L'articulu face parte di u tema di ricerca "Tecnulugie avanzate di biorimediazione è prucessi di riciclaggio di cumposti organici sintetici (SOC)". Vede tutti i 14 articuli
L'idrocarburi aromatichi policiclichi (IPA) di bassu pesu moleculare cum'è a naftalene è i naftaleni sustituiti (metilnaftalene, acidu naftoicu, 1-naftil-N-metilcarbammato, ecc.) sò largamente usati in varie industrie è sò genotossici, mutageni è/o cancerogeni per l'organismi. Quessi cumposti organici sintetici (SOC) o xenobiotici sò cunsiderati inquinanti prioritari è rapprisentanu una seria minaccia per l'ambiente glubale è a salute publica. L'intensità di l'attività umane (per esempiu, a gassificazione di u carbone, a raffinazione di u petroliu, l'emissioni di i veiculi è l'applicazioni agricule) determina a cuncentrazione, u destinu è u trasportu di sti cumposti ubiquitarii è persistenti. Oltre à i metudi di trattamentu/rimozione fisichi è chimichi, e tecnulugie verdi è rispettose di l'ambiente cum'è a biorisanamentu, chì utilizanu microrganismi capaci di degradà cumpletamente i POC o di cunvertisceli in sottoprodotti non tossichi, sò emerse cum'è una alternativa sicura, economica è promettente. Diverse spezie batteriche appartenenti à i phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, è Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus è Paenibacillus), è Actinobacteria (Rhodococcus è Arthrobacter) in a microbiota di u terrenu anu dimustratu a capacità di degradà diversi cumposti organici. Studi metabolichi, genomica è analisi metagenomica ci aiutanu à capisce a cumplessità catabolica è a diversità prisente in queste forme di vita simplici, chì ponu esse applicate ulteriormente per una biodegradazione efficiente. L'esistenza à longu andà di l'IPA hà purtatu à l'emergenza di novi fenotipi di degradazione per via di u trasferimentu urizzuntale di geni utilizendu elementi genetichi cum'è plasmidi, trasposoni, batteriofagi, isule genomiche è elementi cuniugativi integrativi. A biologia di i sistemi è l'ingegneria genetica di isolati specifici o cumunità mudellu (consorzii) ponu permette una biorisanamentu cumpleta, rapida è efficiente di questi IPA per via di effetti sinergichi. In questa rivista, ci cuncentramu nantu à e diverse vie metaboliche è a diversità, a cumpusizione è a diversità genetica, è e risposte/adattazioni cellulari di naftalene è di batteri sustituiti chì degradanu a naftalene. Questu furnisce informazioni ecologiche per l'applicazione in u campu è l'ottimisazione di e ceppe per una biorimediazione efficiente.
U sviluppu rapidu di l'industrie (petrochimica, agricultura, farmaceutica, coloranti tessili, cusmetichi, ecc.) hà cuntribuitu à a prosperità ecunomica mundiale è à u migliuramentu di u livellu di vita. Stu sviluppu esponenziale hà purtatu à a pruduzzione di un gran numeru di cumposti organici sintetici (SOC), chì sò aduprati per fabricà diversi prudutti. Quessi cumposti stranieri o SOC includenu idrocarburi aromatichi policiclici (IPA), pesticidi, erbicidi, plastificanti, coloranti, farmaceutici, organofosfati, ritardanti di fiamma, solventi organici volatili, ecc. Sò emessi in l'atmosfera, in l'ecosistemi acquatici è terrestri induve anu impatti multidimensionali, causendu effetti dannosi nantu à varie bioforme per via di l'alterazione di e proprietà fisico-chimiche è di a struttura di a cumunità (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Parechji inquinanti aromatichi anu impatti forti è distruttivi nantu à parechji ecosistemi/punti caldi di biodiversità intatti (per esempiu, barriere coralline, calotte glaciali artiche/antartiche, laghi d'alta muntagna, sedimenti di mare prufondu, ecc.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Studi geomicrobiologichi recenti anu dimustratu chì a deposizione di materia organica sintetica (per esempiu, inquinanti aromatichi) è i so derivati ​​nantu à e superfici di strutture artificiali (ambiente custruitu) (per esempiu, siti di u patrimoniu culturale è munumenti fatti di granitu, petra, legnu è metallu) accelera a so degradazione (Gadd 2017; Liu et al. 2018). L'attività umane ponu intensificà è aggravà a degradazione biologica di munumenti è edifici per via di l'inquinamentu atmosfericu è di u cambiamentu climaticu (Liu et al. 2020). Quessi contaminanti organici reagiscenu cù u vapore acqueo in l'atmosfera è si depositanu nantu à a struttura, causendu a degradazione fisica è chimica di u materiale. A biodegradazione hè largamente ricunnisciuta cum'è cambiamenti indesiderati in l'aspettu è e proprietà di i materiali causati da organismi viventi chì affettanu a so preservazione (Pochon è Jaton, 1967). L'ulteriore azzione microbica (metabolismu) di sti cumposti pò riduce l'integrità strutturale, l'efficacità di a cunservazione è u valore culturale (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). D’altronde, in certi casi, l'adattazione microbica è a risposta à ste strutture sò state trovate benefiche, postu chì formanu biofilm è altre croste protettive chì riducenu u ritmu di decadimentu/decomposizione (Martino, 2016). Dunque, u sviluppu di strategie di cunservazione sustenibili à longu andà è efficaci per i munumenti di petra, metallu è legnu richiede una cunniscenza approfondita di i prucessi chjave implicati in questu prucessu. In paragone cù i prucessi naturali (prucessi geologichi, incendi forestali, eruzioni vulcaniche, reazioni di e piante è di i batteri), l'attività umane risultanu in u rilasciu di grandi volumi d'idrocarburi aromatichi policiclichi (IPA) è altru carbone organicu (OC) in l'ecosistemi. Parechji IPA utilizati in agricultura (insetticidi è pesticidi cum'è DDT, atrazina, carbaril, pentaclorofenolu, ecc.), industria (petroliu grezzu, fanghi/rifiuti di petroliu, plastiche derivate da u petroliu, PCB, plastificanti, detergenti, disinfettanti, fumiganti, fragranze è conservanti), prudutti di cura persunale (creme solari, disinfettanti, repellenti per insetti è muschi policiclici) è munizioni (esplosivi cum'è 2,4,6-TNT) sò putenziali xenobiotici chì ponu avè un impattu nantu à a salute planetaria (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna è Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Questa lista pò esse allargata per include cumposti derivati ​​da u petroliu (olii combustibili, lubrificanti, asfalteni), bioplastiche à altu pesu moleculare è liquidi ionichi (Amde et al., 2015). A Tavula 1 elenca vari inquinanti aromatichi è e so applicazioni in varie industrie. In l'ultimi anni, l'emissioni antropogeniche di cumposti organici volatili, è ancu di diossidu di carbonu è altri gas serra, anu cuminciatu à aumentà (Dvorak et al., 2017). Tuttavia, l'impatti antropogenichi superanu significativamente quelli naturali. Inoltre, avemu trovu chì un certu numeru di SOC persistenu in parechji ambienti ambientali è sò stati identificati cum'è inquinanti emergenti cù effetti negativi nantu à i biomi (Figura 1). L'agenzie ambientali cum'è l'Agenzia di Prutezzione Ambientale di i Stati Uniti (USEPA) anu inclusu parechji di questi inquinanti in a so lista di priorità per via di e so proprietà citotossiche, genotossiche, mutagene è cancerogene. Dunque, sò necessarie normative strette per u smaltimentu è strategie efficaci per u trattamentu / a rimozione di i rifiuti da l'ecosistemi contaminati. Diversi metudi di trattamentu fisicu è chimicu cum'è a pirolisi, u trattamentu termicu ossidativu, l'aerazione di l'aria, u smaltimentu in discarica, l'incenerazione, ecc. sò inefficaci è costosi è generanu sottoprodotti corrosivi, tossichi è difficiuli da trattà. Cù a crescente cuscenza ambientale mundiale, i microorganismi capaci di degradà questi inquinanti è i so derivati ​​(cum'è alogenati, nitro, alchili è/o metili) stanu attirendu una attenzione crescente (Fennell et al., 2004; Haritash è Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). L'usu di questi microorganismi candidati indigeni soli o in culture miste (culonie) per a rimozione di inquinanti aromatichi hà vantaghji in termini di sicurezza ambientale, costu, efficienza, efficacia è sustenibilità. I ​​circadori stanu ancu esplorendu l'integrazione di prucessi microbici cù metudi redox elettrochimici, vale à dì sistemi bioelettrochimici (BES), cum'è una tecnulugia promettente per u trattamentu/rimozione di inquinanti (Huang et al., 2011). A tecnulugia BES hà attiratu una attenzione crescente per via di a so alta efficienza, u so bassu costu, a so sicurezza ambientale, u so funziunamentu à temperatura ambiente, i so materiali biocompatibili è a capacità di recuperà sottoprodotti preziosi (per esempiu, elettricità, carburante è chimichi) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). L'avventu di u sequenziamentu di u genomu à altu rendimentu è di i strumenti/metudi omici hà furnitu una ricchezza di nuove informazioni nantu à a regulazione genetica, a proteomica è a flussomica di e reazioni di vari microrganismi degradanti. A cumbinazione di questi strumenti cù a biologia di i sistemi hà ulteriormente miglioratu a nostra comprensione di a selezzione è di a messa a puntu di e vie cataboliche bersaglio in i microrganismi (vale à dì, u disignu metabolicu) per ottene una biodegradazione efficiente è efficace. Per cuncepisce strategie di biorimediazione efficaci utilizendu microrganismi candidati adatti, avemu bisognu di capisce u putenziale biochimicu, a diversità metabolica, a cumpusizione genetica è l'ecologia (autoecologia/sinecologia) di i microrganismi.
Fig. 1. Fonti è percorsi di IPA à bassa molecula attraversu diversi ambienti ambientali è diversi fattori chì affettanu a biota. E linee tratteggiate rapprisentanu l'interazioni trà l'elementi di l'ecosistema.
In questa rivista, avemu pruvatu à riassume i dati nantu à a degradazione di IPA simplici cum'è a naftalene è i naftaleni sustituiti da diversi isolati batterici chì coprenu e vie metaboliche è a diversità, l'enzimi implicati in a degradazione, a cumpusizione/cuntenutu è a diversità di i geni, e risposte cellulari è diversi aspetti di a biorimediazione. A capiscitura di i livelli biochimichi è moleculari aiuterà à identificà ceppi ospiti adatti è a so ulteriore ingegneria genetica per una biorimediazione efficace di tali inquinanti prioritari. Questu aiuterà à sviluppà strategie per a creazione di consorzi batterici specifici per u situ per una biorimediazione efficace.
