यो लेख "उन्नत बायोरेमेडिएशन टेक्नोलोजीहरू र सिंथेटिक जैविक यौगिकहरू (SOC) रिसाइक्लिंग प्रक्रियाहरू" अनुसन्धान विषयको अंश हो। सबै १४ लेखहरू हेर्नुहोस्।
कम आणविक तौलको पोलिसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) जस्तै नेफ्थालिन र प्रतिस्थापित नेफ्थालिनहरू (मिथाइलनाफ्थालिन, नेफ्थोइक एसिड, १-नेफ्थाइल-एन-मिथाइलकार्बामेट, आदि) विभिन्न उद्योगहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ र जीवहरूको लागि जीनोटोक्सिक, म्युटेजेनिक र/वा कार्सिनोजेनिक हुन्। यी कृत्रिम जैविक यौगिकहरू (SOCs) वा जेनोबायोटिक्सलाई प्राथमिकता प्रदूषक मानिन्छ र विश्वव्यापी वातावरण र जनस्वास्थ्यको लागि गम्भीर खतरा निम्त्याउँछ। मानव गतिविधिहरूको तीव्रता (जस्तै कोइला ग्यासिफिकेशन, तेल प्रशोधन, सवारी साधन उत्सर्जन र कृषि अनुप्रयोगहरू) ले यी सर्वव्यापी र स्थिर यौगिकहरूको एकाग्रता, भाग्य र ढुवानी निर्धारण गर्दछ। भौतिक र रासायनिक उपचार/हटाउने विधिहरूको अतिरिक्त, हरियो र वातावरणमैत्री प्रविधिहरू जस्तै बायोरेमेडिएशन, जसले POCs लाई पूर्ण रूपमा घटाउन वा गैर-विषाक्त उप-उत्पादनहरूमा रूपान्तरण गर्न सक्षम सूक्ष्मजीवहरू प्रयोग गर्दछ, सुरक्षित, लागत-प्रभावी र आशाजनक विकल्पको रूपमा देखा परेको छ। माटोको माइक्रोबायोटामा रहेका फाइला प्रोटियोब्याक्टेरिया (स्यूडोमोनास, स्यूडोमोनास, कोमामोनास, बर्खोल्डेरिया र नियोस्फिंगोब्याक्टेरियम), फर्मिक्युट्स (ब्यासिलस र पेनिबासिलस), र एक्टिनोब्याक्टेरिया (रोडोकोकस र आर्थ्रोब्याक्टर) सँग सम्बन्धित विभिन्न ब्याक्टेरिया प्रजातिहरूले विभिन्न जैविक यौगिकहरूलाई घटाउने क्षमता प्रदर्शन गरेका छन्। मेटाबोलिक अध्ययन, जीनोमिक्स, र मेटाजेनोमिक विश्लेषणले हामीलाई यी साधारण जीवन रूपहरूमा उपस्थित क्याटाबोलिक जटिलता र विविधता बुझ्न मद्दत गर्दछ, जुन कुशल जैविक विघटनको लागि थप लागू गर्न सकिन्छ। PAH हरूको दीर्घकालीन अस्तित्वले प्लाज्मिड, ट्रान्सपोसन, ब्याक्टेरियोफेज, जीनोमिक टापुहरू, र एकीकृत संयुग्मित तत्वहरू जस्ता आनुवंशिक तत्वहरू प्रयोग गरेर तेर्सो जीन स्थानान्तरण मार्फत नयाँ गिरावट फेनोटाइपहरूको उदय भएको छ। विशिष्ट आइसोलेटहरू वा मोडेल समुदायहरू (कन्सोर्टिया) को प्रणाली जीवविज्ञान र आनुवंशिक इन्जिनियरिङले सिनर्जिस्टिक प्रभावहरू मार्फत यी PAH हरूको व्यापक, द्रुत र कुशल जैविक उपचार सक्षम पार्न सक्छ। यस समीक्षामा, हामी विभिन्न चयापचय मार्गहरू र विविधता, आनुवंशिक संरचना र विविधता, र नेफ्थालिन र प्रतिस्थापन गरिएको नेफ्थालिन-डिग्रेडिङ ब्याक्टेरियाको सेलुलर प्रतिक्रियाहरू/अनुकूलनहरूमा ध्यान केन्द्रित गर्छौं। यसले कुशल बायोरेमेडिएशनको लागि क्षेत्र अनुप्रयोग र स्ट्रेन अप्टिमाइजेसनको लागि पारिस्थितिक जानकारी प्रदान गर्नेछ।
उद्योगहरूको द्रुत विकास (पेट्रोकेमिकल्स, कृषि, औषधि, कपडा रङ, सौन्दर्य प्रसाधन, आदि) ले विश्वव्यापी आर्थिक समृद्धि र जीवनस्तरमा सुधार ल्याएको छ। यो घातीय विकासले ठूलो संख्यामा कृत्रिम जैविक यौगिकहरू (SOCs) उत्पादन गरेको छ, जुन विभिन्न उत्पादनहरू निर्माण गर्न प्रयोग गरिन्छ। यी विदेशी यौगिकहरू वा SOCs मा polycyclic aromatic हाइड्रोकार्बन (PAHs), कीटनाशक, झारनाशक, प्लास्टिसाइजर, रङ, औषधि, अर्गानोफोस्फेट, ज्वाला प्रतिरोधक, वाष्पशील जैविक विलायकहरू, आदि समावेश छन्। तिनीहरू वायुमण्डल, जलीय र स्थलीय पारिस्थितिक प्रणालीमा उत्सर्जित हुन्छन् जहाँ तिनीहरूको बहुआयामिक प्रभाव हुन्छ, जसले भौतिक-रासायनिक गुणहरू र सामुदायिक संरचनामा परिवर्तन मार्फत विभिन्न जैविक रूपहरूमा हानिकारक प्रभाव पार्छ (पेट्री एट अल।, २०१५; बर्नहार्ट एट अल।, २०१७; सरकार एट अल।, २०२०)। धेरै सुगन्धित प्रदूषकहरूले धेरै अक्षुण्ण पारिस्थितिक प्रणाली/जैविक विविधता हटस्पटहरूमा बलियो र विनाशकारी प्रभाव पार्छन् (जस्तै कोरल चट्टानहरू, आर्कटिक/अन्टार्कटिक बरफका पानाहरू, उच्च पहाडी तालहरू, गहिरो समुद्री तलछटहरू, आदि) (जोन्स २०१०; बेयर एट अल २०२०; नोर्डबोर्ग एट अल २०२०)। हालैका भू-सूक्ष्मजीवशास्त्रीय अध्ययनहरूले देखाएका छन् कि कृत्रिम संरचनाहरू (निर्मित वातावरण) (जस्तै सांस्कृतिक सम्पदा स्थलहरू र ग्रेनाइट, ढुङ्गा, काठ र धातुबाट बनेका स्मारकहरू) को सतहहरूमा कृत्रिम जैविक पदार्थ (जस्तै सुगन्धित प्रदूषकहरू) र तिनीहरूका डेरिभेटिभहरूको निक्षेपणले तिनीहरूको क्षयलाई गति दिन्छ (ग्याड २०१७; लिउ एट अल २०१८)। मानव गतिविधिहरूले वायु प्रदूषण र जलवायु परिवर्तन मार्फत स्मारकहरू र भवनहरूको जैविक क्षयलाई तीव्र र बिगार्न सक्छ (लिउ एट अल २०१८)। यी जैविक प्रदूषकहरूले वायुमण्डलमा पानीको वाष्पसँग प्रतिक्रिया गर्छन् र संरचनामा बसोबास गर्छन्, जसले गर्दा सामग्रीको भौतिक र रासायनिक क्षय हुन्छ। जैविक क्षयीकरणलाई जीवित जीवहरूले गर्दा हुने सामग्रीको उपस्थिति र गुणहरूमा अवांछनीय परिवर्तनको रूपमा व्यापक रूपमा मान्यता दिइन्छ जसले तिनीहरूको संरक्षणलाई असर गर्छ (पोचोन र जाटन, १९६७)। यी यौगिकहरूको थप सूक्ष्मजीवीय कार्य (चयापचय) ले संरचनात्मक अखण्डता, संरक्षण प्रभावकारिता र सांस्कृतिक मूल्यलाई कम गर्न सक्छ (ग्याड, २०१७; लिउ एट अल।, २०१८)। अर्कोतर्फ, केही अवस्थामा, यी संरचनाहरूमा सूक्ष्मजीवीय अनुकूलन र प्रतिक्रिया लाभदायक पाइएको छ किनकि तिनीहरूले बायोफिल्महरू र अन्य सुरक्षात्मक क्रस्टहरू बनाउँछन् जसले क्षय/विघटनको दर कम गर्दछ (मार्टिनो, २०१६)। त्यसकारण, ढुङ्गा, धातु र काठ स्मारकहरूको लागि प्रभावकारी दीर्घकालीन दिगो संरक्षण रणनीतिहरूको विकासको लागि यस प्रक्रियामा संलग्न प्रमुख प्रक्रियाहरूको पूर्ण बुझाइ आवश्यक छ। प्राकृतिक प्रक्रियाहरू (भूगर्भीय प्रक्रियाहरू, वन आगो, ज्वालामुखी विस्फोट, बिरुवा र ब्याक्टेरिया प्रतिक्रियाहरू) सँग तुलना गर्दा, मानव गतिविधिहरूले पारिस्थितिक प्रणालीहरूमा ठूलो मात्रामा पॉलीसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) र अन्य जैविक कार्बन (OC) को रिलीज निम्त्याउँछ। कृषिमा प्रयोग हुने धेरै PAHs (कीटनाशक र कीटनाशकहरू जस्तै DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorophenol, आदि), उद्योग (कच्चा तेल, तेलको फोहोर/फोहोर, पेट्रोलियमबाट प्राप्त प्लास्टिक, PCB, प्लास्टिसाइजर, डिटर्जेन्ट, कीटाणुनाशक, फ्युमिगेन्ट, सुगन्ध र संरक्षक), व्यक्तिगत हेरचाह उत्पादनहरू (सनस्क्रिन, कीटाणुनाशक, कीट विकर्षक र पोलिसाइक्लिक कस्तुरी) र हतियार (२,४,६-TNT जस्ता विस्फोटक पदार्थ) सम्भावित जेनोबायोटिक्स हुन् जसले ग्रहको स्वास्थ्यलाई असर गर्न सक्छ (Srogi, २००७; Vamsee-Krishna and Phale, २००८; Petrie et al., २०१५)। यो सूचीलाई पेट्रोलियमबाट प्राप्त यौगिकहरू (इन्धन तेल, लुब्रिकेन्ट, asphaltenes), उच्च आणविक तौल बायोप्लास्टिक्स, र आयनिक तरल पदार्थहरू (Amde et al., २०१५) समावेश गर्न विस्तार गर्न सकिन्छ। तालिका १ ले विभिन्न सुगन्धित प्रदूषकहरू र विभिन्न उद्योगहरूमा तिनीहरूको प्रयोगहरू सूचीबद्ध गर्दछ। हालैका वर्षहरूमा, वाष्पशील जैविक यौगिकहरू, साथै कार्बन डाइअक्साइड र अन्य हरितगृह ग्यासहरूको मानवजन्य उत्सर्जन बढ्न थालेको छ (ड्वोराक एट अल।, २०१७)। यद्यपि, मानवजन्य प्रभावहरू प्राकृतिक भन्दा धेरै बढी छन्। यसको अतिरिक्त, हामीले पत्ता लगायौं कि धेरै वातावरणीय वातावरणमा धेरै SOC हरू रहन्छन् र बायोमहरूमा प्रतिकूल प्रभाव पार्ने उदीयमान प्रदूषकहरूको रूपमा पहिचान गरिएको छ (चित्र १)। संयुक्त राज्य अमेरिका वातावरण संरक्षण एजेन्सी (USEPA) जस्ता वातावरणीय एजेन्सीहरूले यी धेरै प्रदूषकहरूलाई तिनीहरूको साइटोटोक्सिक, जीनोटोक्सिक, म्युटेजेनिक, र कार्सिनोजेनिक गुणहरूको कारणले प्राथमिकता सूचीमा समावेश गरेका छन्। त्यसकारण, दूषित पारिस्थितिक प्रणालीबाट फोहोर उपचार/हटाउने कडा विसर्जन नियमहरू र प्रभावकारी रणनीतिहरू आवश्यक छन्। पाइरोलिसिस, अक्सिडेटिभ थर्मल उपचार, हावा वातन, ल्यान्डफिलिङ, इन्सिनरेसन, आदि जस्ता विभिन्न भौतिक र रासायनिक उपचार विधिहरू अप्रभावी र महँगो छन् र संक्षारक, विषाक्त र उपचार गर्न गाह्रो उप-उत्पादनहरू उत्पन्न गर्छन्। बढ्दो विश्वव्यापी वातावरणीय जागरूकतासँगै, यी प्रदूषकहरू र तिनीहरूका डेरिभेटिभहरू (जस्तै हेलोजेनेटेड, नाइट्रो, अल्काइल र/वा मिथाइल) लाई घटाउन सक्षम सूक्ष्मजीवहरूले बढ्दो ध्यान आकर्षित गरिरहेका छन् (फेनेल एट अल।, २००४; हरिताश र कौशिक, २००९; फाले एट अल।, २०२०; सरकार एट अल।, २०२०; श्वानेमन एट अल।, २०२०)। सुगन्धित प्रदूषकहरू हटाउनका लागि यी स्वदेशी उम्मेदवार सूक्ष्मजीवहरूको एक्लै वा मिश्रित संस्कृतिहरू (उपनिवेशहरू) मा प्रयोग गर्दा वातावरणीय सुरक्षा, लागत, दक्षता, प्रभावकारिता र दिगोपनको सन्दर्भमा फाइदाहरू छन्। अनुसन्धानकर्ताहरूले प्रदूषक उपचार/हटाउने आशाजनक प्रविधिको रूपमा इलेक्ट्रोकेमिकल रेडक्स विधिहरू, अर्थात् बायोइलेक्ट्रोकेमिकल प्रणालीहरू (BES) सँग माइक्रोबियल प्रक्रियाहरूको एकीकरणको पनि खोजी गरिरहेका छन् (हुआङ एट अल।, २०११)। BES प्रविधिले यसको उच्च दक्षता, कम लागत, वातावरणीय सुरक्षा, कोठाको तापक्रम सञ्चालन, जैविक अनुकूल सामग्रीहरू, र बहुमूल्य उप-उत्पादनहरू (जस्तै, बिजुली, इन्धन, र रसायनहरू) पुन: प्राप्ति गर्ने क्षमताको कारण बढ्दो ध्यान आकर्षित गरेको छ (प्यान्ट एट अल।, २०१२; नाजारी एट अल।, २०२०)। उच्च-थ्रुपुट जीनोम अनुक्रमण र ओमिक्स उपकरणहरू/विधिहरूको आगमनले विभिन्न डिग्रेडर सूक्ष्मजीवहरूको प्रतिक्रियाहरूको आनुवंशिक नियमन, प्रोटियोमिक्स, र फ्लक्सोमिक्समा नयाँ जानकारीको भण्डार प्रदान गरेको छ। यी उपकरणहरूलाई प्रणाली जीवविज्ञानसँग संयोजन गर्नाले कुशल र प्रभावकारी जैविक विघटन प्राप्त गर्न सूक्ष्मजीवहरूमा लक्षित क्याटाबोलिक मार्गहरू (अर्थात्, मेटाबोलिक डिजाइन) को चयन र फाइन-ट्यूनिंगको हाम्रो बुझाइलाई अझ बढाएको छ। उपयुक्त उम्मेदवार सूक्ष्मजीवहरू प्रयोग गरेर प्रभावकारी बायोरेमेडिएशन रणनीतिहरू डिजाइन गर्न, हामीले सूक्ष्मजीवहरूको जैव रासायनिक क्षमता, चयापचय विविधता, आनुवंशिक संरचना, र पारिस्थितिकी (स्वचालित पारिस्थितिकी/सिनेकोलोजी) बुझ्नु आवश्यक छ।
चित्र १. विभिन्न वातावरणीय वातावरण र बायोटालाई असर गर्ने विभिन्न कारकहरू मार्फत कम आणविक PAHs को स्रोत र मार्गहरू। ड्यास गरिएका रेखाहरूले पारिस्थितिक प्रणालीका तत्वहरू बीचको अन्तरक्रियालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ।
