हा लेख "प्रगत जैवउपचार तंत्रज्ञान आणि कृत्रिम सेंद्रिय संयुगे (SOC) पुनर्वापर प्रक्रिया" या संशोधन विषयाचा भाग आहे. सर्व १४ लेख पहा.
कमी आण्विक वजनाचे पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (PAHs) जसे की नॅप्थालीन आणि पर्यायी नॅप्थालीन (मिथाइलनॅप्थालीन, नॅप्थाइक अॅसिड, 1-नॅप्थाइल-एन-मिथाइलकार्बमेट, इ.) विविध उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात आणि ते जीवांसाठी जीनोटॉक्सिक, म्युटेजेनिक आणि/किंवा कर्करोगजन्य असतात. हे कृत्रिम सेंद्रिय संयुगे (SOCs) किंवा झेनोबायोटिक्स प्राधान्य प्रदूषक मानले जातात आणि जागतिक पर्यावरण आणि सार्वजनिक आरोग्यासाठी गंभीर धोका निर्माण करतात. मानवी क्रियाकलापांची तीव्रता (उदा. कोळसा गॅसिफिकेशन, तेल शुद्धीकरण, वाहन उत्सर्जन आणि कृषी अनुप्रयोग) या सर्वव्यापी आणि सततच्या संयुगांची एकाग्रता, भवितव्य आणि वाहतूक निश्चित करते. भौतिक आणि रासायनिक उपचार/काढण्याच्या पद्धतींव्यतिरिक्त, बायोरेमेडिएशन सारख्या हिरव्या आणि पर्यावरणास अनुकूल तंत्रज्ञान, जे POCs पूर्णपणे खराब करण्यास किंवा त्यांना गैर-विषारी उप-उत्पादनांमध्ये रूपांतरित करण्यास सक्षम सूक्ष्मजीवांचा वापर करतात, एक सुरक्षित, किफायतशीर आणि आशादायक पर्याय म्हणून उदयास आले आहेत. मातीतील मायक्रोबायोटामधील प्रोटीओबॅक्टेरिया (स्यूडोमोनास, स्यूडोमोनास, कोमामोनास, बर्खोल्डेरिया आणि निओस्फिंगोबॅक्टेरियम), फर्मिक्युट्स (बॅसिलस आणि पेनिबॅसिलस), आणि अ‍ॅक्टिनोबॅक्टेरिया (रोडोकोकस आणि आर्थ्रोबॅक्टर) या फाइलामधील विविध जीवाणू प्रजातींनी विविध सेंद्रिय संयुगे नष्ट करण्याची क्षमता दर्शविली आहे. चयापचय अभ्यास, जीनोमिक्स आणि मेटाजेनोमिक विश्लेषण आपल्याला या साध्या जीवसृष्टीमध्ये उपस्थित असलेल्या कॅटाबॉलिक जटिलता आणि विविधता समजून घेण्यास मदत करतात, ज्याचा वापर कार्यक्षम जैवविघटनासाठी पुढे केला जाऊ शकतो. PAHs च्या दीर्घकालीन अस्तित्वामुळे प्लाझ्मिड, ट्रान्सपोसॉन, बॅक्टेरियोफेजेस, जीनोमिक बेटे आणि एकात्मिक संयुग्म घटक यांसारख्या अनुवांशिक घटकांचा वापर करून क्षैतिज जनुक हस्तांतरणाद्वारे नवीन क्षरण फेनोटाइप उदयास आले आहेत. विशिष्ट आयसोलेट्स किंवा मॉडेल समुदायांचे (कन्सोर्टिया) सिस्टम बायोलॉजी आणि अनुवांशिक अभियांत्रिकी सिनर्जिस्टिक प्रभावांद्वारे या PAHs चे व्यापक, जलद आणि कार्यक्षम जैवउपचार सक्षम करू शकतात. या पुनरावलोकनात, आम्ही विविध चयापचय मार्ग आणि विविधता, अनुवांशिक रचना आणि विविधता आणि नॅप्थालीन आणि प्रतिस्थापित नॅप्थालीन-हानीकारक जीवाणूंच्या पेशीय प्रतिसाद/अनुकूलनांवर लक्ष केंद्रित करतो. हे कार्यक्षम जैवउपचारासाठी फील्ड अनुप्रयोग आणि स्ट्रेन ऑप्टिमायझेशनसाठी पर्यावरणीय माहिती प्रदान करेल.
उद्योगांच्या जलद विकासामुळे (पेट्रोकेमिकल्स, शेती, औषधनिर्माण, कापड रंग, सौंदर्यप्रसाधने इ.) जागतिक आर्थिक समृद्धी आणि सुधारित राहणीमानात योगदान मिळाले आहे. या घातांकीय विकासामुळे मोठ्या प्रमाणात कृत्रिम सेंद्रिय संयुगे (SOCs) तयार झाले आहेत, ज्यांचा वापर विविध उत्पादने तयार करण्यासाठी केला जातो. या परदेशी संयुगे किंवा SOCs मध्ये पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (PAHs), कीटकनाशके, तणनाशके, प्लास्टिसायझर्स, रंग, औषधनिर्माण, ऑर्गनोफॉस्फेट्स, ज्वालारोधक, अस्थिर सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्स इत्यादींचा समावेश आहे. ते वातावरणात, जलचर आणि स्थलीय परिसंस्थांमध्ये उत्सर्जित होतात जिथे त्यांचे बहुआयामी प्रभाव पडतात, ज्यामुळे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म आणि समुदाय संरचनेत बदल करून विविध जैवरूपांवर हानिकारक परिणाम होतात (पेट्री एट अल., २०१५; बर्नहार्ट एट अल., २०१७; सरकार एट अल., २०२०). अनेक सुगंधी प्रदूषकांचा अनेक अखंड परिसंस्था/जैवविविधतेच्या हॉटस्पॉट्सवर (उदा. प्रवाळ खडक, आर्क्टिक/अंटार्क्टिक बर्फाचे थर, उंच पर्वतीय तलाव, खोल समुद्रातील गाळ इ.) तीव्र आणि विनाशकारी परिणाम होतो (जोन्स २०१०; बेयर एट अल. २०२०; नॉर्डबोर्ग एट अल. २०२०). अलीकडील भू-सूक्ष्मजीवशास्त्रीय अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की कृत्रिम संरचनांच्या पृष्ठभागावर (बांधलेले वातावरण) (उदा. सांस्कृतिक वारसा स्थळे आणि ग्रॅनाइट, दगड, लाकूड आणि धातूपासून बनवलेले स्मारके) कृत्रिम सेंद्रिय पदार्थ (उदा. सुगंधी प्रदूषक) आणि त्यांचे डेरिव्हेटिव्ह्ज जमा झाल्यामुळे त्यांचा ऱ्हास वाढतो (गॅड २०१७; लिऊ एट अल. २०१८). मानवी क्रियाकलाप वायू प्रदूषण आणि हवामान बदलाद्वारे स्मारके आणि इमारतींचे जैविक ऱ्हास तीव्र आणि बिघडू शकतात (लिऊ एट अल. २०२०). हे सेंद्रिय दूषित घटक वातावरणातील पाण्याच्या वाफेशी प्रतिक्रिया देतात आणि संरचनेवर स्थिर होतात, ज्यामुळे पदार्थाचे भौतिक आणि रासायनिक ऱ्हास होते. जैविक विघटन हे सजीवांमुळे होणाऱ्या पदार्थांच्या स्वरूप आणि गुणधर्मांमध्ये अवांछित बदल म्हणून व्यापकपणे ओळखले जाते जे त्यांच्या संवर्धनावर परिणाम करतात (पोचॉन आणि जॅटन, १९६७). या संयुगांच्या पुढील सूक्ष्मजीव क्रिया (चयापचय) संरचनात्मक अखंडता, संवर्धन प्रभावीता आणि सांस्कृतिक मूल्य कमी करू शकतात (गॅड, २०१७; लिऊ आणि इतर, २०१८). दुसरीकडे, काही प्रकरणांमध्ये, या संरचनांशी सूक्ष्मजीव अनुकूलन आणि प्रतिसाद फायदेशीर असल्याचे आढळून आले आहे कारण ते बायोफिल्म्स आणि इतर संरक्षणात्मक कवच तयार करतात जे क्षय/विघटनाचा दर कमी करतात (मार्टिनो, २०१६). म्हणून, दगड, धातू आणि लाकडी स्मारकांसाठी प्रभावी दीर्घकालीन शाश्वत संवर्धन धोरणे विकसित करण्यासाठी या प्रक्रियेत समाविष्ट असलेल्या प्रमुख प्रक्रियांची सखोल समज आवश्यक आहे. नैसर्गिक प्रक्रियांच्या तुलनेत (भूगर्भीय प्रक्रिया, जंगलातील आग, ज्वालामुखीचा उद्रेक, वनस्पती आणि जीवाणू प्रतिक्रिया), मानवी क्रियाकलापांमुळे मोठ्या प्रमाणात पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (PAHs) आणि इतर सेंद्रिय कार्बन (OC) परिसंस्थांमध्ये सोडले जातात. शेतीमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या अनेक PAHs (कीटकनाशके आणि कीटकनाशके जसे की DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorophenol, इ.), उद्योग (कच्चे तेल, तेल गाळ/कचरा, पेट्रोलियम-व्युत्पन्न प्लास्टिक, PCB, प्लास्टिसायझर्स, डिटर्जंट्स, जंतुनाशके, धुराचे पदार्थ, सुगंध आणि संरक्षक), वैयक्तिक काळजी उत्पादने (सनस्क्रीन, जंतुनाशके, कीटकनाशके आणि पॉलीसायक्लिक कस्तुरी) आणि युद्धसामग्री (2,4,6-TNT सारखी स्फोटके) ही संभाव्य झेनोबायोटिक्स आहेत जी ग्रहांच्या आरोग्यावर परिणाम करू शकतात (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). पेट्रोलियम-व्युत्पन्न संयुगे (इंधन तेल, स्नेहक, डांबरीकरण), उच्च आण्विक वजन बायोप्लास्टिक्स आणि आयनिक द्रव (Amde et al., 2015) समाविष्ट करण्यासाठी ही यादी वाढवता येते. तक्ता 1 मध्ये विविध सुगंधी प्रदूषक आणि विविध उद्योगांमध्ये त्यांचे अनुप्रयोग सूचीबद्ध आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, अस्थिर सेंद्रिय संयुगे, तसेच कार्बन डायऑक्साइड आणि इतर हरितगृह वायूंचे मानवनिर्मित उत्सर्जन वाढू लागले आहे (ड्वोरॅक एट अल., २०१७). तथापि, मानवनिर्मित परिणाम नैसर्गिक परिणामांपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहेत. याव्यतिरिक्त, आम्हाला आढळले की अनेक पर्यावरणीय वातावरणात अनेक SOCs टिकून राहतात आणि बायोम्सवर प्रतिकूल परिणाम करणारे उदयोन्मुख प्रदूषक म्हणून ओळखले गेले आहेत (आकृती १). युनायटेड स्टेट्स एन्व्हायर्नमेंटल प्रोटेक्शन एजन्सी (USEPA) सारख्या पर्यावरणीय संस्थांनी त्यांच्या सायटोटॉक्सिक, जीनोटॉक्सिक, म्युटेजेनिक आणि कार्सिनोजेनिक गुणधर्मांमुळे यापैकी अनेक प्रदूषकांना त्यांच्या प्राधान्य यादीत समाविष्ट केले आहे. म्हणून, दूषित परिसंस्थेमधून कचरा प्रक्रिया/काढण्यासाठी कठोर विल्हेवाट नियम आणि प्रभावी धोरणे आवश्यक आहेत. पायरोलिसिस, ऑक्सिडेटिव्ह थर्मल ट्रीटमेंट, एअर एरेशन, लँडफिलिंग, इन्सिनरेशन इत्यादी विविध भौतिक आणि रासायनिक उपचार पद्धती कुचकामी आणि महागड्या आहेत आणि संक्षारक, विषारी आणि उपचार करणे कठीण उप-उत्पादने निर्माण करतात. वाढत्या जागतिक पर्यावरणीय जागरूकतेसह, या प्रदूषकांना आणि त्यांच्या डेरिव्हेटिव्ह्ज (जसे की हॅलोजनेटेड, नायट्रो, अल्काइल आणि/किंवा मिथाइल) कमी करण्यास सक्षम सूक्ष्मजीवांचे लक्ष वाढत आहे (फेनेल एट अल., २००४; हरिताश आणि कौशिक, २००९; फाले एट अल., २०२०; सरकार एट अल., २०२०; श्वानेमन एट अल., २०२०). सुगंधी प्रदूषक काढून टाकण्यासाठी या स्थानिक उमेदवार सूक्ष्मजीवांचा एकट्याने किंवा मिश्र संस्कृतींमध्ये (वसाहती) वापर केल्याने पर्यावरणीय सुरक्षा, खर्च, कार्यक्षमता, परिणामकारकता आणि शाश्वततेच्या दृष्टीने फायदे आहेत. संशोधक प्रदूषक उपचार/काढण्यासाठी एक आशादायक तंत्रज्ञान म्हणून इलेक्ट्रोकेमिकल रेडॉक्स पद्धती, म्हणजेच बायोइलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम (BES) सह सूक्ष्मजीव प्रक्रियांचे एकत्रीकरण देखील शोधत आहेत (हुआंग एट अल., २०११). उच्च कार्यक्षमता, कमी खर्च, पर्यावरणीय सुरक्षितता, खोलीच्या तापमानावर ऑपरेशन, जैव-अनुकूल साहित्य आणि मौल्यवान उप-उत्पादने (उदा. वीज, इंधन आणि रसायने) पुनर्प्राप्त करण्याची क्षमता (पंत आणि इतर, २०१२; नाझारी आणि इतर, २०२०) यामुळे बीईएस तंत्रज्ञानाकडे वाढत्या प्रमाणात लक्ष लागले आहे. उच्च-थ्रूपुट जीनोम सिक्वेन्सिंग आणि ओमिक्स टूल्स/पद्धतींच्या आगमनाने विविध डिग्रेडर सूक्ष्मजीवांच्या प्रतिक्रियांचे अनुवांशिक नियमन, प्रोटिओमिक्स आणि फ्लक्सोमिक्स यावर भरपूर नवीन माहिती उपलब्ध झाली आहे. या साधनांना सिस्टम बायोलॉजीसह एकत्रित केल्याने कार्यक्षम आणि प्रभावी जैवविघटन साध्य करण्यासाठी सूक्ष्मजीवांमधील लक्ष्य कॅटाबॉलिक मार्गांची निवड आणि बारीक-ट्यूनिंगची आपली समज आणखी वाढली आहे. योग्य उमेदवार सूक्ष्मजीवांचा वापर करून प्रभावी जैव-उपचार धोरणे डिझाइन करण्यासाठी, आपल्याला सूक्ष्मजीवांची जैवरासायनिक क्षमता, चयापचय विविधता, अनुवांशिक रचना आणि पारिस्थितिकी (ऑटोइकोलॉजी/सिनेकोलॉजी) समजून घेणे आवश्यक आहे.
आकृती १. विविध पर्यावरणीय वातावरणातून आणि जैवविविध घटकांवर परिणाम करणाऱ्या विविध घटकांमधून कमी-आण्विक PAH चे स्रोत आणि मार्ग. तुटक रेषा परिसंस्थेच्या घटकांमधील परस्परसंवाद दर्शवतात.
या पुनरावलोकनात, आम्ही चयापचय मार्ग आणि विविधता, ऱ्हासात सहभागी असलेले एंजाइम, जनुक रचना/सामग्री आणि विविधता, पेशीय प्रतिक्रिया आणि जैवउपचारांचे विविध पैलू समाविष्ट करणाऱ्या विविध बॅक्टेरिया आयसोलेट्सद्वारे साध्या PAHs जसे की नॅप्थालीन आणि प्रतिस्थापित नॅप्थालीनच्या ऱ्हासावरील डेटा सारांशित करण्याचा प्रयत्न केला आहे. जैवरासायनिक आणि आण्विक पातळी समजून घेतल्याने अशा प्राधान्य प्रदूषकांच्या प्रभावी जैवउपचारांसाठी योग्य यजमान स्ट्रेन आणि त्यांचे पुढील अनुवांशिक अभियांत्रिकी ओळखण्यास मदत होईल. हे प्रभावी जैवउपचारांसाठी साइट-विशिष्ट बॅक्टेरिया संघ स्थापन करण्यासाठी धोरणे विकसित करण्यास मदत करेल.
