Данная статья является частью исследовательской темы «Передовые технологии биоремедиации и процессы переработки синтетических органических соединений (СОС)». Просмотреть все 14 статей
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) с низкой молекулярной массой, такие как нафталин и замещенные нафталины (метилнафталин, нафтойная кислота, 1-нафтил-N-метилкарбамат и др.), широко используются в различных отраслях промышленности и обладают генотоксическим, мутагенным и/или канцерогенным действием на организмы. Эти синтетические органические соединения (СОС) или ксенобиотики считаются приоритетными загрязнителями и представляют серьезную угрозу для глобальной окружающей среды и здоровья населения. Интенсивность человеческой деятельности (например, газификация угля, нефтепереработка, выбросы транспортных средств и сельскохозяйственное применение) определяет концентрацию, судьбу и перенос этих повсеместно распространенных и стойких соединений. В дополнение к физическим и химическим методам обработки/удаления, в качестве безопасной, экономически эффективной и перспективной альтернативы появились экологически чистые технологии, такие как биоремедиация, использующая микроорганизмы, способные полностью разлагать ПАУ или превращать их в нетоксичные побочные продукты. Различные виды бактерий, принадлежащие к филумам Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia и Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus и Paenibacillus) и Actinobacteria (Rhodococcus и Arthrobacter) в почвенной микробиоте, продемонстрировали способность разлагать различные органические соединения. Метаболические исследования, геномика и метагеномный анализ помогают нам понять катаболическую сложность и разнообразие, присущие этим простым формам жизни, что может быть в дальнейшем применено для эффективной биодеградации. Длительное существование ПАУ привело к появлению новых фенотипов деградации посредством горизонтального переноса генов с использованием генетических элементов, таких как плазмиды, транспозоны, бактериофаги, геномные острова и интегративные конъюгативные элементы. Системная биология и генная инженерия специфических изолятов или модельных сообществ (консорциумов) могут обеспечить комплексную, быструю и эффективную биоремедиацию этих ПАУ за счет синергетического эффекта. В данном обзоре мы сосредоточимся на различных метаболических путях и разнообразии, генетическом составе и разнообразии, а также клеточных реакциях/адаптациях бактерий, разлагающих нафталин и замещенный нафталин. Это позволит получить экологическую информацию для применения в полевых условиях и оптимизации штаммов для эффективной биоремедиации.
Быстрое развитие промышленности (нефтехимической, сельскохозяйственной, фармацевтической, текстильной, косметической и др.) способствовало глобальному экономическому процветанию и повышению уровня жизни. Это экспоненциальное развитие привело к производству большого количества синтетических органических соединений (СОС), используемых для изготовления различных продуктов. К этим чужеродным соединениям относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), пестициды, гербициды, пластификаторы, красители, фармацевтические препараты, органофосфаты, антипирены, летучие органические растворители и др. Они выбрасываются в атмосферу, водные и наземные экосистемы, где оказывают многогранное воздействие, вызывая пагубные последствия для различных биоформ путем изменения физико-химических свойств и структуры сообществ (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Многие ароматические загрязнители оказывают сильное и разрушительное воздействие на многие нетронутые экосистемы/зоны биоразнообразия (например, коралловые рифы, арктические/антарктические ледяные щиты, высокогорные озера, глубоководные отложения и т. д.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Недавние геомикробиологические исследования показали, что отложение синтетических органических веществ (например, ароматических загрязнителей) и их производных на поверхностях искусственных сооружений (застроенной среды) (например, объектов культурного наследия и памятников из гранита, камня, дерева и металла) ускоряет их деградацию (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Деятельность человека может усиливать и усугублять биологическую деградацию памятников и зданий из-за загрязнения воздуха и изменения климата (Liu et al. 2020). Эти органические загрязнители реагируют с водяным паром в атмосфере и оседают на конструкции, вызывая физическую и химическую деградацию материала. Биодеградация широко признана как нежелательные изменения внешнего вида и свойств материалов, вызванные живыми организмами, которые влияют на их сохранность (Pochon and Jaton, 1967). Дальнейшее микробное воздействие (метаболизм) этих соединений может снизить структурную целостность, эффективность консервации и культурную ценность (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). С другой стороны, в некоторых случаях было обнаружено, что микробная адаптация к этим структурам и реакция на них оказываются полезными, поскольку они образуют биопленки и другие защитные корки, которые снижают скорость разложения/распада (Martino, 2016). Поэтому разработка эффективных долгосрочных устойчивых стратегий сохранения каменных, металлических и деревянных памятников требует глубокого понимания ключевых процессов, участвующих в этом процессе. По сравнению с природными процессами (геологические процессы, лесные пожары, извержения вулканов, реакции растений и бактерий), деятельность человека приводит к выбросу больших объемов полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и другого органического углерода (ОУ) в экосистемы. Многие полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), используемые в сельском хозяйстве (инсектициды и пестициды, такие как ДДТ, атразин, карбарил, пентахлорфенол и др.), промышленности (сырая нефть, нефтяные отходы/шламы, пластмассы, полученные из нефти, ПХБ, пластификаторы, моющие средства, дезинфицирующие средства, фумиганты, ароматизаторы и консерванты), средствах личной гигиены (солнцезащитные кремы, дезинфицирующие средства, репелленты от насекомых