यस समीक्षामा, हामीले मेटाबोलिक मार्ग र विविधता, क्षयमा संलग्न इन्जाइमहरू, जीन संरचना/सामग्री र विविधता, कोशिका प्रतिक्रियाहरू र बायोरेमेडिएसनका विभिन्न पक्षहरूलाई समेट्ने विभिन्न ब्याक्टेरिया आइसोलेटहरूद्वारा साधारण PAHs जस्तै नेफ्थालिन र प्रतिस्थापित नेफ्थालिनहरूको क्षयीकरणको तथ्याङ्क संक्षेप गर्ने प्रयास गरेका छौं। जैव रासायनिक र आणविक स्तरहरू बुझ्नाले उपयुक्त होस्ट स्ट्रेनहरू पहिचान गर्न र यस्ता प्राथमिकता प्रदूषकहरूको प्रभावकारी बायोरेमेडिएसनको लागि तिनीहरूको थप आनुवंशिक इन्जिनियरिङमा मद्दत गर्नेछ। यसले प्रभावकारी बायोरेमेडिएसनको लागि साइट-विशिष्ट ब्याक्टेरिया कन्सोर्टिया स्थापनाको लागि रणनीतिहरू विकास गर्न मद्दत गर्नेछ।
विषाक्त र खतरनाक सुगन्धित यौगिकहरूको ठूलो संख्याको उपस्थितिले (हकेल नियम 4n + 2π इलेक्ट्रोनहरू, n = 1, 2, 3, … लाई सन्तुष्ट पार्छ) हावा, माटो, तलछट, र सतह र भूजल जस्ता विभिन्न वातावरणीय माध्यमहरूको लागि गम्भीर खतरा निम्त्याउँछ (पुग्लिसी एट अल।, २००७)। यी यौगिकहरूमा एकल बेन्जिन रिंगहरू (मोनोसाइक्लिक) वा बहु बेन्जिन रिंगहरू (पोलिसाइक्लिक) रेखीय, कोणीय वा क्लस्टर रूपमा व्यवस्थित हुन्छन् र उच्च नकारात्मक अनुनाद ऊर्जा र जडता (जडता) को कारणले वातावरणमा स्थिरता (स्थिरता/अस्थिरता) प्रदर्शन गर्छन्, जुन तिनीहरूको हाइड्रोफोबिसिटी र कम अवस्थाद्वारा व्याख्या गर्न सकिन्छ। जब सुगन्धित रिंगलाई मिथाइल (-CH3), कार्बोक्सिल (-COOH), हाइड्रोक्सिल (-OH), वा सल्फोनेट (-HSO3) समूहहरूद्वारा प्रतिस्थापन गरिन्छ, यो अझ स्थिर हुन्छ, म्याक्रोमोलेक्युलहरूको लागि बलियो आत्मीयता हुन्छ, र जैविक प्रणालीहरूमा जैव संचयी हुन्छ (Seo et al।, 2009; Phale et al।, 2020)। केही कम आणविक तौलका पोलिसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बनहरू (LMWAHs), जस्तै नेफ्थालिन र यसका डेरिभेटिभहरू [मिथाइलनाफ्थालिन, नेफ्थोइक एसिड, नेफ्थालिनसल्फोनेट, र १-नेफ्थाइल एन-मिथाइलकार्बामेट (कार्बेरिल)], लाई अमेरिकी वातावरण संरक्षण एजेन्सीले जीनोटोक्सिक, म्युटेजेनिक, र/वा कार्सिनोजेनिक (सेर्निग्लिया, १९८४) को रूपमा प्राथमिकता प्राप्त जैविक प्रदूषकहरूको सूचीमा समावेश गरेको छ। वातावरणमा NM-PAHs को यस वर्गको रिलीजले खाद्य श्रृंखलाको सबै तहहरूमा यी यौगिकहरूको जैविक संचय हुन सक्छ, जसले गर्दा पारिस्थितिक प्रणालीको स्वास्थ्यमा असर पर्न सक्छ (बिन्कोभा एट अल।, २०००; स्रोगी, २००७; क्विन एट अल।, २००९)।
PAH हरूको बायोटामा जाने स्रोत र मार्गहरू मुख्यतया माटो, भूजल, सतहको पानी, बाली र वायुमण्डल जस्ता विभिन्न पारिस्थितिकी तंत्र घटकहरू बीचको बसाइँसराइ र अन्तरक्रियाहरू मार्फत हुन्छन् (एरे र एटकिन्सन, २००३)। चित्र १ ले पारिस्थितिक प्रणालीहरूमा विभिन्न कम आणविक तौल PAH हरूको अन्तरक्रिया र वितरण र बायोटा/मानव एक्सपोजरमा जाने तिनीहरूको मार्गहरू देखाउँछ। PAH हरू वायु प्रदूषणको परिणामस्वरूप र सवारी साधन उत्सर्जन, औद्योगिक निकास ग्यासहरू (कोइला ग्यासीकरण, दहन र कोक उत्पादन) र तिनीहरूको निक्षेपणको स्थानान्तरण (बहने) मार्फत सतहहरूमा जम्मा हुन्छन्। सिंथेटिक कपडा, रंग र रंगहरूको निर्माण; काठ संरक्षण; रबर प्रशोधन; सिमेन्ट उत्पादन गतिविधिहरू; कीटनाशक उत्पादन; र कृषि प्रयोगहरू जस्ता औद्योगिक गतिविधिहरू स्थलीय र जलीय प्रणालीहरूमा PAH हरूको प्रमुख स्रोतहरू हुन् (बामफोर्थ र सिंगलटन, २००५; विक एट अल।, २०११)। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि उपनगरीय र शहरी क्षेत्रहरू, राजमार्गहरू नजिक, र ठूला शहरहरूमा माटो पावर प्लान्टहरू, आवासीय ताप, हावा र सडक ट्राफिक भार, र निर्माण गतिविधिहरूबाट उत्सर्जनको कारणले गर्दा पोलिसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) को लागि बढी संवेदनशील हुन्छ (सुमन एट अल।, २०१६)। (२००८) ले देखायो कि न्यु अर्लिन्स, लुइसियाना, संयुक्त राज्य अमेरिकामा सडकहरू नजिकको माटोमा PAHs ७१८९ μg/kg सम्म उच्च थियो, जबकि खुला ठाउँमा, तिनीहरू केवल २४०४ μg/kg मात्र थिए। त्यस्तै गरी, धेरै अमेरिकी शहरहरूमा कोइला ग्यासिफिकेशन साइटहरू नजिकका क्षेत्रहरूमा ३०० μg/kg सम्म उच्च PAH स्तर रिपोर्ट गरिएको छ (कनाली र हरायामा, २०००; बामफोर्थ र सिंगलटन, २००५)। दिल्ली (शर्मा एट अल।, २००८), आगरा (दुबे एट अल।, २०१४), मुम्बई (कुलकर्णी र वेंकटरमण, २०००) र विशाखापट्टनम (कुलकर्णी एट अल।, २०१४) जस्ता विभिन्न भारतीय शहरहरूको माटोमा PAHs को उच्च सांद्रता रहेको रिपोर्ट गरिएको छ। सुगन्धित यौगिकहरू माटोका कणहरू, जैविक पदार्थ र माटोका खनिजहरूमा सजिलैसँग सोसिन्छन्, जसले गर्दा पारिस्थितिक प्रणालीमा प्रमुख कार्बन सिङ्कहरू बन्छन् (स्रोगी, २००७; पेङ एट अल।, २००८)। जलीय पारिस्थितिक प्रणालीमा PAHs को प्रमुख स्रोतहरू वर्षा (भिजेको/सुक्खा वर्षा र पानीको वाष्प), शहरी बहाव, फोहोर पानीको निर्वहन, भूजल रिचार्ज आदि हुन् (स्रोगी, २००७)। समुद्री पारिस्थितिक प्रणालीमा लगभग ८०% PAHs वर्षा, अवसादन र फोहोर निकासीबाट प्राप्त हुने अनुमान गरिएको छ (मोटेले-मासेई एट अल।, २००६; स्रोगी, २००७)। सतहको पानीमा PAHs को उच्च सांद्रता वा ठोस फोहोर व्यवस्थापन स्थलहरूबाट चुहिने पानी अन्ततः भूगर्भीय पानीमा चुहिन थाल्छ, जसले गर्दा दक्षिण र दक्षिणपूर्वी एसियाका ७०% भन्दा बढी जनसंख्याले भूगर्भीय पानी पिउने भएकोले जनस्वास्थ्यको लागि ठूलो खतरा उत्पन्न हुन्छ (दत्तगुप्त एट अल।, २०१९)। भारतको पश्चिम बंगालबाट दत्तगुप्त एट अल। (२०२०) द्वारा गरिएको नदी (३२) र भूगर्भीय पानी (२३५) विश्लेषणले पत्ता लगाएको छ कि अनुमानित ५३% शहरी बासिन्दा र ४४% ग्रामीण बासिन्दा (कुल २० मिलियन बासिन्दा) नेफ्थालिन (४.९–१०.६ μg/L) र यसका डेरिभेटिभहरूको सम्पर्कमा आउन सक्छन्। भिन्न भूमि प्रयोग ढाँचा र बढेको भूगर्भीय निकासीलाई उपसतहमा कम आणविक तौल PAHs को ठाडो यातायात (अभेक्सन) नियन्त्रण गर्ने मुख्य कारक मानिन्छ। कृषि बहाव, नगरपालिका र औद्योगिक फोहोर पानीको निष्कासन, र ठोस फोहोर/फोहोर निकासी नदी बेसिन र उपसतह तलछटमा PAHs द्वारा प्रभावित भएको पाइएको छ। वायुमण्डलीय वर्षाले PAH प्रदूषणलाई अझ बढाउँछ। फ्रेजर नदी, लुआन नदी, डेन्सो नदी, मिसौरी नदी, एनाकोस्टिया नदी, एब्रो नदी, र डेलावेयर नदी जस्ता विश्वभरका नदीहरू/जलाधारहरूमा PAHs र तिनीहरूका अल्काइल डेरिभेटिभहरूको उच्च सांद्रता (कुल ५१) रिपोर्ट गरिएको छ (युंकर एट अल।, २००२; मोटेले-मसेई एट अल।, २००६; ली एट अल।, २०१०; अमोआको एट अल।, २०११; किम एट अल।, २०१८)। गंगा नदी बेसिनको तलछटमा, नेफ्थालिन र फेनान्थ्रीन सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण (७०% नमूनाहरूमा पत्ता लागेको) पाइयो (दत्तगुप्त एट अल।, २०१९)। यसबाहेक, अध्ययनहरूले देखाएको छ कि पिउने पानीको क्लोरिनेशनले बढी विषाक्त अक्सिजनयुक्त र क्लोरिनयुक्त PAHs को गठन निम्त्याउन सक्छ (मनोली र समारा, १९९९)। दूषित माटो, भूजल र वर्षाबाट बिरुवाहरूले सोस्ने परिणामस्वरूप अन्न, फलफूल र तरकारीहरूमा PAHs जम्मा हुन्छन् (फिस्मेस एट अल।, २००२)। माछा, सिपी कीरा, क्ल्याम र झिंगे माछा जस्ता धेरै जलीय जीवहरू दूषित खाना र समुद्री पानीको सेवन, साथै तन्तु र छाला मार्फत PAHs बाट दूषित हुन्छन् (म्याके र फ्रेजर, २०००)। ग्रिलिङ, रोस्टिङ, धुम्रपान, फ्राइङ, सुकाउने, बेकिंग र कोइला पकाउने जस्ता खाना पकाउने/प्रशोधन विधिहरूले पनि खानामा उल्लेखनीय मात्रामा PAHs निम्त्याउन सक्छ। यो धेरै हदसम्म धुम्रपान सामग्रीको छनोट, फेनोलिक/सुगन्धित हाइड्रोकार्बन सामग्री, खाना पकाउने प्रक्रिया, हीटरको प्रकार, आर्द्रता, अक्सिजन आपूर्ति र दहन तापमानमा निर्भर गर्दछ (गुइलेन एट अल।, २०००; गोम्स एट अल।, २०१३)। दूधमा विभिन्न सांद्रता (०.७५–२.१ मिलीग्राम/लिटर) मा पोलिसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) पनि पत्ता लागेको छ (गिरेली एट अल।, २०१४)। खानामा यी PAH हरूको संचय खानाको भौतिक-रासायनिक गुणहरूमा पनि निर्भर गर्दछ, जबकि तिनीहरूको विषाक्त प्रभाव शारीरिक कार्यहरू, चयापचय गतिविधि, अवशोषण, वितरण र शरीर वितरणसँग सम्बन्धित छ (मेचिनी एट अल।, २०११)।
पॉलीसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) को विषाक्तता र हानिकारक प्रभावहरू लामो समयदेखि ज्ञात छन् (चेर्निग्लिया, १९८४)। कम आणविक तौल पॉलीसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (LMW-PAHs) (दुई देखि तीन रिंगहरू) DNA, RNA र प्रोटीन जस्ता विभिन्न म्याक्रोमोलेक्युलहरूमा सहसंयोजक रूपमा बाँध्न सक्छन् र कार्सिनोजेनिक हुन्छन् (स्यान्टारेली एट अल।, २००८)। तिनीहरूको हाइड्रोफोबिक प्रकृतिको कारण, तिनीहरू लिपिड झिल्लीहरूद्वारा अलग हुन्छन्। मानवहरूमा, साइटोक्रोम P450 मोनोअक्सिजनेजहरूले PAHs लाई इपोक्साइडमा अक्सिडाइज गर्छन्, जसमध्ये केही अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हुन्छन् (जस्तै, बेडियोल इपोक्साइड) र सामान्य कोषहरूलाई घातक कोषहरूमा रूपान्तरण गर्न सक्छन् (मार्स्टन एट अल।, २००१)। थप रूपमा, क्विनोन, फिनोल, इपोक्साइड, डायोल, आदि जस्ता PAHs का रूपान्तरण उत्पादनहरू मूल यौगिकहरू भन्दा बढी विषाक्त हुन्छन्। केही PAHs र तिनीहरूका मेटाबोलिक मध्यवर्तीहरूले चयापचयमा हर्मोन र विभिन्न इन्जाइमहरूलाई असर गर्न सक्छन्, जसले गर्दा वृद्धि, केन्द्रीय स्नायु प्रणाली, प्रजनन र प्रतिरक्षा प्रणालीहरूमा प्रतिकूल असर पर्छ (स्वेथा र फाले, २००५; वाम्सी-कृष्ण एट अल।, २००६; ओस्टिङ्ह एट अल।, २००८)। कम आणविक तौल PAHs को छोटो अवधिको सम्पर्कले दमका बिरामीहरूमा फोक्सोको कार्य र थ्रोम्बोसिस बिग्रने र छाला, फोक्सो, मूत्राशय र ग्यास्ट्रोइंटेस्टाइनल क्यान्सरको जोखिम बढाउने रिपोर्ट गरिएको छ (ओल्सन एट अल।, २०१०; डिग्ज एट अल।, २०११)। पशु अध्ययनहरूले यो पनि देखाएको छ कि PAH को सम्पर्कले प्रजनन कार्य र विकासमा प्रतिकूल प्रभाव पार्न सक्छ र मोतियाबिंद, मृगौला र कलेजोको क्षति, र जन्डिस निम्त्याउन सक्छ। विभिन्न PAH बायोट्रान्सफॉर्मेसन उत्पादनहरू जस्तै डायोल, इपोक्साइड, क्विनोन र फ्री रेडिकलहरू (क्यासनहरू) ले DNA एडक्टहरू बनाउँछन् भनेर देखाइएको छ। स्थिर एडक्ट्सले डीएनए प्रतिकृति मेसिनरीलाई परिवर्तन गर्ने देखाएको छ, जबकि अस्थिर एडक्ट्सले डीएनएलाई शुद्धीकरण गर्न सक्छ (मुख्यतया एडेनिन र कहिलेकाहीं गुआनिन); दुवैले उत्परिवर्तन निम्त्याउने त्रुटिहरू उत्पन्न गर्न सक्छन् (श्वेइगर्ट एट अल। २००१)। थप रूपमा, क्विनोनहरू (बेन्जो-/प्यान-) ले प्रतिक्रियाशील अक्सिजन प्रजातिहरू (ROS) उत्पन्न गर्न सक्छन्, जसले DNA र अन्य म्याक्रोमोलेक्युलहरूलाई घातक क्षति पुर्‍याउँछ, जसले गर्दा तन्तुको कार्य/व्यवहार्यतामा असर पर्छ (इवा र डानुटा २०१७)। पाइरेन, बाइफेनाइल र नेफ्थालिनको कम सांद्रताको दीर्घकालीन सम्पर्कले प्रयोगात्मक जनावरहरूमा क्यान्सर निम्त्याउने रिपोर्ट गरिएको छ (डिग्स एट अल। २०१२)। तिनीहरूको घातक विषाक्तताको कारण, प्रभावित/दूषित साइटहरूबाट यी PAH हरूलाई सफा/हटाउनु प्राथमिकता हो।
