हा लेख “प्रगत जैवउपचार तंत्रज्ञान आणि संश्लेषित सेंद्रिय संयुगे (SOC) पुनर्वापर प्रक्रिया” या संशोधन विषयाचा भाग आहे. सर्व १४ लेख पहा.
कमी रेण्वीय वजनाचे पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (PAHs), जसे की नॅफ्थलीन आणि प्रतिस्थापित नॅफ्थलीन (मिथाइलनॅफ्थलीन, नॅफ्थोइक ॲसिड, १-नॅफ्थिल-एन-मिथाइलकार्बामेट, इत्यादी), विविध उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात आणि ते सजीवांसाठी जनुकीय विषारी (genotoxic), उत्परिवर्तनकारी (mutagenic) आणि/किंवा कर्करोगजनक (carcinogenic) असतात. ही संश्लेषित सेंद्रिय संयुगे (SOCs) किंवा झेनोबायोटिक्स (xenobiotics) प्राधान्यक्रमाचे प्रदूषक मानली जातात आणि जागतिक पर्यावरण व सार्वजनिक आरोग्यासाठी गंभीर धोका निर्माण करतात. मानवी क्रियाकलापांची तीव्रता (उदा. कोळसा वायूकरण, तेल शुद्धीकरण, वाहनांचे उत्सर्जन आणि कृषी वापर) या सर्वव्यापी आणि दीर्घकाळ टिकणाऱ्या संयुगांची सांद्रता, अंतिम स्थिती आणि वहन निश्चित करते. भौतिक आणि रासायनिक उपचार/निराकरण पद्धतींव्यतिरिक्त, बायोरेमेडिएशनसारखे हरित आणि पर्यावरणपूरक तंत्रज्ञान एक सुरक्षित, किफायतशीर आणि आश्वासक पर्याय म्हणून उदयास आले आहे. या तंत्रज्ञानामध्ये POCs चे पूर्णपणे विघटन करण्यास किंवा त्यांना बिनविषारी उप-उत्पादनांमध्ये रूपांतरित करण्यास सक्षम असलेल्या सूक्ष्मजीवांचा वापर केला जातो. मातीतील सूक्ष्मजीवांमध्ये आढळणाऱ्या प्रोटिओबॅक्टेरिया (स्यूडोमोनास, कोमोनास, बर्खोल्डेरिया आणि निओस्फिंगोबॅक्टेरियम), फर्मिक्युट्स (बॅसिलस आणि पेनिबॅसिलस) आणि ॲक्टिनोबॅक्टेरिया (ऱ्होडोकोकस आणि आर्थ्रोबॅक्टर) या संघांमधील विविध जिवाणू प्रजातींनी विविध सेंद्रिय संयुगांचे विघटन करण्याची क्षमता दर्शविली आहे. चयापचय अभ्यास, जीनोमिक्स आणि मेटाजीनोमिक विश्लेषण आपल्याला या साध्या जीवस्वरूपांमध्ये असलेल्या अपचय क्रियेतील गुंतागुंत आणि विविधता समजून घेण्यास मदत करतात, ज्याचा उपयोग कार्यक्षम जैवविघटनासाठी पुढे केला जाऊ शकतो. PAHs च्या दीर्घकालीन अस्तित्वामुळे प्लाझमिड्स, ट्रान्सपोझोन्स, बॅक्टेरिओफेजेस, जीनोमिक आयलँड्स आणि इंटिग्रेटिव्ह कॉन्जुगेटिव्ह एलिमेंट्स यांसारख्या जनुकीय घटकांचा वापर करून होणाऱ्या हॉरिझॉन्टल जीन ट्रान्सफरद्वारे विघटनाचे नवीन प्रकार उदयास आले आहेत. सिस्टीम्स बायोलॉजी आणि विशिष्ट आयसोलेट्स किंवा मॉडेल समुदायांचे (कन्सोर्टिया) जनुकीय अभियांत्रिकी, सहक्रियात्मक प्रभावांद्वारे या PAHs चे व्यापक, जलद आणि कार्यक्षम जैवउपचार शक्य करू शकते. या आढाव्यात, आम्ही नॅप्थॅलीन आणि प्रतिस्थापित नॅप्थॅलीनचे विघटन करणाऱ्या जीवाणूंचे विविध चयापचय मार्ग आणि विविधता, अनुवांशिक रचना आणि विविधता, तसेच पेशीय प्रतिसाद/अनुकूलन यांवर लक्ष केंद्रित करतो. यामुळे क्षेत्रीय उपयोगासाठी आणि कार्यक्षम जैवउपचारांकरिता जीवाणू प्रजातींचे अनुकूलन करण्यासाठी पर्यावरणीय माहिती मिळेल.
उद्योगांच्या (पेट्रोकेमिकल्स, कृषी, औषधनिर्माण, वस्त्ररंग, सौंदर्यप्रसाधने इत्यादी) जलद विकासामुळे जागतिक आर्थिक समृद्धीला हातभार लागला आहे आणि राहणीमान सुधारले आहे. या प्रचंड विकासामुळे मोठ्या संख्येने संश्लेषित सेंद्रिय संयुगे (SOCs) तयार झाली आहेत, ज्यांचा उपयोग विविध उत्पादनांच्या निर्मितीसाठी केला जातो. या बाह्य संयुगांमध्ये किंवा SOCs मध्ये पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (PAHs), कीटकनाशके, तणनाशके, प्लॅस्टिकायझर्स, रंग, औषधे, ऑर्गनोफॉस्फेट्स, ज्वाला-प्रतिरोधक, बाष्पशील सेंद्रिय द्रावके इत्यादींचा समावेश होतो. त्यांचे उत्सर्जन वातावरणात, जलीय आणि भू-इकोसिस्टममध्ये होते, जिथे त्यांचे बहुआयामी परिणाम होतात. भौतिक-रासायनिक गुणधर्म आणि समुदायाच्या संरचनेत बदल घडवून आणून ते विविध जैवस्वरूपांवर हानिकारक परिणाम करतात (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). अनेक सुगंधी प्रदूषकांचा अनेक अखंड परिसंस्था/जैवविविधता हॉटस्पॉट्सवर (उदा. प्रवाळ बेटे, आर्क्टिक/अंटार्क्टिक बर्फाचे थर, उंच पर्वतीय सरोवरे, खोल समुद्रातील गाळ, इत्यादी) तीव्र आणि विनाशकारी परिणाम होतो (जोन्स २०१०; बेयर आणि इतर २०२०; नॉर्डबोर्ग आणि इतर २०२०). अलीकडील भू-सूक्ष्मजैविक अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की कृत्रिम सेंद्रिय पदार्थांचे (उदा. सुगंधी प्रदूषक) आणि त्यांच्या व्युत्पन्नांचे कृत्रिम संरचनांच्या (उदा. ग्रॅनाइट, दगड, लाकूड आणि धातूपासून बनवलेली सांस्कृतिक वारसा स्थळे आणि स्मारके) पृष्ठभागांवर साचल्याने त्यांच्या ऱ्हासाला गती मिळते (गॅड २०१७; लिऊ आणि इतर २०१८). मानवी क्रियाकलापांमुळे वायू प्रदूषण आणि हवामान बदलाद्वारे स्मारके आणि इमारतींचा जैविक ऱ्हास तीव्र आणि अधिक गंभीर होऊ शकतो (लिऊ आणि इतर २०२०). हे सेंद्रिय प्रदूषक वातावरणातील पाण्याच्या वाफेशी अभिक्रिया करतात आणि संरचनेवर स्थिरावतात, ज्यामुळे त्या पदार्थाचा भौतिक आणि रासायनिक ऱ्हास होतो. जैविक विघटन म्हणजे सजीवांमुळे पदार्थांच्या स्वरूपात आणि गुणधर्मांमध्ये होणारे अवांछित बदल, जे त्यांच्या संरक्षणावर परिणाम करतात (पोचॉन आणि जॅटन, १९६७). या संयुगांच्या पुढील सूक्ष्मजैविक क्रियेमुळे (चयापचय) संरचनात्मक अखंडता, संवर्धनाची परिणामकारकता आणि सांस्कृतिक मूल्य कमी होऊ शकते (गॅड, २०१७; लिऊ इत्यादी, २०१८). दुसरीकडे, काही प्रकरणांमध्ये, या संरचनांशी जुळवून घेणे आणि त्यांना प्रतिसाद देणे फायदेशीर असल्याचे आढळून आले आहे, कारण ते बायोफिल्म आणि इतर संरक्षक कवच तयार करतात, ज्यामुळे क्षय/विघटनाचा दर कमी होतो (मार्टिनो, २०१६). म्हणून, दगड, धातू आणि लाकडी स्मारकांसाठी प्रभावी दीर्घकालीन शाश्वत संवर्धन धोरणे विकसित करण्यासाठी, या प्रक्रियेत सामील असलेल्या मुख्य प्रक्रियांची सखोल माहिती असणे आवश्यक आहे. नैसर्गिक प्रक्रियांच्या (भूवैज्ञानिक प्रक्रिया, वणवे, ज्वालामुखीचा उद्रेक, वनस्पती आणि जिवाणूंच्या प्रतिक्रिया) तुलनेत, मानवी क्रियाकलापांमुळे परिसंस्थेमध्ये मोठ्या प्रमाणात पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (PAHs) आणि इतर सेंद्रिय कार्बन (OC) सोडले जातात. शेतीमध्ये वापरले जाणारे अनेक PAHs (कीटकनाशके आणि जंतुनाशके जसे की डीडीटी, ॲट्राझीन, कार्बॅरिल, पेंटाक्लोरोफेनॉल, इत्यादी), उद्योग (कच्चे तेल, तेलाचा गाळ/कचरा, पेट्रोलियम-आधारित प्लॅस्टिक, पीसीबी, प्लॅस्टिकायझर्स, डिटर्जंट, जंतुनाशके, धुरीकरण, सुगंध आणि संरक्षक), वैयक्तिक काळजी उत्पादने (सनस्क्रीन, जंतुनाशके, कीटक प्रतिबंधक आणि पॉलीसायक्लिक मस्क) आणि दारुगोळा (स्फोटक जसे की २,४,६-टीएनटी) हे संभाव्य झेनोबायोटिक्स आहेत जे ग्रहाच्या आरोग्यावर परिणाम करू शकतात (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). या यादीमध्ये पेट्रोलियम-आधारित संयुगे (इंधन तेल, वंगण, ॲस्फाल्टेन्स), उच्च आण्विक वजनाचे बायोप्लास्टिक आणि आयोनिक लिक्विड्स यांचा समावेश करण्यासाठी विस्तार केला जाऊ शकतो (Amde et al., 2015). सारणी १ मध्ये विविध सुगंधी प्रदूषके आणि विविध उद्योगांमधील त्यांचे उपयोग सूचीबद्ध केले आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, अस्थिर सेंद्रिय संयुगे, तसेच कार्बन डायऑक्साइड आणि इतर हरितगृह वायूंचे मानवनिर्मित उत्सर्जन वाढू लागले आहे (ड्वोरॅक इत्यादी, २०१७). तथापि, मानवनिर्मित परिणाम नैसर्गिक परिणामांपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहेत. याव्यतिरिक्त, आम्हाला असे आढळले की अनेक SOCs (सेंद्रिय सेंद्रिय संयुगे) अनेक पर्यावरणीय वातावरणात टिकून राहतात आणि त्यांना जीवसमूहांवर (biomes) प्रतिकूल परिणाम करणारे उदयोन्मुख प्रदूषक म्हणून ओळखले गेले आहे (आकृती १). युनायटेड स्टेट्स एन्व्हायर्नमेंटल प्रोटेक्शन एजन्सी (USEPA) सारख्या पर्यावरण संस्थांनी यापैकी अनेक प्रदूषकांना त्यांच्या सायटोटॉक्सिक (पेशीविषारी), जीनोटॉक्सिक (जनुकीय विषारी), म्युटाजेनिक (उत्परिवर्तनकारी) आणि कार्सिनोजेनिक (कर्करोगजनक) गुणधर्मांमुळे त्यांच्या प्राधान्य यादीत समाविष्ट केले आहे. त्यामुळे, दूषित परिसंस्थांमधून कचऱ्यावर प्रक्रिया/तोडणी करण्यासाठी कठोर विल्हेवाट नियम आणि प्रभावी धोरणांची आवश्यकता आहे. पायरोलिसिस, ऑक्सिडेटिव्ह थर्मल ट्रीटमेंट, एअर एअरेशन, लँडफिलिंग, भस्मीकरण इत्यादी विविध भौतिक आणि रासायनिक प्रक्रिया पद्धती अप्रभावी आणि खर्चिक आहेत आणि त्यातून क्षरणकारी, विषारी आणि प्रक्रिया करण्यास कठीण असे उप-उत्पादने निर्माण होतात. जागतिक स्तरावर वाढत्या पर्यावरणीय जागरूकतेमुळे, या प्रदूषकांचे आणि त्यांच्या व्युत्पन्नांचे (जसे की हॅलोजनेटेड, नायट्रो, अल्काइल आणि/किंवा मिथाइल) विघटन करण्यास सक्षम असलेले सूक्ष्मजीव अधिकाधिक लक्ष वेधून घेत आहेत (फेनेल इत्यादी, २००४; हरिताश आणि कौशिक, २००९; फाले इत्यादी, २०२०; सरकार इत्यादी, २०२०; श्वानेमन इत्यादी, २०२०). सुगंधी प्रदूषके काढून टाकण्यासाठी या स्थानिक संभाव्य सूक्ष्मजीवांचा एकट्याने किंवा मिश्र संवर्धनामध्ये (वसाहतींमध्ये) वापर करण्याचे पर्यावरणीय सुरक्षितता, खर्च, कार्यक्षमता, परिणामकारकता आणि शाश्वतता या दृष्टीने फायदे आहेत. संशोधक सूक्ष्मजैविक प्रक्रियांचे इलेक्ट्रोकेमिकल रेडॉक्स पद्धतींसोबत एकत्रीकरण, म्हणजेच जैवविद्युतरासायनिक प्रणाली (BES), हे प्रदूषक उपचार/निर्मूलनासाठी एक आशादायक तंत्रज्ञान म्हणून देखील शोधत आहेत (हुआंग इत्यादी, २०११). BES तंत्रज्ञानाने त्याच्या उच्च कार्यक्षमता, कमी खर्च, पर्यावरणीय सुरक्षितता, सामान्य तापमानावर कार्य करण्याची क्षमता, जैवसुसंगत सामग्री आणि मौल्यवान उप-उत्पादने (उदा. वीज, इंधन आणि रसायने) पुनर्प्राप्त करण्याच्या क्षमतेमुळे वाढते लक्ष वेधले आहे (पंत इत्यादी, २०१२; नाझारी इत्यादी, २०२०). हाय-थ्रूपुट जीनोम सिक्वेन्सिंग आणि ओमिक्स साधने/पद्धतींच्या आगमनाने विविध विघटनकारी सूक्ष्मजीवांच्या प्रतिक्रियांमधील अनुवांशिक नियमन, प्रोटिओमिक्स आणि फ्लक्सोमिक्सवर विपुल नवीन माहिती उपलब्ध झाली आहे. या साधनांना सिस्टीम्स बायोलॉजीसोबत एकत्रित केल्याने, कार्यक्षम आणि प्रभावी जैवविघटन साध्य करण्यासाठी सूक्ष्मजीवांमधील लक्ष्यित अपचय मार्गांची निवड आणि सूक्ष्म-समायोजन (म्हणजेच, मेटाबोलिक डिझाइन) याबद्दलची आपली समज अधिक वाढली आहे. योग्य उमेदवार सूक्ष्मजीवांचा वापर करून प्रभावी जैवउपचार धोरणे तयार करण्यासाठी, आपल्याला सूक्ष्मजीवांची जैवरासायनिक क्षमता, चयापचय विविधता, अनुवांशिक रचना आणि परिसंस्था (स्व-परिसंस्था/सह-परिसंस्था) समजून घेणे आवश्यक आहे.
आकृती १. विविध पर्यावरणीय परिस्थितींमधून आणि जीवसृष्टीवर परिणाम करणाऱ्या विविध घटकांमधून कमी-आण्विक PAH चे स्रोत आणि मार्ग. तुटक रेषा परिसंस्थेच्या घटकांमधील आंतरक्रिया दर्शवतात.
या आढाव्यात, आम्ही विविध जिवाणू आयसोलेट्सद्वारे नॅप्थलीन आणि प्रतिस्थापित नॅप्थलीनसारख्या साध्या PAHs च्या विघटनावरील माहितीचा सारांश देण्याचा प्रयत्न केला आहे. यामध्ये चयापचय मार्ग आणि विविधता, विघटनात सामील असलेले एन्झाइम्स, जनुकीय रचना/सामग्री आणि विविधता, पेशीय प्रतिसाद आणि जैवउपचाराच्या विविध पैलूंचा समावेश आहे. जैवरासायनिक आणि आण्विक स्तर समजून घेतल्याने, अशा प्राधान्यक्रमाच्या प्रदूषकांच्या प्रभावी जैवउपचारासाठी योग्य यजमान प्रजाती ओळखण्यास आणि त्यांच्या पुढील जनुकीय अभियांत्रिकीसाठी मदत होईल. यामुळे प्रभावी जैवउपचारासाठी स्थळ-विशिष्ट जिवाणू समूहांच्या स्थापनेसाठी धोरणे विकसित करण्यास मदत होईल.
