Makala hii ni sehemu ya mada ya utafiti "Teknolojia za hali ya juu za urekebishaji wa kibiolojia na michakato ya kuchakata misombo ya kikaboni ya sintetiki (SOC). Tazama makala zote 14
Hidrokaboni zenye harufu nzuri za policycliki zenye uzito mdogo (PAHs) kama vile naphthaleni na naphthaleni zilizobadilishwa (methylnaphthaleni, asidi ya naphthoiki, 1-naphthyl-N-methylcarbamate, n.k.) hutumika sana katika tasnia mbalimbali na ni sumu ya jenasi, hubadilisha jeni na/au husababisha kansa kwa viumbe hai. Misombo hii ya kikaboni ya sintetiki (SOCs) au xenobiotics huchukuliwa kuwa vichafuzi vya kipaumbele na ni tishio kubwa kwa mazingira ya kimataifa na afya ya umma. Ukali wa shughuli za binadamu (km uongezaji wa gesi ya makaa ya mawe, kusafisha mafuta, uzalishaji wa magari na matumizi ya kilimo) huamua mkusanyiko, hatima na usafirishaji wa misombo hii inayoenea kila mahali na inayoendelea. Mbali na mbinu za matibabu/kuondoa kimwili na kemikali, teknolojia za kijani na rafiki kwa mazingira kama vile urekebishaji wa kibiolojia, ambazo hutumia vijidudu vinavyoweza kuharibu kabisa POC au kuzibadilisha kuwa bidhaa zisizo na sumu, zimeibuka kama njia mbadala salama, yenye gharama nafuu na yenye matumaini. Spishi mbalimbali za bakteria zinazotokana na phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, na Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus na Paenibacillus), na Actinobacteria (Rhodococcus na Arthrobacter) katika microbiota ya udongo zimeonyesha uwezo wa kuharibu misombo mbalimbali ya kikaboni. Uchunguzi wa kimetaboliki, jenomu, na uchambuzi wa metagenomu hutusaidia kuelewa ugumu na utofauti wa kimetaboliki uliopo katika aina hizi rahisi za maisha, ambazo zinaweza kutumika zaidi kwa ajili ya uharibifu wa kibiolojia kwa ufanisi. Uwepo wa muda mrefu wa PAH umesababisha kuibuka kwa fenotipu mpya za uharibifu kupitia uhamishaji wa jeni mlalo kwa kutumia vipengele vya kijenetiki kama vile plasmidi, transposons, bacteriophages, visiwa vya jenomu, na vipengele vya muunganiko jumuishi. Biolojia ya mifumo na uhandisi wa kijenetiki wa viumbe maalum au jamii za modeli (consortia) vinaweza kuwezesha urekebishaji kamili, wa haraka na mzuri wa kibiolojia wa PAH hizi kupitia athari za ushirikiano. Katika mapitio haya, tunazingatia njia tofauti za kimetaboliki na utofauti, muundo na utofauti wa kijenetiki, na majibu/marekebisho ya seli ya naftalini na bakteria mbadala wanaoharibu naftalini. Hii itatoa taarifa za ikolojia kwa ajili ya matumizi ya shambani na uboreshaji wa aina kwa ajili ya urekebishaji bora wa kibiolojia.
Maendeleo ya haraka ya viwanda (kemikali za petroli, kilimo, dawa, rangi za nguo, vipodozi, n.k.) yamechangia ustawi wa uchumi wa dunia na kuboresha viwango vya maisha. Maendeleo haya ya kieneo yamesababisha uzalishaji wa idadi kubwa ya misombo ya kikaboni ya sintetiki (SOCs), ambayo hutumika kutengeneza bidhaa mbalimbali. Misombo hii ya kigeni au SOCs ni pamoja na hidrokaboni aromatic za policyclic (PAHs), dawa za kuulia wadudu, dawa za kuulia magugu, plasticizers, rangi, dawa, organophosphates, vizuia moto, miyeyusho tete ya kikaboni, n.k. Hutolewa angani, mifumo ikolojia ya majini na ardhini ambapo huwa na athari nyingi, na kusababisha athari mbaya kwa bioforms mbalimbali kupitia mabadiliko ya sifa za kifizikia na kemikali na muundo wa jamii (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Vichafuzi vingi vya kunukia vina athari kubwa na za uharibifu kwenye mifumo ikolojia mingi isiyo na madhara/eneo lenye bayoanuai (km miamba ya matumbawe, shuka za barafu za Aktiki/Antarctica, maziwa ya milima mirefu, mchanga wa bahari kuu, n.k.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Uchunguzi wa hivi karibuni wa kijiomikrobiolojia umeonyesha kuwa utuaji wa vitu vya kikaboni vilivyotengenezwa (km vichafuzi vya kunukia) na viambato vyake kwenye nyuso za miundo bandia (mazingira yaliyojengwa) (km maeneo ya urithi wa kitamaduni na makaburi yaliyotengenezwa kwa granite, mawe, mbao na chuma) huharakisha uharibifu wao (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Shughuli za binadamu zinaweza kuzidisha na kuzidisha uharibifu wa kibiolojia wa makaburi na majengo kupitia uchafuzi wa hewa na mabadiliko ya hali ya hewa (Liu et al. 2020). Vichafuzi hivi vya kikaboni huguswa na mvuke wa maji angani na kutulia kwenye muundo, na kusababisha uharibifu wa kimwili na kemikali wa nyenzo. Uozo wa kibiolojia unatambuliwa sana kama mabadiliko yasiyofaa katika mwonekano na sifa za vitu vinavyosababishwa na viumbe hai vinavyoathiri uhifadhi wao (Pochon na Jaton, 1967). Kitendo zaidi cha vijidudu (umetaboli) wa misombo hii kinaweza kupunguza uadilifu wa kimuundo, ufanisi wa uhifadhi na thamani ya kitamaduni (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Kwa upande mwingine, katika baadhi ya matukio, kukabiliana na vijidudu na mwitikio wa miundo hii kumeonekana kuwa na manufaa kwani huunda biofilms na maganda mengine ya kinga ambayo hupunguza kiwango cha kuoza/kuoza (Martino, 2016). Kwa hivyo, maendeleo ya mikakati madhubuti ya uhifadhi endelevu wa muda mrefu kwa makaburi ya mawe, chuma na mbao yanahitaji uelewa wa kina wa michakato muhimu inayohusika katika mchakato huu. Ikilinganishwa na michakato ya asili (michakato ya kijiolojia, moto wa misitu, milipuko ya volkeno, athari za mimea na bakteria), shughuli za binadamu husababisha kutolewa kwa kiasi kikubwa cha hidrokaboni aromatic za policyclic (PAHs) na kaboni nyingine ya kikaboni (OC) katika mifumo ikolojia. PAH nyingi zinazotumika katika kilimo (wadudu na dawa za kuulia wadudu kama vile DDT, atrazine, carbaryl, pentachlorophenol, n.k.), viwanda (mafuta ghafi, tope/taka za mafuta, plastiki zinazotokana na petroli, PCB, viboreshaji plastiki, sabuni, viua vijidudu, viua vijidudu, manukato, manukato na vihifadhi), bidhaa za utunzaji binafsi (vifuniko vya jua, viua vijidudu, dawa za kufukuza wadudu na musk za policycliki) na risasi (vilipukaji kama vile 2,4,6-TNT) ni xenobiotics zinazoweza kuathiri afya ya sayari (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna na Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Orodha hii inaweza kupanuliwa ili kujumuisha misombo inayotokana na petroli (mafuta ya mafuta, vilainishi, asphaltenes), bioplastiki zenye uzito mkubwa wa molekuli, na vimiminika vya ioni (Amde et al., 2015). Jedwali la 1 linaorodhesha vichafuzi mbalimbali vya harufu na matumizi yake katika tasnia mbalimbali. Katika miaka ya hivi karibuni, uzalishaji wa misombo tete ya kikaboni, pamoja na kaboni dioksidi na gesi zingine za chafu, umeanza kuongezeka (Dvorak et al., 2017). Hata hivyo, athari za kibinadamu zinazidi zile za asili kwa kiasi kikubwa. Zaidi ya hayo, tuligundua kuwa idadi ya SOC zinaendelea katika mazingira mengi ya mazingira na zimetambuliwa kama vichafuzi vinavyoibuka vyenye athari mbaya kwenye biome (Mchoro 1). Mashirika ya mazingira kama vile Shirika la Ulinzi wa Mazingira la Marekani (USEPA) yamejumuisha vichafuzi hivi vingi katika orodha yao ya vipaumbele kutokana na sifa zao za sumu ya saitojeni, sumu ya jenojeni, mabadiliko ya jeni, na kusababisha kansa. Kwa hivyo, kanuni kali za utupaji taka na mikakati madhubuti ya matibabu/uondoaji wa taka kutoka kwa mifumo ikolojia iliyochafuliwa zinahitajika. Mbinu mbalimbali za matibabu ya kimwili na kemikali kama vile pyrolysis, matibabu ya joto ya oksidi, uingizaji hewa, kujaza taka, uchomaji, n.k. hazifai na ni ghali na hutoa babuzi, sumu na ni vigumu kutibu. Kwa kuongezeka kwa ufahamu wa mazingira duniani, vijidudu vinavyoweza kuharibu vichafuzi hivi na derivatives zake (kama vile halojeni, nitro, alkili na/au methili) vinavutia umakini unaoongezeka (Fennell et al., 2004; Haritash na Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Matumizi ya vijidudu hivi vya asili pekee au katika tamaduni mchanganyiko (koloni) kwa ajili ya kuondoa vichafuzi vya kunukia yana faida katika suala la usalama wa mazingira, gharama, ufanisi, ufanisi, na uendelevu. Watafiti pia wanachunguza ujumuishaji wa michakato ya vijidudu na mbinu za redoksi za kielektroniki, yaani mifumo ya kibioelectrokemikali (BES), kama teknolojia inayoahidi kwa ajili ya matibabu/uondoaji wa uchafuzi (Huang et al., 2011). Teknolojia ya BES imevutia umakini unaoongezeka kutokana na ufanisi wake wa juu, gharama ya chini, usalama wa mazingira, uendeshaji wa halijoto ya chumba, vifaa vinavyoendana na kibiolojia, na uwezo wa kurejesha bidhaa za ziada zenye thamani (km, umeme, mafuta, na kemikali) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Ujio wa mpangilio wa jenomu wa kiwango cha juu na zana/mbinu za omics umetoa taarifa nyingi mpya kuhusu udhibiti wa kijenetiki, proteomics, na fluxomics ya athari za vijidudu mbalimbali vinavyoharibika. Kuchanganya zana hizi na biolojia ya mifumo kumeongeza zaidi uelewa wetu wa uteuzi na urekebishaji wa njia za kataboliki lengwa katika vijidudu (yaani, muundo wa kimetaboliki) ili kufikia uozo wa kibiolojia wenye ufanisi na ufanisi. Ili kubuni mikakati bora ya urekebishaji wa kibiolojia kwa kutumia vijidudu vinavyofaa, tunahitaji kuelewa uwezo wa kibiokemikali, utofauti wa kimetaboliki, muundo wa kijenetiki, na ikolojia (autoecology/synecology) ya vijidudu.
Mchoro 1. Vyanzo na njia za PAH zenye molekuli ndogo kupitia mazingira mbalimbali ya mazingira na mambo mbalimbali yanayoathiri biota. Mistari yenye mistari inawakilisha mwingiliano kati ya vipengele vya mfumo ikolojia.