и полициклические мускусы) и боеприпасах (взрывчатые вещества, такие как 2,4,6-тротил), являются потенциальными ксенобиотиками, которые могут оказывать воздействие на здоровье планеты (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Этот список можно расширить, включив в него соединения, полученные из нефти (топливные масла, смазочные материалы, асфальтены), высокомолекулярные биопластики и ионные жидкости (Amde et al., 2015). В таблице 1 перечислены различные ароматические загрязнители и их применение в различных отраслях промышленности. В последние годы антропогенные выбросы летучих органических соединений, а также углекислого газа и других парниковых газов начали расти (Дворак и др., 2017). Однако антропогенное воздействие значительно превышает природное. Кроме того, мы обнаружили, что ряд органических соединений сохраняется во многих средах и были определены как новые загрязнители, оказывающие неблагоприятное воздействие на биомы (рисунок 1). Экологические агентства, такие как Агентство по охране окружающей среды США (USEPA), включили многие из этих загрязнителей в свой приоритетный список из-за их цитотоксических, генотоксических, мутагенных и канцерогенных свойств. Поэтому необходимы строгие правила утилизации и эффективные стратегии обработки/удаления отходов из загрязненных экосистем. Различные физические и химические методы обработки, такие как пиролиз, окислительная термическая обработка, аэрация воздуха, захоронение на полигонах, сжигание и т. д., неэффективны и дорогостоящи, а также образуют коррозионные, токсичные и трудно поддающиеся обработке побочные продукты. В условиях растущего глобального экологического сознания все большее внимание привлекают микроорганизмы, способные разлагать эти загрязняющие вещества и их производные (такие как галогенированные, нитро-, алкильные и/или метильные соединения) (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Использование этих местных микроорганизмов-кандидатов по отдельности или в смешанных культурах (колониях) для удаления ароматических загрязняющих веществ имеет преимущества с точки зрения экологической безопасности, стоимости, эффективности, результативности и устойчивости. Исследователи также изучают интеграцию микробных процессов с электрохимическими окислительно-восстановительными методами, а именно биоэлектрохимическими системами (БЭС), как перспективную технологию для очистки/удаления загрязняющих веществ (Huang et al., 2011). Технология биоэлектрохимических систем (БЭС) привлекает все больше внимания благодаря своей высокой эффективности, низкой стоимости, экологической безопасности, возможности работы при комнатной температуре, использованию биосовместимых материалов и способности извлекать ценные побочные продукты (например, электроэнергию, топливо и химические вещества) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Появление высокопроизводительного секвенирования генома и омиксных инструментов/методов предоставило множество новой информации о генетической регуляции, протеомике и флюксомике реакций различных микроорганизмов-деградаторов. Сочетание этих инструментов с системной биологией еще больше расширило наше понимание выбора и тонкой настройки целевых катаболических путей в микроорганизмах (т.е. метаболического проектирования) для достижения эффективной биодеградации. Для разработки эффективных стратегий биоремедиации с использованием подходящих микроорганизмов-кандидатов необходимо понимать биохимический потенциал, метаболическое разнообразие, генетический состав и экологию (автоэкологию/синекологию) микроорганизмов.
Рис. 1. Источники и пути распространения низкомолекулярных ПАУ в различных средах и под воздействием различных факторов, влияющих на биоту. Пунктирные линии обозначают взаимодействие между элементами экосистемы.
В данном обзоре мы попытались обобщить данные о разложении простых полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), таких как нафталин и замещенные нафталины, различными бактериальными изолятами, охватывая метаболические пути и разнообразие, ферменты, участвующие в разложении, состав/содержание и разнообразие генов, клеточные реакции и различные аспекты биоремедиации. Понимание биохимического и молекулярного уровней поможет в выявлении подходящих штаммов-хозяев и их дальнейшей генетической модификации для эффективной биоремедиации таких приоритетных загрязнителей. Это поможет в разработке стратегий для создания специфических для конкретного участка бактериальных консорциумов для эффективной биоремедиации.
Наличие большого количества токсичных и опасных ароматических соединений (удовлетворяющих правилу Хюккеля 4n + 2π электронов, n = 1, 2, 3, …) представляет серьезную угрозу для различных сред окружающей среды, таких как воздух, почва, осадки, поверхностные и грунтовые воды (Puglisi et al., 2007). Эти соединения имеют одинарные бензольные кольца (моноциклические) или множественные бензольные кольца (полициклические), расположенные в линейной, угловой или кластерной форме, и проявляют стабильность (стабильность/нестабильность) в окружающей среде благодаря высокой отрицательной энергии резонанса и инертности (инертность), что можно объяснить их гидрофобностью и восстановленным состоянием. При дальнейшем замещении ароматического кольца метильными (-CH3), карбоксильными (-COOH), гидроксильными (-OH) или сульфонатными (-HSO3) группами оно становится более стабильным, обладает большей аффинностью к макромолекулам и биоаккумулятивно в биологических системах (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Некоторые низкомолекулярные полициклические ароматические углеводороды (НМГУ), такие как нафталин и его производные [метилнафталин, нафтойная кислота, нафталенсульфонат и 1-нафтил-N-метилкарбамат (карбарил)], были включены Агентством по охране окружающей среды США в список приоритетных органических загрязнителей как генотоксичные, мутагенные и/или канцерогенные (Cerniglia, 1984). Выброс этого класса НМ-ПАУ в окружающую среду может привести к биоаккумуляции этих соединений на всех уровнях пищевой цепи, что, в свою очередь, повлияет на здоровье экосистем (Бинкова и др., 2000; Сроги, 2007; Куинн и др., 2009).