A prisenza di un gran numeru di cumposti aromatichi tossichi è periculosi (chì suddisfanu a regula di Huckel 4n + 2π elettroni, n = 1, 2, 3, ...) rapprisenta una seria minaccia per diversi mezi ambientali cum'è l'aria, u terrenu, i sedimenti è l'acqua superficiale è sotterranea (Puglisi et al., 2007). Quessi cumposti anu anelli benzenici singuli (monociclichi) o anelli benzenici multipli (policiclichi) disposti in forma lineare, angulare o à grappoli è mostranu stabilità (stabilità/instabilità) in l'ambiente per via di l'alta energia di risonanza negativa è di l'inerzia (inerzia), chì pò esse spiegata da a so idrofobicità è da u so statu riduttu. Quandu l'anellu aromaticu hè ulteriormente rimpiazzatu da gruppi metilici (-CH3), carbossilici (-COOH), idrossilici (-OH) o sulfonati (-HSO3), diventa più stabile, hà una affinità più forte per e macromolecule è hè bioaccumulativu in i sistemi biologichi (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Certi idrocarburi aromatichi policiclichi di bassu pesu moleculare (LMWAH), cum'è a naftalene è i so derivati ​​[metilnaftalene, acidu naftoicu, naftalenesulfonatu è 1-naftil N-metilcarbammato (carbaril)], sò stati inclusi in a lista di inquinanti organici prioritari da l'Agenzia di Prutezzione Ambientale di i Stati Uniti cum'è genotossici, mutageni è/o cancerogeni (Cerniglia, 1984). U rilasciu di sta classa di NM-PAH in l'ambiente pò purtà à a bioaccumulazione di sti cumposti à tutti i livelli di a catena alimentaria, affettendu cusì a salute di l'ecosistemi (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
E fonti è e vie di l'IPA versu a biota sò principalmente per via di a migrazione è di l'interazzione trà i diversi cumpunenti di l'ecosistema cum'è u terrenu, l'acqua sutterranea, l'acqua superficiale, e culture è l'atmosfera (Arey è Atkinson, 2003). A Figura 1 mostra l'interazzione è a distribuzione di diversi IPA di bassu pesu moleculare in l'ecosistemi è e so vie di esposizione à a biota/umana. L'IPA sò depositati nantu à e superfici per via di l'inquinamentu atmosfericu è per via di a migrazione (deriva) di l'emissioni di i veiculi, di i gas di scaricu industriali (gassificazione di u carbone, combustione è pruduzzione di coke) è di a so deposizione. L'attività industriali cum'è a fabricazione di tessili sintetici, tinture è pitture; a cunservazione di u legnu; a trasfurmazione di a gomma; l'attività di fabricazione di cimentu; a pruduzzione di pesticidi; è l'applicazioni agricule sò e principali fonti di IPA in i sistemi terrestri è acquatichi (Bamforth è Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Studi anu dimustratu chì i terreni in e zone suburbane è urbane, vicinu à l'autostrade è in e grande cità sò più suscettibili à l'idrocarburi aromatichi policiclichi (IPA) per via di l'emissioni di e centrali elettriche, u riscaldamentu residenziale, i carichi di trafficu aereu è stradale è l'attività di custruzzione (Suman et al., 2016). (2008) hà dimustratu chì l'IPA in u terrenu vicinu à e strade in New Orleans, Louisiana, USA eranu alti finu à 7189 μg/kg, mentre chì in u spaziu apertu, eranu solu 2404 μg/kg. In listessu modu, livelli di IPA finu à 300 μg/kg sò stati segnalati in zone vicine à i siti di gassificazione di u carbone in parechje cità di i Stati Uniti (Kanaly è Harayama, 2000; Bamforth è Singleton, 2005). I terreni di varie cità indiane cum'è Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni è Venkataraman, 2000) è Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) sò stati signalati per cuntene alte concentrazioni di IPA. I cumposti aromatichi sò più facilmente adsorbiti nantu à e particelle di u terrenu, a materia urganica è i minerali argillosi, diventendu cusì i principali pozzi di carbone in l'ecosistemi (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). E principali fonti di IPA in l'ecosistemi acquatici sò e precipitazioni (precipitazioni umide/secche è vapore acqueo), u deflussu urbanu, u scaricu di acque reflue, a ricarica di acque sotterranee ecc. (Srogi, 2007). Si stima chì circa l'80% di l'IPA in l'ecosistemi marini sò derivati ​​da precipitazioni, sedimentazione è scaricu di rifiuti (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Concentrazioni più elevate di IPA in l'acqua superficiale o in u percolatu da i siti di smaltimentu di rifiuti solidi finiscinu per perde in l'acqua sottuterranea, rapprisentendu una minaccia maiò per a salute publica postu chì più di u 70% di a pupulazione in l'Asia Meridionale è Sudorientale beie acqua sottuterranea (Duttagupta et al., 2019). Un studiu recente di Duttagupta et al. (2020) di analisi di fiumi (32) è d'acqua sottuterranea (235) da u Bengala Occidentale, India, hà trovu chì circa u 53% di i residenti urbani è u 44% di i residenti rurali (per un totale di 20 milioni di residenti) ponu esse esposti à a naftalene (4,9-10,6 μg/L) è i so derivati. I mudelli differenziali d'usu di a terra è l'aumentu di l'estrazione di l'acqua sottuterranea sò cunsiderati cum'è i principali fattori chì cuntrolanu u trasportu verticale (avvezione) di IPA à bassu pesu moleculare in u sottuterraniu. U deflussu agriculu, i scarichi di acque reflue municipali è industriali, è i scarichi di rifiuti solidi/rifiuti sò stati trovati affettati da IPA in i bacini fluviali è i sedimenti sottuterranei. E precipitazioni atmosferiche aggravanu ulteriormente l'inquinamentu da IPA. Alte concentrazioni di IPA è i so derivati ​​alchilici (51 in totale) sò state segnalate in fiumi/bacini idrografici in u mondu sanu, cum'è u fiume Fraser, u fiume Louan, u fiume Denso, u fiume Missouri, u fiume Anacostia, u fiume Ebro è u fiume Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). In i sedimenti di u bacinu di u fiume Gange, a naftalene è u fenantrene sò stati trovati cum'è i più significativi (rilevati in u 70% di i campioni) (Duttagupta et al., 2019). Inoltre, studii anu dimustratu chì a clorurazione di l'acqua potabile pò purtà à a furmazione di IPA ossigenati è clorurati più tossichi (Manoli è Samara, 1999). L'IPA s'accumulanu in i cereali, i frutti è i ligumi per via di l'assorbimentu da e piante da i terreni contaminati, l'acqua sottuterranea è e precipitazioni (Fismes et al., 2002). Parechji organismi acquatichi cum'è i pesci, e cozze, e vongole è i gamberi sò contaminati da IPA per via di u cunsumu di alimenti è acqua di mare contaminati, è ancu per via di i tessuti è di a pelle (Mackay è Fraser, 2000). I metudi di cucina/trasfurmazione cum'è a griglia, a tostatura, l'affumicatura, a frittura, l'asciugatura, a cottura in fornu è a cucina à carbone ponu ancu purtà à quantità significative di IPA in l'alimentu. Questu dipende in gran parte da a scelta di u materiale di affumicatura, u cuntenutu di idrocarburi fenolici/aromatici, a prucedura di cucina, u tipu di riscaldatore, u cuntenutu di umidità, l'approvvigionamentu d'ossigenu è a temperatura di combustione (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). L'idrocarburi aromatichi policiclichi (IPA) sò stati ancu rilevati in u latte à diverse concentrazioni (0,75-2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). L'accumulazione di sti IPA in l'alimentu dipende ancu da e proprietà fisico-chimiche di l'alimentu, mentre chì i so effetti tossichi sò ligati à e funzioni fisiologiche, l'attività metabolica, l'assorbimentu, a distribuzione è a distribuzione in u corpu (Mechini et al., 2011).
A tossicità è l'effetti dannosi di l'idrocarburi aromatichi policiclichi (IPA) sò cunnisciuti dapoi tantu tempu (Cherniglia, 1984). L'idrocarburi aromatichi policiclichi di bassu pesu moleculare (IPA-LMW) (da dui à trè anelli) ponu ligà si covalentemente à diverse macromolecule cum'è DNA, RNA è proteine ​​è sò cancerogeni (Santarelli et al., 2008). A causa di a so natura idrofobica, sò separati da membrane lipidiche. In l'omu, e monoossigenasi di u citocromu P450 ossidanu l'IPA in epossidi, alcuni di i quali sò assai reattivi (per esempiu, l'epossidu di baediol) è ponu purtà à a trasfurmazione di e cellule nurmali in maligne (Marston et al., 2001). Inoltre, i prudutti di trasfurmazione di l'IPA cum'è chinoni, fenoli, epossidi, dioli, ecc. sò più tossichi cà i cumposti parentali. Certi IPA è i so intermediari metabolichi ponu influenzà l'hormoni è diversi enzimi in u metabolismu, affettendu cusì negativamente a crescita, u sistema nervosu cintrali, i sistemi riproduttivu è immunitariu (Swetha è Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). L'esposizione à cortu termine à IPA di bassu pesu moleculare hè stata signalata per causà una funzione pulmonare compromessa è trombosi in l'asmatici è per aumentà u risicu di cancri di a pelle, di i pulmoni, di a vescica è gastrointestinali (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Studi nantu à l'animali anu ancu dimustratu chì l'esposizione à l'IPA pò avè effetti negativi nantu à a funzione riproduttiva è u sviluppu è pò causà cataratta, danni à i reni è à u fegatu, è itterizia. Diversi prudutti di biotrasfurmazione di l'IPA cum'è dioli, epossidi, chinoni è radicali liberi (cationi) anu dimustratu di furmà addutti di DNA. Hè statu dimustratu chì l'addotti stabili alteranu u mecanismu di replicazione di u DNA, mentre chì l'addotti instabili ponu depurinà u DNA (principalmente in adenina è qualchì volta in guanina); tramindui ponu generà errori chì portanu à mutazioni (Schweigert et al. 2001). Inoltre, i chinoni (benzo-/pan-) ponu generà specie reattive di l'ossigenu (ROS), causendu danni fatali à u DNA è à altre macromolecule, affettendu cusì a funzione/viabilità di i tessuti (Ewa è Danuta 2017). L'esposizione cronica à basse concentrazioni di pirene, bifenile è naftalene hè stata signalata cum'è causa di cancru in animali sperimentali (Diggs et al. 2012). A causa di a so tossicità letale, a pulizia/rimozione di questi IPA da i siti affettati/contaminati hè una priorità.