दूषित स्थलहरू/वातावरणबाट PAH हरू हटाउन विभिन्न भौतिक र रासायनिक विधिहरू प्रयोग गरिएको छ। भस्मीकरण, डिक्लोरिनेसन, UV अक्सिडेशन, फिक्सेसन, र विलायक निकासी जस्ता प्रक्रियाहरूमा धेरै बेफाइदाहरू छन्, जसमा विषाक्त उप-उत्पादनहरूको गठन, प्रक्रिया जटिलता, सुरक्षा र नियामक समस्याहरू, कम दक्षता, र उच्च लागत समावेश छ। यद्यपि, माइक्रोबियल बायोडिग्रेडेसन (बायोरेमेडिएशन भनिन्छ) एक आशाजनक वैकल्पिक दृष्टिकोण हो जसमा शुद्ध संस्कृति वा उपनिवेशहरूको रूपमा सूक्ष्मजीवहरूको प्रयोग समावेश छ। भौतिक र रासायनिक विधिहरूको तुलनामा, यो प्रक्रिया वातावरणमैत्री, गैर-आक्रामक, लागत-प्रभावी, र दिगो छ। जैविक उपचार प्रभावित क्षेत्रमा (स्थितिमा) वा विशेष रूपमा तयार पारिएको स्थानमा (एक्स साइटु) गर्न सकिन्छ र त्यसैले यसलाई परम्परागत भौतिक तथा रासायनिक विधिहरू भन्दा बढी दिगो उपचार विधि मानिन्छ (जुहाज र नायडू, २०००; एन्ड्रेओनी र जियानफ्रेडा, २००७; मेघराज एट अल।, २०११; फाले एट अल।, २०२०; सरकार एट अल।, २०२०)।
सुगन्धित प्रदूषकहरूको क्षयीकरणमा संलग्न सूक्ष्मजीवीय चयापचय चरणहरू बुझ्नुको पारिस्थितिक र वातावरणीय दिगोपनको लागि ठूलो वैज्ञानिक र आर्थिक प्रभाव छ। अनुमानित २.१×१०१८ ग्राम कार्बन (C) विश्वव्यापी रूपमा तलछट र जैविक यौगिकहरू (जस्तै, तेल, प्राकृतिक ग्यास, र कोइला, अर्थात्, जीवाश्म इन्धन) मा भण्डारण गरिएको छ, जसले विश्वव्यापी कार्बन चक्रमा महत्त्वपूर्ण योगदान पुर्‍याउँछ। यद्यपि, द्रुत औद्योगिकीकरण, जीवाश्म इन्धन निकासी, र मानव गतिविधिहरूले यी लिथोस्फेरिक कार्बन भण्डारहरूलाई घटाउँदै छन्, अनुमानित ५.५×१०१५ ग्राम जैविक कार्बन (प्रदूषकको रूपमा) वायुमण्डलमा वार्षिक रूपमा छोड्दैछ (गोन्जालेज-गाया एट अल।, २०१९)। यस जैविक कार्बनको अधिकांश भाग अवसादन, यातायात र बहाव मार्फत स्थलीय र समुद्री पारिस्थितिक प्रणालीहरूमा प्रवेश गर्दछ। थप रूपमा, जीवाश्म इन्धनहरू, जस्तै प्लास्टिक, प्लास्टिसाइजर र प्लास्टिक स्टेबिलाइजरहरू (फ्याथलेट्स र तिनीहरूका आइसोमरहरू) बाट प्राप्त नयाँ कृत्रिम प्रदूषकहरूले समुद्री, माटो र जलीय पारिस्थितिक प्रणाली र तिनीहरूको बायोटालाई गम्भीर रूपमा प्रदूषित गर्छन्, जसले गर्दा विश्वव्यापी जलवायु जोखिमहरू बढ्छन्। विभिन्न प्रकारका माइक्रोप्लास्टिक, न्यानोप्लास्टिक, प्लास्टिकका टुक्राहरू र पोलिथिलिन टेरेफ्थालेट (PET) बाट प्राप्त हुने विषाक्त मोनोमर उत्पादनहरू उत्तर अमेरिका र दक्षिणपूर्वी एसियाको बीचमा प्रशान्त महासागरमा जम्मा भएका छन्, जसले "ग्रेट प्यासिफिक फोहोर प्याच" बनाउँछ, जसले समुद्री जीवनलाई हानि पुर्‍याउँछ (न्यूवेल एट अल।, २०२०)। वैज्ञानिक अध्ययनहरूले प्रमाणित गरेका छन् कि कुनै पनि भौतिक वा रासायनिक विधिद्वारा यस्ता प्रदूषकहरू/फोहोर हटाउन सम्भव छैन। यस सन्दर्भमा, सबैभन्दा उपयोगी सूक्ष्मजीवहरू ती हुन् जुन प्रदूषकहरूलाई कार्बन डाइअक्साइड, रासायनिक ऊर्जा र अन्य गैर-विषाक्त उप-उत्पादनहरूमा अक्सिडेटिभ रूपमा चयापचय गर्न सक्षम हुन्छन् जुन अन्ततः अन्य पोषक तत्व साइकल चलाउने प्रक्रियाहरू (H, O, N, S, P, Fe, आदि) मा प्रवेश गर्छन्। यसरी, माइक्रोबियल कार्बन चक्र, नेट कार्बन बजेट र भविष्यको जलवायु जोखिमहरूको मूल्याङ्कन गर्न सुगन्धित प्रदूषक खनिजीकरणको माइक्रोबियल इकोफिजियोलोजी र यसको वातावरणीय नियन्त्रण बुझ्नु महत्त्वपूर्ण छ। वातावरणबाट यस्ता यौगिकहरू हटाउने तत्काल आवश्यकतालाई ध्यानमा राख्दै, सफा प्रविधिहरूमा केन्द्रित विभिन्न पारिस्थितिक उद्योगहरू देखा परेका छन्। वैकल्पिक रूपमा, पारिस्थितिक प्रणालीमा जम्मा हुने औद्योगिक फोहोर/फोहोर रसायनहरूको मूल्याङ्कन (अर्थात् फोहोरबाट सम्पत्तिसम्म पुग्ने दृष्टिकोण) लाई वृत्ताकार अर्थतन्त्र र दिगो विकास लक्ष्यहरूको स्तम्भहरू मध्ये एक मानिन्छ (क्लोज एट अल।, २०१२)। त्यसकारण, यस्ता सुगन्धित प्रदूषकहरूको प्रभावकारी हटाउने र जैविक उपचारको लागि यी सम्भावित गिरावट उम्मेदवारहरूको मेटाबोलिक, इन्जाइम्याटिक र आनुवंशिक पक्षहरू बुझ्नु अत्यन्त महत्त्वपूर्ण छ।
धेरै सुगन्धित प्रदूषकहरू मध्ये, हामी नेफ्थालिन र प्रतिस्थापन गरिएको नेफ्थालिन जस्ता कम-आणविक-तौल PAH हरूमा विशेष ध्यान दिन्छौं। यी यौगिकहरू पेट्रोलियम-व्युत्पन्न इन्धन, कपडा रङ, उपभोक्ता उत्पादनहरू, कीटनाशकहरू (मोथबलहरू र कीट विकर्षकहरू), प्लास्टिसाइजरहरू र ट्यानिनहरूका प्रमुख घटक हुन् र त्यसैले धेरै पारिस्थितिक प्रणालीहरूमा व्यापक छन् (प्रियस एट अल।, २००३)। हालैका रिपोर्टहरूले जलचर तलछट, भूजल र उपसतह माटो, भाडोज क्षेत्रहरू र नदीको किनारमा नेफ्थालिन सांद्रताको संचयलाई हाइलाइट गर्दछ, जसले वातावरणमा यसको जैव संचयलाई सुझाव दिन्छ (दत्तगुप्त एट अल।, २०१९, २०२०)। तालिका २ ले नेफ्थालिन र यसका डेरिभेटिभहरूको भौतिक-रासायनिक गुणहरू, प्रयोगहरू र स्वास्थ्य प्रभावहरूको सारांश दिन्छ। अन्य उच्च-आणविक-भार PAH हरूको तुलनामा, नेफ्थलिन र यसका डेरिभेटिभहरू कम हाइड्रोफोबिक, बढी पानीमा घुलनशील र पारिस्थितिक प्रणालीहरूमा व्यापक रूपमा वितरित हुन्छन्, त्यसैले तिनीहरू प्रायः PAH हरूको चयापचय, आनुवंशिकी र चयापचय विविधता अध्ययन गर्न मोडेल सब्सट्रेटको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। ठूलो संख्यामा सूक्ष्मजीवहरू नेफ्थलिन र यसका डेरिभेटिभहरूलाई मेटाबोलिज गर्न सक्षम छन्, र तिनीहरूको चयापचय मार्गहरू, इन्जाइमहरू र नियामक सुविधाहरूमा व्यापक जानकारी उपलब्ध छ (मल्लिक एट अल।, २०११; फेल एट अल।, २०१९, २०२०)। थप रूपमा, नेफ्थलिन र यसका डेरिभेटिभहरूलाई तिनीहरूको उच्च प्रचुरता र जैव उपलब्धताको कारणले वातावरणीय प्रदूषण मूल्याङ्कनको लागि प्रोटोटाइप यौगिकहरूको रूपमा तोकिएको छ। अमेरिकी वातावरण संरक्षण एजेन्सीले अनुमान गरेको छ कि नेफ्थलिनको औसत स्तर सिगरेटको धुवाँबाट प्रति घन मिटर ५.१९ μg, मुख्यतया अपूर्ण दहनबाट, र साइडस्ट्रीम धुवाँबाट ७.८ देखि ४६ μg छ, जबकि क्रियोसोट र नेफ्थलिनको सम्पर्क १०० देखि १०,००० गुणा बढी छ (प्रियस एट अल। २००३)। विशेष गरी नेफ्थालिनमा प्रजाति, क्षेत्र र लिङ्ग-विशिष्ट श्वासप्रश्वास विषाक्तता र क्यान्सरजनिकता रहेको पाइएको छ। पशु अध्ययनको आधारमा, क्यान्सर अनुसन्धानका लागि अन्तर्राष्ट्रिय एजेन्सी (IARC) ले नेफ्थालिनलाई "सम्भावित मानव कार्सिनोजेन" (समूह 2B) को रूपमा वर्गीकृत गरेको छ। प्रतिस्थापन गरिएको नेफ्थालिनको सम्पर्कमा, मुख्यतया सास फेर्न वा प्यारेन्टरल (मौखिक) प्रशासन द्वारा, फोक्सोको तन्तुमा चोट पुर्‍याउँछ र मुसा र मुसाहरूमा फोक्सोको ट्युमरको घटना बढाउँछ (राष्ट्रिय विष विज्ञान कार्यक्रम 2)। तीव्र प्रभावहरूमा वाकवाकी, बान्ता, पेट दुखाइ, पखाला, टाउको दुखाइ, भ्रम, अत्यधिक पसिना, ज्वरो, ट्याचिकार्डिया, आदि समावेश छन्। अर्कोतर्फ, व्यापक-स्पेक्ट्रम कार्बामेट कीटनाशक कार्बारिल (1-नेफ्थाइल एन-मिथाइलकार्बामेट) जलीय इन्भर्टेब्रेट्स, उभयचर, मह मौरी र मानिसहरूका लागि विषाक्त भएको रिपोर्ट गरिएको छ र पक्षाघात निम्त्याउने एसिटाइलकोलिनेस्टेरेजलाई रोक लगाउने देखाइएको छ (स्मल्डर्स एट अल।, 2003; बुलेन र डिस्टेल, 2011)। त्यसकारण, दूषित वातावरणमा जैविक उपचार रणनीतिहरू विकास गर्न सूक्ष्मजीवीय क्षय, आनुवंशिक नियमन, इन्जाइम्याटिक र सेलुलर प्रतिक्रियाहरूको संयन्त्र बुझ्नु महत्त्वपूर्ण छ।
तालिका २. नेफ्थालिन र यसका डेरिभेटिभहरूको भौतिक-रासायनिक गुणहरू, प्रयोगहरू, पहिचान विधिहरू र सम्बन्धित रोगहरूको बारेमा विस्तृत जानकारी।
प्रदूषित निचहरूमा, हाइड्रोफोबिक र लिपोफिलिक सुगन्धित प्रदूषकहरूले वातावरणीय माइक्रोबायोम (समुदाय) मा विभिन्न प्रकारका सेलुलर प्रभावहरू निम्त्याउन सक्छन्, जस्तै झिल्लीको तरलतामा परिवर्तन, झिल्लीको पारगम्यता, लिपिड द्विलेयर सुन्निने, ऊर्जा स्थानान्तरणमा अवरोध (इलेक्ट्रोन ट्रान्सपोर्ट चेन/प्रोटोन मोटिभ फोर्स), र झिल्ली-सम्बन्धित प्रोटीनहरूको गतिविधि (सिक्केमा एट अल।, १९९५)। यसको अतिरिक्त, क्याटेकोल र क्विनोन जस्ता केही घुलनशील मध्यवर्तीहरूले प्रतिक्रियाशील अक्सिजन प्रजातिहरू (ROS) उत्पन्न गर्छन् र DNA र प्रोटीनहरूसँग एडक्टहरू बनाउँछन् (पेनिङ एट अल।, १९९९)। यसरी, पारिस्थितिक प्रणालीहरूमा यस्ता यौगिकहरूको प्रशस्तताले माइक्रोबियल समुदायहरूमा चयनात्मक दबाब दिन्छ जसले अपटेक/ट्रान्सपोर्ट, इन्ट्रासेलुलर रूपान्तरण, एसिमिलेशन/उपयोग, र कम्पार्टमेन्टलाइजेसन सहित विभिन्न शारीरिक स्तरहरूमा कुशल डिग्रेडर बन्न मद्दत गर्दछ।
रिबोसोमल डाटाबेस प्रोजेक्ट-II (RDP-II) को खोजीले पत्ता लगायो कि कुल ९२६ ब्याक्टेरिया प्रजातिहरू नेफ्थालिन वा यसका डेरिभेटिभहरूद्वारा दूषित मिडिया वा संवर्धन संस्कृतिहरूबाट अलग गरिएको थियो। प्रोटियोब्याक्टेरिया समूहमा प्रतिनिधिहरूको सबैभन्दा बढी संख्या थियो (n = ७५५), त्यसपछि फर्मिक्युट्स (५२), ब्याक्टेरोइडेट्स (४३), एक्टिनोब्याक्टेरिया (३९), टेनेरिक्युट्स (१०), र अवर्गीकृत ब्याक्टेरिया (८) (चित्र २)। γ-प्रोटियोब्याक्टेरिया (स्यूडोमोनाडेल्स र जान्थोमोनाडेल्स) का प्रतिनिधिहरूले उच्च G+C सामग्री (५४%) भएका सबै ग्राम-नेगेटिभ समूहहरूमा प्रभुत्व जमाए, जबकि क्लोस्ट्रिडियल्स र ब्यासिलेलहरू (३०%) कम G+C सामग्री भएका ग्राम-पोजिटिभ समूहहरू थिए। स्यूडोमोनास (सबैभन्दा बढी संख्या, ३३८ प्रजातिहरू) विभिन्न प्रदूषित पारिस्थितिक प्रणालीहरू (कोइला टार, पेट्रोलियम, कच्चा तेल, फोहोर, तेल चुहावट, फोहोर पानी, जैविक फोहोर र ल्यान्डफिलहरू) साथै अक्षुण्ण पारिस्थितिक प्रणालीहरू (माटो, नदी, तलछट र भूजल) मा नेफ्थालिन र यसको मिथाइल डेरिभेटिभहरूलाई घटाउन सक्षम भएको रिपोर्ट गरिएको थियो (चित्र २)। यसबाहेक, यी केही क्षेत्रहरूको संवर्धन अध्ययन र मेटाजेनोमिक विश्लेषणले पत्ता लगायो कि असंस्कृत लेजियोनेला र क्लोस्ट्रिडियम प्रजातिहरूमा घट्ने क्षमता हुन सक्छ, जसले नयाँ मार्गहरू र चयापचय विविधताको अध्ययन गर्न यी ब्याक्टेरियाहरूलाई संस्कृति दिनुपर्ने आवश्यकतालाई संकेत गर्दछ।
चित्र २. नेफ्थालिन र नेफ्थालिन डेरिभेटिभहरूले दूषित वातावरणमा ब्याक्टेरिया प्रतिनिधिहरूको वर्गीकरण विविधता र पारिस्थितिक वितरण।