मोठ्या संख्येने असलेल्या विषारी आणि धोकादायक ऍरोमॅटिक संयुगांची (हकेलच्या नियमाचे पालन करणारे: 4n + 2π इलेक्ट्रॉन, n = 1, 2, 3, …) उपस्थिती हवा, माती, गाळ, आणि पृष्ठभाग व भूजल यांसारख्या विविध पर्यावरणीय माध्यमांसाठी गंभीर धोका निर्माण करते (पुग्लिसी इत्यादी, २००७). या संयुगांमध्ये एकल बेंझिन रिंग (मोनोसायक्लिक) किंवा अनेक बेंझिन रिंग (पॉलीसायक्लिक) असतात, ज्या रेषीय, कोनीय किंवा समूह स्वरूपात रचलेल्या असतात आणि उच्च ऋण अनुनाद ऊर्जा व अक्रियतेमुळे पर्यावरणात स्थिरता (स्थिरता/अस्थिरता) दर्शवतात, ज्याचे स्पष्टीकरण त्यांच्या जलविरोधी गुणधर्मामुळे आणि क्षीण अवस्थेमुळे देता येते. जेव्हा ऍरोमॅटिक रिंगमध्ये पुढे मिथाइल (-CH3), कार्बोक्सिल (-COOH), हायड्रॉक्सिल (-OH), किंवा सल्फोनेट (-HSO3) गट जोडले जातात, तेव्हा ती अधिक स्थिर होते, तिला मॅक्रोमोलेक्यूल्ससाठी अधिक आकर्षण असते आणि जैविक प्रणालींमध्ये तिचा जैवसंचय होतो (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). काही कमी रेण्वीय वजनाच्या पॉलीसायक्लिक ऍरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्सना (LMWAHs), जसे की नॅप्थलीन आणि त्याचे व्युत्पन्न [मिथाइलनॅप्थलीन, नॅप्थोइक ऍसिड, नॅप्थलीनसल्फोनेट आणि १-नॅप्थिल एन-मिथाइलकार्बामेट (कार्बॅरिल)], यांना यूएस एन्व्हायर्नमेंटल प्रोटेक्शन एजन्सीने जनुविषारी (genotoxic), उत्परिवर्तनकारी (mutagenic) आणि/किंवा कर्करोगजनक (carcinogenic) म्हणून प्राधान्य सेंद्रिय प्रदूषकांच्या यादीत समाविष्ट केले आहे (Cerniglia, 1984). या वर्गातील NM-PAHs पर्यावरणात सोडल्यास अन्नसाखळीच्या सर्व स्तरांवर या संयुगांचा जैवसंचय होऊ शकतो, ज्यामुळे परिसंस्थांच्या आरोग्यावर परिणाम होतो (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
जीवसृष्टीपर्यंत PAHs पोहोचण्याचे स्रोत आणि मार्ग प्रामुख्याने माती, भूजल, पृष्ठजल, पिके आणि वातावरण यांसारख्या विविध परिसंस्थेच्या घटकांमधील स्थलांतर आणि आंतरक्रियांद्वारे होतात (एरी आणि ॲटकिन्सन, २००३). आकृती १ मध्ये परिसंस्थेतील विविध कमी रेण्वीय वजनाच्या PAHs च्या आंतरक्रिया आणि वितरण, तसेच जीवसृष्टी/मानवी संपर्कापर्यंत पोहोचण्याचे त्यांचे मार्ग दर्शविले आहेत. वायू प्रदूषणामुळे आणि वाहनांचे उत्सर्जन, औद्योगिक एक्झॉस्ट वायू (कोळसा गॅसिफिकेशन, ज्वलन आणि कोक उत्पादन) यांच्या स्थलांतरामुळे (ड्रिफ्ट) आणि त्यांच्या संचयनामुळे PAHs पृष्ठभागांवर जमा होतात. कृत्रिम कापड, रंग आणि पेंट्सचे उत्पादन; लाकूड संरक्षण; रबर प्रक्रिया; सिमेंट उत्पादन; कीटकनाशक उत्पादन; आणि कृषी वापर यांसारख्या औद्योगिक क्रिया या भू-आधारित आणि जलीय प्रणालींमधील PAHs चे प्रमुख स्रोत आहेत (बामफोर्थ आणि सिंगलटन, २००५; विक इत्यादी, २०११). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की, वीज प्रकल्प, निवासी हीटिंग, हवाई आणि रस्त्यावरील वाहतुकीचा भार आणि बांधकाम कामांमधून होणाऱ्या उत्सर्जनामुळे उपनगरीय आणि शहरी भागांतील, महामार्गांजवळील आणि मोठ्या शहरांमधील माती पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (PAHs) साठी अधिक संवेदनशील असते (सुमन इत्यादी, २०१६). (२००८) मध्ये असे दिसून आले की, अमेरिकेतील लुईझियाना राज्यातील न्यू ऑर्लिन्स येथील रस्त्यांजवळील मातीमध्ये PAHs चे प्रमाण ७१८९ μg/kg इतके जास्त होते, तर मोकळ्या जागेत ते फक्त २४०४ μg/kg होते. त्याचप्रमाणे, अमेरिकेतील अनेक शहरांमधील कोळसा वायूकरण स्थळांजवळील भागात PAHs चे प्रमाण ३०० μg/kg इतके जास्त असल्याचे नोंदवले गेले आहे (कनाली आणि हरयामा, २०००; बामफोर्थ आणि सिंगलटन, २००५). दिल्ली (शर्मा इत्यादी, २००८), आग्रा (दुबे इत्यादी, २०१४), मुंबई (कुलकर्णी आणि वेंकटरामन, २०००) आणि विशाखापट्टणम (कुलकर्णी इत्यादी, २०१४) यांसारख्या विविध भारतीय शहरांमधील मातीत पीएएचचे (PAHs) प्रमाण जास्त असल्याचे आढळून आले आहे. सुगंधी संयुगे मातीच्या कणांवर, सेंद्रिय पदार्थांवर आणि चिकणमातीच्या खनिजांवर अधिक सहजपणे शोषली जातात, त्यामुळे ती परिसंस्थेतील प्रमुख कार्बन सिंक बनतात (स्रोगी, २००७; पेंग इत्यादी, २००८). जलीय परिसंस्थेतील पीएएचचे प्रमुख स्रोत म्हणजे पर्जन्यवृष्टी (ओला/कोरडा पर्जन्यवृष्टी आणि पाण्याची वाफ), शहरी प्रवाह, सांडपाण्याचा निचरा, भूजल पुनर्भरण इत्यादी (स्रोगी, २००७). असा अंदाज आहे की सागरी परिसंस्थेतील सुमारे ८०% पीएएच (PAHs) हे पर्जन्यवृष्टी, गाळ साचणे आणि कचरा विसर्जनातून येतात (मोटले-मासेई इत्यादी, २००६; स्रोगी, २००७). पृष्ठभागावरील पाण्यात किंवा घनकचरा विल्हेवाट स्थळांमधून पाझरणाऱ्या पाण्यात पीएएचचे (PAHs) जास्त प्रमाण अखेरीस भूगर्भातील पाण्यात झिरपते, ज्यामुळे सार्वजनिक आरोग्याला मोठा धोका निर्माण होतो, कारण दक्षिण आणि आग्नेय आशियातील ७०% पेक्षा जास्त लोकसंख्या भूगर्भातील पाणी पिते (दत्तागुप्ता इत्यादी, २०१९). दत्तागुप्ता इत्यादी (२०२०) यांनी पश्चिम बंगाल, भारतातील नदी (३२) आणि भूगर्भातील पाण्याच्या (२३५) विश्लेषणावर केलेल्या एका अलीकडील अभ्यासात असे आढळून आले की अंदाजे ५३% शहरी रहिवासी आणि ४४% ग्रामीण रहिवासी (एकूण २० दशलक्ष रहिवासी) नॅफ्थलीन (४.९–१०.६ μg/L) आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्हजच्या संपर्कात येऊ शकतात. जमिनीच्या वापराच्या विविध पद्धती आणि भूजल उपसा हे भूगर्भात कमी आण्विक वजनाच्या PAHs च्या उभ्या वहनावर (अभिवहन) नियंत्रण ठेवणारे मुख्य घटक मानले जातात. नदी खोऱ्यांमध्ये आणि भूगर्भातील गाळात शेतीतील वाहून जाणारे पाणी, नगरपालिका आणि औद्योगिक सांडपाण्याचा निचरा, तसेच घनकचऱ्याचा निचरा यांवर PAHs चा परिणाम होत असल्याचे आढळून आले आहे. वातावरणातील पर्जन्यवृष्टीमुळे PAH प्रदूषण आणखी वाढते. जगभरातील नद्या/जलस्रोतांमध्ये, जसे की फ्रेझर नदी, लुआन नदी, डेन्सो नदी, मिसूरी नदी, अनाकोस्टिया नदी, एब्रो नदी आणि डेलावेअर नदी, PAHs आणि त्यांच्या अल्काइल डेरिव्हेटिव्ह्जचे (एकूण ५१) उच्च प्रमाण आढळल्याचे नोंदवले गेले आहे (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). गंगा नदीच्या खोऱ्यातील गाळात, नॅफ्थलीन आणि फेनॅन्थ्रीन हे सर्वात लक्षणीय प्रमाणात आढळले (७०% नमुन्यांमध्ये आढळले) (दत्तागुप्ता इत्यादी, २०१९). शिवाय, अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की पिण्याच्या पाण्याच्या क्लोरीनीकरणामुळे अधिक विषारी ऑक्सिजनेटेड आणि क्लोरीनेटेड पीएएच (PAHs) तयार होऊ शकतात (मनोली आणि समारा, १९९९). दूषित माती, भूजल आणि पर्जन्यातून वनस्पतींद्वारे शोषले गेल्यामुळे पीएएच (PAHs) तृणधान्ये, फळे आणि भाज्यांमध्ये जमा होतात (फिस्मेस इत्यादी, २००२). मासे, शिंपले, कालवे आणि कोळंबी यांसारखे अनेक जलचर दूषित अन्न आणि समुद्राचे पाणी खाल्ल्याने, तसेच ऊती आणि त्वचेद्वारे पीएएच (PAHs) ने दूषित होतात (मॅके आणि फ्रेझर, २०००). ग्रिलिंग, रोस्टिंग, स्मोकिंग, फ्रायिंग, ड्रायिंग, बेकिंग आणि कोळशावर शिजवणे यांसारख्या स्वयंपाक/प्रक्रिया पद्धतींमुळे देखील अन्नामध्ये लक्षणीय प्रमाणात पीएएच (PAHs) येऊ शकतात. हे मुख्यत्वेकरून धूम्रपानासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पदार्थाची निवड, फिनोलिक/ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बनचे प्रमाण, स्वयंपाकाची पद्धत, हीटरचा प्रकार, आर्द्रतेचे प्रमाण, ऑक्सिजनचा पुरवठा आणि ज्वलनाचे तापमान यांवर अवलंबून असते (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (PAHs) दुधामध्ये वेगवेगळ्या प्रमाणांमध्ये (0.75–2.1 mg/L) आढळून आले आहेत (Girelli et al., 2014). अन्नामध्ये या PAHs चा संचय अन्नाच्या भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांवर देखील अवलंबून असतो, तर त्यांचे विषारी परिणाम शारीरिक कार्ये, चयापचय क्रिया, शोषण, वितरण आणि शरीरातील वितरणाशी संबंधित असतात (Mechini et al., 2011).
पॉलीसायक्लिक ऍरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्सची (PAHs) विषारीता आणि हानिकारक परिणाम बऱ्याच काळापासून ज्ञात आहेत (चेर्निग्लिया, १९८४). कमी आण्विक वजनाचे पॉलीसायक्लिक ऍरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (LMW-PAHs) (दोन ते तीन वलये असलेले) डीएनए, आरएनए आणि प्रथिने यांसारख्या विविध महाअणूंना सहसंयुजी बंधाने बांधू शकतात आणि ते कर्करोगजन्य असतात (सांतारेली इत्यादी, २००८). त्यांच्या हायड्रोफोबिक (जलविरोधी) स्वरूपामुळे, ते लिपिड पटलांद्वारे वेगळे केले जातात. मानवामध्ये, सायटोक्रोम P450 मोनोऑक्सिजेनेस हे PAHs चे ऑक्सिडीकरण करून इपॉक्साइड्स तयार करतात, त्यापैकी काही अत्यंत क्रियाशील असतात (उदा., बेडिओल इपॉक्साइड) आणि सामान्य पेशींचे घातक पेशींमध्ये रूपांतर करू शकतात (मार्स्टन इत्यादी, २००१). याव्यतिरिक्त, क्विनोन्स, फिनॉल्स, इपॉक्साइड्स, डायऑल्स इत्यादी PAHs ची रूपांतरित उत्पादने मूळ संयुगांपेक्षा अधिक विषारी असतात. काही PAHs आणि त्यांचे चयापचय मध्यस्थ चयापचयातील संप्रेरके आणि विविध विकरांवर परिणाम करू शकतात, ज्यामुळे वाढ, मध्यवर्ती मज्जासंस्था, प्रजनन आणि रोगप्रतिकार प्रणालीवर प्रतिकूल परिणाम होतो (श्वेता आणि फाळे, २००५; वामसी-कृष्ण इत्यादी, २००६; ओस्टिंग इत्यादी, २००८). कमी आण्विक वजनाच्या PAHs च्या अल्पकालीन संपर्कामुळे दम्याच्या रुग्णांमध्ये फुफ्फुसांच्या कार्यात बिघाड आणि रक्ताच्या गुठळ्या होतात, तसेच त्वचा, फुफ्फुस, मूत्राशय आणि जठरांत्र कर्करोगाचा धोका वाढतो, असे नोंदवले गेले आहे (ऑलसन इत्यादी, २०१०; डिग्ज इत्यादी, २०११). प्राण्यांवरील अभ्यासातून असेही दिसून आले आहे की PAH संपर्कामुळे प्रजनन कार्य आणि विकासावर प्रतिकूल परिणाम होऊ शकतो आणि मोतीबिंदू, मूत्रपिंड व यकृताचे नुकसान आणि कावीळ होऊ शकते. डायऑल्स, इपॉक्साइड्स, क्विनोन्स आणि मुक्त मूलके (कॅटायन्स) यांसारख्या विविध PAH जैव-रूपांतरण उत्पादनांमुळे डीएनए अडक्ट्स तयार होतात, असे दिसून आले आहे. स्थिर अ‍ॅडक्ट्समुळे डीएनए प्रतिकृती यंत्रणेत बदल होतो, तर अस्थिर अ‍ॅडक्ट्स डीएनएचे डीप्युरिनेशन (मुख्यतः अ‍ॅडेनाइन आणि कधीकधी ग्वानिनमध्ये) करू शकतात; या दोन्हींमुळे अशा चुका निर्माण होऊ शकतात ज्यामुळे उत्परिवर्तन होते (श्वाइगर्ट एट अल. २००१). याव्यतिरिक्त, क्विनोन्स (बेंझो-/पॅन-) रिॲक्टिव्ह ऑक्सिजन स्पीशीज (ROS) निर्माण करू शकतात, ज्यामुळे डीएनए आणि इतर मॅक्रोमोलेक्यूल्सना प्राणघातक नुकसान होते, परिणामी ऊतींच्या कार्यावर/जीवनक्षमतेवर परिणाम होतो (इवा आणि डानुटा २०१७). पायरीन, बायफेनिल आणि नॅफ्थॅलीनच्या कमी सांद्रतेच्या दीर्घकालीन संपर्कामुळे प्रायोगिक प्राण्यांमध्ये कर्करोग झाल्याचे नोंदवले गेले आहे (डिग्स एट अल. २०१२). त्यांच्या प्राणघातक विषारीपणामुळे, बाधित/दूषित ठिकाणांवरून या पीएएचची स्वच्छता/निष्कासन करणे हे एक प्राधान्य आहे.