Diversi metudi fisichi è chimichi sò stati aduprati per eliminà l'IPA da i siti/ambienti contaminati. Prucessi cum'è l'incenerazione, a declorazione, l'ossidazione UV, a fissazione è l'estrazione cù solventi anu parechji svantaghji, cumprese a furmazione di sottoprodotti tossichi, a cumplessità di u prucessu, i prublemi di sicurezza è di regulazione, a bassa efficienza è l'altu costu. Tuttavia, a biodegradazione microbica (chjamata biorimediazione) hè un approcciu alternativu promettente chì implica l'usu di microrganismi in forma di culture pure o culonie. In paragone cù i metudi fisichi è chimichi, stu prucessu hè rispettuosu di l'ambiente, micca invasivu, economicu è sustenibile. A biorimediazione pò esse realizata in u situ affettatu (in situ) o in un situ appositamente preparatu (ex situ) è hè dunque cunsiderata un metudu di rimediazione più sustenibile chè i metudi fisichi è chimichi tradiziunali (Juhasz è Naidu, 2000; Andreoni è Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Capisce i passi metabolichi microbici implicati in a degradazione di l'inquinanti aromatichi hà enormi implicazioni scientifiche è ecunomiche per a sustenibilità ecologica è ambientale. Si stima chì 2,1 × 1018 grammi di carbone (C) sò almacenati in sedimenti è cumposti organici (vale à dì, petroliu, gas naturale è carbone, vale à dì, combustibili fossili) in u mondu sanu, dendu un cuntributu significativu à u ciclu glubale di u carbone. Tuttavia, a rapida industrializazione, l'estrazione di combustibili fossili è l'attività umane stanu esaurendu queste riserve di carbone litosfericu, liberendu circa 5,5 × 1015 g di carbone organicu (cum'è inquinanti) in l'atmosfera ogni annu (Gonzalez-Gaya et al., 2019). A maiò parte di questu carbone organicu entra in l'ecosistemi terrestri è marini per via di a sedimentazione, u trasportu è u deflussu. Inoltre, i novi inquinanti sintetici derivati ​​da combustibili fossili, cum'è e plastiche, i plastificanti è i stabilizzanti plastichi (ftalati è i so isomeri), inquinanu seriamente l'ecosistemi marini, di u terrenu è acquatichi è a so biota, aggravendu cusì i risichi climatichi glubali. Diversi tipi di microplastiche, nanoplastiche, frammenti di plastica è i so prudutti monomerichi tossichi derivati ​​da u polietilene tereftalatu (PET) si sò accumulati in l'Oceanu Pacificu trà l'America di u Nordu è l'Asia Sudorientale, furmendu a "Grande Patch di Spazzatura di u Pacificu", dannendu a vita marina (Newell et al., 2020). Studi scientifichi anu dimustratu chì ùn hè micca pussibule di eliminà tali inquinanti/rifiuti cù alcun metudu fisicu o chimicu. In questu cuntestu, i microorganismi più utili sò quelli capaci di metabolizà ossidativamente l'inquinanti in diossidu di carbonu, energia chimica è altri sottoprodotti non tossichi chì eventualmente entranu in altri prucessi di ciclu di nutrienti (H, O, N, S, P, Fe, ecc.). Cusì, capisce l'ecofisiologia microbiana di a mineralizazione di inquinanti aromatichi è u so cuntrollu ambientale hè cruciale per valutà u ciclu di u carbonu microbianu, u bilanciu nettu di carbonu è i risichi climatichi futuri. Data a necessità urgente di eliminà tali cumposti da l'ambiente, sò emerse diverse ecoindustrie focalizate nantu à e tecnulugie pulite. In alternativa, a valorizzazione di i rifiuti industriali / sustanzi chimichi di rifiuti accumulati in l'ecosistemi (vale à dì l'approcciu di trasfurmazione di rifiuti in ricchezza) hè cunsiderata cum'è unu di i pilastri di l'ecunumia circulare è di l'ubbiettivi di sviluppu sustenibile (Close et al., 2012). Dunque, a comprensione di l'aspetti metabolichi, enzimatici è genetichi di questi potenziali candidati à a degradazione hè di primura impurtanza per a rimozione efficace è a biorisanamentu di tali inquinanti aromatichi.
Trà i numerosi inquinanti aromatichi, prestemu una attenzione particulare à l'IPA di bassu pesu moleculare cum'è a naftalene è i naftaleni sustituiti. Quessi cumposti sò cumpunenti principali di i carburanti derivati ​​da u petroliu, i coloranti tessili, i prudutti di cunsumu, i pesticidi (palline di naftalina è repellenti per insetti), i plastificanti è i tannini è sò dunque diffusi in parechji ecosistemi (Preuss et al., 2003). Rapporti recenti mettenu in risaltu l'accumulazione di concentrazioni di naftalene in i sedimenti di falda acquifera, l'acqua sotterranea è i terreni sotterranei, e zone vadose è i letti di i fiumi, suggerendu a so bioaccumulazione in l'ambiente (Duttagupta et al., 2019, 2020). A Tavula 2 riassume e proprietà fisico-chimiche, l'applicazioni è l'effetti nantu à a salute di a naftalene è di i so derivati. In paragone cù altri IPA di altu pesu moleculare, a naftalene è i so derivati ​​sò menu idrofobichi, più solubili in acqua è largamente distribuiti in l'ecosistemi, dunque sò spessu usati cum'è substrati mudellu per studià u metabolismu, a genetica è a diversità metabolica di l'IPA. Un gran numeru di microorganismi sò capaci di metabolizà a naftalene è i so derivati, è sò dispunibili informazioni cumplete nantu à e so vie metaboliche, enzimi è caratteristiche regulatorie (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Inoltre, a naftalene è i so derivati ​​sò designati cum'è cumposti prototipu per a valutazione di l'inquinamentu ambientale per via di a so alta abbundanza è biodisponibilità. L'Agenzia di Prutezzione Ambientale di i Stati Uniti stima chì i livelli medi di naftalene sò 5,19 μg per metru cubu da u fumu di sigaretta, principalmente da a combustione incompleta, è da 7,8 à 46 μg da u fumu laterale, mentre chì l'esposizione à a creosota è a naftalene hè da 100 à 10.000 volte più alta (Preuss et al. 2003). A naftalene in particulare hè stata trovata avè tossicità respiratoria è carcinogenicità specifiche per spezie, regione è sessu. Basatu annantu à studii nantu à l'animali, l'Agenzia Internaziunale per a Ricerca nantu à u Cancru (IARC) hà classificatu a naftalene cum'è un "pussibule cancerogenu umanu" (Gruppu 2B)1. L'esposizione à i naftaleni sustituiti, principalmente per inalazione o amministrazione parenterale (orale), provoca danni à i tessuti pulmonari è aumenta l'incidenza di tumori pulmonari in i ratti è i topi (Prugramma Naziunale di Tossicologia 2). L'effetti acuti includenu nausea, vomitu, dolore addominale, diarrea, mal di testa, cunfusione, sudorazione profusa, frebba, tachicardia, ecc. D’altronde, l'insetticida carbamatu à largu spettru carbaryl (1-naftil N-metilcarbamatu) hè statu signalatu cum'è tossicu per l'invertebrati acquatici, l'anfibi, l'ape è l'omu è hè statu dimustratu chì inibisce l'acetilcolinesterasi causendu paralisi (Smulders et al., 2003; Bulen è Distel, 2011). Dunque, capisce i meccanismi di degradazione microbica, a regulazione genetica, e reazioni enzimatiche è cellulari hè cruciale per sviluppà strategie di biorisanamentu in ambienti contaminati.
Tavula 2. Infurmazioni dettagliate nantu à e proprietà fisico-chimiche, l'usi, i metudi d'identificazione è e malatie assuciate di a naftalene è di i so derivati.
In e nicchie inquinate, l'inquinanti aromatichi idrofobichi è lipofili ponu causà una varietà d'effetti cellulari nantu à u microbioma ambientale (cumunità), cum'è cambiamenti in a fluidità di a membrana, a permeabilità di a membrana, u gonfiore di u doppiu stratu lipidicu, l'interruzzione di u trasferimentu d'energia (catena di trasportu di l'elettroni / forza motrice di i protoni) è l'attività di e proteine ​​​​​​associate à a membrana (Sikkema et al., 1995). Inoltre, alcuni intermedi solubili cum'è i catecoli è i chinoni generanu specie reattive di l'ossigenu (ROS) è formanu addotti cù DNA è proteine ​​(Penning et al., 1999). Cusì, l'abbundanza di tali cumposti in l'ecosistemi esercita una pressione selettiva nantu à e cumunità microbiche per diventà degradanti efficienti à diversi livelli fisiologichi, cumpresi l'assorbimentu / trasportu, a trasfurmazione intracellulare, l'assimilazione / utilizzazione è a compartimentazione.
Una ricerca di u Ribosomal Database Project-II (RDP-II) hà rivelatu chì un totale di 926 spezie batteriche sò state isolate da terreni di coltura o culture d'arricchimentu contaminate cù naftalene o i so derivati. U gruppu Proteobacteria avia u più altu numeru di rapprisentanti (n = 755), seguitatu da Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) è batteri micca classificati (8) (Figura 2). I rapprisentanti di γ-Proteobacteria (Pseudomonadales è Xanthomonadales) anu duminatu tutti i gruppi Gram-negativi cù un altu cuntenutu di G+C (54%), mentre chì Clostridiales è Bacillales (30%) eranu gruppi Gram-positivi cù un bassu cuntenutu di G+C. Pseudomonas (u numeru u più altu, 338 spezie) hè statu signalatu cum'è capace di degradà a naftalene è i so derivati ​​​​metilichi in vari ecosistemi inquinati (catrame di carbone, petroliu, petroliu grezzu, fanghi, macchie di petroliu, acque reflue, rifiuti organici è discariche) è ancu in ecosistemi intatti (terrenu, fiumi, sedimenti è acque sotterranee) (Figura 2). Inoltre, studii d'arricchimentu è analisi metagenomica di alcune di queste regioni anu rivelatu chì e spezie di Legionella è Clostridium micca cultivate ponu avè capacità degradative, indicendu a necessità di cultivà questi batteri per studià novi percorsi è a diversità metabolica.
