L'article fa partida del tèma de recèrca "Tecnologias avançadas de bioremediacion e procèsses de reciclatge de compausats organics sintetics (SOC)". Veire totes los 14 articles
Los idrocarburs aromatics policiclics de pes molecular bas (HAP) coma lo naftalèn e los naftalèns substituits (metilnaftalèn, acid naftoïc, 1-naftil-N-metilcarbamat, etc.) son largament utilizats dins divèrsas industrias e son d'organismes genotoxics, mutagèns e/o carcinogèns. Aquestes compausats organics sintetics (SOCs) o xenobiotics son considerats coma de polluents prioritaris e representan una menaça grèva per l'environament global e la santat publica. L'intensitat de las activitats umanas (per exemple gasificacion del carbon, rafinatge del petròli, emissions de veïculs e aplicacions agricòlas) determina la concentracion, lo destin e lo transpòrt d'aqueles compausats omnipresents e persistents. En mai dels metòdes de tractament/eliminacion fisic e quimic, de tecnologias verdas e respectuosas de l'environament coma la bioremediacion, qu'utilizan de microorganismes capables de degradar completament los POC o de los convertir en sosproduches non toxics, son emergidas coma una alternativa segura, rentabla e promesa. Divèrsas espècias bacterianas apartenent als fils Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, e Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus e Paenibacillus), e Actinobacteria (Rhodococcus e Arthrobacter) dins lo microbiota del sòl an demostrat la capacitat de degradar divèrses compausats organics. Los estudis metabolics, la genomica e l'analisi metagenomica nos ajudan a comprene la complexitat e la diversitat catabolicas presentas dins aquelas formas de vida simplas, que pòdon èsser mai aplicadas per una biodegradacion eficienta. L'existéncia a long tèrme dels HAP a provocat l'aparicion de novèls fenotipes de degradacion a travèrs lo transferiment de gèns orizontal en utilizant d'elements genetics coma de plasmids, de transposons, de bacteriofags, d'illas genomicas, e d'elements conjugatius integratius. La biologia dels sistèmas e l'engenharia genetica d'isolats especifics o de comunautats modèls (consòrcis) pòdon permetre una bioremediacion completa, rapida e eficienta d'aqueles HAP a travèrs d'efièches sinergics. Dins aquesta revista, nos centram sus las diferentas vias metabolicas e la diversitat, la composicion e la diversitat geneticas, e las responsas/adaptacions cellularas de la naftalina e de las bacterias degradantas de la naftalina substituidas. Aquò provesirà d'informacions ecologicas per l'aplicacion sul camp e l'optimizacion de las socas per una bioremediacion eficienta.
Lo desvolopament rapid de las industrias (petroquimicas, agricultura, farmaceutica, colorants textils, cosmetics, etc.) a contribuit a la prosperitat economica globala e a un melhorament dels nivèls de vida. Aquel desvolopament exponencial a resultat dins la produccion d'un grand nombre de compausats organics sintetics (SOC), que son utilizats per fabricar divèrses produches. Aquestes compausats estrangièrs o SOCs incluson d'idrocarburs aromatics policiclics (HAP), de pesticidas, d'erbicidas, de plastificants, de colorants, de produchs farmaceutics, d'organofosfats, de retardants de flamas, de solvents organics volatils, etc. Son emeses dins l'atmosfèra, d'ecosistèmas aquatics e terrèstres ont an d'impactes multidimensionals, causant efièches sus divèrsas bioformas a travèrs l'alteracion de las proprietats fisicoquimicas e de l'estructura de la comunautat (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Fòrça polluents aromatics an d'impactes fòrts e destructors sus fòrça ecosistèmas intactes/punts cauds de biodiversitat (per exemple, d'esculs de coralh, de capas de glaç articas/antarticas, de lacs de nauta montanha, de sediments de mar prigonda, etc.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). D'estudis geomicrobiologics recents an mostrat que la deposicion de matèria organica sintetica (per exemple, polluents aromatics) e lors derivats sus las superfícias d'estructuras artificialas (environament bastit) (per exemple, sites de patrimòni cultural e monuments faches de granit, de pèira, de fusta e de metal) accelera lor degradacion (Gadd Liu et al. 2017) . Las activitats umanas pòdon intensificar e empitjorar la degradacion biologica dels monuments e dels bastiments a travèrs la pollucion de l'aire e lo cambiament climatic (Liu et al. 2020). Aqueles contaminants organics reagisson amb lo vapor d'aiga dins l'atmosfèra e s'installan sus l'estructura, causant una degradacion fisica e quimica del material. La biodegradacion es largament reconeguda coma de cambiaments indesirables dins l'aparéncia e las proprietats dels materials causats per d'organismes vius qu'afèctan lor preservacion (Pochon e Jaton, 1967). L'accion microbiana suplementària (metabolisme) d'aqueles compausats pòt reduire l'integritat estructurala, l'eficacitat de conservacion e la valor culturala (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). D'un autre costat, dins qualques cases, l'adaptacion microbiana e la responsa a aquelas estructuras s'es trobada benefica perque forman de biofilms e d'autras crostas protectoras que reduson lo taus de descomposicion/descomposicion (Martino, 2016). Doncas, lo desvolopament d'estrategias de conservacion sostenibla eficaças a long tèrme pels monuments de pèira, de metal e de fusta demanda una compreneson minuciosa dels procèsses claus implicats dins aquel procès. Comparats amb los procèsses naturals (procèsses geologics, incendis forestals, erupcions volcanicas, reaccions vegetalas e bacterianas), las activitats umanas resultan dins la liberacion de grands volums d'idrocarburs aromatics policiclics (HAP) e d'autres carbònis organics (OC) dins los ecosistèmas. Fòrça HAP utilizats dins l'agricultura (insecticidas e pesticidas coma lo DDT, l'atrazina, lo carbaril, lo pentaclorofenòl, etc.), l'industria (petròli brut, fangs/residus de petròli, plastics derivats del petròli, PCB, plastificants, detergents, desinfectants, fumigants, conservators e produches de suenhs personals), (protectors solars, desinfectants, repelents d'insèctes e muscles policiclics) e las municions (explosius coma 2,4,6-TNT) son de xenobiotics potencials que pòdon impactar la santat planetària (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna e Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Aquesta lista pòt èsser espandida per inclure de compausats derivats del petròli (òlis de combustible, lubrificants, asfaltèns), de bioplastics de pes molecular naut, e de liquids ionics (Amde et al., 2015). Lo tablèu 1 lista divèrses polluents aromatics e lors aplicacions dins divèrsas industrias. Dins los ans recents, las emissions antropogènas de compausats organics volatils, e tanben lo dioxid de carbòni e d'autres gases d'efièch de sèrra, an començat d'aumentar (Dvorak et al., 2017). Pasmens, los impactes antropogenics despassan significativament los naturals. De mai, trobèrem qu'un fum de SOCs persistan dins fòrça environaments environamentals e son estats identificats coma de polluents emergents amb d'efièches advèrs suls biòmas (Figura 1). D'agéncias environamentalas coma l'Agéncia de Proteccion de l'Environament dels Estats Units (USEPA) an inclus fòrça d'aqueles polluents dins lor lista de prioritats a causa de lors proprietats citotoxicas, genotoxicas, mutagènas e cancerigènas. Doncas, de regulacions d'eliminacion estrictas e d'estrategias eficaças pel tractament/eliminacion dels residus dels ecosistèmas contaminats son necessàrias. Divèrses metòdes de tractament fisic e quimic coma la pirolisi, lo tractament termic oxidatiu, l'aeracion de l'aire, l'enfossament, l'incineracion, etc. son ineficaces e costós e generan de sosproduches corrosius, toxics e malaisits de tractar. Amb la consciéncia environamentala globala creissenta, los microorganismes capables de degradar aqueles polluents e lors derivats (coma l'alogenat, lo nitro, l'alquil e/o lo metil) atiran una atencion creissenta (Fennell et al., 2004; Haritash e Kaushik, 2009; Phale et al., 2002; Sarkar et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). L'utilizacion d'aqueles microorganismes candidats indigènas sols o dins de culturas mixtas (colonias) per l'eliminacion de polluents aromatics a d'avantatges en tèrmes de seguretat environamentala, de còst, d'eficiéncia, d'eficacitat e de sostenibilitat. Los cercaires exploran tanben l'integracion dels processus microbians amb de metòdes redox electroquimics, a saber los sistèmas bioelectroquimics (BES), coma una tecnologia promesa pel tractament/eliminacion dels polluents (Huang et al., 2011). La tecnologia BES a atirat una atencion creissenta a causa de son eficiéncia nauta, de son bas còst, de sa seguretat environamentala, de son foncionament a temperatura ambienta, de materials biocompatibles, e de la capacitat de recuperar de sosproduches precioses (per exemple, electricitat, carburant, e produches quimics) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). L'arribada del sequénciament del genòma de naut debit e d'aisinas/metòdes omics a provesit una riquesa d'informacions novèlas sus la regulacion genetica, la proteomica e la fluxomica de las reaccions de divèrses microorganismes degradants. Combinar aqueles aisinas amb la biologia dels sistèmas a melhorat encara mai nòstra compreneson de la seleccion e de l'afinament de las vias catabolicas ciblas dins los microorganismes (es a dire, lo dessenh metabolic) per aténher una biodegradacion eficienta e eficaça. Per concebre d'estrategias de bioremediacion eficaças en utilizant de microorganismes candidats adeqüats, nos cal comprene lo potencial bioquimic, la diversitat metabolica, la composicion genetica e l'ecologia (autoecologia/sinecologia) dels microorganismes.
Fig. 1. Fonts e vias d'HAP de bassa moleculara a travèrs de divèrses environaments environamentals e de divèrses factors qu'afectan la biota. Las linhas traçadas representan las interaccions entre d'elements de l'ecosistèma.