विभिन्न सुगन्धित हाइड्रोकार्बन-क्षय गर्ने सूक्ष्मजीवहरू मध्ये, धेरैजसो कार्बन र ऊर्जाको एकमात्र स्रोतको रूपमा नेफ्थालिनलाई घटाउन सक्षम छन्। नेफ्थालिन चयापचयमा संलग्न घटनाहरूको अनुक्रम स्यूडोमोनास एसपीको लागि वर्णन गरिएको छ। (स्ट्रेनहरू: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 र CSV86), स्यूडोमोनास स्टुट्जेरी AN10, स्यूडोमोनास फ्लोरोसेन्स PC20 र अन्य स्ट्रेनहरू (ND6 र AS1) (महाजन एट अल।, १९९४; रेस्निक एट अल।, १९९६; एन्वेइलर एट अल।, २०००; बासु एट अल।, २००३; डेनिस र जिल्स्ट्रा, २००४; सोटा एट अल।, २००६; मेटाबोलिज्म बहुघटक डाइअक्सिजेनेज [नेफ्थालिन डाइअक्सिजेनेज (NDO), एक रिंग हाइड्रोक्सिलेटिंग डाइअक्सिजेनेज] द्वारा सुरु हुन्छ जसले आणविक अक्सिजनलाई अर्को सब्सट्रेटको रूपमा प्रयोग गरेर नेफ्थालिनको सुगन्धित रिंगहरू मध्ये एकको अक्सिडेशनलाई उत्प्रेरित गर्दछ, नेफ्थालिनलाई cis-naphthalenediol मा रूपान्तरण गर्दछ (चित्र ३)। Cis-dihydrodiol लाई डिहाइड्रोजनेजद्वारा १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिन। रिंग-क्लिभिङ डाइअक्सिजेनेज, १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिन डाइअक्सिजेनेज (१२DHNDO), ले १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिनलाई २-हाइड्रोक्सिक्रोमिन-२-कार्बोक्सिलिक एसिडमा रूपान्तरण गर्छ। इन्जाइमेटिक सिस-ट्रान्स आइसोमेराइजेसनले ट्रान्स-ओ-हाइड्रोक्सिबेन्जिलिडेनेपाइरुभेट उत्पादन गर्छ, जुन हाइड्रेटेज एल्डोलेजद्वारा सेलिसिलिक एल्डिहाइड र पाइरुभेटमा क्लीभ हुन्छ। अर्गानिक एसिड पाइरुभेट नेफ्थालिन कार्बन कंकालबाट लिइएको पहिलो C3 यौगिक थियो र केन्द्रीय कार्बन मार्गमा निर्देशित हुन्छ। थप रूपमा, NAD+-निर्भर सेलिसिलिक एल्डिहाइड डिहाइड्रोजनेजले सेलिसिलिक एसिडलाई सेलिसिलिक एसिडमा रूपान्तरण गर्छ। यस चरणमा मेटाबोलिज्मलाई नेफ्थालिन गिरावटको "माथिल्लो मार्ग" भनिन्छ। यो मार्ग धेरैजसो नेफ्थालिन-डिग्रेडिङ ब्याक्टेरियाहरूमा धेरै सामान्य छ। यद्यपि, केही अपवादहरू छन्; उदाहरणका लागि, थर्मोफिलिक ब्यासिलस ह्याम्बर्गी २ मा, नेफ्थालिन गिरावट नेफ्थालिनद्वारा सुरु हुन्छ। २,३-डाइहाइड्रोक्साइनाफ्थलेन बनाउन २,३-डाइअक्सिजेनेज (एन्वेइलर एट अल।, २०००)।
चित्र ३. नेफ्थलिन, मिथाइलनाफ्थलिन, नेफ्थोइक एसिड, र कार्बारिल डिग्रेडेसनको मार्गहरू। गोलाकार संख्याहरूले नेफ्थलिन र यसको डेरिभेटिभहरूलाई पछिल्ला उत्पादनहरूमा क्रमिक रूपान्तरणको लागि जिम्मेवार इन्जाइमहरू प्रतिनिधित्व गर्दछ। १ — नेफ्थलिन डाइअक्सिजेनेज (NDO); २, सिस-डाइहाइड्रोडायोल डिहाइड्रोजनेज; ३, १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थलिन डाइअक्सिजेनेज; ४, २-हाइड्रोक्सीक्रोमिन-२-कार्बोक्सिलिक एसिड आइसोमेरेज; ५, ट्रान्स-ओ-हाइड्रोक्सीबेन्जिलिडेनेपाइरुभेट हाइड्रेटेज एल्डोलेज; ६, सलिसिलाल्डिहाइड डिहाइड्रोजनेज; ७, सलिसिलेट १-हाइड्रोक्सिलेज; ८, क्याटेकोल २,३-डाइअक्सिजेनेज (C23DO); ९, २-हाइड्रोक्सीमुकोनेट सेमिअल्डिहाइड डिहाइड्रोजनेज; १०, २-अक्सोपेन्ट-४-एनोएट हाइड्रेटेज; ११, ४-हाइड्रोक्सी-२-अक्सोपेन्टानोएट एल्डोलेज; १२, एसिटाल्डिहाइड डिहाइड्रोजनेज; १३, क्याटेचोल-१,२-डाइअक्सिजनेज (C12DO); १४, म्युकोनेट साइक्लोइसोमेरेज; १५, म्युकोनोल्याक्टोन डेल्टा-आइसोमेरेज; १६, β-केटोआडिपाटेनोल्याक्टोन हाइड्रोलेज; १७, β-केटोआडिपाटेनोल्याक्टोन सक्सिनिल-CoA ट्रान्सफरेज; १८, β-केटोआडिपाटे-CoA थायोलेज; १९, सक्सिनिल-CoA: एसिटिल-CoA सक्सिनिलट्रान्सफरेज; २०, स्यालिसिलेट ५-हाइड्रोक्सिलेज; २१ – जेन्टिसेट १,२-डाइअक्सिजनेज (GDO); २२, मेलयलपाइरुभेट आइसोमेरेज; २३, फ्युमरिलपाइरुभेट हाइड्रोलेज; २४, मिथाइलनाफ्थालिन हाइड्रोक्सिलेज (NDO); २५, हाइड्रोक्सिमाइथाइलनफाथालिन डिहाइड्रोजेनेज; २६, नेफथाल्डिहाइड डिहाइड्रोजेनेज; २७, ३-फॉर्मिलस्यालिसिलिक एसिड अक्सिडेज; २८, हाइड्रोक्साइसोफ्थालेट डेकार्बोक्सिलेज; २९, कार्बारिल हाइड्रोलेज (CH); ३०, १-नेफ्थोल-२-हाइड्रोलेज।
जीव र यसको आनुवंशिक श्रृंगारमा निर्भर गर्दै, परिणामस्वरूप हुने सालिसिलिक एसिडलाई या त स्यालिसिलेट १-हाइड्रोक्सिलेज (S1H) प्रयोग गरेर क्याटेकोल मार्ग मार्फत वा स्यालिसिलेट ५-हाइड्रोक्सिलेज (S5H) प्रयोग गरेर जेन्टिसेट मार्ग मार्फत थप मेटाबोलाइज गरिन्छ (चित्र ३)। स्यालिसिलिक एसिड नेफ्थालिन मेटाबोलिज्म (माथिल्लो मार्ग) मा प्रमुख मध्यवर्ती भएकोले, स्यालिसिलिक एसिडबाट TCA मध्यवर्ती सम्मका चरणहरूलाई प्रायः तल्लो मार्ग भनिन्छ, र जीनहरूलाई एकल ओपेरोनमा व्यवस्थित गरिन्छ। माथिल्लो मार्ग ओपेरोन (nah) र तल्लो मार्ग ओपेरोन (sal) मा रहेका जीनहरू सामान्य नियामक कारकहरूद्वारा विनियमित हुन्छन् भन्ने कुरा सामान्य छ; उदाहरणका लागि, NahR र सालिसिलिक एसिडले प्रेरकको रूपमा काम गर्दछ, जसले गर्दा दुवै ओपेरोनहरूलाई नेफ्थालिनलाई पूर्ण रूपमा चयापचय गर्न अनुमति दिन्छ (Phale et al., 2019, 2020)।
यसको अतिरिक्त, क्याटेकोललाई क्याटेकोल २,३-डाइअक्सिजेनेज (C23DO) (येन एट अल।, १९८८) द्वारा मेटा मार्ग मार्फत २-हाइड्रोक्सीमुकोनेट सेमिल्डिहाइडमा चक्रीय रूपमा विभाजन गरिन्छ र २-हाइड्रोक्सीमुकोनेट सेमिल्डिहाइड हाइड्रोलेजद्वारा थप हाइड्रोलाइज गरिन्छ जसले २-हाइड्रोक्सीपेन्ट-२,४-डाइनोइक एसिड बनाउँछ। २-हाइड्रोक्सीपेन्ट-२,४-डाइनोएटलाई त्यसपछि हाइड्रेटेज (२-अक्सोपेन्ट-४-एनोएट हाइड्रेटेज) र एल्डोलेज (४-हाइड्रोक्सी-२-अक्सोपेन्टानोएट एल्डोलेज) द्वारा पाइरुभेट र एसिटाल्डिहाइडमा रूपान्तरण गरिन्छ र त्यसपछि केन्द्रीय कार्बन मार्गमा प्रवेश गर्दछ (चित्र ३)। वैकल्पिक रूपमा, क्याटेकोललाई क्याटेकोल १,२-अक्सिजेनेज (C12DO) द्वारा ओर्थो मार्ग मार्फत cis,cis-muconate मा चक्रीय रूपमा विभाजन गरिन्छ। म्युकोनेट साइक्लोआइसोमेरेज, म्युकोनोल्याक्टोन आइसोमेरेज, र β-केटोआडिपेट-नोल्याक्टोन हाइड्रोलेजले cis,cis-muconate लाई 3-अक्सोआडिपेटमा रूपान्तरण गर्दछ, जुन succinyl-CoA र acetyl-CoA मार्फत केन्द्रीय कार्बन मार्गमा प्रवेश गर्दछ (नोजाकी एट अल।, १९६८) (चित्र ३)।
जेन्टिसेट (२,५-डाइहाइड्रोक्सीबेन्जोएट) मार्गमा, जेन्टिसेट १,२-डाइअक्सिजेनेज (GDO) द्वारा मेलिइलपाइरुभेट बनाउनको लागि सुगन्धित घेरालाई क्लीभ गरिन्छ। यो उत्पादनलाई सिधै पाइरुभेट र मालेटमा हाइड्रोलाइज गर्न सकिन्छ, वा यसलाई फ्युमरिलपाइरुभेट बनाउन आइसोमेराइज गर्न सकिन्छ, जुन त्यसपछि पाइरुभेट र फ्युमरेटमा हाइड्रोलाइज गर्न सकिन्छ (लार्किन र डे, १९८६)। जैव रासायनिक र आनुवंशिक स्तरहरूमा ग्राम-नेगेटिभ र ग्राम-पोजिटिभ ब्याक्टेरिया दुवैमा वैकल्पिक मार्गको छनोट अवलोकन गरिएको छ (मोरावस्की एट अल।, १९९७; व्हाइट एट अल।, १९९७)। ग्राम-नेगेटिभ ब्याक्टेरिया (स्यूडोमोनास) सेलिसिलिक एसिड प्रयोग गर्न रुचाउँछन्, जुन नेफ्थालिन मेटाबोलिज्मको प्रेरक हो, सेलिसिलिकेट १-हाइड्रोक्सिलेज (गिब्सन र सुब्रमण्यम, १९८४) प्रयोग गरेर क्याटेचोलमा डिकार्बोक्सिलेट गर्दै। अर्कोतर्फ, ग्राम-पोजिटिभ ब्याक्टेरिया (रोडोकोकस) मा, स्यालिसिलेट ५-हाइड्रोक्सिलेजले स्यालिसिलिक एसिडलाई जेन्टिसिक एसिडमा रूपान्तरण गर्छ, जबकि स्यालिसिलिक एसिडले नेफ्थालिन जीनको ट्रान्सक्रिप्शनमा कुनै आगमनात्मक प्रभाव पार्दैन (ग्रन्ड एट अल।, १९९२) (चित्र ३)।
यो रिपोर्ट गरिएको छ कि स्यूडोमोनास CSV86, ओशनोब्याक्टेरियम NCE312, मारिनहोमोनास नेफथोट्रोफिकस, स्फिंगोमोनास पाउसिमोबिलिस 2322, भिब्रिओ साइक्लोट्रोफस, स्यूडोमोनास फ्लोरोसेन्स LP6a, स्यूडोमोनास र माइकोब्याक्टेरियम प्रजातिहरू जस्ता प्रजातिहरूले मोनोमेथिलनाफ्थालिन वा डाइमेथिलनाफ्थालिनलाई घटाउन सक्छन् (डीन-रेमन्ड र बार्था, 1975; केन र विलियम्स, 1982; महाजन एट अल।, 1994; दत्ता एट अल।, 1998; हेडलुन्ड एट अल।, 1999)। तिनीहरूमध्ये, स्यूडोमोनास sp. CSV86 को 1-मिथाइलनाफ्थालिन र 2-मिथाइलनाफ्थालिन क्षय मार्गलाई जैव रासायनिक र इन्जाइम्याटिक स्तरहरूमा स्पष्ट रूपमा अध्ययन गरिएको छ (महाजन एट अल।, 1994)। १-मिथाइलनाफ्थालिन दुई मार्गहरू मार्फत मेटाबोलाइज्ड हुन्छ। पहिलो, सुगन्धित रिंग हाइड्रोक्सिलेटेड हुन्छ (मिथाइलनाफ्थालिनको प्रतिस्थापन नगरिएको रिंग) cis-1,2-डाइहाइड्रोक्सी-1,2-डाइहाइड्रो-8-मिथाइलनाफ्थालिन बनाउन, जुन मिथाइल सेलिसिलेट र मिथाइलकाटेचोलमा थप अक्सिडाइज हुन्छ, र त्यसपछि रिंग क्लीभेज पछि केन्द्रीय कार्बन मार्गमा प्रवेश गर्दछ (चित्र ३)। यो मार्गलाई "कार्बन स्रोत मार्ग" भनिन्छ। दोस्रो "डिटोक्सिफिकेशन मार्ग" मा, मिथाइल समूहलाई NDO द्वारा १-हाइड्रोक्सिमिथाइलनाफ्थालिन बनाउन हाइड्रोक्सिलेटेड गर्न सकिन्छ, जुन १-नेफ्थोइक एसिडमा थप अक्सिडाइज हुन्छ र डेड-एन्ड उत्पादनको रूपमा कल्चर माध्यममा उत्सर्जित हुन्छ। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि स्ट्रेन CSV86 एकमात्र कार्बन र ऊर्जा स्रोतको रूपमा १- र २-नेफ्थोइक एसिडमा बढ्न असमर्थ छ, जसले यसको डिटोक्सिफिकेशन मार्ग पुष्टि गर्दछ (महाजन एट अल।, १९९४; बसु एट अल।, २००३)। २-मिथाइलनाफ्थालिनमा, मिथाइल समूहले २-हाइड्रोक्सीमिथाइलनाफ्थालिन बनाउन हाइड्रोक्सिलेजद्वारा हाइड्रोक्सिलेजेशन गर्दछ। यसको अतिरिक्त, नेफ्थालिन रिंगको प्रतिस्थापन नगरिएको रिंगले डाइहाइड्रोडायोल बनाउन रिंग हाइड्रोक्सिलेजेशन गर्दछ, जुन इन्जाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाहरूको श्रृंखलामा ४-हाइड्रोक्सीमिथाइलकाटेचोलमा अक्सिडाइज हुन्छ र मेटा-रिंग क्लीभेज मार्ग मार्फत केन्द्रीय कार्बन मार्गमा प्रवेश गर्दछ। त्यस्तै गरी, S. paucimobilis 2322 ले NDO प्रयोग गरेर २-मिथाइलनाफ्थालिनलाई हाइड्रोक्सिलेट गरेको रिपोर्ट गरिएको थियो, जुन मिथाइल सेलिसिलेट र मिथाइलकाटेचोल बनाउन थप अक्सिडाइज गरिएको छ (दत्ता एट अल।, १९९८)।
नेफ्थोइक एसिड (प्रतिस्थापन/अप्रतिस्थापन) मिथाइलनाफ्थालिन, फेनान्थ्रीन र एन्थ्रेसिनको क्षयको समयमा बनेका डिटोक्सिफिकेशन/बायोट्रान्सफर्मेसन उप-उत्पादनहरू हुन् र खर्च गरिएको संस्कृति माध्यममा छोडिन्छन्। यो रिपोर्ट गरिएको छ कि माटो आइसोलेट स्टेनोट्रोफोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 ले कार्बन स्रोतको रूपमा 1-नेफ्थोइक एसिडलाई मेटाबोलाइज गर्न सक्षम छ (फेल एट अल।, 1995)। मेटाबोलिज्म सुगन्धित रिंगको डाइहाइड्रोक्सिलेसनबाट सुरु हुन्छ जसले 1,2-डाइहाइड्रोक्सि-8-कार्बोक्साइनाफ्थालिन बनाउँछ। परिणामस्वरूप डायोल 2-हाइड्रोक्सि-3-कार्बोक्सिबेन्जिलिडेनेपाइरुभेट, 3-फॉर्मिलसालिसिलिक एसिड, 2-हाइड्रोक्सिआइसोफ्थालिक एसिड र सेलिसिलिक एसिड मार्फत क्याटेचोलमा अक्सिडाइज हुन्छ र मेटा-रिंग क्लीभेज मार्ग (चित्र 3) मार्फत केन्द्रीय कार्बन मार्गमा प्रवेश गर्दछ।