Katika mapitio haya, tumejaribu kufupisha data kuhusu uharibifu wa PAH rahisi kama vile naftalini na naftalini zilizobadilishwa na vijidudu mbalimbali vya bakteria vinavyofunika njia na utofauti wa kimetaboliki, vimeng'enya vinavyohusika katika uharibifu, muundo/maudhui ya jeni na utofauti, majibu ya seli na vipengele mbalimbali vya urekebishaji wa kibiolojia. Kuelewa viwango vya kibiokemikali na molekuli kutasaidia katika kutambua aina zinazofaa za mwenyeji na uhandisi wao zaidi wa kijenetiki kwa ajili ya urekebishaji bora wa kibiokemikali wa vichafuzi hivyo vya kipaumbele. Hii itasaidia katika kutengeneza mikakati ya kuanzisha kundi maalum la bakteria kwa ajili ya urekebishaji bora wa kibiokemikali.
Uwepo wa idadi kubwa ya misombo yenye sumu na hatari ya kunukia (ikitosheleza sheria ya Huckel elektroni 4n + 2π, n = 1, 2, 3, …) huleta tishio kubwa kwa vyombo mbalimbali vya mazingira kama vile hewa, udongo, mashapo, na uso na maji ya ardhini (Puglisi et al., 2007). Misombo hii ina pete moja za benzini (monocyclic) au pete nyingi za benzini (policyclic) zilizopangwa katika umbo la mstari, pembe au kundi na huonyesha utulivu (utulivu/kutokuwa na utulivu) katika mazingira kutokana na nishati hasi ya mwangwi na kutokuwepo (kutokuwepo), ambayo inaweza kuelezewa na kutokuwepo kwao na hali iliyopunguzwa. Wakati pete ya kunukia inapobadilishwa zaidi na vikundi vya methili (-CH3), kaboksili (-COOH), hidroksili (-OH), au sulfonati (-HSO3), inakuwa imara zaidi, ina mshikamano mkubwa zaidi kwa makromolekuli, na hujilimbikiza kibiolojia katika mifumo ya kibiolojia (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Baadhi ya hidrokaboni zenye kunukia zenye uzito mdogo wa molekuli (LMWAHs), kama vile naftalini na derivatives zake [methilinaftalini, asidi ya nafthoiki, naphthalenesulfonati, na 1-naphthyl N-methylcarbamate (carbaryl)], zimejumuishwa katika orodha ya vichafuzi vya kikaboni vilivyopewa kipaumbele na Shirika la Ulinzi wa Mazingira la Marekani kama vyenye sumu ya jenomu, vinaosababisha mabadiliko ya kijeni, na/au vinavyosababisha kansa (Cerniglia, 1984). Kutolewa kwa darasa hili la NM-PAHs kwenye mazingira kunaweza kusababisha mkusanyiko wa kibiolojia wa misombo hii katika viwango vyote vya mnyororo wa chakula, na hivyo kuathiri afya ya mifumo ikolojia (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Vyanzo na njia za PAHs kwa biota kimsingi ni kupitia uhamiaji na mwingiliano kati ya vipengele tofauti vya mfumo ikolojia kama vile udongo, maji ya ardhini, maji ya juu ya ardhi, mazao na angahewa (Arey na Atkinson, 2003). Mchoro 1 unaonyesha mwingiliano na usambazaji wa PAHs tofauti zenye uzito mdogo wa molekuli katika mifumo ikolojia na njia zao za kufikia mfiduo wa biota/binadamu. PAHs huwekwa kwenye nyuso kutokana na uchafuzi wa hewa na kupitia uhamiaji (msukumo) wa uzalishaji wa magari, gesi za kutolea moshi za viwandani (gesi ya makaa ya mawe, mwako na uzalishaji wa koke) na utuaji wake. Shughuli za viwandani kama vile utengenezaji wa nguo za sintetiki, rangi na rangi; uhifadhi wa mbao; usindikaji wa mpira; shughuli za utengenezaji wa saruji; uzalishaji wa dawa za kuulia wadudu; na matumizi ya kilimo ni vyanzo vikuu vya PAHs katika mifumo ya ardhini na majini (Bamforth na Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Uchunguzi umeonyesha kuwa udongo katika maeneo ya vitongoji na mijini, karibu na barabara kuu, na katika miji mikubwa huathiriwa zaidi na hidrokaboni aromatic zenye policycliki (PAH) kutokana na uzalishaji kutoka kwa mitambo ya umeme, joto la makazi, mizigo ya trafiki ya hewa na barabarani, na shughuli za ujenzi (Suman et al., 2016). (2008) ilionyesha kuwa PAH katika udongo karibu na barabara huko New Orleans, Louisiana, Marekani zilikuwa na kiwango cha juu cha 7189 μg/kg, ilhali katika nafasi wazi, zilikuwa 2404 μg/kg pekee. Vile vile, viwango vya PAH vya juu vya 300 μg/kg vimeripotiwa katika maeneo yaliyo karibu na maeneo ya gesi ya makaa ya mawe katika miji kadhaa ya Marekani (Kanaly na Harayama, 2000; Bamforth na Singleton, 2005). Udongo kutoka miji mbalimbali ya India kama vile Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni na Venkataraman, 2000) na Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) umeripotiwa kuwa na viwango vya juu vya PAH. Misombo yenye harufu nzuri hufyonzwa kwa urahisi kwenye chembe za udongo, vitu vya kikaboni na madini ya udongo, hivyo kuwa mabaki makubwa ya kaboni katika mifumo ikolojia (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Vyanzo vikuu vya PAH katika mifumo ikolojia ya majini ni mvua (mvua yenye unyevunyevu/kavu na mvuke wa maji), mtiririko wa maji mijini, maji machafu yanayotoka, maji ya ardhini yanayotiririka n.k. (Srogi, 2007). Inakadiriwa kuwa takriban 80% ya PAH katika mifumo ikolojia ya baharini hutokana na mvua, mchanga, na uchafu unaotoka (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Viwango vya juu vya PAH katika maji ya juu au uvujaji kutoka maeneo ya utupaji taka ngumu hatimaye huvuja ndani ya maji ya ardhini, na kusababisha tishio kubwa kwa afya ya umma kwani zaidi ya 70% ya wakazi Kusini na Kusini-mashariki mwa Asia hunywa maji ya ardhini (Duttagupta et al., 2019). Utafiti wa hivi karibuni uliofanywa na Duttagupta et al. (2020) wa uchambuzi wa mto (32) na maji ya ardhini (235) kutoka West Bengal, India, uligundua kuwa inakadiriwa kuwa 53% ya wakazi wa mijini na 44% ya wakazi wa vijijini (jumla ya wakazi milioni 20) wanaweza kuwa katika hatari ya kupata naftalini (4.9–10.6 μg/L) na viambato vyake. Mifumo tofauti ya matumizi ya ardhi na ongezeko la uchimbaji wa maji ya ardhini huchukuliwa kuwa sababu kuu zinazodhibiti usafirishaji wima (kuenea) kwa PAH zenye uzito mdogo wa molekuli katika maji ya chini ya ardhi. Mtiririko wa maji machafu ya kilimo, manispaa na viwandani, na uchafu/takataka ngumu umegundulika kuathiriwa na PAH katika mabonde ya mito na mchanga wa chini ya ardhi. Mvua ya angahewa huzidisha uchafuzi wa PAH. Viwango vya juu vya PAH na viambato vyake vya alkili (jumla ya 51) vimeripotiwa katika mito/viwanja vya maji duniani kote, kama vile Mto Fraser, Mto Louan, Mto Denso, Mto Missouri, Mto Anacostia, Mto Ebro, na Mto Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Katika mashapo ya bonde la Mto Ganges, naphthalene na phenanthrene zilipatikana kuwa muhimu zaidi (zilizogunduliwa katika 70% ya sampuli) (Duttagupta et al., 2019). Zaidi ya hayo, tafiti zimeonyesha kuwa klorini ya maji ya kunywa inaweza kusababisha kuundwa kwa PAH zenye sumu zaidi zenye oksijeni na klorini (Manoli na Samara, 1999). PAH hujikusanya katika nafaka, matunda na mboga mboga kutokana na kunyonywa na mimea kutoka kwenye udongo uliochafuliwa, maji ya ardhini na mvua (Fismes et al., 2002). Viumbe wengi wa majini kama vile samaki, kome, kome na kamba wamechafuliwa na PAH kupitia matumizi ya chakula na maji ya bahari yaliyochafuliwa, na pia kupitia tishu na ngozi (Mackay na Fraser, 2000). Mbinu za kupikia/kusindika kama vile kuchoma, kuchoma, kuvuta sigara, kukaanga, kukausha, kuoka na kupika mkaa pia zinaweza kusababisha kiasi kikubwa cha PAH katika chakula. Hii inategemea sana uchaguzi wa nyenzo za kuvuta sigara, kiwango cha hidrokaboni ya fenoliki/aromatic, utaratibu wa kupikia, aina ya hita, kiwango cha unyevu, usambazaji wa oksijeni na halijoto ya mwako (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Hidrokaboni zenye harufu ya polycyclic (PAHs) pia zimegunduliwa katika maziwa katika viwango tofauti (0.75–2.1 mg/L) (Girelli et al., 2014). Mkusanyiko wa PAH hizi katika chakula pia hutegemea sifa za kifizikia na kikemikali za chakula, huku athari zake za sumu zikihusiana na kazi za kifiziolojia, shughuli za kimetaboliki, unyonyaji, usambazaji na usambazaji wa mwili (Mechini et al., 2011).
Sumu na madhara ya hidrokaboni aromatiki (PAH) yamejulikana kwa muda mrefu (Cherniglia, 1984). Hidrokaboni aromatiki zenye uzito mdogo wa molekuli (LMW-PAHs) (pete mbili hadi tatu) zinaweza kushikamana kwa pamoja na makromolekuli mbalimbali kama vile DNA, RNA na protini na husababisha kansa (Santarelli et al., 2008). Kutokana na asili yao ya kutojali maji, hutenganishwa na utando wa lipidi. Kwa binadamu, monooksijeni za saitokromu P450 huoksidisha PAH hadi epoksidi, ambazo baadhi yake ni tendaji sana (km, baediol epoksidi) na zinaweza kusababisha mabadiliko ya seli za kawaida kuwa zile zenye madhara (Marston et al., 2001). Kwa kuongezea, bidhaa za mabadiliko ya PAH kama vile quinones, fenoli, epoksidi, diols, n.k. ni sumu zaidi kuliko misombo mama. Baadhi ya PAH na viambatanishi vyake vya kimetaboliki vinaweza kuathiri homoni na vimeng'enya mbalimbali katika kimetaboliki, na hivyo kuathiri vibaya ukuaji, mfumo mkuu wa neva, mifumo ya uzazi na kinga (Swetha na Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Kuathiriwa kwa muda mfupi na PAH zenye uzito mdogo wa molekuli kumeripotiwa kusababisha utendaji kazi wa mapafu na thrombosis kwa wagonjwa wa pumu na kuongeza hatari ya saratani ya ngozi, mapafu, kibofu cha mkojo na utumbo (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Uchunguzi wa wanyama pia umeonyesha kuwa kuathiriwa na PAH kunaweza kuwa na athari mbaya kwenye utendaji kazi wa uzazi na ukuaji na kunaweza kusababisha mtoto wa jicho, uharibifu wa figo na ini, na homa ya manjano. Bidhaa mbalimbali za ubadilishanaji wa kibiolojia wa PAH kama vile diols, epoxides, quinones na free radicals (cations) zimeonyeshwa kuunda viambatanisho vya DNA. Vijidudu imara vimeonyeshwa kubadilisha mitambo ya urudufishaji wa DNA, ilhali vijidudu visivyo imara vinaweza kuondoa uchafu wa DNA (hasa kuwa adenine na wakati mwingine kuwa guanine); vyote vinaweza kutoa makosa ambayo husababisha mabadiliko ya mabadiliko (Schweigert et al. 2001). Zaidi ya hayo, quinones (benzo-/pan-) zinaweza kutoa spishi tendaji za oksijeni (ROS), na kusababisha uharibifu mbaya kwa DNA na makromolekuli zingine, na hivyo kuathiri utendaji kazi/uwezo wa tishu (Ewa na Danuta 2017). Kuathiriwa kwa muda mrefu na viwango vya chini vya pyrene, bifenili na naftalini kumeripotiwa kusababisha saratani kwa wanyama wa majaribio (Diggs et al. 2012). Kutokana na sumu yao hatari, usafi/uondoaji wa PAH hizi kutoka maeneo yaliyoathiriwa/yaliyochafuliwa ni kipaumbele.