Dins aquesta revista, avèm ensajat de resumir las donadas sus la degradacion d'HAP simples coma la naftalèna e los naftalèns substituits per divèrses isolats bacterians cobrissent de vias metabolicas e de diversitat, d'enzims implicats dins la degradacion, de composicion/contengut e diversitat dels gèns, de responsas cellularas e divèrses aspèctes de la bioremediacion. Comprene los nivèls bioquimics e moleculars ajudarà a identificar de socas òstes adequadas e lor engenharia genetica ulteriora per una bioremediacion eficaça d'aqueles polluents prioritaris. Aquò ajudarà a desvolopar d'estrategias per l'establiment de consòrcis bacterians especifics al site per una bioremediacion eficaça.
La preséncia d'un grand nombre de compausats aromatics toxics e perilhoses (satisfasent la règla de Huckel 4n + 2π electrons, n = 1, 2, 3, ...) pausa una menaça grèva per divèrses mèdias environamentals coma l'aire, lo sòl, los sediments, e las aigas de superfícia e sosterranha (Puglisi et al., 2007). Aquestes compausats an d'anèls de benzèn simples (monociclics) o d'anèls de benzèn multiples (policiclics) dispausats en forma lineara, angulara o de cluster e mòstran d'estabilitat (estabilitat/instabilitat) dins l'environament a causa de l'energia de ressonància negativa nauta e de l'inèrcia (inèrcia), çò que pòt èsser explicat per lor idrofobicitat e estat redusit. Quand l'anèl aromatic es mai remplaçat per de grops metil (-CH3), carboxil (-COOH), idroxil (-OH), o sulfonat (-HSO3), ven mai estable, a una afinitat mai fòrta per las macromoleculas, e es bioacumulatiu dins los sistèmas biologics (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Qualques idrocarburs aromatics policiclics de bas pes molecular (LMWAHs), coma lo naftalèn e sos derivats [metilnaftalèn, acid naftoïc, naftalensulfonat, e 1-naftil N-metilcarbamat (carbaril)], son estats incluses dins la lista dels pollutants organics prioritaris per l'Environament Environmental genotoxic, mutagèn, e/o cancerigèn (Cerniglia, 1984). La liberacion d'aquela classa de NM-PAHs dins l'environament pòt resultar en una bioacumulacion d'aqueles compausats a totes los nivèls de la cadena alimentària, afectant aital la santat dels ecosistèmas (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Las fonts e los camins dels HAP cap a la biota son subretot a travèrs la migracion e las interaccions entre diferents compausants de l'ecosistèma coma lo sòl, las aigas sosterranhas, l'aiga de superfícia, las culturas e l'atmosfèra (Arey e Atkinson, 2003). La figura 1 mòstra las interaccions e la distribucion de diferents PAHs de bas pes molecular dins los ecosistèmas e lors vias cap a l'exposicion biota/uman. Los HAP son depausats sus las superfícias coma consequéncia de la pollucion de l'aire e a travèrs la migracion (deriva) de las emissions dels veïculs, dels gases d'escapament industrials (gasificacion del carbon, combustion e produccion de còc) e lor depaus. Activitats industrialas coma la fabricacion de teissuts sintetics, colorants e pinturas; conservacion de fusta; transformacion de cauchó; activitats de fabricacion de ciment; produccion de pesticidas; e las aplicacions agricòlas son de fonts màgers d'HAP dins los sistèmas terrèstres e aquatics (Bamforth e Singleton, 2005; Wick et al., 2011). D'estudis an mostrat que los sòls dins las zònas suburbanas e urbanas, prèp de las autorotas, e dins las grandas vilas son mai susceptibles als idrocarburs aromatics policiclics (HAP) a causa de las emissions de las centralas electricas, del caufatge residencial, de las cargas de trafic aerian e viari, e de las activitats de construccion (Suman et al., 2016). (2008) mostrèt que los HAP dins lo sòl prèp de las rotas a Nòva Orleans, Louisiana, EUA èran fins a 7189 μg/kg, alara qu'en espaci dobèrt, èran pas que 2404 μg/kg. De manièra similara, de nivèls de PAH tan nauts coma 300 μg/kg son estats reportats dins de zònas prèp de sites de gasificacion del carbon dins divèrsas vilas dels Estats Units (Kanaly e Harayama, 2000; Bamforth e Singleton, 2005). Los sòls de divèrsas vilas indianas coma Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni e Venkataraman, 2000) e Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) son estats reportats per conténer de concentracions elevadas de PAH. Los compausats aromatics son mai aisidament adsorbits sus de particulas de sòl, de matèria organica e de mineraus d'argila, venent aital de grands lavabos de carbòni dins los ecosistèmas (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Las fonts màgers d'HAP dins los ecosistèmas aquatics son la precipitacion (precipitacion umida/seca e vapor d'aiga), l'escorreguda urbana, la descarga d'aigas residualas, la recarga d'aigas sosterranhas, etc. (Srogi, 2007). S'estima qu'aperaquí 80% dels HAP dins los ecosistèmas marins son derivats de la precipitacion, de la sedimentacion e de la descarga de residus (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). De concentracions mai nautas d'HAP dins l'aiga de superfícia o los lixiviats dels sites d'eliminacion de residus solids s'escampan eventualament dins las aigas sosterranhas, representant una menaça màger per la santat publica vist que mai de 70% de la populacion del Sud e del Sud-Èst d'Asia beu d'aigas sosterranhas (Duttagupta et al., 2019). Un estudi recent de Duttagupta et al. (2020) d'analisis de riu (32) e d'aiga sosterranha (235) de Bengala Occidentala, Índia, trobèron qu'un estimat de 53% dels residents urbans e 44% dels residents rurals (en total 20 milions de residents) pòdon èsser expausats a la naftalina (4,9–10,6 μg/L) e sos derivats. Los modèls d'utilizacion diferencial del sòl e l'extraccion aumentada de las aigas sosterranhas son considerats coma los factors principals que contraròtlan lo transpòrt vertical (adveccion) dels PAHs de bas pes molecular dins la sossuperfícia. L'escorreguda agricòla, las descargas d'aigas residualas municipalas e industrialas, e las descargas de residus solids/escombrarias son estats trobats afectats pels HAP dins los bacins fluvials e los sediments subresuperficials. La precipitacion atmosferica agrava encara mai la pollucion HAP. De concentracions nautas d'HAP e de lors derivats d'alquil (51 en total) son estadas reportadas dins de rius/bassins del mond entièr, coma lo riu Fraser, lo riu Louan, lo riu Denso, lo riu Missouri, lo riu Anacostia, lo riu Ebro, e lo riu Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2006; 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Dins los sediments del bacin del riu Ganges, lo naftalèn e lo fenantren foguèron trobats coma los mai significatius (detectats dins 70% dels mòstras) (Duttagupta et al., 2019). De mai, d'estudis an mostrat que la cloracion de l'aiga potabla pòt menar a la formacion d'HAP oxigenats e clorats mai toxics (Manoli e Samara, 1999). Los HAP s'acumulan dins las cerealas, las fruchas e los legums coma resultat de l'absorpcion per las plantas de sòls contaminats, d'aigas sosterranhas e de precipitacions (Fismes et al., 2002). Fòrça organismes aquatics coma los peisses, las musclas, las clòscas e las camarons son contaminats amb d'HAP a travèrs la consomacion de noiridura contaminada e d'aiga de mar, e tanben a travèrs de teissuts e de pèl (Mackay e Fraser, 2000). Los metòdes de coccion/transformacion coma la grasilhada, la torrada, lo fumatge, la fregidura, lo secatge, la coccion e la coccion al carbon pòdon tanben menar a de quantitats significativas d'HAP dins los aliments. Aquò depend largament de la causida del material de fumatge, del contengut d'idrocarburs fenolics/aromatics, del procediment de coccion, del tipe de caufatge, del contengut d'umiditat, de l'avitalhament d'oxigèn e de la temperatura de combustion (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Los idrocarburs aromatics policiclics (HAP) son tanben estats detectats dins lo lach a de concentracions variablas (0,75–2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). L'acumulacion d'aqueles HAP dins los aliments depend tanben de las proprietats fisicoquimicas dels aliments, del temps que lors efièches toxics son ligats a las foncions fisiologicas, a l'activitat metabolica, a l'absorpcion, a la distribucion e a la distribucion corporala (Mechini et al., 2011).
La toxicitat e los efièches nocius dels idrocarburs aromatics policiclics (HAP) son estats coneguts dempuèi longtemps (Cherniglia, 1984). Los idrocarburs aromatics policiclics de pes molecular bas (LMW-PAHs) (dos a tres anèls) pòdon se ligar covalentament a divèrsas macromoleculas coma l'ADN, l'ARN e las proteïnas e son cancerigèns (Santarelli et al., 2008). A causa de lor natura idrofòba, son separats per de membranas lipidicas. Dins los umans, las monooxigenasas del citocròm P450 oxidan los HAP en epoxids, que qualques unes son fòrça reactius (per exemple, epoxid de baediòl) e pòdon menar a la transformacion de cellulas normalas en malignas (Marston et al., 2001). De mai, los produches de transformacion dels HAP coma los quinons, los fenòls, los epoxids, los diòls, etc. son mai toxics que los compausats parents. Qualques HAP e lors intermediaris metabolics pòdon afectar las ormonas e divèrsas enzims dins lo metabolisme, afectant aital advèrsament la creissença, lo sistèma nerviós central, los sistèmas reproductius e immunitaris (Swetha e Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). L'exposicion a cort tèrme a d'HAP de pes molecular bas es estada reportada per causar una foncion pulmonara alterada e una trombosi dins los asmatics e per aumentar lo risc de càncers de la pèl, del palmon, de la vessica e de la gastrointestinala (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). D'estudis animals an tanben mostrat que l'exposicion a l'HAP pòt aver d'efièches advèrs sus la foncion e lo desvolopament reproductius e pòt causar de cataractas, de damatges renals e fetges, e ictèr. Divèrses produches de biotransformacion de PAH coma los diòls, los epoxids, los quinons e los radicals liures (cations) an mostrat per formar d'adductes d'ADN. Los adduchs estables an mostrat per alterar la maquinaria de replicacion de l'ADN, alara que los adductes instables pòdon depurinar l'ADN (subretot a l'adenina e de còps a la guanina); los dos pòdon generar d'errors que menan a de mutacions (Schweigert et al. 2001). De mai, las quinònas (benzo-/pan-) pòdon generar d'espècias d'oxigèn reactivas (ROS), causant de damatges fatals a l'ADN e a d'autras macromoleculas, afectant aital la foncion/viabilitat dels teissuts (Ewa e Danuta 2017). L'exposicion cronica a de concentracions bassas de piren, bifenil e naftalèn es estada reportada per causar de càncer dins d'animals experimentals (Diggs et al. 2012). A causa de lor toxicitat letala, la neteja/eliminacion d'aqueles HAP dels sites afectats/contaminats es una prioritat.