कार्बारिल एक नेफ्थाइल कार्बामेट कीटनाशक हो। १९७० को दशकमा भारतमा हरियो क्रान्ति भएदेखि, रासायनिक मल र कीटनाशकहरूको प्रयोगले कृषि गैर-बिन्दु स्रोतहरूबाट पोलिसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAH) उत्सर्जनमा वृद्धि भएको छ (पिंगली, २०१२; दत्तगुप्त एट अल।, २०२०)। भारतमा कुल बाली जमिनको अनुमानित ५५% (८५,७२२,००० हेक्टर) रासायनिक कीटनाशकहरूले उपचार गरिन्छ। पछिल्ला पाँच वर्ष (२०१५-२०२०) मा, भारतीय कृषि क्षेत्रले वार्षिक औसत ५५,००० देखि ६०,००० टन कीटनाशक प्रयोग गरेको छ (सहकारी तथा किसान कल्याण विभाग, कृषि मन्त्रालय, भारत सरकार, अगस्ट २०२०)। उत्तरी र मध्य गंगाको मैदानी क्षेत्रहरूमा (सबैभन्दा बढी जनसंख्या र जनसंख्या घनत्व भएका राज्यहरू), बालीहरूमा कीटनाशकहरूको प्रयोग व्यापक छ, जसमा कीटनाशकहरू प्रबल छन्। कार्बारिल (१-नेफ्थाइल-एन-मिथाइलकार्बमेट) एक व्यापक स्पेक्ट्रम, मध्यम देखि अत्यधिक विषाक्त कार्बामेट कीटनाशक हो जुन भारतीय कृषिमा औसत १००-११० टन दरमा प्रयोग गरिन्छ। यो सामान्यतया सेभिन नामको व्यापारिक नाम अन्तर्गत बेचिन्छ र विभिन्न बालीहरू (मकै, भटमास, कपास, फलफूल र तरकारीहरू) लाई असर गर्ने कीराहरू (एफिड, आगो कमिला, उपियां, माइट्स, माकुरा र धेरै अन्य बाहिरी कीराहरू) नियन्त्रण गर्न प्रयोग गरिन्छ। स्यूडोमोनास (NCIB १२०४२, १२०४३, C४, C५, C६, C७, स्यूडोमोनास पुटिडा XWY-१), रोडोकोकस (NCIB १२०३८), स्फिंगोब्याक्टेरियम spp. (CF06), बर्खोल्डेरिया (C3), माइक्रोकोकस र आर्थ्रोब्याक्टर जस्ता केही सूक्ष्मजीवहरू पनि अन्य कीराहरू नियन्त्रण गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। RC100 ले कार्बारिललाई घटाउन सक्छ भन्ने रिपोर्ट गरिएको छ (लार्किन र डे, १९८६; चापालामादुगु र चौधरी, १९९१; हायात्सु एट अल।, १९९९; स्वेथा र फाले, २००५; त्रिवेदी एट अल।, २०१७)। स्यूडोमोनास एसपी स्ट्रेन C4, C5 र C6 (स्वेथा र फाले, २००५; त्रिवेदी एट अल।, २०१६) (चित्र ३) को माटोको आइसोलेटमा कार्बारिलको घट्ने मार्गको जैव रासायनिक, इन्जाइम्याटिक र आनुवंशिक स्तरहरूमा व्यापक रूपमा अध्ययन गरिएको छ। मेटाबोलिक मार्ग कार्बारिल हाइड्रोलेज (CH) द्वारा एस्टर बन्डको हाइड्रोलिसिसबाट सुरु हुन्छ जसले १-नेफ्थोल, मेथिलामाइन र कार्बन डाइअक्साइड बनाउँछ। त्यसपछि १-नेफ्थोललाई १-नेफ्थोल हाइड्रोक्सिलेज (१-NH) द्वारा १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिनमा रूपान्तरण गरिन्छ, जुन स्यालिसिलेट र जेन्टिसेट मार्फत केन्द्रीय कार्बन मार्ग मार्फत थप मेटाबोलाइज गरिन्छ। केही कार्बारिल-डिग्रेडिङ ब्याक्टेरियाहरूले क्याटेचोल ओर्थो रिङको क्लीभेज मार्फत यसलाई सेलिसिलिक एसिडमा मेटाबोलाइज गर्ने रिपोर्ट गरिएको छ (लार्किन र डे, १९८६; चापालामाडुगु र चौधरी, १९९१)। उल्लेखनीय रूपमा, नेफ्थालिन-डिग्रेडिङ ब्याक्टेरियाले मुख्यतया क्याटेचोल मार्फत सेलिसिलिक एसिड मेटाबोलाइज गर्छ, जबकि कार्बारिल-डिग्रेडिङ ब्याक्टेरियाले जेन्टिसेट मार्ग मार्फत सेलिसिलिक एसिड मेटाबोलाइज गर्न रुचाउँछन्।
नेफ्थालेनेसल्फोनिक एसिड/डिसल्फोनिक एसिड र नेफ्थाइलामाइनसल्फोनिक एसिड डेरिभेटिभहरूलाई एजो रङ, भिजाउने एजेन्ट, डिस्पर्सेन्ट, आदि उत्पादनमा मध्यस्थकर्ताको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। यद्यपि यी यौगिकहरूमा मानिसहरूको लागि कम विषाक्तता हुन्छ, साइटोटोक्सिसिटी मूल्याङ्कनहरूले देखाएको छ कि तिनीहरू माछा, डाफ्निया र शैवालको लागि घातक छन् (ग्रीम एट अल।, १९९४)। स्यूडोमोनास (स्ट्रेन A3, C22) जीनसका प्रतिनिधिहरूले सल्फोनिक एसिड समूह भएको सुगन्धित रिंगको दोहोरो हाइड्रोक्सिलेसनद्वारा चयापचय सुरु गर्ने रिपोर्ट गरिएको छ जसले डाइहाइड्रोडायोल बनाउँछ, जुन सल्फाइट समूहको सहज क्लीभेजद्वारा १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिनमा थप रूपान्तरण हुन्छ (ब्रिलोन एट अल।, १९८१)। परिणामस्वरूप १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिन शास्त्रीय नेफ्थालिन मार्ग, अर्थात्, क्याटेचोल वा जेन्टिसेट मार्ग (चित्र ४) मार्फत उत्प्रेरक हुन्छ। यो देखाइएको छ कि एमिनोनाफ्थालेनेसल्फोनिक एसिड र हाइड्रोक्सीनाफ्थालेनेसल्फोनिक एसिडलाई पूरक क्याटाबोलिक मार्गहरू (नोर्टेम्यान एट अल।, १९८६) सँग मिश्रित ब्याक्टेरिया कन्सोर्टियाद्वारा पूर्ण रूपमा घटाउन सकिन्छ। यो देखाइएको छ कि कन्सोर्टियमको एक सदस्यले एमिनोनाफ्थालेनेसल्फोनिक एसिड वा हाइड्रोक्सीनाफ्थालेनेसल्फोनिक एसिडलाई १,२-डाइअक्सिजनेशनद्वारा डिसल्फराइज गर्छ, जबकि एमिनोसालिसिलेट वा हाइड्रोक्सीसालिसिलेटलाई डेड-एन्ड मेटाबोलाइटको रूपमा कल्चर माध्यममा छोडिन्छ र पछि कन्सोर्टियमका अन्य सदस्यहरूले यसलाई सोस्छन्। नेफ्थालेनेडिसल्फोनिक एसिड अपेक्षाकृत ध्रुवीय छ तर कमजोर रूपमा बायोडिग्रेडेबल छ र त्यसैले विभिन्न मार्गहरू मार्फत मेटाबोलाइज गर्न सकिन्छ। पहिलो डिसल्फराइजेशन सुगन्धित रिंग र सल्फोनिक एसिड समूहको रिजियोसेलेक्टिभ डाइहाइड्रोक्सिलेसनको समयमा हुन्छ; दोस्रो डिसल्फराइजेसन ५-सल्फोसालिसिलिक एसिडको हाइड्रोक्सिलेसनको समयमा सेलिसिलिक एसिड ५-हाइड्रोक्सिलेजद्वारा जेन्टिसिक एसिड बनाउँछ, जुन केन्द्रीय कार्बन मार्गमा प्रवेश गर्छ (ब्रिलोन एट अल।, १९८१) (चित्र ४)। नेफ्थालिन डिग्रेडेसनको लागि जिम्मेवार इन्जाइमहरू नेफ्थालिन सल्फोनेट मेटाबोलिज्मको लागि पनि जिम्मेवार हुन्छन् (ब्रिलोन एट अल।, १९८१; केक एट अल।, २००६)।
चित्र ४. नेफ्थालिन सल्फोनेटको क्षयको लागि मेटाबोलिक मार्गहरू। सर्कल भित्रका संख्याहरूले नेफ्थाइल सल्फोनेट मेटाबोलिज्मको लागि जिम्मेवार इन्जाइमहरूलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, जुन चित्र ३ मा वर्णन गरिएका इन्जाइमहरूसँग मिल्दोजुल्दो/समान छ।
कम आणविक तौल PAHs (LMW-PAHs) घटाउन सकिने, हाइड्रोफोबिक र कम घुलनशील हुन्छन्, र त्यसैले प्राकृतिक ब्रेकडाउन/डिग्रेडेसनको लागि संवेदनशील हुँदैनन्। यद्यपि, एरोबिक सूक्ष्मजीवहरूले आणविक अक्सिजन (O2) अवशोषित गरेर यसलाई अक्सिडाइज गर्न सक्षम हुन्छन्। यी इन्जाइमहरू मुख्यतया अक्सिडोरेडक्टेजको वर्गसँग सम्बन्धित छन् र एरोमेटिक रिंग हाइड्रोक्सिलेसन (मोनो- वा डाइहाइड्रोक्सिलेसन), डिहाइड्रोजनेशन र एरोमेटिक रिंग क्लीभेज जस्ता विभिन्न प्रतिक्रियाहरू गर्न सक्छन्। यी प्रतिक्रियाहरूबाट प्राप्त उत्पादनहरू उच्च अक्सिडेशन अवस्थामा हुन्छन् र केन्द्रीय कार्बन मार्ग (फेल एट अल।, २०२०) मार्फत सजिलै मेटाबोलाइज हुन्छन्। डिग्रेडेसन मार्गमा इन्जाइमहरू इन्ड्युसिबल भएको रिपोर्ट गरिएको छ। ग्लुकोज वा जैविक एसिड जस्ता साधारण कार्बन स्रोतहरूमा कोषहरू हुर्काउँदा यी इन्जाइमहरूको गतिविधि धेरै कम वा नगण्य हुन्छ। तालिका ३ ले नेफ्थालिन र यसको डेरिभेटिभहरूको मेटाबोलिज्ममा संलग्न विभिन्न इन्जाइमहरू (अक्सिजेनेज, हाइड्रोलेज, डिहाइड्रोजनेज, अक्सिडेज, आदि) को सारांश दिन्छ।
तालिका ३. नेफ्थालिन र यसका डेरिभेटिभहरूको क्षयको लागि जिम्मेवार इन्जाइमहरूको जैव रासायनिक विशेषताहरू।
रेडियोआइसोटोप अध्ययनहरू (18O2) ले देखाएको छ कि अक्सिजनेसेसद्वारा आणविक O2 लाई सुगन्धित घेराहरूमा समावेश गर्नु यौगिकको थप जैविक क्षरणलाई सक्रिय पार्ने सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण चरण हो (हयायशी एट अल।, १९५५; मेसन एट अल।, १९५५)। आणविक अक्सिजन (O2) बाट सब्सट्रेटमा एउटा अक्सिजन परमाणु (O) को समावेश अन्तर्जात वा बाह्य मोनोअक्सिजनेसेस (जसलाई हाइड्रोक्सिलेसेस पनि भनिन्छ) द्वारा सुरु गरिन्छ। अर्को अक्सिजन परमाणुलाई पानीमा घटाइन्छ। एक्सोजेनस मोनोअक्सिजनेसेसले NADH वा NADPH सँग फ्लेभिन घटाउँछ, जबकि एन्डोमोनोअक्सिजनेसेसहरूमा फ्लेभिन सब्सट्रेटद्वारा घटाइन्छ। हाइड्रोक्सिलेसनको स्थितिले उत्पादन गठनमा विविधता ल्याउँछ। उदाहरणका लागि, स्यालिसिलेट १-हाइड्रोक्सिलेजले स्यालिसिलिक एसिडलाई C1 स्थितिमा हाइड्रोक्सिलेट गर्छ, जसले क्याटेचोल बनाउँछ। अर्कोतर्फ, बहुघटक स्यालिसिलेट ५-हाइड्रोक्सिलेज (रिडक्टेज, फेरेडोक्सिन र अक्सिजनेज सबयुनिटहरू भएको) ले C5 स्थितिमा स्यालिसिलिक एसिडलाई हाइड्रोक्सिलेट गर्छ, जसले जेन्टिसिक एसिड बनाउँछ (यामामोटो एट अल।, १९६५)।
डाइअक्सिजनेजले सब्सट्रेटमा दुई O2 परमाणुहरू समावेश गर्दछ। बनेका उत्पादनहरूको आधारमा, तिनीहरूलाई रिङ हाइड्रोक्सिलेटिंग डाइअक्सिजनेज र रिङ क्लीभिङ डाइअक्सिजनेजमा विभाजन गरिएको छ। रिङ हाइड्रोक्सिलेटिंग डाइअक्सिजनेजले सुगन्धित सब्सट्रेटहरूलाई सिस-डाइहाइड्रोडायोल (जस्तै, नेफ्थालिन) मा रूपान्तरण गर्दछ र ब्याक्टेरियाहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। आजसम्म, यो देखाइएको छ कि रिङ हाइड्रोक्सिलेटिंग डाइअक्सिजनेज भएका जीवहरू विभिन्न सुगन्धित कार्बन स्रोतहरूमा बढ्न सक्षम छन्, र यी इन्जाइमहरूलाई NDO (नेफ्थालिन), टोल्युइन डाइअक्सिजनेज (TDO, टोल्युइन), र बाइफेनाइल डाइअक्सिजनेज (BPDO, बाइफेनाइल) को रूपमा वर्गीकृत गरिएको छ। NDO र BPDO दुवैले विभिन्न polycyclic aromatic हाइड्रोकार्बनहरू (टोल्युइन, नाइट्रोटोल्युइन, जाइलिन, इथाइलबेन्जिन, नेफ्थालिन, बाइफेनाइल, फ्लोरिन, इन्डोल, मिथाइलनाफ्थालिन, नेफ्थालिनसल्फोनेट, फेनान्थ्रीन, एन्थ्रेसिन, एसिटोफेनोन, आदि) को दोहोरो अक्सिडेशन र साइड चेन हाइड्रोक्सिलेसनलाई उत्प्रेरित गर्न सक्छन् (बोयड र शेल्ड्रेक, १९९८; फेल एट अल।, २०२०)। NDO एक बहु-घटक प्रणाली हो जसमा अक्सिडोरेडक्टेज, फेरेडोक्सिन, र सक्रिय साइट-युक्त अक्सिजनेज घटक (गिब्सन र सुब्रमण्यम, १९८४; रेस्निक एट अल।, १९९६) समावेश हुन्छ। NDO को उत्प्रेरक एकाइमा ठूलो α सबयुनिट र α3β3 कन्फिगरेसनमा व्यवस्थित सानो β सबयुनिट हुन्छ। NDO अक्सिजनेसेसको ठूलो परिवारसँग सम्बन्धित छ र यसको α-सबयुनिटमा रिसके साइट [2Fe-2S] र मोनोन्यूक्लियर नन-हेम आइरन हुन्छ, जसले NDO को सब्सट्रेट विशिष्टता निर्धारण गर्दछ (प्यारालेस एट अल।, १९९८)। सामान्यतया, एउटा उत्प्रेरक चक्रमा, पाइरिडिन न्यूक्लियोटाइडको रिडक्सनबाट दुई इलेक्ट्रोनहरू रिडक्टेज, फेरेडोक्सिन र रिसके साइट मार्फत सक्रिय साइटमा रहेको Fe(II) आयनमा स्थानान्तरण गरिन्छ। रिडक्सनिङ समकक्षहरूले आणविक अक्सिजन सक्रिय गर्छन्, जुन सब्सट्रेट डाइहाइड्रोक्सिलेसनको लागि पूर्व शर्त हो (फेरारो एट अल।, २००५)। आजसम्म, केही NDO हरूलाई मात्र विभिन्न स्ट्रेनहरूबाट शुद्ध र विस्तृत रूपमा चित्रण गरिएको छ र नेफ्थालिन डिग्रेडेसनमा संलग्न मार्गहरूको आनुवंशिक नियन्त्रणको विस्तृत रूपमा अध्ययन गरिएको छ (रेस्निक एट अल।, १९९६; प्यारालेस एट अल।, १९९८; कार्लसन एट अल।, २००३)। रिङ-क्लिभिङ डाइअक्सिजेनेज (एन्डो- वा ओर्थो-रिङ-क्लिभिङ इन्जाइमहरू र एक्सोडियोल- वा मेटा-रिङ-क्लिभिङ इन्जाइमहरू) हाइड्रोक्सिलेटेड एरोमेटिक यौगिकहरूमा कार्य गर्छन्। उदाहरणका लागि, ओर्थो-रिङ-क्लिभिङ डाइअक्सिजेनेज क्याटेकोल-१,२-डाइअक्सिजेनेज हो, जबकि मेटा-रिङ-क्लिभिङ डाइअक्सिजेनेज क्याटेकोल-२,३-डाइअक्सिजेनेज हो (कोजिमा एट अल।, १९६१; नोजाकी एट अल।, १९६८)। विभिन्न अक्सिजेनेजहरूका अतिरिक्त, एरोमेटिक डाइहाइड्रोडायोल, अल्कोहल र एल्डिहाइडहरूको डिहाइड्रोजनेशन र इलेक्ट्रोन स्वीकारकर्ताहरूको रूपमा NAD+/NADP+ प्रयोगको लागि जिम्मेवार विभिन्न डिहाइड्रोजनेजहरू पनि छन्, जुन मेटाबोलिज्ममा संलग्न केही महत्त्वपूर्ण इन्जाइमहरू हुन् (गिब्सन र सुब्रमण्यम, १९८४; शा र हरयामा, १९९०; फाहले एट अल।, २०२०)।
