. მკვლევარებმა გამოიყენეს ეს ქიმიოტაქტიკური ქცევა მიკრობების შესაქმნელად, რომლებიც ზრდიდნენ დეგრადაციის სიჩქარეს. კვლევებმა აჩვენა, რომ ქიმიოსენსორული გზები ასევე არეგულირებს სხვა უჯრედულ ფუნქციებს, როგორიცაა უჯრედის დაყოფა, უჯრედული ციკლის რეგულირება და ბიოაპკის ფორმირება, რითაც ხელს უწყობენ დეგრადაციის სიჩქარის კონტროლს. თუმცა, ამ თვისების (ქემოტაქსისის) გამოყენებას ეფექტური დეგრადაციისთვის ხელს უშლის რამდენიმე შემაფერხებელი ფაქტორი. ძირითადი დაბრკოლებებია: (ა) სხვადასხვა პარალოგური რეცეპტორები ამოიცნობენ ერთსა და იმავე ნაერთებს/ლიგანდებს; (ბ) ალტერნატიული რეცეპტორების არსებობა, ანუ ენერგეტიკული ტროპიზმი; (გ) მნიშვნელოვანი თანმიმდევრობის განსხვავებები იმავე რეცეპტორების ოჯახის სენსორულ დომენებში; და (დ) ინფორმაციის ნაკლებობა ძირითადი ბაქტერიული სენსორული ცილების შესახებ (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). ზოგჯერ, არომატული ნახშირწყალბადების ბიოდეგრადაცია წარმოქმნის მრავალ მეტაბოლიტს/შუალედურ პროდუქტს, რომლებიც შეიძლება ქიმიოტაქტიკური იყოს ბაქტერიების ერთი ჯგუფისთვის, მაგრამ საძაგელი სხვებისთვის, რაც კიდევ უფრო ართულებს პროცესს. ლიგანდების (არომატული ნახშირწყალბადების) ქიმიურ რეცეპტორებთან ურთიერთქმედების დასადგენად, ჩვენ შევქმენით ჰიბრიდული სენსორული ცილები (PcaY, McfR და NahY) Pseudomonas putida-სა და Escherichia coli-ს სენსორული და სასიგნალო დომენების შერწყმით, რომლებიც მიზნად ისახავენ შესაბამისად არომატული მჟავების, TCA შუალედური პროდუქტების და ნაფტალინის რეცეპტორებს (Luu et al., 2019).
ნაფტალინისა და სხვა პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (PAH) ზემოქმედებით, ბაქტერიული მემბრანის სტრუქტურა და მიკროორგანიზმების მთლიანობა მნიშვნელოვან ცვლილებებს განიცდის. კვლევებმა აჩვენა, რომ ნაფტალინი ჰიდროფობიური ურთიერთქმედებების გზით ერევა აცილის ჯაჭვის ურთიერთქმედებაში, რითაც ზრდის მემბრანის შეშუპებას და სითხეს (Sikkema et al., 1995). ამ მავნე ეფექტის საწინააღმდეგოდ, ბაქტერიები არეგულირებენ მემბრანის სითხეს იზო/ანტეიზო განშტოებული ჯაჭვის ცხიმოვან მჟავებს შორის თანაფარდობისა და ცხიმოვანი მჟავების შემადგენლობის შეცვლით და ცის-უჯერი ცხიმოვანი მჟავების შესაბამის ტრანს-იზომერებად იზომერიზაციით (Heipieper and de Bont, 1994). ნაფტალინის დამუშავებით გაზრდილ Pseudomonas stutzeri-ში, ნაჯერი და უჯერი ცხიმოვანი მჟავების თანაფარდობა 1.1-დან 2.1-მდე გაიზარდა, ხოლო Pseudomonas JS150-ში ეს თანაფარდობა 7.5-დან 12.0-მდე გაიზარდა (Mrozik et al., 2004). ნაფტალინზე მოყვანისას, Achromobacter KAs 3–5 უჯრედებმა ნაფტალინის კრისტალების გარშემო უჯრედების აგრეგაცია და უჯრედის ზედაპირის მუხტის შემცირება (-22.5-დან -2.5 mV-მდე) აჩვენეს, რასაც თან ახლდა ციტოპლაზმური კონდენსაცია და ვაკუოლიზაცია, რაც მიუთითებს უჯრედის სტრუქტურისა და ზედაპირის თვისებების ცვლილებებზე (Mohapatra et al., 2019). მიუხედავად იმისა, რომ უჯრედული/ზედაპირული ცვლილებები პირდაპირ კავშირშია არომატული დამაბინძურებლების უკეთეს შეწოვასთან, შესაბამისი ბიოინჟინერიის სტრატეგიები ბოლომდე ოპტიმიზირებული არ არის. უჯრედის ფორმის მანიპულირება იშვიათად გამოიყენება ბიოლოგიური პროცესების ოპტიმიზაციისთვის (Volke and Nikel, 2018). უჯრედის გაყოფაზე მოქმედი გენების წაშლა იწვევს უჯრედების მორფოლოგიის ცვლილებებს. უჯრედის გაყოფაზე მოქმედი გენების წაშლა იწვევს უჯრედების მორფოლოგიის ცვლილებებს. Bacillus subtilis-ში, უჯრედის ძგიდის ცილა SepF მონაწილეობს ძგიდის ფორმირებაში და აუცილებელია უჯრედის გაყოფის შემდგომი ეტაპებისთვის, მაგრამ ის არ არის აუცილებელი გენი. Bacillus subtilis-ში პეპტიდ გლიკან ჰიდროლაზების კოდირების გენების წაშლამ გამოიწვია უჯრედების დაგრძელება, სპეციფიკური ზრდის ტემპის გაზრდა და ფერმენტების წარმოების უნარის გაუმჯობესება (Cui et al., 2018).