Fig. 2. Diversità tassonomica è distribuzione ecologica di i rapprisentanti batterichi in ambienti contaminati da naftalene è derivati ​​​​di naftalene.
Trà i vari microorganismi chì degradanu l'idrocarburi aromatichi, a maiò parte sò capaci di degradà a naftalena cum'è unica fonte di carbone è energia. A sequenza di eventi implicati in u metabolismu di a naftalena hè stata descritta per Pseudomonas sp. (ceppi: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 è CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 è altri ceppi (ND6 è AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis è Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; U metabolismu hè iniziatu da una diossigenasi multicomponente [naftalene diossigenasi (NDO), una diossigenasi idrossilante à anellu] chì catalizeghja l'ossidazione di unu di l'anelli aromatichi di a naftalene aduprendu l'ossigenu moleculare cum'è l'altru substratu, cunvertendu a naftalene in cis-naftalenediolu (Figura 3). U cis-diidrodiolu hè cunvertitu in 1,2-diidrossinaftalene da una deidrogenasi. A A diossigenasi chì scinde l'anellu, 1,2-diidrossinaftalene diossigenasi (12DHNDO), cunverte l'1,2-diidrossinaftalene in acidu 2-idrossicromene-2-carbossilicu. L'isomerizazione enzimatica cis-trans produce trans-o-idrossibenzilidenepiruvatu, chì hè scissu da l'idratasi aldolasi in aldeide salicilica è piruvatu. U piruvatu di l'acidu organicu hè statu u primu cumpostu C3 derivatu da u scheletru di carbone di a naftalene è direttu in a via centrale di u carbone. Inoltre, a salicilaldeide deidrogenasi dipendente da NAD+ cunverte a salicilaldeide in acidu salicilicu. U metabolismu in questa fase hè chjamatu a "via superiore" di a degradazione di a naftalene. Questa via hè assai cumuna in a maiò parte di i batteri chì degradanu a naftalene. Tuttavia, ci sò alcune eccezioni; per esempiu, in u termofilu Bacillus hamburgii 2, a degradazione di a naftalene hè iniziata da a naftalene 2,3-diossigenasi per furmà 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Figura 3. Vie di degradazione di naftalene, metilnaftalene, acidu naftoicu è carbaril. I numeri cerchiati rapprisentanu l'enzimi rispunsevuli di a cunversione sequenziale di naftalene è i so derivati ​​in prudutti successivi. 1 - naftalene diossigenasi (NDO); 2, cis-diidrodiol deidrogenasi; 3, 1,2-diidrossinaftalene diossigenasi; 4, isomerasi di l'acidu 2-idrossicromene-2-carbossilicu; 5, trans-O-idrossibenzilidenepiruvato idratasi aldolasi; 6, salicilaldeide deidrogenasi; 7, salicilato 1-idrossilasi; 8, catecolu 2,3-diossigenasi (C23DO); 9, 2-idrossimuconato semialdeide deidrogenasi; 10, 2-oxopent-4-enoato idratasi; 11, 4-idrossi-2-oxopentanoato aldolasi; 12, acetaldeide deidrogenasi; 13, catecolu-1,2-diossigenasi (C12DO); 14, muconatu cicloisomerasi; 15, muconolattone delta-isomerasi; 16, β-chetoadipatenollattone idrolasi; 17, β-chetoadipato succinil-CoA transferasi; 18, β-chetoadipato-CoA tiolasi; 19, succinil-CoA: acetil-CoA succiniltransferasi; 20, salicilatu 5-idrossilasi; 21 – gentisatu 1,2-diossigenasi (GDO); 22, maleilpiruvatu isomerasi; 23, fumarilpiruvatu idrolasi; 24, metilnaftalene idrossilasi (NDO); 25, idrossimetilnaftalene deidrogenasi; 26, naftalaldeide deidrogenasi; 27, ossidasi di l'acidu 3-formilsalicilicu; 28, decarbossilasi di l'idrossiisoftatu; 29, carbaril idrolasi (CH); 30, 1-naftolo-2-idrossilasi.
Sicondu l'urganisimu è a so custituzione genetica, l'acidu salicylicu risultante hè ulteriormente metabolizatu sia via a via di u catecolu aduprendu a salicilatu 1-idrossilasi (S1H) sia via a via di u gentisatu aduprendu a salicilatu 5-idrossilasi (S5H) (Figura 3). Siccomu l'acidu salicylicu hè u principale intermediu in u metabolismu di a naftalena (via superiore), i passi da l'acidu salicylicu à l'intermediu TCA sò spessu chjamati via inferiore, è i geni sò urganizati in un unicu operone. Hè cumunu vede chì i geni in l'operone di a via superiore (nah) è l'operone di a via inferiore (sal) sò regulati da fattori regulatori cumuni; per esempiu, NahR è l'acidu salicylicu agiscenu cum'è induttori, permettendu à i dui operoni di metabolizà cumpletamente a naftalena (Phale et al., 2019, 2020).
Inoltre, u catecolu hè scissu ciclicamente in 2-idrossimuconatu semialdeide via a via meta da a catecolu 2,3-diossigenasi (C23DO) (Yen et al., 1988) è ulteriormente idrolizatu da a 2-idrossimuconatu semialdeide idrolasi per furmà l'acidu 2-idrossipent-2,4-dienoicu. U 2-idrossipent-2,4-dienoatu hè tandu cunvertitu in piruvatu è acetaldeide da una idratasi (2-oxopent-4-enoatu idratasi) è una aldolasi (4-idrossi-2-oxopentanoatu aldolasi) è tandu entra in a via centrale di u carbone (Figura 3). In alternativa, u catecolu hè scissu ciclicamente in cis,cis-muconatu via a via orto da a catecolu 1,2-ossigenasi (C12DO). A muconate cicloisomerasi, a muconolattone isomerasi, è a β-chetoadipate-nollattone idrolasi cunvertenu u cis, cis-muconate in 3-oxoadipate, chì entra in a via centrale di u carbone via u succinil-CoA è l'acetil-CoA (Nozaki et al., 1968) (Figura 3).
In a via di u gentisatu (2,5-diidrossibenzoatu), l'anellu aromaticu hè scissu da a gentisatu 1,2-diossigenasi (GDO) per furmà maleilpiruvatu. Stu pruduttu pò esse idrolizatu direttamente in piruvatu è malatu, o pò esse isomerizatu per furmà fumarilpiruvatu, chì pò esse poi idrolizatu in piruvatu è fumaratu (Larkin è Day, 1986). A scelta di a via alternativa hè stata osservata sia in i batteri Gram-negativi sia in quelli Gram-positivi à i livelli biochimichi è genetichi (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). I batteri Gram-negativi (Pseudomonas) preferiscenu aduprà l'acidu salicilicu, chì hè un induttore di u metabolismu di a naftalena, decarbossilendulu in catecolu aduprendu a salicilatu 1-idrossilasi (Gibson è Subramanian, 1984). Da l’altra parte, in i batteri Gram-pusitivi (Rhodococcus), a salicilatu 5-idrossilasi cunverte l’acidu salicilicu in acidu gentisicu, mentre chì l’acidu salicilicu ùn hà micun effettu induttivu nantu à a trascrizione di i geni di naftalene (Grund et al., 1992) (Figura 3).
Hè statu signalatu chì spezie cum'è Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, e spezie di Pseudomonas è Mycobacterium ponu degradà u monometilnaftalene o u dimetilnaftalene (Dean-Raymond è Bartha, 1975; Cane è Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Trà elle, a via di degradazione di l'1-metilnaftalene è di u 2-metilnaftalene di Pseudomonas sp. CSV86 hè stata chjaramente studiata à i livelli biochimichi è enzimatichi (Mahajan et al., 1994). L'1-metilnaftalene hè metabolizatu per duie vie. Prima, l'anellu aromaticu hè idrossilatu (l'anellu micca sustituitu di u metilnaftalene) per furmà cis-1,2-diidrossi-1,2-diidro-8-metilnaftalene, chì hè ulteriormente ossidatu à salicilatu di metile è metilcatecolo, è dopu entra in a via centrale di u carbone dopu a scissione di l'anellu (Figura 3). Sta via hè chjamata "via di a fonte di carbone". In a seconda "via di disintossicazione", u gruppu metilu pò esse idrossilatu da NDO per furmà 1-idrossimetilnaftalene, chì hè ulteriormente ossidatu à l'acidu 1-naftoicu è escretu in u mezu di cultura cum'è un pruduttu senza uscita. Studi anu dimustratu chì a ceppa CSV86 ùn hè micca capace di cresce nantu à l'acidu 1- è 2-naftoicu cum'è unica fonte di carbone è energia, cunfirmendu a so via di disintossicazione (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). In u 2-metilnaftalene, u gruppu metilu subisce idrossilazione da l'idrossilasi per furmà 2-idrossimetilnaftalene. Inoltre, l'anellu micca sustituitu di l'anellu naftalene subisce idrossilazione di l'anellu per furmà un diidrodiolu, chì hè ossidatu à 4-idrossimetilcatecolo in una seria di reazioni catalizate da enzimi è entra in a via centrale di u carbone via a via di scissione di u meta-anellu. In modu simile, hè statu signalatu chì S. paucimobilis 2322 utilizza NDO per idrossilà u 2-metilnaftalene, chì hè ulteriormente ossidatu per furmà salicilatu di metilu è metilcatecolo (Dutta et al., 1998).
L'acidi naftoici (sustituiti/micca sustituiti) sò sottoprodotti di disintossicazione/biotrasformazione furmati durante a degradazione di metilnaftalene, fenantrene è antracene è liberati in u mezu di cultura esauritu. Hè statu signalatu chì l'isolatu di u terrenu Stenotrophomonas maltophilia CSV89 hè capace di metabolizà l'acidu 1-naftoicu cum'è fonte di carbone (Phale et al., 1995). U metabolismu principia cù a diidrossilazione di l'anellu aromaticu per furmà 1,2-diidrossi-8-carbossinaftalene. U diolu risultante hè ossidatu à catecolu via 2-idrossi-3-carbossibenzilidenepiruvatu, acidu 3-formilsalicilico, acidu 2-idrossiisoftalico è acidu salicilico è entra in a via centrale di u carbone via a via di scissione di u meta-anellu (Figura 3).