Mbinu mbalimbali za kimwili na kemikali zimetumika kuondoa PAH kutoka maeneo/mazingira yaliyochafuliwa. Michakato kama vile kuchoma, kuondoa klorini, oksidi ya UV, uwekaji, na uchimbaji wa kiyeyusho ina hasara nyingi, ikiwa ni pamoja na uundaji wa bidhaa zenye sumu, ugumu wa mchakato, masuala ya usalama na udhibiti, ufanisi mdogo, na gharama kubwa. Hata hivyo, uharibifu wa vijidudu (unaoitwa bioremediation) ni mbinu mbadala inayoahidi ambayo inahusisha matumizi ya vijidudu katika mfumo wa tamaduni au makoloni safi. Ikilinganishwa na mbinu za kimwili na kemikali, mchakato huu ni rafiki kwa mazingira, hauvamizi, una gharama nafuu, na ni endelevu. Bioremediation inaweza kufanywa katika eneo lililoathiriwa (katika eneo) au katika eneo lililoandaliwa maalum (ex situ) na kwa hivyo inachukuliwa kuwa njia endelevu zaidi ya urekebishaji kuliko mbinu za kitamaduni za kimwili na kemikali (Juhasz na Naidu, 2000; Andreoni na Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Kuelewa hatua za kimetaboliki ya vijidudu zinazohusika katika uharibifu wa vichafuzi vya kunukia kuna athari kubwa za kisayansi na kiuchumi kwa uendelevu wa kiikolojia na kimazingira. Inakadiriwa kuwa gramu 2.1×1018 za kaboni (C) huhifadhiwa katika mashapo na misombo ya kikaboni (yaani, mafuta, gesi asilia, na makaa ya mawe, yaani, mafuta ya visukuku) duniani kote, na kutoa mchango mkubwa kwa mzunguko wa kaboni duniani. Hata hivyo, ukuaji wa haraka wa viwanda, uchimbaji wa mafuta ya visukuku, na shughuli za binadamu zinamaliza hifadhi hizi za kaboni za lithospheric, na kutoa takriban gramu 5.5×1015 za kaboni ya kikaboni (kama vichafuzi) angani kila mwaka (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Sehemu kubwa ya kaboni hii ya kikaboni huingia katika mifumo ikolojia ya ardhini na baharini kupitia mchanga, usafirishaji, na mtiririko wa maji. Kwa kuongezea, vichafuzi vipya vya sintetiki vinavyotokana na mafuta ya visukuku, kama vile plastiki, viboreshaji plastiki na vidhibiti vya plastiki (ftalati na isomers zao), huchafua sana mifumo ikolojia ya baharini, udongo na majini na biota zao, na hivyo kuzidisha hatari za hali ya hewa duniani. Aina mbalimbali za plastiki ndogo, nanoplastiki, vipande vya plastiki na bidhaa zake zenye sumu za monoma zinazotokana na polyethilini tereftalati (PET) zimekusanyika katika Bahari ya Pasifiki kati ya Amerika Kaskazini na Asia ya Kusini-mashariki, na kutengeneza "Kiraka Kikubwa cha Takataka cha Pasifiki", na kudhuru viumbe vya baharini (Newell et al., 2020). Uchunguzi wa kisayansi umethibitisha kwamba haiwezekani kuondoa uchafuzi/taka hizo kwa njia yoyote ya kimwili au kemikali. Katika muktadha huu, vijidudu muhimu zaidi ni vile vinavyoweza kumeng'enya vichafuzi kwa njia ya oksidi kuwa dioksidi kaboni, nishati ya kemikali na bidhaa zingine zisizo na sumu ambazo hatimaye huingia katika michakato mingine ya mzunguko wa virutubisho (H, O, N, S, P, Fe, n.k.). Kwa hivyo, kuelewa ikolojia ya vijidudu ya madini ya uchafuzi wa aromatiki na udhibiti wake wa mazingira ni muhimu kwa kutathmini mzunguko wa kaboni wa vijidudu, bajeti halisi ya kaboni na hatari za hali ya hewa za siku zijazo. Kwa kuzingatia hitaji la haraka la kuondoa misombo kama hiyo kutoka kwa mazingira, tasnia mbalimbali za ikolojia zinazozingatia teknolojia safi zimeibuka. Vinginevyo, uthamini wa taka/kemikali taka za viwandani zilizokusanywa katika mifumo ikolojia (yaani mbinu ya taka hadi utajiri) unachukuliwa kama moja ya nguzo za uchumi wa mviringo na malengo ya maendeleo endelevu (Close et al., 2012). Kwa hivyo, kuelewa vipengele vya kimetaboliki, kimeng'enya na kijenetiki vya wagombea hawa wa uharibifu ni muhimu sana kwa uondoaji na urekebishaji bora wa vichafuzi hivyo vya harufu.
Miongoni mwa vichafuzi vingi vya kunukia, tunatilia maanani sana PAH zenye uzito mdogo wa molekuli kama vile naftalini na naftalini zilizobadilishwa. Misombo hii ni vipengele vikuu vya mafuta yanayotokana na petroli, rangi za nguo, bidhaa za watumiaji, dawa za kuua wadudu (viuadudu vya nondo na dawa za kuua wadudu), viboreshaji plastiki na tanini na kwa hivyo vimeenea katika mifumo mingi ya ikolojia (Preuss et al., 2003). Ripoti za hivi karibuni zinaonyesha mkusanyiko wa viwango vya naftalini katika mashapo ya maji, ardhi ya chini ya ardhi na udongo wa chini ya ardhi, maeneo ya vadose na vitanda vya mito, na kupendekeza mkusanyiko wake wa kibiolojia katika mazingira (Duttagupta et al., 2019, 2020). Jedwali la 2 linatoa muhtasari wa sifa za kifizikia, matumizi na athari za kiafya za naftalini na derivatives zake. Ikilinganishwa na PAH zingine zenye uzito mkubwa wa molekuli, naftalini na derivatives zake hazina maji mengi, huyeyuka zaidi katika maji na zimesambazwa sana katika mifumo ya ikolojia, kwa hivyo mara nyingi hutumiwa kama substrates za mfano kusoma metaboli, jeni na utofauti wa kimetaboliki wa PAH. Idadi kubwa ya vijidudu vinaweza kumeng'enya naftalini na viambato vyake, na taarifa kamili zinapatikana kuhusu njia zao za kimetaboliki, vimeng'enya na vipengele vya udhibiti (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Zaidi ya hayo, naftalini na viambato vyake vimeteuliwa kama misombo ya mfano kwa ajili ya tathmini ya uchafuzi wa mazingira kutokana na wingi wao mkubwa na upatikanaji wa kibiolojia. Shirika la Ulinzi wa Mazingira la Marekani linakadiria kuwa viwango vya wastani vya naftalini ni 5.19 μg kwa kila mita ya ujazo kutoka kwa moshi wa sigara, hasa kutokana na mwako usiokamilika, na 7.8 hadi 46 μg kutoka kwa moshi wa kando, huku mfiduo wa creosote na naftalini ukiongezeka mara 100 hadi 10,000 (Preuss et al. 2003). Hasa naftalini imegundulika kuwa na sumu ya kupumua na kusababisha saratani kwa spishi, eneo, na jinsia. Kulingana na tafiti za wanyama, Shirika la Kimataifa la Utafiti wa Saratani (IARC) limeainisha naphthalene kama "kansa inayowezekana kwa binadamu" (Kundi la 2B)1. Kuambukizwa na naphthalene mbadala, hasa kwa kuvuta pumzi au kwa mdomo, husababisha jeraha la tishu za mapafu na huongeza matukio ya uvimbe wa mapafu kwa panya na panya (Programu ya Kitaifa ya Toksiolojia 2). Athari kali ni pamoja na kichefuchefu, kutapika, maumivu ya tumbo, kuhara, maumivu ya kichwa, kuchanganyikiwa, kutokwa na jasho jingi, homa, tachycardia, n.k. Kwa upande mwingine, dawa ya kuua wadudu ya carbamate yenye wigo mpana carbaryl (1-naphthyl N-methylcarbamate) imeripotiwa kuwa na sumu kwa wanyama wasio na uti wa mgongo wa majini, amfibia, nyuki wa asali na wanadamu na imeonyeshwa kuzuia asetilikolinesterase na kusababisha kupooza (Smulders et al., 2003; Bulen na Distel, 2011). Kwa hivyo, kuelewa mifumo ya uharibifu wa vijidudu, udhibiti wa kijenetiki, athari za kimeng'enya na seli ni muhimu kwa ajili ya kuendeleza mikakati ya kurekebisha hali ya hewa katika mazingira yaliyochafuliwa.
Jedwali 2. Taarifa za kina kuhusu sifa za kifizikia, matumizi, mbinu za utambuzi na magonjwa yanayohusiana ya naphthalene na derivatives zake.
Katika sehemu zilizochafuliwa, uchafuzi wa aromatiki unaosababishwa na maji na lipofili unaweza kusababisha athari mbalimbali za seli kwenye vijidudu vya mazingira (jamii), kama vile mabadiliko katika umwagiliaji wa utando, upenyezaji wa utando, uvimbe wa tabaka mbili za lipidi, usumbufu wa uhamishaji wa nishati (mnyororo wa usafirishaji wa elektroni/nguvu ya motisha ya protoni), na shughuli za protini zinazohusiana na utando (Sikkema et al., 1995). Kwa kuongezea, baadhi ya vitu vya kati vinavyoyeyuka kama vile katekesi na quinones hutoa spishi tendaji za oksijeni (ROS) na kuunda viambato vyenye DNA na protini (Penning et al., 1999). Kwa hivyo, wingi wa misombo kama hiyo katika mifumo ikolojia hutoa shinikizo la kuchagua kwa jamii za vijidudu ili kuwa viharibifu vyenye ufanisi katika viwango mbalimbali vya kisaikolojia, ikiwa ni pamoja na ufyonzaji/usafirishaji, mabadiliko ya ndani ya seli, ufyonzaji/utumiaji, na ugawaji wa sehemu.
Utafutaji wa Mradi wa Hifadhidata ya Ribosomal-II (RDP-II) ulionyesha kuwa jumla ya spishi 926 za bakteria zilitengwa kutoka kwa tamaduni za media au utajiri zilizochafuliwa na naphthalene au derivatives yake. Kundi la Proteobacteria lilikuwa na idadi kubwa zaidi ya wawakilishi (n = 755), ikifuatiwa na Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), na bakteria ambazo hazijaainishwa (8) (Mchoro 2). Wawakilishi wa γ-Proteobacteria (Pseudomonadales na Xanthomonadales) walitawala vikundi vyote vya Gram-hasi vyenye kiwango cha juu cha G+C (54%), huku Clostridiales na Bacillales (30%) vikiwa vikundi vya Gram-chanya vyenye kiwango cha chini cha G+C. Pseudomonas (idadi kubwa zaidi, spishi 338) ziliripotiwa kuwa na uwezo wa kuharibu naphthalene na viambato vyake vya methili katika mifumo ikolojia mbalimbali iliyochafuliwa (lami ya makaa ya mawe, petroli, mafuta ghafi, tope, kumwagika kwa mafuta, maji machafu, taka za kikaboni na madampo ya taka) na pia katika mifumo ikolojia isiyo na madhara (udongo, mito, mashapo na maji ya ardhini) (Mchoro 2). Zaidi ya hayo, tafiti za uboreshaji na uchambuzi wa metagenomiki wa baadhi ya maeneo haya zilionyesha kuwa spishi za Legionella na Clostridium ambazo hazijakuzwa zinaweza kuwa na uwezo wa kuharibika, ikionyesha hitaji la kukuza bakteria hawa ili kusoma njia mpya na utofauti wa kimetaboliki.