Pseudomonas-ის C5pp და C7 შტამების ეფექტური დეგრადაციის მისაღწევად შემოთავაზებულია კარბარილის დეგრადაციის გზის კომპარტმენტალიზაცია (Kamini et al., 2018). შემოთავაზებულია, რომ კარბარილი პერიპლაზმურ სივრცეში გადაიტანება გარეთა მემბრანის ძგიდის და/ან დიფუზიური პორინების მეშვეობით. CH4 არის პერიპლაზმური ფერმენტი, რომელიც აკატალიზებს კარბარილის ჰიდროლიზს 1-ნაფთოლად, რომელიც უფრო სტაბილური, უფრო ჰიდროფობიური და უფრო ტოქსიკურია. CH4 ლოკალიზებულია პერიპლაზმაში და აქვს დაბალი აფინურობა კარბარილის მიმართ, რითაც აკონტროლებს 1-ნაფთოლის წარმოქმნას, რითაც ხელს უშლის მის დაგროვებას უჯრედებში და ამცირებს მის ტოქსიკურობას უჯრედებისთვის (Kamini et al., 2018). შედეგად მიღებული 1-ნაფთოლი გადაიტანება ციტოპლაზმაში შიდა მემბრანის გავლით დაყოფით და/ან დიფუზიით, შემდეგ კი ჰიდროქსილირდება 1,2-დიჰიდროქსინაფთალინად მაღალი აფინურობის ფერმენტ 1NH-ის მიერ ცენტრალურ ნახშირბადის გზაზე შემდგომი მეტაბოლიზმისთვის.
მიუხედავად იმისა, რომ მიკროორგანიზმებს აქვთ გენეტიკური და მეტაბოლური შესაძლებლობები ქსენობიოტიკური ნახშირბადის წყაროების დაშლისთვის, მათი გამოყენების იერარქიული სტრუქტურა (ანუ მარტივი ნახშირბადის წყაროების უპირატესობა რთული ნახშირბადის წყაროებთან შედარებით) ბიოდეგრადაციის მთავარ დაბრკოლებას წარმოადგენს. მარტივი ნახშირბადის წყაროების არსებობა და გამოყენება ამცირებს გენებს, რომლებიც აკოდირებენ ფერმენტებს, რომლებიც აშლიან რთულ/არასასურველ ნახშირბადის წყაროებს, როგორიცაა PAH-ები. კარგად შესწავლილი მაგალითია ის, რომ როდესაც გლუკოზა და ლაქტოზა ერთად მიეწოდება Escherichia coli-ს, გლუკოზა უფრო ეფექტურად გამოიყენება, ვიდრე ლაქტოზა (Jacob and Monod, 1965). ცნობილია, რომ Pseudomonas-ი შლის სხვადასხვა PAH-ებს და ქსენობიოტიკურ ნაერთებს, როგორც ნახშირბადის წყაროებს. Pseudomonas-ში ნახშირბადის წყაროს გამოყენების იერარქია არის ორგანული მჟავები > გლუკოზა > არომატული ნაერთები (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). თუმცა, არსებობს გამონაკლისი. საინტერესოა, რომ Pseudomonas sp. CSV86 ავლენს უნიკალურ იერარქიულ სტრუქტურას, რომელიც გლუკოზის ნაცვლად უპირატესად იყენებს არომატულ ნახშირწყალბადებს (ბენზოის მჟავა, ნაფტალინი და ა.შ.) და ორგანულ მჟავებთან ერთად ახდენს არომატული ნახშირწყალბადების მეტაბოლიზმს (Basu et al., 2006). ამ ბაქტერიაში, არომატული ნახშირწყალბადების დაშლისა და ტრანსპორტირების გენები არ არის დაქვეითებული, თუნდაც მეორე ნახშირბადის წყაროს, როგორიცაა გლუკოზა ან ორგანული მჟავები, არსებობის შემთხვევაში. გლუკოზისა და არომატული ნახშირწყალბადების გარემოში გაზრდისას დაფიქსირდა, რომ გლუკოზის ტრანსპორტირებისა და მეტაბოლიზმის გენები დაქვეითებული იყო, არომატული ნახშირწყალბადები გამოიყენებოდა პირველ ლოგარითმულ ფაზაში, ხოლო გლუკოზა - მეორე ლოგარითმულ ფაზაში (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). მეორეს მხრივ, ორგანული მჟავების არსებობა გავლენას არ ახდენდა არომატული ნახშირწყალბადების მეტაბოლიზმის ექსპრესიაზე, ამიტომ, სავარაუდოდ, ეს ბაქტერია იქნება ბიოდეგრადაციის კვლევების კანდიდატი შტამი (Phale et al., 2020).