मोठ्या संख्येने विषारी आणि घातक सुगंधी संयुगे (हकेल नियम 4n + 2π इलेक्ट्रॉन, n = 1, 2, 3, … पूर्ण करणारे) हवा, माती, गाळ आणि पृष्ठभाग आणि भूजल (पुग्लिसी एट अल., २००७) यासारख्या विविध पर्यावरणीय माध्यमांना गंभीर धोका निर्माण करतात. या संयुगांमध्ये एकल बेंझिन रिंग्ज (मोनोसायक्लिक) किंवा अनेक बेंझिन रिंग्ज (पॉलीसायक्लिक) रेषीय, कोनीय किंवा क्लस्टर स्वरूपात व्यवस्था केलेली असतात आणि उच्च नकारात्मक अनुनाद ऊर्जा आणि जडत्व (जडत्व) मुळे वातावरणात स्थिरता (स्थिरता/अस्थिरता) प्रदर्शित करतात, जे त्यांच्या हायड्रोफोबिसिटी आणि कमी अवस्थेद्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकते. जेव्हा सुगंधी रिंग पुढे मिथाइल (-CH3), कार्बोक्सिल (-COOH), हायड्रॉक्सिल (-OH), किंवा सल्फोनेट (-HSO3) गटांनी बदलले जाते, तेव्हा ते अधिक स्थिर होते, मॅक्रोमोलेक्यूल्ससाठी अधिक मजबूत आत्मीयता असते आणि जैविक प्रणालींमध्ये जैवसंचयी असते (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). काही कमी आण्विक वजनाचे पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (LMWAHs), जसे की नॅप्थालीन आणि त्याचे डेरिव्हेटिव्ह्ज [मिथाइलनॅप्थालीन, नॅप्थाइल अॅसिड, नॅप्थालीनसल्फोनेट आणि १-नॅप्थाइल एन-मिथाइलकार्बमेट (कार्बेरिल)], यांना यूएस पर्यावरण संरक्षण एजन्सीने जीनोटॉक्सिक, म्युटेजेनिक आणि/किंवा कार्सिनोजेनिक म्हणून प्राधान्य असलेल्या सेंद्रिय प्रदूषकांच्या यादीत समाविष्ट केले आहे (सेर्निग्लिया, १९८४). NM-PAHs च्या या वर्गाचे वातावरणात प्रकाशन झाल्यामुळे अन्नसाखळीच्या सर्व स्तरांवर या संयुगांचे जैवसंचय होऊ शकते, ज्यामुळे परिसंस्थांच्या आरोग्यावर परिणाम होऊ शकतो (बिंकोवा एट अल., २०००; स्रोगी, २००७; क्विन एट अल., २००९).
PAHs चे बायोटाकडे जाण्याचे स्रोत आणि मार्ग प्रामुख्याने माती, भूजल, पृष्ठभागावरील पाणी, पिके आणि वातावरण यासारख्या विविध परिसंस्थेच्या घटकांमधील स्थलांतर आणि परस्परसंवादाद्वारे असतात (अरे आणि अॅटकिन्सन, २००३). आकृती १ मध्ये परिसंस्थांमध्ये कमी आण्विक वजनाच्या PAHs चे परस्परसंवाद आणि वितरण आणि त्यांचे बायोटा/मानवी संपर्काचे मार्ग दर्शविले आहेत. वायू प्रदूषणामुळे आणि वाहनांच्या उत्सर्जनाच्या स्थलांतर (वाहणे), औद्योगिक एक्झॉस्ट वायू (कोळसा वायूकरण, ज्वलन आणि कोक उत्पादन) आणि त्यांच्या संचयनामुळे PAHs पृष्ठभागावर जमा होतात. कृत्रिम कापड, रंग आणि रंगांचे उत्पादन; लाकूड जतन; रबर प्रक्रिया; सिमेंट उत्पादन क्रियाकलाप; कीटकनाशक उत्पादन; आणि कृषी अनुप्रयोग यासारख्या औद्योगिक क्रियाकलाप हे स्थलीय आणि जलीय प्रणालींमध्ये PAHs चे प्रमुख स्रोत आहेत (बॅमफोर्थ आणि सिंगलटन, २००५; विक एट अल., २०११). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की उपनगरीय आणि शहरी भागात, महामार्गांजवळ आणि मोठ्या शहरांमध्ये माती पॉवर प्लांट, निवासी हीटिंग, हवा आणि रस्ते वाहतुकीचा भार आणि बांधकाम क्रियाकलापांमधून उत्सर्जन झाल्यामुळे पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (PAHs) साठी अधिक संवेदनशील असते (सुमन एट अल., २०१६). (२००८) ने दाखवून दिले की न्यू ऑर्लीन्स, लुईझियाना, यूएसए मधील रस्त्यांजवळील मातीमध्ये PAHs ७१८९ μg/kg इतके जास्त होते, तर खुल्या जागेत ते फक्त २४०४ μg/kg होते. त्याचप्रमाणे, अनेक अमेरिकन शहरांमध्ये कोळसा गॅसिफिकेशन साइट्सजवळील भागात ३०० μg/kg इतके जास्त PAH पातळी नोंदवली गेली आहे (कनाली आणि हरयामा, २०००; बॅमफोर्थ आणि सिंगलटन, २००५). दिल्ली (शर्मा आणि इतर, २००८), आग्रा (दुबे आणि इतर, २०१४), मुंबई (कुलकर्णी आणि वेंकटरमण, २०००) आणि विशाखापट्टणम (कुलकर्णी आणि इतर, २०१४) यासारख्या विविध भारतीय शहरांमधील मातीमध्ये PAH चे प्रमाण जास्त असल्याचे नोंदवले गेले आहे. सुगंधी संयुगे मातीचे कण, सेंद्रिय पदार्थ आणि चिकणमाती खनिजांमध्ये अधिक सहजपणे शोषली जातात, ज्यामुळे परिसंस्थांमध्ये कार्बनचे प्रमुख विसर्जन होते (स्रोगी, २००७; पेंग आणि इतर, २००८). जलीय परिसंस्थांमध्ये PAH चे प्रमुख स्रोत म्हणजे पर्जन्य (ओले/कोरडे पर्जन्य आणि पाण्याची वाफ), शहरी प्रवाह, सांडपाणी सोडणे, भूजल पुनर्भरण इत्यादी (स्रोगी, २००७). असा अंदाज आहे की सागरी परिसंस्थांमधील सुमारे ८०% PAH हे पर्जन्य, गाळ आणि कचरा सोडण्यापासून प्राप्त होतात (मोटेले-मस्सेई आणि इतर, २००६; स्रोगी, २००७). पृष्ठभागावरील पाण्यात किंवा घनकचरा विल्हेवाटीच्या ठिकाणांमधून बाहेर पडणाऱ्या पीएएचचे प्रमाण जास्त असल्याने ते अखेर भूजलात गळते, ज्यामुळे सार्वजनिक आरोग्यासाठी मोठा धोका निर्माण होतो कारण दक्षिण आणि आग्नेय आशियातील ७०% पेक्षा जास्त लोक भूजल पितात (दत्तगुप्त आणि इतर, २०१९). पश्चिम बंगाल, भारतातील नदी (३२) आणि भूजल (२३५) च्या विश्लेषणातून दत्तगुप्त आणि इतर (२०२०) यांनी केलेल्या अलीकडील अभ्यासात असे आढळून आले आहे की अंदाजे ५३% शहरी रहिवासी आणि ४४% ग्रामीण रहिवासी (एकूण २० दशलक्ष रहिवासी) नॅप्थालीन (४.९–१०.६ μg/L) आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जच्या संपर्कात येऊ शकतात. भू-वापराचे वेगवेगळे नमुने आणि भूगर्भातील वाढलेले उत्सर्जन हे भूपृष्ठभागात कमी आण्विक वजनाच्या पीएएचच्या उभ्या वाहतुकीवर (प्रसार) नियंत्रण करणारे मुख्य घटक मानले जातात. शेतीतील प्रवाह, महानगरपालिका आणि औद्योगिक सांडपाणी सोडणे आणि घनकचरा/कचरा सोडणे हे नदीच्या खोऱ्यात आणि भूपृष्ठाखालील गाळात पीएएचमुळे प्रभावित झाल्याचे आढळून आले आहे. वातावरणीय पर्जन्यमान पीएएच प्रदूषण आणखी वाढवते. जगभरातील नद्या/पाणलोट क्षेत्रात, जसे की फ्रेझर नदी, लुआन नदी, डेन्सो नदी, मिसूरी नदी, अॅनाकोस्टिया नदी, एब्रो नदी आणि डेलावेअर नदी (यंकर एट अल., २००२; मोटेले-मॅसेई एट अल., २००६; ली एट अल., २०१०; अमोआको एट अल., २०११; किम एट अल., २०१८) PAHs आणि त्यांच्या अल्काइल डेरिव्हेटिव्ह्जचे उच्च प्रमाण नोंदवले गेले आहे. गंगा नदीच्या खोऱ्यातील गाळात, नॅप्थालीन आणि फेनॅन्थ्रीन हे सर्वात लक्षणीय आढळले (७०% नमुन्यांमध्ये आढळले) (दत्तगुप्त एट अल., २०१९). शिवाय, अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की पिण्याच्या पाण्याचे क्लोरीनेशन केल्याने अधिक विषारी ऑक्सिजनयुक्त आणि क्लोरीनयुक्त PAHs तयार होऊ शकतात (मनोली आणि समारा, १९९९). दूषित माती, भूजल आणि पर्जन्यवृष्टीतून वनस्पतींनी शोषल्यामुळे तृणधान्ये, फळे आणि भाज्यांमध्ये PAH जमा होतात (फिस्मेस एट अल., २००२). मासे, शिंपले, क्लॅम आणि कोळंबी यांसारखे अनेक जलचर दूषित अन्न आणि समुद्राच्या पाण्याच्या सेवनाने तसेच ऊती आणि त्वचेद्वारे PAH ने दूषित होतात (मॅके आणि फ्रेझर, २०००). ग्रिलिंग, भाजणे, धूम्रपान करणे, तळणे, वाळवणे, बेकिंग आणि कोळशाचे स्वयंपाक करणे यासारख्या स्वयंपाक/प्रक्रिया पद्धतींमुळे देखील अन्नात लक्षणीय प्रमाणात PAH होऊ शकतात. हे मुख्यत्वे धूम्रपान सामग्रीची निवड, फिनोलिक/सुगंधी हायड्रोकार्बन सामग्री, स्वयंपाक प्रक्रिया, हीटर प्रकार, आर्द्रता, ऑक्सिजन पुरवठा आणि ज्वलन तापमान यावर अवलंबून असते (गुइलेन एट अल., २०००; गोम्स एट अल., २०१३). दुधात वेगवेगळ्या सांद्रतेत (०.७५–२.१ मिलीग्राम/लीटर) (गिरेली एट अल., २०१४) पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन (PAHs) देखील आढळून आले आहेत (०.७५–२.१ मिलीग्राम/लीटर) (गिरेली एट अल., २०१४). अन्नामध्ये या PAH चे संचय अन्नाच्या भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांवर देखील अवलंबून असते, तर त्यांचे विषारी परिणाम शारीरिक कार्ये, चयापचय क्रियाकलाप, शोषण, वितरण आणि शरीर वितरणाशी संबंधित असतात (मेचिनी एट अल., २०११).
पॉलीसायक्लिक अॅरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (PAHs) चे विषारीपणा आणि हानिकारक परिणाम बऱ्याच काळापासून ज्ञात आहेत (चेर्निग्लिया, १९८४). कमी आण्विक वजनाचे पॉलीसायक्लिक अॅरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (LMW-PAHs) (दोन ते तीन रिंग) सहसंयोजकपणे डीएनए, आरएनए आणि प्रथिने सारख्या विविध मॅक्रोमोलेक्यूल्सशी बांधले जाऊ शकतात आणि ते कर्करोगजन्य असतात (सँटारेली एट अल., २००८). त्यांच्या हायड्रोफोबिक स्वरूपामुळे, ते लिपिड पडद्याद्वारे वेगळे केले जातात. मानवांमध्ये, सायटोक्रोम P450 मोनोऑक्सिजनेसेस PAHs ला इपोक्साइडमध्ये ऑक्सिडाइझ करतात, ज्यापैकी काही अत्यंत प्रतिक्रियाशील असतात (उदा., बेडिओल इपोक्साइड) आणि सामान्य पेशींचे घातक पेशींमध्ये रूपांतर करू शकतात (मार्स्टन एट अल., २००१). याव्यतिरिक्त, PAHs चे रूपांतर उत्पादने जसे की क्विनोन, फिनॉल, इपोक्साइड, डायोल इत्यादी मूळ संयुगांपेक्षा जास्त विषारी असतात. काही PAHs आणि त्यांचे चयापचय मध्यस्थ चयापचयातील हार्मोन्स आणि विविध एन्झाईम्सवर परिणाम करू शकतात, ज्यामुळे वाढ, मध्यवर्ती मज्जासंस्था, पुनरुत्पादक आणि रोगप्रतिकारक प्रणालींवर प्रतिकूल परिणाम होतो (स्वेथा आणि फाले, २००५; वामसी-कृष्णा आणि इतर, २००६; ओस्टिंग आणि इतर, २००८). कमी आण्विक वजनाच्या PAHs च्या अल्पकालीन संपर्कामुळे दम्याच्या रुग्णांमध्ये फुफ्फुसांचे कार्य बिघडते आणि थ्रोम्बोसिस होतो आणि त्वचा, फुफ्फुस, मूत्राशय आणि जठरांत्रीय कर्करोगाचा धोका वाढतो असे नोंदवले गेले आहे (ओल्सन आणि इतर, २०१०; डिग्ज आणि इतर, २०११). प्राण्यांच्या अभ्यासातून असेही दिसून आले आहे की PAH च्या संपर्कामुळे पुनरुत्पादक कार्य आणि विकासावर प्रतिकूल परिणाम होऊ शकतात आणि मोतीबिंदू, मूत्रपिंड आणि यकृताचे नुकसान आणि कावीळ होऊ शकते. डायल्स, एपॉक्साइड्स, क्विनोन्स आणि फ्री रॅडिकल्स (केशन) सारख्या विविध PAH बायोट्रान्सफॉर्मेशन उत्पादनांमुळे DNA अ‍ॅडक्ट्स तयार होतात असे दिसून आले आहे. स्थिर अ‍ॅडक्ट्स डीएनए प्रतिकृती यंत्रणेत बदल घडवून आणतात हे दिसून आले आहे, तर अस्थिर अ‍ॅडक्ट्स डीएनए शुद्ध करू शकतात (प्रामुख्याने अ‍ॅडेनाइन आणि कधीकधी ग्वानिनमध्ये); दोन्ही त्रुटी निर्माण करू शकतात ज्यामुळे उत्परिवर्तन होते (श्वेइगर्ट एट अल. २००१). याव्यतिरिक्त, क्विनोन (बेंझो-/पॅन-) प्रतिक्रियाशील ऑक्सिजन प्रजाती (आरओएस) निर्माण करू शकतात, ज्यामुळे डीएनए आणि इतर मॅक्रोमोलेक्यूल्सना घातक नुकसान होते, ज्यामुळे ऊतींचे कार्य/व्यवहार्यता प्रभावित होते (ईवा आणि डॅनुटा २०१७). पायरीन, बायफेनिल आणि नॅप्थालीनच्या कमी सांद्रतेच्या दीर्घकालीन संपर्कामुळे प्रायोगिक प्राण्यांमध्ये कर्करोग होतो असे नोंदवले गेले आहे (डिग्स एट अल. २०१२). त्यांच्या प्राणघातक विषाक्ततेमुळे, प्रभावित/दूषित ठिकाणांहून या PAHs ची स्वच्छता/काढून टाकणे हे प्राधान्य आहे.