Divèrses metòdes fisics e quimics son estats utilizats per levar los HAP de sites/environaments contaminats. Los procèsses coma l'incineracion, la descloracion, l'oxidacion UV, la fixacion e l'extraccion dels solvents an fòrça inconvenients, inclusent la formacion de sosproduches toxics, la complexitat del procès, las questions de seguretat e de regulacion, una eficiéncia bassa e un còst naut. Pasmens, la biodegradacion microbiana (nomenada bioremediacion) es una apròcha alternativa promesa qu'implica l'utilizacion de microorganismes jos la forma de culturas o de colonias puras. Comparat amb los metòdes fisics e quimics, aquel procès es respectuós de l'environament, non invasiu, rentable e sostenible. La bioremediacion pòt èsser realizada sul site afectat (in situ) o sus un site especialament preparat (ex situ) e es doncas considerada coma un metòde de remediacion mai sostenible que los metòdes fisics e quimics tradicionals (Juhasz e Naidu, 2000; Andreoni e Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Comprene las etapas metabolicas microbianas implicadas dins la degradacion dels polluents aromatics a d'implicacions scientificas e economicas enòrmas per la sostenibilitat ecologica e environamentala. Un estimat de 2,1×1018 gramas de carbòni (C) son emmagazinats dins de sediments e de compausats organics (es a dire, petròli, gas natural, e carbon, es a dire, combustibles fossils) dins lo mond entièr, fasent una contribucion significativa al cicle global del carbòni. Pasmens, l'industrializacion rapida, l'extraccion de combustibles fossils e las activitats umanas son a esgotar aqueles sèrvas de carbòni litosferics, en liberant un estimat de 5,5×1015 g de carbòni organic (coma polluents) dins l'atmosfèra annalament (Gonzalez-Gaya et al., 2019). La màger part d'aquel carbòni organic dintra dins los ecosistèmas terrèstres e marins a travèrs la sedimentacion, lo transpòrt e l'escorreguda. De mai, de novèls polluents sintetics derivats dels combustibles fossils, coma los plastics, los plastificants e los estabilizators plastics (ftalats e lors isomèrs), polluisson seriosament los ecosistèmas marins, del sòl e aquatic e lor biota, exacerbant aital los risques climatics globals. Divèrses tipes de microplastics, de nanoplastics, de fragments de plastic e lors produches de monomèr toxics derivats del tereftalat de polietilèn (PET) s'an acumulat dins l'ocean Pacific entre America del Nòrd e l'Asia del Sud-Èst, formant lo "Grand Pacific Garbage Patch", damatjant la vida marina (Newell et al., 2020). D'estudis scientifics an provat qu'es pas possible de levar aqueles polluents/residus per cap de metòde fisic o quimic. Dins aquel contèxte, los microorganismes mai utils son aqueles capables de metabolizar oxidativament los polluents en dioxid de carbòni, en energia quimica e d'autres sosproduches non toxics qu'intran eventualament dins d'autres procèsses de ciclatge dels nutriments (H, O, N, S, P, Fe, etc.). Atal, comprene l'ecofisiologia microbiana de la mineralizacion dels polluents aromatics e son contraròtle environamental es crucial per avalorar lo cicle de carbòni microbian, lo budgèt net del carbòni e los risques climatics futurs. Coma lo besonh urgent de levar aqueles compausats de l'environament, divèrsas eco-industrias centradas sus las tecnologias netas son emergidas. Alternativament, la valorizacion dels residus industrials/residus quimics acumulats dins los ecosistèmas (es a dire l'apròchi dels residus a la riquesa) es considerada coma un dels pilars de l'economia circulara e dels objectius de desvolopament sostenible (Close et al., 2012). Doncas, comprene los aspèctes metabolics, enzimatics e genetics d'aqueles candidats de degradacion potencials es de maximala importància per l'eliminacion e la bioremediacion eficaças d'aqueles polluents aromatics.
D'entre los nombroses polluents aromatics, prestam una atencion especiala als HAP de pes molecular bas coma la naftalèna e los naftalèns substituits. Aquestes compausats son de compausants màgers dels combustibles derivats del petròli, dels colorants textils, dels produches de consum, dels pesticidas (bolas de polilha e de repelents d'insèctes), dels plastificants e dels tanins e son doncas espandits dins fòrça ecosistèmas (Preuss et al., 2003). De rapòrts recents meton en evidéncia l'acumulacion de concentracions de naftalèn dins los sediments d'aquifèr, las aigas sosterranhas e los sòls sossuperfícias, las zònas de vadòsa e los jaç de riu, çò que suggerís sa bioacumulacion dins l'environament (Duttagupta et al., 2019, 2020). Lo tablèu 2 resumís las proprietats fisicoquimicas, las aplicacions e los efièches sus la santat de la naftalèna e de sos derivats. Comparat amb d'autres HAP de pes molecular naut, lo naftalèn e sos derivats son mens idrofòbs, mai solubles dins l'aiga e largament distribuits dins los ecosistèmas, son doncas sovent utilizats coma de substrats modèls per estudiar lo metabolisme, la genetica e la diversitat metabolica dels HAP. Un grand nombre de microorganismes son capables de metabolizar lo naftalèn e sos derivats, e d'informacions completas son disponiblas sus lors vias metabolicas, enzims e caracteristicas regulatòrias (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). De mai, lo naftalèn e sos derivats son designats coma de compausats prototipes per l'avaloracion de la pollucion environamentala a causa de lor nauta abondància e biodisponibilitat. L'Agéncia de Proteccion de l'Environament dels Estats Units estima que los nivèls mejans de naftalèn son de 5,19 μg per mètre cubic del fum de cigarreta, subretot de combustion incomplèta, e de 7,8 a 46 μg del fum de corrent lateral, del temps que l'exposicion al creosòt e al naftalèn es de 100 a 1000 còps, mai naut (Porre et al. 2003). Lo naftalèn en particular es estat trobat per aver una toxicitat respiratòria e una cancerogènia especificas a l'espècia, a la region e al sèxe. En foncion d'estudis animals, l'Agéncia Internacionala per la Recèrca sul Cancèr (IARC) a classat la naftalèna coma un "carcinogèn uman possible" (Grop 2B)1. L'exposicion a de naftalènas substituidas, subretot per inalacion o administracion parenterala (orala), causa una lesion del teissut pulmonar e aumenta l'incidéncia de tumors pulmonaras dins de rats e de mirgas (Programa Nacional de Toxicologia 2). Los efièches aguts incluson de nauses, de vòmits, de dolor abdominala, de diarrèa, de mal de cap, de confusion, de sudoracion profusa, de fèbre, de taquicardia, etc. D'un autre costat, l'insecticida de carbamat d'ample espectre carbaril (1-naftil N-metilcarbamat) es estat reportat coma toxic per d'amfibits inverbrats aquàtics, de mèls e los umans e s'es mostrat qu'inhibís l'acetilcolinesterasa causant la paralisi (Smulders et al., 2003; Bulen e Distel, 2011). Doncas, comprene los mecanismes de degradacion microbiana, de regulacion genetica, de reaccions enzimaticas e cellularas es crucial per desvolopar d'estrategias de bioremediacion dins d'environaments contaminats.
Taula 2. Informacion detalhada sus las proprietats fisicoquimicas, los usatges, los metòdes d'identificacion e las malautiás associadas de la naftalina e de sos derivats.
Dins de niches polluits, los polluents aromatics idrofòbs e lipofils pòdon causar una varietat d'efièches cellulars sul microbiòma environamental (comunautat), coma de cambiaments dins la fluiditat de la membrana, la permeabilitat de la membrana, l'inflamacion de la bicapa lipidica, la perturbacion del transferiment d'energia (cadena de transpòrt d'electrons/fòrça motritz de protons), e l'activitat de las proteïnas associadas a la membrana (Sikkema et al. 1995). De mai, qualques intermediaris solubles coma los catecols e los quinons generan d'espècias d'oxigèn reactivas (ROS) e forman d'adductes amb l'ADN e las proteïnas (Penning et al., 1999). Atal, l'abondància d'aqueles compausats dins los ecosistèmas exercís una pression selectiva sus las comunautats microbianas per venir de degradants eficients a divèrses nivèls fisiologics, dont l'absorpcion/transpòrt, la transformacion intracellulara, l'assimilacion/utilizacion e la compartimentacion.
Una recèrca del Projècte de Basa de Donadas Ribosomicas-II (RDP-II) revelèt qu'un total de 926 espècias bacterianas foguèron isoladas de culturas de mèdias o d'enriquiment contaminadas amb de naftalèna o sos derivats. Lo grop Proteobacteria aviá lo nombre mai naut de representants (n = 755), seguit de Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), e de bacterias non classificadas (8) (Figura 2). De representants de γ-Proteobacteria (Pseudomonadales e Xanthomonadales) dominèron totes los grops Gram-negatius amb un contengut naut de G+C (54%), del temps que Clostridiales e Bacillales (30%) èran de grops Gram-positius amb un contengut bas de G+C. Las pseudomonas (lo nombre mai naut, 338 espècias) foguèron reportadas per èsser capablas de degradar lo naftalèn e sos derivats de metil dins divèrses ecosistèmas polluits (quitran de carbon, petròli, petròli brut, fangs, vessaments de petròli, aigas residualas, residus organics e depaus) e tanben d'ecosistèmas intactes (rius, aigas sosterranhas, ecosistèmas) (Figura 2). De mai, d'estudis d'enriquiment e d'analisi metagenomica de qualques unas d'aquelas regions revelèron que las espècias de Legionella e Clostridium non cultivadas pòdon aver una capacitat degradativa, çò qu'indica lo besonh de cultivar aquelas bacterias per estudiar de novèlas vias e la diversitat metabolica.