U carbaril hè un pesticida à base di carbamatu di naftile. Dapoi a Rivuluzione Verde in India in l'anni 1970, l'usu di fertilizanti è pesticidi chimichi hà purtatu à un aumentu di l'emissioni di idrocarburi aromatichi policiclici (PAH) da fonti agricule non puntuali (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Si stima chì u 55% (85.722.000 ettari) di e terre cultivate totali in India sò trattate cù pesticidi chimichi. In l'ultimi cinque anni (2015-2020), u settore agriculu indianu hà utilizatu una media di 55.000 à 60.000 tunnellate di pesticidi annu (Dipartimentu di Cooperative è Benessere di l'Agricultori, Ministeru di l'Agricultura, Guvernu di l'India, Aostu 2020). In e pianure di u Gange sittintriunali è cintrali (i stati cù a più alta pupulazione è densità di pupulazione), l'usu di pesticidi nantu à e culture hè diffusu, cù l'insetticidi chì predominanu. U carbaril (1-naftil-N-metilcarbamatu) hè un insetticida carbamatu à spettru largu, da moderatamente à assai tossicu, utilizatu in l'agricultura indiana à un ritmu mediu di 100-110 tunnellate. Hè cumunemente vindutu sottu u nome cummerciale Sevin è hè utilizatu per cuntrullà l'insetti (afidi, formiche di focu, pulci, acari, ragni è parechji altri parassiti esterni) chì affettanu una varietà di culturi (mais, soia, cotone, frutti è ligumi). Certi microrganismi cum'è Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus è Arthrobacter ponu ancu esse aduprati per cuntrullà altri parassiti. Hè statu signalatu chì RC100 pò degradà u carbaril (Larkin è Day, 1986; Chapalamadugu è Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha è Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). A via di degradazione di u carbaril hè stata studiata ampiamente à livelli biochimichi, enzimatici è genetichi in isolati di u terrenu di Pseudomonas sp. Ceppi C4, C5 è C6 (Swetha è Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). A via metabolica principia cù l'idrolisi di u ligame estere da a carbaril idrolasi (CH4) per furmà 1-naftolo, metilammina è diossidu di carbonu. L'1-naftolo hè tandu cunvertitu in 1,2-diidrossinaftalene da l'1-naftolo idrossilasi (1-NH), chì hè ulteriormente metabolizata via a via centrale di u carbone via salicilatu è gentisatu. Certi batteri chì degradanu u carbarile sò stati signalati per metabolizallu in acidu salicilicu via a scissione di l'anellu orto di u catecolu (Larkin è Day, 1986; Chapalamadugu è Chaudhry, 1991). In particulare, i batteri chì degradanu u naftalene metabolizanu principalmente l'acidu salicilicu via u catecolu, mentre chì i batteri chì degradanu u carbarile preferiscenu metabolizà l'acidu salicilicu via a via di u gentisatu.
L'acidu naftalensulfonicu/acidu disulfonicu è i derivati ​​di l'acidu naftilamminusulfonicu ponu esse aduprati cum'è intermedi in a pruduzzione di coloranti azoichi, agenti bagnanti, disperdenti, ecc. Ancu s'è sti cumposti anu una bassa tossicità per l'omu, e valutazioni di citotossicità anu dimustratu ch'elli sò letali per i pesci, a dafnia è l'alghe (Greim et al., 1994). I rapprisentanti di u genaru Pseudomonas (ceppi A3, C22) sò stati signalati per inizià u metabolismu per doppia idrossilazione di l'anellu aromaticu chì cuntene u gruppu di l'acidu sulfonicu per furmà un diidrodiolu, chì hè ulteriormente cunvertitu in 1,2-diidrossinaftalene per scissione spontanea di u gruppu sulfitu (Brilon et al., 1981). L'1,2-diidrossinaftalene risultante hè catabolizatu via a via classica di a naftalene, vale à dì, a via di u catecolu o di u gentisatu (Figura 4). Hè statu dimustratu chì l'acidu aminonaftalenesulfonicu è l'acidu idrossinaftalenesulfonicu ponu esse cumpletamente degradati da consorzii batterici misti cù vie cataboliche cumplementari (Nortemann et al., 1986). Hè statu dimustratu chì un membru di u consorziu desulfurizeghja l'acidu aminonaftalenesulfonicu o l'acidu idrossinaftalenesulfonicu per 1,2-diossigenazione, mentre chì l'aminosalicilatu o l'idrossisalicilatu hè liberatu in u mezu di cultura cum'è un metabolitu senza uscita è hè successivamente assorbitu da altri membri di u consorziu. L'acidu naftalenesulfonicu hè relativamente polare ma pocu biodegradabile è pò dunque esse metabolizatu per via di diverse vie. A prima desulfurazione si verifica durante a diidrossilazione regioselettiva di l'anellu aromaticu è di u gruppu di l'acidu sulfonicu; a seconda desulfurazione si verifica durante l'idrossilazione di l'acidu 5-sulfosalicilicu da l'acidu salicilicu 5-idrossilasi per furmà l'acidu gentisicu, chì entra in a via centrale di u carbone (Brilon et al., 1981) (Figura 4). L'enzimi rispunsevuli di a degradazione di a naftalena sò ancu rispunsevuli di u metabolismu di u sulfonatu di naftalena (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figura 4. Vie metaboliche per a degradazione di u sulfonatu di naftalene. I numeri in i cerchi rapprisentanu l'enzimi rispunsevuli di u metabolismu di u sulfonatu di naftile, simili/identichi à l'enzimi descritti in a FIG. 3.
I PAH di bassu pesu moleculare (LMW-PAH) sò riducibili, idrofobichi è pocu solubili, è dunque micca suscettibili à a degradazione/degradazione naturale. Tuttavia, i microorganismi aerobici sò capaci di ossidalli assorbendu l'ossigenu moleculare (O2). Quessi enzimi appartenenu principalmente à a classa di l'ossidoreduttasi è ponu realizà varie reazioni cum'è l'idrossilazione di l'anellu aromaticu (mono- o diidrossilazione), a deidrogenazione è a scissione di l'anellu aromaticu. I prudutti ottenuti da queste reazioni sò in un statu di ossidazione più altu è sò più facilmente metabolizati attraversu a via centrale di u carbone (Phale et al., 2020). L'enzimi in a via di degradazione sò stati segnalati cum'è inducibili. L'attività di questi enzimi hè assai bassa o trascurabile quandu e cellule sò cultivate nantu à fonti di carbone simplici cum'è u glucosiu o l'acidi organici. A Tavula 3 riassume i vari enzimi (ossigenasi, idrolasi, deidrogenasi, ossidasi, ecc.) implicati in u metabolismu di a naftalene è di i so derivati.
Tavula 3. Caratteristiche biochimiche di l'enzimi rispunsevuli di a degradazione di a naftalene è di i so derivati.
Studi di radioisotopi (18O2) anu dimustratu chì l'incorporazione di O2 moleculare in anelli aromatichi da ossigenasi hè u passu u più impurtante per attivà l'ulteriore biodegradazione di un cumpostu (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). L'incorporazione di un atomu d'ossigenu (O) da l'ossigenu moleculare (O2) in u substratu hè iniziata da monoossigenasi endogene o esogene (chjamate ancu idrossilasi). Un altru atomu d'ossigenu hè riduttu à acqua. E monoossigenasi esogene riducenu a flavina cù NADH o NADPH, mentre chì in l'endomonoossigenasi a flavina hè ridutta da u substratu. A pusizione di l'idrossilazione si traduce in diversità in a furmazione di u produttu. Per esempiu, a salicilatu 1-idrossilasi idrossila l'acidu salicilicu in a pusizione C1, furmendu catecolu. Da l'altra parte, a salicilatu 5-idrossilasi multicomponente (chì cuntene subunità di riduttasi, ferredossina è ossigenasi) idrossila l'acidu salicilicu in a pusizione C5, furmendu l'acidu gentisicu (Yamamoto et al., 1965).
E diossigenasi incorporanu dui atomi d'O2 in u sustratu. Sicondu i prudutti furmati, sò divisi in diossigenasi idrossilanti à l'anellu è diossigenasi chì scindenu l'anellu. E diossigenasi idrossilanti à l'anellu cunvertenu i sustrati aromatichi in cis-diidrodioli (per esempiu, naftalene) è sò diffuse trà i batteri. Finu à oghje, hè statu dimustratu chì l'organismi chì cuntenenu diossigenasi idrossilanti à l'anellu sò capaci di cresce nantu à diverse fonti di carbone aromaticu, è questi enzimi sò classificati cum'è NDO (naftalene), toluene diossigenasi (TDO, toluene) è bifenile diossigenasi (BPDO, bifenile). Sia NDO sia BPDO ponu catalizà a doppia ossidazione è l'idrossilazione di a catena laterale di vari idrocarburi aromatichi policiclici (toluene, nitrotoluene, xilene, etilbenzene, naftalene, bifenile, fluorene, indole, metilnaftalene, naftalenesulfonatu, fenantrene, antracene, acetofenone, ecc.) (Boyd è Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO hè un sistema multicomponente custituitu da una ossidoreduttasi, una ferredossina è un cumpunente ossigenasi chì cuntene un situ attivu (Gibson è Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). L'unità catalitica di NDO hè custituita da una grande subunità α è una piccula subunità β disposta in una cunfigurazione α3β3. L'NDO appartene à una grande famiglia d'ossigenasi è a so subunità α cuntene un situ Rieske [2Fe-2S] è un ferru mononucleare non eme, chì determina a specificità di u substratu di l'NDO (Parales et al., 1998). Tipicamente, in un ciclu cataliticu, dui elettroni da a riduzione di u nucleotide di piridina sò trasferiti à l'ione Fe(II) in u situ attivu via una riduttasi, una ferredossina è un situ Rieske. L'equivalenti riducenti attivanu l'ossigenu moleculare, chì hè un prerequisitu per a diidrossilazione di u substratu (Ferraro et al., 2005). Finu à oghje, solu uni pochi di NDO sò stati purificati è caratterizati in dettagliu da diverse ceppe è u cuntrollu geneticu di e vie implicate in a degradazione di a naftalene hè statu studiatu in dettagliu (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). E diossigenasi chì scindenu l'anellu (enzimi chì scindenu l'endo- o l'orto-anellu è enzimi chì scindenu l'esodiolu o u meta-anellu) agiscenu nantu à i cumposti aromatichi idrossilati. Per esempiu, a diossigenasi chì scinde l'orto-anellu hè a catecolu-1,2-diossigenasi, mentre chì a diossigenasi chì scinde l'meta-anellu hè a catecolu-2,3-diossigenasi (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Oltre à e varie ossigenasi, ci sò ancu diverse deidrogenasi rispunsevuli di a deidrogenazione di diidrodioli aromatichi, alcooli è aldeidi è chì utilizanu NAD+/NADP+ cum'è accettori di elettroni, chì sò alcuni di l'enzimi impurtanti implicati in u metabolismu (Gibson è Subramanian, 1984; Shaw è Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
L'enzimi cum'è l'idrolasi (esterasi, amidasi) sò una seconda classa impurtante d'enzimi chì utilizanu l'acqua per scinde i ligami covalenti è mostranu una larga specificità di substratu. A carbaril idrolasi è altre idrolasi sò cunsiderate cum'è cumpunenti di u periplasma (transmembrana) in i membri di i batteri Gram-negativi (Kamini et al., 2018). U carbaril hà sia un ligame amide sia un ligame estere; dunque, pò esse idrolizatu sia da l'esterasi sia da l'amidasi per furmà 1-naftolo. Hè statu signalatu chì u carbaril in Rhizobium rhizobium ceppo AC10023 è u ceppo Arthrobacter RC100 funzionanu rispettivamente cum'è esterasi è amidasi. U carbaril in Arthrobacter ceppo RC100 funziona ancu cum'è amidasi. Hè statu dimustratu chì RC100 idrolizza quattru insetticidi di a classe N-metilcarbammati cum'è u carbaril, u metomile, l'acidu mefenamicu è XMC (Hayaatsu et al., 2001). Hè statu signalatu chì a CH in Pseudomonas sp. C5pp pò agisce nantu à u carbaril (100% attività) è l'acetatu di 1-naftil (36% attività), ma micca nantu à l'1-naftilacetamide, ciò chì indica ch'ella hè una esterasi (Trivedi et al., 2016).