दूषित जागा/परिसरांमधून PAHs काढून टाकण्यासाठी विविध भौतिक आणि रासायनिक पद्धती वापरल्या गेल्या आहेत. भस्मीकरण, डीक्लोरिनेशन, UV ऑक्सिडेशन, स्थिरीकरण आणि सॉल्व्हेंट एक्सट्रॅक्शन यांसारख्या प्रक्रियांचे अनेक तोटे आहेत, ज्यात विषारी उप-उत्पादनांची निर्मिती, प्रक्रियेची गुंतागुंत, सुरक्षितता आणि नियामक समस्या, कमी कार्यक्षमता आणि उच्च खर्च यांचा समावेश आहे. तथापि, सूक्ष्मजैविक जैविक विघटन (ज्याला बायोरेमेडिएशन म्हणतात) हा एक आशादायक पर्यायी दृष्टिकोन आहे, ज्यामध्ये शुद्ध संवर्धने किंवा वसाहतींच्या स्वरूपात सूक्ष्मजीवांचा वापर केला जातो. भौतिक आणि रासायनिक पद्धतींच्या तुलनेत, ही प्रक्रिया पर्यावरणपूरक, बिनधोक, किफायतशीर आणि शाश्वत आहे. बायोरेमेडिएशन प्रभावित ठिकाणी (इन सिटू) किंवा खास तयार केलेल्या ठिकाणी (एक्स सिटू) केले जाऊ शकते आणि म्हणूनच पारंपारिक भौतिक आणि रासायनिक पद्धतींपेक्षा ही एक अधिक टिकाऊ उपचार पद्धत मानली जाते (जुहाझ आणि नायडू, 2000; आंद्रेओनी आणि जियानफ्रेडा, 2007; मेघराज इत्यादी, 2011; फाले इत्यादी, 2020; सरकार इत्यादी, 2020).
सुगंधी प्रदूषकांच्या विघटनामध्ये सामील असलेल्या सूक्ष्मजैविक चयापचय टप्प्यांची माहिती असणे, हे पर्यावरणीय आणि परिसंस्थेच्या शाश्वततेसाठी प्रचंड वैज्ञानिक आणि आर्थिक परिणाम करणारे आहे. जगभरात अंदाजे २.१×१०¹⁸ ग्रॅम कार्बन (C) गाळ आणि सेंद्रिय संयुगांमध्ये (उदा. तेल, नैसर्गिक वायू आणि कोळसा, म्हणजेच जीवाश्म इंधन) साठवलेला आहे, ज्यामुळे जागतिक कार्बन चक्रात महत्त्वपूर्ण योगदान मिळते. तथापि, जलद औद्योगिकीकरण, जीवाश्म इंधनाचे उत्खनन आणि मानवी क्रियाकलापांमुळे हे शिलावरणातील कार्बन साठे कमी होत आहेत, ज्यामुळे दरवर्षी अंदाजे ५.५×१०¹⁵ ग्रॅम सेंद्रिय कार्बन (प्रदूषक म्हणून) वातावरणात सोडला जात आहे (Gonzalez-Gaya et al., 2019). यातील बहुतेक सेंद्रिय कार्बन गाळ साचणे, वहन आणि प्रवाहाद्वारे भू-आधारित आणि सागरी परिसंस्थांमध्ये प्रवेश करतो. याव्यतिरिक्त, जीवाश्म इंधनांपासून मिळवलेले नवीन कृत्रिम प्रदूषक, जसे की प्लॅस्टिक, प्लॅस्टिकायझर्स आणि प्लॅस्टिक स्टॅबिलायझर्स (थॅलेट्स आणि त्यांचे आयसोमर्स), सागरी, माती आणि जलीय परिसंस्था तसेच त्यांच्या जीवसृष्टीला गंभीरपणे प्रदूषित करतात, ज्यामुळे जागतिक हवामान धोके अधिक गंभीर होतात. उत्तर अमेरिका आणि आग्नेय आशिया दरम्यान पॅसिफिक महासागरात विविध प्रकारचे मायक्रोप्लास्टिक्स, नॅनोप्लास्टिक्स, प्लास्टिकचे तुकडे आणि पॉलीथिलीन टेरेफ्थालेट (PET) पासून तयार झालेली त्यांची विषारी मोनोमर उत्पादने साचली आहेत, ज्यामुळे "ग्रेट पॅसिफिक गार्बेज पॅच" तयार झाला आहे आणि सागरी जीवांना हानी पोहोचत आहे (न्यूवेल इत्यादी, २०२०). वैज्ञानिक अभ्यासातून हे सिद्ध झाले आहे की, कोणत्याही भौतिक किंवा रासायनिक पद्धतींनी असे प्रदूषक/कचरा काढून टाकणे शक्य नाही. या संदर्भात, सर्वात उपयुक्त सूक्ष्मजीव ते आहेत जे प्रदूषकांचे ऑक्सिडेटिव्ह चयापचय करून कार्बन डायऑक्साइड, रासायनिक ऊर्जा आणि इतर बिनविषारी उप-उत्पादने तयार करण्यास सक्षम आहेत, जी अखेरीस इतर पोषकद्रव्य चक्र प्रक्रियांमध्ये (H, O, N, S, P, Fe, इत्यादी) प्रवेश करतात. त्यामुळे, सूक्ष्मजैविक कार्बन चक्र, निव्वळ कार्बन अंदाजपत्रक आणि भविष्यातील हवामान धोक्यांचे मूल्यांकन करण्यासाठी, सुगंधी प्रदूषकांच्या खनिजीकरणाची सूक्ष्मजैविक पर्यावरण-शरीरक्रियाविज्ञान आणि त्याचे पर्यावरणीय नियंत्रण समजून घेणे महत्त्वाचे आहे. पर्यावरणातून अशी संयुगे काढून टाकण्याची तातडीची गरज लक्षात घेता, स्वच्छ तंत्रज्ञानावर लक्ष केंद्रित करणारे विविध पर्यावरण-उद्योग उदयास आले आहेत. पर्यायाने, परिसंस्थांमध्ये साचलेल्या औद्योगिक कचऱ्याचे/टाकाऊ रसायनांचे मूल्यवर्धन (म्हणजेच कचऱ्यापासून संपत्ती निर्माण करण्याचा दृष्टिकोन) हे चक्रीय अर्थव्यवस्था आणि शाश्वत विकासाच्या उद्दिष्टांचा एक आधारस्तंभ मानले जाते (Close et al., 2012). त्यामुळे, अशा सुगंधी प्रदूषकांचे प्रभावीपणे निर्मूलन आणि जैवउपचार करण्यासाठी, विघटनासाठी संभाव्य असलेल्या या घटकांच्या चयापचय, एन्झाइमॅटिक आणि अनुवांशिक पैलू समजून घेणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे.
अनेक सुगंधी प्रदूषकांपैकी, आम्ही नॅप्थलीन आणि प्रतिस्थापित नॅप्थलीनसारख्या कमी-आण्विक-वजनाच्या PAHs कडे विशेष लक्ष देतो. ही संयुगे पेट्रोलियम-आधारित इंधने, कापड रंग, ग्राहक उत्पादने, कीटकनाशके (डासांच्या गोळ्या आणि कीटक प्रतिबंधक), प्लॅस्टिकायझर्स आणि टॅनिन यांचे प्रमुख घटक आहेत आणि म्हणूनच अनेक परिसंस्थांमध्ये ती मोठ्या प्रमाणावर आढळतात (Preuss et al., 2003). अलीकडील अहवाल जलस्तर गाळ, भूजल आणि भूगर्भातील माती, वाडोस झोन आणि नदीच्या पात्रांमध्ये नॅप्थलीनच्या सांद्रतेच्या संचयावर प्रकाश टाकतात, जे पर्यावरणात त्याच्या जैवसंचयनाचे सूचक आहे (Duttagupta et al., 2019, 2020). तक्ता २ मध्ये नॅप्थलीन आणि त्याच्या व्युत्पन्नांचे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म, उपयोग आणि आरोग्यावरील परिणाम यांचा सारांश दिला आहे. इतर उच्च-आण्विक-वजन असलेल्या PAHs च्या तुलनेत, नॅप्थलीन आणि त्याचे व्युत्पन्न कमी हायड्रोफोबिक, पाण्यात अधिक विद्राव्य आणि परिसंस्थांमध्ये व्यापकपणे वितरित असतात, त्यामुळे PAHs च्या चयापचय, अनुवंशशास्त्र आणि चयापचय विविधतेचा अभ्यास करण्यासाठी ते अनेकदा मॉडेल सब्सट्रेट म्हणून वापरले जातात. मोठ्या संख्येने सूक्ष्मजीव नॅप्थलीन आणि त्याच्या व्युत्पन्नांचे चयापचय करण्यास सक्षम आहेत आणि त्यांच्या चयापचय मार्ग, एन्झाइम्स आणि नियामक वैशिष्ट्यांबद्दल विस्तृत माहिती उपलब्ध आहे (मल्लिक एट अल., २०११; फाले एट अल., २०१९, २०२०). याव्यतिरिक्त, नॅप्थलीन आणि त्याच्या व्युत्पन्नांना त्यांच्या उच्च विपुलतेमुळे आणि जैवउपलब्धतेमुळे पर्यावरणीय प्रदूषण मूल्यांकनासाठी नमुना संयुगे म्हणून नियुक्त केले आहे. यूएस एन्व्हायर्नमेंटल प्रोटेक्शन एजन्सीच्या अंदाजानुसार, सिगारेटच्या धुरातील नॅफ्थॅलीनची सरासरी पातळी ५.१९ मायक्रोग्रॅम प्रति घनमीटर आहे, जी प्रामुख्याने अपूर्ण ज्वलनामुळे आढळते, आणि साईडस्ट्रीम स्मोकमधून ७.८ ते ४६ मायक्रोग्रॅम असते, तर क्रिओसोट आणि नॅफ्थॅलीनच्या संपर्कात आल्यास हे प्रमाण १०० ते १०,००० पट जास्त असते (प्रुस एट अल. २००३). विशेषतः नॅफ्थॅलीनमध्ये प्रजाती, प्रदेश आणि लिंगानुसार विशिष्ट श्वसनविषारीपणा आणि कर्करोगजनकता असल्याचे आढळून आले आहे. प्राण्यांवरील अभ्यासांच्या आधारे, इंटरनॅशनल एजन्सी फॉर रिसर्च ऑन कॅन्सर (IARC) ने नॅफ्थॅलीनला “संभाव्य मानवी कर्करोगजनक” (गट २ब)¹ म्हणून वर्गीकृत केले आहे. प्रतिस्थापित नॅफ्थॅलीनच्या संपर्कात आल्यास, प्रामुख्याने श्वासावाटे किंवा पॅरेंटरल (तोंडातून) सेवनाने, फुफ्फुसांच्या ऊतींना इजा होते आणि उंदीर व घुशींमध्ये फुफ्फुसांच्या ट्यूमरचे प्रमाण वाढते (नॅशनल टॉक्सिकोलॉजी प्रोग्राम २). तीव्र परिणामांमध्ये मळमळ, उलट्या, पोटदुखी, अतिसार, डोकेदुखी, गोंधळ, खूप घाम येणे, ताप, हृदयाचे ठोके वाढणे इत्यादींचा समावेश होतो. दुसरीकडे, व्यापक-स्पेक्ट्रम कार्बामेट कीटकनाशक कार्बॅरिल (१-नॅफ्थिल एन-मिथाइलकार्बामेट) हे जलीय अपृष्ठवंशीय प्राणी, उभयचर, मधमाश्या आणि मानवांसाठी विषारी असल्याचे नोंदवले गेले आहे आणि ते ॲसिटिलकोलिनस्टेरेजला प्रतिबंधित करून पक्षाघात घडवून आणते असे दिसून आले आहे (स्मल्डर्स इत्यादी, २००३; बुलेन आणि डिस्टेल, २०११). म्हणून, दूषित वातावरणात जैवउपचार धोरणे विकसित करण्यासाठी सूक्ष्मजैविक विघटन, जनुकीय नियमन, एन्झाइमॅटिक आणि पेशीय अभिक्रियांच्या यंत्रणा समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.
तक्ता २. नॅप्थलीन आणि त्याच्या व्युत्पन्नांचे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म, उपयोग, ओळखण्याच्या पद्धती आणि संबंधित आजार यांविषयी सविस्तर माहिती.
प्रदूषित परिसरांमध्ये, हायड्रोफोबिक आणि लिपोफिलिक सुगंधी प्रदूषक पर्यावरणीय मायक्रोबायोमवर (समुदायावर) विविध प्रकारचे पेशीय परिणाम घडवू शकतात, जसे की पटलाच्या प्रवाहीपणात बदल, पटलाची पारगम्यता, लिपिड बायलेअरची सूज, ऊर्जा हस्तांतरणात व्यत्यय (इलेक्ट्रॉन ट्रान्सपोर्ट चेन/प्रोटॉन मोटिव्ह फोर्स), आणि पटलाशी संबंधित प्रथिनांच्या कार्यात बदल (सिक्केमा इत्यादी, १९९५). याव्यतिरिक्त, कॅटेकॉल्स आणि क्विनोन्ससारखे काही विद्राव्य मध्यस्थ प्रतिक्रियाशील ऑक्सिजन प्रजाती (ROS) निर्माण करतात आणि डीएनए व प्रथिनांसोबत अ‍ॅडक्ट्स तयार करतात (पेनिंग इत्यादी, १९९९). अशाप्रकारे, परिसंस्थांमधील अशा संयुगांची विपुलता सूक्ष्मजीव समुदायांवर विविध शारीरिक स्तरांवर कार्यक्षम विघटक बनण्यासाठी निवडक दबाव आणते, ज्यामध्ये ग्रहण/वाहतूक, आंतरपेशीय रूपांतरण, आत्मसातीकरण/उपयोग आणि कंपार्टमेंटलायझेशन यांचा समावेश होतो.
रायबोसोमल डेटाबेस प्रोजेक्ट-II (RDP-II) च्या शोधातून असे दिसून आले की, नॅप्थॅलीन किंवा त्याच्या डेरिव्हेटिव्हजने दूषित झालेल्या मीडिया किंवा एनरिचमेंट कल्चरमधून एकूण ९२६ जिवाणू प्रजाती वेगळ्या काढण्यात आल्या. प्रोटिओबॅक्टेरिया गटामध्ये प्रतिनिधींची संख्या सर्वाधिक (n = ७५५) होती, त्यानंतर फर्मिक्युट्स (५२), बॅक्टेरॉइडेट्स (४३), ॲक्टिनोबॅक्टेरिया (३९), टेनेरिक्युट्स (१०) आणि अवर्गीकृत जिवाणू (८) होते (आकृती २). γ-प्रोटिओबॅक्टेरियाचे (स्यूडोमोनाडेल्स आणि झँथोमोनाडेल्स) प्रतिनिधी उच्च G+C सामग्रीसह (५४%) सर्व ग्रॅम-निगेटिव्ह गटांमध्ये प्रबळ होते, तर क्लोस्ट्रिडियालेस आणि बॅसिलालेस (३०%) हे कमी G+C सामग्री असलेले ग्रॅम-पॉझिटिव्ह गट होते. स्यूडोमोनास (सर्वाधिक संख्या, ३३८ प्रजाती) हे विविध प्रदूषित परिसंस्थांमध्ये (कोळशाचा डांबर, पेट्रोलियम, कच्चे तेल, गाळ, तेल गळती, सांडपाणी, सेंद्रिय कचरा आणि कचराभूमी) तसेच अखंड परिसंस्थांमध्ये (माती, नद्या, गाळ आणि भूजल) नॅफ्थलीन आणि त्याच्या मिथाइल डेरिव्हेटिव्हचे विघटन करण्यास सक्षम असल्याचे नोंदवले गेले आहे (आकृती २). शिवाय, यापैकी काही प्रदेशांच्या संवर्धन अभ्यासातून आणि मेटाजेनोमिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की, असंवर्धित लेजिओनेला आणि क्लोस्ट्रिडियम प्रजातींमध्ये विघटन क्षमता असू शकते, जे नवीन मार्ग आणि चयापचय विविधतेचा अभ्यास करण्यासाठी या जीवाणूंचे संवर्धन करण्याची गरज दर्शवते.
आकृती २. नॅप्थलीन आणि नॅप्थलीन डेरिव्हेटिव्हजने दूषित झालेल्या वातावरणातील जिवाणू प्रतिनिधींची वर्गीकरणविषयक विविधता आणि पर्यावरणीय वितरण.