Fig. 2. Diversitat taxonomica e distribucion ecologica dels representants bacterians dins d'environaments contaminats amb de naftalèna e de derivats de naftalèna.
Demest los divèrses microorganismes aromatics degradants d'idrocarburs, la màger part son capables de degradar la naftalina coma la sola font de carbòni e d'energia. La sequéncia d'eveniments implicats dins lo metabolisme de la naftalina es estada descricha per Pseudomonas sp. (socas: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 e CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 e d'autras socas (ND6 e AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Anweer et al., 2000; al., 2003; Dennis e Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Lo metabolisme es iniciat per una dioxigenasa multicomponenta [naftalena dioxigenasa (NDO), una dioxigenasa d'anèl] que cataliza l'oxidacion d'un dels anèls aromatics de l'autra motoxigenasa; substrat, convertissent lo naftalèn en cis-naftalenediòl (Figura 3 lo cis-diidrodiòl es convertit en 1,2-dihidroxinaftalèn per una deshidrogenasa A de disoxigenasa de fendiment d'anèls, 1,2-dihidroxinaftalèn dioxigenasa (1,2-dihidroxinaftalèn), convertisson d'idroxinaftalèn. 2-idroxicromen-2-carboxilic isomerizacion cis-trans enzimatica produtz trans-o-idroxibenzilidenepiruvat, que se fendís per l'idratasa aldolasa en aldeïd salicilic e en piruvat L'acid organic piruvat foguèt lo primièr compausat C3 derivat de l'esquele de carbòni central e dins lo carbòni central. De mai, la salicilaldeïda dependenta del NAD+ convertís lo salicilaldehid a aquel estadi es nomenat la "via superiora" de la degradacion de la naftalina. hamburgii 2, la degradacion de naftalèn es iniciada per la naftalèn 2,3-dioxigenasa per formar 2,3-diidroxinaftalèn (Annweiler et al., 2000).
Figura 3. Vias de la degradacion de naftalèna, metilnaftalèna, acid naftoïc e carbaril. Los nombres cerclats representan d'enzims responsables de la conversion sequenciala de la naftalèna e de sos derivats en produchs seguents. 1 — naftalèn dioxigenasa (NDO); 2, cis-diidrodiol deshidrogenasa; 3, 1,2-dihidroxinaftalèn dioxigenasa; 4, 2-idroxicromèna-2-isomerasa d'acid carboxilic; 5, trans-O-idroxibenzilidenepiruvat idratasa aldolasa; 6, desidrogenasa de salicilaldeïd; 7, salicilat 1-hidroxilasa; 8, catecol 2,3-dioxigenasa (C23DO); 9, 2-idroximuconat semialdeïd desidrogenasa; 10, 2-oxopent-4-enoat hydratase; 11, 4-idroxi-2-oxopentanoat aldolasa; 12, acetaldeïd desidrogenasa; 13, catecol-1,2-dioxigenasa (C12DO); 14, cicloisomerasa de muconat; 15, delta-isomerasa de muconolactona; 16, β-cetoadipatenollactone hydrolase; 17, β-cetoadipate succinyl-CoA transferasa; 18, β-cetoadipate-CoA tiolase; 19, succinil-CoA: acetil-CoA succiniltransferasa; 20, salicilat 5-hidroxilasa; 21 – gentisat 1,2-dioxigenasa (GDO); 22, isomerasa de maleylpiruvat; 23, idrolasa de fumarilpiruvat; 24, metilnaftalèn hidroxilasa (NDO); 25, idroximetilnaftalèn desidrogenasa; 26, naftaldeïd desidrogenasa; 27, 3-formilsalicilic oxidasa; 28, hidroxiisoftalat decarboxilasa; 29, idrolasa de carbaril (CH); 30, 1-naftol-2-hidroxilasa.
Segon l'organisme e sa composicion genetica, l'acid salicilic resultant es mai metabolizat siá via la via de catecol en utilizant la salicilat 1-idroxilasa (S1H) siá via la via de gentisat en utilizant la salicilat 5-idroxilasa (S5H) (Figura 3). Coma l'acid salicilic es l'intermediari màger dins lo metabolisme de la naftalèna (via superiora), las etapas de l'acid salicilic a l'intermediari TCA son sovent nomenadas la via inferiora, e los gèns son organizats dins un sol operon. Es comun de veire que los gèns dins l'operon de la via superiora (nah) e l'operon de la via inferiora (sal) son regulats per de factors regulators comuns; per exemple, NahR e l'acid salicilic agisson coma inductors, permetent als dos operons de metabolizar completament la naftalina (Phale et al., 2019, 2020).
De mai, lo catecol es ciclicament fendut en 2-idroximuconat semialdeïd via la meta via per lo catecol 2,3-dioxigenasa (C23DO) (Yen et al., 1988) e mai idrolizat per la 2-idroximuconat semialdeïd idrolasa per formar 2-idroximuconat semialdeïd, 2-24-dioxigenàs. 2-idroxipent-2,4-dienoat es alara convertit en piruvat e acetaldeïd per una idratasa (2-oxopent-4-enoat idratasa) e una aldolasa (4-idroxi-2-oxopentanoat aldolasa) e dintra alara dins la via centrala del carbòni (Figura 3). Alternativament, lo catecol es ciclicament fendut en cis,cis-muconat via la via orto per la catecol 1,2-oxigenasa (C12DO). La cicloisomerasa de muconat, l'isomerasa de muconolactona, e l'idrolasa β-cetoadipat-nollactona convertisson lo cis, lo cis-muconat en 3-oxoadipat, qu'intra dins la via centrala del carbòni via lo succinil-CoA e l'acetil-CoA (Nozaki et al., 1968) (Figura 33).
Dins la via de gentisat (2,5-diidroxibenzoat), l'anèl aromatic es fendut per la gentisat 1,2-dioxigenasa (GDO) per formar de maleylpiruvat. Aqueste produch pòt èsser dirèctament idrolizat en piruvat e malat, o pòt èsser isomerizat per formar de fumarilpiruvat, que pòt alara èsser idrolizat en piruvat e fumarat (Larkin e Day, 1986). La causida de la via alternativa es estada observada dins de bacterias Gram-negativas e Gram-positivas al nivèl bioquimic e genetic (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Las bacterias gram-negativas (Pseudomonas) preferisson utilizar l'acid salicilic, qu'es un inductor del metabolisme de la naftalina, lo descarboxilant en catecol en utilizant la salicilat 1-idroxilasa (Gibson e Subramanian, 1984). D'un autre costat, dins las bacterias Gram-positivas (Rhodococcus), la salicilat 5-idroxilasa convertís l'acid salicilic en acid gentisic, alara que l'acid salicilic a pas cap d'efièch inductiu sus la transcripcion dels gèns de naftalèna (Grund et al., 1992) (Figura 3).
S'es raportat que d'espècias coma Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas e Mycobacterium degradan moncicòme o degrada dimetilnaftalèn (Dean-Raymond e Bartha, 1975; Cane e Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). D'entre eles, la via de degradacion 1-metilnaftalèn e 2-metilnaftalèn de Pseudomonas sp. CSV86 es estat clarament estudiat al nivèl bioquimic e enzimatic (Mahajan et al., 1994). Lo 1-metilnaftalèn es metabolizat via doas vias. D'en primièr, l'anèl aromatic es idroxilat (l'anèl non substituit del metilnaftalèn) per formar lo cis-1,2-diidroxi-1,2-diidro-8-metilnaftalèn, qu'es mai oxidat en salicilat de metil e metilcatecol, e dintra puèi dins la via centrala de carbòni après l'avatura de l'anèl de carbòni (Figura 3). Aquela via es nomenada la "via de la font de carbòni". Dins la segonda "via de desintoxicacion", lo grop metil pòt èsser idroxilat per NDO per formar 1-idroximetilnaftalèn, qu'es mai oxidat a 1-acid naftòic e excretat dins lo mitan de cultura coma un produch sens sortida. D'estudis an mostrat que la soca CSV86 es pas capabla de créisser sus l'acid 1- e 2-naftoic coma la sola font de carbòni e d'energia, çò que confirma sa via de desintoxicacion (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Dins lo 2-metilnaftalèn, lo grop metil patís l'idroxilacion per l'idroxilasa per formar lo 2-idroximetilnaftalèn. De mai, l'anèl non substituit de l'anèl de naftalèn subís una idroxilacion d'anèl per formar un diidrodiòl, qu'es oxidat a 4-idroximetilcatecol dins una tièra de reaccions catalizadas per d'enzims e dintra dins la via de carbòni centrala via la via de scission de meta-anèl. De manièra similara, S. paucimobilis 2322 foguèt reportat per utilizar NDO per idroxilar 2-metilnaftalèn, qu'es mai oxidat per formar metil salicilat e metilcatecol (Dutta et al., 1998).
Los acids naftoïcs (substituits/non substituits) son de sosproduches de desintoxicacion/biotransformacion formats pendent la degradacion de metilnaftalèn, fenantren e antracèn e liberats dins lo mitan de cultura gastat. S'es raportat que l'isolat del sòl Stenotrophomonas maltophilia CSV89 es capable de metabolizar l'acid 1-naftoïc coma font de carbòni (Phale et al., 1995). Lo metabolisme comença amb la dihidroxilacion de l'anèl aromatic per formar 1,2-dihidroxi-8-carboxinaftalèn. Lo diòl resultant es oxidat en catecol via 2-idroxi-3-carboxibenzilidenepiruvat, 3-acid formilsalicilic, 2-idroxiisoftalic e acid salicilic e dintra dins la via de carbòni centrala via la via de scission de meta-anèl (Figura 3).