Studi biochimichi, mudelli di regulazione enzimatica è analisi genetiche anu dimustratu chì i geni di degradazione di a naftalena sò custituiti da duie unità regulatorie inducibili o "operoni": nah (a "via a monte", chì cunverte a naftalena in acidu salicylicu) è sal (a "via a valle", chì cunverte l'acidu salicylicu in a via centrale di u carbone via u catecolu). L'acidu salicylicu è i so analoghi ponu agisce cum'è induttori (Shamsuzzaman è Barnsley, 1974). In presenza di glucosiu o acidi organici, l'operone hè repressu. A Figura 5 mostra l'urganizazione genetica cumpleta di a degradazione di a naftalena (in forma di operone). Parechje varianti/forme nominate di u genu nah (ndo/pah/dox) sò state descritte è sò state trovate avè una alta omologia di sequenza (90%) trà tutte e spezie di Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). I geni di a via a monte di a naftalena eranu generalmente disposti in un ordine di consensu cum'è mostratu in a Figura 5A. Un altru genu, nahQ, hè statu ancu signalatu cum'è implicatu in u metabolismu di a naftalena è era generalmente situatu trà nahC è nahE, ma a so funzione vera ferma da elucidà. In listessu modu, u genu nahY, rispunsevule di a chemiotassi sensibile à a naftalena, hè statu trovu à l'estremità distale di l'operone nah in certi membri. In Ralstonia sp., u genu U2 chì codifica a glutatione S-transferasi (gsh) hè statu trovu situatu trà nahAa è nahAb, ma ùn hà micca affettatu e caratteristiche di utilizzazione di a naftalena (Zylstra et al., 1997).
Figura 5. Organizazione genetica è diversità osservata durante a degradazione di a naftalena trà e spezie batteriche; (A) Via superiore di a naftalena, metabolismu di a naftalena à l'acidu salicilicu; (B) Via inferiore di a naftalena, acidu salicilicu via catecolu à a via centrale di u carbone; (C) acidu salicilicu via gentisatu à a via centrale di u carbone.
A "via inferiore" (operone sal) hè tipicamente custituita da nahGTHINLMOKJ è cunverte u salicilatu in piruvatu è acetaldeide via a via di scissione di u metaring di u catecolu. U genu nahG (chì codifica l'idrossilasi di u salicilatu) hè statu trovu cunservatu à l'estremità prossimale di l'operone (Fig. 5B). In paragone cù altri ceppi chì degradanu u naftalene, in P. putida CSV86 l'operoni nah è sal sò in tandem è assai strettamente correlati (circa 7,5 kb). In certi batteri Gram-negativi, cum'è Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, è P. putida AK5, u naftalene hè metabolizatu cum'è un metabolitu di carbone cintrale via a via di u gentisatu (sottu a forma di l'operone sgp/nag). A cassetta genetica hè tipicamente rapprisintata in a forma nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, induve nagR (chì codifica un regulatore di tipu LysR) si trova à l'estremità superiore (Figura 5C).
U carbaril entra in u ciclu cintrale di u carbone via u metabolismu di l'1-naftolo, l'1,2-diidrossinaftalene, l'acidu salicilicu è l'acidu gentisicu (Figura 3). Basatu annantu à studii genetichi è metabolichi, hè statu prupostu di dividisce sta via in "à monte" (cunversione di carbaril in acidu salicilicu), "à mezu" (cunversione di l'acidu salicilicu in acidu gentisicu) è "à valle" (cunversione di l'acidu gentisicu in intermedi di a via cintrale di u carbone) (Singh et al., 2013). L'analisi genomica di C5pp (supercontig A, 76,3 kb) hà rivelatu chì u genu mcbACBDEF hè implicatu in a cunversione di carbaril in acidu salicylicu, seguitatu da mcbIJKL in a cunversione di l'acidu salicylicu in acidu gentisicu, è mcbOQP in a cunversione di l'acidu gentisicu in intermedi di carbone cintrali (fumaratu è piruvatu, Trivedi et al., 2016) (Figura 6).
Hè statu signalatu chì l'enzimi implicati in a degradazione di l'idrocarburi aromatichi (cumpresi u naftalene è l'acidu salicylicu) ponu esse indotti da i cumposti currispondenti è inibiti da semplici fonti di carbone cum'è u glucosiu o l'acidi organici (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Trà e varie vie metaboliche di u naftalene è di i so derivati, e caratteristiche regulatorie di u naftalene è di u carbaril sò state studiate in una certa misura. Per u naftalene, i geni in e vie a monte è a valle sò regulati da NahR, un regulatore pusitivu trans-agente di tipu LysR. Hè necessariu per l'induzione di u genu nah da l'acidu salicylicu è a so successiva espressione di altu livellu (Yen è Gunsalus, 1982). Inoltre, i studii anu dimustratu chì u fattore integrativu di l'ospite (IHF) è XylR (regulatore trascrizionale dipendente da sigma 54) sò ancu critichi per l'attivazione trascrizionale di i geni in u metabolismu di u naftalene (Ramos et al., 1997). Studi anu dimustratu chì l'enzimi di a via d'apertura di u meta-anellu di cateculu, vale à dì a cateculu 2,3-diossigenasi, sò indotti in presenza di naftalene è/o acidu salicilicu (Basu et al., 2006). Studi anu dimustratu chì l'enzimi di a via d'apertura di l'orto-anellu di cateculu, vale à dì a cateculu 1,2-diossigenasi, sò indotti in presenza di acidu benzoicu è cis,cis-muconatu (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
In a ceppa C5pp, cinque geni, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR è mcbS, codificanu regulatori chì appartenenu à a famiglia LysR/TetR di regulatori trascrizionali rispunsevuli di u cuntrollu di a degradazione di u carbaril. U genu omologu mcbG hè statu trovu esse u più strettamente ligatu à u regulatore di tipu LysR PhnS (58% d'identità di l'aminoacidi) implicatu in u metabolismu di u fenantrene in Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). U genu mcbH hè statu trovu esse implicatu in a via intermedia (cunversione di l'acidu salicilicu in acidu gentisicu) è appartene à u regulatore trascrizionale di tipu LysR NagR/DntR/NahR in Pseudomonas è Burkholderia. I membri di sta famiglia sò stati signalati per ricunnosce l'acidu salicilicu cum'è una molecula effettrice specifica per l'induzione di geni di degradazione. Da l’altra parte, trè geni, mcbN, mcbR è mcbS, chì appartenenu à i regulatori trascrizionali di tipu LysR è TetR, sò stati identificati in a via downstream (metaboliti di a via di u carbone centrale di u gentisatu).
In i procarioti, i prucessi di trasferimentu urizzuntale di geni (acquisizione, scambiu o trasferimentu) via plasmidi, trasposoni, profagi, isule genomiche è elementi cunjugativi integrativi (ICE) sò e cause principali di plasticità in i genomi batterichi, chì portanu à u guadagnu o a perdita di funzioni/tratti specifichi. Permette à i batteri di adattassi rapidamente à diverse cundizioni ambientali, furnendu potenziali vantaghji metabolichi adattativi à l'ospite, cum'è a degradazione di cumposti aromatichi. I cambiamenti metabolichi sò spessu ottenuti attraversu a messa a puntu fine di l'operoni di degradazione, i so meccanismi regulatori è e specificità enzimatiche, chì facilita a degradazione di una gamma più larga di cumposti aromatichi (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). E cassette genetiche per a degradazione di a naftalene sò state trovate situate nantu à una varietà di elementi mobili cum'è plasmidi (cunjugativi è non cunjugativi), trasposoni, genomi, ICE è cumminazzioni di diverse spezie batteriche (Figura 5). In Pseudomonas G7, l'operoni nah è sal di u plasmide NAH7 sò trascritti in a listessa orientazione è facenu parte di un trasposone difettuosu chì richiede a trasposasi Tn4653 per a mobilizazione (Sota et al., 2006). In a ceppa di Pseudomonas NCIB9816-4, u genu hè statu trovu nantu à u plasmide cunjugativu pDTG1 cum'è dui operoni (circa 15 kb di distanza) chì sò stati trascritti in direzzioni opposte (Dennis è Zylstra, 2004). In a ceppa di Pseudomonas putida AK5, u plasmide non cunjugativu pAK5 codifica l'enzima rispunsevule di a degradazione di a naftalena via a via gentisata (Izmalkova et al., 2013). In a ceppa di Pseudomonas PMD-1, l'operone nah si trova nantu à u cromusomu, mentre chì l'operone sal si trova nantu à u plasmide cunjugativu pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Tuttavia, in Pseudomonas stutzeri AN10, tutti i geni di degradazione di a naftalena (operoni nah è sal) sò situati nantu à u cromusomu è sò presumibilmente reclutati per via di eventi di trasposizione, ricombinazione è riarrangiamentu (Bosch et al., 2000). In Pseudomonas sp. CSV86, l'operoni nah è sal sò situati in u genomu in forma di ICE (ICECSV86). A struttura hè prutetta da tRNAGly seguita da ripetizioni dirette chì indicanu siti di ricombinazione/attaccu (attR è attL) è una integrasi simile à un fago situata à e duie estremità di tRNAGly, dunque strutturalmente simile à l'elementu ICEclc (ICEclcB13 in Pseudomonas knackmusii per a degradazione di u clorocatecolo). Hè statu signalatu chì i geni nantu à l'ICE ponu esse trasferiti per cunjugazione cù una frequenza di trasferimentu estremamente bassa (10-8), trasferendu cusì e proprietà di degradazione à u destinatariu (Basu è Phale, 2008; Phale et al., 2019).