विविध सुगंधी हायड्रोकार्बन-विघटन करणाऱ्या सूक्ष्मजीवांपैकी, बहुतेक कार्बन आणि ऊर्जेचा एकमेव स्रोत म्हणून नॅप्थलीनचे विघटन करण्यास सक्षम आहेत. नॅप्थलीन चयापचयामध्ये सामील असलेल्या घटनांचा क्रम स्यूडोमोनास प्रजातीसाठी वर्णन केला गेला आहे. (स्ट्रेन्स: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 आणि CSV86), स्यूडोमोनास स्टुत्झेरी AN10, स्यूडोमोनास फ्लुओरेसेन्स PC20 आणि इतर स्ट्रेन्स (ND6 आणि AS1) (महाजन इत्यादी, १९९४; रेस्निक इत्यादी, १९९६; ॲनविलर इत्यादी, २०००; बसू इत्यादी, २००३; डेनिस आणि झिल्स्ट्रा, २००४; सोटा इत्यादी, २००६; चयापचय एका बहुघटक डायऑक्सिजेनेज [नॅप्थलीन डायऑक्सिजेनेज (NDO), एक रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजेनेज] द्वारे सुरू होतो, जो आण्विक ऑक्सिजनला दुसरा सब्सट्रेट म्हणून वापरून नॅप्थलीनच्या एका ॲरोमॅटिक रिंगच्या ऑक्सिडेशनला उत्प्रेरित करतो, ज्यामुळे नॅप्थलीनचे रूपांतर सिस्-नॅप्थलीनडायऑलमध्ये होते (आकृती ३). सिस्-डायहायड्रोडायऑलचे रूपांतर होते डीहायड्रोजनेजद्वारे १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅप्थलीनचे विघटन होते. एक रिंग-क्लीव्हिंग डायऑक्सिजेनेज, १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅप्थलीन डायऑक्सिजेनेज (12DHNDO), १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅप्थलीनचे रूपांतर २-हायड्रॉक्सिक्रोमीन-२-कार्बोक्सिलिक आम्लामध्ये करते. एन्झायमॅटिक सिस-ट्रान्स आयसोमरायझेशनमुळे ट्रान्स-ओ-हायड्रॉक्सिबेन्झिलिडेनपायरूव्हेट तयार होते, ज्याचे हायड्रेटेज ॲल्डोलेजद्वारे विघटन होऊन सॅलिसिलिक ॲल्डिहाइड आणि पायरूव्हेट तयार होतात. पायरूव्हेट हे सेंद्रिय आम्ल, नॅप्थलीनच्या कार्बन सांगाड्यापासून मिळवलेले आणि मध्यवर्ती कार्बन मार्गात निर्देशित केलेले पहिले C3 संयुग होते. याव्यतिरिक्त, NAD+-अवलंबित सॅलिसिलॲल्डिहाइड डीहायड्रोजनेज, सॅलिसिलॲल्डिहाइडचे रूपांतर सॅलिसिलिक आम्लामध्ये करते. या टप्प्यावरील चयापचयाला नॅप्थलीन विघटनाचा "वरचा मार्ग" (अप्पर पाथवे) म्हणतात. हा मार्ग बहुतेक नॅप्थलीन-विघटन करणाऱ्या जीवाणूंमध्ये खूप सामान्य आहे. तथापि, काही अपवाद आहेत; उदाहरणार्थ, थर्मोफिलिक बॅसिलस हॅम्बर्गी २ मध्ये, नेफ्थलीन 2,3-डायऑक्सिजेनेज द्वारे नेफ्थलीनचे विघटन सुरू होते आणि त्यातून 2,3-डायहायड्रॉक्सिनेफ्थलीन तयार होते (ॲनविलर एट अल., 2000).
आकृती ३. नॅफ्थॅलीन, मिथाइलनॅफ्थॅलीन, नॅफ्थोइक आम्ल आणि कार्बॅरिल यांच्या विघटनाचे मार्ग. वर्तुळांकित अंक नॅफ्थॅलीन आणि त्याच्या व्युत्पन्नांचे क्रमशः पुढील उत्पादनांमध्ये रूपांतर करण्यासाठी जबाबदार असलेले एन्झाइम्स दर्शवतात. १ — नॅफ्थॅलीन डायऑक्सिजेनेज (NDO); २, सिस-डायहायड्रोडायोल डीहायड्रोजिनेज; ३, १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीन डायऑक्सिजेनेज; ४, २-हायड्रॉक्सिक्रोमीन-२-कार्बॉक्सिलिक आम्ल आयसोमरेज; ५, ट्रान्स-ओ-हायड्रॉक्सिबेन्झिलिडेनपायरूव्हेट हायड्रेटेज ॲल्डोलेज; ६, सॅलिसिलॅल्डिहाइड डीहायड्रोजिनेज; ७, सॅलिसिलेट १-हायड्रॉक्सिलेज; ८, कॅटेकोल २,३-डायऑक्सिजेनेज (C23DO); ९, २-हायड्रॉक्सिम्युकोनेट सेमीअल्डिहाइड डीहायड्रोजिनेज; १०, २-ऑक्सोपेंट-४-एनोएट हायड्रेटेज; ११, ४-हायड्रॉक्सि-२-ऑक्सोपेंटानोएट ॲल्डोलेज; १२, ॲसिटाल्डिहाइड डीहायड्रोजनेज; १३, कॅटेकोल-१,२-डायऑक्सिजेनेज (C12DO); १४, म्युकोनेट सायक्लोआयसोमरेज; १५, म्युकोनोलॅक्टोन डेल्टा-आयसोमरेज; १६, β-कीटोॲडिपेटेनोललॅक्टोन हायड्रोलेज; १७, β-कीटोॲडिपेट सक्सिनिल-CoA ट्रान्सफरेज; १८, β-कीटोॲडिपेट-CoA थायोलेज; १९, सक्सिनिल-CoA: ॲसिटिल-CoA सक्सिनिलट्रान्सफरेज; २०, सॅलिसिलेट ५-हायड्रॉक्सिलेज; २१ – जेंटिसेट १,२-डायऑक्सिजेनेज (GDO); २२, मॅलेइलपायरूव्हेट आयसोमरेज; २३, फ्युमॅरिलपायरूव्हेट हायड्रोलेज; २४, मिथाइलनॅफ्थलीन हायड्रॉक्सिलेज (NDO); 25, हायड्रॉक्सीमेथिलनॅफ्थलीन डिहायड्रोजनेज; 26, नॅफ्थाल्डिहाइड डिहायड्रोजनेज; 27, 3-फॉर्मिलसॅलिसिलिक ऍसिड ऑक्सिडेज; 28, हायड्रॉक्सीआयसोफ्थॅलेट डिकार्बॉक्सिलेज; 29, कार्बॅरिल हायड्रोलेज (CH); 30, 1-नॅफ्थॉल-2-हायड्रॉक्सिलेज.
जीव आणि त्याच्या जनुकीय रचनेनुसार, तयार झालेल्या सॅलिसिलिक ॲसिडचे पुढे चयापचय एकतर सॅलिसिलेट १-हायड्रॉक्सिलेज (S1H) वापरून कॅटेकोल मार्गाने किंवा सॅलिसिलेट ५-हायड्रॉक्सिलेज (S5H) वापरून जेंटिसेट मार्गाने होते (आकृती ३). सॅलिसिलिक ॲसिड हे नॅफ्थॅलीनच्या चयापचयातील (वरचा मार्ग) प्रमुख मध्यस्थ असल्यामुळे, सॅलिसिलिक ॲसिडपासून TCA मध्यस्थापर्यंतच्या टप्प्यांना अनेकदा खालचा मार्ग म्हटले जाते आणि जनुके एकाच ऑपेरॉनमध्ये संघटित केलेली असतात. हे सामान्यतः दिसून येते की वरच्या मार्गातील ऑपेरॉन (nah) आणि खालच्या मार्गातील ऑपेरॉन (sal) मधील जनुके सामान्य नियामक घटकांद्वारे नियंत्रित केली जातात; उदाहरणार्थ, NahR आणि सॅलिसिलिक ॲसिड प्रेरक म्हणून कार्य करतात, ज्यामुळे दोन्ही ऑपेरॉन नॅफ्थॅलीनचे पूर्णपणे चयापचय करू शकतात (Phale et al., 2019, 2020).
याव्यतिरिक्त, कॅटेकोल २,३-डायऑक्सिजेनेज (C23DO) द्वारे मेटा मार्गाने कॅटेकोलचे चक्रीय विघटन होऊन २-हायड्रॉक्सीम्युकोनेट सेमीअल्डिहाइड तयार होते (येन इत्यादी, १९८८) आणि पुढे २-हायड्रॉक्सीम्युकोनेट सेमीअल्डिहाइड हायड्रोलेजद्वारे त्याचे जलीय विघटन होऊन २-हायड्रॉक्सीपेंट-२,४-डायनोइक आम्ल तयार होते. त्यानंतर २-हायड्रॉक्सीपेंट-२,४-डायनोएटचे रूपांतर हायड्रेटेज (२-ऑक्सोपेंट-४-एनोएट हायड्रेटेज) आणि अल्डोलेज (४-हायड्रॉक्सी-२-ऑक्सोपेंटानोएट अल्डोलेज) द्वारे पायरुवेट आणि ॲसिटाल्डिहाइडमध्ये होते आणि नंतर ते मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (आकृती ३). पर्यायाने, कॅटेकोल १,२-ऑक्सिजेनेज (C12DO) द्वारे ऑर्थो मार्गाने कॅटेकोलचे चक्रीय विघटन होऊन सिस,सिस-म्युकोनेट तयार होते. म्युकोनेट सायक्लोआयसोमेरेस, म्युकोनोलॅक्टोन आयसोमेरेस आणि β-कीटोॲडिपेट-नोललॅक्टोन हायड्रोलेस हे cis,cis-म्युकोनेटचे 3-ऑक्सोॲडिपेटमध्ये रूपांतर करतात, जे सक्सिनिल-CoA आणि ॲसिटिल-CoA मार्गे मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (नोझाकी इत्यादी, 1968) (आकृती 3).
जेंटिसेट (२,५-डायहायड्रॉक्सीबेंझोएट) मार्गामध्ये, जेंटिसेट १,२-डायऑक्सिजेनेज (GDO) द्वारे ॲरोमॅटिक रिंगचे विभाजन होऊन मॅलेइलपायरूव्हेट तयार होते. या उत्पादनाचे थेट जलविश्लेषण करून पायरूव्हेट आणि मॅलेट मिळवता येतात, किंवा त्याचे आयसोमरायझेशन होऊन फ्युमरिलपायरूव्हेट तयार होते, ज्याचे नंतर जलविश्लेषण करून पायरूव्हेट आणि फ्युमरेट मिळवता येतात (लार्किन आणि डे, १९८६). पर्यायी मार्गाची निवड ग्रॅम-निगेटिव्ह आणि ग्रॅम-पॉझिटिव्ह दोन्ही प्रकारच्या जीवाणूंमध्ये जैवरासायनिक आणि अनुवांशिक स्तरांवर दिसून आली आहे (मोरावस्की इत्यादी, १९९७; व्हाईट इत्यादी, १९९७). ग्रॅम-निगेटिव्ह जीवाणू (स्यूडोमोनास) सॅलिसिलिक ॲसिड वापरण्यास प्राधान्य देतात, जे नॅफ्थॅलीन चयापचयाचे प्रवर्तक आहे, आणि ते सॅलिसिलेट १-हायड्रॉक्सिलेज वापरून त्याचे डीकार्बॉक्सिलेशन करून कॅटेकोल तयार करतात (गिब्सन आणि सुब्रमण्यन, १९८४). दुसरीकडे, ग्रॅम-पॉझिटिव्ह बॅक्टेरियामध्ये (ऱ्होडोकोकस), सॅलिसिलेट 5-हायड्रॉक्सिलेज सॅलिसिलिक ऍसिडचे जेंटिसिक ऍसिडमध्ये रूपांतर करते, तर सॅलिसिलिक ऍसिडचा नॅप्थलीन जनुकांच्या ट्रान्सक्रिप्शनवर कोणताही प्रेरक प्रभाव नसतो (ग्रुंड एट अल., 1992) (आकृती 3).
असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनास CSV86, ओशनोबॅक्टेरियम NCE312, मरिनहोमोनास नॅफ्थोट्रोफिकस, स्फिंगोमोनास पॉसिमोबिलिस 2322, व्हिब्रिओ सायक्लोट्रोफस, स्यूडोमोनास फ्लुओरेसेन्स LP6a, स्यूडोमोनास आणि मायकोबॅक्टेरियम प्रजातींसारख्या प्रजाती मोनोमेथिलनॅफ्थलीन किंवा डायमेथिलनॅफ्थलीनचे विघटन करू शकतात (डीन-रेमंड आणि बार्थ, १९७५; केन आणि विल्यम्स, १९८२; महाजन इत्यादी, १९९४; दत्ता इत्यादी, १९९८; हेडलंड इत्यादी, १९९९). त्यापैकी, स्यूडोमोनास प्रजाती CSV86 च्या १-मेथिलनॅफ्थलीन आणि २-मेथिलनॅफ्थलीन विघटन मार्गाचा जैवरासायनिक आणि एन्झाइमॅटिक स्तरांवर स्पष्टपणे अभ्यास केला गेला आहे (महाजन इत्यादी, १९९४). १-मिथाइलनॅफ्थलीनचे चयापचय दोन मार्गांनी होते. प्रथम, ऍरोमॅटिक रिंगचे (मिथाइलनॅफ्थलीनची प्रतिस्थापित नसलेली रिंग) हायड्रॉक्सिलेशन होऊन cis-1,2-डायहायड्रॉक्सी-1,2-डायहायड्रो-8-मिथाइलनॅफ्थलीन तयार होते, ज्याचे पुढे ऑक्सिडीकरण होऊन मिथाइल सॅलिसिलेट आणि मिथाइलकॅटेकोल तयार होतात, आणि नंतर रिंग तुटल्यानंतर ते मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (आकृती ३). या मार्गाला “कार्बन स्रोत मार्ग” म्हणतात. दुसऱ्या “विषहरण मार्गात”, NDO द्वारे मिथाइल गटाचे हायड्रॉक्सिलेशन होऊन १-हायड्रॉक्सीमिथाइलनॅफ्थलीन तयार होते, ज्याचे पुढे ऑक्सिडीकरण होऊन १-नॅफ्थोइक ऍसिड तयार होते आणि ते अंतिम उत्पादन म्हणून कल्चर माध्यमात उत्सर्जित होते. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की CSV86 स्ट्रेन १- आणि २-नॅफ्थोइक ऍसिडवर एकमेव कार्बन आणि ऊर्जा स्रोत म्हणून वाढू शकत नाही, ज्यामुळे त्याच्या विषहरण मार्गाची पुष्टी होते (महाजन इत्यादी, १९९४; बसू इत्यादी, २००३). २-मिथाइलनॅफ्थॅलीनमध्ये, मिथाइल गटाचे हायड्रॉक्सिलेजद्वारे हायड्रॉक्सिलेशन होऊन २-हायड्रॉक्सिमिथाइलनॅफ्थॅलीन तयार होते. याव्यतिरिक्त, नॅफ्थॅलीन रिंगच्या अप्रतिस्थापित रिंगचे रिंग हायड्रॉक्सिलेशन होऊन डायहायड्रोडायऑल तयार होतो, ज्याचे एन्झाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियांच्या मालिकेत ४-हायड्रॉक्सिमिथाइलकॅटेचॉलमध्ये ऑक्सिडीकरण होते आणि तो मेटा-रिंग क्लीव्हेज मार्गाने मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करतो. त्याचप्रमाणे, एस. पॉसिमोबिलिस २३२२ हे २-मिथाइलनॅफ्थॅलीनचे हायड्रॉक्सिलेशन करण्यासाठी एनडीओचा वापर करते असे नोंदवले गेले आहे, ज्याचे पुढे ऑक्सिडीकरण होऊन मिथाइल सॅलिसिलेट आणि मिथाइलकॅटेचॉल तयार होते (दत्ता इत्यादी, १९९८).
नॅफ्थोइक आम्ल (प्रतिस्थापित/अप्रतिस्थापित) हे मिथाइलनॅफ्थलीन, फेनॅन्थ्रीन आणि अँथ्रासीनच्या विघटनादरम्यान तयार होणारे निर्विषीकरण/जैव-रूपांतरणाचे उप-उत्पादने आहेत आणि वापरलेल्या संवर्धन माध्यमात सोडले जातात. असे नोंदवले गेले आहे की मातीतील आयसोलेट स्टेनोस्ट्रोफोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 हे १-नॅफ्थोइक आम्लाचे कार्बन स्रोत म्हणून चयापचय करण्यास सक्षम आहे (फाले इत्यादी, १९९५). चयापचयाची सुरुवात ॲरोमॅटिक रिंगच्या डायहायड्रॉक्सिलेशनने होते, ज्यामुळे १,२-डायहायड्रॉक्सी-८-कार्बॉक्सिनॅफ्थलीन तयार होते. परिणामी तयार झालेल्या डायऑलचे २-हायड्रॉक्सी-३-कार्बॉक्सिबेन्झिलिडेनपायरूव्हेट, ३-फॉर्मिलसॅलिसिलिक आम्ल, २-हायड्रॉक्सीआयसोफ्थॅलिक आम्ल आणि सॅलिसिलिक आम्लाद्वारे कॅटेचॉलमध्ये ऑक्सिडीकरण होते आणि ते मेटा-रिंग क्लीव्हेज मार्गाने केंद्रीय कार्बन मार्गात प्रवेश करते (आकृती ३).