Mchoro 2. Utofauti wa taksonomiki na usambazaji wa kiikolojia wa wawakilishi wa bakteria katika mazingira yaliyochafuliwa na naftalini na derivatives za naftalini.
Miongoni mwa vijidudu mbalimbali vinavyoharibu hidrokaboni yenye harufu nzuri, vingi vina uwezo wa kuharibu naftalini kama chanzo pekee cha kaboni na nishati. Mfuatano wa matukio yanayohusika katika umetaboli wa naftalini umeelezewa kwa Pseudomonas sp. (aina: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 na CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 na aina zingine (ND6 na AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis na Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Kimetaboliki huanzishwa na dioksijeni yenye vipengele vingi [naphthalene dioksijeni (NDO), dioksijeni inayotoa hidroksijeni kwenye pete] ambayo huchochea oksijeni ya moja ya pete zenye harufu nzuri za naphthalene kwa kutumia oksijeni ya molekuli kama sehemu nyingine, na kuibadilisha naphthalene kuwa cis-naphthalenediol (Mchoro 3). Cis-dihydrodiol hubadilishwa kuwa 1,2-dihydroksinaphthalene kwa dehydrogenase. Dioksijeni inayopasuka pete, 1,2-dihydroxynaphthalene dioksijeni (12DHNDO), hubadilisha 1,2-dihydroxynaphthalene kuwa asidi ya kaboksili ya 2-hydroxychromene-2. Isomerization ya cis-trans ya kimeng'enya hutoa trans-o-hydroxybenzylidenepyruvate, ambayo hupasuliwa na hydratase aldolase kuwa salicylic aldehyde na pyruvate. Asidi ya kikaboni pyruvate ilikuwa kiwanja cha kwanza cha C3 kilichotokana na mifupa ya kaboni ya naphthalene na kuelekezwa kwenye njia kuu ya kaboni. Zaidi ya hayo, salicylaldehyde dehydrogenase inayotegemea NAD+ hubadilisha salicylaldehyde kuwa asidi ya salicylic. Kimetaboliki katika hatua hii inaitwa "njia ya juu" ya uharibifu wa naphthalene. Njia hii ni ya kawaida sana katika bakteria wengi wanaoharibu naphthalene. Hata hivyo, kuna tofauti chache; kwa mfano, katika Bacillus hamburgii 2 inayopenda joto, uharibifu wa naphthalene huanzishwa na naphthalene. 2,3-dioksijeni kuunda 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Mchoro 3. Njia za naphthaleni, methili naphthaleni, asidi ya nafthoiki, na uharibifu wa kabarili. Nambari zilizozungushiwa zinawakilisha vimeng'enya vinavyohusika na ubadilishaji mfuatano wa naphthaleni na derivatives zake kuwa bidhaa zinazofuata. 1 — naphthaleni dioksijeni (NDO); 2, cis-dihydrodiol dehydrogenase; 3, 1,2-dihydroksinaphthaleni dioksijeni; 4, 2-hydroksikromene-2-carboksiliki asidi isomerase; 5, trans-O-hydroksibenzylidenepyruvate hydratase aldolase; 6, salicylaldehyde dehydrogenase; 7, salicylate 1-hydroxylase; 8, katekesi 2,3-dioksijeni (C23DO); 9, 2-hydroksimuconate semialdehyde dehydrogenase; 10, 2-oxopent-4-enoate hydratase; 11, 4-hydroksi-2-oxopentanoate aldolase; 12, asetaldehidehidehidehidrojenisi; 13, katekulo-1,2-dioksijenisi (C12DO); 14, muconate cycloisomerase; 15, muconolaktoni delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenollaktoni hydrolase; 17, β-ketoadipate succinyl-CoA transferase; 18, β-ketoadipate-CoA thiolase; 19, succinyl-CoA: asetili-CoA succinyltransferase; 20, salicylate 5-hydroxylase; 21 - gentisate 1,2-dioksijenisi (GDO); 22, maleylpyruvate isomerase; 23, fumarylpyruvate hydrolase; 24, methylnaphthalene hydroxylase (NDO); 25, hydroxymethylnaphthalene dehydrogenase; 26, naphthaldehidehidehidrojenisi; 27, oksidasi ya asidi ya formylsalicylic 3; 28, hydroxyisophthalate dekarboksilasi; 29, kabaryl hidrolesi (CH); 30, 1-naphthol-2-hidroksilasi.
Kulingana na kiumbe na muundo wake wa kijenetiki, asidi ya salicylic inayotokana huchanganuliwa zaidi kupitia njia ya katekesi kwa kutumia salicylate 1-hydroxylase (S1H) au kupitia njia ya gentisate kwa kutumia salicylate 5-hydroxylase (S5H) (Mchoro 3). Kwa kuwa asidi ya salicylic ndiyo kiunga kikuu cha kati katika umetaboli wa naphthalene (njia ya juu), hatua kutoka kwa asidi ya salicylic hadi kiunga cha kati cha TCA mara nyingi hujulikana kama njia ya chini, na jeni zimepangwa katika opereni moja. Ni kawaida kuona kwamba jeni katika opereni ya juu ya njia (nah) na opereni ya chini ya njia (sal) zinadhibitiwa na vipengele vya kawaida vya udhibiti; kwa mfano, NahR na asidi ya salicylic hufanya kazi kama vichochezi, kuruhusu opereni zote mbili kuchanganua naphthalene kabisa (Phale et al., 2019, 2020).
Kwa kuongezea, katekesi hupasuliwa kwa mzunguko hadi 2-hydroxymuconate semialdehyde kupitia njia ya meta na katekesi 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) na huongezwa hidrolisisi zaidi na 2-hydroxymuconate semialdehyde hydrolase ili kuunda 2-hydroxypent-2,4-dienoic acid. 2-hydroxypent-2,4-dienoate kisha hubadilishwa kuwa pyruvate na asetaldehyde na hydratase (2-oxopent-4-enoate hydratase) na aldolase (4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase) na kisha huingia kwenye njia ya kati ya kaboni (Mchoro 3). Vinginevyo, katekesi hupasuliwa kwa mzunguko hadi cis,cis-muconate kupitia njia ya ortho na katekesi 1,2-oxygenase (C12DO). Cycloisomerase ya Muconate, isomerase ya muconolactone, na hydrolase ya β-ketoadipate-nollactone hubadilisha cis, cis-muconate kuwa 3-oxoadipate, ambayo huingia kwenye njia kuu ya kaboni kupitia succinyl-CoA na asetili-CoA (Nozaki et al., 1968) (Mchoro 3).
Katika njia ya gentisate (2,5-dihydroxybenzoate), pete ya kunukia hupasuliwa na gentisate 1,2-dioxygenase (GDO) ili kuunda maleylpyruvate. Bidhaa hii inaweza kuhidrolisisi moja kwa moja ili kuiva na kuiva, au inaweza kuinuliwa ili kuunda fumarylpyruvate, ambayo inaweza kuhidrolisisi ili kuiva na kuiva (Larkin na Day, 1986). Chaguo la njia mbadala limeonekana katika bakteria wa Gram-hasi na Gram-chanya katika viwango vya kibiokemikali na kijenetiki (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Bakteria wa Gram-hasi (Pseudomonas) wanapendelea kutumia asidi ya salicylic, ambayo ni kichocheo cha umetaboli wa naphthalene, ikiiondoa kaboksilisheni hadi katekesi kwa kutumia salicylate 1-hydroxylase (Gibson na Subramanian, 1984). Kwa upande mwingine, katika bakteria ya Gram-chanya (Rhodococcus), salicylate 5-hydroxylase hubadilisha asidi ya salicylic kuwa asidi ya gentisic, ilhali asidi ya salicylic haina athari ya kuchochea kwenye unukuzi wa jeni za naphthalene (Grund et al., 1992) (Mchoro 3).
Imeripotiwa kwamba spishi kama vile Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas na spishi za Mycobacterium zinaweza kuharibu monomethylnaphthalene au dimethylnaphthalene (Dean-Raymond na Bartha, 1975; Cane na Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Miongoni mwao, njia ya uharibifu wa 1-methylnaphthalene na 2-methylnaphthalene ya Pseudomonas sp. CSV86 imesomwa wazi katika viwango vya kibiokemikali na kimeng'enya (Mahajan et al., 1994). 1-Methylnaphthalene huchanganyika kupitia njia mbili. Kwanza, pete yenye harufu nzuri hubadilishwa kuwa hidroksili (pete isiyobadilishwa ya methylnaphthalene) ili kuunda cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydro-8-methylnaphthalene, ambayo huongezwa zaidi kuwa methyl salicylate na methylcatechol, na kisha huingia kwenye njia ya kati ya kaboni baada ya mgawanyiko wa pete (Mchoro 3). Njia hii inaitwa "njia ya chanzo cha kaboni". Katika "njia ya pili ya kuondoa sumu", kundi la methyl linaweza kuondolewa hidroksili na NDO ili kuunda 1-hydroxymethylnaphthalene, ambayo huongezwa zaidi kuwa asidi ya naphthoiki 1 na kutolewa kwenye njia ya utamaduni kama bidhaa isiyo na mwisho. Uchunguzi umeonyesha kuwa aina ya CSV86 haiwezi kukua kwenye asidi ya naphthoiki 1 na 2 kama chanzo pekee cha kaboni na nishati, ikithibitisha njia yake ya kuondoa sumu (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Katika 2-methylnaphthalene, kundi la methyl hupitia hidroksilisheni kwa hidroksilisheni ili kuunda 2-hydroksilishenimethnaphthalene. Zaidi ya hayo, pete isiyobadilishwa ya pete ya naphthalene hupitia hidroksilisheni ya pete ili kuunda dihydrodiol, ambayo huoksidishwa kuwa 4-hydroksilishenimethkatekulo katika mfululizo wa athari zinazochochewa na kimeng'enya na huingia kwenye njia ya kati ya kaboni kupitia njia ya mgawanyiko wa meta-ring. Vile vile, S. paucimobilis 2322 iliripotiwa kutumia NDO kwa hidroksilisheni 2-methylnaphthalene, ambayo huoksidishwa zaidi ili kuunda methyl salicylate na methylcatechol (Dutta et al., 1998).
Asidi za Nafthoiki (zilizobadilishwa/zisizobadilishwa) ni bidhaa za kuondoa sumu mwilini/ubadilishaji wa kibiolojia zinazoundwa wakati wa uharibifu wa methylnaphthalene, phenanthrene na anthracene na kutolewa kwenye njia ya kilimo iliyotumika. Imeripotiwa kwamba Stenotrophomonas maltophilia CSV89 inayotenganisha udongo inaweza kumetaboli asidi ya nafthoiki 1 kama chanzo cha kaboni (Phale et al., 1995). Umetaboli huanza na dihidroksilisheni ya pete ya kunukia ili kuunda 1,2-dihidroksi-8-carboxynaphthalene. Dioli inayotokana huoksidishwa hadi katekesi kupitia 2-hidroksi-3-carboksibenzilidenepyruvate, asidi ya 3-formylsalicylic, asidi ya 2-hydroksiisophthaliki na asidi ya salicylic na huingia kwenye njia ya kati ya kaboni kupitia njia ya mgawanyiko wa meta-ring (Mchoro 3).