Источники и пути попадания ПАУ в биоту в основном связаны с миграцией и взаимодействием различных компонентов экосистемы, таких как почва, грунтовые воды, поверхностные воды, сельскохозяйственные культуры и атмосфера (Arey and Atkinson, 2003). На рисунке 1 показаны взаимодействия и распределение различных низкомолекулярных ПАУ в экосистемах и пути их попадания в биоту/воздействия на человека. ПАУ осаждаются на поверхностях в результате загрязнения воздуха, а также в результате миграции (дрейфа) выбросов транспортных средств, промышленных выхлопных газов (газификация угля, сжигание и производство кокса) и их осаждения. Промышленные виды деятельности, такие как производство синтетических тканей, красителей и красок; консервирование древесины; переработка резины; производство цемента; производство пестицидов; и сельскохозяйственное применение, являются основными источниками ПАУ в наземных и водных системах (Bamforth and Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Исследования показали, что почвы в пригородных и городских районах, вблизи автомагистралей и в крупных городах более подвержены воздействию полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) из-за выбросов электростанций, отопления жилых домов, воздушного и дорожного движения, а также строительной деятельности (Suman et al., 2016). (2008) показали, что содержание ПАУ в почве вблизи дорог в Новом Орлеане, штат Луизиана, США, достигало 7189 мкг/кг, тогда как на открытых пространствах оно составляло всего 2404 мкг/кг. Аналогично, уровни ПАУ, достигающие 300 мкг/кг, были зарегистрированы в районах вблизи мест газификации угля в нескольких городах США (Kanaly and Harayama, 2000; Bamforth and Singleton, 2005). Сообщается, что почвы различных индийских городов, таких как Дели (Шарма и др., 2008), Агра (Дубей и др., 2014), Мумбаи (Кулкарни и Венкатараман, 2000) и Вишакхапатнам (Кулкарни и др., 2014), содержат высокие концентрации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Ароматические соединения легче адсорбируются на частицах почвы, органическом веществе и глинистых минералах, становясь, таким образом, основными поглотителями углерода в экосистемах (Сроги, 2007; Пэн и др., 2008). Основными источниками ПАУ в водных экосистемах являются осадки (влажные/сухие осадки и водяной пар), городской сток, сброс сточных вод, пополнение грунтовых вод и т. д. (Сроги, 2007). По оценкам, около 80% ПАУ в морских экосистемах поступают из осадков, седиментации и сброса отходов (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Более высокие концентрации ПАУ в поверхностных водах или фильтрате с мест захоронения твердых отходов в конечном итоге проникают в грунтовые воды, представляя серьезную угрозу для здоровья населения, поскольку более 70% населения Южной и Юго-Восточной Азии пьет грунтовые воды (Duttagupta et al., 2019). Недавнее исследование Duttagupta et al. (2020), основанное на анализе речных (32) и грунтовых (235) вод Западной Бенгалии, Индия, показало, что примерно 53% городских жителей и 44% сельских жителей (в общей сложности 20 миллионов жителей) могут подвергаться воздействию нафталина (4,9–10,6 мкг/л) и его производных. Различия в характере землепользования и увеличение добычи подземных вод считаются основными факторами, контролирующими вертикальный перенос (адвекцию) полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) с низкой молекулярной массой в подземных слоях. Было установлено, что сельскохозяйственный сток, сбросы муниципальных и промышленных сточных вод, а также сбросы твердых отходов/мусора подвержены воздействию ПАУ в речных бассейнах и подземных отложениях. Атмосферные осадки еще больше усугубляют загрязнение ПАУ. Высокие концентрации ПАУ и их алкильных производных (всего 51) были зарегистрированы в реках/водосборных бассейнах по всему миру, таких как река Фрейзер, река Луан, река Денсо, река Миссури, река Анакостия, река Эбро и река Делавэр (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). В отложениях бассейна реки Ганг наиболее значимыми оказались нафталин и фенантрен (обнаружены в 70% образцов) (Duttagupta et al., 2019). Более того, исследования показали, что хлорирование питьевой воды может приводить к образованию более токсичных кислородсодержащих и хлорированных ПАУ (Manoli and Samara, 1999). ПАУ накапливаются в злаках, фруктах и ​​овощах в результате поглощения растениями из загрязненных почв, грунтовых вод и осадков (Fismes et al., 2002). Многие водные организмы, такие как рыба, мидии, моллюски и креветки, загрязняются ПАУ в результате потребления загрязненной пищи и морской воды, а также через ткани и кожу (Mackay and Fraser, 2000). Методы приготовления/обработки, такие как жарка на гриле, запекание, копчение, обжаривание, сушка, выпечка и приготовление на древесных углях, также могут приводить к значительному содержанию ПАУ в пищевых продуктах. Это во многом зависит от выбора материала для копчения, содержания фенольных/ароматических углеводородов, способа приготовления, типа нагревателя, содержания влаги, подачи кислорода и температуры сгорания (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) также были обнаружены в молоке в различных концентрациях (0,75–2,1 мг/л) (Girelli et al., 2014). Накопление этих ПАУ в пищевых продуктах также зависит от физико-химических свойств пищи, в то время как их токсическое воздействие связано с физиологическими функциями, метаболической активностью, абсорбцией, распределением и распределением в организме (Mechini et al., 2011).
Токсичность и вредное воздействие полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) известны давно (Чернилья, 1984). Низкомолекулярные полициклические ароматические углеводороды (НМГ-ПАУ) (с двумя-тремя кольцами) могут ковалентно связываться с различными макромолекулами, такими как ДНК, РНК и белки, и являются канцерогенными (Сантарелли и др., 2008). Благодаря своей гидрофобной природе они разделены липидными мембранами. У человека монооксигеназы цитохрома P450 окисляют ПАУ до эпоксидов, некоторые из которых обладают высокой реакционной способностью (например, эпоксид баэдиола) и могут приводить к трансформации нормальных клеток в злокачественные (Марстон и др., 2001). Кроме того, продукты трансформации ПАУ, такие как хиноны, фенолы, эпоксиды, диолы и др., более токсичны, чем исходные соединения. Некоторые полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и их метаболические промежуточные продукты могут влиять на гормоны и различные ферменты метаболизма, тем самым негативно воздействуя на рост, центральную нервную систему, репродуктивную и иммунную системы (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Сообщалось, что кратковременное воздействие низкомолекулярных ПАУ вызывает нарушение функции легких и тромбоз у астматиков, а также повышает риск развития рака кожи, легких, мочевого пузыря и желудочно-кишечного тракта (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Исследования на животных также показали, что воздействие ПАУ может оказывать неблагоприятное воздействие на репродуктивную функцию и развитие, а также вызывать катаракту, повреждение почек и печени и желтуху. Было показано, что различные продукты биотрансформации ПАУ, такие как диолы, эпоксиды, хиноны и свободные радикалы (катионы), образуют ДНК-аддукты. Было показано, что стабильные аддукты изменяют механизм репликации ДНК, тогда как нестабильные аддукты могут депуринировать ДНК (в основном до аденина, а иногда и до гуанина); оба типа аддуктов могут вызывать ошибки, приводящие к мутациям (Schweigert et al. 2001). Кроме того, хиноны (бензо-/пан-) могут генерировать активные формы кислорода (АФК), вызывая фатальное повреждение ДНК и других макромолекул, тем самым влияя на функцию/жизнеспособность тканей (Ewa and Danuta 2017). Сообщалось, что хроническое воздействие низких концентраций пирена, бифенила и нафталина вызывает рак у экспериментальных животных (Diggs et al. 2012). Из-за их летальной токсичности очистка/удаление этих ПАУ с загрязненных участков является приоритетной задачей.