हाइड्रोलेज (एस्टेरेज, एमिडेस) जस्ता इन्जाइमहरू इन्जाइमहरूको दोस्रो महत्त्वपूर्ण वर्ग हुन् जसले सहसंयोजक बन्धनहरू तोड्न र व्यापक सब्सट्रेट विशिष्टता प्रदर्शन गर्न पानी प्रयोग गर्दछ। कार्बारिल हाइड्रोलेज र अन्य हाइड्रोलेजहरूलाई ग्राम-नेगेटिभ ब्याक्टेरियाका सदस्यहरूमा पेरिप्लाज्म (ट्रान्समेम्ब्रेन) को घटक मानिन्छ (कामिनी एट अल।, २०१८)। कार्बारिलमा एमाइड र एस्टर लिंकेज दुवै हुन्छ; त्यसैले, यसलाई एस्टेरेज वा एमिडेस द्वारा हाइड्रोलाइज गरेर १-नेफ्थोल बनाउन सकिन्छ। राइजोबियममा कार्बारिल राइजोबियम स्ट्रेन AC10023 र आर्थ्रोब्याक्टर स्ट्रेन RC100 ले क्रमशः एस्टेरेज र एमिडेसको रूपमा काम गर्ने रिपोर्ट गरिएको छ। आर्थ्रोब्याक्टर स्ट्रेन RC100 मा कार्बारिलले पनि एमिडेसको रूपमा काम गर्दछ। RC100 ले कार्बारिल, मेथोमाइल, मेफेनामिक एसिड र XMC जस्ता चार N-मिथाइलकार्बमेट वर्गका कीटनाशकहरूलाई हाइड्रोलाइज गर्ने देखाइएको छ (हयात्सु एट अल।, २००१)। यो रिपोर्ट गरिएको थियो कि स्यूडोमोनास sp. C5pp मा CH ले कार्बारिल (१००% गतिविधि) र १-नेफ्थाइल एसीटेट (३६% गतिविधि) मा काम गर्न सक्छ, तर १-नेफ्थाइलसेटामाइडमा होइन, जसले यो एस्टेरेज हो भनेर संकेत गर्दछ (त्रिवेदी एट अल।, २०१६)।
जैव रासायनिक अध्ययन, इन्जाइम नियमन ढाँचाहरू, र आनुवंशिक विश्लेषणले देखाएको छ कि नेफ्थलिन डिग्रेडेसन जीनहरूमा दुई इन्ड्युसिबल नियामक एकाइहरू वा "ओपेरोनहरू" हुन्छन्: नाह ("अपस्ट्रीम मार्ग", नेफ्थलिनलाई सेलिसिलिक एसिडमा रूपान्तरण गर्ने) र साल ("डाउनस्ट्रीम मार्ग", क्याटेचोल मार्फत सेलिसिलिक एसिडलाई केन्द्रीय कार्बन मार्गमा रूपान्तरण गर्ने)। सालिसिलिक एसिड र यसको एनालगहरूले प्रेरकको रूपमा काम गर्न सक्छन् (शमसुज्जमान र बार्न्सले, १९७४)। ग्लुकोज वा जैविक एसिडको उपस्थितिमा, ओपेरोन दबाइन्छ। चित्र ५ ले नेफ्थलिन डिग्रेडेसनको पूर्ण आनुवंशिक संगठन देखाउँछ (ओपेरोन रूपमा)। नाह जीन (एनडो/पाह/डोक्स) का धेरै नामित भेरियन्टहरू/रूपहरू वर्णन गरिएको छ र सबै स्यूडोमोनास प्रजातिहरू (अब्बासियन एट अल।, २०१६) मा उच्च अनुक्रम समरूपता (९०%) भएको पाइएको छ। नाफ्थलिन अपस्ट्रीम मार्गको जीनहरू सामान्यतया चित्र ५ए मा देखाइए अनुसार सहमति क्रममा व्यवस्थित गरिएको थियो। अर्को जीन, nahQ, पनि नेफ्थलिन मेटाबोलिज्ममा संलग्न भएको रिपोर्ट गरिएको थियो र सामान्यतया nahC र nahE बीचमा अवस्थित थियो, तर यसको वास्तविक कार्य स्पष्ट हुन बाँकी छ। त्यस्तै गरी, नेफ्थलिन-संवेदनशील केमोट्याक्सिसको लागि जिम्मेवार nahY जीन, केही सदस्यहरूमा nah ओपेरोनको टाढाको छेउमा फेला पर्यो। राल्स्टोनिया sp. मा, ग्लुटाथियोन S-ट्रान्सफरेज (gsh) एन्कोड गर्ने U2 जीन nahAa र nahAb बीचमा अवस्थित पाइयो तर नेफ्थलिन उपयोग विशेषताहरूलाई असर गरेन (Zylstra et al., 1997)।
चित्र ५. ब्याक्टेरियाका प्रजातिहरूमा नेफ्थालिनको क्षयको समयमा अवलोकन गरिएको आनुवंशिक संगठन र विविधता; (क) माथिल्लो नेफ्थालिन मार्ग, नेफ्थालिनको सेलिसिलिक एसिडमा चयापचय; (ख) तल्लो नेफ्थालिन मार्ग, सेलिसिलिक एसिड क्याटेचोल हुँदै केन्द्रीय कार्बन मार्गमा; (ग) जेन्टिसेट हुँदै सेलिसिलिक एसिड केन्द्रीय कार्बन मार्गमा।
"तल्लो मार्ग" (sal operon) मा सामान्यतया nahGTHINLMOKJ हुन्छ र catechol metaring cleavage मार्ग मार्फत salicylate लाई pyruvate र acetaldehyde मा रूपान्तरण गर्दछ। nahG जीन (encoding salicylate hydroxylase) operon को proximal छेउमा संरक्षित भएको पाइयो (चित्र 5B)। अन्य naphthalene-degrading strains को तुलनामा, P. putida CSV86 मा nah र sal operons ट्यान्डम र धेरै नजिकबाट सम्बन्धित छन् (लगभग 7.5 kb)। Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, र P. putida AK5 जस्ता केही ग्राम-नेगेटिभ ब्याक्टेरियाहरूमा, naphthalene लाई gentisate मार्ग (sgp/nag operon को रूपमा) मार्फत केन्द्रीय कार्बन मेटाबोलाइटको रूपमा मेटाबोलाइज गरिन्छ। जीन क्यासेट सामान्यतया nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI को रूपमा प्रतिनिधित्व गरिन्छ, जहाँ nagR (LysR-प्रकारको नियामकलाई एन्कोड गर्ने) माथिल्लो छेउमा अवस्थित हुन्छ (चित्र 5C)।
कार्बारिल १-नेफ्थोल, १,२-डाइहाइड्रोक्सिनाफ्थालिन, सेलिसिलिक एसिड, र जेन्टिसिक एसिडको मेटाबोलिज्म मार्फत केन्द्रीय कार्बन चक्रमा प्रवेश गर्छ (चित्र ३)। आनुवंशिक र चयापचय अध्ययनको आधारमा, यो मार्गलाई "अपस्ट्रीम" (कार्बेरिललाई सेलिसिलिक एसिडमा रूपान्तरण), "मध्यम" (सेलिसिलिक एसिडलाई जेन्टिसिक एसिडमा रूपान्तरण), र "डाउनस्ट्रीम" (जेन्टिसिक एसिडलाई केन्द्रीय कार्बन मार्ग मध्यवर्तीमा रूपान्तरण) मा विभाजन गर्ने प्रस्ताव गरिएको छ (सिंह एट अल।, २०१३)। C5pp (सुपरकन्टिग ए, ७६.३ केबी) को जीनोमिक विश्लेषणले पत्ता लगायो कि mcbACBDEF जीन कार्बारिललाई सेलिसिलिक एसिडमा रूपान्तरणमा संलग्न छ, त्यसपछि mcbIJKL ले सेलिसिलिक एसिडलाई जेन्टिसिक एसिडमा रूपान्तरणमा, र mcbOQP ले जेन्टिसिक एसिडलाई केन्द्रीय कार्बन मध्यवर्तीमा रूपान्तरणमा संलग्न छ (फ्युमरेट र पाइरुभेट, त्रिवेदी एट अल।, २०१६) (चित्र ६)।
यो रिपोर्ट गरिएको छ कि सुगन्धित हाइड्रोकार्बन (नेफ्थालिन र सेलिसिलिक एसिड सहित) को क्षयमा संलग्न इन्जाइमहरू सम्बन्धित यौगिकहरू द्वारा प्रेरित हुन सक्छन् र ग्लुकोज वा जैविक एसिड जस्ता साधारण कार्बन स्रोतहरू द्वारा रोकिन सक्छन् (शिंगलर, २००३; फाले एट अल।, २०१९, २०२०)। नेफ्थालिन र यसका डेरिभेटिभहरूको विभिन्न मेटाबोलिक मार्गहरू मध्ये, नेफ्थालिन र कार्बारिलको नियामक विशेषताहरू केही हदसम्म अध्ययन गरिएको छ। नेफ्थालिनको लागि, अपस्ट्रीम र डाउनस्ट्रीम दुवै मार्गहरूमा जीनहरू NahR द्वारा नियमन गरिन्छ, एक LysR-प्रकारको ट्रान्स-एक्टिङ सकारात्मक नियामक। यो सेलिसिलिक एसिड र यसको पछिल्ला उच्च-स्तर अभिव्यक्ति (येन र गुन्सालस, १९८२) द्वारा nah जीनको प्रेरणको लागि आवश्यक छ। यसबाहेक, अध्ययनहरूले देखाएको छ कि एकीकृत होस्ट फ्याक्टर (IHF) र XylR (सिग्मा ५४-निर्भर ट्रान्सक्रिप्शनल नियामक) पनि नेफ्थालिन मेटाबोलिज्ममा जीनको ट्रान्सक्रिप्शनल सक्रियताको लागि महत्त्वपूर्ण छन् (रामोस एट अल।, १९९७)। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि क्याटेकोल मेटा-रिंग ओपनिङ पाथवे, अर्थात् क्याटेकोल २,३-डाइअक्सिजेनेजका इन्जाइमहरू नेफ्थालिन र/वा सेलिसिलिक एसिडको उपस्थितिमा प्रेरित हुन्छन् (बासु एट अल।, २००६)। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि क्याटेकोल ओर्थो-रिंग ओपनिङ पाथवे, अर्थात् क्याटेकोल १,२-डाइअक्सिजेनेजका इन्जाइमहरू बेन्जोइक एसिड र सिस, सिस-म्युकोनेटको उपस्थितिमा प्रेरित हुन्छन् (पार्सेक एट अल।, १९९४; टोभर एट अल।, २००१)।
स्ट्रेन C5pp मा, पाँच जीनहरू, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR र mcbS, ले कार्बारिल डिग्रेडेसन नियन्त्रण गर्न जिम्मेवार ट्रान्सक्रिप्शनल रेगुलेटरहरूको LysR/TetR परिवारसँग सम्बन्धित नियामकहरूलाई एन्कोड गर्छन्। समरूप जीन mcbG बर्खोल्डेरिया RP00725 (त्रिवेदी एट अल।, २०१६) मा फेनान्थ्रीन मेटाबोलिज्ममा संलग्न LysR-प्रकार नियामक PhnS (५८% एमिनो एसिड पहिचान) सँग सबैभन्दा नजिकको सम्बन्ध भएको पाइयो। mcbH जीन मध्यवर्ती मार्ग (सेलिसिलिक एसिडको जेन्टिसिक एसिडमा रूपान्तरण) मा संलग्न भएको पाइयो र स्यूडोमोनास र बर्खोल्डेरियामा LysR-प्रकार ट्रान्सक्रिप्शनल रेगुलेटर NagR/DntR/NahR सँग सम्बन्धित छ। यस परिवारका सदस्यहरूले डिग्रेडेसन जीनको प्रेरणको लागि सेलिसिलिक एसिडलाई विशिष्ट प्रभावक अणुको रूपमा पहिचान गरेको रिपोर्ट गरिएको थियो। अर्कोतर्फ, LysR र TetR प्रकारका ट्रान्सक्रिप्शनल रेगुलेटर्ससँग सम्बन्धित तीन जीनहरू, mcbN, mcbR र mcbS, डाउनस्ट्रीम मार्ग (gentisate-central कार्बन मार्ग मेटाबोलाइट्स) मा पहिचान गरिएको थियो।
प्रोकारियोटहरूमा, प्लाज्मिड, ट्रान्सपोसन, प्रोफेज, जीनोमिक टापुहरू, र एकीकृत संयुग्मित तत्वहरू (ICE) मार्फत तेर्सो जीन स्थानान्तरण प्रक्रियाहरू (अधिग्रहण, आदानप्रदान, वा स्थानान्तरण) ब्याक्टेरिया जीनोमहरूमा प्लास्टिसिटीको प्रमुख कारणहरू हुन्, जसले विशिष्ट कार्यहरू/विशेषताहरूको लाभ वा हानि निम्त्याउँछ। यसले ब्याक्टेरियालाई विभिन्न वातावरणीय अवस्थाहरूमा द्रुत रूपमा अनुकूलन गर्न अनुमति दिन्छ, जसले होस्टलाई सम्भावित अनुकूली मेटाबोलिक फाइदाहरू प्रदान गर्दछ, जस्तै सुगन्धित यौगिकहरूको क्षय। मेटाबोलिक परिवर्तनहरू प्रायः डिग्रेडेसन ओपेरोनहरू, तिनीहरूको नियामक संयन्त्रहरू, र इन्जाइम विशिष्टताहरूको फाइन-ट्यूनिंग मार्फत प्राप्त गरिन्छ, जसले सुगन्धित यौगिकहरूको फराकिलो दायराको क्षयलाई सहज बनाउँछ (नोजिरी एट अल।, २००४; फले एट अल।, २०१९, २०२०)। नेफ्थालिन डिग्रेडेसनको लागि जीन क्यासेटहरू प्लाज्मिडहरू (संयुग्मित र गैर-संयुग्मित), ट्रान्सपोसन, जीनोम, ICE, र विभिन्न ब्याक्टेरिया प्रजातिहरूको संयोजन (चित्र ५) जस्ता विभिन्न गतिशील तत्वहरूमा अवस्थित पाइएको छ। स्यूडोमोनास G7 मा, प्लाज्मिड NAH7 को nah र sal operons एउटै अभिविन्यासमा ट्रान्सक्राइब गरिएका छन् र दोषपूर्ण ट्रान्सपोसनको भाग हुन् जसलाई मोबिलाइजेसनको लागि ट्रान्सपोसेज Tn4653 आवश्यक पर्दछ (Sota et al., 2006)। स्यूडोमोनास स्ट्रेन NCIB9816-4 मा, जीन कन्जुगेटिभ प्लाज्मिड pDTG1 मा दुई ओपेरोन (लगभग १५ kb को दूरीमा) को रूपमा फेला पर्यो जुन विपरीत दिशामा ट्रान्सक्राइब गरिएको थियो (Dennis and Zylstra, 2004)। स्यूडोमोनास पुटिडा स्ट्रेन AK5 मा, गैर-कन्जुगेटिभ प्लाज्मिड pAK5 ले जेन्टिसेट मार्ग (Izmalkova et al., 2013) मार्फत नेफ्थालिन डिग्रेडेसनको लागि जिम्मेवार इन्जाइमलाई एन्कोड गर्दछ। स्यूडोमोनास स्ट्रेन PMD-1 मा, nah ओपेरोन क्रोमोजोममा अवस्थित हुन्छ, जबकि साल ओपेरोन कन्जुगेटिभ प्लाज्मिड pMWD-1 (Zuniga et al., 1981) मा अवस्थित हुन्छ। यद्यपि, स्यूडोमोनास स्टुट्जेरी AN10 मा, सबै नेफ्थालिन डिग्रेडेसन जीनहरू (nah र साल ओपेरोनहरू) क्रोमोजोममा अवस्थित हुन्छन् र सम्भवतः ट्रान्सपोजिसन, पुनर्संयोजन, र पुनर्व्यवस्थित घटनाहरू मार्फत भर्ती गरिन्छन् (Bosch et al., 2000)। स्यूडोमोनास sp. CSV86 मा, nah र साल ओपेरोनहरू ICE (ICECSV86) को रूपमा जीनोममा अवस्थित हुन्छन्। संरचना tRNAGly द्वारा सुरक्षित गरिएको छ जसपछि पुनर्संयोजन/संलग्नक साइटहरू (attR र attL) र tRNAGly को दुबै छेउमा अवस्थित फेज-जस्तो इन्टिग्रेजलाई संकेत गर्ने प्रत्यक्ष दोहोरिनेहरू र tRNAGly को दुबै छेउमा अवस्थित फेज-जस्तो इन्टिग्रेज हुन्छ, जसले गर्दा संरचनात्मक रूपमा ICEclc तत्व (chlorocatechol degradation को लागि Pseudomonas knackmusii मा ICEclcB13) जस्तै हुन्छ। यो रिपोर्ट गरिएको छ कि ICE मा जीनहरू अत्यन्त कम स्थानान्तरण आवृत्ति (१०-८) सँग संयुग्मनद्वारा स्थानान्तरण गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा प्राप्तकर्तालाई क्षय गुणहरू स्थानान्तरण गरिन्छ (Basu and Phale, २००८; Phale et al., २०१९)।