Carbaryl ni dawa ya kuua wadudu aina ya naphthyl carbamate. Tangu Mapinduzi ya Kijani nchini India katika miaka ya 1970, matumizi ya mbolea za kemikali na dawa za kuua wadudu yamesababisha ongezeko la uzalishaji wa hidrokaboni aromatic aromatic (PAH) kutoka kwa vyanzo vya kilimo visivyo na uhakika (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Inakadiriwa kuwa 55% (hekta 85,722,000) ya jumla ya ardhi ya kilimo nchini India inatibiwa na dawa za kuua wadudu za kemikali. Katika kipindi cha miaka mitano iliyopita (2015–2020), sekta ya kilimo ya India imetumia wastani wa tani 55,000 hadi 60,000 za dawa za kuua wadudu kila mwaka (Idara ya Ushirika na Ustawi wa Wakulima, Wizara ya Kilimo, Serikali ya India, Agosti 2020). Katika tambarare za kaskazini na kati za Gangetic (majimbo yenye idadi kubwa zaidi ya watu na msongamano wa watu), matumizi ya dawa za kuua wadudu kwenye mazao yameenea, huku dawa za kuua wadudu zikitawala. Carbaryl (1-naphthyl-N-methylcarbamate) ni dawa ya kuua wadudu aina ya carbamate yenye wigo mpana, yenye sumu ya wastani hadi kali inayotumika katika kilimo cha India kwa wastani wa tani 100–110. Kwa kawaida huuzwa chini ya jina la biashara la Sevin na hutumika kudhibiti wadudu (vidukari, mchwa wa moto, viroboto, utitiri, buibui na wadudu wengine wengi wa nje) wanaoathiri mazao mbalimbali (mahindi, soya, pamba, matunda na mboga). Baadhi ya vijidudu kama vile Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus na Arthrobacter pia vinaweza kutumika kudhibiti wadudu wengine. Imeripotiwa kwamba RC100 inaweza kuharibu kabarili (Larkin na Day, 1986; Chapalamadugu na Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha na Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Njia ya uharibifu wa kabarili imesomwa kwa kina katika viwango vya kibiokemikali, kimeng'enya na kijenetiki katika vijidudu vya udongo vya Pseudomonas sp. Matatizo C4, C5 na C6 (Swetha na Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Mchoro 3). Njia ya kimetaboliki huanza na hidrolisisi ya kifungo cha esta na kabarili hidrolase (CH) ili kuunda 1-naphthol, methiliamini na dioksidi kaboni. Kisha naphthol 1 hubadilishwa kuwa 1,2-dihydroxynaphthalene na 1-naphthol hydroxylase (1-NH2), ambayo huchanganuliwa zaidi kupitia njia ya kati ya kaboni kupitia salicylate na gentisate. Baadhi ya bakteria wanaoharibu kabarili wameripotiwa kuibadilisha kuwa asidi ya salicylic kupitia mgawanyiko wa pete ya catechol ortho (Larkin na Day, 1986; Chapalamadugu na Chaudhry, 1991). Ikumbukwe kwamba, bakteria wanaoharibu naphthalene kimsingi huchanganua asidi ya salicylic kupitia catechol, ilhali bakteria wanaoharibu kabarili hupendelea kuchanganua asidi ya salicylic kupitia njia ya gentisate.
Asidi ya Naphthalenesulfoniki/asidi ya disulfoniki na derivatives ya asidi ya naphthylaminesulfoniki zinaweza kutumika kama wa kati katika uzalishaji wa rangi za azo, mawakala wa kulowesha, visambazaji, n.k. Ingawa misombo hii ina sumu kidogo kwa binadamu, tathmini za sumu ya saitojeniki zimeonyesha kuwa ni hatari kwa samaki, daphnia na mwani (Greim et al., 1994). Wawakilishi wa jenasi Pseudomonas (aina A3, C22) wameripotiwa kuanzisha kimetaboliki kwa hidroksili maradufu ya pete ya aromatiki iliyo na kundi la asidi ya sulfonic ili kuunda dihydrodiol, ambayo hubadilishwa zaidi kuwa 1,2-dihydroksinaphthaleni kwa mgawanyiko wa hiari wa kundi la sulfite (Brilon et al., 1981). 1,2-dihydroksinaphthaleni inayotokana hubadilishwa kupitia njia ya naphthaleniki ya kitamaduni, yaani, njia ya katekesi au gentisate (Mchoro 4). Imeonyeshwa kuwa asidi ya aminonaphthalenesulfoniki na asidi ya hidroksinaphthalenesulfoniki zinaweza kuharibiwa kabisa na mchanganyiko wa bakteria pamoja na njia za ziada za kataboliki (Nortemann et al., 1986). Imeonyeshwa kuwa mwanachama mmoja wa muungano huondoa sulfuri kwenye asidi ya aminonaphthalenesulfoniki au asidi ya hidroksinaphthalenesulfoniki kwa 1,2-dioxygenation, huku aminosalicylate au hidroksisaliti ikitolewa kwenye njia ya uundaji kama metaboliti isiyo na mwisho na baadaye inachukuliwa na wanachama wengine wa muungano. Asidi ya Naphthalenedisulfoniki ni ya polar lakini haiwezi kuoza vizuri na kwa hivyo inaweza kumeng'enywa kupitia njia tofauti. Kuondoa sulfuriki kwa mara ya kwanza hutokea wakati wa dihydroxylation ya kuchagua regio ya pete ya aromatic na kundi la asidi ya sulfonic; Uondoaji wa salfa wa pili hutokea wakati wa hidroksili ya asidi 5-sulfosalicylic na asidi ya salicylic 5-hidroksili ili kuunda asidi ya gentisiki, ambayo huingia kwenye njia kuu ya kaboni (Brilon et al., 1981) (Mchoro 4). Vimeng'enya vinavyohusika na uharibifu wa naphthaleni pia vinahusika na umetaboli wa naphthaleni sulfonate (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Mchoro 4. Njia za kimetaboliki za uharibifu wa naphthalene sulfonate. Nambari zilizo ndani ya miduara zinawakilisha vimeng'enya vinavyohusika na kimetaboliki ya naphthalene sulfonate, sawa/sawa na vimeng'enya vilivyoelezwa katika Mchoro 3.
PAH zenye uzito mdogo wa molekuli (LMW-PAH) zinaweza kupunguzwa, haziogopi maji na haziyeyuki vizuri, na kwa hivyo haziwezi kuathiriwa na uharibifu/uharibifu wa asili. Hata hivyo, vijidudu vya aerobic vinaweza kuioksidisha kwa kunyonya oksijeni ya molekuli (O2). Vimeng'enya hivi hasa ni vya kundi la vioksidishaji na vinaweza kufanya athari mbalimbali kama vile hidroksilisheni ya pete ya aromatic (mono- au dihidroksilisheni), uondoaji wa hidrojeni na mgawanyiko wa pete ya aromatic. Bidhaa zinazopatikana kutokana na athari hizi ziko katika hali ya juu ya oksidi na huchanganyika kwa urahisi zaidi kupitia njia kuu ya kaboni (Phale et al., 2020). Vimeng'enya katika njia ya uharibifu vimeripotiwa kuwa haviwezi kusababishwa. Shughuli ya vimeng'enya hivi ni ndogo sana au ndogo wakati seli zinapokua kwenye vyanzo rahisi vya kaboni kama vile glukosi au asidi kikaboni. Jedwali la 3 linatoa muhtasari wa vimeng'enya mbalimbali (oksijeni, hidrolesi, dehidrojeni, oksidasi, n.k.) vinavyohusika katika umetaboli wa naphthalene na derivatives zake.
Jedwali 3. Sifa za kibiolojia za vimeng'enya vinavyohusika na uharibifu wa naphthaleni na viambato vyake.
Uchunguzi wa radioisotopu (18O2) umeonyesha kuwa kuingizwa kwa molekuli O2 kwenye pete za kunukia na oksijeniasi ni hatua muhimu zaidi katika kuamsha uharibifu zaidi wa kibiolojia wa kiwanja (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Kuingizwa kwa atomi moja ya oksijeni (O) kutoka kwa oksijeni ya molekuli (O2) kwenye substrate huanzishwa na monooxygenases za ndani au za nje (pia huitwa hydroxylases). Atomu nyingine ya oksijeni hupunguzwa kuwa maji. Monooxygenases za nje hupunguza flavini na NADH au NADPH, ilhali katika endomonooxygenases flavini hupunguzwa na substrate. Nafasi ya hidroksili husababisha utofauti katika uundaji wa bidhaa. Kwa mfano, salicylate 1-hydroxylase hidroksiliti asidi salicylic katika nafasi ya C1, na kutengeneza katekesi. Kwa upande mwingine, salicylate 5-hidroksilasi yenye vipengele vingi (yenye reductase, ferredoksini, na subunits za oksijeni) hidroksilasi asidi salicylic katika nafasi ya C5, na kutengeneza asidi ya gentisic (Yamamoto et al., 1965).
Dioksijeni hujumuisha atomi mbili za O2 kwenye substrate. Kulingana na bidhaa zinazoundwa, zimegawanywa katika dioksijeni za pete hidroksilati na dioksijeni zinazokata pete. Dioksijeni za pete hidroksilati hubadilisha substrate za aromati kuwa cis-dihydrodiols (km, naphthalene) na zimeenea miongoni mwa bakteria. Hadi sasa, imeonyeshwa kuwa viumbe vyenye dioksijeni za pete hidroksilati vinaweza kukua kwenye vyanzo mbalimbali vya kaboni yenye aromati, na vimeng'enya hivi vimeainishwa kama NDO (naphthalene), toluini dioksijeni (TDO, toluini), na biphenyl dioksijeni (BPDO, biphenyl). NDO na BPDO zote zinaweza kuchochea oksidasheni maradufu na hidroksilisheni ya mnyororo wa kando ya hidrokaboni mbalimbali za aromatic za policycliki (toluini, nitrotoluini, xylene, ethylbenzene, naphthalene, bifenili, fluorene, indole, methylnaphthalene, naphthalenesulfonate, phenanthrene, anthracene, asetophenoni, n.k.) (Boyd na Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO ni mfumo wa vipengele vingi unaojumuisha oksidoreductase, ferredoxin, na sehemu inayofanya kazi yenye oksijeni (Gibson na Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Kitengo cha kichocheo cha NDO kina kitengo kidogo cha α na kitengo kidogo cha β kilichopangwa katika usanidi wa α3β3. NDO ni ya familia kubwa ya oksijeni na α-subunit yake ina eneo la Rieske [2Fe-2S] na chuma kisicho na heme chenye nyuklia moja, ambacho huamua umaalumu wa substrate ya NDO (Parales et al., 1998). Kwa kawaida, katika mzunguko mmoja wa kichocheo, elektroni mbili kutoka kwa upunguzaji wa nyukleotidi ya pyridine huhamishiwa kwenye ioni ya Fe(II) katika eneo linalofanya kazi kupitia reductase, ferredoxin na eneo la Rieske. Vipimo vya kupunguza huamsha oksijeni ya molekuli, ambayo ni sharti la dihidroksilisheni ya substrate (Ferraro et al., 2005). Hadi sasa, ni NDO chache tu ambazo zimesafishwa na kutambuliwa kwa undani kutoka kwa aina tofauti na udhibiti wa kijenetiki wa njia zinazohusika katika uharibifu wa naphthaleni umesomwa kwa undani (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Dioksijenisi zinazokata pete (endo- au ortho-ring-cleaving-enzymes na exodiol- au meta-ring-cleaving-enzymes) hufanya kazi kwenye misombo ya aromatiki iliyotiwa hidroksi. Kwa mfano, dioksijenisi inayokata pete ya ortho-ring ni catechol-1,2-dioxygenase, ilhali dioksijenisi inayokata pete ya meta-ring ni catechol-2,3-dioxygenase (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Mbali na oksijenisi mbalimbali, pia kuna dehydrogenasisi mbalimbali zinazohusika na uondoaji wa hidrojenisi za aromatiki, alkoholi na aldehidi na kutumia NAD+/NADP+ kama vipokezi vya elektroni, ambavyo ni baadhi ya vimeng'enya muhimu vinavyohusika katika umetaboli (Gibson na Subramanian, 1984; Shaw na Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Vimeng'enya kama vile hydrolases (esterases, amidases) ni kundi la pili muhimu la vimeng'enya vinavyotumia maji kutenganisha vifungo vya kovalenti na kuonyesha umaalum mpana wa substrate. Carbaryl hydrolase na hydrolases zingine huchukuliwa kuwa vipengele vya periplasm (transmembrane) katika viambato vya bakteria hasi ya Gram (Kamini et al., 2018). Carbaryl ina muunganisho wa amide na esta; kwa hivyo, inaweza kuhidrolisisiwa na esterase au amidase ili kuunda 1-naphthol. Carbaryl katika Rhizobium rhizobium strain AC10023 na Arthrobacter strain RC100 imeripotiwa kufanya kazi kama esterase na amidase, mtawalia. Carbaryl katika Arthrobacter strain RC100 pia hufanya kazi kama amidase. RC100 imeonyeshwa kuhidrolisisi dawa nne za kuua wadudu za darasa la N-methylcarbamate kama vile kabarili, methomyl, asidi ya mefenamic na XMC (Hayaatsu et al., 2001). Iliripotiwa kuwa CH katika Pseudomonas sp. C5pp inaweza kutenda kwenye kabarili (shughuli ya 100%) na 1-naphthyl acetate (shughuli ya 36%), lakini si kwenye 1-naphthylacetamide, ikionyesha kuwa ni esterase (Trivesi et al., 2016).