Lo carbaril es un pesticida de carbamat de naftil. Dempuèi la Revolucion Verda en Índia dins las annadas 1970, l'utilizacion d'engrais quimics e de pesticidas a menat a un aument de las emissions d'idrocarburs aromatics policiclics (HAP) de fonts agricòlas non puntualas (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Un estimat de 55% (85 722 000 ectaras) de la tèrra cultivada totala en Índia es tractada amb de pesticidas quimics. Pendent los darrièrs cinc ans (2015–2020), lo sector agricòla indian a utilizat una mejana de 55 000 a 60 000 tonas de pesticidas annalament (Departament de las Cooperativas e del Benèsser dels Païsans, Ministèri de l'Agricultura, Govèrn d'Índia, agost de 2020). Dins las planas gangeticas septentrionalas e centralas (los estats amb la populacion e la densitat de populacion mai nauta), l'usatge de pesticidas sus las culturas es generalizat, amb d'insecticidas predominant. Lo carbaril (1-naftil-N-metilcarbamat) es un insecticida de carbamat d'espèctre larg, moderadament a fòrça toxic utilizat dins l'agricultura indiana a un taus mejan de 100-110 tonas. Es comunament vendut jol nom comercial Sevin e es utilizat per contrarotlar los insèctes (afids, formigas de fuòc, puças, acarians, aranhas e fòrça autres parasits exteriors) afectant una varietat de culturas (milh, sòja, coton, fruchas e legums). Qualques microorganismes coma Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus e Arthrobacter pòdon tanben èsser utilizats per contrarotlar d'autres plagas. S'es raportat que RC100 pòt degradar lo carbaril (Larkin e Day, 1986; Chapalamadugu e Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha e Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). La via de degradacion del carbaril es estada largament estudiada a de nivèls bioquimics, enzimatics e genetics dins d'isolats de sòl de Pseudomonas sp. Socas C4, C5 e C6 (Swetha e Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). La via metabolica comença amb l'idrolisi del ligam èster per la carbaril idrolasa (CH) per formar 1-naftol, metilamina e dioxid de carbòni. 1-naftol es alara convertit en 1,2-diidroxinaftalèn per 1-naftol idroxilasa (1-NH), qu'es mai metabolizada via la via centrala del carbòni via salicilat e gentisat. Qualques bactèris degradants de carbaril son estats reportats per lo metabolizar en acid salicilic via la scission de l'anèl orto de catecòl (Larkin e Day, 1986; Chapalamadugu e Chaudhry, 1991). Notadament, los bactèris degradants de naftalèn metabolizan subretot l'acid salicilic via catecol, alara que los bactèris degradants de carbaril preferisson metabolizar l'acid salicilic via la via de gentisat.
L'acid naftalenasulfonic/acid disulfonic e los derivats d'acid naftilaminasulfonic pòdon èsser utilizats coma intermediaris dins la produccion de colorants azo, d'agents de humectacion, de dispersants, etc. E mai s'aqueles compausats an una toxicitat bassa pels umans, las avaloracions de citotoxicitat an mostrat que son letals pels peisses, la dafina e l'alga (Grenia, et. 1994). De representants del genre Pseudomonas (socas A3, C22) son estats reportats per iniciar lo metabolisme per dobla idroxilacion de l'anèl aromatic que conten lo grop d'acid sulfonic per formar un diidrodiòl, que se convertís mai en 1,2-diidroxinaftalèna per scission espontanèa del grop de sulfitri (B et al., 1918). Lo 1,2-diidroxinaftalèn resultant es catabolizat via la via classica de naftalèn, es a dire, la via catecol o gentizat (Figura 4). S'es mostrat que l'acid aminonaftalensulfonic e l'acid idroxinaftalensulfonic pòdon èsser completament degradats per de consòrcis bacterians mesclats amb de vias catabolics complementàrias (Nortemann et al., 1986). S'es mostrat qu'un membre del consòrci desulfuriza l'acid aminonaftalensulfonic o l'acid idroxinaftalensulfonic per 1,2-dioxigenacion, del temps que l'aminosalicilat o l'idroxisalicilat es liberat dins lo mitan de cultura coma un metabolit sens sortida e es posteriorament pres per d'autres membres del consòrci. L'acid naftalendisulfonic es relativament polar mas mal biodegradable e pòt doncas èsser metabolizat via de vias diferentas. La primièra desulfurizacion se produtz pendent la dihidroxilacion regioselectiva de l'anèl aromatic e del grop d'acid sulfonic; la segonda desulfurizacion se produtz pendent l'idroxilacion de l'acid 5-sulfosalicilic per l'acid salicilic 5-idroxilasa per formar l'acid gentisic, qu'intrèsse dins la via centrala del carbòni (Brilon et al., 1981) (Figura 4). Los enzims responsables de la degradacion de la naftalena son tanben responsables del metabolisme del sulfonat de naftalena (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figura 4. Vias metabolicas per la degradacion del sulfonat de naftalèna. Los nombres dins los cercles representan los enzims responsables del metabolisme del sulfonat de naftil, similars/identics als enzims descriches dins la FIG. 3.
Los HAP de bas pes molecular (LMW-HAP) son reductius, idrofòbs e mal solubles, e doncas pas susceptibles a la descomposicion/degradacion naturala. Pasmens, los microorganismes aerobics son capables de l'oxidar en absorbent l'oxigèn molecular (O2). Aquestes enzims apartenon subretot a la classa de las oxidoreductasas e pòdon efectuar divèrsas reaccions coma l'idroxilacion de l'anèl aromatic (mono- o dihidroxilacion), la desidrogenacion e la clivadura de l'anèl aromatic. Los produches obtenguts d'aquelas reaccions son dins un estat d'oxidacion mai naut e son mai aisidament metabolizats a travèrs la via centrala del carbòni (Phale et al., 2020). Los enzims dins la via de degradacion son estats reportats coma inducibles. L'activitat d'aqueles enzims es fòrça bassa o negligibla quand las cellulas son cultivadas sus de fonts de carbòni simplas coma la glucòsa o los acids organics. Lo tablèu 3 resumís los divèrses enzims (oxigenasas, idrolasas, desidrogenasas, oxidasas, etc.) implicats dins lo metabolisme de la naftalena e de sos derivats.
Tabla 3. Características bioquímicas de las enzimas responsables de la degradacion de la naftalena y sus derivados.
Los estudis de radioisotòps (18O2) an mostrat que l'incorporacion d'O2 molecular dins d'anèls aromatics per d'oxigenasas es l'estapa mai importanta per activar la biodegradacion ulteriora d'un compausat (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). L'incorporacion d'un atòm d'oxigèn (O) a partir de l'oxigèn molecular (O2) dins lo substrat es iniciada per de monooxigenasas endogènas o exogènas (tanben nomenadas idroxilasas). Un autre atòm d'oxigèn es redusit en aiga. Las monooxigenasas exogènas reduson la flavina amb NADH o NADPH, alara que dins las endomonooxigenasas la flavina es redusida pel substrat. La posicion de l'idroxilacion resulta en diversitat dins la formacion de produch. Per exemple, la salicilat 1-idroxilasa idroxila l'acid salicilic a la posicion C1, en formant lo catecol. D'un autre costat, la salicilat 5-idroxilasa multicomponenta (que conten de sosunitats reductasa, ferredoxina e oxigenasa) idroxila l'acid salicilic a la posicion C5, formant l'acid gentisic (Yamamoto et al., 1965).
Las dioxigenasas incorpòran dos atòms d'O2 dins lo substrat. Segon los produchs formats, son devesits en dioxigenasas idroxilantas d'anèl e dioxigenasas de scission d'anèl. Las dioxigenasas idroxilantas d'anèl convertisson los substrats aromatics en cis-diidrodiòls (per exemple, naftalèn) e son espandidas entre las bacterias. Fins ara, es estat mostrat que los organismes que contenon de dioxigenasas idroxilantas d'anèl son capables de créisser sus divèrsas fonts de carbòni aromatics, e aqueles enzims son classats coma NDO (naftalèn), toluèn dioxigenasa (TDO, toluèn), e bifenil dioxigenasa (BPDO, bifenil). Tant NDO coma BPDO pòdon catalizar la dobla oxidacion e l'idroxilacion de la cadena laterala de divèrses idrocarburs aromatics policiclics (toluèn, nitrotoluèn, xilen, etilbenzèn, naftalèn, bifenil, fluorèn, indòl, metilnaftalèn, naftalensulfonat, anetrenet, acetofenòn, etc.) (Boyd e Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO es un sistèma multicomponent consistent en una oxidoreductasa, una ferredoxina, e un compausant d'oxigenasa que conten un site actiu (Gibson e Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). L'unitat catalitica de NDO consistís en una granda sosunitat α e una pichona sosunitat β dispausadas dins una configuracion α3β3. NDO aparten a una granda familha d'oxigenasas e sa sosunitat α conten un site Rieske [2Fe-2S] e un fèrre non-ème mononuclear, que determina l'especificitat del substrat de NDO (Parales et al., 1998). Tipicament, dins un cicle catalitic, dos electrons de la reduccion del nucleotid de piridina son transferits a l'ion Fe(II) dins lo site actiu via una reductasa, una ferredoxina e un site de Rieske. Los equivalents reductors activan l'oxigèn molecular, qu'es un prerequisit per la dihidroxilacion del substrat (Ferraro et al., 2005). Fins ara, sonque qualques NDOs son estats purificats e caracterizats en detalh a partir de diferentas socas e lo contraròtle genetic de las vias implicadas dins la degradacion de la naftalina es estat estudiat en detalh (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Las dioxigenasas de scission d'anèls (enzims de scission endo- o orto-anèl e d'enzims de scission d'exodiòl o meta-anèl) agisson sus de compausats aromatics idroxilats. Per exemple, la dioxigenasa de scission d'orto-anèl es la catecol-1,2-dioxigenasa, alara que la dioxigenasa de scission de meta-anèl es la catecol-2,3-dioxigenasa (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). En mai de divèrsas oxigenasas, i a tanben divèrsas desidrogenasas responsablas de la desidrogenacion dels diidrodiòls aromatics, d'alcoòls e d'aldeïds e d'utilizar NAD+/NADP+ coma acceptors d'electrons, que son qualques unes dels enzims importants implicats dins lo metabolisme (Gibson e Subramanian, 1984; Shaw e Harayama, Farayama, 1900; Faraya et al., et al., et al. 2020).