Для удаления полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) из загрязненных участков/окружающей среды используются различные физические и химические методы. Такие процессы, как сжигание, дехлорирование, УФ-окисление, фиксация и экстракция растворителями, имеют множество недостатков, включая образование токсичных побочных продуктов, сложность процесса, проблемы безопасности и регулирования, низкую эффективность и высокую стоимость. Однако микробная биодеградация (так называемая биоремедиация) является многообещающим альтернативным подходом, который включает использование микроорганизмов в виде чистых культур или колоний. По сравнению с физическими и химическими методами, этот процесс является экологически чистым, неинвазивным, экономически эффективным и устойчивым. Биоремедиация может проводиться непосредственно на загрязненном участке (in situ) или на специально подготовленном участке (ex situ) и поэтому считается более устойчивым методом очистки, чем традиционные физические и химические методы (Juhasz and Naidu, 2000; Andreoni and Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Понимание микробных метаболических этапов, участвующих в разложении ароматических загрязняющих веществ, имеет огромное научное и экономическое значение для экологической и природоохранной устойчивости. По оценкам, в отложениях и органических соединениях (например, нефти, природного газа и угля, то есть ископаемого топлива) во всем мире хранится около 2,1 × 10¹⁸ граммов углерода (C), что вносит значительный вклад в глобальный круговорот углерода. Однако быстрая индустриализация, добыча ископаемого топлива и деятельность человека истощают эти литосферные запасы углерода, ежегодно выбрасывая в атмосферу около 5,5 × 10¹⁵ г органического углерода (в виде загрязняющих веществ) (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Большая часть этого органического углерода попадает в наземные и морские экосистемы посредством седиментации, переноса и стока. Кроме того, новые синтетические загрязняющие вещества, получаемые из ископаемого топлива, такие как пластмассы, пластификаторы и стабилизаторы пластмасс (фталаты и их изомеры), серьезно загрязняют морские, почвенные и водные экосистемы и их биоту, тем самым усугубляя глобальные климатические риски. Различные виды микропластика, нанопластика, фрагментов пластика и их токсичных мономерных продуктов, полученных из полиэтилентерефталата (ПЭТ), накопились в Тихом океане между Северной Америкой и Юго-Восточной Азией, образовав «Большое тихоокеанское мусорное пятно», нанося вред морской жизни (Newell et al., 2020). Научные исследования доказали, что удалить такие загрязняющие вещества/отходы физическими или химическими методами невозможно. В этом контексте наиболее полезными являются микроорганизмы, способные окислительно метаболизировать загрязняющие вещества в углекислый газ, химическую энергию и другие нетоксичные побочные продукты, которые в конечном итоге поступают в другие процессы круговорота питательных веществ (H, O, N, S, P, Fe и др.). Таким образом, понимание микробной экофизиологии минерализации ароматических загрязняющих веществ и ее экологического контроля имеет решающее значение для оценки микробного углеродного цикла, чистого углеродного баланса и будущих климатических рисков. Учитывая острую необходимость удаления таких соединений из окружающей среды, возникли различные эко-индустрии, ориентированные на чистые технологии. В качестве альтернативы, переработка промышленных отходов/отходов химического производства, накапливающихся в экосистемах (т.е. подход «отходы в богатство»), рассматривается как один из столпов циркулярной экономики и целей устойчивого развития (Close et al., 2012). Поэтому понимание метаболических, ферментативных и генетических аспектов этих потенциальных кандидатов на разложение имеет первостепенное значение для эффективного удаления и биоремедиации таких ароматических загрязняющих веществ.
Среди многочисленных ароматических загрязнителей особое внимание уделяется низкомолекулярным полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ), таким как нафталин и замещенные нафталины. Эти соединения являются основными компонентами топлива, получаемого из нефти, текстильных красителей, потребительских товаров, пестицидов (нафталиновые шарики и репелленты от насекомых), пластификаторов и дубильных веществ и поэтому широко распространены во многих экосистемах (Preuss et al., 2003). Недавние исследования указывают на накопление нафталина в отложениях водоносных горизонтов, грунтовых водах и подземных почвах, зонах аэрации и руслах рек, что свидетельствует о его биоаккумуляции в окружающей среде (Duttagupta et al., 2019, 2020). В таблице 2 приведены физико-химические свойства, области применения и воздействие на здоровье нафталина и его производных. По сравнению с другими высокомолекулярными полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), нафталин и его производные менее гидрофобны, более водорастворимы и широко распространены в экосистемах, поэтому их часто используют в качестве модельных субстратов для изучения метаболизма, генетики и метаболического разнообразия ПАУ. Большое количество микроорганизмов способно метаболизировать нафталин и его производные, и имеется исчерпывающая информация об их метаболических путях, ферментах и ​​регуляторных особенностях (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Кроме того, нафталин и его производные обозначены как прототипные соединения для оценки загрязнения окружающей среды благодаря их высокой распространенности и биодоступности. Агентство по охране окружающей среды США оценивает средний уровень нафталина в сигаретном дыме в 5,19 мкг на кубический метр, главным образом из-за неполного сгорания, и в побочном дыме в 7,8–46 мкг, в то время как воздействие креозота и нафталина в 100–10 000 раз выше (Preuss et al. 2003). В частности, было установлено, что нафталин обладает специфической для вида, региона и пола респираторной токсичностью и канцерогенностью. На основании исследований на животных Международное агентство по исследованию рака (IARC) классифицировало нафталин как «возможный канцероген для человека» (группа 2B)¹. Воздействие замещенных нафталинов, главным образом путем ингаляции или парентерального (перорального) введения, вызывает повреждение легочной ткани и увеличивает частоту возникновения опухолей легких у крыс и мышей (Национальная токсикологическая программа²). К острым последствиям относятся тошнота, рвота, боли в животе, диарея, головная боль, спутанность сознания, обильное потоотделение, лихорадка, тахикардия и др. С другой стороны, сообщается, что инсектицид карбамит широкого спектра действия карбарил (1-нафтил N-метилкарбамат) токсичен для водных беспозвоночных, амфибий, медоносных пчел и человека, а также ингибирует ацетилхолинэстеразу, вызывая паралич (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). Поэтому понимание механизмов микробной деградации, генетической регуляции, ферментативных и клеточных реакций имеет решающее значение для разработки стратегий биоремедиации в загрязненных средах.