Uchunguzi wa kibiolojia, mifumo ya udhibiti wa vimeng'enya, na uchambuzi wa kijenetiki umeonyesha kuwa jeni za uharibifu wa naphthaleni zinajumuisha vitengo viwili vya udhibiti vinavyoweza kutolewa au "opereni": nah ("njia ya juu", inayobadilisha naphthaleni kuwa asidi ya salicylic) na sal ("njia ya chini", inayobadilisha asidi ya salicylic kuwa njia kuu ya kaboni kupitia katekesi). Asidi ya salicylic na analogi zake zinaweza kufanya kazi kama vichochezi (Shamsuzzaman na Barnsley, 1974). Mbele ya glukosi au asidi za kikaboni, opereni hukandamizwa. Mchoro 5 unaonyesha mpangilio kamili wa kijenetiki wa uharibifu wa naphthaleni (katika umbo la opereni). Aina/aina kadhaa zilizotajwa za jeni la nah (ndo/pah/dox) zimeelezewa na kupatikana kuwa na homolojia ya mfuatano wa juu (90%) miongoni mwa spishi zote za Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Jeni za njia ya juu ya naphthaleni kwa ujumla zilipangwa kwa mpangilio wa makubaliano kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5A. Jeni nyingine, nahQ, pia iliripotiwa kuhusika katika metaboli ya naphthalene na kwa kawaida ilikuwa kati ya nahC na nahE, lakini kazi yake halisi bado haijafafanuliwa. Vile vile, jeni la nahY, linalohusika na kemotaxis nyeti kwa naphthalene, lilipatikana katika mwisho wa mbali wa operoni ya nah katika baadhi ya wanachama. Katika Ralstonia sp., jeni la U2 linalosimba glutathione S-transferase (gsh) lilipatikana kuwa kati ya nahAa na nahAb lakini halikuathiri sifa za matumizi ya naphthalene (Zylstra et al., 1997).
Mchoro 5. Mpangilio na utofauti wa kijenetiki unaoonekana wakati wa uharibifu wa naphthaleni miongoni mwa spishi za bakteria; (A) Njia ya juu ya naphthaleni, umetaboli wa naphthaleni hadi asidi ya salicylic; (B) Njia ya chini ya naphthaleni, asidi ya salicylic kupitia katekesi hadi njia ya kati ya kaboni; (C) asidi ya salicylic kupitia gentisate hadi njia ya kati ya kaboni.
"Njia ya chini" (sal operon) kwa kawaida huwa na nahGTHINLMOKJ na hubadilisha salicylate kuwa pyruvate na asetaldehide kupitia njia ya mgawanyiko wa catechol metaring. Jeni la nahG (linaloandika salicylate hydroxylase) lilipatikana kuwa limehifadhiwa kwenye ncha ya karibu ya operon (Mchoro 5B). Ikilinganishwa na aina zingine zinazoharibu naphthalene, katika P. putida CSV86 operon za nah na sal zina uhusiano wa karibu sana (karibu 7.5 kb). Katika baadhi ya bakteria hasi ya Gram, kama vile Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, na P. putida AK5, naphthalene hutengenezwa kama metabolite kuu ya kaboni kupitia njia ya gentisate (katika umbo la sgp/nag operon). Kaseti ya jeni kwa kawaida huwakilishwa katika umbo la nagAaGHabAcAdBFCQEDJI, ambapo nagR (inayosimba kidhibiti cha aina ya LysR) iko kwenye ncha ya juu (Mchoro 5C).
Kabaryl huingia katika mzunguko mkuu wa kaboni kupitia umetaboli wa 1-naphthol, 1,2-dihydroxynaphthalene, asidi ya salicylic, na asidi ya gentisiki (Mchoro 3). Kulingana na tafiti za kijenetiki na kimetaboliki, imependekezwa kugawanya njia hii katika "juu" (uongofu wa kabaryl kuwa asidi ya salicylic), "katikati" (uongofu wa asidi ya salicylic kuwa asidi ya gentisiki), na "juu" (uongofu wa asidi ya gentisiki kuwa njia ya kati ya kaboni) (Singh et al., 2013). Uchambuzi wa jenomu wa C5pp (supercontig A, 76.3 kb) ulionyesha kuwa jeni la mcbACBDEF linahusika katika ubadilishaji wa kabarili kuwa asidi ya salicylic, ikifuatiwa na mcbIJKL katika ubadilishaji wa asidi ya salicylic kuwa asidi ya gentisic, na mcbOQP katika ubadilishaji wa asidi ya gentisic kuwa kati ya kaboni kuu (fumarate na pyruvate, Trivedi et al., 2016) (Mchoro 6).
Imeripotiwa kwamba vimeng'enya vinavyohusika katika uharibifu wa hidrokaboni zenye harufu nzuri (ikiwa ni pamoja na naftalini na asidi ya salicylic) vinaweza kuchochewa na misombo inayolingana na kuzuiwa na vyanzo rahisi vya kaboni kama vile glukosi au asidi za kikaboni (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Miongoni mwa njia mbalimbali za kimetaboliki za naftalini na derivatives zake, sifa za udhibiti za naftalini na kabarili zimesomwa kwa kiasi fulani. Kwa naftalini, jeni katika njia zote mbili za juu na chini zinadhibitiwa na NahR, kidhibiti chanya kinachofanya kazi kwa njia ya LysR. Inahitajika kwa ajili ya kuanzishwa kwa jeni la nah na asidi ya salicylic na usemi wake wa kiwango cha juu unaofuata (Yen na Gunsalus, 1982). Zaidi ya hayo, tafiti zimeonyesha kuwa kipengele cha mshirikishi (IHF) na XylR (kidhibiti cha unukuzi kinachotegemea sigma 54) pia ni muhimu kwa uanzishaji wa unukuzi wa jeni katika metaboli ya naftalini (Ramos et al., 1997). Uchunguzi umeonyesha kwamba vimeng'enya vya njia ya ufunguzi wa pete ya catechol, yaani catechol 2,3-dioxygenase, husababishwa mbele ya naphthalene na/au asidi ya salicylic (Basu et al., 2006). Uchunguzi umeonyesha kwamba vimeng'enya vya njia ya ufunguzi wa pete ya catechol ortho, yaani catechol 1,2-dioxygenase, husababishwa mbele ya asidi ya benzoiki na cis,cis-muconate (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Katika aina ya C5pp, jeni tano, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR na mcbS, husimba vidhibiti vya familia ya LysR/TetR ya vidhibiti vya unukuzi vinavyohusika na kudhibiti uharibifu wa kabarili. Jeni la mcbG linalofanana lilipatikana kuwa na uhusiano wa karibu zaidi na kidhibiti cha aina ya LysR PhnS (utambulisho wa amino asidi 58%) kinachohusika katika metaboli ya phenanthrene katika Burkholderia RP00725 (Trivesi et al., 2016). Jeni la mcbH lilipatikana kuwa linahusika katika njia ya kati (ubadilishaji wa asidi ya salicylic kuwa asidi ya gentisic) na ni la kidhibiti cha unukuzi cha aina ya LysR NagR/DntR/NahR katika Pseudomonas na Burkholderia. Wanachama wa familia hii waliripotiwa kutambua asidi ya salicylic kama molekuli maalum ya athari kwa ajili ya uingizaji wa jeni za uharibifu. Kwa upande mwingine, jeni tatu, mcbN, mcbR na mcbS, zinazomilikiwa na vidhibiti vya unukuzi vya aina ya LysR na TetR, zilitambuliwa katika njia ya chini (metaboliti za njia ya kaboni ya gentisate-central).