कार्बारिलको क्षयको लागि जिम्मेवार अधिकांश जीनहरू प्लाज्मिडहरूमा अवस्थित हुन्छन्। आर्थ्रोब्याक्टर sp. RC100 मा तीन प्लाज्मिडहरू (pRC1, pRC2 र pRC300) हुन्छन् जसमध्ये दुई कन्जुगेटिभ प्लाज्मिडहरू, pRC1 र pRC2, कार्बारिललाई जेन्टिसेटमा रूपान्तरण गर्ने इन्जाइमहरूलाई एन्कोड गर्छन्। अर्कोतर्फ, जेन्टिसेटलाई केन्द्रीय कार्बन मेटाबोलाइटहरूमा रूपान्तरणमा संलग्न इन्जाइमहरू क्रोमोजोममा अवस्थित हुन्छन् (हायात्सु एट अल।, १९९९)। राइजोबियम जातको ब्याक्टेरिया। कार्बारिललाई १-नेफ्थोलमा रूपान्तरण गर्न प्रयोग गरिने स्ट्रेन AC100 मा प्लाज्मिड pAC200 हुन्छ, जसले सम्मिलन तत्व-जस्तो अनुक्रमहरू (istA र istB) (हाशिमोटो एट अल।, २००२) द्वारा घेरिएको Tnceh ट्रान्सपोसनको भागको रूपमा CEhA जीन एन्कोडिङ CH बोक्छ। स्फिंगोमोनास स्ट्रेन CF06 मा, कार्बारिल डिग्रेडेसन जीन पाँच प्लाज्मिडहरूमा उपस्थित रहेको विश्वास गरिन्छ: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, र pCF05। यी प्लाज्मिडहरूको DNA समरूपता उच्च छ, जसले जीन डुप्लिकेशन घटनाको अस्तित्वलाई संकेत गर्दछ (फेंग एट अल।, १९९७)। दुई स्यूडोमोनास प्रजातिहरू मिलेर बनेको कार्बारिल-डिग्रेडेडिंग सिम्बियोन्टमा, स्ट्रेन ५०५८१ मा mcd कार्बारिल हाइड्रोलेज जीनलाई एन्कोड गर्ने कन्जुगेटिभ प्लाज्मिड pCD1 (५० kb) हुन्छ, जबकि स्ट्रेन ५०५५२ मा रहेको कन्जुगेटिभ प्लाज्मिडले १-नेफ्थोल-डिग्रेडेडिंग इन्जाइमलाई एन्कोड गर्दछ (चपालामादुगु र चौधरी, १९९१)। अक्रोमोब्याक्टर स्ट्रेन WM111 मा, mcd फुराडान हाइड्रोलेज जीन १०० kb प्लाज्मिड (pPDL11) मा अवस्थित हुन्छ। यो जीन विभिन्न भौगोलिक क्षेत्रका विभिन्न ब्याक्टेरियाहरूमा विभिन्न प्लाज्मिडहरू (१००, १०५, ११५ वा १२४ केबी) मा उपस्थित रहेको देखाइएको छ (पारेख एट अल।, १९९५)। स्यूडोमोनास एसपी। C5pp मा, कार्बारिल डिग्रेडेसनको लागि जिम्मेवार सबै जीनहरू ७६.३ केबी अनुक्रम फैलिएको जीनोममा अवस्थित छन् (त्रिवेदी एट अल।, २०१६)। जीनोम विश्लेषण (६.१५ एमबी) ले ४२ एमजीई र ३६ जीईआईको उपस्थिति प्रकट गर्‍यो, जसमध्ये १७ एमजीईहरू सुपरकन्टिग ए (७६.३ केबी) मा औसत असममित जी+सी सामग्री (५४–६० मोल%) सँग अवस्थित थिए, जसले सम्भावित तेर्सो जीन स्थानान्तरण घटनाहरू सुझाव दिन्छ (त्रिवेदी एट अल।, २०१६)। P. putida XWY-1 ले कार्बारिल-डिग्रेडिङ जीनहरूको समान व्यवस्था प्रदर्शन गर्दछ, तर यी जीनहरू प्लाज्मिडमा अवस्थित छन् (Zhu et al., 2019)।
जैव रासायनिक र जीनोमिक स्तरहरूमा चयापचय दक्षताको अतिरिक्त, सूक्ष्मजीवहरूले केमोट्याक्सिस, कोशिका सतह परिमार्जन गुणहरू, कम्पार्टमेन्टलाइजेसन, अधिमान्य उपयोग, बायोसर्फ्याक्टेन्ट उत्पादन, आदि जस्ता अन्य गुणहरू वा प्रतिक्रियाहरू पनि प्रदर्शन गर्छन्, जसले तिनीहरूलाई दूषित वातावरणमा सुगन्धित प्रदूषकहरूलाई अझ कुशलतापूर्वक मेटाबोलाइज गर्न मद्दत गर्दछ (चित्र ७)।
चित्र ७. विदेशी प्रदूषक यौगिकहरूको कुशल जैविक विघटनको लागि आदर्श सुगन्धित हाइड्रोकार्बन-क्षयकारी ब्याक्टेरियाको विभिन्न सेलुलर प्रतिक्रिया रणनीतिहरू।
विषम प्रदूषित पारिस्थितिक प्रणालीमा जैविक प्रदूषकहरूको क्षयीकरण बढाउने कारकहरू केमोट्याक्टिक प्रतिक्रियाहरू मानिन्छन्। (२००२) ले स्यूडोमोनास एसपीको केमोट्याक्सिसले नेफ्थालिनको क्षयीकरणको दर बढाएको देखाएको छ। जंगली-प्रकारको स्ट्रेन G7 ले केमोट्याक्सिस-कमित उत्परिवर्ती स्ट्रेन भन्दा धेरै छिटो नेफ्थालिनलाई क्षय गर्यो। NahY प्रोटीन (झिल्ली टोपोलोजी सहितको ५३८ एमिनो एसिड) NAH7 प्लाज्मिडमा मेटाक्लिएभेज मार्ग जीनहरूसँग सह-ट्रान्सक्राइब गरिएको पाइयो, र केमोट्याक्सिस ट्रान्सड्यूसरहरू जस्तै, यो प्रोटीन नेफ्थालिनको क्षयीकरणको लागि केमोरेसेप्टरको रूपमा काम गरेको देखिन्छ (ग्रिम र हारवुड १९९७)। ह्यान्सेल एट अल द्वारा गरिएको अर्को अध्ययन। (२००९) ले देखाएको छ कि प्रोटीन केमोट्याक्टिक छ, तर यसको क्षय दर उच्च छ। (२०११) ले स्यूडोमोनास (पी. पुटिडा) को ग्यासयुक्त नेफ्थालिनमा केमोट्याक्टिक प्रतिक्रिया प्रदर्शन गर्‍यो, जहाँ ग्यास चरण प्रसारले कोषहरूमा नेफ्थालिनको स्थिर प्रवाह निम्त्यायो, जसले कोषहरूको केमोट्याक्टिक प्रतिक्रियालाई नियन्त्रण गर्‍यो। अनुसन्धानकर्ताहरूले यो केमोट्याक्टिक व्यवहारलाई सूक्ष्मजीवहरूलाई इन्जिनियर गर्न प्रयोग गरे जसले क्षयको दर बढाउनेछ। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि केमोसेन्सरी मार्गहरूले कोष विभाजन, कोष चक्र नियमन, र बायोफिल्म गठन जस्ता अन्य सेलुलर कार्यहरूलाई पनि नियमन गर्दछ, जसले गर्दा क्षयको दर नियन्त्रण गर्न मद्दत गर्दछ। यद्यपि, कुशल क्षयको लागि यो गुण (केमोटाक्सिस) को उपयोग धेरै अवरोधहरूले बाधा पुर्‍याउँछ। प्रमुख बाधाहरू हुन्: (क) फरक प्यारालोगस रिसेप्टरहरूले एउटै यौगिकहरू/लिगान्डहरू पहिचान गर्छन्; (ख) वैकल्पिक रिसेप्टरहरूको अस्तित्व, अर्थात्, ऊर्जावान ट्रपिज्म; (ग) एउटै रिसेप्टर परिवारको संवेदी डोमेनहरूमा महत्त्वपूर्ण अनुक्रम भिन्नताहरू; र (घ) प्रमुख ब्याक्टेरिया सेन्सर प्रोटीनहरूमा जानकारीको अभाव (ओर्टेगा एट अल।, २०१७; मार्टिन-मोरा एट अल।, २०१८)। कहिलेकाहीं, सुगन्धित हाइड्रोकार्बनको जैविक विघटनले धेरै मेटाबोलाइटहरू/मध्यवर्तीहरू उत्पादन गर्दछ, जुन ब्याक्टेरियाको एक समूहको लागि केमोट्याक्टिक हुन सक्छ तर अरूको लागि घृणित हुन सक्छ, जसले प्रक्रियालाई अझ जटिल बनाउँछ। रासायनिक रिसेप्टरहरूसँग लिगान्डहरू (सुगन्धित हाइड्रोकार्बन) को अन्तरक्रिया पहिचान गर्न, हामीले स्यूडोमोनास पुटिडा र एस्चेरिचिया कोलाईको सेन्सर र सिग्नलिंग डोमेनहरू फ्यूज गरेर हाइब्रिड सेन्सर प्रोटीनहरू (PcaY, McfR, र NahY) निर्माण गर्यौं, जसले क्रमशः सुगन्धित एसिड, TCA मध्यवर्तीहरू, र नेफ्थालिनका लागि रिसेप्टरहरूलाई लक्षित गर्दछ (लु एट अल।, २०१९)।
नेफ्थालिन र अन्य पॉलीसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) को प्रभावमा, ब्याक्टेरियाको झिल्लीको संरचना र सूक्ष्मजीवहरूको अखण्डतामा उल्लेखनीय परिवर्तनहरू हुन्छन्। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि नेफ्थालिनले हाइड्रोफोबिक अन्तरक्रियाहरू मार्फत एसिल चेनको अन्तरक्रियामा हस्तक्षेप गर्दछ, जसले गर्दा झिल्लीको सुन्निने र तरलता बढ्छ (सिक्केमा एट अल।, १९९५)। यो हानिकारक प्रभावको प्रतिरोध गर्न, ब्याक्टेरियाले आइसो/एन्टाइसो ब्रान्चेड-चेन फ्याटी एसिडहरू बीचको अनुपात र फ्याटी एसिड संरचना परिवर्तन गरेर र सिस-अनस्याचुरेटेड फ्याटी एसिडहरूलाई सम्बन्धित ट्रान्स-आइसोमरहरूमा आइसोमराइज गरेर झिल्लीको तरलतालाई नियमन गर्दछ (हेइपिपर र डे बोन्ट, १९९४)। नेफ्थालिन उपचारमा उब्जाइएको स्यूडोमोनास स्टुट्जेरीमा, संतृप्त देखि असंतृप्त फ्याटी एसिड अनुपात १.१ बाट २.१ सम्म बढ्यो, जबकि स्यूडोमोनास JS150 मा यो अनुपात ७.५ बाट १२.० सम्म बढ्यो (म्रोजिक एट अल।, २००४)। नेफ्थालिनमा हुर्काउँदा, अक्रोमोब्याक्टर KAs ३-५ कोषहरूले नेफ्थालिन क्रिस्टल वरिपरि कोष एकत्रीकरण र कोष सतह चार्जमा कमी (-२२.५ देखि -२.५ mV सम्म) देखाए, साइटोप्लाज्मिक संक्षेपण र भ्याकुओलाइजेसनको साथ, जसले कोष संरचना र कोष सतह गुणहरूमा परिवर्तनहरू संकेत गर्दछ (मोहापात्रा एट अल।, २०१९)। यद्यपि कोषीय/सतह परिवर्तनहरू सुगन्धित प्रदूषकहरूको राम्रो अवशोषणसँग प्रत्यक्ष रूपमा सम्बन्धित छन्, सान्दर्भिक बायोइन्जिनियरिङ रणनीतिहरू पूर्ण रूपमा अनुकूलित गरिएको छैन। जैविक प्रक्रियाहरूलाई अनुकूलन गर्न कोषीय आकारको हेरफेर विरलै प्रयोग गरिएको छ (भोल्के र निकेल, २०१८)। कोषीय विभाजनलाई असर गर्ने जीनहरूको मेटाउँदा कोषीय आकारविज्ञानमा परिवर्तनहरू हुन्छन्। कोषीय विभाजनलाई असर गर्ने जीनहरूको मेटाउँदा कोषीय आकारविज्ञानमा परिवर्तनहरू हुन्छन्। ब्यासिलस सब्टिलिसमा, कोषीय सेप्टम प्रोटीन SepF सेप्टम गठनमा संलग्न भएको देखाइएको छ र कोषीय विभाजनको पछिल्ला चरणहरूको लागि आवश्यक छ, तर यो आवश्यक जीन होइन। ब्यासिलस सब्टिलिसमा पेप्टाइड ग्लाइकन हाइड्रोलेसेस एन्कोड गर्ने जीनहरू मेटाउँदा कोशिकाको लम्बाइ, विशिष्ट वृद्धि दरमा वृद्धि र इन्जाइम उत्पादन क्षमतामा सुधार भयो (कुई एट अल।, २०१८)।
स्यूडोमोनास स्ट्रेन C5pp र C7 को कुशल गिरावट प्राप्त गर्न कार्बारिल डिग्रेडेसन मार्गको कम्पार्टमेन्टलाइजेसन प्रस्ताव गरिएको छ (कामिनी एट अल।, २०१८)। कार्बारिललाई बाहिरी झिल्ली सेप्टम र/वा डिफ्युजिबल पोरिनहरू मार्फत पेरिप्लाज्मिक स्पेसमा ढुवानी गर्ने प्रस्ताव गरिएको छ। CH एक पेरिप्लाज्मिक इन्जाइम हो जसले कार्बारिलको हाइड्रोलिसिसलाई 1-नेफ्थोलमा उत्प्रेरित गर्छ, जुन अधिक स्थिर, अधिक हाइड्रोफोबिक र अधिक विषाक्त हुन्छ। CH पेरिप्लाज्ममा स्थानीयकृत हुन्छ र कार्बारिलको लागि कम आत्मीयता हुन्छ, जसले गर्दा 1-नेफ्थोलको गठन नियन्त्रण हुन्छ, जसले गर्दा कोषहरूमा यसको संचय रोकिन्छ र कोषहरूमा यसको विषाक्तता कम हुन्छ (कामिनी एट अल।, २०१८)। परिणामस्वरूप 1-नेफ्थोललाई विभाजन र/वा प्रसार गरेर भित्री झिल्ली पार साइटोप्लाज्ममा ढुवानी गरिन्छ, र त्यसपछि केन्द्रीय कार्बन मार्गमा थप चयापचयको लागि उच्च-एफिनिटी इन्जाइम 1NH द्वारा 1,2-डाइहाइड्रोक्सीनाफ्थालिनमा हाइड्रोक्सिलेटेड गरिन्छ।