Таблица 2. Подробная информация о физико-химических свойствах, применении, методах идентификации и связанных с нафталином и его производными заболеваниях.
В загрязненных нишах гидрофобные и липофильные ароматические загрязнители могут вызывать разнообразные клеточные эффекты на микробиом окружающей среды (сообщество), такие как изменения текучести мембран, проницаемости мембран, набухание липидного бислоя, нарушение переноса энергии (цепи переноса электронов/протонно-движущей силы) и активности мембраноассоциированных белков (Sikkema et al., 1995). Кроме того, некоторые растворимые промежуточные соединения, такие как катехолы и хиноны, генерируют активные формы кислорода (АФК) и образуют аддукты с ДНК и белками (Penning et al., 1999). Таким образом, обилие таких соединений в экосистемах оказывает селективное давление на микробные сообщества, заставляя их эффективно разлагать вещества на различных физиологических уровнях, включая поглощение/транспорт, внутриклеточную трансформацию, ассимиляцию/использование и компартментализацию.
Поиск в базе данных Ribosomal Database Project-II (RDP-II) показал, что из питательных сред или обогащенных культур, загрязненных нафталином или его производными, было выделено в общей сложности 926 видов бактерий. Группа Proteobacteria имела наибольшее количество представителей (n = 755), за ней следовали Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) и неклассифицированные бактерии (8) (Рисунок 2). Представители γ-Proteobacteria (Pseudomonadales и Xanthomonadales) доминировали во всех грамотрицательных группах с высоким содержанием G+C (54%), в то время как Clostridiales и Bacillales (30%) были грамположительными группами с низким содержанием G+C. Было установлено, что бактерии рода Pseudomonas (наибольшее количество видов — 338) способны разлагать нафталин и его метильные производные в различных загрязненных экосистемах (каменноугольная смола, нефть, сырая нефть, шлам, разливы нефти, сточные воды, органические отходы и свалки), а также в нетронутых экосистемах (почва, реки, отложения и грунтовые воды) (Рисунок 2). Более того, исследования по обогащению и метагеномный анализ некоторых из этих регионов показали, что некультивируемые виды Legionella и Clostridium могут обладать способностью к разложению, что указывает на необходимость культивирования этих бактерий для изучения новых путей и метаболического разнообразия.
Рис. 2. Таксономическое разнообразие и экологическое распределение представителей бактерий в средах, загрязненных нафталином и его производными.
Среди различных микроорганизмов, разлагающих ароматические углеводороды, большинство способны разлагать нафталин как единственный источник углерода и энергии. Последовательность событий, участвующих в метаболизме нафталина, описана для Pseudomonas sp. (штаммы: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 и CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 и другие штаммы (ND6 и AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis and Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Метаболизм инициируется многокомпонентной диоксигеназой [нафталендиоксигеназой (NDO), кольцевой гидроксилирующей диоксигеназой], которая катализирует окисление одного из ароматических колец нафталина, используя молекулярный кислород в качестве другого субстрата, превращая нафталин в цис-нафталендиол (Рисунок 3). Цис-дигидродиол превращается в 1,2-дигидроксинафталин с помощью дегидрогеназы. Расщепляющая кольцо диоксигеназа, 1,2-дигидроксинафталендиоксигеназа (12DHNDO), превращает 1,2-дигидроксинафталин в 2-гидроксихромен-2-карбоновую кислоту. Ферментативная цис-транс-изомеризация приводит к образованию транс-о-гидроксибензилиденпирувата, который расщепляется гидратазой-альдолазой до салицилового альдегида и пирувата. Органическая кислота пируват была первым С3-соединением, полученным из углеродного скелета нафталина и направленным в центральный углеродный путь. Кроме того, НАД+-зависимая салицилальдегиддегидрогеназа превращает салицилальдегид в салициловую кислоту. Метаболизм на этом этапе называется «верхним путем» деградации нафталина. Этот путь очень распространен в большинстве случаев. Бактерии, разлагающие нафталин. Однако есть несколько исключений; например, у термофильной бактерии Bacillus hamburgii 2 разложение нафталина инициируется нафталин-2,3-диоксигеназой с образованием 2,3-дигидроксинафталина (Annweiler et al., 2000).
Рисунок 3. Пути деградации нафталина, метилнафталина, нафтойной кислоты и карбарила. Цифры в кружках обозначают ферменты, ответственные за последовательное превращение нафталина и его производных в последующие продукты. 1 — нафталендиоксигеназа (NDO); 2 — цис-дигидродиолдегидрогеназа; 3 — 1,2-дигидроксинафталендиоксигеназа; 4 — 2-гидроксихромен-2-карбоновая кислота изомераза; 5 — транс-O-гидроксибензилиденпируватгидратаза альдолаза; 6 — салицилальдегиддегидрогеназа; 7 — салицилат-1-гидроксилаза; 8 — катехол-2,3-диоксигеназа (C23DO); 9 — 2-гидроксимуконатсемиальдегиддегидрогеназа; 10 — 2-оксопент-4-еноатгидратаза; 11, 4-гидрокси-2-оксопентаноат альдолаза; 12, ацетальдегиддегидрогеназа; 13, катехол-1,2-диоксигеназа (C12DO); 14, муконатциклоизомераза; 15, муконолактон-дельта-изомераза; 16, β-кетоадипатеноллактонгидролаза; 17, β-кетоадипатсукцинил-КоА-трансфераза; 18, β-кетоадипат-КоА-тиолаза; 19, сукцинил-КоА:ацетил-КоА-сукцинилтрансфераза; 20, салицилат-5-гидроксилаза; 21 – гентизат-1,2-диоксигеназа (GDO); 22, малеилпируватизомераза; 23, фумарилпируватгидролаза; 24, метилнафталенгидроксилаза (NDO); 25, гидроксиметилнафталендегидрогеназа; 26, нафтальдегиддегидрогеназа; 27, 3-формилсалициловая кислота оксидаза; 28, гидроксиизофталатдекарбоксилаза; 29, карбарилгидролаза (CH); 30, 1-нафтол-2-гидроксилаза.