कार्बॅरिल हे एक नॅफ्थिल कार्बामेट कीटकनाशक आहे. १९७० च्या दशकात भारतात झालेल्या हरित क्रांतीपासून, रासायनिक खते आणि कीटकनाशकांच्या वापरामुळे कृषी क्षेत्रातील अविशिष्ट स्रोतांमधून (non-point sources) होणाऱ्या पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन (PAH) उत्सर्जनात वाढ झाली आहे (पिंगाली, २०१२; दत्तागुप्ता इत्यादी, २०२०). भारतातील एकूण पिकाखालील जमिनीपैकी अंदाजे ५५% (८५,७२२,००० हेक्टर) जमिनीवर रासायनिक कीटकनाशकांचा वापर केला जातो. गेल्या पाच वर्षांत (२०१५-२०२०), भारतीय कृषी क्षेत्राने दरवर्षी सरासरी ५५,००० ते ६०,००० टन कीटकनाशकांचा वापर केला आहे (सहकारी आणि शेतकरी कल्याण विभाग, कृषी मंत्रालय, भारत सरकार, ऑगस्ट २०२०). उत्तर आणि मध्य गंगा मैदानी प्रदेशात (सर्वाधिक लोकसंख्या आणि लोकसंख्येची घनता असलेल्या राज्यांमध्ये), पिकांवर कीटकनाशकांचा वापर मोठ्या प्रमाणावर होतो, ज्यात कीटकनाशकांचे प्रमाण अधिक आहे. कार्बारिल (१-नॅफ्थिल-एन-मिथाइलकार्बामेट) हे एक विस्तृत-स्पेक्ट्रम, मध्यम ते अत्यंत विषारी कार्बामेट कीटकनाशक आहे, जे भारतीय शेतीत सरासरी १००-११० टन दराने वापरले जाते. हे सामान्यतः 'सेविन' या व्यापारी नावाने विकले जाते आणि विविध पिकांवर (मका, सोयाबीन, कापूस, फळे आणि भाजीपाला) परिणाम करणाऱ्या कीटकांवर (मावा, लाल मुंग्या, पिसू, माइट्स, कोळी आणि इतर अनेक बाहेरील कीड) नियंत्रण मिळवण्यासाठी वापरले जाते. स्यूडोमोनास (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, स्यूडोमोनास पुटिडा XWY-1), रोडोकोकस (NCIB 12038), स्फिंगोबॅक्टेरियम प्रजाती (CF06), बर्खोल्डेरिया (C3), मायक्रोकोकस आणि आर्थ्रोबॅक्टर यांसारख्या काही सूक्ष्मजीवांचा वापर इतर कीड नियंत्रणासाठी देखील केला जाऊ शकतो. असे नोंदवले गेले आहे की RC100 कार्बॅरिलचे विघटन करू शकते (लार्किन आणि डे, १९८६; चपलमदुगु आणि चौधरी, १९९१; हयात्सु इत्यादी, १९९९; श्वेता आणि फाळे, २००५; त्रिवेदी इत्यादी, २०१७). स्यूडोमोनास प्रजातीच्या C4, C5 आणि C6 स्ट्रेन्सच्या मातीतील आयसोलेट्समध्ये कार्बॅरिलच्या विघटनाच्या मार्गाचा जैवरासायनिक, एन्झाइमॅटिक आणि अनुवांशिक स्तरांवर विस्तृतपणे अभ्यास केला गेला आहे (श्वेता आणि फाळे, २००५; त्रिवेदी इत्यादी, २०१६) (आकृती ३). चयापचय मार्गाची सुरुवात कार्बॅरिल हायड्रोलेज (CH) द्वारे एस्टर बंधाच्या जलविश्लेषणाने होते, ज्यामुळे १-नॅफ्थॉल, मिथाइलअमाइन आणि कार्बन डायऑक्साइड तयार होतात. नंतर १-नॅफ्थॉलचे रूपांतर १-नॅफ्थॉल हायड्रॉक्सिलेज (१-NH) द्वारे १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीनमध्ये होते, ज्याचे पुढे सॅलिसिलेट आणि जेंटिसेट मार्गे मध्यवर्ती कार्बन मार्गाने चयापचय होते. काही कार्बॅरिल-विघटन करणारे जीवाणू कॅटेकोल ऑर्थो रिंगच्या विच्छेदनाद्वारे त्याचे सॅलिसिलिक आम्लामध्ये चयापचय करतात असे नोंदवले गेले आहे (लार्किन आणि डे, १९८६; चपलामादुगु आणि चौधरी, १९९१). विशेष म्हणजे, नॅफ्थॅलीन-विघटन करणारे जीवाणू प्रामुख्याने कॅटेकोल मार्गाने सॅलिसिलिक आम्लाचे चयापचय करतात, तर कार्बॅरिल-विघटन करणारे जीवाणू जेंटिसेट मार्गाने सॅलिसिलिक आम्लाचे चयापचय करण्यास प्राधान्य देतात.
नॅफ्थॅलीनसल्फॉनिक आम्ल/डायसल्फॉनिक आम्ल आणि नॅफ्थिलअमाइनसल्फॉनिक आम्लाचे व्युत्पन्न पदार्थ अझो रंग, वेटिंग एजंट, डिस्पर्संट इत्यादींच्या उत्पादनात मध्यस्थ म्हणून वापरले जाऊ शकतात. जरी या संयुगांची मानवांसाठी विषारीता कमी असली तरी, सायटोटॉक्सिसिटी मूल्यांकनांनी दाखवले आहे की ते मासे, डॅफ्निया आणि शैवाल यांच्यासाठी प्राणघातक आहेत (ग्रेम एट अल., १९९४). स्यूडोमोनास प्रजातीच्या प्रतिनिधींमध्ये (स्ट्रेन A3, C22) सल्फॉनिक आम्ल गट असलेल्या ऍरोमॅटिक रिंगच्या दुहेरी हायड्रॉक्सिलेशनद्वारे चयापचय सुरू करण्याची नोंद आहे, ज्यामुळे डायहायड्रोडायऑल तयार होतो, जो पुढे सल्फाइट गटाच्या उत्स्फूर्त विखंडनाद्वारे १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीनमध्ये रूपांतरित होतो (ब्रिलॉन एट अल., १९८१). परिणामी १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीनचे विघटन क्लासिकल नॅफ्थॅलीन मार्गाने, म्हणजेच कॅटेकोल किंवा जेंटिसेट मार्गाने होते (आकृती ४). हे दाखवून देण्यात आले आहे की, पूरक अपचय मार्गांसह मिश्र जीवाणू समूहांद्वारे अमिनोनॅफ्थॅलीनसल्फॉनिक आम्ल आणि हायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीनसल्फॉनिक आम्ल यांचे पूर्णपणे विघटन केले जाऊ शकते (नॉर्टेमन इत्यादी, १९८६). हे दाखवून देण्यात आले आहे की, समूहाचा एक सदस्य १,२-डायऑक्सिजनेशनद्वारे अमिनोनॅफ्थॅलीनसल्फॉनिक आम्ल किंवा हायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीनसल्फॉनिक आम्लाचे गंधक-निराकरण करतो, तर अमिनोसॅलिसिलेट किंवा हायड्रॉक्सिसॅलिसिलेट हे अंतिम चयापचय उत्पादन म्हणून संवर्धन माध्यमात सोडले जाते आणि नंतर समूहाच्या इतर सदस्यांद्वारे घेतले जाते. नॅफ्थॅलीनडायसल्फॉनिक आम्ल तुलनेने ध्रुवीय आहे परंतु त्याचे जैव-विघटन कमी होते आणि म्हणूनच त्याचे चयापचय वेगवेगळ्या मार्गांनी होऊ शकते. पहिले गंधक-निराकरण सुगंधी वलय आणि सल्फॉनिक आम्ल गटाच्या क्षेत्र-निवडक डायहायड्रॉक्सिलेशन दरम्यान होते; दुसरे गंधक-निराकरण (desulfurization) हे सॅलिसिलिक ॲसिड ५-हायड्रॉक्सिलेजद्वारे ५-सल्फोसॅलिसिलिक ॲसिडच्या हायड्रॉक्सिलेशन दरम्यान होते, ज्यामुळे जेंटिसिक ॲसिड तयार होते, जे मध्यवर्ती कार्बन मार्गात प्रवेश करते (ब्रिलॉन इत्यादी, १९८१) (आकृती ४). नॅप्थलीनच्या विघटनासाठी जबाबदार असलेले एन्झाइम्स हे नॅप्थलीन सल्फोनेटच्या चयापचयासाठी देखील जबाबदार असतात (ब्रिलॉन इत्यादी, १९८१; केक इत्यादी, २००६).
आकृती ४. नॅफ्थलीन सल्फोनेटच्या विघटनाचे चयापचय मार्ग. वर्तुळांमधील संख्या नॅफ्थिल सल्फोनेटच्या चयापचयासाठी जबाबदार असलेल्या एन्झाइम्सना दर्शवतात, जे आकृती ३ मध्ये वर्णन केलेल्या एन्झाइम्ससारखे/सारखेच आहेत.
कमी रेण्वीय वजनाचे PAHs (LMW-PAHs) हे रिड्यूसिबल (क्षपणक्षम), हायड्रोफोबिक (जलविरोधी) आणि कमी विद्राव्य असतात, आणि म्हणूनच त्यांचे नैसर्गिक विघटन/ऱ्हास होण्याची शक्यता नसते. तथापि, एरोबिक (वायुजीवी) सूक्ष्मजीव आण्विक ऑक्सिजन (O2) शोषून घेऊन त्याचे ऑक्सिडेशन करण्यास सक्षम असतात. हे एन्झाइम्स प्रामुख्याने ऑक्सिडोरेडक्टेसेस वर्गातील आहेत आणि ॲरोमॅटिक रिंग हायड्रॉक्सिलेशन (मोनो- किंवा डायहायड्रॉक्सिलेशन), डिहायड्रोजनेशन आणि ॲरोमॅटिक रिंग क्लीव्हेज यांसारख्या विविध अभिक्रिया करू शकतात. या अभिक्रियांमधून मिळणारी उत्पादने उच्च ऑक्सिडेशन अवस्थेत असतात आणि सेंट्रल कार्बन पाथवेद्वारे (Phale et al., 2020) त्यांचे अधिक सहजपणे चयापचय होते. ऱ्हास पाथवेमधील एन्झाइम्स इंड्युसिबल (प्रेरक) असल्याचे नोंदवले गेले आहे. जेव्हा पेशी ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्लांसारख्या साध्या कार्बन स्रोतांवर वाढवल्या जातात, तेव्हा या एन्झाइम्सची क्रियाशीलता खूप कमी किंवा नगण्य असते. सारणी ३ मध्ये नॅफ्थॅलीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्हजच्या चयापचयात सामील असलेल्या विविध एन्झाइम्सचा (ऑक्सिजेनेस, हायड्रोलेस, डिहायड्रोजिनेस, ऑक्सिडेसेस, इत्यादी) सारांश दिला आहे.
तक्ता ३. नॅप्थॅलीन आणि त्याच्या व्युत्पन्नांच्या विघटनासाठी जबाबदार असलेल्या एन्झाइम्सची जैवरासायनिक वैशिष्ट्ये.
रेडिओआयसोटोप अभ्यासातून (18O2) असे दिसून आले आहे की, ऑक्सिजेनेसद्वारे आण्विक ऑक्सिजनचा (O2) ॲरोमॅटिक रिंगमध्ये समावेश होणे, ही एखाद्या संयुगाच्या पुढील जैवविघटनाला सक्रिय करणारी सर्वात महत्त्वाची पायरी आहे (हायाइशी इत्यादी, १९५५; मेसन इत्यादी, १९५५). आण्विक ऑक्सिजनमधील (O2) एका ऑक्सिजन अणूचा (O) सबस्ट्रेटमध्ये समावेश होण्याची प्रक्रिया अंतर्जात किंवा बाह्य मोनोऑक्सिजेनेसद्वारे (ज्यांना हायड्रॉक्सिलेज असेही म्हणतात) सुरू होते. दुसऱ्या ऑक्सिजन अणूचे पाण्यात रूपांतर होते. बाह्य मोनोऑक्सिजेनेस NADH किंवा NADPH वापरून फ्लॅविनचे ​​क्षपण करतात, तर अंतर्जात मोनोऑक्सिजेनेसमध्ये फ्लॅविनचे ​​क्षपण सबस्ट्रेटद्वारे होते. हायड्रॉक्सिलेशनच्या स्थानामुळे उत्पादन निर्मितीमध्ये विविधता दिसून येते. उदाहरणार्थ, सॅलिसिलेट १-हायड्रॉक्सिलेज सॅलिसिलिक ॲसिडचे C1 स्थानावर हायड्रॉक्सिलेशन करून कॅटेकोल तयार करते. दुसरीकडे, बहुघटक सॅलिसिलेट 5-हायड्रॉक्सिलेज (ज्यात रिडक्टेज, फेरेडॉक्सिन आणि ऑक्सिजेनेज उपयुनिट्स असतात) सॅलिसिलिक आम्लाचे C5 स्थितीवर हायड्रॉक्सिलेशन करून जेंटिसिक आम्ल तयार करते (यामामोटो एट अल., 1965).
डायऑक्सिजेनेस सबस्ट्रेटमध्ये दोन O2 अणू समाविष्ट करतात. तयार होणाऱ्या उत्पादनांनुसार, त्यांचे रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजेनेस आणि रिंग क्लीव्हिंग डायऑक्सिजेनेसमध्ये वर्गीकरण केले जाते. रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजेनेस ॲरोमॅटिक सबस्ट्रेट्सचे रूपांतर सिस-डायहायड्रोडायऑल्समध्ये (उदा., नॅप्थलीन) करतात आणि ते जीवाणूंमध्ये मोठ्या प्रमाणावर आढळतात. आजपर्यंत असे दिसून आले आहे की, रिंग हायड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सिजेनेस असलेले जीव विविध ॲरोमॅटिक कार्बन स्रोतांवर वाढण्यास सक्षम आहेत आणि या एन्झाइम्सचे वर्गीकरण NDO (नॅप्थलीन), टोल्युइन डायऑक्सिजेनेस (TDO, टोल्युइन) आणि बायफेनिल डायऑक्सिजेनेस (BPDO, बायफेनिल) असे केले जाते. NDO आणि BPDO दोन्ही विविध पॉलीसायक्लिक ऍरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्सचे (टोल्युइन, नायट्रोटोल्युइन, झायलीन, इथिलबेंझिन, नॅफ्थलीन, बायफिनाइल, फ्लुओरीन, इंडोल, मिथिलनॅफ्थलीन, नॅफ्थलीनसल्फोनेट, फिनॅन्थ्रीन, अँथ्रासीन, ऍसिटोफिनोन, इत्यादी) दुहेरी ऑक्सिडेशन आणि साइड चेन हायड्रॉक्सिलेशन उत्प्रेरित करू शकतात (बॉयड आणि शेल्ड्रेक, १९९८; फाले इत्यादी, २०२०). NDO ही एक बहुघटक प्रणाली आहे, ज्यात एक ऑक्सिडोरेडक्टेज, एक फेरेडॉक्सिन आणि सक्रिय स्थळ असलेला ऑक्सिजेनेज घटक असतो (गिब्सन आणि सुब्रमण्यन, १९८४; रेस्निक इत्यादी, १९९६). NDO चे उत्प्रेरक एकक हे α3β3 संरचनेत मांडलेल्या एका मोठ्या α उप-एकक आणि एका लहान β उप-एककापासून बनलेले असते. NDO हे ऑक्सिजेनेसच्या एका मोठ्या कुटुंबातील आहे आणि त्याच्या α-सबयुनिटमध्ये एक रीस्के साईट [2Fe-2S] आणि एक मोनोन्यूक्लिअर नॉन-हीम आयर्न असते, जे NDO ची सबस्ट्रेट विशिष्टता ठरवते (Parales et al., 1998). सामान्यतः, एका उत्प्रेरक चक्रात, पायरीडीन न्यूक्लिओटाइडच्या रिडक्शनमधून मिळालेले दोन इलेक्ट्रॉन्स एका रिडक्टेज, एका फेरेडॉक्सिन आणि एका रीस्के साईटमार्फत ॲक्टिव्ह साईटमधील Fe(II) आयनकडे हस्तांतरित केले जातात. हे रिड्यूसिंग इक्विव्हॅलेंट्स आण्विक ऑक्सिजनला सक्रिय करतात, जे सबस्ट्रेटच्या डायहायड्रॉक्सिलेशनसाठी एक पूर्वअट आहे (Ferraro et al., 2005). आजपर्यंत, वेगवेगळ्या स्ट्रेन्समधून फक्त काही NDOs शुद्ध करून त्यांचे तपशीलवार वैशिष्ट्यीकरण केले गेले आहे आणि नॅप्थलीनच्या विघटनामध्ये सामील असलेल्या मार्गांच्या जनुकीय नियंत्रणाचा तपशीलवार अभ्यास केला गेला आहे (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). वलय-विभाजन करणारे डायऑक्सिजेनेस (एंडो- किंवा ऑर्थो-वलय-विभाजन करणारे एन्झाइम्स आणि एक्सोडिओल- किंवा मेटा-वलय-विभाजन करणारे एन्झाइम्स) हायड्रॉक्सिलेटेड ऍरोमॅटिक संयुगांवर कार्य करतात. उदाहरणार्थ, ऑर्थो-वलय-विभाजन करणारा डायऑक्सिजेनेस हा कॅटेकोल-१,२-डायऑक्सिजेनेस आहे, तर मेटा-वलय-विभाजन करणारा डायऑक्सिजेनेस हा कॅटेकोल-२,३-डायऑक्सिजेनेस आहे (कोजिमा इत्यादी, १९६१; नोझाकी इत्यादी, १९६८). विविध ऑक्सिजेनेस व्यतिरिक्त, विविध डीहायड्रोजेनेस देखील आहेत जे ऍरोमॅटिक डायहायड्रोडिओल्स, अल्कोहोल आणि अल्डीहाइड्सच्या डीहायड्रोजनेशनसाठी जबाबदार असतात आणि NAD+/NADP+ चा इलेक्ट्रॉन स्वीकारक म्हणून वापर करतात, जे चयापचय क्रियेत सामील असलेले काही महत्त्वाचे एन्झाइम्स आहेत (गिब्सन आणि सुब्रमण्यन, १९८४; शॉ आणि हरयामा, १९९०; फाहले इत्यादी, २०२०).