दूषित ठिकाणे/वातावरणातून PAH काढून टाकण्यासाठी विविध भौतिक आणि रासायनिक पद्धती वापरल्या गेल्या आहेत. जाळणे, डिक्लोरिनेशन, यूव्ही ऑक्सिडेशन, फिक्सेशन आणि सॉल्व्हेंट एक्सट्रॅक्शन यासारख्या प्रक्रियांचे अनेक तोटे आहेत, ज्यात विषारी उप-उत्पादनांची निर्मिती, प्रक्रियेची जटिलता, सुरक्षितता आणि नियामक समस्या, कमी कार्यक्षमता आणि उच्च किंमत यांचा समावेश आहे. तथापि, सूक्ष्मजीव जैवविघटन (ज्याला बायोरेमेडिएशन म्हणतात) हा एक आशादायक पर्यायी दृष्टिकोन आहे ज्यामध्ये शुद्ध संस्कृती किंवा वसाहतींच्या स्वरूपात सूक्ष्मजीवांचा वापर समाविष्ट आहे. भौतिक आणि रासायनिक पद्धतींच्या तुलनेत, ही प्रक्रिया पर्यावरणास अनुकूल, आक्रमक नसलेली, किफायतशीर आणि शाश्वत आहे. बायोरेमेडिएशन बाधित ठिकाणी (सिटूमध्ये) किंवा विशेषतः तयार केलेल्या ठिकाणी (एक्ससिटू) केले जाऊ शकते आणि म्हणूनच पारंपारिक भौतिक आणि रासायनिक पद्धतींपेक्षा ती अधिक शाश्वत उपचार पद्धत मानली जाते (जुहाझ आणि नायडू, २०००; अँड्रेओनी आणि जियानफ्रेडा, २००७; मेघराज आणि इतर, २०११; फाले आणि इतर, २०२०; सरकार आणि इतर, २०२०).
सुगंधी प्रदूषकांच्या ऱ्हासात सामील असलेल्या सूक्ष्मजीव चयापचय चरणांचे समजून घेतल्याने पर्यावरणीय आणि पर्यावरणीय शाश्वततेसाठी प्रचंड वैज्ञानिक आणि आर्थिक परिणाम होतात. जगभरात अंदाजे २.१×१०१८ ग्रॅम कार्बन (C) गाळ आणि सेंद्रिय संयुगे (म्हणजेच तेल, नैसर्गिक वायू आणि कोळसा, म्हणजेच जीवाश्म इंधन) मध्ये साठवले जाते, जे जागतिक कार्बन चक्रात महत्त्वपूर्ण योगदान देते. तथापि, जलद औद्योगिकीकरण, जीवाश्म इंधन उत्खनन आणि मानवी क्रियाकलाप या लिथोस्फेरिक कार्बन जलाशयांना कमी करत आहेत, दरवर्षी अंदाजे ५.५×१०१५ ग्रॅम सेंद्रिय कार्बन (प्रदूषक म्हणून) वातावरणात सोडत आहेत (गोंझालेझ-गाया एट अल., २०१९). यातील बहुतेक सेंद्रिय कार्बन गाळ, वाहतूक आणि प्रवाहाद्वारे स्थलीय आणि सागरी परिसंस्थांमध्ये प्रवेश करतात. याव्यतिरिक्त, जीवाश्म इंधनांपासून मिळवलेले नवीन कृत्रिम प्रदूषक, जसे की प्लास्टिक, प्लास्टिसायझर्स आणि प्लास्टिक स्टेबिलायझर्स (फॅथलेट्स आणि त्यांचे आयसोमर), सागरी, माती आणि जलीय परिसंस्था आणि त्यांच्या जैवांना गंभीरपणे प्रदूषित करतात, ज्यामुळे जागतिक हवामान धोके वाढतात. उत्तर अमेरिका आणि आग्नेय आशिया दरम्यान पॅसिफिक महासागरात विविध प्रकारचे मायक्रोप्लास्टिक्स, नॅनोप्लास्टिक्स, प्लास्टिकचे तुकडे आणि त्यांचे विषारी मोनोमर उत्पादने पॉलीथिलीन टेरेफ्थालेट (पीईटी) पासून मिळवलेले आहेत, ज्यामुळे "ग्रेट पॅसिफिक कचरा पॅच" तयार झाला आहे, ज्यामुळे सागरी जीवनाला हानी पोहोचत आहे (न्यूवेल एट अल., २०२०). वैज्ञानिक अभ्यासातून असे सिद्ध झाले आहे की कोणत्याही भौतिक किंवा रासायनिक पद्धतीने असे प्रदूषक/कचरा काढून टाकणे शक्य नाही. या संदर्भात, सर्वात उपयुक्त सूक्ष्मजीव म्हणजे ते प्रदूषकांना कार्बन डायऑक्साइड, रासायनिक ऊर्जा आणि इतर गैर-विषारी उप-उत्पादनांमध्ये ऑक्सिडेटिव्ह पद्धतीने चयापचय करण्यास सक्षम आहेत जे अखेरीस इतर पोषक चक्र प्रक्रियांमध्ये प्रवेश करतात (एच, ओ, एन, एस, पी, फे, इ.). अशाप्रकारे, सूक्ष्मजीव कार्बन चक्र, निव्वळ कार्बन बजेट आणि भविष्यातील हवामान जोखीमांचे मूल्यांकन करण्यासाठी सुगंधी प्रदूषक खनिजीकरणाचे सूक्ष्मजीव इकोफिजियोलॉजी आणि त्याचे पर्यावरणीय नियंत्रण समजून घेणे अत्यंत महत्वाचे आहे. पर्यावरणातून अशा संयुगे काढून टाकण्याची तातडीची गरज लक्षात घेता, स्वच्छ तंत्रज्ञानावर लक्ष केंद्रित करणारे विविध इको-उद्योग उदयास आले आहेत. पर्यायीरित्या, परिसंस्थांमध्ये जमा होणाऱ्या औद्योगिक कचरा/कचरा रसायनांचे मूल्यांकन (म्हणजेच कचरा ते संपत्ती दृष्टिकोन) हे वर्तुळाकार अर्थव्यवस्था आणि शाश्वत विकास उद्दिष्टांच्या आधारस्तंभांपैकी एक मानले जाते (क्लोज एट अल., २०१२). म्हणूनच, अशा सुगंधी प्रदूषकांचे प्रभावीपणे निर्मूलन आणि जैवउपचार करण्यासाठी या संभाव्य क्षय उमेदवारांच्या चयापचय, एंजाइमॅटिक आणि अनुवांशिक पैलू समजून घेणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे.
अनेक सुगंधी प्रदूषकांपैकी, आम्ही नॅप्थालीन आणि पर्यायी नॅप्थालीन सारख्या कमी-आण्विक-वजनाच्या PAHs कडे विशेष लक्ष देतो. ही संयुगे पेट्रोलियम-व्युत्पन्न इंधन, कापड रंग, ग्राहक उत्पादने, कीटकनाशके (पतंग आणि कीटकनाशके), प्लास्टिसायझर्स आणि टॅनिनचे प्रमुख घटक आहेत आणि म्हणूनच अनेक परिसंस्थांमध्ये व्यापक आहेत (प्रियस एट अल., २००३). अलीकडील अहवाल जलचर गाळ, भूजल आणि भूपृष्ठाखालील माती, व्हॅडोज झोन आणि नदीच्या पात्रात नॅप्थालीन सांद्रतेचे संचय अधोरेखित करतात, जे वातावरणात त्याचे जैवसंचय सूचित करतात (दत्तगुप्त एट अल., २०१९, २०२०). तक्ता २ नॅप्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जचे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म, अनुप्रयोग आणि आरोग्य परिणाम सारांशित करते. इतर उच्च-आण्विक-वजन PAHs च्या तुलनेत, नॅप्थालीन आणि त्याचे डेरिव्हेटिव्ह्ज कमी हायड्रोफोबिक, अधिक पाण्यात विरघळणारे आणि परिसंस्थांमध्ये मोठ्या प्रमाणात वितरित केले जातात, म्हणून ते बहुतेकदा PAHs च्या चयापचय, अनुवंशशास्त्र आणि चयापचय विविधतेचा अभ्यास करण्यासाठी मॉडेल सब्सट्रेट म्हणून वापरले जातात. मोठ्या संख्येने सूक्ष्मजीव नॅप्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जचे चयापचय करण्यास सक्षम आहेत आणि त्यांच्या चयापचय मार्ग, एंजाइम आणि नियामक वैशिष्ट्यांबद्दल व्यापक माहिती उपलब्ध आहे (मॅलिक एट अल., २०११; फेल एट अल., २०१९, २०२०). याव्यतिरिक्त, नॅप्थालीन आणि त्याचे डेरिव्हेटिव्ह्ज त्यांच्या उच्च विपुलतेमुळे आणि जैवउपलब्धतेमुळे पर्यावरणीय प्रदूषण मूल्यांकनासाठी प्रोटोटाइप संयुगे म्हणून नियुक्त केले आहेत. यूएस पर्यावरण संरक्षण एजन्सीचा अंदाज आहे की सिगारेटच्या धुरातून, प्रामुख्याने अपूर्ण ज्वलनातून, नॅप्थालीनची सरासरी पातळी प्रति घनमीटर ५.१९ μg आणि साइडस्ट्रीम धुरातून ७.८ ते ४६ μg आहे, तर क्रिओसोट आणि नॅप्थालीनच्या संपर्कात येण्याची शक्यता १०० ते १०,००० पट जास्त आहे (प्रियस एट अल. २००३). विशेषतः नॅप्थालीनमध्ये प्रजाती, प्रदेश आणि लिंग-विशिष्ट श्वसन विषारीपणा आणि कर्करोगजन्यता असल्याचे आढळून आले आहे. प्राण्यांच्या अभ्यासावर आधारित, इंटरनॅशनल एजन्सी फॉर रिसर्च ऑन कॅन्सर (IARC) ने नॅप्थालीनचे "संभाव्य मानवी कर्करोगजन्य" (ग्रुप 2B) म्हणून वर्गीकरण केले आहे. प्रामुख्याने इनहेलेशन किंवा पॅरेंटरल (तोंडी) प्रशासनाद्वारे बदललेल्या नॅप्थालीनच्या संपर्कात आल्याने फुफ्फुसांच्या ऊतींना दुखापत होते आणि उंदीर आणि उंदरांमध्ये फुफ्फुसांच्या ट्यूमरचे प्रमाण वाढते (नॅशनल टॉक्सिकोलॉजी प्रोग्राम 2). तीव्र परिणामांमध्ये मळमळ, उलट्या, ओटीपोटात दुखणे, अतिसार, डोकेदुखी, गोंधळ, भरपूर घाम येणे, ताप, टाकीकार्डिया इत्यादींचा समावेश आहे. दुसरीकडे, ब्रॉड-स्पेक्ट्रम कार्बामेट कीटकनाशक कार्बारिल (1-नॅफ्थाइल एन-मिथाइलकार्बमेट) जलीय अपृष्ठवंशी प्राणी, उभयचर प्राणी, मधमाश्या आणि मानवांसाठी विषारी असल्याचे नोंदवले गेले आहे आणि ते पक्षाघात निर्माण करणारे एसिटाइलकोलिनेस्टेरेज रोखते असे दिसून आले आहे (स्मल्डर्स एट अल., 2003; बुलेन आणि डिस्टेल, 2011). म्हणूनच, दूषित वातावरणात जैवउपचार धोरणे विकसित करण्यासाठी सूक्ष्मजीव क्षय, अनुवांशिक नियमन, एंजाइमॅटिक आणि पेशीय प्रतिक्रियांच्या यंत्रणा समजून घेणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे.
तक्ता २. नॅप्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जच्या भौतिक-रासायनिक गुणधर्म, उपयोग, ओळखण्याच्या पद्धती आणि संबंधित रोगांबद्दल तपशीलवार माहिती.
प्रदूषित कोनाड्यांमध्ये, हायड्रोफोबिक आणि लिपोफिलिक सुगंधी प्रदूषकांमुळे पर्यावरणीय सूक्ष्मजीवांवर (समुदायावर) विविध प्रकारचे सेल्युलर परिणाम होऊ शकतात, जसे की पडद्याच्या तरलतेत बदल, पडद्याची पारगम्यता, लिपिड बायलेयर सूज, ऊर्जा हस्तांतरणात व्यत्यय (इलेक्ट्रॉन वाहतूक साखळी/प्रोटॉन प्रेरणा शक्ती) आणि पडद्याशी संबंधित प्रथिनांची क्रिया (सिक्केमा एट अल., १९९५). याव्यतिरिक्त, कॅटेचोल आणि क्विनोनसारखे काही विरघळणारे मध्यवर्ती प्रतिक्रियाशील ऑक्सिजन प्रजाती (आरओएस) निर्माण करतात आणि डीएनए आणि प्रथिनांसह अॅडक्ट तयार करतात (पेनिंग एट अल., १९९९). अशाप्रकारे, परिसंस्थांमध्ये अशा संयुगांची विपुलता सूक्ष्मजीव समुदायांवर निवडक दबाव आणते जेणेकरून ते विविध शारीरिक स्तरांवर कार्यक्षम डीग्रेडर बनतील, ज्यामध्ये अपटेक/वाहतूक, इंट्रासेल्युलर ट्रान्सफॉर्मेशन, अ‍ॅसिमिलेशन/उपयोग आणि कंपार्टमेंटलायझेशन यांचा समावेश आहे.
रायबोसोमल डेटाबेस प्रोजेक्ट-II (RDP-II) च्या शोधातून असे दिसून आले की नॅप्थालीन किंवा त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जने दूषित झालेल्या माध्यम किंवा समृद्ध संस्कृतींमधून एकूण 926 जीवाणू प्रजाती वेगळ्या करण्यात आल्या. प्रोटीओबॅक्टेरिया गटात सर्वाधिक प्रतिनिधी होते (n = 755), त्यानंतर फर्मिक्युट्स (52), बॅक्टेरॉइडेट्स (43), अ‍ॅक्टिनोबॅक्टेरिया (39), टेनेरिक्युट्स (10) आणि अवर्गीकृत बॅक्टेरिया (8) (आकृती 2). γ-प्रोटिओबॅक्टेरिया (स्यूडोमोनाडेल्स आणि झँथोमोनाडेल्स) चे प्रतिनिधी उच्च G+C सामग्री (54%) असलेल्या सर्व ग्राम-नकारात्मक गटांवर वर्चस्व गाजवत होते, तर क्लोस्ट्रिडायल्स आणि बॅसिलल्स (30%) कमी G+C सामग्री असलेले ग्राम-पॉझिटिव्ह गट होते. स्यूडोमोनास (सर्वात जास्त, ३३८ प्रजाती) विविध प्रदूषित परिसंस्थांमध्ये (कोळसा टार, पेट्रोलियम, कच्चे तेल, गाळ, तेल गळती, सांडपाणी, सेंद्रिय कचरा आणि लँडफिल) तसेच अखंड परिसंस्थांमध्ये (माती, नद्या, गाळ आणि भूजल) नॅप्थालीन आणि त्याच्या मिथाइल डेरिव्हेटिव्ह्जचे विघटन करण्यास सक्षम असल्याचे नोंदवले गेले आहे (आकृती २). शिवाय, यापैकी काही प्रदेशांच्या संवर्धन अभ्यास आणि मेटाजेनोमिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की असंस्कृत लेजिओनेला आणि क्लोस्ट्रिडियम प्रजातींमध्ये विघटनशील क्षमता असू शकते, ज्यामुळे नवीन मार्ग आणि चयापचय विविधतेचा अभ्यास करण्यासाठी या जीवाणूंचे संवर्धन करण्याची आवश्यकता दर्शविली जाते.
आकृती २. नॅप्थालीन आणि नॅप्थालीन डेरिव्हेटिव्ह्जने दूषित वातावरणात जीवाणू प्रतिनिधींचे वर्गीकरण विविधता आणि पर्यावरणीय वितरण.