В зависимости от организма и его генетического состава, образующаяся салициловая кислота далее метаболизируется либо по катехольному пути с использованием салицилат-1-гидроксилазы (S1H), либо по гентизатному пути с использованием салицилат-5-гидроксилазы (S5H) (рис. 3). Поскольку салициловая кислота является основным промежуточным продуктом метаболизма нафталина (верхний путь), этапы от салициловой кислоты до промежуточного продукта цикла трикарбоновых кислот часто называют нижним путем, а гены организованы в единый оперон. Обычно гены в опероне верхнего пути (nah) и опероне нижнего пути (sal) регулируются общими регуляторными факторами; например, NahR и салициловая кислота действуют как индукторы, позволяя обоим оперонам полностью метаболизировать нафталин (Phale et al., 2019, 2020).
Кроме того, катехол циклически расщепляется до 2-гидроксимуконат-семиальдегида по мета-пути с помощью катехол-2,3-диоксигеназы (C23DO) (Yen et al., 1988) и далее гидролизуется 2-гидроксимуконат-семиальдегидгидролазой с образованием 2-гидроксипент-2,4-диеновой кислоты. Затем 2-гидроксипент-2,4-диеноат превращается в пируват и ацетальдегид с помощью гидратазы (2-оксопент-4-еноатгидратазы) и альдолазы (4-гидрокси-2-оксопентаноат-альдолазы) и затем поступает в центральный углеродный путь (рис. 3). В качестве альтернативы, катехол циклически расщепляется до цис,цис-муконата по орто-пути с помощью катехол-1,2-оксигеназы (C12DO). Муконатциклоизомераза, муконолактонизомераза и β-кетоадипат-ноллактонгидролаза превращают цис,цис-муконат в 3-оксоадипат, который поступает в центральный углеродный путь через сукцинил-КоА и ацетил-КоА (Nozaki et al., 1968) (Рисунок 3).
В пути образования гентизата (2,5-дигидроксибензоата) ароматическое кольцо расщепляется гентизат-1,2-диоксигеназой (GDO) с образованием малеилпирувата. Этот продукт может быть непосредственно гидролизован до пирувата и малата, или же он может изомеризоваться с образованием фумарилпирувата, который затем может быть гидролизован до пирувата и фумарата (Larkin and Day, 1986). Выбор альтернативного пути наблюдался как у грамотрицательных, так и у грамположительных бактерий на биохимическом и генетическом уровнях (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Граммотрицательные бактерии (Pseudomonas) предпочитают использовать салициловую кислоту, которая является индуктором метаболизма нафталина, декарбоксилируя его до катехола с помощью салицилат-1-гидроксилазы (Gibson and Subramanian, 1984). С другой стороны, у грамположительных бактерий (Rhodococcus) салицилат-5-гидроксилаза превращает салициловую кислоту в гентистиновую кислоту, тогда как салициловая кислота не оказывает индуцирующего воздействия на транскрипцию генов нафталина (Grund et al., 1992) (Рисунок 3).
Сообщалось, что такие виды, как Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, а также виды Pseudomonas и Mycobacterium, способны разлагать монометилнафталин или диметилнафталин (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Среди них, путь разложения 1-метилнафталина и 2-метилнафталина у Pseudomonas sp. Вирус CSV86 был тщательно изучен на биохимическом и ферментативном уровнях (Mahajan et al., 1994). 1-Метилнафталин метаболизируется двумя путями. Во-первых, ароматическое кольцо гидроксилируется (незамещенное кольцо метилнафталина) с образованием цис-1,2-дигидрокси-1,2-дигидро-8-метилнафталина, который далее окисляется до метилсалицилата и метилкатехола, а затем после разрыва кольца поступает в центральный углеродный путь (рис. 3). Этот путь называется «путем источника углерода». Во втором «пути детоксикации» метильная группа может быть гидроксилирована NDO с образованием 1-гидроксиметилнафталина, который далее окисляется до 1-нафтойной кислоты и выводится в культуральную среду в качестве тупикового продукта. Исследования показали, что штамм CSV86 не способен расти на 1- и 2-нафтойной кислоте в качестве единственного источника углерода и энергии, что подтверждает наличие у него пути детоксикации (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). В 2-метилнафталине метильная группа подвергается гидроксилированию гидроксилазой с образованием 2-гидроксиметилнафталина. Кроме того, незамещенное кольцо нафталина подвергается гидроксилированию с образованием дигидродиола, который окисляется до 4-гидроксиметилкатехола в ряде ферментативно катализируемых реакций и поступает в центральный углеродный путь через путь расщепления мета-кольца. Аналогичным образом, сообщалось, что S. paucimobilis 2322 использует NDO для гидроксилирования 2-метилнафталина, который далее окисляется с образованием метилсалицилата и метилкатехола (Dutta et al., 1998).
Нафтойные кислоты (замещенные/незамещенные) являются побочными продуктами детоксикации/биотрансформации, образующимися в процессе разложения метилнафталина, фенантрена и антрацена и выделяющимися в отработанную культуральную среду. Сообщалось, что почвенный изолят Stenotrophomonas maltophilia CSV89 способен метаболизировать 1-нафтойную кислоту в качестве источника углерода (Phale et al., 1995). Метаболизм начинается с дигидроксилирования ароматического кольца с образованием 1,2-дигидрокси-8-карбоксинафталина. Образовавшийся диол окисляется до катехола через 2-гидрокси-3-карбоксибензилиденпируват, 3-формилсалициловую кислоту, 2-гидроксиизофталевую кислоту и салициловую кислоту и поступает в центральный углеродный путь через путь расщепления мета-кольца (рис. 3).