हायड्रोलेस (एस्टरेसेस, अमायडेसेस) सारखे एन्झाइम्स हे एन्झाइम्सचा दुसरा महत्त्वाचा वर्ग आहे, जे सहसंयुजी बंध तोडण्यासाठी पाण्याचा वापर करतात आणि विस्तृत सबस्ट्रेट विशिष्टता दर्शवतात. कार्बारिल हायड्रोलेस आणि इतर हायड्रोलेस हे ग्रॅम-निगेटिव्ह जीवाणूंच्या सदस्यांमधील पेरिप्लाझमचे (ट्रान्समेम्ब्रेन) घटक मानले जातात (कामिनी इत्यादी, २०१८). कार्बारिलमध्ये अमाइड आणि एस्टर दोन्ही बंध असतात; त्यामुळे, १-नॅफ्थॉल तयार करण्यासाठी एस्टरेज किंवा अमायडेसद्वारे त्याचे हायड्रोलायझेशन केले जाऊ शकते. रायझोबियम रायझोबियम स्ट्रेन AC10023 आणि आर्थ्रोबॅक्टर स्ट्रेन RC100 मध्ये कार्बारिल अनुक्रमे एस्टरेज आणि अमायडेस म्हणून कार्य करते असे नोंदवले गेले आहे. आर्थ्रोबॅक्टर स्ट्रेन RC100 मध्ये कार्बारिल अमायडेस म्हणूनही कार्य करते. RC100 हे कार्बारिल, मेथॉमिल, मेफेनॅमिक ॲसिड आणि XMC सारख्या चार एन-मिथाइलकार्बामेट वर्गातील कीटकनाशकांचे जलीय विघटन करते असे दिसून आले आहे (हायात्सु इत्यादी, २००१). असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनास प्रजाती C5pp मधील CH हे कार्बारिल (१००% क्रियाशीलता) आणि १-नॅफ्थिल ॲसिटेट (३६% क्रियाशीलता) वर कार्य करू शकते, परंतु १-नॅफ्थिलॲसिटामाइडवर नाही, जे दर्शवते की ते एक एस्टेरेज आहे (त्रिवेदी इत्यादी, २०१६).
जैवरासायनिक अभ्यास, एन्झाइम नियमन पद्धती आणि अनुवांशिक विश्लेषणातून असे दिसून आले आहे की नॅप्थलीन विघटनाच्या जनुकांमध्ये दोन प्रवर्तनीय नियामक एकके किंवा "ऑपेरॉन" असतात: nah ("अपस्ट्रीम मार्ग", जो नॅप्थलीनचे सॅलिसिलिक आम्लामध्ये रूपांतर करतो) आणि sal ("डाउनस्ट्रीम मार्ग", जो सॅलिसिलिक आम्लाचे कॅटेकोल मार्फत केंद्रीय कार्बन मार्गात रूपांतर करतो). सॅलिसिलिक आम्ल आणि त्याचे अनुरूप पदार्थ प्रेरक म्हणून कार्य करू शकतात (शम्सुझमान आणि बार्न्सले, १९७४). ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्लांच्या उपस्थितीत, ऑपेरॉन दाबला जातो. आकृती ५ मध्ये नॅप्थलीन विघटनाची संपूर्ण अनुवांशिक रचना (ऑपेरॉन स्वरूपात) दर्शविली आहे. nah जनुकाचे अनेक नामनिर्देशित प्रकार/स्वरूपे (ndo/pah/dox) वर्णन केले गेले आहेत आणि सर्व स्यूडोमोनास प्रजातींमध्ये त्यांच्यात उच्च अनुक्रम समरूपता (९०%) असल्याचे आढळले आहे (अब्बासियन इत्यादी, २०१६). नॅप्थलीन अपस्ट्रीम मार्गाची जनुके सामान्यतः आकृती ५अ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे एका सहमतीच्या क्रमाने मांडलेली होती. nahQ नावाचे आणखी एक जनुक देखील नॅप्थलीनच्या चयापचयात सामील असल्याचे नोंदवले गेले आहे आणि ते सहसा nahC आणि nahE च्या दरम्यान स्थित असते, परंतु त्याचे नेमके कार्य अद्याप स्पष्ट झालेले नाही. त्याचप्रमाणे, नॅप्थलीन-संवेदनशील रसायन-आकर्षणासाठी (केमोटॅक्सिस) जबाबदार असलेले nahY जनुक, काही सदस्यांमध्ये nah ऑपेरॉनच्या दूरच्या टोकाला आढळले. राल्स्टोनिया प्रजातीमध्ये, ग्लुटाथिओन एस-ट्रान्सफरेज (gsh) साठी कोड करणारे U2 जनुक nahAa आणि nahAb च्या दरम्यान स्थित असल्याचे आढळले, परंतु त्याचा नॅप्थलीनच्या वापराच्या वैशिष्ट्यांवर परिणाम झाला नाही (झिल्स्ट्रा इत्यादी, १९९७).
आकृती ५. जिवाणू प्रजातींमध्ये नॅप्थॅलीनच्या विघटनादरम्यान आढळलेली अनुवांशिक रचना आणि विविधता; (A) वरचा नॅप्थॅलीन मार्ग, नॅप्थॅलीनचे सॅलिसिलिक आम्लामध्ये चयापचय; (B) खालचा नॅप्थॅलीन मार्ग, कॅटेकोल मार्गे सॅलिसिलिक आम्लाचा मध्यवर्ती कार्बन मार्गापर्यंत प्रवास; (C) जेंटिसेट मार्गे सॅलिसिलिक आम्लाचा मध्यवर्ती कार्बन मार्गापर्यंत प्रवास.
"खालचा मार्ग" (sal ऑपेरॉन) मध्ये सामान्यतः nahGTHINLMOKJ चा समावेश असतो आणि तो कॅटेकोल मेटारिंग क्लीव्हेज मार्गाद्वारे सॅलिसिलेटचे पायरुवेट आणि ॲसिटाल्डिहाइडमध्ये रूपांतर करतो. nahG जीन (सॅलिसिलेट हायड्रॉक्सिलेज एन्कोड करणारा) ऑपेरॉनच्या समीपस्थ टोकाला संरक्षित असल्याचे आढळले (आकृती 5B). इतर नॅफ्थॅलीन-विघटन करणाऱ्या स्ट्रेन्सच्या तुलनेत, P. putida CSV86 मध्ये nah आणि sal ऑपेरॉन टँडम आहेत आणि एकमेकांशी खूप जवळचे संबंधित आहेत (सुमारे 7.5 kb). काही ग्रॅम-निगेटिव्ह जीवाणूंमध्ये, जसे की Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, आणि P. putida AK5, नॅफ्थॅलीनचे चयापचय जेंटिसेट मार्गाद्वारे (sgp/nag ऑपेरॉनच्या स्वरूपात) एक केंद्रीय कार्बन मेटाबोलाइट म्हणून होते. जीन कॅसेट सामान्यतः nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI या स्वरूपात दर्शविली जाते, जिथे nagR (LysR-प्रकारच्या नियामकाचे संकेतन करणारा) वरच्या टोकाला असतो (आकृती 5C).
१-नॅफ्थॉल, १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीन, सॅलिसिलिक ॲसिड आणि जेंटिसिक ॲसिड यांच्या चयापचयाद्वारे कार्बॅरिल केंद्रीय कार्बन चक्रात प्रवेश करतो (आकृती ३). अनुवांशिक आणि चयापचय अभ्यासांवर आधारित, या मार्गाचे “अपस्ट्रीम” (कार्बॅरिलचे सॅलिसिलिक ॲसिडमध्ये रूपांतर), “मिडल” (सॅलिसिलिक ॲसिडचे जेंटिसिक ॲसिडमध्ये रूपांतर), आणि “डाउनस्ट्रीम” (जेंटिसिक ॲसिडचे केंद्रीय कार्बन मार्गातील मध्यस्थांमध्ये रूपांतर) असे विभाजन करण्याचा प्रस्ताव आहे (सिंह इत्यादी, २०१३). C5pp (सुपरकॉन्टिग A, 76.3 kb) च्या जीनोमिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की mcbACBDEF जीन कार्बॅरिलचे सॅलिसिलिक ऍसिडमध्ये रूपांतर करण्यात गुंतलेले आहे, त्यानंतर mcbIJKL सॅलिसिलिक ऍसिडचे जेंटिसिक ऍसिडमध्ये रूपांतर करण्यात आणि mcbOQP जेंटिसिक ऍसिडचे मध्यवर्ती कार्बन इंटरमीडिएट (फ्युमरेट आणि पायरुवेट, त्रिवेदी एट अल., 2016) मध्ये रूपांतर करण्यात गुंतलेले आहे (आकृती 6).
असे नोंदवले गेले आहे की सुगंधी हायड्रोकार्बन्सच्या (नॅप्थलीन आणि सॅलिसिलिक ॲसिडसह) विघटनात सामील असलेले एन्झाइम्स संबंधित संयुगांद्वारे प्रेरित केले जाऊ शकतात आणि ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय ॲसिडसारख्या साध्या कार्बन स्रोतांद्वारे अवरोधित केले जाऊ शकतात (शिंग्लर, २००३; फाले इत्यादी, २०१९, २०२०). नॅप्थलीन आणि त्याच्या डेरिव्हेटिव्ह्जच्या विविध चयापचय मार्गांपैकी, नॅप्थलीन आणि कार्बॅरिलच्या नियामक वैशिष्ट्यांचा काही प्रमाणात अभ्यास केला गेला आहे. नॅप्थलीनसाठी, अपस्ट्रीम आणि डाउनस्ट्रीम दोन्ही मार्गांमधील जनुके NahR द्वारे नियंत्रित केली जातात, जो एक LysR-प्रकारचा ट्रान्स-ॲक्टिंग पॉझिटिव्ह रेग्युलेटर आहे. सॅलिसिलिक ॲसिडद्वारे nah जनुकाच्या प्रेरणेसाठी आणि त्यानंतरच्या त्याच्या उच्च-स्तरीय अभिव्यक्तीसाठी हे आवश्यक आहे (येन आणि गनसालस, १९८२). याव्यतिरिक्त, अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की इंटिग्रेटिव्ह होस्ट फॅक्टर (IHF) आणि XylR (सिग्मा ५४-अवलंबित ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटर) हे देखील नॅप्थलीन चयापचयातील जनुकांच्या ट्रान्सक्रिप्शनल सक्रियतेसाठी महत्त्वपूर्ण आहेत (रामोस इत्यादी, १९९७). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की कॅटेकोल मेटा-रिंग ओपनिंग मार्गातील एन्झाइम्स, म्हणजेच कॅटेकोल २,३-डायऑक्सिजेनेज, नॅफ्थलीन आणि/किंवा सॅलिसिलिक ऍसिडच्या उपस्थितीत प्रेरित होतात (बासू इत्यादी, २००६). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की कॅटेकोल ऑर्थो-रिंग ओपनिंग मार्गातील एन्झाइम्स, म्हणजेच कॅटेकोल १,२-डायऑक्सिजेनेज, बेंझोइक ऍसिड आणि सिस,सिस-म्युकोनेटच्या उपस्थितीत प्रेरित होतात (पारसेक इत्यादी, १९९४; टॉवर इत्यादी, २००१).
स्ट्रेन C5pp मध्ये, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR आणि mcbS ही पाच जनुके कार्बॅरिलच्या विघटनावर नियंत्रण ठेवण्यासाठी जबाबदार असलेल्या LysR/TetR कुटुंबातील ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटर्ससाठी कोड करतात. समरूप जनुक mcbG हे बर्खोल्डेरिया RP00725 मधील फेनॅन्थ्रीन चयापचयात सामील असलेल्या LysR-प्रकारच्या रेग्युलेटर PhnS (58% अमिनो आम्ल समानता) शी सर्वात जवळचे संबंधित असल्याचे आढळले (त्रिवेदी इत्यादी, 2016). mcbH जनुक हे मध्यवर्ती मार्गात (सॅलिसिलिक आम्लाचे जेंटिसिक आम्लात रूपांतर) सामील असल्याचे आढळले आणि ते स्यूडोमोनास आणि बर्खोल्डेरियामधील LysR-प्रकारच्या ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटर NagR/DntR/NahR शी संबंधित आहे. या कुटुंबातील सदस्य विघटनाच्या जनुकांच्या प्रेरणेसाठी सॅलिसिलिक आम्लाला एक विशिष्ट प्रभावक रेणू म्हणून ओळखतात असे नोंदवले गेले आहे. दुसरीकडे, डाउनस्ट्रीम मार्गात (जेंटिसेट-सेंट्रल कार्बन पाथवे मेटाबोलाइट्स) LysR आणि TetR प्रकारच्या ट्रान्सक्रिप्शनल रेग्युलेटरशी संबंधित असलेले mcbN, mcbR आणि mcbS हे तीन जनुके ओळखण्यात आले.
प्रोकॅरियोट्समध्ये, प्लाझमिड्स, ट्रान्सपोझोन्स, प्रोफेजेस, जीनोमिक आयलँड्स आणि इंटिग्रेटिव्ह कॉन्जुगेटिव्ह एलिमेंट्स (ICE) द्वारे होणाऱ्या हॉरिझॉन्टल जीन ट्रान्सफर प्रक्रिया (अधिग्रहण, विनिमय किंवा हस्तांतरण) या जिवाणूंच्या जीनोममधील लवचिकतेची प्रमुख कारणे आहेत, ज्यामुळे विशिष्ट कार्ये/वैशिष्ट्ये प्राप्त होतात किंवा नाहीशी होतात. यामुळे जिवाणूंना वेगवेगळ्या पर्यावरणीय परिस्थितीशी वेगाने जुळवून घेता येते, ज्यामुळे यजमानाला संभाव्य अनुकूली चयापचय फायदे मिळतात, जसे की सुगंधी संयुगांचे विघटन. चयापचय बदल अनेकदा डिग्रेडेशन ऑपेरॉन्स, त्यांच्या नियामक यंत्रणा आणि एन्झाइम विशिष्टता यांच्या सूक्ष्म-समायोजनाद्वारे साधले जातात, ज्यामुळे अधिक विस्तृत श्रेणीतील सुगंधी संयुगांचे विघटन सुलभ होते (नोजिरी इत्यादी, २००४; फाले इत्यादी, २०१९, २०२०). नॅप्थॅलीनच्या विघटनासाठीचे जीन कॅसेट हे प्लाझमिड्स (कॉन्जुगेटिव्ह आणि नॉन-कॉन्जुगेटिव्ह), ट्रान्सपोझोन्स, जीनोम्स, ICEs आणि विविध जिवाणू प्रजातींच्या संयोजनांसारख्या विविध गतिशील घटकांवर स्थित असल्याचे आढळले आहे (आकृती ५). स्यूडोमोनास G7 मध्ये, प्लास्मिड NAH7 चे nah आणि sal ऑपेरॉन्स एकाच दिशेने प्रतिलेखित होतात आणि ते एका सदोष ट्रान्सपोझॉनचा भाग आहेत, ज्याला गतिशीलतेसाठी ट्रान्सपोझेस Tn4653 ची आवश्यकता असते (सोटा इत्यादी, २००६). स्यूडोमोनास स्ट्रेन NCIB9816-4 मध्ये, हे जनुक संयुग्मनक्षम प्लास्मिड pDTG1 वर दोन ऑपेरॉन्सच्या (अंदाजे १५ kb अंतरावर) स्वरूपात आढळले, जे विरुद्ध दिशांनी प्रतिलेखित होत होते (डेनिस आणि झिल्स्ट्रा, २००४). स्यूडोमोनास पुटिडा स्ट्रेन AK5 मध्ये, असंयुग्मनक्षम प्लास्मिड pAK5 हे जेंटिसेट मार्गाद्वारे नॅप्थॅलीनच्या विघटनासाठी जबाबदार असलेल्या एन्झाइमला एन्कोड करते (इझमाल्कोवा इत्यादी, २०१३). स्यूडोमोनास स्ट्रेन PMD-1 मध्ये, nah ऑपेरॉन गुणसूत्रावर स्थित असतो, तर sal ऑपेरॉन संयुग्मनक्षम प्लास्मिड pMWD-1 वर स्थित असतो (झुनिगा इत्यादी, १९८१). तथापि, स्यूडोमोनास स्टुत्झेरी AN10 मध्ये, नेफ्थलीन क्षरणाची सर्व जनुके (nah आणि sal ऑपेरॉन) गुणसूत्रावर स्थित असतात आणि संभाव्यतः स्थानांतरण, पुनर्संयोजन आणि पुनर्रचना घटनांद्वारे भरती केली जातात (बॉश इत्यादी, २०००). स्यूडोमोनास sp. CSV86 मध्ये, nah आणि sal ऑपेरॉन जीनोममध्ये ICE (ICECSV86) च्या स्वरूपात स्थित असतात. ही रचना tRNAGly द्वारे संरक्षित आहे, ज्यानंतर पुनर्संयोजन/जोडणी स्थळे (attR आणि attL) दर्शवणारी थेट पुनरावृत्ती आणि tRNAGly च्या दोन्ही टोकांना स्थित एक फेज-सारखे इंटिग्रेज असते, त्यामुळे ती संरचनात्मकदृष्ट्या ICEclc घटकासारखी (क्लोरोकेटिकॉलच्या विघटनासाठी स्यूडोमोनास नॅकम्युसीमधील ICEclcB13) आहे. असे नोंदवले गेले आहे की ICE वरील जनुके अत्यंत कमी हस्तांतरण वारंवारतेने (10-8) संयुग्मनद्वारे हस्तांतरित केली जाऊ शकतात, ज्यामुळे विघटनाचे गुणधर्म प्राप्तकर्त्याकडे हस्तांतरित होतात (बासू आणि फाले, २००८; फाले इत्यादी, २०१९).