यद्यपि सूक्ष्मजीवहरूमा जेनोबायोटिक कार्बन स्रोतहरूलाई घटाउने आनुवंशिक र चयापचय क्षमताहरू छन्, तिनीहरूको उपयोगको पदानुक्रमिक संरचना (अर्थात्, जटिल कार्बन स्रोतहरू भन्दा साधारणको प्राथमिकता प्रयोग) जैविक क्षयीकरणको लागि एक प्रमुख बाधा हो। साधारण कार्बन स्रोतहरूको उपस्थिति र उपयोगले PAHs जस्ता जटिल/गैर-रुचाइएको कार्बन स्रोतहरूलाई घटाउने जीन एन्कोडिङ इन्जाइमहरूलाई कम गर्छ। राम्रोसँग अध्ययन गरिएको उदाहरण यो हो कि जब ग्लुकोज र ल्याक्टोजलाई Escherichia coli मा सह-खुवाइन्छ, ग्लुकोज ल्याक्टोज भन्दा बढी कुशलतापूर्वक प्रयोग गरिन्छ (Jacob and Monod, 1965)। स्यूडोमोनासले कार्बन स्रोतहरूको रूपमा विभिन्न PAHs र क्सीनोबायोटिक यौगिकहरूलाई घटाउने रिपोर्ट गरिएको छ। स्यूडोमोनासमा कार्बन स्रोत उपयोगको पदानुक्रम जैविक एसिड > ग्लुकोज > सुगन्धित यौगिकहरू (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996) हो। यद्यपि, त्यहाँ एक अपवाद छ। चाखलाग्दो कुरा के छ भने, स्यूडोमोनास sp. CSV86 ले एक अद्वितीय पदानुक्रमिक संरचना प्रदर्शन गर्दछ जसले ग्लुकोजको सट्टा सुगन्धित हाइड्रोकार्बन (बेन्जोइक एसिड, नेफ्थालिन, आदि) लाई प्राथमिकतामा प्रयोग गर्दछ र जैविक एसिडहरूसँग सुगन्धित हाइड्रोकार्बनलाई सह-चयापचय गर्दछ (बासु एट अल।, २००६)। यस ब्याक्टेरियममा, ग्लुकोज वा जैविक एसिड जस्ता दोस्रो कार्बन स्रोतको उपस्थितिमा पनि सुगन्धित हाइड्रोकार्बनको क्षय र ढुवानीको लागि जीनहरू डाउनरेगुलेट गरिएको देखिएन। ग्लुकोज र सुगन्धित हाइड्रोकार्बन माध्यममा हुर्काउँदा, यो देखियो कि ग्लुकोज ढुवानी र चयापचयको लागि जीनहरू डाउनरेगुलेट गरिएको थियो, पहिलो लग चरणमा सुगन्धित हाइड्रोकार्बनहरू प्रयोग गरिएको थियो, र दोस्रो लग चरणमा ग्लुकोज प्रयोग गरिएको थियो (बासु एट अल।, २००६; चौधरी एट अल।, २०१७)। अर्कोतर्फ, जैविक एसिडको उपस्थितिले सुगन्धित हाइड्रोकार्बन मेटाबोलिज्मको अभिव्यक्तिलाई असर गरेन, त्यसैले यो ब्याक्टेरियम बायोडिग्रेडेसन अध्ययनको लागि उम्मेदवार स्ट्रेन हुने अपेक्षा गरिएको छ (फले एट अल।, २०२०)।
यो कुरा सर्वविदित छ कि हाइड्रोकार्बन बायोट्रान्सफर्मेसनले सूक्ष्मजीवहरूमा अक्सिडेटिभ तनाव र एन्टिअक्सिडेन्ट इन्जाइमहरूको अपरेगुलेसन निम्त्याउन सक्छ। स्थिर चरण कोषहरूमा र विषाक्त यौगिकहरूको उपस्थितिमा अकुशल नेफ्थलिन बायोडिग्रेडेशनले प्रतिक्रियाशील अक्सिजन प्रजातिहरू (ROS) को गठन निम्त्याउँछ (Kang et al. 2006)। नेफ्थलिन-डिग्रेडिङ इन्जाइमहरूमा आइरन-सल्फर क्लस्टरहरू हुने भएकाले, अक्सिडेटिभ तनाव अन्तर्गत, हेम र आइरन-सल्फर प्रोटीनहरूमा रहेको आइरन अक्सिडाइज हुनेछ, जसले प्रोटीन निष्क्रियता निम्त्याउँछ। फेरेडोक्सिन-NADP+ रिडक्टेज (Fpr), सुपरअक्साइड डिस्म्युटेज (SOD) सँगसँगै, NADP+/NADPH र फेरेडोक्सिन वा फ्लाभोडोक्सिनका दुई अणुहरू बीचको उल्टो रेडक्स प्रतिक्रियाको मध्यस्थता गर्दछ, जसले गर्दा ROS लाई सफा गर्छ र अक्सिडेटिभ तनाव अन्तर्गत आइरन-सल्फर केन्द्र पुनर्स्थापित गर्छ (Li et al. 2006)। यो रिपोर्ट गरिएको छ कि स्यूडोमोनासमा Fpr र SodA (SOD) दुवै अक्सिडेटिभ तनावबाट प्रेरित हुन सक्छन्, र नेफ्थालिन-थपिएको अवस्थाहरूमा वृद्धिको क्रममा चार स्यूडोमोनास स्ट्रेनहरू (O1, W1, As1, र G1) मा SOD र क्याटालेज गतिविधिहरू बढेको देखियो (काङ एट अल।, २००६)। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि एस्कर्बिक एसिड वा फेरस आइरन (Fe2+) जस्ता एन्टिअक्सिडेन्टहरूको थपले नेफ्थालिनको वृद्धि दर बढाउन सक्छ। जब रोडोकोकस एरिथ्रोपोलिस नेफ्थालिन माध्यममा बढ्यो, सोडा (Fe/Mn सुपरअक्साइड डिस्मुटेज), सोडसी (Cu/Zn सुपरअक्साइड डिस्मुटेज), र रेकए सहित अक्सिडेटिभ तनाव-सम्बन्धित साइटोक्रोम P450 जीनहरूको ट्रान्सक्रिप्शन बढ्यो (साजिकिन एट अल।, २०१९)। नेफ्थालिनमा संवर्धित स्यूडोमोनास कोशिकाहरूको तुलनात्मक मात्रात्मक प्रोटियोमिक विश्लेषणले देखायो कि अक्सिडेटिभ तनाव प्रतिक्रियासँग सम्बन्धित विभिन्न प्रोटीनहरूको अपरेगुलेसन तनाव सामना गर्ने रणनीति हो (हर्बस्ट एट अल।, २०१३)।
सूक्ष्मजीवहरूले हाइड्रोफोबिक कार्बन स्रोतहरूको कार्य अन्तर्गत बायोसर्फ्याक्टेन्टहरू उत्पादन गर्ने रिपोर्ट गरिएको छ। यी सर्फ्याक्टेन्टहरू एम्फिफिलिक सतह सक्रिय यौगिकहरू हुन् जसले तेल-पानी वा हावा-पानी इन्टरफेसमा समुच्चयहरू बनाउन सक्छन्। यसले छद्म-घुलनशीलतालाई बढावा दिन्छ र सुगन्धित हाइड्रोकार्बनको सोखनालाई सहज बनाउँछ, जसको परिणामस्वरूप कुशल जैविक विघटन हुन्छ (रहमान एट अल।, २००२)। यी गुणहरूको कारणले गर्दा, बायोसर्फ्याक्टेन्टहरू विभिन्न उद्योगहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। ब्याक्टेरिया संस्कृतिहरूमा रासायनिक सर्फ्याक्टेन्टहरू वा बायोसर्फ्याक्टेन्टहरू थप्दा हाइड्रोकार्बन क्षयको दक्षता र दर बढाउन सक्छ। बायोसर्फ्याक्टेन्टहरू मध्ये, स्यूडोमोनास एरुगिनोसाद्वारा उत्पादित रमनोलिपिडहरूको व्यापक रूपमा अध्ययन र विशेषताकरण गरिएको छ (हिसात्सुका एट अल।, १९७१; रहमान एट अल।, २००२)। यसका साथै, अन्य प्रकारका बायोसर्फ्याक्टेन्टहरूमा लिपोपेप्टाइड्स (स्यूडोमोनास फ्लोरोसेन्सबाट म्युसिन), इमल्सिफायर ३७८ (स्यूडोमोनास फ्लोरोसेन्सबाट) (रोजेनबर्ग र रोन, १९९९), रोडोकोकसबाट ट्रेहलोज डिस्याकराइड लिपिड (रामडाहल, १९८५), ब्यासिलसबाट लाइकेनिन (सरस्वती र हलबर्ग, २००२), र ब्यासिलस सबटिलिसबाट सर्फ्याक्टेन्ट (सिग्मन्ड र वाग्नर, १९९१) र ब्यासिलस एमाइलोलिकेफेसिएन्स (झी एट अल।, २०१७) समावेश छन्। यी शक्तिशाली सर्फ्याक्टेन्टहरूले सतह तनावलाई ७२ डाइन/सेमी बाट ३० डाइन/सेमी भन्दा कममा घटाउने देखाइएको छ, जसले गर्दा हाइड्रोकार्बन राम्रो अवशोषण हुन्छ। यो रिपोर्ट गरिएको छ कि स्यूडोमोनास, ब्यासिलस, रोडोकोकस, बर्खोल्डेरिया र अन्य ब्याक्टेरिया प्रजातिहरूले नेफ्थालिन र मिथाइलनाफ्थालिन मिडियामा उब्जाउँदा विभिन्न राम्नोलिपिड र ग्लाइकोलिपिड-आधारित बायोसर्फ्याक्टेन्टहरू उत्पादन गर्न सक्छन् (कांगा एट अल।, १९९७; पन्टस एट अल।, २००५)। स्यूडोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 ले नेफ्थोइक एसिड (फेले एट अल।, १९९५) जस्ता सुगन्धित यौगिकहरूमा उब्जाउँदा बाह्य कोशिकीय बायोसर्फ्याक्टेन्ट बायोसुर-Pm उत्पादन गर्न सक्छ। बायोसुर-Pm गठनको गतिविज्ञानले देखायो कि यसको संश्लेषण वृद्धि- र pH-निर्भर प्रक्रिया हो। यो पत्ता लाग्यो कि तटस्थ pH मा कोशिकाहरू द्वारा उत्पादित बायोसुर-Pm को मात्रा pH 8.5 मा भन्दा बढी थियो। pH 8.5 मा उब्जाइएका कोशिकाहरू बढी हाइड्रोफोबिक थिए र pH 7.0 मा उब्जाइएका कोशिकाहरू भन्दा सुगन्धित र एलिफेटिक यौगिकहरूको लागि उच्च आत्मीयता थियो। रोडोकोकस spp मा। N6, उच्च कार्बन-नाइट्रोजन अनुपात (C:N) र फलामको सीमा बाह्य कोशिकीय बायोसर्फ्याक्टेन्टहरूको उत्पादनको लागि इष्टतम अवस्थाहरू हुन् (मुटालिक एट अल।, २००८)। स्ट्रेन र किण्वनलाई अनुकूलन गरेर बायोसर्फ्याक्टेन्टहरू (सर्फ्याक्टिनहरू) को जैवसंश्लेषण सुधार गर्ने प्रयासहरू गरिएको छ। यद्यपि, कल्चर माध्यममा सर्फ्याक्टेन्टको टाइटर कम (१.० ग्राम/लिटर) छ, जसले ठूलो मात्रामा उत्पादनको लागि चुनौती खडा गर्छ (जियाओ एट अल।, २०१७; वू एट अल।, २०१९)। त्यसैले, यसको जैवसंश्लेषण सुधार गर्न आनुवंशिक इन्जिनियरिङ विधिहरू प्रयोग गरिएको छ। यद्यपि, ओपेरोनको ठूलो आकार (~२५ kb) र कोरम सेन्सिङ प्रणालीको जटिल बायोसिंथेटिक नियमनका कारण यसको इन्जिनियरिङ परिमार्जन गाह्रो छ (जियाओ एट अल।, २०१७; वू एट अल।, २०१९)। ब्यासिलस ब्याक्टेरियामा धेरै आनुवंशिक इन्जिनियरिङ परिमार्जनहरू गरिएका छन्, जसको उद्देश्य मुख्यतया प्रमोटर (srfA operon) लाई प्रतिस्थापन गरेर सर्फ्याक्टिन उत्पादन बढाउनु, सर्फ्याक्टिन निर्यात प्रोटीन YerP र नियामक कारकहरू ComX र PhrC (Jiao et al., 2017) लाई अत्यधिक अभिव्यक्त गर्नु हो। यद्यपि, यी आनुवंशिक इन्जिनियरिङ विधिहरूले केवल एक वा केही आनुवंशिक परिमार्जनहरू मात्र हासिल गरेका छन् र अझै व्यावसायिक उत्पादनमा पुगेका छैनन्। त्यसकारण, ज्ञान-आधारित अनुकूलन विधिहरूको थप अध्ययन आवश्यक छ।
PAH बायोडिग्रेडेसन अध्ययनहरू मुख्यतया मानक प्रयोगशाला अवस्थाहरूमा गरिन्छ। यद्यपि, दूषित स्थलहरूमा वा दूषित वातावरणमा, धेरै अजैविक र जैविक कारकहरू (तापमान, pH, अक्सिजन, पोषक तत्व उपलब्धता, सब्सट्रेट जैव उपलब्धता, अन्य जेनोबायोटिक्स, अन्तिम-उत्पादन निषेध, आदि) ले सूक्ष्मजीवहरूको क्षय क्षमतालाई परिवर्तन र प्रभाव पार्ने देखाइएको छ।
तापक्रमले PAH बायोडिग्रेडेसनमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ। तापक्रम बढ्दै जाँदा, घुलित अक्सिजनको सांद्रता घट्छ, जसले एरोबिक सूक्ष्मजीवहरूको चयापचयलाई असर गर्छ, किनकि तिनीहरूलाई हाइड्रोक्सिलेसन वा रिंग क्लीभेज प्रतिक्रियाहरू गर्ने अक्सिजनेसेसहरूको लागि एक सब्सट्रेटको रूपमा आणविक अक्सिजन चाहिन्छ। यो प्रायः उल्लेख गरिएको छ कि उच्च तापक्रमले अभिभावक PAH हरूलाई थप विषाक्त यौगिकहरूमा रूपान्तरण गर्दछ, जसले गर्दा बायोडिग्रेडेसनलाई रोक्छ (मुलर एट अल।, १९९८)।
धेरै PAH दूषित साइटहरूमा अत्यधिक pH मानहरू भएको उल्लेख गरिएको छ, जस्तै एसिड खानी जल निकासी दूषित साइटहरू (pH 1-4) र क्षारीय लिचेट (pH 8-12) द्वारा दूषित प्राकृतिक ग्यास/कोइला ग्यासिफिकेशन साइटहरू। यी अवस्थाहरूले जैविक विघटन प्रक्रियालाई गम्भीर रूपमा असर गर्न सक्छन्। त्यसकारण, जैविक उपचारको लागि सूक्ष्मजीवहरू प्रयोग गर्नु अघि, क्षारीय माटोको लागि अमोनियम सल्फेट वा अमोनियम नाइट्रेट जस्ता उपयुक्त रसायनहरू (मध्यम देखि धेरै कम अक्सिडेशन-घटाउने क्षमताको साथ) थपेर वा अम्लीय साइटहरूको लागि क्याल्सियम कार्बोनेट वा म्याग्नेसियम कार्बोनेटसँग चुना लगाएर pH समायोजन गर्न सिफारिस गरिन्छ (बोलेन एट अल। 1995; गुप्ता र सार 2020)।
प्रभावित क्षेत्रमा अक्सिजन आपूर्ति PAH बायोडिग्रेडेसनको लागि दर सीमित कारक हो। वातावरणको रेडक्स अवस्थाका कारण, इन सिटु बायोरिमेडिएसन प्रक्रियाहरूलाई सामान्यतया बाह्य स्रोतहरू (टिलिंग, एयर स्पार्जिङ, र रासायनिक थप) बाट अक्सिजनको परिचय आवश्यक पर्दछ (पार्डिएक एट अल।, १९९२)। ओडेनक्रान्ज एट अल। (१९९६) ले दूषित जलचरमा म्याग्नेसियम पेरोक्साइड (अक्सिजन रिलीज गर्ने यौगिक) थप्दा BTEX यौगिकहरूलाई प्रभावकारी रूपमा बायोरिमेडिएसन गर्न सकिन्छ भनेर प्रदर्शन गरे। अर्को अध्ययनले सोडियम नाइट्रेट इन्जेक्ट गरेर र प्रभावकारी बायोरिमेडिएसन प्राप्त गर्न निकासी इनवेलहरू निर्माण गरेर दूषित जलचरमा फिनोल र BTEX को इन सिटु डिग्रेडेसनको अनुसन्धान गर्‍यो (ब्युली र वेब, २००१)।