Los enzims coma las idrolasas (esterasas, amidasas) son una segonda classa importanta d'enzims qu'utilizan l'aiga per fendre de ligams covalents e mòstran una especificitat de substrat larga. La carbaril idrolasa e d'autras idrolasas son consideradas coma de compausants del periplasma (transmembrana) dins de membres de bacterias Gram-negativas (Kamini et al., 2018). Lo carbaril a a l'encòp un ligam amida e un ligam d'èster; doncas, pòt èsser idrolizat siá per l'sterasa siá per l'amidasa per formar 1-naftol. Lo carbaril dins la soca Rhizobium rhizobium AC10023 e la soca Arthrobacter RC100 son estats reportats per foncionar coma una esterasa e una amidasa, respectivament. Lo carbaril dins la soca Arthrobacter RC100 fonciona tanben coma una amidasa. RC100 es estat mostrat per idrolizar quatre insecticidas de classa N-metilcarbamat coma carbaril, metomil, acid mefenamic e XMC (Hayaatsu et al., 2001). Foguèt raportat que CH dins Pseudomonas sp. C5pp pòt agir sus carbaril (100% d'activitat) e 1-naftil acetat (36% d'activitat), mas pas sus 1-naftilacetamida, çò qu'indica qu'es una esterasa (Trivedi et al., 2016).
D'estudis bioquimics, de modèls de regulacion de l'enzim, e d'analisi genetica an mostrat que los gèns de degradacion de la naftalèna son compausats de doas unitats regulatòrias induciblas o "operons": nah (la "via en amont", que convertís la naftalina en acid salicilic) e sal (la "via en aval", que convertís en acid salicylic central via la via centrala del carbòni catequilic). L'acid salicilic e sos analògs pòdon agir coma d'inductors (Shamsuzzaman e Barnsley, 1974). En preséncia de glucòsa o d'acids organics, l'operon es reprimit. La figura 5 mòstra l'organizacion genetica completa de la degradacion de la naftalina (en forma d'operon). Divèrsas variantas/formas nomenadas del gèn nah (ndo/pah/dox) son estadas descrichas e trobadas aver una omologia de sequéncia nauta (90%) demest totas las espècias de Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Los gèns de la via amont de naftalèna èran generalament dispausats dins un òrdre de consens coma mostrat dins la Figura 5A. Un autre gèn, nahQ, foguèt tanben reportat per èsser implicat dins lo metabolisme de la naftalina e èra generalament situat entre nahC e nahE, mas sa foncion reala demòra d'èsser elucidada. De manièra similara, lo gèn nahY, responsable de la quimiotaxis sensibla a la naftalina, foguèt trobat a l'extrèm distal de l'operon nah dins qualques membres. Dins Ralstonia sp., lo gèn U2 qu'encodifica la glutationa S-transferasa (gsh) foguèt trobat situat entre nahAa e nahAb mas afectèt pas las caracteristicas d'utilizacion de la naftalina (Zylstra et al., 1997).
Figura 5. Organizacion genetica e diversitat observadas pendent la degradacion de la naftalina demest las espècias bacterianas; (A) Via superiora de la naftalina, metabolisme de la naftalina a l'acid salicilic; (B) Via de naftalèna inferiora, acid salicilic via catecol cap a la via de carbòni centrala; (C) acid salicilic via gentizat cap a la via centrala del carbòni.
La "via inferiora" (operon sal) consistís tipicament en nahGTHINLMOKJ e convertís lo salicilat en piruvat e acetaldeïd via la via de scission de catecol metaring. Lo gèn nahG (codificant la salicilat idroxilasa) foguèt trobat conservat a l'extrèm proximal de l'operon (Fig. 5B). Comparat amb d'autras socas degradantas de naftalèna, dins P. putida CSV86 los operons nah e sal son en tandem e fòrça estrechament ligats (aperaquí 7,5 kb). Dins qualques bacterias Gram-negativas, coma Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, e P. putida AK5, la naftalèna es metabolizada coma un metabolit central de carbòni via la via de gentisat (jos la forma de l'operon sgp/nag). La casseta de gèns es tipicament representada jos la forma nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, ont nagR (en codificant un regulator de tipe LysR) es situat a l'extrèm superior (Figura 5C).
Lo carbaril dintra dins lo cicle central del carbòni via lo metabolisme de 1-naftol, 1,2-diidroxinaftalèn, d'acid salicilic, e d'acid gentisic (Figura 3). En foncion d'estudis genetics e metabolics, es estat prepausat de dividir aquel camin en "amont" (conversion de carbaril en acid salicilic), "mièg" (conversion de l'acid salicilic en acid gentisic), e "en aval" (conversion de l'acid gentisic en intermediaris de la via de carbòni central) (Sing et al., 2013). L'analisi genomica de C5pp (supercontig A, 76,3 kb) revelèt que lo gèn mcbACBDEF es implicat dins la conversion del carbaril en acid salicilic, seguit de mcbIJKL dins la conversion de l'acid salicilic en acid gentisic, e de mcbOQP dins la conversion d'acid de gentitic e d'intermediaris de carbonat central ( piruvat, Trivedi et al., 2016) (Figura 6).
S'es raportat que los enzims implicats dins la degradacion dels idrocarburs aromatics (inclusent lo naftalèn e l'acid salicilic) pòdon èsser induches pels compausats correspondents e inhibits per de fonts de carbòni simplas coma la glucòsa o los acids organics (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2019). D'entre las divèrsas vias metabolicas del naftalèn e de sos derivats, las caracteristicas regulatòrias del naftalèn e del carbaril son estadas estudiadas fins a una cèrta mesura. Per la naftalèna, los gèns dins las vias amont e aval son regulats per NahR, un regulator positiu trans-actiu de tipe LysR. Es requerit per l'induccion del gèn nah per l'acid salicilic e son expression de naut nivèl seguenta (Yen e Gunsalus, 1982). De mai, d'estudis an mostrat que lo factor òste integratiu (IHF) e XylR (regulator de transcripcion dependent de sigma 54) son tanben critics per l'activacion transcripcionala dels gèns dins lo metabolisme de la naftalina (Ramos et al., 1997). D'estudis an mostrat que d'enzims de la via de dobertura del meta-anèl de catecol, a saber la catecol 2,3-dioxigenasa, son induches en preséncia de naftalèn e/o d'acid salicilic (Basu et al., 2006). D'estudis an mostrat que d'enzims de la via de dobertura de l'orto-anèl de catecol, a saber la catecol 1,2-dioxigenasa, son induches en preséncia d'acid benzoïc e de cis,cis-muconat (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Dins la soca C5pp, cinc gèns, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR e mcbS, codifican de regulators apartenent a la familha LysR/TetR de regulators de transcripcion responsables de contrarotlar la degradacion del carbaril. Lo gèn omològ mcbG foguèt trobat mai estrechament ligat al regulator de tipe LysR PhnS (58% d'identitat d'aminoacids) implicat dins lo metabolisme del fenantren dins Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Lo gèn mcbH foguèt trobat implicat dins la via intermediària (conversion de l'acid salicilic en acid gentisic) e aparten al regulator de transcripcion de tipe LysR NagR/DntR/NahR dins Pseudomonas e Burkholderia. Los membres d'aquela familha foguèron reportats per reconéisser l'acid salicilic coma una molecula efectora especifica per l'induccion de gèns de degradacion. D'un autre costat, tres gèns, mcbN, mcbR e mcbS, apartenent als regulators de transcripcion de tipe LysR e TetR, foguèron identificats dins la via aval (metabolits de la via de carbòni centrala-gentisat).
Dins los procariòtas, los procèsses de transferiment de gèns orizontals (aquisicion, escambi, o transferiment) via plasmids, transposons, profags, illas genomicas, e elements conjugatius integratius (ICE) son de causas màgers de plasticitat dins los genòmas bacterians, menant al ganh o a la pèrda de foncions/traches especifics. Permet a las bacterias de s'adaptar rapidament a diferentas condicions environamentalas, provesissent d'avantatges metabolics adaptatius potencials a l'òste, coma la degradacion dels compausats aromatics. Los cambiaments metabolics son sovent atenguts a travèrs l'afinament dels operons de degradacion, lors mecanismes de regulacion, e las especificitats enzimaticas, çò que facilita la degradacion d'una gama mai larga de compausats aromatics (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Las cassetas de gèns per la degradacion de la naftalina son estadas trobadas situadas sus una varietat d'elements mobils coma de plasmids (conjugatius e non conjugatius), de transposons, de genòmas, d'ICEs, e de combinasons de diferentas espècias bacterianas (Figura 5). Dins Pseudomonas G7, los operons nah e sal del plasmid NAH7 son transcriches dins la meteissa orientacion e fan partida d'un transposon defectuós que necessita la transposasa Tn4653 per la mobilizacion (Sota et al., 2006). Dins la soca Pseudomonas NCIB9816-4, lo gèn foguèt trobat sul plasmid conjugatiu pDTG1 coma dos operons (aperaquí 15 kb d'espaci) que foguèron transcrichs dins de direccions opausadas (Dennis e Zylstra, 2004). Dins la soca Pseudomonas putida AK5, lo plasmid non conjugatiu pAK5 codifica l'enzim responsable de la degradacion de la naftalina via la via de gentisat (Izmalkova et al., 2013). Dins la soca Pseudomonas PMD-1, l'operon nah es situat sul cromosòma, alara que l'operon sal es situat sul plasmid conjugatiu pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Pasmens, dins Pseudomonas stutzeri AN10, totes los gèns de degradacion de naftalèna (operons nah e sal) son situats sul cromosòma e son presumidament recrutats a travèrs d'eveniments de transposicion, de recombinacion e de reorganizacion (Bosch et al., 2000). Dins Pseudomonas sp. CSV86, los operons nah e sal son situats dins lo genòma jos la forma d'ICE (ICECSV86). L'estructura es protegida per tRNAGly seguida de repeticions dirèctas indicant de sites de recombinacion/apèch (attR e attL) e una integrasa similara a un fag situada a las doas extremitats de tRNAGly, aital estructuralament similara a l'element ICEclc (ICEclcB13 dins Pseudomonas knackmusii per la degradacion del chlorocatechol). S'es raportat que los gèns sus ICE pòdon èsser transferits per conjugacion amb una frequéncia de transferiment extrèmament bassa (10-8), transferissent aital de proprietats de degradacion al destinatari (Basu e Phale, 2008; Phale et al., 2019).