კარგად არის ცნობილი, რომ ნახშირწყალბადების ბიოტრანსფორმაციამ შეიძლება გამოიწვიოს ჟანგვითი სტრესი და ანტიოქსიდანტური ფერმენტების აქტივობის მატება მიკროორგანიზმებში. ნაფტალინის არაეფექტური ბიოდეგრადაცია როგორც სტაციონარულ ფაზის უჯრედებში, ასევე ტოქსიკური ნაერთების თანაარსებობისას იწვევს რეაქტიული ჟანგბადის სახეობების (ROS) წარმოქმნას (Kang et al. 2006). რადგან ნაფტალინის დამშლელი ფერმენტები შეიცავს რკინა-გოგირდის კლასტერებს, ჟანგვითი სტრესის ქვეშ, ჰემის და რკინა-გოგირდის ცილებში რკინა დაიჟანგება, რაც იწვევს ცილის ინაქტივაციას. ფერედოქსინ-NADP+ რედუქტაზა (Fpr), სუპეროქსიდდისმუტაზასთან (SOD) ერთად, შუამავლობს შექცევად ჟანგვა-აღდგენით რეაქციას NADP+/NADPH-სა და ფერედოქსინის ან ფლავოდოქსინის ორ მოლეკულას შორის, რითაც შლის ROS-ს და აღადგენს რკინა-გოგირდის ცენტრს ჟანგვითი სტრესის ქვეშ (Li et al. 2006). არსებობს ინფორმაცია, რომ Pseudomonas-ში როგორც Fpr, ასევე SodA (SOD) შეიძლება გამოწვეული იყოს ჟანგვითი სტრესით და SOD-ის და კატალაზის აქტივობის მომატება დაფიქსირდა Pseudomonas-ის ოთხ შტამში (O1, W1, As1 და G1) ნაფტალინის დამატების პირობებში ზრდის დროს (Kang et al., 2006). კვლევებმა აჩვენა, რომ ანტიოქსიდანტების, როგორიცაა ასკორბინის მჟავა ან შავი რკინა (Fe2+), დამატებამ შეიძლება გაზარდოს ნაფტალინის ზრდის ტემპი. როდესაც Rhodococcus erythropolis გაიზარდა ნაფტალინის გარემოში, გაიზარდა ჟანგვითი სტრესთან დაკავშირებული ციტოქრომ P450 გენების ტრანსკრიფცია, მათ შორის sodA (Fe/Mn სუპეროქსიდდისმუტაზა), sodC (Cu/Zn სუპეროქსიდდისმუტაზა) და recA (Sazykin et al., 2019). ნაფტალინში კულტივირებული Pseudomonas უჯრედების შედარებითმა რაოდენობრივმა პროტეომიკურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ ჟანგვითი სტრესული რეაქციის მქონე სხვადასხვა ცილების აქტივაციის მატება სტრესთან გამკლავების სტრატეგიაა (Herbst et al., 2013).