A maiò parte di i geni rispunsevuli di a degradazione di u carbaril sò situati nantu à i plasmidi. Arthrobacter sp. RC100 cuntene trè plasmidi (pRC1, pRC2 è pRC300) di i quali dui plasmidi cunjugativi, pRC1 è pRC2, codificanu l'enzimi chì cunvertenu u carbaril in gentisatu. Da l'altra parte, l'enzimi implicati in a cunversione di u gentisatu in i metaboliti di carbone cintrali sò situati nantu à u cromusomu (Hayaatsu et al., 1999). Batteri di u genaru Rhizobium. U ceppu AC100, utilizatu per a cunversione di u carbaril in 1-naftolo, cuntene u plasmide pAC200, chì porta u genu cehA chì codifica CH cum'è parte di u trasposone Tnceh circundatu da sequenze simili à elementi d'inserzione (istA è istB) (Hashimoto et al., 2002). In a ceppa CF06 di Sphingomonas, si crede chì u genu di degradazione di u carbaril hè presente in cinque plasmidi: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 è pCF05. L'omologia di u DNA di sti plasmidi hè alta, ciò chì indica l'esistenza di un avvenimentu di duplicazione genica (Feng et al., 1997). In un simbionte degradante di u carbaril cumpostu da duie spezie di Pseudomonas, a ceppa 50581 cuntene un plasmide cunjugativu pCD1 (50 kb) chì codifica u genu mcd carbaril idrolasi, mentre chì u plasmide cunjugativu in a ceppa 50552 codifica un enzima degradante di l'1-naftolo (Chapalamadugu è Chaudhry, 1991). In a ceppa WM111 di Achromobacter, u genu mcd furadan idrolasi si trova nantu à un plasmide di 100 kb (pPDL11). Stu genu hè statu dimustratu esse presente nantu à diversi plasmidi (100, 105, 115 o 124 kb) in diversi batteri di diverse regioni geografiche (Parekh et al., 1995). In Pseudomonas sp. C5pp, tutti i geni rispunsevuli di a degradazione di u carbaril sò situati in un genomu chì abbraccia 76,3 kb di sequenza (Trivedi et al., 2016). L'analisi di u genomu (6,15 Mb) hà rivelatu a presenza di 42 MGE è 36 GEI, di i quali 17 MGE eranu situati in u supercontig A (76,3 kb) cù un cuntenutu mediu asimmetricu di G+C (54-60 mol%), chì suggerisce pussibuli eventi di trasferimentu di geni orizzontali (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 presenta una disposizione simile di geni chì degradanu u carbaril, ma questi geni sò situati nantu à un plasmide (Zhu et al., 2019).
In più di l'efficienza metabolica à livelli biochimichi è genomichi, i microorganismi mostranu ancu altre proprietà o risposte cum'è a chemiotassi, e proprietà di mudificazione di a superficia cellulare, a compartimentazione, l'utilizazione preferenziale, a pruduzzione di biotensioattivi, ecc., chì li aiutanu à metabolizà più efficacemente l'inquinanti aromatichi in ambienti contaminati (Figura 7).
Figura 7. Diverse strategie di risposta cellulare di batteri ideali chì degradanu l'idrocarburi aromatichi per una biodegradazione efficiente di cumposti inquinanti stranieri.
E risposte chemiotattiche sò cunsiderate cum'è fattori chì aumentanu a degradazione di inquinanti organici in ecosistemi eterogeneamente inquinati. (2002) anu dimustratu chì a chemiotassi di Pseudomonas sp. G7 à u naftalene hà aumentatu u tassu di degradazione di u naftalene in i sistemi acquatichi. U ceppo salvaticu G7 hà degradatu u naftalene assai più velocemente chè un ceppo mutante cù deficit di chemiotassi. A proteina NahY (538 aminoacidi cù topologia di membrana) hè stata trovata co-trascritta cù i geni di a via metacleavage nantu à u plasmide NAH7, è cum'è i trasduttori di chemiotassi, sta proteina pare funziunà cum'è un chemorecettore per a degradazione di u naftalene (Grimm è Harwood 1997). Un altru studiu di Hansel et al. (2009) hà dimustratu chì a proteina hè chemiotattica, ma u so tassu di degradazione hè altu. (2011) anu dimustratu una risposta chemiotattica di Pseudomonas (P. putida) à u naftalene gassosu, induve a diffusione in fase gassosa hà risultatu in un flussu costante di naftalene versu e cellule, chì cuntrollava a risposta chemiotattica di e cellule. I circadori anu sfruttatu stu cumpurtamentu chemiotatticu per ingegnerizà microbi chì aumenterebbenu a velocità di degradazione. Studi anu dimustratu chì e vie chemiosensoriali regulanu ancu altre funzioni cellulari cum'è a divisione cellulare, a regulazione di u ciclu cellulare è a furmazione di biofilm, aiutendu cusì à cuntrullà a velocità di degradazione. Tuttavia, sfruttà sta pruprietà (chemiotassi) per una degradazione efficiente hè impeditu da parechji colli di buttiglia. I principali ostaculi sò: (a) diversi recettori paraloghi ricunnoscenu i stessi cumposti/ligandi; (b) esistenza di recettori alternativi, vale à dì, tropismu energeticu; (c) differenze di sequenza significative in i duminii sensoriali di a stessa famiglia di recettori; è (d) mancanza d'infurmazioni nantu à e principali proteine ​​sensori batteriche (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Calchì volta, a biodegradazione di idrocarburi aromatichi produce multipli metaboliti/intermedi, chì ponu esse chemiotattici per un gruppu di batteri ma repulsivi per altri, cumplicendu ulteriormente u prucessu. Per identificà l'interazzione di ligandi (idrocarburi aromatichi) cù i recettori chimichi, avemu custruitu proteine ​​sensori ibride (PcaY, McfR è NahY) fusionendu i duminii sensori è di segnalazione di Pseudomonas putida è Escherichia coli, chì miranu rispettivamente i recettori per l'acidi aromatichi, l'intermedi TCA è a naftalene (Luu et al., 2019).
Sottu l'influenza di a naftalene è di altri idrocarburi aromatichi policiclichi (PAH), a struttura di a membrana batterica è l'integrità di i microorganismi subiscenu cambiamenti significativi. Studi anu dimustratu chì a naftalene interferisce cù l'interazione di a catena acilica per via di interazioni idrofobiche, aumentendu cusì u gonfiore è a fluidità di a membrana (Sikkema et al., 1995). Per cuntrastà questu effettu dannosu, i batteri regulanu a fluidità di a membrana cambiendu u rapportu è a cumpusizione di l'acidi grassi trà l'acidi grassi à catena ramificata iso/anteiso è isomerizendu l'acidi grassi cis-insaturi in i currispondenti trans-isomeri (Heipieper è de Bont, 1994). In Pseudomonas stutzeri cultivatu cù trattamentu cù naftalene, u rapportu trà acidi grassi saturati è insaturi hè aumentatu da 1,1 à 2,1, mentre chì in Pseudomonas JS150 questu rapportu hè aumentatu da 7,5 à 12,0 (Mrozik et al., 2004). Quandu sò state cultivate nantu à a naftalena, e cellule Achromobacter KAs 3-5 anu mostratu una aggregazione cellulare intornu à i cristalli di naftalena è una diminuzione di a carica superficiale cellulare (da -22,5 à -2,5 mV) accumpagnata da cundensazione citoplasmatica è vacuolizazione, chì indica cambiamenti in a struttura cellulare è in e proprietà di a superficia cellulare (Mohapatra et al., 2019). Ancu s'è i cambiamenti cellulari/superficiali sò direttamente assuciati à una migliore assorbimentu di inquinanti aromatichi, e strategie di bioingegneria pertinenti ùn sò state cumpletamente ottimizzate. A manipulazione di a forma cellulare hè stata raramente aduprata per ottimizà i prucessi biologichi (Volke è Nikel, 2018). L'eliminazione di i geni chì affettanu a divisione cellulare provoca cambiamenti in a morfologia cellulare. L'eliminazione di i geni chì affettanu a divisione cellulare provoca cambiamenti in a morfologia cellulare. In Bacillus subtilis, hè statu dimustratu chì a proteina di u settu cellulare SepF hè implicata in a furmazione di u settu è hè necessaria per e tappe successive di a divisione cellulare, ma ùn hè micca un genu essenziale. L'eliminazione di i geni chì codificanu l'idrolasi peptidiche glicane in Bacillus subtilis hà risultatu in un allungamentu cellulare, un aumentu di u tassu di crescita specificu è una migliore capacità di pruduzzione di enzimi (Cui et al., 2018).
A cumpartimentazione di a via di degradazione di u carbaril hè stata pruposta per ottene una degradazione efficiente di i ceppi di Pseudomonas C5pp è C7 (Kamini et al., 2018). Si pruponi chì u carbaril sia trasportatu in u spaziu periplasmicu attraversu u settu di a membrana esterna è/o attraversu porine diffusibili. CH hè un enzima periplasmicu chì catalizeghja l'idrolisi di u carbaril in 1-naftolo, chì hè più stabile, più idrofobicu è più tossicu. CH hè lucalizatu in u periplasma è hà una bassa affinità per u carbaril, cuntrullendu cusì a furmazione di 1-naftolo, impedendu cusì a so accumulazione in e cellule è riducendu a so tossicità per e cellule (Kamini et al., 2018). L'1-naftolo risultante hè trasportatu in u citoplasma attraversu a membrana interna per partizione è/o diffusione, è hè poi idrossilatu in 1,2-diidrossinaftalene da l'enzima 1NH à alta affinità per un ulteriore metabolismu in a via di u carbone cintrale.