विविध सुगंधी हायड्रोकार्बन-क्षय करणाऱ्या सूक्ष्मजीवांपैकी, बहुतेक कार्बन आणि उर्जेचा एकमेव स्रोत म्हणून नॅप्थालीनचे क्षय करण्यास सक्षम आहेत. स्यूडोमोनास एसपीसाठी नॅप्थालीन चयापचयात सहभागी असलेल्या घटनांचा क्रम वर्णन केला आहे. (स्ट्रेन्स: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 आणि CSV86), स्यूडोमोनास स्टुट्झेरी AN10, स्यूडोमोनास फ्लोरेसेन्स PC20 आणि इतर स्ट्रेन्स (ND6 आणि AS1) (महाजन एट अल., 1994; रेस्निक एट अल., 1996; अँनवेइलर एट अल., 2000; बासू एट अल., 2003; डेनिस आणि झिलस्ट्रा, 2004; सोटा एट अल., 2006; चयापचय एका बहुघटक डायऑक्सिजनेज [नॅफ्थालीन डायऑक्सिजनेज (NDO), एक हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजनेज रिंग] द्वारे सुरू होते जे आण्विक ऑक्सिजनचा दुसरा सब्सट्रेट म्हणून वापर करून नॅफ्थालीनच्या सुगंधी रिंगांपैकी एकाचे ऑक्सिडेशन उत्प्रेरित करते, नॅफ्थालीनचे रूपांतर सिस-नॅफ्थालीनेडिओलमध्ये करते (आकृती 3). सिस-डायहायड्रोडिओलचे रूपांतर डिहायड्रोजेनेजद्वारे १,२-डायहायड्रॉक्सीनाफ्थालीन. रिंग-क्लीव्हिंग डायऑक्सिजेनेज, १,२-डायहायड्रॉक्सीनाफ्थालीन डायऑक्सिजेनेज (१२DHNDO), १,२-डायहायड्रॉक्सीनाफ्थालीनचे २-हायड्रॉक्सीक्रोमिन-२-कार्बोक्झिलिक आम्लात रूपांतर करते. एन्झाइमॅटिक सिस-ट्रान्स आयसोमेरायझेशन ट्रान्स-ओ-हायड्रॉक्सीबेंझिलिडेनेपायरुवेट तयार करते, जे हायड्रेटेज अल्डोलेजद्वारे सॅलिसिलिक अल्डीहाइड आणि पायरुवेटमध्ये विभाजित होते. सेंद्रिय आम्ल पायरुवेट हे नॅप्थालीन कार्बन स्केलेटनमधून मिळवलेले पहिले C3 संयुग होते आणि मध्यवर्ती कार्बन मार्गात निर्देशित केले जाते. याव्यतिरिक्त, NAD+-आश्रित सॅलिसिलिक अल्डीहाइड डिहायड्रोजनेज सॅलिसिलिक अल्डीहाइडचे सॅलिसिलिक आम्लात रूपांतर करते. या टप्प्यावर चयापचय प्रक्रियेला नॅप्थालीन क्षयीकरणाचा "वरचा मार्ग" म्हणतात. बहुतेक नॅप्थालीन-क्षय करणाऱ्या जीवाणूंमध्ये हा मार्ग खूप सामान्य आहे. तथापि, काही अपवाद आहेत; उदाहरणार्थ, थर्मोफिलिक बॅसिलस हॅम्बर्गी २ मध्ये, नॅप्थालीन क्षय नॅप्थालीनद्वारे सुरू होते. 2,3-डायऑक्सीजेनेस 2,3-डायहायड्रॉक्सीनाफ्थालीन बनवते (Annweiler et al., 2000).
आकृती ३. नॅप्थालीन, मिथाइलनाफ्थालीन, नॅफ्थोइक आम्ल आणि कार्बेरिल क्षय होण्याचे मार्ग. वर्तुळाकार संख्या नॅप्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जचे अनुक्रमिक रूपांतरण पुढील उत्पादनांमध्ये करण्यासाठी जबाबदार असलेल्या एन्झाइम्स दर्शवतात. १ — नॅप्थालीन डायऑक्सिजेनेज (NDO); २, सिस-डायहाइड्रोडायोल डिहायड्रोजेनेज; ३, १,२-डायहाइड्रोक्सीनाफ्थालीन डायऑक्सिजेनेज; ४, २-हायड्रॉक्सीक्रोमिन-२-कार्बोक्झिलिक आम्ल आयसोमेरेज; ५, ट्रान्स-ओ-हायड्रॉक्सीबेंझिलिडेनेपायरुवेट हायड्रेटेस अल्डोलेज; ६, सॅलिसिलाल्डिहाइड डिहायड्रोजेनेज; ७, सॅलिसिलेट १-हायड्रॉक्सिलेज; ८, कॅटेकॉल २,३-डायऑक्सिजेनेज (C23DO); ९, २-हायड्रॉक्सीम्युकोनेट सेमिअल्डिहाइड डिहायड्रोजेनेज; १०, २-ऑक्सोपेंट-४-एनोएट हायड्रेटेस; ११, ४-हायड्रॉक्सी-२-ऑक्सोपेंटानोएट अल्डोलेज; १२, एसीटाल्डिहाइड डिहायड्रोजनेज; १३, कॅटेचोल-१,२-डायऑक्सीजेनेज (C१२DO); १४, म्यूकोनेट सायक्लोआयसोमेरेज; १५, म्यूकोनोलॅक्टोन डेल्टा-आयसोमेरेज; १६, β-केटोआडिपेटेनोलॅक्टोन हायड्रोलेज; १७, β-केटोआडिपेट सक्सिनिल-CoA ट्रान्सफरेज; १८, β-केटोआडिपेट-CoA थायोलेज; १९, सक्सिनिल-CoA: एसिटाइल-CoA सक्सिनिलट्रान्सफरेज; २०, सॅलिसिलेट ५-हायड्रॉक्सिलेज; २१ – जेंटिसेट १,२-डायऑक्सिजनेज (GDO); २२, मेलयिलपायरुवेट आयसोमेरेज; २३, फ्युमरिलपायरुवेट हायड्रोलेज; २४, मिथाइलनाफ्थालीन हायड्रोजनेज (NDO); २५, हायड्रॉक्सीमिथाइलनाफ्थालीन डिहायड्रोजनेज; २६, नॅफ्थाल्डिहाइड डिहायड्रोजनेज; २७, ३-फॉर्मिलसॅलिसिलिक अॅसिड ऑक्सिडेस; २८, हायड्रॉक्सीआयसोफ्थालेट डेकार्बोक्झिलेझ; २९, कार्बारिल हायड्रोलेस (CH); ३०, १-नॅफ्थॉल-२-हायड्रॉक्सिलेझ.
जीव आणि त्याच्या अनुवांशिक रचनेवर अवलंबून, परिणामी सॅलिसिलिक ऍसिडचे चयापचय सॅलिसिलिक 1-हायड्रॉक्सिलेज (S1H) वापरून कॅटेकॉल मार्गाद्वारे किंवा सॅलिसिलिक 5-हायड्रॉक्सिलेज (S5H) वापरून जेंटिसेट मार्गाद्वारे केले जाते (आकृती 3). सॅलिसिलिक ऍसिड हे नॅप्थालीन चयापचय (वरचा मार्ग) मध्ये प्रमुख मध्यवर्ती असल्याने, सॅलिसिलिक ऍसिडपासून TCA मध्यवर्तीपर्यंतच्या पायऱ्यांना बहुतेकदा खालचा मार्ग म्हणून संबोधले जाते आणि जीन्स एका ऑपेरॉनमध्ये व्यवस्थित केले जातात. वरच्या मार्ग ऑपेरॉन (nah) आणि खालच्या मार्ग ऑपेरॉन (sal) मधील जीन्स सामान्य नियामक घटकांद्वारे नियंत्रित केल्या जातात हे सामान्यपणे दिसून येते; उदाहरणार्थ, NahR आणि सॅलिसिलिक ऍसिड प्रेरक म्हणून काम करतात, ज्यामुळे दोन्ही ऑपेरॉन पूर्णपणे नॅप्थालीन चयापचय करू शकतात (फेले एट अल., 2019, 2020).
याव्यतिरिक्त, कॅटेकॉल 2,3-डायऑक्सीजेनेज (C23DO) (येन एट अल., 1988) द्वारे मेटा मार्गाद्वारे 2-हायड्रॉक्सीमुकोनेट सेमिअल्डिहाइडमध्ये चक्रीयपणे विभाजित केले जाते आणि 2-हायड्रॉक्सीमुकोनेट सेमिअल्डिहाइड हायड्रोलेजद्वारे पुढे हायड्रोलायझ केले जाते जेणेकरून 2-हायड्रॉक्सीपेंट-2,4-डायनोइक आम्ल तयार होते. 2-हायड्रॉक्सीपेंट-2,4-डायनोएट नंतर हायड्रेटेस (2-ऑक्सोपेंट-4-एनोएट हायड्रेटेस) आणि अल्डोलेस (4-हायड्रॉक्सी-2-ऑक्सोपेंटानोएट अल्डोलेस) द्वारे पायरुवेट आणि एसीटाल्डिहाइडमध्ये रूपांतरित होते आणि नंतर मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (आकृती 3). पर्यायीरित्या, कॅटेकॉल 1,2-ऑक्सिजनेज (C12DO) द्वारे ऑर्थो मार्गाद्वारे सीसी, सीसी-म्यूकोनेटमध्ये विभाजित केले जाते. म्यूकोनेट सायक्लोआयसोमेरेज, म्यूकोनोलॅक्टोन आयसोमेरेज आणि β-केटोआडिपेट-नोलॅक्टोन हायड्रोलेज हे cis,cis-म्यूकोनेटचे 3-ऑक्सोडिपेटमध्ये रूपांतर करतात, जे सक्सीनिल-CoA आणि एसिटाइल-CoA द्वारे मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (नोझाकी आणि इतर, 1968) (आकृती 3).
जेंटिसेट (२,५-डायहायड्रॉक्सीबेंझोएट) मार्गात, सुगंधी रिंग जेंटिसेट १,२-डायऑक्सीजेनेज (GDO) द्वारे क्लीव्ह केले जाते जेणेकरून मॅलेयलपायरुवेट तयार होईल. हे उत्पादन थेट पायरुवेट आणि मॅलेटमध्ये हायड्रोलायझ केले जाऊ शकते किंवा ते फ्युमरिलपायरुवेट तयार करण्यासाठी आयसोमराइज केले जाऊ शकते, जे नंतर पायरुवेट आणि फ्युमरेटमध्ये हायड्रोलायझ केले जाऊ शकते (लार्किन आणि डे, १९८६). जैवरासायनिक आणि अनुवांशिक पातळीवर ग्राम-नकारात्मक आणि ग्राम-पॉझिटिव्ह दोन्ही बॅक्टेरियांमध्ये पर्यायी मार्गाची निवड दिसून आली आहे (मोरावस्की एट अल., १९९७; व्हायट एट अल., १९९७). ग्राम-नकारात्मक बॅक्टेरिया (स्यूडोमोनास) सॅलिसिलिक ऍसिड वापरण्यास प्राधान्य देतात, जे नॅप्थालीन चयापचय प्रेरक आहे, सॅलिसिलेट १-हायड्रॉक्सीलेझ वापरून ते कॅटेचोलमध्ये डीकार्बोक्झिलेट करते (गिब्सन आणि सुब्रमण्यम, १९८४). दुसरीकडे, ग्राम-पॉझिटिव्ह बॅक्टेरिया (रोडोकोकस) मध्ये, सॅलिसिलेट 5-हायड्रॉक्सिलेज सॅलिसिलिक अॅसिडचे जेंटिसिक अॅसिडमध्ये रूपांतर करते, तर सॅलिसिलिक अॅसिडचा नॅप्थालीन जनुकांच्या ट्रान्सक्रिप्शनवर कोणताही आगमनात्मक प्रभाव पडत नाही (ग्रंड एट अल., 1992) (आकृती 3).
असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनास CSV86, ओशनोबॅक्टेरियम NCE312, मारिनहोमोनास नॅफ्थोट्रोफिकस, स्फिंगोमोनास पॉसिमोबिलिस 2322, व्हिब्रिओ सायक्लोट्रॉफस, स्यूडोमोनास फ्लोरेसेन्स LP6a, स्यूडोमोनास आणि मायकोबॅक्टेरियम प्रजाती मोनोमेथिलनाफ्थालीन किंवा डायमेथिलनाफ्थालीन (डीन-रेमंड आणि बार्था, 1975; केन आणि विल्यम्स, 1982; महाजन आणि इतर., 1994; दत्ता आणि इतर., 1998; हेडलंड आणि इतर., 1999) यासारख्या प्रजाती मोनोमेथिलनाफ्थालीन किंवा डायमेथिलनाफ्थालीन (डीन-रेमंड आणि बार्था, 1975; केन आणि विल्यम्स, 1982; महाजन आणि इतर., 1994; दत्ता आणि इतर., 1998; हेडलंड आणि इतर., 1999) सारख्या प्रजाती मोनोमेथिलनाफ्थालीन किंवा डायमेथिलनाफ्थालीन (डीन-रेमंड आणि इतर., 1998) ची विघटन करू शकतात. त्यापैकी, स्यूडोमोनास प्रजाती CSV86 च्या 1-मिथिलनाफ्थालीन आणि 2-मिथिलनाफ्थालीन (डीन-रेमंड आणि इतर., 1994) च्या विघटन मार्गाचा जैवरासायनिक आणि एंजाइमॅटिक पातळीवर स्पष्टपणे अभ्यास केला गेला आहे. १-मिथिलनाफ्थालीनचे चयापचय दोन मार्गांनी केले जाते. प्रथम, सुगंधी रिंग हायड्रॉक्सिलेटेड (मिथिलनाफ्थालीनचे पर्यायी रिंग) करून cis-1,2-डायहायड्रॉक्सी-1,2-डायहायड्रो-8-मिथिलनाफ्थालीन तयार करते, जे पुढे मिथाइल सॅलिसिलेट आणि मिथाइलकेटेकोलमध्ये ऑक्सिडाइझ केले जाते आणि नंतर रिंग क्लीव्हेजनंतर मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (आकृती ३). या मार्गाला "कार्बन स्त्रोत मार्ग" म्हणतात. दुसऱ्या "डिटॉक्सिफिकेशन मार्ग" मध्ये, मिथाइल गटाला NDO द्वारे हायड्रॉक्सिलेटेड करून १-हायड्रॉक्सीमिथिलनाफ्थालीन तयार केले जाऊ शकते, जे पुढे १-नॅफ्थोइक ऍसिडमध्ये ऑक्सिडाइझ केले जाते आणि डेड-एंड उत्पादन म्हणून कल्चर माध्यमात उत्सर्जित होते. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की स्ट्रेन CSV86 हा एकमेव कार्बन आणि ऊर्जा स्रोत म्हणून १- आणि २-नॅफ्थोइक ऍसिडवर वाढू शकत नाही, ज्यामुळे त्याचा डिटॉक्सिफिकेशन मार्ग पुष्टी करतो (महाजन एट अल., १९९४; बसू एट अल., २००३). २-मिथाइलनाफ्थालीनमध्ये, मिथाइल गट हायड्रॉक्सिलेजद्वारे हायड्रॉक्सिलेशन करून २-हायड्रॉक्सीमिथाइलनाफ्थालीन तयार करतो. याव्यतिरिक्त, नॅप्थालीन रिंगच्या अप्रत्याशित रिंगमध्ये डायहाइड्रोडायोल तयार करण्यासाठी रिंग हायड्रॉक्सिलेशन केले जाते, जे एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियांच्या मालिकेत ४-हायड्रॉक्सीमिथाइलकाटेचोलमध्ये ऑक्सिडाइझ केले जाते आणि मेटा-रिंग क्लीव्हेज मार्गाद्वारे मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते. त्याचप्रमाणे, एस. पॉसिमोबिलिस २३२२ ने २-मिथाइलनाफ्थालीन हायड्रॉक्सिलेट करण्यासाठी एनडीओचा वापर केल्याचे नोंदवले गेले आहे, जे मिथाइल सॅलिसिलेट आणि मिथाइलकाटेचोल तयार करण्यासाठी पुढे ऑक्सिडाइझ केले जाते (दत्ता एट अल., १९९८).
नॅफ्थोइक आम्ल (बदली/बदली न केलेले) हे डिटॉक्सिफिकेशन/बायोट्रान्सफॉर्मेशन उप-उत्पादने आहेत जी मिथाइलनाफ्थालीन, फेनॅन्थ्रीन आणि अँथ्रेसीनच्या क्षय दरम्यान तयार होतात आणि स्पेंट कल्चर माध्यमात सोडली जातात. असे नोंदवले गेले आहे की मातीचे पृथक्करण स्टेनोट्रोफोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 कार्बन स्रोत म्हणून 1-नॅफ्थोइक आम्ल चयापचय करण्यास सक्षम आहे (फेले एट अल., 1995). चयापचय सुगंधी रिंगच्या डायहायड्रॉक्सिलेशनने सुरू होते ज्यामुळे 1,2-डायहायड्रॉक्सी-8-कार्बोक्सीनाफ्थालीन तयार होते. परिणामी डायॉल 2-हायड्रॉक्सी-3-कार्बोक्सीबेंझिलिडेनेपायरुवेट, 3-फॉर्मिलसॅलिसिलिक आम्ल, 2-हायड्रॉक्सीआयसोफथालिक आम्ल आणि सॅलिसिलिक आम्ल द्वारे कॅटेचोलमध्ये ऑक्सिडाइझ होते आणि मेटा-रिंग क्लीवेज मार्गाद्वारे मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (आकृती 3).