მიკროორგანიზმები ჰიდროფობიური ნახშირბადის წყაროების მოქმედებით წარმოქმნიან ბიოზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებს. ეს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ამფიფილური ზედაპირულად აქტიური ნაერთებია, რომლებსაც შეუძლიათ აგრეგატების წარმოქმნა ზეთი-წყლის ან ჰაერ-წყლის ინტერფეისებზე. ეს ხელს უწყობს ფსევდოხსნადობას და არომატული ნახშირწყალბადების ადსორბციას, რაც იწვევს ეფექტურ ბიოდეგრადაციას (Rahman et al., 2002). ამ თვისებების გამო, ბიოზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაში. ქიმიური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ან ბიოზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ბაქტერიულ კულტურებში დამატებამ შეიძლება გააძლიეროს ნახშირწყალბადების დეგრადაციის ეფექტურობა და სიჩქარე. ბიოზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებს შორის, Pseudomonas aeruginosa-ს მიერ წარმოებული რამნოლიპიდები ფართოდ არის შესწავლილი და დახასიათებული (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). გარდა ამისა, ბიოსურფაქტანტების სხვა ტიპებს მიეკუთვნება ლიპოპეპტიდები (მუცინები Pseudomonas fluorescens-დან), ემულგატორი 378 (Pseudomonas fluorescens-დან) (Rosenberg and Ron, 1999), ტრეჰალოზის დისაქარიდის ლიპიდები Rhodococcus-დან (Ramdahl, 1985), ლიქენინი Bacillus-დან (Saraswathy and Hallberg, 2002) და ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება Bacillus subtilis-დან (Siegmund and Wagner, 1991) და Bacillus amyloliquefaciens-დან (Zhi et al., 2017). ნაჩვენებია, რომ ეს ძლიერი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ამცირებენ ზედაპირულ დაჭიმულობას 72 დინი/სმ²-დან 30 დინი/სმ²-ზე ნაკლებამდე, რაც ხელს უწყობს ნახშირწყალბადების უკეთეს შეწოვას. არსებობს ინფორმაცია, რომ Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia და სხვა ბაქტერიული სახეობები ნაფტალინისა და მეთილნაფტალინის გარემოში მოყვანისას შეუძლიათ გამოიმუშავონ სხვადასხვა რამნოლიპიდური და გლიკოლიპიდზე დაფუძნებული ბიოზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89-ს შეუძლია წარმოქმნას უჯრედგარე ბიოზედაპირულად აქტიური ნივთიერება Biosur-Pm, როდესაც ის იზრდება არომატულ ნაერთებზე, როგორიცაა ნაფთოის მჟავა (Phale et al., 1995). Biosur-Pm-ის წარმოქმნის კინეტიკამ აჩვენა, რომ მისი სინთეზი ზრდაზე და pH-ზე დამოკიდებული პროცესია. აღმოჩნდა, რომ ნეიტრალური pH-ის პირობებში უჯრედების მიერ გამომუშავებული Biosur-Pm-ის რაოდენობა უფრო მაღალი იყო, ვიდრე pH 8.5-ზე. pH 8.5-ზე გაზრდილი უჯრედები უფრო ჰიდროფობიური იყო და არომატული და ალიფატური ნაერთების მიმართ უფრო მაღალი აფინურობა ჰქონდათ, ვიდრე pH 7.0-ზე გაზრდილი უჯრედები. Rhodococcus spp.-ში. N6, ნახშირბადისა და აზოტის (C:N) მაღალი თანაფარდობა და რკინის შეზღუდვა უჯრედგარე ბიოსურფაქტანტების წარმოებისთვის ოპტიმალურ პირობებს წარმოადგენს (Mutalik et al., 2008). არსებობს მცდელობები ბიოსურფაქტანტების (სურფაქტინების) ბიოსინთეზის გასაუმჯობესებლად შტამების ოპტიმიზაციისა და დუღილის გზით. თუმცა, კულტურულ გარემოში ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების ტიტრი დაბალია (1.0 გ/ლ), რაც მასშტაბური წარმოებისთვის გამოწვევას წარმოადგენს (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). ამიტომ, მისი ბიოსინთეზის გასაუმჯობესებლად გამოყენებულია გენეტიკური ინჟინერიის მეთოდები. თუმცა, მისი ინჟინერიული მოდიფიკაცია რთულია ოპერონის დიდი ზომის (∼25 კბ) და კვორუმის სენსორული სისტემის რთული ბიოსინთეზური რეგულირების გამო (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Bacillus ბაქტერიებში ჩატარდა გენეტიკური ინჟინერიის არაერთი მოდიფიკაცია, რომელთა ძირითადი მიზანი იყო ზედაფაქტინის წარმოების გაზრდა პრომოტერის (srfA ოპერონი) ჩანაცვლებით, ზედაფაქტინის ექსპორტის ცილა YerP-ის და მარეგულირებელი ფაქტორების ComX და PhrC ზედმეტად ექსპრესირებით (Jiao et al., 2017). თუმცა, გენეტიკური ინჟინერიის ამ მეთოდებმა მხოლოდ ერთი ან რამდენიმე გენეტიკური მოდიფიკაცია მიაღწიეს და ჯერ არ მიუღწევიათ კომერციული წარმოებისთვის. ამიტომ, აუცილებელია ცოდნაზე დაფუძნებული ოპტიმიზაციის მეთოდების შემდგომი შესწავლა.