Katika prokariyoti, michakato ya uhamishaji wa jeni mlalo (upatikanaji, ubadilishanaji, au uhamishaji) kupitia plasmidi, transposoni, profaji, visiwa vya jenomu, na vipengele vya muunganiko jumuishi (ICE) ni sababu kuu za ubadilikaji wa umbo katika jenomu za bakteria, na kusababisha kupata au kupoteza utendaji/sifa maalum. Inaruhusu bakteria kuzoea haraka hali tofauti za mazingira, na kutoa faida zinazowezekana za kimetaboliki zinazoweza kubadilika kwa mwenyeji, kama vile uharibifu wa misombo ya aromatiki. Mabadiliko ya kimetaboliki mara nyingi hupatikana kupitia urekebishaji mzuri wa opereoni za uharibifu, mifumo yao ya udhibiti, na upekee wa kimeng'enya, ambayo hurahisisha uharibifu wa aina mbalimbali za misombo ya aromatiki (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Kaseti za jeni za uharibifu wa naftalini zimepatikana kuwa ziko kwenye vipengele mbalimbali vinavyohama kama vile plasmidi (muunganiko na visivyo muunganiko), transposoni, jenomu, ICE, na michanganyiko ya spishi tofauti za bakteria (Mchoro 5). Katika Pseudomonas G7, opereni za nah na sal za plasmid NAH7 zimenakiliwa katika mwelekeo mmoja na ni sehemu ya transposon yenye kasoro ambayo inahitaji transposase Tn4653 kwa ajili ya uhamaji (Sota et al., 2006). Katika aina ya Pseudomonas NCIB9816-4, jeni ilipatikana kwenye plasmid pDTG1 inayoungana kama opereni mbili (takriban kb 15 mbali) ambazo zilinakiliwa katika pande tofauti (Dennis na Zylstra, 2004). Katika aina ya Pseudomonas putida AK5, plasmid pAK5 isiyoungana husimba kimeng'enya kinachohusika na uharibifu wa naphthalene kupitia njia ya gentisate (Izmalkova et al., 2013). Katika aina ya Pseudomonas PMD-1, operoni ya nah iko kwenye kromosomu, ilhali operoni ya sal iko kwenye plasmidi ya pMWD-1 inayounganishwa (Zuniga et al., 1981). Hata hivyo, katika Pseudomonas stutzeri AN10, jeni zote za uharibifu wa naphthalene (nah na operoni za sal) ziko kwenye kromosomu na huenda huajiriwa kupitia mabadiliko, uunganishaji upya, na matukio ya kupanga upya (Bosch et al., 2000). Katika Pseudomonas sp. CSV86, operoni za nah na sal ziko kwenye jenomu katika umbo la ICE (ICECSV86). Muundo unalindwa na tRNAGly ikifuatiwa na marudio ya moja kwa moja yanayoonyesha maeneo ya kuungana/kuunganisha (attR na attL) na integrase inayofanana na phage iliyoko pande zote mbili za tRNAGly, hivyo inafanana kimuundo na kipengele cha ICEclc (ICEclcB13 katika Pseudomonas knackmusii kwa uharibifu wa klorokatekulo). Imeripotiwa kwamba jeni kwenye ICE zinaweza kuhamishwa kwa kuunganishwa kwa masafa ya chini sana ya uhamisho (10-8), na hivyo kuhamisha sifa za uharibifu kwa mpokeaji (Basu na Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Jeni nyingi zinazohusika na uharibifu wa kabarili ziko kwenye plasmidi. Arthrobacter sp. RC100 ina plasmidi tatu (pRC1, pRC2 na pRC300) ambapo plasmidi mbili zinazounganishwa, pRC1 na pRC2, husimba vimeng'enya vinavyobadilisha kabarili kuwa gentisate. Kwa upande mwingine, vimeng'enya vinavyohusika katika ubadilishaji wa gentisate kuwa metaboliti kuu za kaboni ziko kwenye kromosomu (Hayaatsu et al., 1999). Bakteria wa jenasi Rhizobium. Aina ya AC100, inayotumika kwa ubadilishaji wa kabarili kuwa 1-naphthol, ina pAC200 ya plasmidi, ambayo hubeba jeni la cehA linalosimba CH kama sehemu ya transposon ya Tnceh iliyozungukwa na mfuatano kama wa elementi za kuingiza (istA na istB) (Hashimoto et al., 2002). Katika aina ya Sphingomonas CF06, jeni la uharibifu wa kabarili linaaminika kuwapo katika plasmidi tano: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, na pCF05. Uwiano wa DNA wa plasmidi hizi ni mkubwa, ikionyesha kuwepo kwa tukio la kurudia jeni (Feng et al., 1997). Katika symbiont inayoharibika ya kabarili inayoundwa na spishi mbili za Pseudomonas, aina 50581 ina plasmidi inayounganishwa pCD1 (50 kb) inayosimba jeni la mcd carbaryl hydrolase, ilhali plasmidi inayounganishwa katika aina 50552 husimba kimeng'enya cha 1-naphthol-degrading (Chapalamadugu na Chaudhry, 1991). Katika aina ya Achromobacter WM111, jeni la mcd furadan hydrolase liko kwenye plasmidi ya 100 kb (pPDL11). Jeni hili limeonyeshwa kuwepo kwenye plasmidi tofauti (100, 105, 115 au 124 kb) katika bakteria tofauti kutoka maeneo tofauti ya kijiografia (Parekh et al., 1995). Katika Pseudomonas sp. C5pp, jeni zote zinazohusika na uharibifu wa kabaryari ziko katika jenomu yenye urefu wa kb 76.3 (Trivesi et al., 2016). Uchambuzi wa jenomu (6.15 Mb) ulionyesha uwepo wa MGE 42 na GEI 36, ambapo MGE 17 zilipatikana katika supercontig A (76.3 kb) zenye wastani wa kiwango cha G+C kisicho na ulinganifu (54–60 mol%), ikipendekeza uwezekano wa matukio ya uhamishaji wa jeni mlalo (Trivesi et al., 2016). P. putida XWY-1 inaonyesha mpangilio sawa wa jeni zinazoharibu kabaryari, lakini jeni hizi ziko kwenye plasmidi (Zhu et al., 2019).
Mbali na ufanisi wa kimetaboliki katika viwango vya kibiokemikali na jenomu, vijidudu pia huonyesha sifa au majibu mengine kama vile kemotiksi, sifa za urekebishaji wa uso wa seli, ugawaji wa sehemu, matumizi ya upendeleo, uzalishaji wa kibiosurfaktanti, n.k., ambayo huwasaidia kumetaboli vichafuzi vya harufu katika mazingira yaliyochafuliwa kwa ufanisi zaidi (Mchoro 7).
Mchoro 7. Mikakati tofauti ya mwitikio wa seli ya bakteria bora inayoharibu hidrokaboni yenye harufu nzuri kwa ajili ya uharibifu wa kibiolojia wa misombo ya uchafuzi wa kigeni kwa ufanisi.
Majibu ya kemotaktiki yanachukuliwa kuwa sababu zinazoongeza uharibifu wa vichafuzi vya kikaboni katika mifumo ikolojia iliyochafuliwa sana. (2002) ilionyesha kuwa kemotaktiki ya Pseudomonas sp. G7 hadi naphthalene iliongeza kiwango cha uharibifu wa naphthalene katika mifumo ya majini. Aina ya mwituni ya G7 iliharibu naphthalene haraka zaidi kuliko aina ya mutant isiyo na kemotaktiki. Protini ya NahY (asidi amino 538 zenye topolojia ya utando) iligundulika kuwa imeunganishwa pamoja na jeni za njia ya metacleavage kwenye plasmidi ya NAH7, na kama vibadilishaji vya kemotaktiki, protini hii inaonekana kufanya kazi kama kipokezi cha kemotaktiki kwa uharibifu wa naphthalene (Grimm na Harwood 1997). Utafiti mwingine uliofanywa na Hansel et al. (2009) ulionyesha kuwa protini hiyo ni ya kemotaktiki, lakini kiwango chake cha uharibifu ni cha juu. (2011) alionyesha mwitikio wa kemotaktiki wa Pseudomonas (P. putida) kwa naphthalene yenye gesi, ambapo usambazaji wa awamu ya gesi ulisababisha mtiririko thabiti wa naphthalene hadi kwenye seli, ambao ulidhibiti mwitikio wa kemotaktiki wa seli. Watafiti walitumia tabia hii ya kemotaktiki kwa uhandisi wa vijidudu ambavyo vingeongeza kiwango cha uharibifu. Uchunguzi umeonyesha kuwa njia za kemotaktiki pia hudhibiti kazi zingine za seli kama vile mgawanyiko wa seli, udhibiti wa mzunguko wa seli, na uundaji wa biofilm, na hivyo kusaidia kudhibiti kiwango cha uharibifu. Hata hivyo, kutumia sifa hii (kemotaxis) kwa uharibifu mzuri kunazuiwa na vikwazo kadhaa. Vikwazo vikuu ni: (a) vipokezi tofauti vya paralogous hutambua misombo/ligandi sawa; (b) uwepo wa vipokezi mbadala, yaani, tropism ya nishati; (c) tofauti kubwa za mfuatano katika nyanja za hisia za familia moja ya vipokezi; na (d) ukosefu wa taarifa kuhusu protini kuu za vihisi vya bakteria (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Wakati mwingine, uozo wa kibiolojia wa hidrokaboni zenye harufu nzuri hutoa metaboli/viungo vingi, ambavyo vinaweza kuwa vya kemikali kwa kundi moja la bakteria lakini vikawa vya kuchukiza kwa wengine, na hivyo kuzidisha ugumu wa mchakato. Ili kutambua mwingiliano wa ligandi (hidrokaboni zenye harufu nzuri) na vipokezi vya kemikali, tuliunda protini za vihisi mseto (PcaY, McfR, na NahY) kwa kuchanganya vikoa vya vihisi na ishara vya Pseudomonas putida na Escherichia coli, ambavyo vinalenga vipokezi vya asidi za kunukia, viungo vya kati vya TCA, na naphthalene, mtawalia (Luu et al., 2019).
Chini ya ushawishi wa naphthaleni na hidrokaboni nyingine za aromatic za policycliki (PAHs), muundo wa utando wa bakteria na uadilifu wa vijidudu hupitia mabadiliko makubwa. Uchunguzi umeonyesha kuwa naphthaleni huingilia mwingiliano wa mnyororo wa asili kupitia mwingiliano wa hidrofobi, na hivyo kuongeza uvimbe na utelezi wa utando (Sikkema et al., 1995). Ili kukabiliana na athari hii mbaya, bakteria hudhibiti utelezi wa utando kwa kubadilisha uwiano na muundo wa asidi ya mafuta kati ya asidi ya mafuta yenye mnyororo wa iso/anteiso na asidi ya mafuta isiyojaa ya cis inayoisoma kuwa trans-isomers zinazolingana (Heipieper na de Bont, 1994). Katika Pseudomonas stutzeri iliyopandwa wakati wa matibabu ya naphthaleni, uwiano wa asidi ya mafuta iliyojaa hadi isiyojaa uliongezeka kutoka 1.1 hadi 2.1, ilhali katika Pseudomonas JS150 uwiano huu uliongezeka kutoka 7.5 hadi 12.0 (Mrozik et al., 2004). Zilipokuzwa kwenye naphthalene, seli 3-5 za Achromobacter KA zilionyesha mkusanyiko wa seli kuzunguka fuwele za naphthalene na kupungua kwa chaji ya uso wa seli (kutoka -22.5 hadi -2.5 mV) ikiambatana na mgandamizo wa saitoplazimu na uvukizaji, ikionyesha mabadiliko katika muundo wa seli na sifa za uso wa seli (Mohapatra et al., 2019). Ingawa mabadiliko ya seli/uso yanahusishwa moja kwa moja na ufyonzaji bora wa vichafuzi vya kunukia, mikakati husika ya uhandisi wa kibiolojia haijaboreshwa kabisa. Udhibiti wa umbo la seli haujatumika mara chache kuboresha michakato ya kibiolojia (Volke na Nikel, 2018). Kufutwa kwa jeni zinazoathiri mgawanyiko wa seli husababisha mabadiliko katika umbo la seli. Kufutwa kwa jeni zinazoathiri mgawanyiko wa seli husababisha mabadiliko katika umbo la seli. Katika Bacillus subtilis, protini ya septamu ya seli SepF imeonyeshwa kuhusika katika uundaji wa septamu na inahitajika kwa hatua zinazofuata za mgawanyiko wa seli, lakini si jeni muhimu. Kufutwa kwa jeni zinazosimba peptidi glycan hydrolases katika Bacillus subtilis kulisababisha kurefuka kwa seli, kuongezeka kwa kiwango maalum cha ukuaji, na uwezo bora wa uzalishaji wa vimeng'enya (Cui et al., 2018).
Ugawaji wa njia ya uharibifu wa kabarili umependekezwa ili kufikia uharibifu mzuri wa aina za Pseudomonas C5pp na C7 (Kamini et al., 2018). Inapendekezwa kwamba kabarili isafirishwe hadi kwenye nafasi ya periplasmic kupitia septamu ya utando wa nje na/au kupitia porini zinazosambazwa. CH ni kimeng'enya cha periplasmic kinachochochea hidrolisisi ya kabarili hadi 1-naphthol, ambayo ni imara zaidi, haidrofobi zaidi na yenye sumu zaidi. CH imewekwa ndani ya periplasm na ina mshikamano mdogo kwa kabarili, hivyo kudhibiti uundaji wa 1-naphthol, na hivyo kuzuia mkusanyiko wake katika seli na kupunguza sumu yake kwa seli (Kamini et al., 2018). 1-naphthol inayotokana husafirishwa hadi saitoplazimu kupitia utando wa ndani kwa kugawanya na/au kusambaa, na kisha hubadilishwa kuwa 1,2-dihydroxynaphthalene na kimeng'enya cha juu cha 1NH kwa ajili ya kimetaboliki zaidi katika njia kuu ya kaboni.