कार्बारिल हे नॅफ्थाइल कार्बामेट कीटकनाशक आहे. १९७० च्या दशकात भारतात झालेल्या हरित क्रांतीपासून, रासायनिक खते आणि कीटकनाशकांच्या वापरामुळे कृषी नॉन-पॉइंट स्रोतांमधून पॉलीसायक्लिक अॅरोमॅटिक हायड्रोकार्बन (PAH) उत्सर्जनात वाढ झाली आहे (पिंगली, २०१२; दत्तगुप्त आणि इतर, २०२०). भारतातील एकूण पीक जमिनीपैकी अंदाजे ५५% (८५,७२२,००० हेक्टर) रासायनिक कीटकनाशकांनी प्रक्रिया केली जाते. गेल्या पाच वर्षांत (२०१५-२०२०), भारतीय कृषी क्षेत्राने दरवर्षी सरासरी ५५,००० ते ६०,००० टन कीटकनाशके वापरली आहेत (सहकार आणि शेतकरी कल्याण विभाग, कृषी मंत्रालय, भारत सरकार, ऑगस्ट २०२०). उत्तर आणि मध्य गंगेच्या मैदानी भागात (सर्वात जास्त लोकसंख्या आणि लोकसंख्या घनता असलेली राज्ये), पिकांवर कीटकनाशकांचा वापर व्यापक आहे, ज्यामध्ये कीटकनाशके प्रामुख्याने आहेत. कार्बारिल (१-नॅफ्थाइल-एन-मिथाइलकार्बमेट) हे एक व्यापक स्पेक्ट्रम असलेले, मध्यम ते अत्यंत विषारी कार्बामेट कीटकनाशक आहे जे भारतीय शेतीमध्ये सरासरी १००-११० टन दराने वापरले जाते. हे सामान्यतः सेविन या व्यापारी नावाने विकले जाते आणि विविध पिकांवर (मका, सोयाबीन, कापूस, फळे आणि भाज्या) परिणाम करणारे कीटक (माती, आगीच्या मुंग्या, पिसू, माइट्स, कोळी आणि इतर अनेक बाह्य कीटक) नियंत्रित करण्यासाठी वापरले जाते. स्यूडोमोनास (NCIB १२०४२, १२०४३, C४, C५, C६, C७, स्यूडोमोनास पुटिडा XWY-१), रोडोकोकस (NCIB १२०३८), स्फिंगोबॅक्टेरियम spp. (CF06), बर्खोल्डेरिया (C3), मायक्रोकोकस आणि आर्थ्रोबॅक्टर सारखे काही सूक्ष्मजीव इतर कीटकांवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी देखील वापरले जाऊ शकतात. असे नोंदवले गेले आहे की RC100 कार्बेरिलचे विघटन करू शकते (लार्किन आणि डे, 1986; चापलामादुगु आणि चौधरी, 1991; हयात्सु आणि इतर, 1999; स्वेथा आणि फाले, 2005; त्रिवेदी आणि इतर, 2017). स्यूडोमोनास प्रजातीच्या मातीच्या पृथकांमध्ये जैवरासायनिक, एंजाइमॅटिक आणि अनुवांशिक पातळीवर कार्बेरिलच्या विघटन मार्गाचा विस्तृत अभ्यास केला गेला आहे. स्ट्रेन्स C4, C5 आणि C6 (स्वेथा आणि फाले, 2005; त्रिवेदी आणि इतर, 2016) (आकृती 3). चयापचय मार्ग कार्बेरिल हायड्रोलेस (CH) द्वारे एस्टर बाँडच्या हायड्रोलिसिसपासून सुरू होतो ज्यामुळे 1-नॅफ्थोल, मेथिलामाइन आणि कार्बन डायऑक्साइड तयार होतो. १-नॅफ्थॉल नंतर १-नॅफ्थॉल हायड्रॉक्सिलेज (१-NH) द्वारे १,२-डायहायड्रॉक्सिनाफ्थालीनमध्ये रूपांतरित होते, जे सॅलिसिलेट आणि जेंटिसेटद्वारे मध्यवर्ती कार्बन मार्गाद्वारे पुढे चयापचय केले जाते. काही कार्बेरिल-डिग्रेडिंग बॅक्टेरिया कॅटेचोल ऑर्थो रिंगच्या क्लीव्हेजद्वारे सॅलिसिलिक अॅसिडमध्ये त्याचे चयापचय करतात असे नोंदवले गेले आहे (लार्किन आणि डे, १९८६; चापलामाडुगु आणि चौधरी, १९९१). उल्लेखनीय म्हणजे, नॅफ्थलीन-डिग्रेडिंग बॅक्टेरिया प्रामुख्याने कॅटेचोलद्वारे सॅलिसिलिक अॅसिडचे चयापचय करतात, तर कार्बेरिल-डिग्रेडिंग बॅक्टेरिया जेंटिसेट मार्गाद्वारे सॅलिसिलिक अॅसिडचे चयापचय करण्यास प्राधान्य देतात.
नॅप्थालेनेसल्फोनिक आम्ल/डायसल्फोनिक आम्ल आणि नॅप्थायलामाइनसल्फोनिक आम्ल डेरिव्हेटिव्ह्जचा वापर अझो रंग, ओले करणारे घटक, वितरक इत्यादींच्या उत्पादनात मध्यस्थ म्हणून केला जाऊ शकतो. जरी या संयुगांमध्ये मानवांसाठी कमी विषारीपणा आहे, तरी सायटोटॉक्सिसिटी मूल्यांकनातून असे दिसून आले आहे की ते मासे, डॅफ्निया आणि शैवालसाठी घातक आहेत (ग्रीम एट अल., १९९४). स्यूडोमोनास (स्ट्रेन A3, C22) वंशाचे प्रतिनिधी सल्फोनिक आम्ल गट असलेल्या सुगंधी रिंगच्या दुहेरी हायड्रॉक्सिलेशनद्वारे चयापचय सुरू करतात आणि डायहाइड्रोडायोल तयार करतात, जे पुढे सल्फाइट गटाच्या उत्स्फूर्त क्लीव्हेजद्वारे १,२-डायहायड्रॉक्सिनाफ्थालीनमध्ये रूपांतरित होते (ब्रिलॉन एट अल., १९८१). परिणामी १,२-डायहायड्रॉक्सिनाफ्थालीन शास्त्रीय नॅप्थालीन मार्गाद्वारे, म्हणजेच कॅटेचोल किंवा जेंटिसेट मार्गाद्वारे उत्सर्जित होते (आकृती ४). पूरक कॅटाबॉलिक मार्गांसह मिश्रित बॅक्टेरिया कॉन्सोर्टियाद्वारे एमिनोनाफ्थालेनेसल्फोनिक आम्ल आणि हायड्रॉक्सिनाफ्थालेनेसल्फोनिक आम्ल पूर्णपणे विघटित होऊ शकते हे सिद्ध झाले आहे (नॉर्टेमन एट अल., १९८६). असे सिद्ध झाले आहे की कन्सोर्टियमचा एक सदस्य १,२-डायऑक्सिजनेशनद्वारे एमिनोनाफ्थालेनेसल्फोनिक आम्ल किंवा हायड्रॉक्सिनाफ्थालेनेसल्फोनिक आम्ल डिसल्फराइज करतो, तर एमिनोसालिसिलेट किंवा हायड्रॉक्सिनाफ्थालेनेसल्फोनिक आम्ल कल्चर माध्यमात मृत-अंत मेटाबोलाइट म्हणून सोडले जाते आणि नंतर कन्सोर्टियमच्या इतर सदस्यांद्वारे ते शोषले जाते. नॅप्थालेनेडिसल्फोनिक आम्ल तुलनेने ध्रुवीय आहे परंतु खराब जैवविघटनशील आहे आणि म्हणून वेगवेगळ्या मार्गांद्वारे त्याचे चयापचय केले जाऊ शकते. पहिले डिसल्फराइजेशन सुगंधी रिंग आणि सल्फोनिक आम्ल गटाच्या रेजीओसिलेक्टिव्ह डायहायड्रॉक्सिलेशन दरम्यान होते; दुसरे डिसल्फरायझेशन 5-सल्फोसॅलिसिलिक अॅसिडचे सॅलिसिलिक अॅसिड 5-हायड्रॉक्सिलेजद्वारे हायड्रॉक्सिलेशन दरम्यान होते ज्यामुळे जेंटिसिक अॅसिड तयार होते, जे मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (ब्रिलॉन एट अल., 1981) (आकृती 4). नॅप्थालीन डिग्रेडेशनसाठी जबाबदार असलेले एंजाइम नॅप्थालीन सल्फोनेट चयापचयसाठी देखील जबाबदार असतात (ब्रिलॉन एट अल., 1981; केक एट अल., 2006).
आकृती ४. नॅप्थालीन सल्फोनेटच्या ऱ्हासासाठी चयापचय मार्ग. वर्तुळांमधील संख्या नॅप्थाइल सल्फोनेट चयापचयासाठी जबाबदार असलेल्या एन्झाइम्सचे प्रतिनिधित्व करतात, जे आकृती ३ मध्ये वर्णन केलेल्या एन्झाइम्ससारखे/समान आहेत.
कमी आण्विक वजनाचे PAHs (LMW-PAHs) कमी करता येण्याजोगे, हायड्रोफोबिक आणि कमी विरघळणारे असतात आणि त्यामुळे नैसर्गिक विघटन/अधोगतीला बळी पडत नाहीत. तथापि, एरोबिक सूक्ष्मजीव आण्विक ऑक्सिजन (O2) शोषून त्याचे ऑक्सिडीकरण करण्यास सक्षम असतात. हे एंजाइम प्रामुख्याने ऑक्सिडोरेडक्टेसेसच्या वर्गाशी संबंधित आहेत आणि सुगंधी रिंग हायड्रॉक्सिलेशन (मोनो- किंवा डायहायड्रॉक्सिलेशन), डिहायड्रोजेनेशन आणि सुगंधी रिंग क्लीव्हेज सारख्या विविध प्रतिक्रिया करू शकतात. या अभिक्रियांमधून मिळणारे उत्पादने उच्च ऑक्सिडेशन स्थितीत असतात आणि मध्यवर्ती कार्बन मार्गाद्वारे अधिक सहजपणे चयापचय केले जातात (फेल एट अल., २०२०). डिहायड्रेशन मार्गातील एंजाइम्स इंड्युसिबल असल्याचे नोंदवले गेले आहे. जेव्हा पेशी ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्ल सारख्या साध्या कार्बन स्रोतांवर वाढवल्या जातात तेव्हा या एंजाइम्सची क्रिया खूप कमी किंवा नगण्य असते. तक्ता ३ मध्ये नॅप्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जच्या चयापचयात सामील असलेल्या विविध एंजाइम्स (ऑक्सिजनेसेस, हायड्रोलेसेस, डिहायड्रोजनेसेस, ऑक्सिडेसेस इ.) चा सारांश दिला आहे.
तक्ता ३. नॅप्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जच्या ऱ्हासासाठी जबाबदार असलेल्या एन्झाईम्सची जैवरासायनिक वैशिष्ट्ये.
रेडिओआयसोटोप अभ्यासांनी (18O2) दर्शविले आहे की ऑक्सिजनेसेसद्वारे आण्विक O2 चे सुगंधी वलयांमध्ये समावेश करणे हे संयुगाचे पुढील जैवविघटन सक्रिय करण्यासाठी सर्वात महत्वाचे पाऊल आहे (हयशी एट अल., 1955; मेसन एट अल., 1955). आण्विक ऑक्सिजन (O2) पासून एका ऑक्सिजन अणू (O) चे सब्सट्रेटमध्ये समावेश अंतर्जात किंवा बाह्य मोनोऑक्सिजनेसेस (ज्याला हायड्रॉक्सिलेसेस देखील म्हणतात) द्वारे सुरू केले जाते. दुसरा ऑक्सिजन अणू पाण्यात कमी होतो. बाह्य मोनोऑक्सिजनेसेस NADH किंवा NADPH सह फ्लेविन कमी करतात, तर एंडोमोनोऑक्सिजनेसेसमध्ये सब्सट्रेटद्वारे फ्लेविन कमी होते. हायड्रॉक्सिलेशनच्या स्थितीमुळे उत्पादन निर्मितीमध्ये विविधता येते. उदाहरणार्थ, सॅलिसिलेट 1-हायड्रॉक्सिलेस सॅलिसिलिक ऍसिडला C1 स्थितीत हायड्रॉक्सिलेट करते, ज्यामुळे कॅटेचोल तयार होते. दुसरीकडे, बहुघटक सॅलिसिलेट ५-हायड्रॉक्सिलेज (रिडक्टेस, फेरेडॉक्सिन आणि ऑक्सिजनेज सबयुनिट्स असलेले) सॅलिसिलिक अॅसिडला C5 स्थानावर हायड्रॉक्सिलेट करते, ज्यामुळे जेंटिसिक अॅसिड तयार होते (यामामोटो एट अल., १९६५).
डायऑक्सिजनेसेस सब्सट्रेटमध्ये दोन O2 अणू समाविष्ट करतात. तयार झालेल्या उत्पादनांवर अवलंबून, ते रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजनेसेस आणि रिंग क्लीव्हिंग डायऑक्सिजनेसेसमध्ये विभागले जातात. रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजनेसेस सुगंधी सब्सट्रेटस सिस-डायहायड्रोडायोल्समध्ये रूपांतरित करतात (उदा., नॅप्थालीन) आणि जीवाणूंमध्ये व्यापक आहेत. आजपर्यंत, असे दिसून आले आहे की रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजनेसेस असलेले जीव विविध सुगंधी कार्बन स्रोतांवर वाढण्यास सक्षम आहेत आणि या एंजाइम्सचे NDO (नॅप्थालीन), टोल्युइन डायऑक्सिजनेसेस (TDO, टोल्युइन), आणि बायफेनिल डायऑक्सिजनेसेस (BPDO, बायफेनिल) म्हणून वर्गीकरण केले आहे. एनडीओ आणि बीपीडीओ दोन्ही विविध पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (टोल्युइन, नायट्रोटोल्युइन, झाइलीन, इथाइलबेन्झिन, नॅप्थालीन, बायफेनिल, फ्लोरीन, इंडोल, मिथाइलनाफ्थालीन, नॅप्थालीनसल्फोनेट, फेनॅन्थ्रीन, अँथ्रेसीन, एसिटोफेनोन, इ.) चे दुहेरी ऑक्सिडेशन आणि साइड चेन हायड्रॉक्सिलेशन उत्प्रेरक करू शकतात (बॉयड आणि शेल्ड्रेक, १९९८; फेल एट अल., २०२०). एनडीओ ही एक बहुघटक प्रणाली आहे ज्यामध्ये ऑक्सिडोरेडक्टेस, फेरेडॉक्सिन आणि सक्रिय साइट-युक्त ऑक्सिजनेज घटक असतो (गिब्सन आणि सुब्रमण्यम, १९८४; रेस्निक एट अल., १९९६). एनडीओच्या उत्प्रेरक युनिटमध्ये एक मोठे α सबयूनिट आणि α3β3 कॉन्फिगरेशनमध्ये व्यवस्था केलेले एक लहान β सबयूनिट असते. NDO ऑक्सिजनेसेसच्या एका मोठ्या कुटुंबाशी संबंधित आहे आणि त्याच्या α-सबयुनिटमध्ये एक रिसके साइट [2Fe-2S] आणि एक मोनोन्यूक्लियर नॉन-हीम आयर्न असते, जे NDO ची सब्सट्रेट विशिष्टता निश्चित करते (पॅरेल्स एट अल., 1998). सामान्यतः, एका उत्प्रेरक चक्रात, पायरीडिन न्यूक्लियोटाइडच्या रिडक्शनमधून दोन इलेक्ट्रॉन रिडक्टेस, फेरेडॉक्सिन आणि रिस्के साइटद्वारे सक्रिय साइटमधील Fe(II) आयनमध्ये हस्तांतरित केले जातात. रिड्यूसिंग समतुल्य आण्विक ऑक्सिजन सक्रिय करतात, जे सब्सट्रेट डायहायड्रॉक्सीलेशनसाठी एक पूर्व शर्त आहे (फेरारो एट अल., 2005). आजपर्यंत, फक्त काही NDO वेगवेगळ्या स्ट्रेनमधून शुद्ध केले गेले आहेत आणि तपशीलवार वर्णन केले गेले आहेत आणि नॅप्थालीन डिग्रेडेशनमध्ये समाविष्ट असलेल्या मार्गांचे अनुवांशिक नियंत्रण तपशीलवार अभ्यासले गेले आहे (रेस्निक एट अल., 1996; पॅरेल्स एट अल., 1998; कार्लसन एट अल., 2003). रिंग-क्लीव्हिंग डायऑक्सिजनेसेस (एंडो- किंवा ऑर्थो-रिंग-क्लीव्हिंग एन्झाइम्स आणि एक्सोडिओल- किंवा मेटा-रिंग-क्लीव्हिंग एन्झाइम्स) हायड्रॉक्सिलेटेड सुगंधी संयुगांवर कार्य करतात. उदाहरणार्थ, ऑर्थो-रिंग-क्लीव्हिंग डायऑक्सिजनेस हे कॅटेकोल-१,२-डायऑक्सिजनेस आहे, तर मेटा-रिंग-क्लीव्हिंग डायऑक्सिजनेस हे कॅटेकोल-२,३-डायऑक्सिजनेस आहे (कोजिमा एट अल., १९६१; नोझाकी एट अल., १९६८). विविध ऑक्सिजनेसेस व्यतिरिक्त, सुगंधी डायहायड्रोडायल्स, अल्कोहोल आणि अल्डीहाइड्सच्या डिहायड्रोजनेशनसाठी आणि NAD+/NADP+ चा इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता म्हणून वापर करण्यासाठी जबाबदार असलेले विविध डिहायड्रोजनेसेस देखील आहेत, जे चयापचयात सहभागी असलेल्या काही महत्त्वाच्या एन्झाइम्सपैकी एक आहेत (गिब्सन आणि सुब्रमण्यम, १९८४; शॉ आणि हरयामा, १९९०; फहले एट अल., २०२०).