PAH-ების ბიოდეგრადაციის კვლევები ძირითადად ტარდება სტანდარტულ ლაბორატორიულ პირობებში. თუმცა, დაბინძურებულ ადგილებში ან დაბინძურებულ გარემოში, მრავალი აბიოტური და ბიოტური ფაქტორი (ტემპერატურა, pH, ჟანგბადი, საკვები ნივთიერებების ხელმისაწვდომობა, სუბსტრატის ბიოშეღწევადობა, სხვა ქსენობიოტიკები, საბოლოო პროდუქტის ინჰიბირება და ა.შ.) ცვლის და გავლენას ახდენს მიკროორგანიზმების დეგრადაციის უნარზე.
ტემპერატურას მნიშვნელოვანი გავლენა აქვს პოლიაკუმულატორული არომატიზატორების ბიოდეგრადაციაზე. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, გახსნილი ჟანგბადის კონცენტრაცია მცირდება, რაც გავლენას ახდენს აერობული მიკროორგანიზმების მეტაბოლიზმზე, რადგან მათ მოლეკულური ჟანგბადი სჭირდებათ, როგორც ერთ-ერთი სუბსტრატი ოქსიგენაზებისთვის, რომლებიც ახორციელებენ ჰიდროქსილირების ან რგოლის დაშლის რეაქციებს. ხშირად აღინიშნება, რომ მომატებული ტემპერატურა მშობელ პოლიაკუმულატორულ არომატიზარებს უფრო ტოქსიკურ ნაერთებად გარდაქმნის, რითაც აფერხებს ბიოდეგრადაციას (Muller et al., 1998).
აღინიშნა, რომ პოლიაკლოვან-ჰიდროაგულაციური ნახშირბადებით დაბინძურებულ ბევრ ადგილს აქვს pH-ის ექსტრემალური მნიშვნელობები, როგორიცაა მჟავა მაღაროს დრენაჟით დაბინძურებული ადგილები (pH 1–4) და ტუტე გამონაჟონით დაბინძურებული ბუნებრივი აირის/ქვანახშირის გაზიფიკაციის ადგილები (pH 8–12). ამ პირობებმა შეიძლება სერიოზული გავლენა მოახდინოს ბიოდეგრადაციის პროცესზე. ამიტომ, ბიორემედიაციისთვის მიკროორგანიზმების გამოყენებამდე რეკომენდებულია pH-ის რეგულირება შესაბამისი ქიმიკატების დამატებით (ზომიერი და ძალიან დაბალი ჟანგვა-აღდგენის პოტენციალით), როგორიცაა ამონიუმის სულფატი ან ამონიუმის ნიტრატი ტუტე ნიადაგებისთვის ან კირით კალციუმის კარბონატით ან მაგნიუმის კარბონატით მჟავე ადგილებისთვის (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020).
ჟანგბადის მიწოდება დაზიანებულ ტერიტორიაზე PAH-ების ბიოდეგრადაციის სიჩქარის შემზღუდველი ფაქტორია. გარემოს რედოქს პირობების გამო, ადგილზე ბიორემედიაციის პროცესები, როგორც წესი, მოითხოვს ჟანგბადის შეყვანას გარე წყაროებიდან (დამუშავება, ჰაერის გაფრქვევა და ქიმიური დანამატები) (პარდიეკი და სხვ., 1992). ოდენკრანცმა და სხვ. (1996) აჩვენეს, რომ მაგნიუმის ზეჟანგის (ჟანგბადის გამომთავისუფლებელი ნაერთის) დამატება დაბინძურებულ წყალშემკრებ წყალშემკრებ წყალს ეფექტურად ასუფთავებს BTEX ნაერთებს. კიდევ ერთმა კვლევამ შეისწავლა ფენოლის და BTEX-ის ადგილზე დეგრადაცია დაბინძურებულ წყალშემკრებ წყალსაკვანში ნატრიუმის ნიტრატის შეყვანით და ექსტრაქციის ჭების აგებით ეფექტური ბიორემედიაციის მისაღწევად (ბიული და უები, 2001).