Карбарил — это пестицид на основе нафтилкарбамата. С момента «зеленой революции» в Индии в 1970-х годах использование химических удобрений и пестицидов привело к увеличению выбросов полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) из сельскохозяйственных неточечных источников (Пингали, 2012; Дуттагупта и др., 2020). По оценкам, 55% (85 722 000 гектаров) общей площади пахотных земель в Индии обрабатывается химическими пестицидами. За последние пять лет (2015–2020) индийский сельскохозяйственный сектор использовал в среднем от 55 000 до 60 000 тонн пестицидов в год (Департамент кооперативов и благосостояния фермеров, Министерство сельского хозяйства, Правительство Индии, август 2020 г.). В северной и центральной частях Гангской равнины (штаты с самым высоким населением и плотностью населения) использование пестицидов на сельскохозяйственных культурах широко распространено, при этом преобладают инсектициды. Карбарил (1-нафтил-N-метилкарбамат) — это инсектицид широкого спектра действия, умеренно или высокотоксичный, используемый в сельском хозяйстве Индии в среднем в количестве 100–110 тонн. Он обычно продается под торговым названием «Севин» и используется для борьбы с насекомыми (тлей, огненными муравьями, блохами, клещами, пауками и многими другими вредителями), поражающими различные культуры (кукурузу, сою, хлопок, фрукты и овощи). Некоторые микроорганизмы, такие как Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus и Arthrobacter, также могут использоваться для борьбы с другими вредителями. Сообщалось, что RC100 способен разлагать карбарил (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Путь разложения карбарила был всесторонне изучен на биохимическом, ферментативном и генетическом уровнях в почвенных изолятах штаммов Pseudomonas sp. C4, C5 и C6 (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (рис. 3). Метаболический путь начинается с гидролиза сложноэфирной связи карбарилгидролазой (CH) с образованием 1-нафтола, метиламина и диоксида углерода. Затем 1-нафтол превращается в 1,2-дигидроксинафталин с помощью 1-нафтолгидроксилазы (1-NH), который далее метаболизируется по центральному углеродному пути через салицилат и гентизат. Сообщалось, что некоторые бактерии, разлагающие карбарил, метаболизируют его в салициловую кислоту путем расщепления орто-кольца катехола (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). Примечательно, что бактерии, разлагающие нафталин, метаболизируют салициловую кислоту преимущественно через катехол, тогда как бактерии, разлагающие карбарил, предпочитают метаболизировать салициловую кислоту через гентизатный путь.
Производные нафталенсульфоновой/дисульфоновой кислоты и нафтиламинсульфоновой кислоты могут использоваться в качестве промежуточных продуктов при производстве азокрасителей, смачивающих агентов, диспергаторов и т. д. Хотя эти соединения обладают низкой токсичностью для человека, исследования цитотоксичности показали, что они смертельны для рыб, дафний и водорослей (Greim et al., 1994). Сообщается, что представители рода Pseudomonas (штаммы A3, C22) начинают метаболизм путем двойного гидроксилирования ароматического кольца, содержащего сульфокислотную группу, с образованием дигидродиола, который далее превращается в 1,2-дигидроксинафталин путем спонтанного расщепления сульфитной группы (Brilon et al., 1981). Образующийся 1,2-дигидроксинафталин катаболизируется по классическому нафталиновому пути, т.е. по пути катехола или гентизата (рис. 4). Было показано, что аминонафталенсульфоновая кислота и гидроксинафталенсульфоновая кислота могут быть полностью разложены смешанными бактериальными консорциями с комплементарными катаболическими путями (Nortemann et al., 1986). Было показано, что один член консорциума десульфурирует аминонафталенсульфоновую кислоту или гидроксинафталенсульфоновую кислоту путем 1,2-диоксигенирования, в то время как аминосалицилат или гидроксисалицилат высвобождаются в культуральную среду в качестве тупикового метаболита и впоследствии поглощаются другими членами консорциума. Нафталендисульфоновая кислота относительно полярна, но плохо биоразлагаема и поэтому может метаболизироваться по различным путям. Первая десульфуризация происходит во время региоселективного дигидроксилирования ароматического кольца и сульфокислотной группы; вторая десульфуризация происходит во время гидроксилирования 5-сульфосалициловой кислоты салициловой кислотой 5-гидроксилазой с образованием гентистиновой кислоты, которая поступает в центральный углеродный путь (Brilon et al., 1981) (Рисунок 4). Ферменты, ответственные за деградацию нафталина, также ответственны за метаболизм нафталинсульфоната (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Рисунок 4. Метаболические пути деградации нафталинсульфоната. Числа внутри кружков обозначают ферменты, ответственные за метаболизм нафтилсульфоната, аналогичные/идентичные ферментам, описанным на Рис. 3.
Полициклические ароматические углеводороды с низкой молекулярной массой (ПАМУ) являются восстанавливаемыми, гидрофобными и плохо растворимыми, поэтому не подвержены естественному разложению/деградации. Однако аэробные микроорганизмы способны окислять их, поглощая молекулярный кислород (O2). Эти ферменты в основном относятся к классу оксидоредуктаз и могут выполнять различные реакции, такие как гидроксилирование ароматического кольца (моно- или дигидроксилирование), дегидрирование и расщепление ароматического кольца. Продукты, полученные в результате этих реакций, находятся в более высокой степени окисления и легче метаболизируются через центральный углеродный путь (Phale et al., 2020). Сообщается, что ферменты в пути деградации являются индуцируемыми. Активность этих ферментов очень низка или незначительна, когда клетки выращиваются на простых источниках углерода, таких как глюкоза или органические кислоты. В таблице 3 приведено краткое описание различных ферментов (оксигеназ, гидролаз, дегидрогеназ, оксидаз и др.), участвующих в метаболизме нафталина и его производных.
Таблица 3. Биохимические характеристики ферментов, ответственных за разложение нафталина и его производных.
Радиоизотопные исследования (18O2) показали, что включение молекулярного O2 в ароматические кольца оксигеназами является наиболее важным этапом активации дальнейшей биодеградации соединения (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Включение одного атома кислорода (O) из молекулярного кислорода (O2) в субстрат инициируется либо эндогенными, либо экзогенными монооксигеназами (также называемыми гидроксилазами). Другой атом кислорода восстанавливается до воды. Экзогенные монооксигеназы восстанавливают флавин с помощью NADH или NADPH, тогда как в эндомонооксигеназах флавин восстанавливается субстратом. Положение гидроксилирования приводит к разнообразию в образовании продуктов. Например, салицилат-1-гидроксилаза гидроксилирует салициловую кислоту в положении C1, образуя катехол. С другой стороны, многокомпонентная салицилат-5-гидроксилаза (содержащая субъединицы редуктазы, ферредоксина и оксигеназы) гидроксилирует салициловую кислоту в положении C5, образуя гентистиновую кислоту (Yamamoto et al., 1965).