हायड्रोलेसेस (एस्टेरेसेस, अमिडेसेस) सारखे एन्झाईम हे एन्झाईम्सचा दुसरा महत्त्वाचा वर्ग आहे जो पाण्याचा वापर सहसंयोजक बंध तोडण्यासाठी आणि व्यापक सब्सट्रेट विशिष्टता प्रदर्शित करण्यासाठी करतो. कार्बारिल हायड्रोलेस आणि इतर हायड्रोलेसेस हे ग्राम-नकारात्मक जीवाणूंच्या सदस्यांमध्ये पेरिप्लाझम (ट्रान्समेम्ब्रेन) चे घटक मानले जातात (कामिनी एट अल., २०१८). कार्बारिलमध्ये अमाइड आणि एस्टर लिंकेज दोन्ही असतात; म्हणून, ते एस्टेरेस किंवा अमिडेसद्वारे हायड्रोलायझ केले जाऊ शकते आणि 1-नॅफ्थॉल तयार केले जाऊ शकते. रायझोबियममध्ये कार्बारिल रायझोबियम स्ट्रेन AC10023 आणि आर्थ्रोबॅक्टर स्ट्रेन RC100 अनुक्रमे एस्टेरेस आणि अमिडेस म्हणून कार्य करतात असे नोंदवले गेले आहे. आर्थ्रोबॅक्टर स्ट्रेन RC100 मध्ये कार्बारिल देखील अमिडेस म्हणून कार्य करते. RC100 हे कार्बारिल, मेथोमाइल, मेफेनॅमिक अॅसिड आणि XMC सारख्या चार N-मिथाइलकार्बमेट श्रेणीतील कीटकनाशकांना हायड्रोलायझ करते असे दिसून आले आहे (हयात्सु एट अल., २००१). असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनास sp. C5pp मधील CH कार्बारिल (१००% क्रियाकलाप) आणि १-नॅफ्थाइल एसीटेट (३६% क्रियाकलाप) वर कार्य करू शकते, परंतु १-नॅफ्थाइलसेटामाइडवर नाही, जे दर्शवते की ते एक एस्टेरेस आहे (त्रिवेदी एट अल., २०१६).
जैवरासायनिक अभ्यास, एंजाइम नियमन नमुने आणि अनुवांशिक विश्लेषणातून असे दिसून आले आहे की नॅप्थालीन डिग्रेडेशन जीन्समध्ये दोन इनड्युसिबल रेग्युलेटरी युनिट्स किंवा "ऑपेरॉन" असतात: ना ("अपस्ट्रीम मार्ग", नॅप्थालीनला सॅलिसिलिक अॅसिडमध्ये रूपांतरित करणारा) आणि साल ("डाउनस्ट्रीम मार्ग", कॅटेकोलद्वारे सॅलिसिलिक अॅसिडला मध्यवर्ती कार्बन मार्गात रूपांतरित करणारा). सॅलिसिलिक अॅसिड आणि त्याचे अॅनालॉग्स प्रेरक म्हणून काम करू शकतात (शमसुझ्झमान आणि बार्न्सली, १९७४). ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्लांच्या उपस्थितीत, ऑपेरॉन दाबले जाते. आकृती ५ नॅप्थालीन डिग्रेडेशनची संपूर्ण अनुवांशिक संघटना दर्शवते (ऑपेरॉन स्वरूपात). ना जनुकाचे अनेक नामांकित प्रकार/स्वरूप (एनडो/पाह/डॉक्स) वर्णन केले गेले आहेत आणि सर्व स्यूडोमोनास प्रजातींमध्ये उच्च अनुक्रम समरूपता (९०%) असल्याचे आढळले आहे (अब्बासियन आणि इतर, २०१६). आकृती ५अ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे नॅप्थालीन अपस्ट्रीम मार्गाचे जनुक सामान्यतः एकमत क्रमाने व्यवस्थित केले गेले होते. आणखी एक जनुक, nahQ, देखील नॅप्थालीन चयापचयात सहभागी असल्याचे नोंदवले गेले आहे आणि ते सहसा nahC आणि nahE दरम्यान स्थित होते, परंतु त्याचे प्रत्यक्ष कार्य स्पष्ट करणे बाकी आहे. त्याचप्रमाणे, नॅप्थालीन-संवेदनशील केमोटॅक्सिससाठी जबाबदार असलेले nahY जनुक काही सदस्यांमध्ये nah ऑपेरॉनच्या दूरच्या टोकावर आढळले. राल्स्टोनिया sp. मध्ये, ग्लूटाथिओन S-ट्रान्सफरेज (gsh) एन्कोड करणारे U2 जनुक nahAa आणि nahAb दरम्यान स्थित असल्याचे आढळले परंतु त्याचा नॅप्थालीन वापर वैशिष्ट्यांवर परिणाम झाला नाही (Zylstra et al., 1997).
आकृती ५. जिवाणू प्रजातींमध्ये नॅप्थालीनच्या ऱ्हासादरम्यान आढळलेली अनुवांशिक संघटना आणि विविधता; (अ) वरचा नॅप्थालीन मार्ग, नॅप्थालीनचे सॅलिसिलिक आम्लात चयापचय; (ब) खालचा नॅप्थालीन मार्ग, सॅलिसिलिक आम्लाचे कॅटेकॉलमार्गे मध्य कार्बन मार्गापर्यंत; (क) सॅलिसिलिक आम्लाचे जेंटिसेटमार्गे मध्य कार्बन मार्गापर्यंत.
"खालचा मार्ग" (सॅल ऑपेरॉन) मध्ये सामान्यतः nahGTHINLMOKJ असते आणि ते कॅटेकोल मेटारिंग क्लीव्हेज मार्गाद्वारे सॅलिसिलेटला पायरुवेट आणि एसीटाल्डिहाइडमध्ये रूपांतरित करते. nahG जनुक (सॅलिसिलेट हायड्रॉक्सिलेज एन्कोडिंग) ऑपेरॉनच्या समीपस्थ टोकावर संरक्षित असल्याचे आढळले (आकृती 5B). इतर नॅफ्थालीन-डिग्रेडिंग स्ट्रेनच्या तुलनेत, P. putida CSV86 मध्ये nah आणि sal ऑपेरॉन एकमेकांशी जोडलेले आहेत आणि खूप जवळून संबंधित आहेत (सुमारे 7.5 kb). काही ग्राम-नकारात्मक जीवाणूंमध्ये, जसे की Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, आणि P. putida AK5, नॅफ्थालीनचे चयापचय जेंटिसेट मार्गाद्वारे (sgp/nag ऑपेरॉनच्या स्वरूपात) मध्यवर्ती कार्बन मेटाबोलाइट म्हणून केले जाते. जीन कॅसेट सामान्यतः nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI या स्वरूपात दर्शविली जाते, जिथे nagR (LysR-प्रकार नियामक एन्कोडिंग) वरच्या टोकाला स्थित असतो (आकृती 5C).
कार्बारिल १-नॅफ्थॉल, १,२-डायहायड्रॉक्सीनाफ्थालीन, सॅलिसिलिक अॅसिड आणि जेंटिसिक अॅसिडच्या चयापचयातून मध्यवर्ती कार्बन चक्रात प्रवेश करते (आकृती ३). अनुवांशिक आणि चयापचय अभ्यासांवर आधारित, हा मार्ग "अपस्ट्रीम" (कार्बेरिलचे सॅलिसिलिक अॅसिडमध्ये रूपांतर), "मध्यम" (सॅलिसिलिक अॅसिडचे जेंटिसिक अॅसिडमध्ये रूपांतर) आणि "डाउनस्ट्रीम" (जेंटिसिक अॅसिडचे मध्यवर्ती कार्बन मार्ग इंटरमीडिएट्समध्ये रूपांतर) मध्ये विभागण्याचा प्रस्ताव आहे (सिंग एट अल., २०१३). C5pp (सुपरकॉन्टीग A, 76.3 kb) च्या जीनोमिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की mcbACBDEF जनुक कार्बारिलचे सॅलिसिलिक अॅसिडमध्ये रूपांतर करण्यात सहभागी आहे, त्यानंतर mcbIJKL हे सॅलिसिलिक अॅसिडचे जेंटिसिक अॅसिडमध्ये रूपांतर करण्यात आणि mcbOQP हे जेंटिसिक अॅसिडचे सेंट्रल कार्बन इंटरमीडिएट्समध्ये रूपांतर करण्यात सहभागी आहे (फ्युमरेट आणि पायरुवेट, त्रिवेदी आणि इतर, 2016) (आकृती 6).
असे नोंदवले गेले आहे की सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (नॅफ्थालीन आणि सॅलिसिलिक ऍसिडसह) च्या ऱ्हासात सहभागी असलेले एन्झाईम संबंधित संयुगांद्वारे प्रेरित केले जाऊ शकतात आणि ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्ल सारख्या साध्या कार्बन स्रोतांद्वारे प्रतिबंधित केले जाऊ शकतात (शिंगलर, २००३; फेल एट अल., २०१९, २०२०). नॅफ्थालीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जच्या विविध चयापचय मार्गांपैकी, नॅफ्थालीन आणि कार्बारिलच्या नियामक वैशिष्ट्यांचा काही प्रमाणात अभ्यास केला गेला आहे. नॅफ्थालीनसाठी, अपस्ट्रीम आणि डाउनस्ट्रीम दोन्ही मार्गांमधील जनुके NahR द्वारे नियंत्रित केली जातात, एक LysR-प्रकारचे ट्रान्स-अॅक्टिंग पॉझिटिव्ह रेग्युलेटर. सॅलिसिलिक ऍसिड आणि त्याच्या त्यानंतरच्या उच्च-स्तरीय अभिव्यक्तीद्वारे nah जनुकाच्या प्रेरणासाठी ते आवश्यक आहे (येन आणि गन्सालस, १९८२). शिवाय, अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की नॅफ्थालीन चयापचयातील जनुकांच्या ट्रान्सक्रिप्शनल सक्रियतेसाठी एकात्मिक होस्ट फॅक्टर (IHF) आणि XylR (सिग्मा ५४-आश्रित ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटर) देखील महत्त्वपूर्ण आहेत (रॅमोस एट अल., १९९७). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की कॅटेकॉल मेटा-रिंग ओपनिंग मार्गाचे एन्झाईम्स, म्हणजेच कॅटेकॉल २,३-डायऑक्सिजेनेज, नॅप्थालीन आणि/किंवा सॅलिसिलिक ऍसिडच्या उपस्थितीत प्रेरित होतात (बासू एट अल., २००६). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की कॅटेकॉल ऑर्थो-रिंग ओपनिंग मार्गाचे एन्झाईम्स, म्हणजेच कॅटेकॉल १,२-डायऑक्सिजेनेज, बेंझोइक ऍसिड आणि सिस, सिस-म्यूकोनेटच्या उपस्थितीत प्रेरित होतात (पार्सेक एट अल., १९९४; टोव्हर एट अल., २००१).
C5pp या स्ट्रेनमध्ये, पाच जनुके, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR आणि mcbS, कार्बारिल डिग्रेडेशन नियंत्रित करण्यासाठी जबाबदार असलेल्या ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटरच्या LysR/TetR कुटुंबातील रेग्युलेटर एन्कोड करतात. बर्खोल्डेरिया RP00725 (त्रिवेदी आणि इतर, 2016) मध्ये फेनॅन्थ्रीन चयापचयात सहभागी असलेल्या LysR-प्रकार रेग्युलेटर PhnS (58% अमीनो आम्ल ओळख) शी समरूप जनुक mcbG सर्वात जवळून संबंधित असल्याचे आढळले. mcbH जनुक मध्यवर्ती मार्गात (सॅलिसिलिक ऍसिडचे जेंटिसिक ऍसिडमध्ये रूपांतर) सहभागी असल्याचे आढळले आणि स्यूडोमोनास आणि बर्खोल्डेरियामध्ये LysR-प्रकार ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटर NagR/DntR/NahR शी संबंधित आहे. या कुटुंबातील सदस्यांनी डिग्रेडेशन जीन्सच्या प्रेरणेसाठी सॅलिसिलिक ऍसिडला विशिष्ट प्रभावक रेणू म्हणून ओळखल्याचे नोंदवले गेले. दुसरीकडे, LysR आणि TetR प्रकारच्या ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटर्सशी संबंधित तीन जनुके, mcbN, mcbR आणि mcbS, डाउनस्ट्रीम पाथवेमध्ये (जेंटिसेट-सेंट्रल कार्बन पाथवे मेटाबोलाइट्स) ओळखली गेली.
प्रोकेरियोट्समध्ये, प्लाझमिड्स, ट्रान्सपोसॉन्स, प्रोफेजेस, जीनोमिक आयलंड आणि इंटिग्रेटिव्ह कन्जुगेटिव्ह एलिमेंट्स (ICE) द्वारे क्षैतिज जनुक हस्तांतरण प्रक्रिया (अधिग्रहण, देवाणघेवाण किंवा हस्तांतरण) ही बॅक्टेरियाच्या जीनोममध्ये प्लास्टिसिटीची प्रमुख कारणे आहेत, ज्यामुळे विशिष्ट कार्ये/गुणधर्म वाढतात किंवा कमी होतात. हे जीवाणूंना वेगवेगळ्या पर्यावरणीय परिस्थितींशी वेगाने जुळवून घेण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे यजमानाला संभाव्य अनुकूली चयापचय फायदे मिळतात, जसे की सुगंधी संयुगांचे ऱ्हास. चयापचय बदल बहुतेकदा डिग्रेडेशन ऑपेरॉन, त्यांच्या नियामक यंत्रणा आणि एंजाइम विशिष्टतेच्या बारीक-ट्यूनिंगद्वारे साध्य केले जातात, जे सुगंधी संयुगांच्या विस्तृत श्रेणीचे ऱ्हास सुलभ करते (नोजिरी एट अल., २००४; फेल एट अल., २०१९, २०२०). नॅप्थालीन डिग्रेडेशनसाठी जनुक कॅसेट्स प्लाझमिड्स (कंज्युगेटिव्ह आणि नॉन-कंज्युगेटिव्ह), ट्रान्सपोसॉन्स, जीनोम, आयसीई आणि वेगवेगळ्या बॅक्टेरिया प्रजातींचे संयोजन (आकृती ५) सारख्या विविध गतिमान घटकांवर आढळून आले आहेत. स्यूडोमोनास G7 मध्ये, प्लाझमिड NAH7 चे nah आणि sal ऑपेरॉन एकाच दिशेने लिप्यंतरित केले जातात आणि ते एका दोषपूर्ण ट्रान्सपोसॉनचा भाग आहेत ज्याला गतिशीलतेसाठी ट्रान्सपोसेज Tn4653 आवश्यक आहे (सोटा एट अल., २००६). स्यूडोमोनास स्ट्रेन NCIB9816-4 मध्ये, जनुक संयुग्मित प्लाझमिड pDTG1 वर दोन ऑपेरॉन (अंदाजे १५ kb अंतरावर) म्हणून आढळले जे विरुद्ध दिशेने लिप्यंतरित केले गेले होते (डेनिस आणि झिलस्ट्रा, २००४). स्यूडोमोनास पुटिडा स्ट्रेन AK5 मध्ये, नॉन-संयुग्मित प्लाझमिड pAK5 जेंटिसेट मार्गाद्वारे नॅप्थालीन डिग्रेडेशनसाठी जबाबदार असलेल्या एंजाइमला एन्कोड करते (इझमाल्कोवा एट अल., २०१३). स्यूडोमोनास स्ट्रेन पीएमडी-१ मध्ये, नाह ऑपेरॉन गुणसूत्रावर स्थित असतो, तर साल ऑपेरॉन संयुग्मित प्लास्मिड पीएमडब्ल्यूडी-१ वर स्थित असतो (झुनिगा एट अल., १९८१). तथापि, स्यूडोमोनास स्टुट्झेरी एएन१० मध्ये, सर्व नॅप्थालीन डिग्रेडेशन जीन्स (नाह आणि साल ऑपेरॉन) गुणसूत्रावर स्थित असतात आणि ट्रान्सपोझिशन, रीकॉम्बिनेशन आणि पुनर्रचना घटनांद्वारे भरती केल्या जातात (बॉश एट अल., २०००). स्यूडोमोनास स्प. CSV86 मध्ये, नाह आणि साल ऑपेरॉन जीनोममध्ये ICE (ICECSV86) स्वरूपात स्थित असतात. ही रचना tRNAGly द्वारे संरक्षित केली जाते आणि त्यानंतर थेट पुनरावृत्ती होते जी पुनर्संयोजन/संलग्नक स्थळे दर्शवते (attR आणि attL) आणि tRNAGly च्या दोन्ही टोकांवर स्थित फेज-सारखी इंटिग्रेज, अशा प्रकारे रचनात्मकदृष्ट्या ICEclc घटकासारखी असते (क्लोरोकेटेकोल डिग्रेडेशनसाठी स्यूडोमोनास नॅकमुसी मधील ICEclcB13). असे नोंदवले गेले आहे की ICE वरील जनुके अत्यंत कमी ट्रान्सफर फ्रिक्वेन्सी (10-8) सह संयुग्मनाद्वारे हस्तांतरित केली जाऊ शकतात, ज्यामुळे प्राप्तकर्त्याला डिग्रेडेशन गुणधर्म हस्तांतरित केले जातात (बासू आणि फाले, 2008; फाले आणि इतर, 2019).