Ancu s'è i microorganismi anu e capacità genetiche è metaboliche di degradà e fonti di carbone xenobiotiche, a struttura gerarchica di a so utilizzazione (vale à dì, l'usu preferenziale di fonti di carbone simplici rispetto à quelle cumplesse) hè un ostaculu maiò à a biodegradazione. A presenza è l'utilizzazione di fonti di carbone simplici riducenu i geni chì codificanu enzimi chì degradanu fonti di carbone cumplesse/micca preferite cum'è l'IPA. Un esempiu ben studiatu hè chì quandu u glucosiu è u lattosiu sò alimentati inseme à Escherichia coli, u glucosiu hè utilizatu più efficacemente chè u lattosiu (Jacob è Monod, 1965). Hè statu signalatu chì Pseudomonas degrada una varietà di IPA è cumposti xenobiotici cum'è fonti di carbone. A gerarchia di l'utilizzazione di e fonti di carbone in Pseudomonas hè acidi organici > glucosiu > cumposti aromatichi (Hylemon è Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Tuttavia, ci hè una eccezione. Hè interessante nutà chì Pseudomonas sp. CSV86 presenta una struttura gerarchica unica chì utilizza preferenzialmente idrocarburi aromatichi (acidu benzoicu, naftalene, ecc.) piuttostu chè u glucosiu è co-metabolizza l'idrocarburi aromatichi cù l'acidi organici (Basu et al., 2006). In questu batteriu, i geni per a degradazione è u trasportu di l'idrocarburi aromatichi ùn sò micca regulati in calata ancu in presenza di una seconda fonte di carbone cum'è u glucosiu o l'acidi organici. Quandu hè cultivatu in un mezu di glucosiu è idrocarburi aromatichi, hè statu osservatu chì i geni per u trasportu è u metabolismu di u glucosiu eranu regulati in calata, l'idrocarburi aromatichi sò stati utilizati in a prima fase logaritmica, è u glucosiu hè statu utilizatu in a seconda fase logaritmica (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). D’altronde, a presenza di acidi organici ùn hà micca influenzatu l'espressione di u metabolismu di l'idrocarburi aromatichi, dunque si prevede chì questu batteriu sia un ceppo candidatu per studii di biodegradazione (Phale et al., 2020).
Hè ben cunnisciutu chì a biotrasfurmazione di l'idrocarburi pò causà stress ossidativu è sovra-regulazione di l'enzimi antioxidanti in i microorganismi. A biodegradazione inefficiente di a naftalena sia in e cellule di fase stazionaria sia in presenza di cumposti tossichi porta à a furmazione di spezie reattive di l'ossigenu (ROS) (Kang et al. 2006). Siccomu l'enzimi chì degradanu a naftalena cuntenenu gruppi di ferru-zolfu, sottu stress ossidativu, u ferru in l'eme è e proteine ​​ferru-zolfu serà ossidatu, purtendu à l'inattivazione di e proteine. A ferredossina-NADP+ reduttasi (Fpr), inseme cù a superossidu dismutasi (SOD), media a reazione redox reversibile trà NADP+/NADPH è duie molecule di ferredossina o flavodossina, eliminendu cusì i ROS è restaurendu u centru ferru-zolfu sottu stress ossidativu (Li et al. 2006). Hè statu signalatu chì sia Fpr sia SodA (SOD) in Pseudomonas ponu esse indotti da u stress ossidativu, è l'aumentu di l'attività di SOD è catalasi hè statu osservatu in quattru ceppi di Pseudomonas (O1, W1, As1 è G1) durante a crescita in cundizioni aghjunte di naftalene (Kang et al., 2006). Studi anu dimustratu chì l'aggiunta di antioxidanti cum'è l'acidu ascorbicu o u ferru ferru (Fe2+) pò aumentà u ritmu di crescita di a naftalene. Quandu Rhodococcus erythropolis hè cresciutu in un mezu di naftalene, a trascrizione di i geni di u citocromu P450 ligati à u stress ossidativu, cumpresi sodA (Fe/Mn superossidu dismutasi), sodC (Cu/Zn superossidu dismutasi) è recA, hè stata aumentata (Sazykin et al., 2019). L'analisi proteomica quantitativa cumparativa di e cellule di Pseudomonas cultivate in naftalene hà dimustratu chì a sovraespressione di varie proteine ​​​​​​assuciate à a risposta à u stress ossidativu hè una strategia di coping di u stress (Herbst et al., 2013).
Hè statu signalatu chì i microorganismi producenu biotensioattivi sottu l'azione di fonti di carbone idrofobiche. Quessi tensioattivi sò cumposti tensioattivi anfifilici chì ponu furmà aggregati à l'interfacce oliu-acqua o aria-acqua. Questu prumove a pseudo-solubilizazione è facilita l'adsorbimentu di idrocarburi aromatichi, risultendu in una biodegradazione efficiente (Rahman et al., 2002). Per via di queste proprietà, i biotensioattivi sò largamente usati in varie industrie. L'aghjunta di tensioattivi chimichi o biotensioattivi à e culture batteriche pò migliurà l'efficienza è a velocità di degradazione di l'idrocarburi. Frà i biotensioattivi, i ramnolipidi prudutti da Pseudomonas aeruginosa sò stati ampiamente studiati è caratterizati (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Inoltre, altri tipi di biotensioattivi includenu lipopeptidi (mucine da Pseudomonas fluorescens), emulsionante 378 (da Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg è Ron, 1999), lipidi disaccaridi di trealosio da Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenina da Bacillus (Saraswathy è Hallberg, 2002), è tensioattivi da Bacillus subtilis (Siegmund è Wagner, 1991) è Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Hè statu dimustratu chì questi potenti tensioattivi riducenu a tensione superficiale da 72 dine/cm à menu di 30 dine/cm, permettendu un megliu assorbimentu di idrocarburi. Hè statu signalatu chì Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia è altre spezie batteriche ponu pruduce diversi biotensioattivi à basa di ramnolipidi è glicolipidi quandu sò cultivati ​​in mezi di naftalene è metilnaftalene (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 pò pruduce u biotensioattiv extracellulare Biosur-Pm quandu hè cultivatu nantu à cumposti aromatichi cum'è l'acidu naftoicu (Phale et al., 1995). A cinetica di furmazione di Biosur-Pm hà dimustratu chì a so sintesi hè un prucessu dipendente da a crescita è da u pH. Hè statu trovu chì a quantità di Biosur-Pm prodotta da e cellule à pH neutru era più alta di quella à pH 8,5. E cellule cultivate à pH 8,5 eranu più idrofobiche è avianu una maggiore affinità per i cumposti aromatichi è alifatici chè e cellule cultivate à pH 7,0. In Rhodococcus spp. N6, un rapportu carbone-azotu (C:N) più altu è a limitazione di u ferru sò cundizioni ottimali per a pruduzzione di biotensioattivi extracellulari (Mutalik et al., 2008). Sò stati fatti tentativi per migliurà a biosintesi di biotensioattivi (tensioattivi) ottimizendu i ceppi è a fermentazione. Tuttavia, u titru di tensioattivu in u mezu di cultura hè bassu (1,0 g/L), ciò chì pone una sfida per a pruduzzione à grande scala (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Dunque, sò stati aduprati metudi d'ingegneria genetica per migliurà a so biosintesi. Tuttavia, a so mudificazione ingegneristica hè difficiule per via di a grande dimensione di l'operone (∼25 kb) è di a cumplessa regulazione biosintetica di u sistema di quorum sensing (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Un certu numeru di mudificazioni d'ingegneria genetica sò state realizate in i batteri Bacillus, principalmente destinate à aumentà a pruduzzione di surfactina rimpiazzendu u promotore (operone srfA), sovraesprimendu a proteina d'esportazione di surfactina YerP è i fattori regulatori ComX è PhrC (Jiao et al., 2017). Tuttavia, sti metudi d'ingegneria genetica anu ottenutu solu una o poche mudificazioni genetiche è ùn anu ancu righjuntu a pruduzzione cummerciale. Dunque, hè necessariu un ulteriore studiu di i metudi d'ottimizazione basati nantu à a cunniscenza.
I studii di biodegradazione di l'IPA sò principalmente realizati in cundizioni standard di laburatoriu. Tuttavia, in i siti contaminati o in ambienti contaminati, parechji fattori abiotici è biotici (temperatura, pH, ossigenu, dispunibilità di nutrienti, biodisponibilità di u substratu, altri xenobiotici, inibizione di u pruduttu finale, ecc.) anu dimustratu di alterà è influenzà a capacità degradativa di i microorganismi.
A temperatura hà un effettu significativu nantu à a biodegradazione di l'IPA. Quandu a temperatura aumenta, a cuncentrazione di l'ossigenu dissoltu diminuisce, ciò chì affetta u metabolismu di i microorganismi aerobi, postu chì necessitanu ossigenu moleculare cum'è unu di i sustrati per l'ossigenasi chì realizanu reazzioni di idrossilazione o di scissione di l'anellu. Si nota spessu chì a temperatura elevata cunverte l'IPA parentali in cumposti più tossichi, inibendu cusì a biodegradazione (Muller et al., 1998).
Hè statu nutatu chì parechji siti contaminati da PAH anu valori di pH estremi, cum'è i siti contaminati da drenaggiu acidu di miniere (pH 1-4) è i siti di gassificazione di gas naturale/carbone contaminati da lisciviatu alcalinu (pH 8-12). Queste cundizioni ponu influenzà seriamente u prucessu di biodegradazione. Dunque, prima di utilizà microrganismi per a biorimediazione, hè cunsigliatu di aghjustà u pH aghjunghjendu chimichi adatti (cù un putenziale di riduzzione di l'ossidazione da moderatu à assai bassu) cum'è u sulfatu d'ammoniu o u nitratu d'ammoniu per i terreni alcalini o a calcinazione cù carbonatu di calciu o carbonatu di magnesiu per i siti acidi (Bowlen et al. 1995; Gupta è Sar 2020).
L'approvvigionamentu d'ossigenu à a zona affettata hè u fattore limitante per a biodegradazione di l'PAH. A causa di e cundizioni redox di l'ambiente, i prucessi di biorimediazione in situ richiedenu di solitu l'introduzione d'ossigenu da fonti esterne (aratura, sparging d'aria è aggiunta chimica) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) anu dimustratu chì l'aggiunta di perossidu di magnesiu (un cumpostu chì libera ossigenu) à una falda acquifera contaminata puderia biorimedià efficacemente i cumposti BTEX. Un altru studiu hà investigatu a degradazione in situ di fenolu è BTEX in una falda acquifera contaminata iniettendu nitratu di sodiu è custruendu pozzi d'estrazione per ottene una biorimediazione efficace (Bewley è Webb, 2001).