कार्बॅरिलच्या विघटनासाठी जबाबदार असलेली बहुतेक जनुके प्लाझमिडवर स्थित असतात. आर्थ्रोबॅक्टर प्रजाती RC100 मध्ये तीन प्लाझमिड (pRC1, pRC2 आणि pRC300) असतात, त्यापैकी दोन संयुग्मनक्षम प्लाझमिड, pRC1 आणि pRC2, कार्बॅरिलचे जेंटिसेटमध्ये रूपांतर करणाऱ्या एन्झाइम्ससाठी सांकेतिक माहिती देतात. दुसरीकडे, जेंटिसेटचे मध्यवर्ती कार्बन मेटाबोलाइट्समध्ये रूपांतर करणाऱ्या एन्झाइम्स गुणसूत्रावर स्थित असतात (हायात्सु इत्यादी, १९९९). रायझोबियम प्रजातीच्या जीवाणूंमध्ये, AC100 स्ट्रेन, जो कार्बॅरिलचे १-नॅफ्थॉलमध्ये रूपांतर करण्यासाठी वापरला जातो, त्यात pAC200 प्लाझमिड असतो, ज्यात CH साठी सांकेतिक माहिती देणारे cehA जनुके Tnceh ट्रान्सपोझॉनचा भाग म्हणून असतात आणि ते इन्सर्शन एलिमेंट-सारख्या अनुक्रमांनी (istA आणि istB) वेढलेले असतात (हाशिमोटो इत्यादी, २००२). स्फिंगोमोनास स्ट्रेन CF06 मध्ये, कार्बॅरिल डिग्रेडेशन जीन पाच प्लाझमिड्समध्ये असल्याचे मानले जाते: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, आणि pCF05. या प्लाझमिड्सची डीएनए होमोलॉजी उच्च आहे, जे जीन डुप्लिकेशन घटनेचे अस्तित्व दर्शवते (फेंग एट अल., १९९७). दोन स्यूडोमोनास प्रजातींपासून बनलेल्या कार्बॅरिल-डिग्रेडिंग सिम्बायॉन्टमध्ये, स्ट्रेन ५०५८१ मध्ये mcd कार्बॅरिल हायड्रोलेज जीन एन्कोड करणारा एक कॉन्जुगेटिव्ह प्लाझमिड pCD1 (५० kb) असतो, तर स्ट्रेन ५०५५२ मधील कॉन्जुगेटिव्ह प्लाझमिड १-नॅफ्थॉल-डिग्रेडिंग एन्झाइम एन्कोड करतो (चपलामादुगु आणि चौधरी, १९९१). अक्रोमोबॅक्टर स्ट्रेन WM111 मध्ये, mcd फ्युराडॅन हायड्रोलेज जीन १०० kb प्लाझमिडवर (pPDL11) स्थित असतो. हे जनुक वेगवेगळ्या भौगोलिक प्रदेशांतील वेगवेगळ्या जीवाणूंमध्ये वेगवेगळ्या प्लाझमिडवर (१००, १०५, ११५ किंवा १२४ केबी) असल्याचे दिसून आले आहे (पारेख इत्यादी, १९९५). स्यूडोमोनास प्रजाती C5pp मध्ये, कार्बॅरिल विघटनासाठी जबाबदार असलेली सर्व जनुके ७६.३ केबी अनुक्रमाच्या जीनोममध्ये स्थित आहेत (त्रिवेदी इत्यादी, २०१६). जीनोम विश्लेषणातून (६.१५ एमबी) ४२ एमजीई आणि ३६ जीईआयची उपस्थिती उघड झाली, त्यापैकी १७ एमजीई सुपरकॉन्टिग ए (७६.३ केबी) मध्ये स्थित होते, ज्यात सरासरी असममित जी+सी सामग्री (५४-६० मोल%) होती, जे संभाव्य क्षैतिज जनुकीय हस्तांतरण घटना सुचवते (त्रिवेदी इत्यादी, २०१६). पी. पुटिडा XWY-1 मध्ये कार्बॅरिल-विघटन करणाऱ्या जनुकांची अशीच रचना दिसून येते, परंतु ही जनुके प्लाझमिडवर स्थित आहेत (झू इत्यादी, २०१९).
जैवरासायनिक आणि जीनोमिक स्तरावरील चयापचय कार्यक्षमतेव्यतिरिक्त, सूक्ष्मजीव इतर गुणधर्म किंवा प्रतिसाद देखील दर्शवतात जसे की केमोटॅक्सिस, पेशी पृष्ठभाग सुधारणा गुणधर्म, कंपार्टमेंटलायझेशन, प्राधान्य वापर, बायोसरफॅक्टंट उत्पादन, इत्यादी, जे त्यांना दूषित वातावरणात सुगंधी प्रदूषकांचे अधिक कार्यक्षमतेने चयापचय करण्यास मदत करतात (आकृती 7).
आकृती ७. बाह्य प्रदूषक संयुगांच्या कार्यक्षम जैवविघटनासाठी आदर्श सुगंधी हायड्रोकार्बन-विघटन करणाऱ्या जीवाणूंच्या विविध पेशीय प्रतिसाद रणनीती.
विषम प्रदूषित परिसंस्थांमध्ये सेंद्रिय प्रदूषकांच्या विघटनास चालना देणारे घटक म्हणून रसायन-आकर्षण प्रतिसादांना मानले जाते. (२००२) मध्ये असे दाखवून देण्यात आले की स्यूडोमोनास प्रजाती G7 चे नॅप्थॅलीनकडे होणारे रसायन-आकर्षण जलीय प्रणालींमध्ये नॅप्थॅलीनच्या विघटनाचा दर वाढवते. मूळ G7 प्रजातीने रसायन-आकर्षण-अक्षम उत्परिवर्तित प्रजातीपेक्षा नॅप्थॅलीनचे विघटन खूप वेगाने केले. NAH7 प्लाझमिडवर मेटाक्लीव्हेज मार्गाच्या जनुकांसोबत NahY प्रथिन (मेम्ब्रेन टोपोलॉजीसह ५३८ अमिनो ॲसिड) सह-लिप्यंतरित होत असल्याचे आढळले, आणि रसायन-आकर्षण ट्रान्सड्यूसरप्रमाणे, हे प्रथिन नॅप्थॅलीनच्या विघटनासाठी रसायनग्राही (केमोरेसेप्टर) म्हणून कार्य करते असे दिसते (ग्रिम आणि हारवुड १९९७). हॅन्सेल इत्यादींच्या (२००९) दुसऱ्या अभ्यासात असे दिसून आले की हे प्रथिन रसायन-आकर्षक आहे, परंतु त्याच्या विघटनाचा दर जास्त आहे. (२०११) मध्ये स्यूडोमोनास (पी. पुटिडा) चा वायुरूप नॅफ्थॅलीनला मिळणारा रसायन-आकर्षण प्रतिसाद दाखवण्यात आला, ज्यामध्ये वायू अवस्थेतील प्रसारामुळे पेशींकडे नॅफ्थॅलीनचा स्थिर प्रवाह झाला, ज्याने पेशींच्या रसायन-आकर्षण प्रतिसादावर नियंत्रण ठेवले. संशोधकांनी या रसायन-आकर्षण वर्तनाचा उपयोग विघटनाचा दर वाढवणारे सूक्ष्मजीव तयार करण्यासाठी केला. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की रसायन-संवेदी मार्ग पेशी विभाजन, पेशी चक्र नियमन आणि बायोफिल्म निर्मिती यांसारख्या इतर पेशीय कार्यांचे देखील नियमन करतात, ज्यामुळे विघटनाचा दर नियंत्रित करण्यास मदत होते. तथापि, कार्यक्षम विघटनासाठी या गुणधर्माचा (रसायन-आकर्षण) उपयोग करण्यामध्ये अनेक अडथळे येतात. प्रमुख अडथळे खालीलप्रमाणे आहेत: (अ) वेगवेगळे पॅरालॉगस रिसेप्टर्स समान संयुगे/लिगँड्स ओळखतात; (ब) पर्यायी रिसेप्टर्सचे अस्तित्व, म्हणजेच ऊर्जा-आकर्षण; (क) एकाच रिसेप्टर कुटुंबाच्या संवेदी डोमेनमध्ये लक्षणीय अनुक्रम फरक; आणि (ड) प्रमुख जिवाणू संवेदक प्रथिनांबद्दल माहितीचा अभाव (ओर्टेगा एट अल., २०१७; मार्टिन-मोरा एट अल., २०१८). काहीवेळा, ऍरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्सच्या जैवविघटनामुळे अनेक मेटाबोलाइट्स/इंटरमीडिएट्स तयार होतात, जे जीवाणूंच्या एका गटासाठी केमोटॅक्टिक असू शकतात परंतु इतरांसाठी प्रतिकारक असू शकतात, ज्यामुळे प्रक्रिया आणखी गुंतागुंतीची होते. लिगँड्स (ऍरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स) आणि रासायनिक रिसेप्टर्स यांच्यातील आंतरक्रिया ओळखण्यासाठी, आम्ही स्यूडोमोनास पुटिडा आणि एशेरिकिया कोलाय यांच्या सेन्सर आणि सिग्नलिंग डोमेन्सना एकत्र करून हायब्रीड सेन्सर प्रथिने (PcaY, McfR, आणि NahY) तयार केली, जी अनुक्रमे ऍरोमॅटिक ऍसिड्स, TCA इंटरमीडिएट्स आणि नॅप्थलीनच्या रिसेप्टर्सना लक्ष्य करतात (Luu et al., 2019).
नॅप्थलीन आणि इतर पॉलीसायक्लिक ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्सच्या (PAHs) प्रभावाखाली, जिवाणूंच्या पटलाच्या संरचनेत आणि सूक्ष्मजीवांच्या अखंडतेमध्ये लक्षणीय बदल होतात. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की, नॅप्थलीन हायड्रोफोबिक आंतरक्रियांद्वारे ॲसिल साखळीच्या आंतरक्रियेत अडथळा आणते, ज्यामुळे पटलाची सूज आणि तरलता वाढते (सिक्केमा इत्यादी, १९९५). या हानिकारक परिणामाचा प्रतिकार करण्यासाठी, जिवाणू आयसो/अँटेआयसो शाखा-साखळी फॅटी ॲसिडमधील गुणोत्तर आणि फॅटी ॲसिड रचना बदलून आणि सिस-असंतृप्त फॅटी ॲसिडचे संबंधित ट्रान्स-आयसोमर्समध्ये रूपांतर करून पटलाची तरलता नियंत्रित करतात (हेपिपर आणि डी बॉन्ट, १९९४). नॅप्थलीन उपचाराखाली वाढवलेल्या स्यूडोमोनास स्टुत्झेरीमध्ये, संतृप्त ते असंतृप्त फॅटी ॲसिडचे गुणोत्तर १.१ वरून २.१ पर्यंत वाढले, तर स्यूडोमोनास JS150 मध्ये हे गुणोत्तर ७.५ वरून १२.० पर्यंत वाढले (म्रोझिक इत्यादी, २००४). नॅप्थॅलीनवर वाढवल्यावर, अ‍ॅक्रोमोबॅक्टर केए 3-5 (Achromobacter KAs 3-5) पेशींमध्ये नॅप्थॅलीन स्फटिकांभोवती पेशींचे एकत्रीकरण आणि पेशीच्या पृष्ठभागावरील विद्युत प्रभारात घट (-22.5 वरून -2.5 mV पर्यंत) दिसून आली, ज्यासोबत पेशीद्रव्याचे संघनन आणि रिक्तिकीकरण झाले, जे पेशी संरचना आणि पेशी पृष्ठभागाच्या गुणधर्मांमधील बदल दर्शवते (मोहपात्रा इत्यादी, 2019). जरी पेशी/पृष्ठभागावरील बदल हे सुगंधी प्रदूषकांच्या चांगल्या शोषणाशी थेट संबंधित असले तरी, संबंधित जैवअभियांत्रिकी धोरणे पूर्णपणे अनुकूलित केलेली नाहीत. जैविक प्रक्रिया अनुकूलित करण्यासाठी पेशींच्या आकारातील फेरबदल क्वचितच वापरले गेले आहेत (वोल्के आणि निकेल, 2018). पेशी विभाजनावर परिणाम करणाऱ्या जनुकांचे विलोपन केल्याने पेशींच्या आकारविज्ञानात बदल होतात. बॅसिलस सबटिलिसमध्ये, पेशी सेप्टम प्रथिन SepF हे सेप्टम निर्मितीमध्ये सामील असल्याचे दिसून आले आहे आणि पेशी विभाजनाच्या पुढील टप्प्यांसाठी ते आवश्यक आहे, परंतु ते एक अत्यावश्यक जनुक नाही. बॅसिलस सबटिलिसमध्ये पेप्टाइड ग्लायकॅन हायड्रोलेसचे एन्कोडिंग करणाऱ्या जनुकांचे विलोपन केल्यामुळे पेशी लांब झाल्या, विशिष्ट वाढीचा दर वाढला आणि एन्झाइम उत्पादन क्षमता सुधारली (कुई एट अल., 2018).
स्यूडोमोनास स्ट्रेन C5pp आणि C7 चे कार्यक्षम विघटन साधण्यासाठी कार्बॅरिल विघटन मार्गाच्या विभाजनाचा प्रस्ताव मांडण्यात आला आहे (कामिनी इत्यादी, २०१८). असे प्रस्तावित आहे की कार्बॅरिल बाह्य आवरणाच्या सेप्टममधून आणि/किंवा विसरणशील पोरिन्सद्वारे पेरिप्लाज्मिक जागेत वाहून नेले जाते. CH हे एक पेरिप्लाज्मिक एन्झाइम आहे जे कार्बॅरिलच्या हायड्रोलिसिसला उत्प्रेरित करून १-नॅफ्थॉल तयार करते, जे अधिक स्थिर, अधिक हायड्रोफोबिक आणि अधिक विषारी असते. CH पेरिप्लाझममध्ये स्थित असते आणि कार्बॅरिलसाठी त्याची कमी आसक्ती असते, त्यामुळे ते १-नॅफ्थॉलच्या निर्मितीवर नियंत्रण ठेवते, ज्यामुळे पेशींमध्ये त्याचा संचय टाळला जातो आणि पेशींसाठी त्याची विषारीता कमी होते (कामिनी इत्यादी, २०१८). परिणामी तयार झालेले १-नॅफ्थॉल विभाजन आणि/किंवा विसरणाद्वारे आंतरिक आवरणातून सायटोप्लाझममध्ये वाहून नेले जाते आणि नंतर केंद्रीय कार्बन मार्गातील पुढील चयापचयासाठी उच्च-आसक्ती एन्झाइम 1NH द्वारे त्याचे हायड्रॉक्सिलेशन होऊन १,२-डायहायड्रॉक्सिनॅफ्थॅलीन तयार होते.