कार्बेरिल डिग्रेडेशनसाठी जबाबदार असलेले बहुतेक जनुके प्लाझमिड्सवर असतात. आर्थ्रोबॅक्टर sp. RC100 मध्ये तीन प्लाझमिड्स (pRC1, pRC2 आणि pRC300) असतात ज्यापैकी दोन संयुग्मित प्लाझमिड्स, pRC1 आणि pRC2, कार्बेरिलचे जेंटिसेटमध्ये रूपांतर करणारे एन्झाइम्स एन्कोड करतात. दुसरीकडे, जेंटिसेटचे मध्यवर्ती कार्बन मेटाबोलाइट्समध्ये रूपांतर करण्यात सहभागी एन्झाइम्स गुणसूत्रावर स्थित असतात (हायात्सु एट अल., 1999). रायझोबियम वंशाचे बॅक्टेरिया. कार्बेरिलचे 1-नॅफ्थॉलमध्ये रूपांतर करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या स्ट्रेन AC100 मध्ये प्लाझमिड pAC200 असते, जे इन्सर्शन एलिमेंट-सदृश अनुक्रमांनी वेढलेले Tnceh ट्रान्सपोसॉनचा भाग म्हणून CH एन्कोडिंग करणारे cehA जनुक वाहून नेते (istA आणि istB) (हाशिमोटो एट अल., 2002). स्फिंगोमोनास स्ट्रेन CF06 मध्ये, कार्बेरिल डिग्रेडेशन जीन पाच प्लाझमिड्समध्ये असल्याचे मानले जाते: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, आणि pCF05. या प्लाझमिड्सची DNA होमोलॉजी जास्त आहे, जी जनुक डुप्लिकेशन घटनेचे अस्तित्व दर्शवते (फेंग एट अल., 1997). दोन स्यूडोमोनास प्रजातींनी बनलेल्या कार्बेरिल-डिग्रेडिंग सिम्बियंटमध्ये, स्ट्रेन 50581 मध्ये mcd कार्बेरिल हायड्रोलेस जनुक एन्कोड करणारा एक संयुग्मित प्लाझमिड pCD1 (50 kb) असतो, तर स्ट्रेन 50552 मधील संयुग्मित प्लाझमिड 1-नॅफ्थोल-डिग्रेडिंग एंझाइम एन्कोड करतो (चपालामाडुगु आणि चौधरी, 1991). अ‍ॅक्रोमोबॅक्टर स्ट्रेन WM111 मध्ये, mcd फ्युराडन हायड्रोलेस जनुक 100 kb प्लाझमिड (pPDL11) वर स्थित आहे. वेगवेगळ्या भौगोलिक प्रदेशांमधील वेगवेगळ्या जीवाणूंमध्ये वेगवेगळ्या प्लाझमिड्स (१००, १०५, ११५ किंवा १२४ केबी) वर हे जनुक असल्याचे दिसून आले आहे (पारेख एट अल., १९९५). स्यूडोमोनास एसपी. सी५पीपी मध्ये, कार्बारिल डिग्रेडेशनसाठी जबाबदार असलेले सर्व जनुके ७६.३ केबी अनुक्रमात पसरलेल्या जीनोममध्ये स्थित आहेत (त्रिवेदी एट अल., २०१६). जीनोम विश्लेषणात (६.१५ एमबी) ४२ एमजीई आणि ३६ जीईआयची उपस्थिती दिसून आली, ज्यापैकी १७ एमजीई सरासरी असममित जी+सी सामग्री (५४-६० मोल%) सह सुपरकॉन्टिग ए (७६.३ केबी) मध्ये स्थित होते, जे संभाव्य क्षैतिज जीन ट्रान्सफर इव्हेंट्स सूचित करते (त्रिवेदी एट अल., २०१६). पी. पुटिडा एक्सडब्ल्यूवाय-१ मध्ये कार्बेरिल-डिग्रेडिंग जनुकांची समान व्यवस्था दिसून येते, परंतु ही जनुके प्लास्मिडवर स्थित असतात (झू एट अल., २०१९).
जैवरासायनिक आणि जीनोमिक पातळीवर चयापचय कार्यक्षमतेव्यतिरिक्त, सूक्ष्मजीव केमोटॅक्सिस, पेशी पृष्ठभाग सुधारणेचे गुणधर्म, कंपार्टमेंटलायझेशन, प्राधान्य वापर, बायोसर्फॅक्टंट उत्पादन इत्यादी इतर गुणधर्म किंवा प्रतिक्रिया देखील प्रदर्शित करतात, जे त्यांना दूषित वातावरणात सुगंधी प्रदूषकांचे अधिक कार्यक्षमतेने चयापचय करण्यास मदत करतात (आकृती 7).
आकृती ७. परदेशी प्रदूषक संयुगांचे कार्यक्षम जैवविघटन करण्यासाठी आदर्श सुगंधी हायड्रोकार्बन-विघटन करणाऱ्या जीवाणूंच्या वेगवेगळ्या सेल्युलर प्रतिसाद धोरणे.
विषम प्रदूषित परिसंस्थांमध्ये सेंद्रिय प्रदूषकांचे ऱ्हास वाढवणारे घटक केमोटॅक्टिक प्रतिसाद मानले जातात. (२००२) ने दाखवून दिले की स्यूडोमोनास एसपी. जी७ ते नॅप्थालीनच्या केमोटॅक्सिसमुळे जलीय प्रणालींमध्ये नॅप्थालीन ऱ्हास होण्याचे प्रमाण वाढले. जंगली प्रकारच्या जी७ ने केमोटॅक्सिस-कमी असलेल्या उत्परिवर्ती स्ट्रेनपेक्षा नॅप्थालीनचे खूप वेगाने ऱ्हास केले. NahY प्रथिने (झिल्ली टोपोलॉजीसह ५३८ अमीनो आम्ले) NAH7 प्लास्मिडवरील मेटाक्लिव्हेज मार्ग जनुकांसह सह-लिप्यंतरित असल्याचे आढळून आले आणि केमोटॅक्सिस ट्रान्सड्यूसरप्रमाणे, हे प्रथिने नॅप्थालीन ऱ्हास होण्याचे केमोरेसेप्टर म्हणून कार्य करते असे दिसते (ग्रिम आणि हारवुड १९९७). हॅन्सेल एट अल. (२००९) यांनी केलेल्या आणखी एका अभ्यासातून असे दिसून आले की प्रथिने केमोटॅक्टिक आहे, परंतु त्याचा ऱ्हास होण्याचा दर जास्त आहे. (२०११) मध्ये स्यूडोमोनास (पी. पुटिडा) चा वायूयुक्त नॅप्थालीनला केमोटॅक्टिक प्रतिसाद दाखवण्यात आला, ज्यामध्ये वायू फेज प्रसारामुळे पेशींमध्ये नॅप्थालीनचा स्थिर प्रवाह झाला, ज्यामुळे पेशींच्या केमोटॅक्टिक प्रतिसादावर नियंत्रण ठेवले गेले. संशोधकांनी या केमोटॅक्टिक वर्तनाचा वापर सूक्ष्मजीवांना अभियांत्रिकी करण्यासाठी केला ज्यामुळे क्षय होण्याचा दर वाढेल. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की केमोसेन्सरी मार्ग पेशी विभाजन, पेशी चक्र नियमन आणि बायोफिल्म निर्मिती यासारख्या इतर सेल्युलर कार्यांचे देखील नियमन करतात, ज्यामुळे क्षय होण्याचा दर नियंत्रित करण्यास मदत होते. तथापि, कार्यक्षम क्षय होण्याकरिता या गुणधर्माचा (केमोटॅक्सिस) वापर करण्यात अनेक अडथळे येतात. प्रमुख अडथळे म्हणजे: (अ) वेगवेगळे पॅरालॉगस रिसेप्टर्स समान संयुगे/लिगँड ओळखतात; (ब) पर्यायी रिसेप्टर्सचे अस्तित्व, म्हणजेच ऊर्जावान उष्णकटिबंधीयता; (क) एकाच रिसेप्टर कुटुंबातील संवेदी डोमेनमध्ये लक्षणीय क्रम फरक; आणि (ड) प्रमुख बॅक्टेरिया सेन्सर प्रथिनांबद्दल माहितीचा अभाव (ऑर्टेगा एट अल., २०१७; मार्टिन-मोरा एट अल., २०१८). कधीकधी, सुगंधी हायड्रोकार्बन्सच्या जैवविघटनामुळे अनेक मेटाबोलाइट्स/मध्यवर्ती घटक तयार होतात, जे जीवाणूंच्या एका गटासाठी केमोटॅक्टिक असू शकतात परंतु इतरांसाठी तिरस्करणीय असू शकतात, ज्यामुळे प्रक्रिया आणखी गुंतागुंतीची होते. रासायनिक रिसेप्टर्ससह लिगँड्स (सुगंधी हायड्रोकार्बन्स) च्या परस्परसंवाद ओळखण्यासाठी, आम्ही अनुक्रमे सुगंधी आम्ल, TCA इंटरमीडिएट्स आणि नॅप्थालीनसाठी रिसेप्टर्सना लक्ष्य करणारे स्यूडोमोनास पुटिडा आणि एस्चेरिचिया कोलाईच्या सेन्सर आणि सिग्नलिंग डोमेनचे फ्यूजिंग करून हायब्रिड सेन्सर प्रथिने (PcaY, McfR आणि NahY) तयार केली (Luu et al., 2019).
नॅप्थालीन आणि इतर पॉलीसायक्लिक सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (PAHs) च्या प्रभावाखाली, बॅक्टेरियाच्या पडद्याची रचना आणि सूक्ष्मजीवांची अखंडता यामध्ये लक्षणीय बदल होतात. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की नॅप्थालीन हायड्रोफोबिक परस्परसंवादाद्वारे अ‍ॅसिल साखळीच्या परस्परसंवादात व्यत्यय आणते, ज्यामुळे पडद्याची सूज आणि तरलता वाढते (सिक्केमा एट अल., १९९५). या हानिकारक परिणामाचा प्रतिकार करण्यासाठी, जीवाणू आयसो/अँटीसो ब्रँचेड-चेन फॅटी ऍसिडमधील गुणोत्तर आणि फॅटी ऍसिड रचना बदलून आणि संबंधित ट्रान्स-आयसोमरमध्ये सिस-अनसॅच्युरेटेड फॅटी ऍसिडचे आयसोमरीकरण करून पडद्याच्या तरलतेचे नियमन करतात (हेइपीपर आणि डी बोंट, १९९४). नॅप्थालीन उपचारांवर उगवलेल्या स्यूडोमोनास स्टुट्झेरीमध्ये, संतृप्त ते असंतृप्त फॅटी ऍसिड गुणोत्तर १.१ वरून २.१ पर्यंत वाढले, तर स्यूडोमोनास JS150 मध्ये हे प्रमाण ७.५ वरून १२.० पर्यंत वाढले (म्रोझिक एट अल., २००४). नॅप्थालीनवर वाढवल्यावर, अ‍ॅक्रोमोबॅक्टर केए 3-5 पेशींमध्ये नॅप्थालीन क्रिस्टल्सभोवती पेशी एकत्रीकरण दिसून आले आणि पेशींच्या पृष्ठभागाच्या चार्जमध्ये (-22.5 ते -2.5 mV) घट झाली, ज्यामध्ये सायटोप्लाज्मिक संक्षेपण आणि व्हॅक्यूलायझेशन होते, जे पेशींच्या रचनेत आणि पेशींच्या पृष्ठभागाच्या गुणधर्मांमध्ये बदल दर्शवते (मोहापात्रा आणि इतर, 2019). जरी पेशी/पृष्ठभागातील बदल थेट सुगंधी प्रदूषकांच्या चांगल्या शोषणाशी संबंधित असले तरी, संबंधित जैवअभियांत्रिकी धोरणे पूर्णपणे ऑप्टिमाइझ केलेली नाहीत. जैविक प्रक्रियांना अनुकूल करण्यासाठी पेशींच्या आकाराचे फेरफार क्वचितच वापरले गेले आहे (व्होल्के आणि निकेल, 2018). पेशी विभाजनावर परिणाम करणाऱ्या जनुकांचे हटवल्याने पेशींच्या आकारविज्ञानात बदल होतात. पेशी विभाजनावर परिणाम करणाऱ्या जनुकांचे हटवल्याने पेशींच्या आकारविज्ञानात बदल होतात. बॅसिलस सबटिलिसमध्ये, पेशी सेप्टम प्रोटीन SepF सेप्टम निर्मितीमध्ये सहभागी असल्याचे दिसून आले आहे आणि पेशी विभाजनाच्या पुढील चरणांसाठी आवश्यक आहे, परंतु ते आवश्यक जनुक नाही. बॅसिलस सबटिलिसमध्ये पेप्टाइड ग्लायकन हायड्रोलेसेस एन्कोड करणारे जीन्स हटवल्याने पेशी वाढल्या, विशिष्ट वाढीचा दर वाढला आणि एंजाइम उत्पादन क्षमता सुधारली (कुई एट अल., २०१८).
स्यूडोमोनास स्ट्रेन C5pp आणि C7 चे कार्यक्षम क्षय साध्य करण्यासाठी कार्बारिल डिग्रेडेशन मार्गाचे विभाजन प्रस्तावित केले आहे (कामिनी एट अल., २०१८). कार्बारिल बाह्य पडदा सेप्टम आणि/किंवा डिफ्यूझिबल पोरिन्सद्वारे पेरीप्लाज्मिक जागेत वाहून नेले जाते असा प्रस्ताव आहे. CH हा एक पेरीप्लाज्मिक एंजाइम आहे जो कार्बारिलचे 1-नॅफ्थॉलमध्ये हायड्रोलिसिस उत्प्रेरक करतो, जो अधिक स्थिर, अधिक हायड्रोफोबिक आणि अधिक विषारी आहे. CH पेरीप्लाझममध्ये स्थानिकीकृत आहे आणि कार्बारिलसाठी कमी आत्मीयता आहे, अशा प्रकारे 1-नॅफ्थॉलची निर्मिती नियंत्रित करते, ज्यामुळे पेशींमध्ये त्याचे संचय रोखले जाते आणि पेशींमध्ये त्याची विषाक्तता कमी होते (कामिनी एट अल., २०१८). परिणामी 1-नॅफ्थॉल विभाजन आणि/किंवा प्रसार करून आतील पडद्यावरील सायटोप्लाझममध्ये वाहून नेले जाते आणि नंतर मध्यवर्ती कार्बन मार्गात पुढील चयापचयासाठी उच्च-अ‍ॅफिनिटी एंजाइम 1NH द्वारे 1,2-डायहायड्रॉक्सीनाफ्थालीनमध्ये हायड्रॉक्सिलेटेड केले जाते.