Ingawa vijidudu vina uwezo wa kijenetiki na kimetaboliki wa kuharibu vyanzo vya kaboni vya xenobiotic, muundo wa kihierarkia wa matumizi yao (yaani, matumizi ya upendeleo wa vyanzo rahisi vya kaboni kuliko tata) ni kikwazo kikubwa cha kuoza kwa viumbe hai. Uwepo na matumizi ya vyanzo rahisi vya kaboni hupunguza udhibiti wa jeni zinazosimba vimeng'enya vinavyoharibu vyanzo tata/visivyopendelewa vya kaboni kama vile PAH. Mfano uliosomwa vizuri ni kwamba wakati glukosi na laktosi vinalishwa pamoja na Escherichia coli, glukosi hutumika kwa ufanisi zaidi kuliko laktosi (Jacob na Monod, 1965). Pseudomonas imeripotiwa kuharibu aina mbalimbali za PAH na misombo ya xenobiotic kama vyanzo vya kaboni. Mpangilio wa matumizi ya vyanzo vya kaboni katika Pseudomonas ni asidi kikaboni > glukosi > misombo ya kunukia (Hylemon na Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Hata hivyo, kuna ubaguzi. Cha kufurahisha, Pseudomonas sp. CSV86 inaonyesha muundo wa kipekee wa kihierarkia ambao hutumia hidrokaboni zenye harufu nzuri (asidi ya benzoiki, naftalini, n.k.) badala ya glukosi na huchanganyika pamoja na hidrokaboni zenye harufu nzuri na asidi za kikaboni (Basu et al., 2006). Katika bakteria hii, jeni za uharibifu na usafirishaji wa hidrokaboni zenye harufu nzuri hazijapunguzwa hata mbele ya chanzo cha pili cha kaboni kama vile glukosi au asidi za kikaboni. Zilipokuzwa katika glukosi na hidrokaboni zenye harufu nzuri, ilibainika kuwa jeni za usafirishaji na umetaboli wa glukosi zilipunguzwa, hidrokaboni zenye harufu nzuri zilitumika katika awamu ya kwanza ya kumbukumbu, na glukosi ilitumika katika awamu ya pili ya kumbukumbu (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Kwa upande mwingine, uwepo wa asidi za kikaboni haukuathiri usemi wa umetaboli wa hidrokaboni yenye harufu nzuri, kwa hivyo bakteria hii inatarajiwa kuwa aina inayoweza kupendekezwa kwa tafiti za uharibifu wa kibiolojia (Phale et al., 2020).
Inajulikana vyema kwamba mabadiliko ya kibiolojia ya hidrokaboni yanaweza kusababisha msongo wa oksidi na kuongezeka kwa vimeng'enya vya antioxidant katika vijidudu. Uharibifu wa kibiolojia wa naphthaleni katika seli za awamu zisizosimama na mbele ya misombo yenye sumu husababisha uundaji wa spishi tendaji za oksijeni (ROS) (Kang et al. 2006). Kwa kuwa vimeng'enya vinavyoharibu naphthaleni vina makundi ya chuma-sulfuri, chini ya msongo wa oksidi, chuma katika protini za heme na chuma-sulfuri zitaoksidishwa, na kusababisha kusitishwa kwa protini. Ferredoxin-NADP+ reductase (Fpr), pamoja na superoxide dismutase (SOD), hupatanisha mmenyuko wa redoksi unaoweza kurekebishwa kati ya NADP+/NADPH na molekuli mbili za ferredoxin au flavodoksini, na hivyo kuondoa ROS na kurejesha kituo cha chuma-sulfuri chini ya msongo wa oksidi (Li et al. 2006). Imeripotiwa kwamba Fpr na SodA (SOD) zote mbili katika Pseudomonas zinaweza kusababishwa na msongo wa oksidi, na ongezeko la shughuli za SOD na katalasi lilionekana katika aina nne za Pseudomonas (O1, W1, As1, na G1) wakati wa ukuaji chini ya hali zilizoongezwa naftalani (Kang et al., 2006). Uchunguzi umeonyesha kuwa kuongezwa kwa vioksidishaji kama vile asidi askobiki au chuma cha feri (Fe2+) kunaweza kuongeza kiwango cha ukuaji wa naftalani. Rhodococcus erythropolis ilipokua katika hali ya naftalani, unukuzi wa jeni za saitokromu P450 zinazohusiana na msongo wa oksidi ikiwa ni pamoja na sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase), na recA uliongezeka (Sazykin et al., 2019). Uchambuzi wa kulinganisha wa protini za kiasi wa seli za Pseudomonas zilizokuzwa katika naphthalene ulionyesha kuwa kuongezeka kwa protini mbalimbali zinazohusiana na mwitikio wa mfadhaiko wa oksidi ni mkakati wa kukabiliana na mfadhaiko (Herbst et al., 2013).
Vijidudu vimeripotiwa kutoa viuatilifu vya kibiolojia chini ya ushawishi wa vyanzo vya kaboni visivyo na maji. Viuatilifu hivi ni misombo hai ya uso wa amfifili ambayo inaweza kuunda mkusanyiko kwenye kiolesura cha mafuta-maji au maji ya hewa. Hii inakuza umumunyifu bandia na kuwezesha ufyonzwaji wa hidrokaboni zenye kunukia, na kusababisha uharibifu mzuri wa kibiolojia (Rahman et al., 2002). Kutokana na sifa hizi, viuatilifu vya kibiolojia hutumika sana katika tasnia mbalimbali. Kuongezwa kwa viuatilifu vya kemikali au viuatilifu vya kibiolojia kwenye tamaduni za bakteria kunaweza kuongeza ufanisi na kiwango cha uharibifu wa hidrokaboni. Miongoni mwa viuatilifu vya kibiolojia, rhamnolipidi zinazozalishwa na Pseudomonas aeruginosa zimesomwa kwa kina na kuainishwa (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Zaidi ya hayo, aina nyingine za biosurfactants ni pamoja na lipopeptides (mucins kutoka Pseudomonas fluorescens), emulsifier 378 (kutoka Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg na Ron, 1999), lipids za trehalose disaccharide kutoka Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenin kutoka Bacillus (Saraswathy na Hallberg, 2002), na surfactant kutoka Bacillus subtilis (Siegmund na Wagner, 1991) na Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Surfactants hizi zenye nguvu zimeonyeshwa kupunguza mvutano wa uso kutoka 72 dynes/cm hadi chini ya 30 dynes/cm, na kuruhusu unyonyaji bora wa hidrokaboni. Imeripotiwa kwamba Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia na spishi zingine za bakteria zinaweza kutoa biosurfactants mbalimbali zenye msingi wa rhamnolipidi na glycolipidi zinapokuzwa katika vyombo vya habari vya naphthalene na methylnaphthalene (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 inaweza kutoa biosurfactant ya nje ya seli Biosur-Pm inapokuzwa kwenye misombo ya aromatic kama vile asidi ya naphthoic (Phale et al., 1995). Kinetiki ya uundaji wa Biosur-Pm ilionyesha kuwa usanisi wake ni mchakato unaotegemea ukuaji na pH. Ilibainika kuwa kiasi cha Biosur-Pm kinachozalishwa na seli kwenye pH isiyo na upande wowote kilikuwa cha juu kuliko kile cha pH 8.5. Seli zilizokuzwa kwenye pH 8.5 zilikuwa na hidrofobi zaidi na zilikuwa na mshikamano mkubwa kwa misombo ya aromatic na alifatiki kuliko seli zilizokuzwa kwenye pH 7.0. Katika Rhodococcus spp. N6, uwiano wa juu wa kaboni hadi nitrojeni (C:N) na kikomo cha chuma ni hali bora kwa ajili ya uzalishaji wa biosurfactants za nje ya seli (Mutalik et al., 2008). Majaribio yamefanywa ili kuboresha usanisi wa biosurfactants (surfactins) kwa kuboresha aina na uchachushaji. Hata hivyo, kiwango cha surfactant katika njia ya kilimo ni cha chini (1.0 g/L), ambacho hutoa changamoto kwa uzalishaji mkubwa (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Kwa hivyo, mbinu za uhandisi wa kijenetiki zimetumika kuboresha usanisi wake wa bio. Hata hivyo, marekebisho yake ya uhandisi ni magumu kutokana na ukubwa mkubwa wa operon (∼25 kb) na udhibiti tata wa biosynthetic wa mfumo wa kuhisi quorum (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Marekebisho kadhaa ya uhandisi wa kijenetiki yamefanywa katika bakteria ya Bacillus, hasa yakilenga kuongeza uzalishaji wa surfaktini kwa kuchukua nafasi ya kichocheo (srfA operon), kuongeza kiwango cha juu cha protini ya usafirishaji wa surfaktini YerP na vipengele vya udhibiti ComX na PhrC (Jiao et al., 2017). Hata hivyo, mbinu hizi za uhandisi wa kijenetiki zimefanikisha marekebisho moja au machache ya kijenetiki na bado hazijafikia uzalishaji wa kibiashara. Kwa hivyo, utafiti zaidi wa mbinu za uboreshaji unaotegemea maarifa ni muhimu.
Uchunguzi wa uharibifu wa kibiolojia wa PAH hufanywa zaidi chini ya hali ya kawaida ya maabara. Hata hivyo, katika maeneo yaliyochafuliwa au katika mazingira yaliyochafuliwa, vipengele vingi vya kibiolojia na kibiolojia (joto, pH, oksijeni, upatikanaji wa virutubisho, upatikanaji wa kibiolojia wa substrate, xenobiotics nyingine, kizuizi cha bidhaa ya mwisho, n.k.) vimeonyeshwa kubadilisha na kushawishi uwezo wa uharibifu wa vijidudu.
Halijoto ina athari kubwa kwenye uozo wa PAH. Halijoto inapoongezeka, mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa hupungua, ambayo huathiri umetaboli wa vijidudu vya aerobic, kwani vinahitaji oksijeni ya molekuli kama moja ya viambato vya oksijeni vinavyofanya athari za hidroksili au mgawanyiko wa pete. Mara nyingi hubainika kuwa halijoto iliyoinuliwa hubadilisha PAH kuu kuwa misombo yenye sumu zaidi, na hivyo kuzuia uozo wa kibiolojia (Muller et al., 1998).
Imebainika kuwa maeneo mengi yaliyochafuliwa na PAH yana thamani kubwa za pH, kama vile maeneo yaliyochafuliwa na mifereji ya maji ya migodi ya asidi (pH 1–4) na maeneo ya gesi asilia/makaa ya mawe yaliyochafuliwa na leachate ya alkali (pH 8–12). Hali hizi zinaweza kuathiri vibaya mchakato wa kuoza kwa viumbe hai. Kwa hivyo, kabla ya kutumia vijidudu kwa ajili ya kurekebisha viumbe hai, inashauriwa kurekebisha pH kwa kuongeza kemikali zinazofaa (zenye uwezo wa wastani hadi mdogo sana wa kupunguza oksidi) kama vile amonia salfeti au ammonia nitrati kwa udongo wa alkali au chokaa na kalsiamu kaboneti au magnesiamu kaboneti kwa maeneo yenye asidi (Bowlen et al. 1995; Gupta na Sar 2020).
Ugavi wa oksijeni kwa eneo lililoathiriwa ndio kikwazo cha kiwango cha uharibifu wa PAH. Kutokana na hali ya redoksi ya mazingira, michakato ya urekebishaji wa kibiolojia katika hali ya kawaida huhitaji uingizaji wa oksijeni kutoka vyanzo vya nje (kulima, kupunguza hewa, na kuongeza kemikali) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) walionyesha kwamba kuongezwa kwa peroksidi ya magnesiamu (kiwanja kinachotoa oksijeni) kwenye chemichemi iliyochafuliwa kunaweza kuondosha misombo ya BTEX katika hali ya kibiolojia. Utafiti mwingine ulichunguza uharibifu wa fenoli na BTEX katika chemichemi iliyochafuliwa kwa kuingiza nitrati ya sodiamu na kujenga visima vya uchimbaji ili kufikia urekebishaji mzuri wa kibiolojia (Bewley na Webb, 2001).