जरी सूक्ष्मजीवांमध्ये झेनोबायोटिक कार्बन स्रोतांचे विघटन करण्याची अनुवांशिक आणि चयापचय क्षमता असली तरी, त्यांच्या वापराची पदानुक्रमित रचना (म्हणजे, जटिल कार्बन स्रोतांपेक्षा साध्या कार्बन स्रोतांचा प्राधान्याने वापर) जैवविघटनामध्ये एक मोठा अडथळा आहे. साध्या कार्बन स्रोतांची उपस्थिती आणि वापर, PAHs सारख्या जटिल/न-प्राधान्य दिलेल्या कार्बन स्रोतांचे विघटन करणाऱ्या एन्झाइम्ससाठी कोड करणाऱ्या जनुकांना डाउनरेगुलेट करते. याचे एक सुप्रसिद्ध उदाहरण म्हणजे, जेव्हा एशेरिकिया कोलायला ग्लुकोज आणि लॅक्टोज एकत्र दिले जातात, तेव्हा लॅक्टोजपेक्षा ग्लुकोजचा वापर अधिक कार्यक्षमतेने होतो (जेकब आणि मोनोड, १९६५). स्यूडोमोनास विविध प्रकारचे PAHs आणि झेनोबायोटिक संयुगे कार्बन स्रोत म्हणून विघटित करतो असे नोंदवले गेले आहे. स्यूडोमोनासमधील कार्बन स्रोत वापराचा पदानुक्रम सेंद्रिय आम्ल > ग्लुकोज > सुगंधी संयुगे असा आहे (हायलेमन आणि फिब्स, १९७२; कोलिअर इत्यादी, १९९६). तथापि, याला एक अपवाद आहे. विशेष म्हणजे, स्यूडोमोनास प्रजाती... CSV86 एक अद्वितीय पदानुक्रमित रचना दर्शवते जी ग्लुकोजऐवजी प्राधान्याने सुगंधी हायड्रोकार्बन्स (बेंझोइक ॲसिड, नॅप्थलीन, इत्यादी) वापरते आणि सेंद्रिय आम्लांसह सुगंधी हायड्रोकार्बन्सचे सह-चयापचय करते (बासू इत्यादी, २००६). या जिवाणूमध्ये, ग्लुकोज किंवा सेंद्रिय आम्लांसारख्या दुसऱ्या कार्बन स्रोताच्या उपस्थितीतही सुगंधी हायड्रोकार्बन्सच्या विघटनासाठी आणि वहनासाठी असलेले जनुके डाउनरेगुलेट होत नाहीत. जेव्हा ग्लुकोज आणि सुगंधी हायड्रोकार्बन्सच्या माध्यमात वाढवले ​​गेले, तेव्हा असे दिसून आले की ग्लुकोज वहन आणि चयापचयासाठी असलेले जनुके डाउनरेगुलेट झाले, पहिल्या लॉग फेजमध्ये सुगंधी हायड्रोकार्बन्सचा वापर झाला आणि दुसऱ्या लॉग फेजमध्ये ग्लुकोजचा वापर झाला (बासू इत्यादी, २००६; चौधरी इत्यादी, २०१७). दुसरीकडे, सेंद्रिय आम्लांच्या उपस्थितीचा सुगंधी हायड्रोकार्बन चयापचयाच्या अभिव्यक्तीवर परिणाम झाला नाही, त्यामुळे हा जिवाणू जैवविघटन अभ्यासासाठी एक उमेदवार स्ट्रेन असण्याची अपेक्षा आहे (फाळे इत्यादी, २०२०).
हे सर्वज्ञात आहे की हायड्रोकार्बन जैव-रूपांतरणामुळे सूक्ष्मजीवांमध्ये ऑक्सिडेटिव्ह ताण आणि अँटिऑक्सिडेंट एन्झाइम्सचे अपरेग्युलेशन होऊ शकते. स्थिर अवस्थेतील पेशींमध्ये आणि विषारी संयुगांच्या उपस्थितीत, नॅप्थलीनचे अकार्यक्षम जैव-विघटन झाल्यामुळे रिॲक्टिव्ह ऑक्सिजन स्पीशीज (ROS) तयार होतात (कांग एट अल. २००६). नॅप्थलीनचे विघटन करणाऱ्या एन्झाइम्समध्ये आयर्न-सल्फर क्लस्टर्स असल्यामुळे, ऑक्सिडेटिव्ह ताणाखाली, हीम आणि आयर्न-सल्फर प्रथिनांमधील लोहाचे ऑक्सिडेशन होते, ज्यामुळे प्रथिने निष्क्रिय होतात. फेरेडॉक्सिन-NADP+ रिडक्टेज (Fpr), सुपरऑक्साइड डिसम्युटेज (SOD) सोबत मिळून, NADP+/NADPH आणि फेरेडॉक्सिन किंवा फ्लॅव्होडॉक्सिनच्या दोन रेणूंमधील प्रतिवर्ती रेडॉक्स अभिक्रियेत मध्यस्थी करते, ज्यामुळे ROS नष्ट होतात आणि ऑक्सिडेटिव्ह ताणाखाली आयर्न-सल्फर केंद्र पुनर्संचयित होते (ली एट अल. २००६). असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनासमध्ये Fpr आणि SodA (SOD) दोन्ही ऑक्सिडेटिव्ह स्ट्रेसमुळे प्रेरित होऊ शकतात, आणि नॅप्थॅलीन मिसळलेल्या परिस्थितीत वाढीदरम्यान चार स्यूडोमोनास स्ट्रेन्समध्ये (O1, W1, As1, आणि G1) SOD आणि कॅटलेज क्रियाकलापांमध्ये वाढ दिसून आली (कांग एट अल., २००६). अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की एस्कॉर्बिक ऍसिड किंवा फेरस आयर्न (Fe2+) सारख्या अँटिऑक्सिडंट्सच्या समावेशामुळे नॅप्थॅलीनचा वाढीचा दर वाढू शकतो. जेव्हा रोडोकोकस एरिथ्रोपोलिस नॅप्थॅलीन माध्यमात वाढला, तेव्हा sodA (Fe/Mn सुपरऑक्साइड डिसम्युटेस), sodC (Cu/Zn सुपरऑक्साइड डिसम्युटेस), आणि recA यांसारख्या ऑक्सिडेटिव्ह स्ट्रेस-संबंधित सायटोक्रोम P450 जनुकांच्या ट्रान्सक्रिप्शनमध्ये वाढ झाली (साझिकिन एट अल., २०१९). नॅप्थॅलीनमध्ये संवर्धित केलेल्या स्यूडोमोनास पेशींच्या तुलनात्मक परिमाणात्मक प्रोटीओमिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की ऑक्सिडेटिव्ह ताण प्रतिसादाशी संबंधित विविध प्रथिनांचे अपरेग्युलेशन ही ताणाशी सामना करण्याची एक रणनीती आहे (हर्बस्ट एट अल., २०१३).
हायड्रोफोबिक कार्बन स्रोतांच्या प्रभावाखाली सूक्ष्मजीव बायोसरफॅक्टंट्स तयार करतात असे आढळून आले आहे. हे सरफॅक्टंट्स उभयधर्मी (ॲम्फिफिलिक) पृष्ठ सक्रिय संयुगे आहेत, जे तेल-पाणी किंवा हवा-पाणी आंतरपृष्ठांवर एकत्रित होऊ शकतात. यामुळे छद्म-विद्राव्यतेला (स्यूडो-सोल्युबिलायझेशन) चालना मिळते आणि सुगंधी हायड्रोकार्बन्सच्या अधिशोषणाला (ॲडसॉर्प्शन) मदत होते, परिणामी कार्यक्षम जैवविघटन (बायोडिग्रेडेशन) होते (रहमान इत्यादी, २००२). या गुणधर्मांमुळे, बायोसरफॅक्टंट्सचा विविध उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. जिवाणू संवर्धनामध्ये (बॅक्टेरियल कल्चर्स) रासायनिक सरफॅक्टंट्स किंवा बायोसरफॅक्टंट्स मिसळल्याने हायड्रोकार्बन विघटनाची कार्यक्षमता आणि दर वाढू शकतो. बायोसरफॅक्टंट्सपैकी, स्यूडोमोनास एरुजिनोसाद्वारे उत्पादित रॅम्नो लिपिड्सचा विस्तृतपणे अभ्यास आणि वैशिष्ट्यीकरण केले गेले आहे (हिसात्सुका इत्यादी, १९७१; रहमान इत्यादी, २००२). याव्यतिरिक्त, इतर प्रकारच्या बायोसरफॅक्टंट्समध्ये लिपोपेप्टाइड्स (स्यूडोमोनास फ्लोरेसेन्सपासून मिळणारे म्युसिन्स), इमल्सिफायर ३७८ (स्यूडोमोनास फ्लोरेसेन्सपासून) (रोझेनबर्ग आणि रॉन, १९९९), रोडोकोकसपासून मिळणारे ट्रेहॅलोज डायसॅकराइड लिपिड्स (रॅमडाहल, १९८५), बॅसिलसपासून मिळणारे लायकेनिन (सरस्वती आणि हॉलबर्ग, २००२), आणि बॅसिलस सबटिलिस (सिगमंड आणि वॅगनर, १९९१) व बॅसिलस अॅमिलोलिक्विफॅसिएन्स (झी इत्यादी, २०१७) पासून मिळणारे सरफॅक्टंट यांचा समावेश होतो. हे प्रभावी सरफॅक्टंट्स पृष्ठताण ७२ डाइन/सेमी पासून ३० डाइन/सेमी पेक्षा कमी करतात, ज्यामुळे हायड्रोकार्बनचे शोषण अधिक चांगल्या प्रकारे होते, असे दिसून आले आहे. असे नोंदवले गेले आहे की स्यूडोमोनास, बॅसिलस, रोडोकोकस, बर्खोल्डेरिया आणि इतर जिवाणू प्रजाती नॅफ्थलीन आणि मिथाइलनॅफ्थलीन माध्यमात वाढवल्यावर विविध रॅम्नो लिपिड आणि ग्लायको लिपिड-आधारित बायोसरफॅक्टंट्स तयार करू शकतात (कांगा एट अल., १९९७; पंटस एट अल., २००५). स्यूडोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 नॅफ्थोइक ॲसिडसारख्या सुगंधी संयुगांवर वाढवल्यावर बाह्यकोशिकीय बायोसरफॅक्टंट बायोसर-पीएम तयार करू शकते (फाले एट अल., १९९५). बायोसर-पीएम निर्मितीच्या गतिकीने दाखवले की त्याचे संश्लेषण ही वाढ- आणि pH-अवलंबित प्रक्रिया आहे. असे आढळून आले की उदासीन pH वर पेशींद्वारे तयार होणाऱ्या बायोसर-पीएमचे प्रमाण pH ८.५ वरील प्रमाणापेक्षा जास्त होते. pH ७.० वर वाढलेल्या पेशींच्या तुलनेत pH ८.५ वर वाढलेल्या पेशी अधिक हायड्रोफोबिक होत्या आणि त्यांना सुगंधी व अलिफॅटिक संयुगांसाठी जास्त आकर्षण होते. रोडोकोकस प्रजातींमध्ये... बाह्यकोशिकीय बायोसरफॅक्टंट्सच्या उत्पादनासाठी N6, उच्च कार्बन ते नायट्रोजन (C:N) गुणोत्तर आणि लोहाची कमतरता या इष्टतम परिस्थिती आहेत (मुतालिक इत्यादी, २००८). स्ट्रेन्स आणि किण्वन प्रक्रिया अनुकूलित करून बायोसरफॅक्टंट्सच्या (सरफॅक्टिन्सच्या) जैवसंश्लेषणात सुधारणा करण्याचे प्रयत्न केले गेले आहेत. तथापि, कल्चर माध्यमातील सरफॅक्टंटचे प्रमाण कमी (१.० ग्रॅम/लिटर) असते, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनासाठी आव्हान निर्माण होते (जिओ इत्यादी, २०१७; वू इत्यादी, २०१९). म्हणून, त्याच्या जैवसंश्लेषणात सुधारणा करण्यासाठी जनुकीय अभियांत्रिकी पद्धतींचा वापर केला गेला आहे. तथापि, ऑपेरॉनचा मोठा आकार (∼२५ kb) आणि कोरम सेन्सिंग प्रणालीचे जटिल जैवसंश्लेषणात्मक नियमन यामुळे त्यात अभियांत्रिकी बदल करणे कठीण आहे (जिओ इत्यादी, २०१७; वू इत्यादी, २०१९). बॅसिलस जिवाणूंमध्ये अनेक जनुकीय अभियांत्रिकी बदल करण्यात आले आहेत, ज्यांचा मुख्य उद्देश प्रमोटर (srfA ऑपेरॉन) बदलून, सर्फॅक्टिन निर्यात प्रथिन YerP आणि नियामक घटक ComX व PhrC यांची अतिअभिव्यक्ती करून सर्फॅक्टिनचे उत्पादन वाढवणे हा आहे (Jiao et al., 2017). तथापि, या जनुकीय अभियांत्रिकी पद्धतींनी केवळ एक किंवा काही जनुकीय बदलच साध्य केले आहेत आणि त्या अद्याप व्यावसायिक उत्पादनापर्यंत पोहोचलेल्या नाहीत. त्यामुळे, ज्ञान-आधारित इष्टतमीकरण पद्धतींचा पुढील अभ्यास करणे आवश्यक आहे.
PAH जैवविघटनाचा अभ्यास प्रामुख्याने प्रमाणित प्रयोगशाळा परिस्थितीत केला जातो. तथापि, दूषित ठिकाणी किंवा दूषित वातावरणात, अनेक अजैविक आणि जैविक घटक (तापमान, pH, ऑक्सिजन, पोषक तत्वांची उपलब्धता, सब्सट्रेटची जैवउपलब्धता, इतर झेनोबायोटिक्स, अंतिम उत्पादनामुळे होणारा अवरोध, इत्यादी) सूक्ष्मजीवांच्या विघटन क्षमतेत बदल घडवून आणतात आणि त्यावर प्रभाव टाकतात, असे दिसून आले आहे.
PAH च्या जैवविघटनावर तापमानाचा महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो. तापमान वाढल्याने, विरघळलेल्या ऑक्सिजनची सांद्रता कमी होते, ज्यामुळे एरोबिक सूक्ष्मजीवांच्या चयापचयावर परिणाम होतो, कारण त्यांना हायड्रॉक्सिलेशन किंवा रिंग क्लीव्हेज प्रतिक्रिया पार पाडणाऱ्या ऑक्सिजेनेससाठी सब्सट्रेटपैकी एक म्हणून आण्विक ऑक्सिजनची आवश्यकता असते. असे अनेकदा दिसून येते की वाढलेले तापमान मूळ PAH चे अधिक विषारी संयुगांमध्ये रूपांतर करते, ज्यामुळे जैवविघटनात अडथळा येतो (मुलर एट अल., १९९८).
असे निदर्शनास आले आहे की अनेक PAH दूषित स्थळांवर pH ची अत्यंत टोकाची मूल्ये आढळतात, जसे की आम्ल खाण निचऱ्याने (acid mine drainage) दूषित झालेली स्थळे (pH १-४) आणि अल्कधर्मी निचऱ्याने (alkaline leachate) दूषित झालेली नैसर्गिक वायू/कोळसा वायूकरण स्थळे (pH ८-१२). या परिस्थितीमुळे जैवविघटन प्रक्रियेवर गंभीर परिणाम होऊ शकतो. म्हणून, जैवउपचारासाठी (bioremediation) सूक्ष्मजीवांचा वापर करण्यापूर्वी, योग्य रसायने (ज्यांची ऑक्सिडेशन-रिडक्शन क्षमता मध्यम ते खूप कमी असते) वापरून pH समायोजित करण्याची शिफारस केली जाते; उदाहरणार्थ, अल्कधर्मी मातीसाठी अमोनियम सल्फेट किंवा अमोनियम नायट्रेट, किंवा आम्लधर्मी स्थळांसाठी कॅल्शियम कार्बोनेट किंवा मॅग्नेशियम कार्बोनेटचा चुनखडीचा वापर (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020).
प्रभावित क्षेत्राला होणारा ऑक्सिजनचा पुरवठा हा PAH च्या जैवविघटनासाठी दर-मर्यादित घटक आहे. पर्यावरणातील रेडॉक्स परिस्थितीमुळे, इन-सिटू जैवउपचार प्रक्रियांना सामान्यतः बाह्य स्रोतांकडून (उदा. नांगरणी, एअर स्पार्जिंग आणि रासायनिक मिश्रण) ऑक्सिजन पुरवण्याची आवश्यकता असते (पार्डिक इत्यादी, १९९२). ओडेनक्रान्झ इत्यादी (१९९६) यांनी दाखवून दिले की, दूषित जलस्तरात मॅग्नेशियम पेरॉक्साइड (ऑक्सिजन मुक्त करणारे संयुग) टाकल्यास BTEX संयुगांवर प्रभावीपणे जैवउपचार करता येतो. दुसऱ्या एका अभ्यासात, प्रभावी जैवउपचार साधण्यासाठी सोडियम नायट्रेटचे अंतःक्षेपण करून आणि निष्कर्षण विहिरी बांधून, दूषित जलस्तरातील फिनॉल आणि BTEX च्या इन-सिटू विघटनाचा तपास करण्यात आला (बेवली आणि वेब, २००१).