जरी सूक्ष्मजीवांमध्ये झेनोबायोटिक कार्बन स्रोतांचे विघटन करण्याची अनुवांशिक आणि चयापचय क्षमता असते, तरी त्यांच्या वापराची श्रेणीबद्ध रचना (म्हणजेच, जटिल कार्बन स्रोतांपेक्षा साध्या स्त्रोतांचा प्राधान्याने वापर) ही जैवविघटनासाठी एक प्रमुख अडथळा आहे. साध्या कार्बन स्रोतांची उपस्थिती आणि वापर PAH सारख्या जटिल/नसलेल्या कार्बन स्रोतांचे विघटन करणाऱ्या एन्झाइम्सना एन्कोड करणारे जीन्स कमी करते. एक चांगले अभ्यासलेले उदाहरण म्हणजे जेव्हा ग्लुकोज आणि लैक्टोज एस्चेरिचिया कोलाईला एकत्रितपणे दिले जातात तेव्हा लैक्टोजपेक्षा ग्लुकोजचा वापर अधिक कार्यक्षमतेने केला जातो (जेकब आणि मोनोड, 1965). स्यूडोमोनास विविध PAH आणि झेनोबायोटिक संयुगे कार्बन स्रोत म्हणून विघटित करत असल्याचे नोंदवले गेले आहे. स्यूडोमोनासमध्ये कार्बन स्रोत वापराची श्रेणीबद्धता सेंद्रिय आम्ल > ग्लुकोज > सुगंधी संयुगे (हायलेमन आणि फिब्स, 1972; कॉलियर एट अल., 1996) आहे. तथापि, एक अपवाद आहे. मनोरंजकपणे, स्यूडोमोनास sp. CSV86 मध्ये एक अद्वितीय श्रेणीबद्ध रचना आहे जी ग्लुकोजऐवजी सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (बेंझोइक अॅसिड, नॅप्थालीन इ.) चा वापर करते आणि सेंद्रिय आम्लांसह सुगंधी हायड्रोकार्बन्सचे सह-चयापचय करते (बासू एट अल., २००६). या जीवाणूमध्ये, ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्ल सारख्या दुसऱ्या कार्बन स्रोताच्या उपस्थितीतही सुगंधी हायड्रोकार्बन्सच्या ऱ्हास आणि वाहतुकीसाठी जनुके कमी केली जात नाहीत. ग्लुकोज आणि सुगंधी हायड्रोकार्बन्स माध्यमात वाढवताना, असे आढळून आले की ग्लुकोज वाहतूक आणि चयापचयासाठी जनुके कमी केली गेली होती, पहिल्या लॉग टप्प्यात सुगंधी हायड्रोकार्बन्सचा वापर केला गेला आणि दुसऱ्या लॉग टप्प्यात ग्लुकोजचा वापर केला गेला (बासू एट अल., २००६; चौधरी एट अल., २०१७). दुसरीकडे, सेंद्रिय आम्लांच्या उपस्थितीमुळे सुगंधी हायड्रोकार्बन चयापचयाच्या अभिव्यक्तीवर परिणाम झाला नाही, म्हणून हा जीवाणू बायोडिग्रेडेशन अभ्यासासाठी उमेदवार स्ट्रेन असण्याची अपेक्षा आहे (फले एट अल., २०२०).
हायड्रोकार्बन बायोट्रान्सफॉर्मेशनमुळे सूक्ष्मजीवांमध्ये ऑक्सिडेटिव्ह ताण आणि अँटिऑक्सिडंट एन्झाईम्सचे अपरेग्युलेशन होऊ शकते हे सर्वज्ञात आहे. स्थिर टप्प्यातील पेशींमध्ये आणि विषारी संयुगांच्या उपस्थितीत अकार्यक्षम नॅप्थालीन बायोडिग्रेडेशनमुळे रिअॅक्टिव्ह ऑक्सिजन प्रजाती (ROS) तयार होतात (कांग एट अल. २००६). नॅप्थालीन-डिग्रेडिंग एन्झाईम्समध्ये लोह-सल्फर क्लस्टर असल्याने, ऑक्सिडेटिव्ह ताणाखाली, हेममधील लोह आणि लोह-सल्फर प्रथिने ऑक्सिडायझ होतील, ज्यामुळे प्रथिने निष्क्रिय होतील. फेरेडॉक्सिन-NADP+ रिडक्टेस (Fpr), सुपरऑक्साइड डिसम्युटेज (SOD) सोबत, NADP+/NADPH आणि फेरेडॉक्सिन किंवा फ्लेव्होडॉक्सिनच्या दोन रेणूंमधील उलट करता येणारी रेडॉक्स प्रतिक्रिया मध्यस्थी करते, ज्यामुळे ROS साफ होते आणि ऑक्सिडेटिव्ह ताणाखाली लोह-सल्फर केंद्र पुनर्संचयित होते (ली एट अल. २००६). असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनासमधील Fpr आणि SodA (SOD) दोन्ही ऑक्सिडेटिव्ह ताणामुळे होऊ शकतात आणि नॅप्थालीन-जोडलेल्या परिस्थितीत वाढीदरम्यान चार स्यूडोमोनास स्ट्रेन (O1, W1, As1, आणि G1) मध्ये SOD आणि कॅटालेस क्रियाकलापांमध्ये वाढ दिसून आली (कांग एट अल., २००६). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की एस्कॉर्बिक अॅसिड किंवा फेरस आयर्न (Fe2+) सारख्या अँटीऑक्सिडंट्सची भर नॅप्थालीनच्या वाढीचा दर वाढवू शकते. जेव्हा रोडोकोकस एरिथ्रोपोलिस नॅप्थालीन माध्यमात वाढला, तेव्हा ऑक्सिडेटिव्ह ताणाशी संबंधित सायटोक्रोम P450 जनुकांचे ट्रान्सक्रिप्शन ज्यामध्ये sodA (Fe/Mn सुपरऑक्साइड डिसम्युटेज), sodC (Cu/Zn सुपरऑक्साइड डिसम्युटेज) आणि recA यांचा समावेश होता (साझीकिन एट अल., २०१९). नॅप्थालीनमध्ये संवर्धित केलेल्या स्यूडोमोनास पेशींच्या तुलनात्मक परिमाणात्मक प्रोटीओमिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की ऑक्सिडेटिव्ह ताण प्रतिसादाशी संबंधित विविध प्रथिनांचे अपरेग्युलेशन ही ताणाचा सामना करण्याची रणनीती आहे (हर्बस्ट एट अल., २०१३).
सूक्ष्मजीव हायड्रोफोबिक कार्बन स्रोतांच्या कृतीखाली बायोसर्फॅक्टंट्स तयार करतात असे नोंदवले गेले आहे. हे सर्फॅक्टंट्स अँफिफिलिक पृष्ठभागावर सक्रिय संयुगे आहेत जे तेल-पाणी किंवा हवा-पाणी इंटरफेसवर एकत्रितपणे तयार करू शकतात. हे छद्म-विद्राव्यीकरणाला प्रोत्साहन देते आणि सुगंधी हायड्रोकार्बन्सचे शोषण सुलभ करते, परिणामी कार्यक्षम जैवविघटन होते (रहमान एट अल., २००२). या गुणधर्मांमुळे, विविध उद्योगांमध्ये बायोसर्फॅक्टंट्सचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. बॅक्टेरियाच्या संस्कृतींमध्ये रासायनिक सर्फॅक्टंट्स किंवा बायोसर्फॅक्टंट्स जोडल्याने हायड्रोकार्बन क्षय होण्याची कार्यक्षमता आणि दर वाढू शकतो. बायोसर्फॅक्टंट्समध्ये, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा द्वारे उत्पादित रॅमनोलिपिड्सचा विस्तृत अभ्यास आणि वैशिष्ट्यीकरण केले गेले आहे (हिसात्सुका एट अल., १९७१; रहमान एट अल., २००२). याव्यतिरिक्त, इतर प्रकारच्या बायोसर्फॅक्टंट्समध्ये लिपोपेप्टाइड्स (स्यूडोमोनास फ्लोरेसेन्समधील म्यूकिन्स), इमल्सीफायर 378 (स्यूडोमोनास फ्लोरेसेन्समधील) (रोझेनबर्ग आणि रॉन, 1999), रोडोकोकसमधील ट्रेहॅलोज डायसॅकराइड लिपिड्स (रॅमडाहल, 1985), बॅसिलसमधील लाइकेनिन (सरस्वती आणि हॉलबर्ग, 2002), आणि बॅसिलस सबटिलिसमधील सर्फॅक्टंट (सीगमंड आणि वॅग्नर, 1991) आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसिएन्स (झी एट अल., 2017) यांचा समावेश आहे. हे शक्तिशाली सर्फॅक्टंट्स पृष्ठभागावरील ताण 72 डायन/सेमी वरून 30 डायन/सेमी पेक्षा कमी करण्यासाठी दर्शविले गेले आहेत, ज्यामुळे हायड्रोकार्बनचे चांगले शोषण होते. असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनास, बॅसिलस, रोडोकोकस, बर्खोल्डेरिया आणि इतर जिवाणू प्रजाती नॅप्थालीन आणि मिथाइलनॅप्थालीन माध्यमांमध्ये वाढवल्यावर विविध रॅम्नोलिपिड आणि ग्लायकोलिपिड-आधारित बायोसर्फॅक्टंट तयार करू शकतात (कांगा एट अल., १९९७; पंटस एट अल., २००५). स्यूडोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 नॅप्थाइल अॅसिड (फेले एट अल., १९९५) सारख्या सुगंधी संयुगांवर वाढवल्यावर बाह्य पेशीय बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट बायोसर्फॅक्टंट तयार करू शकते. असे आढळून आले की तटस्थ pH वर पेशींद्वारे उत्पादित बायोसर्फॅक्टंटचे प्रमाण pH 8.5 पेक्षा जास्त होते. pH 8.5 वर वाढवलेल्या पेशी अधिक हायड्रोफोबिक होत्या आणि pH 7.0 वर वाढवलेल्या पेशींपेक्षा सुगंधी आणि अ‍ॅलिफॅटिक संयुगांसाठी जास्त आत्मीयता होती. रोडोकोकस एसपीपीमध्ये. बाह्य पेशीय बायोसर्फॅक्टंट्सच्या उत्पादनासाठी N6, उच्च कार्बन ते नायट्रोजन (C:N) गुणोत्तर आणि लोह मर्यादा ही इष्टतम परिस्थिती आहे (मुतालिक एट अल., २००८). स्ट्रेन आणि किण्वन अनुकूल करून बायोसर्फॅक्टंट्स (सर्फॅक्टिन्स) चे जैवसंश्लेषण सुधारण्याचे प्रयत्न केले गेले आहेत. तथापि, कल्चर माध्यमात सर्फॅक्टंटचे टायटर कमी (१.० ग्रॅम/लिटर) आहे, जे मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी आव्हान निर्माण करते (जियाओ एट अल., २०१७; वू एट अल., २०१९). म्हणून, त्याचे जैवसंश्लेषण सुधारण्यासाठी अनुवांशिक अभियांत्रिकी पद्धती वापरल्या गेल्या आहेत. तथापि, ऑपेरॉनचा मोठा आकार (~२५ केबी) आणि कोरम सेन्सिंग सिस्टमच्या जटिल बायोसिंथेटिक नियमनामुळे त्याचे अभियांत्रिकी बदल कठीण आहे (जियाओ एट अल., २०१७; वू एट अल., २०१९). बॅसिलस बॅक्टेरियामध्ये अनेक अनुवांशिक अभियांत्रिकी बदल केले गेले आहेत, ज्याचा उद्देश प्रामुख्याने प्रमोटर (srfA ऑपेरॉन) बदलून सर्फॅक्टिन उत्पादन वाढवणे, सर्फॅक्टिन निर्यात प्रथिने YerP आणि नियामक घटक ComX आणि PhrC (जियाओ एट अल., २०१७) यांचे अतिरेक करणे हा आहे. तथापि, या अनुवांशिक अभियांत्रिकी पद्धतींनी फक्त एक किंवा काही अनुवांशिक बदल साध्य केले आहेत आणि अद्याप व्यावसायिक उत्पादनापर्यंत पोहोचलेले नाहीत. म्हणून, ज्ञान-आधारित ऑप्टिमायझेशन पद्धतींचा पुढील अभ्यास आवश्यक आहे.
PAH बायोडिग्रेडेशन अभ्यास प्रामुख्याने मानक प्रयोगशाळेच्या परिस्थितीत केले जातात. तथापि, दूषित ठिकाणी किंवा दूषित वातावरणात, अनेक अजैविक आणि जैविक घटक (तापमान, pH, ऑक्सिजन, पोषक तत्वांची उपलब्धता, सब्सट्रेट जैवउपलब्धता, इतर झेनोबायोटिक्स, अंतिम उत्पादन प्रतिबंध, इ.) सूक्ष्मजीवांच्या क्षीण क्षमतेत बदल आणि प्रभाव पाडतात असे दिसून आले आहे.
तापमानाचा PAH बायोडिग्रेडेशनवर लक्षणीय परिणाम होतो. तापमान वाढते तसे, विरघळलेल्या ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी होते, जे एरोबिक सूक्ष्मजीवांच्या चयापचयवर परिणाम करते, कारण त्यांना हायड्रॉक्सिलेशन किंवा रिंग क्लीवेज प्रतिक्रिया करणाऱ्या ऑक्सिजनेसेससाठी एक सब्सट्रेट म्हणून आण्विक ऑक्सिजनची आवश्यकता असते. हे अनेकदा लक्षात येते की वाढलेले तापमान मूळ PAH चे अधिक विषारी संयुगांमध्ये रूपांतर करते, ज्यामुळे जैवडिग्रेडेशन रोखले जाते (मुलर एट अल., १९९८).
असे आढळून आले आहे की अनेक PAH दूषित ठिकाणी अत्यधिक pH मूल्ये असतात, जसे की आम्ल खाणीतील ड्रेनेज दूषित जागा (pH 1–4) आणि अल्कधर्मी लीचेटने दूषित नैसर्गिक वायू/कोळसा वायूकरण जागा (pH 8–12). या परिस्थिती जैवविघटन प्रक्रियेवर गंभीर परिणाम करू शकतात. म्हणून, जैवउपचारासाठी सूक्ष्मजीवांचा वापर करण्यापूर्वी, अल्कधर्मी मातीसाठी अमोनियम सल्फेट किंवा अमोनियम नायट्रेट सारखी योग्य रसायने (मध्यम ते खूप कमी ऑक्सिडेशन-कपात क्षमता असलेले) किंवा आम्लयुक्त ठिकाणी कॅल्शियम कार्बोनेट किंवा मॅग्नेशियम कार्बोनेटसह चुना घालून pH समायोजित करण्याची शिफारस केली जाते (बोलेन एट अल. 1995; गुप्ता आणि सार 2020).
प्रभावित क्षेत्राला ऑक्सिजनचा पुरवठा हा PAH बायोडिग्रेडेशनसाठी दर मर्यादित करणारा घटक आहे. पर्यावरणाच्या रेडॉक्स परिस्थितीमुळे, इन सिटू बायोरिमेडिएशन प्रक्रियांना सहसा बाह्य स्रोतांकडून ऑक्सिजनचा परिचय आवश्यक असतो (टिलिंग, एअर स्पार्जिंग आणि रासायनिक जोडणी) (पार्डीक एट अल., १९९२). ओडेनक्रांझ एट अल. (१९९६) यांनी दाखवून दिले की दूषित जलचरात मॅग्नेशियम पेरोक्साइड (ऑक्सिजन सोडणारे संयुग) जोडल्याने BTEX संयुगे प्रभावीपणे बायोरिमेडिएट होऊ शकतात. दुसऱ्या अभ्यासात सोडियम नायट्रेट इंजेक्ट करून आणि प्रभावी बायोरिमेडिएशन साध्य करण्यासाठी एक्सट्रॅक्शन विहिरी बांधून दूषित जलचरात फिनॉल आणि BTEX च्या इन सिटू डिग्रेडेशनचा तपास करण्यात आला (ब्यूली आणि वेब, २००१).