La màger part dels gèns responsables de la degradacion del carbaril son situats sus de plasmids. Arthrobacter sp. RC100 conten tres plasmids (pRC1, pRC2 e pRC300) que dos plasmids conjugatius, pRC1 e pRC2, codifican los enzims que convertisson lo carbaril en gentizat. D'un autre costat, los enzims implicats dins la conversion del gentisat als metabolits centrals de carbòni son situats sul cromosòma (Hayaatsu et al., 1999). Bactèris del gènere Rhizobium. La soca AC100, utilizada per la conversion de carbaril en 1-naftol, conten lo plasmid pAC200, que pòrta lo gèn cehA que codifica CH coma partida del transposon Tnceh enrodat de sequéncias similaras a l'element d'insercion (istA e istB) (Hashimoto et al., 2002). Dins la soca Sphingomonas CF06, se crei que lo gèn de degradacion del carbaril es present dins cinc plasmids: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, e pCF05. L'omologia de l'ADN d'aqueles plasmids es nauta, çò qu'indica l'existéncia d'un eveniment de duplicacion de gèns (Feng et al., 1997). Dins un simbiont degradant de carbarils compausat de doas espècias de Pseudomonas, la soca 50581 conten un plasmid conjugatiu pCD1 (50 kb) que codifica lo gèn de l'idrolasa de carbaril mcd, alara que lo plasmid conjugatiu de la soca 50552 codifica un encodant 1-naftodezid Cdlamad (C Chaudhry, 1991). Dins la soca Achromobacter WM111, lo gèn mcd furadan hydrolase es situat sus un plasmid de 100 kb (pPDL11). Aqueste gèn es estat mostrat present sus diferents plasmids (100, 105, 115 o 124 kb) dins diferents bactèris de diferentas regions geograficas (Parekh et al., 1995). Dins Pseudomonas sp. C5pp, totes los gèns responsables de la degradacion del carbaril son situats dins un genòma que s'espandís sus 76,3 kb de sequéncia (Trivedi et al., 2016). L'analisi del genòma (6,15 Mb) revelèt la preséncia de 42 MGEs e 36 GEIs, que 17 MGEs èran situats dins lo supercontig A (76,3 kb) amb un contengut asimetric mejan de G+C (54–60 mol%), çò que suggerís d'eveniments possibles de transferiment de gèns orizontals (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 mòstra un arrengament similar de gèns degradants de carbarils, mas aqueles gèns son situats sus un plasmid (Zhu et al., 2019).
En mai de l'eficiéncia metabolica als nivèls bioquimics e genomics, los microorganismes mòstran tanben d'autras proprietats o responsas coma la quimiotaxis, las proprietats de modificacion de la superfícia cellulara, la compartimentacion, l'utilizacion preferenciala, la produccion de biosurfactants, etc., que los ajudan a metabolizar mai eficaçament los polluents aromatics dins d'environaments contaminats (Figura 7).
Figura 7. Diferentas estrategias de responsa cellulara de bacterias degradantas d'idrocarburs aromatics ideals per una biodegradacion eficienta de compausats polluents estrangièrs.
Las responsas quimiotacticas son consideradas coma de factors que melhoran la degradacion dels polluents organics dins d'ecosistèmas eterogenèament polluits. (2002) demostrèt que la quimiotaxis de Pseudomonas sp. G7 a la naftalina aumentèt lo taus de degradacion de la naftalina dins los sistèmas aquatics. La soca G7 de tipe salvatge degradèt la naftalina fòrça mai rapidament qu'una soca mutanta deficienta en quimiotaxis. La proteïna NahY (538 aminoacids amb topologia de membrana) foguèt trobada co-transcricha amb los gèns de la via de metaclevage sul plasmid NAH7, e coma los transductors de quimiotaxi, aquela proteïna sembla foncionar coma un quimioreceptor per la degradacion de la naftalina (Grimm e Harwood 1997). Un autre estudi de Hansel et al. (2009) mostrèt que la proteïna es quimiotactica, mas son taus de degradacion es naut. (2011) demostrèt una responsa quimiotactica de Pseudomonas (P. putida) a la naftalina gasosa, ont la difusion de fasa gasosa resultèt en un flux constant de naftalina cap a las cellulas, çò que contrarotlava la responsa quimiotactica de las cellulas. Los cercaires esplechèron aquel comportament quimiotactic per engenhar de microbis que melhorarián lo taus de degradacion. D'estudis an mostrat que las vias quimiosensorialas regulan tanben d'autras foncions cellularas coma la division cellulara, la regulacion del cicle cellular e la formacion de biofilm, ajudant aital a contrarotlar lo taus de degradacion. Pasmens, l'aprofichament d'aquela proprietat (quimotaxi) per una degradacion eficienta es empachat per divèrses còls d'embotelha. Los obstacles màgers son: (a) diferents receptors paralògs reconeisson los meteisses compausats/ligands; (b) existéncia de receptors alternatius, es a dire, tropisme energetic; (c) diferéncias de sequéncia significativas dins los domenis sensorials de la meteissa familha de receptors; e (d) manca d'informacion sus las principalas proteïnas captoras bacterianas (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). De còps, la biodegradacion dels idrocarburs aromatics produtz de metabolits/intermediaris multiples, que pòdon èsser quimiotactics per un grop de bacterias mas repulsius per d'autres, çò que complica encara mai lo procès. Per identificar las interaccions dels ligands (idrocarburs aromatics) amb de receptors quimics, construguèrem de proteïnas de captor ibridas (PcaY, McfR, e NahY) en fusionant los domenis de captor e de senhalament de Pseudomonas putida e Escherichia coli, que ciblan los receptors pels acids aromatics, los intermediaris TCA, nathale, respectivament (Lu et al., et al. 2019).
Jos l'influéncia del naftalèn e d'autres idrocarburs aromatics policiclics (HAP), l'estructura de la membrana bacteriana e l'integritat dels microorganismes patisson de cambiaments significatius. D'estudis an mostrat que la naftalèna interferís amb l'interaccion de la cadena acil a travèrs d'interaccions idrofòbas, aumentant aital l'inflamacion e la fluiditat de la membrana (Sikkema et al., 1995). Per contrarotlar aquel efièch perjudicial, los bactèris regulan la fluiditat de la membrana en cambiant lo rapòrt e la composicion d'acids grasses entre los acids grasses de cadena ramificada iso/anteiso e en isomerisant los acids grasses cis-insaturats dins los trans-isomèrs correspondents (Heipieper e de Bont, 1994). Dins Pseudomonas stutzeri cultivat amb tractament de naftalèna, lo rapòrt d'acids grasses saturats a insaturats aumentèt de 1,1 a 2,1, alara que dins Pseudomonas JS150 aquel rapòrt aumentèt de 7,5 a 12,0 (Mrozik et al., 2004). Quand èran cultivadas sus naftalèn, las cellulas Achromobacter KAs 3–5 mostrèron una agregacion cellulara a l'entorn de cristals de naftalèn e una diminucion de la carga de superfícia cellulara (de -22,5 a -2,5 mV) acompanhada de condensacion citoplasmica e de vacuolizacion, çò qu'indica de cambiaments dins l'estructura cellulara e las proprietats de la superfícia cellulara (Mohapatra et al., 2019). E mai se los cambiaments cellulars/superficials son dirèctament associats a una melhora absorpcion de polluents aromatics, las estrategias de bioengenharia pertinentas son pas estadas completament optimizadas. La manipulacion de la forma de la cellula es estada rarament utilizada per optimizar los procèsses biologics (Volke e Nikel, 2018). La supression dels gèns qu'afectan la division cellulara provoca de cambiaments dins la morfologia cellulara. La supression dels gèns qu'afectan la division cellulara provoca de cambiaments dins la morfologia cellulara. Dins Bacillus subtilis, la proteïna del septum cellular SepF es estada mostrada implicada dins la formacion del septum e es necessària per las estapas seguentas de la division cellulara, mas es pas un gèn essencial. La supression de gèns que codifican las idrolasas peptidicas glicanas dins Bacillus subtilis resultèt en un alongament cellular, un taus de creissença especific aumentat, e una capacitat de produccion d'enzims melhorada (Cui et al., 2018).
La compartimentacion de la via de degradacion del carbaril es estada prepausada per aténher una degradacion eficienta de las socas Pseudomonas C5pp e C7 (Kamini et al., 2018). Es prepausat que lo carbaril es transportat dins l'espaci periplasmic a travèrs lo septum de la membrana exteriora e/o a travèrs de porinas difusiblas. Lo CH es un enzim periplasmic que cataliza l'idrolisi del carbaril a 1-naftol, qu'es mai estable, mai idrofòb e mai toxic. CH es localizat dins lo periplasma e a una afinitat bassa pel carbaril, contrarotlant aital la formacion de 1-naftol, en empedissent aital son acumulacion dins las cellulas e en redusent sa toxicitat per las cellulas (Kamini et al., 2018). Lo 1-naftol resultant es transportat dins lo citoplasma a travèrs la membrana intèrna per particionament e/o difusion, e es alara idroxilat a 1,2-diidroxinaftalèn per l'enzim d'afinitat nauta 1NH per un metabolisme suplementari dins la via centrala del carbòni.
E mai se los microorganismes an las capacitats geneticas e metabolicas de degradar las fonts de carbòni xenobiotics, l'estructura ierarquica de lor utilizacion (es a dire, l'utilizacion preferenciala de fonts de carbòni simplas sus complèxas) es un obstacle màger a la biodegradacion. La preséncia e l'utilizacion de fonts de carbòni simplas desregula los gèns que codifican d'enzims que degradan de fonts de carbòni complèxas/non preferidas coma los HAP. Un exemple plan estudiat es que quand la glucòsa e la lactòsa son co-alimentats a Escherichia coli, la glucòsa es utilizada mai eficaçament que la lactòsa (Jacob e Monod, 1965). Pseudomonas es estat reportat per degradar una varietat de PAHs e de compausats xenobiotics coma fonts de carbòni. La ierarquia de l'utilizacion de las fonts de carbòni dins Pseudomonas es los acids organics > glucòsa > compausats aromatics (Hylemon e Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Pasmens, i a una excepcion. Curiosament, Pseudomonas sp. CSV86 mòstra una estructura ierarquica unica qu'utiliza preferéncialament d'idrocarburs aromatics (acid benzoïc, naftalèn, etc.) puslèu que de glucòsa e cometaboliza los idrocarburs aromatics amb d'acids organics (Basu et al., 2006). Dins aquel bactèri, los gèns per la degradacion e lo transpòrt dels idrocarburs aromatics son pas desregulats quitament en preséncia d'una segonda font de carbòni coma la glucòsa o los acids organics. Quand èra cultivat dins de mitan de glucòsa e d'idrocarburs aromatics, s'observèt que los gèns pel transpòrt e lo metabolisme de glucòsa èran desregulats, los idrocarburs aromatics èran utilizats dins la primièra fasa log, e la glucòsa èra utilizada dins la segonda fasa log (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). D'un autre costat, la preséncia d'acids organics afectèt pas l'expression del metabolisme d'idrocarburs aromatics, doncas aquel bactèri es previst per èsser una soca candidata pels estudis de biodegradacion (Phale et al., 2020).
Es plan conegut que la biotransformacion dels idrocarburs pòt causar l'estrès oxidatiu e una regulacion superiora dels enzims antioxidants dins los microorganismes. La biodegradacion ineficienta del naftalèn tant dins las cellulas de fasa estacionària coma en preséncia de compausats toxics mena a la formacion d'espècias d'oxigèn reactivas (ROS) (Kang et al. 2006). Coma los enzims degradants de naftalèn contenon d'amassas de fèrre-sofre, jos estrès oxidatiu, lo fèrre dins l'ème e las proteïnas de fèrre-sofre seràn oxidats, menant a l'inactivacion de las proteïnas. La ferredoxina-NADP+ reductasa (Fpr), amassa amb la superoxid dismutasa (SOD), media la reaccion redox reversibla entre NADP+/NADPH e doas moleculas de ferredoxina o flavodoxina, escafant aital ROS e restablissent lo centre fèrre-sofre jos estrès oxidatiu (Li et al. 2006). S'es raportat que tant Fpr coma SodA (SOD) dins Pseudomonas pòdon èsser induches per l'estrès oxidatiu, e d'activitats aumentadas de SOD e de catalasa foguèron observadas dins quatre socas de Pseudomonas (O1, W1, As1, e G1) pendent la creissença jos condicions apondudas de naftalina (Kang et al., 2006). D'estudis an mostrat que l'addicion d'antioxidants coma l'acid ascòrbic o lo fèrre ferrós (Fe2+) pòt aumentar lo taus de creissença de la naftalèna. Quand Rhodococcus erythropolis creissiá dins un mitan naftalèn, la transcripcion dels gèns del citocròm P450 ligats a l'estrès oxidatiu inclusent sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase), e recA foguèt aumentada (Sazykin et al., 2019). L'analisi proteòmica quantitativa comparativa de las cellulas de Pseudomonas cultivadas dins de naftalèn mostrèt que la regulacion superiora de divèrsas proteïnas associadas a la responsa a l'estrès oxidatiu es una estrategia d'afrontament a l'estrès (Herbst et al., 2013).
Los microorganismes son estats reportats per produire de biosurfactants jos l'accion de fonts de carbòni idrofòbas. Aquestes tensioactius son de compausats actius de superfícia anfifils que pòdon formar d'agregats a d'interfàcias òli-aiga o aire-aiga. Aquò promòu la pseudo-solubilizacion e facilita l'adsorpcion d'idrocarburs aromatics, çò que resulta en una biodegradacion eficienta (Rahman et al., 2002). A causa d'aquelas proprietats, los biosurfactants son largament utilizats dins divèrsas industrias. L'addicion de tensioactius quimics o de biosurfactants a de culturas bacterianas pòt melhorar l'eficiéncia e lo taus de degradacion dels idrocarburs. Demest los biosurfactants, los ramnolipids produches per Pseudomonas aeruginosa son estats largament estudiats e caracterizats (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). De mai, d'autres tipes de biosurfactants incluson de lipopeptides (mucinas de Pseudomonas fluorescens), l'emulsionaire 378 (de Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg e Ron, 1999), de lipids disacarids de trehalòsa de Rhodococcus (Ramdahl, 1988), de lichen e Bacillus de Sacillus (Sacillus, 2002), e tensioactiu de Bacillus subtilis (Siegmund e Wagner, 1991) e Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Aquestes tensioactius potents an mostrat de reduire la tension superficiala de 72 dinas/cm a mens de 30 dinas/cm, permetent una melhora absorpcion d'idrocarburs. S'es raportat que Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia e d'autras espècias bacterianas pòdon produire divèrses biosurfactants basats sus de ramnolipids e de glicolipids quand son cultivats dins de mèdias de naftalèna e de metilnaftalèn (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 pòt produire un biosurfactant extracellular Biosur-Pm quand es cultivat sus de compausats aromatics coma l'acid naftoïc (Phale et al., 1995). La cinetica de la formacion de Biosur-Pm mostrèt que sa sintèsi es un procès dependent de la creissença e del pH. Se trobèt que la quantitat de Biosur-Pm produsida per de cellulas a pH neutre èra mai nauta qu'aquela a pH 8,5. Las cellulas cultivadas a pH 8,5 èran mai idrofòbas e avián una afinitat mai nauta pels compausats aromatics e alifatics que las cellulas cultivadas a pH 7,0. Dins Rhodococcus spp. N6, un rapòrt carbòni/azòt (C:N) mai naut e una limitacion de fèrre son de condicions optimalas per la produccion de biosurfactants extracellulars (Mutalik et al., 2008). D'ensags son estats faches per melhorar la biosintèsi dels biosurfactants (surfactinas) en optimizant las socas e la fermentacion. Pasmens, lo títol de tensioactiu dins lo mitan de cultura es bas (1,0 g/L), çò que pausa un desfís per la produccion a granda escala (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Doncas, de metòdes d'engenharia genetica son estats utilizats per melhorar sa biosintèsi. Pasmens, sa modificacion d'engenharia es malaisida a causa de la granda talha de l'operon (∼25 kb) e de la regulacion biosintetica complèxa del sistèma de deteccion de quorum (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Un fum de modificacions d'engenharia genetica son estadas menadas a tèrme dins las bacterias Bacillus, subretot destinadas a aumentar la produccion de surfactina en remplaçant lo promotor (operon srfA), en subreexprimissent la proteïna d'exportacion de surfactina YerP e los factors regulators ComX e PhrC (Jiao et al., 2017). Pasmens, aquelei metòdes d'engenharia genetica an capitat qu'una o qualques modificacions geneticas e an pas encara atench la produccion comerciala. Doncas, un estudi suplementari dels metòdes d'optimizacion basats sus la coneissença es necessari.
Los estudis de biodegradacion de HAP son subretot menats dins de condicions de laboratòri estandard. Pasmens, dins de sites contaminats o dins d'environaments contaminats, fòrça factors abiotics e biotics (temperatura, pH, oxigèn, disponibilitat de nutriments, biodisponibilitat del substrat, d'autres xenobiotics, inibicion del produch final, etc.) an mostrat per alterar e influenciar la capacitat degradativa dels microorganismes.
La temperatura a un efièch significatiu sus la biodegradacion dels HAP. A mesura que la temperatura aumenta, la concentracion d'oxigèn dissolgut disminuís, çò qu'afecta lo metabolisme dels microorganismes aerobics, doncas que necessitan l'oxigèn molecular coma un dels substrats per las oxigenasas qu'efectuan de reaccions d'idroxilacion o de scission d'anèl. Es sovent notat que la temperatura elevada convertís los HAP parents en compausats mai toxics, en inibissent aital la biodegradacion (Muller et al., 1998).
S'es notat que fòrça sites contaminats amb HAP an de valors de pH extrèmas, coma los sites contaminats pel drenatge de las minas acida (pH 1-4) e los sites de gasificacion de gas natural/carbon contaminats amb de lixiviat alcalin (pH 8-12). Aquelas condicions pòdon afectar seriosament lo procès de biodegradacion. Doncas, abans d'utilizar de microorganismes per la bioremediacion, es recomandat d'ajustar lo pH en apondent de substàncias quimicas adequadas (amb un potencial d'oxidacion-reduccion moderat a fòrça bas) coma lo sulfat d'amòni o lo nitrat d'amoni pels sòls alcalins o la calcalizacion amb de carbonat de calci o de carbonat de magnèsi pels sites acids (Bow et Gulen et 1955; Sar 2020).
L'avitalhament d'oxigèn a l'airal afectat es lo factor limitant de velocitat per la biodegradacion de l'HAP. A causa de las condicions redox de l'environament, los procèsses de bioremediacion in situ demandan generalament una introduccion d'oxigèn de fonts extèrnas (laurament, espargement d'aire, e apond quimic) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) demostrèt que l'addicion de peroxid de magnèsi (un compausat liberant d'oxigèn) a un aquifèr contaminat poiriá bioremediar eficaçament los compausats BTEX. Un autre estudi investiguèt la degradacion in situ del fenòl e del BTEX dins un aquifèr contaminat en injectant de nitrat de sòdi e en bastir de potzes d'extraccion per aténher una bioremediacion eficaça (Bewley e Webb, 2001).