Диоксигеназы включают два атома O2 в субстрат. В зависимости от образующихся продуктов они делятся на кольцевые гидроксилирующие диоксигеназы и кольцевые диоксигеназы, расщепляющие кольцо. Кольцевые гидроксилирующие диоксигеназы превращают ароматические субстраты в цис-дигидродиолы (например, нафталин) и широко распространены среди бактерий. На сегодняшний день показано, что организмы, содержащие кольцевые гидроксилирующие диоксигеназы, способны расти на различных ароматических источниках углерода, и эти ферменты классифицируются как NDO (нафталин), толуолдиоксигеназа (TDO, толуол) и бифенилдиоксигеназа (BPDO, бифенил). Как NDO, так и BPDO способны катализировать двойное окисление и гидроксилирование боковых цепей различных полициклических ароматических углеводородов (толуол, нитротолуол, ксилол, этилбензол, нафталин, бифенил, флуорен, индол, метилнафталин, нафталенсульфонат, фенантрен, антрацен, ацетофенон и др.) (Boyd and Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из оксидоредуктазы, ферредоксина и оксигеназного компонента, содержащего активный центр (Gibson and Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Каталитическая единица NDO состоит из большой α-субъединицы и малой β-субъединицы, расположенных в α3β3-конфигурации. NDO относится к большому семейству оксигеназ, и его α-субъединица содержит сайт Риске [2Fe-2S] и моноядерное негемовое железо, которое определяет субстратную специфичность NDO (Parales et al., 1998). Как правило, в одном каталитическом цикле два электрона от восстановления пиридинового нуклеотида переносятся к иону Fe(II) в активном центре через редуктазу, ферредоксин и сайт Риске. Восстановительные эквиваленты активируют молекулярный кислород, что является необходимым условием для дигидроксилирования субстрата (Ferraro et al., 2005). На сегодняшний день лишь немногие NDO были очищены и подробно охарактеризованы из разных штаммов, а генетический контроль путей, участвующих в деградации нафталина, был подробно изучен (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Диоксигеназы, расщепляющие кольца (эндо- или орто-расщепляющие ферменты и экзодиол- или мета-расщепляющие ферменты), действуют на гидроксилированные ароматические соединения. Например, орто-расщепляющей диоксигеназой является катехол-1,2-диоксигеназа, тогда как мета-расщепляющей диоксигеназой является катехол-2,3-диоксигеназа (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Помимо различных оксигеназ, существуют также различные дегидрогеназы, ответственные за дегидрирование ароматических дигидродиолов, спиртов и альдегидов с использованием NAD+/NADP+ в качестве акцепторов электронов, которые являются одними из важных ферментов, участвующих в метаболизме (Gibson and Subramanian, 1984; Shaw and Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Ферменты, такие как гидролазы (эстеразы, амидазы), представляют собой второй важный класс ферментов, которые используют воду для расщепления ковалентных связей и обладают широкой субстратной специфичностью. Карбарилгидролаза и другие гидролазы считаются компонентами периплазмы (трансмембранного домена) у грамотрицательных бактерий (Kamini et al., 2018). Карбарил имеет как амидную, так и сложноэфирную связь; следовательно, он может быть гидролизован эстеразой или амидазой с образованием 1-нафтола. Сообщается, что карбарил в штамме Rhizobium rhizobium AC10023 и штамме Arthrobacter RC100 функционирует как эстераза и амидаза соответственно. Карбарил в штамме Arthrobacter RC100 также функционирует как амидаза. Было показано, что RC100 гидролизует четыре инсектицида класса N-метилкарбаматов, такие как карбарил, метомил, мефенаминовая кислота и XMC (Hayaatsu et al., 2001). Сообщалось, что CH в Pseudomonas sp. C5pp может действовать на карбарил (100% активности) и 1-нафтилацетат (36% активности), но не на 1-нафтилацетамид, что указывает на то, что он является эстеразой (Trivedi et al., 2016).
Биохимические исследования, закономерности регуляции ферментов и генетический анализ показали, что гены деградации нафталина состоят из двух индуцируемых регуляторных единиц или «оперонов»: nah («восходящий путь», превращающий нафталин в салициловую кислоту) и sal («нисходящий путь», превращающий салициловую кислоту в центральный углеродный путь через катехол). Салициловая кислота и ее аналоги могут выступать в качестве индукторов (Shamsuzzaman and Barnsley, 1974). В присутствии глюкозы или органических кислот оперон подавляется. На рисунке 5 показана полная генетическая организация деградации нафталина (в форме оперона). Было описано несколько названных вариантов/форм гена nah (ndo/pah/dox), которые, как было установлено, обладают высокой гомологией последовательностей (90%) среди всех видов Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Гены, участвующие в метаболизме нафталина, обычно располагались в консенсусном порядке, как показано на рисунке 5А. Другой ген, nahQ, также, как сообщается, участвует в метаболизме нафталина и обычно располагается между nahC и nahE, но его фактическая функция остается невыясненной. Аналогично, ген nahY, ответственный за чувствительный к нафталину хемотаксис, был обнаружен на дистальном конце оперона nah у некоторых представителей. У Ralstonia sp. ген U2, кодирующий глутатион-S-трансферазу (gsh), был обнаружен расположенным между nahAa и nahAb, но не влиял на характеристики утилизации нафталина (Zylstra et al., 1997).
Рисунок 5. Генетическая организация и разнообразие, наблюдаемые в процессе разложения нафталина среди бактериальных видов; (A) Верхний путь метаболизма нафталина: превращение нафталина в салициловую кислоту; (B) Нижний путь метаболизма нафталина: превращение салициловой кислоты через катехол в центральный углеродный путь; (C) превращение салициловой кислоты через гентизат в центральный углеродный путь.
«Нижний путь» (оперон sal) обычно состоит из генов nahGTHINLMOKJ и превращает салицилат в пируват и ацетальдегид через путь расщепления катехольного метакольца. Ген nahG (кодирующий салицилатгидроксилазу) был обнаружен консервативным на проксимальном конце оперона (рис. 5B). По сравнению с другими штаммами, разлагающими нафталин, у P. putida CSV86 опероны nah и sal расположены тандемно и очень тесно связаны (около 7,5 кб). У некоторых грамотрицательных бактерий, таких как Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 и P. putida AK5, нафталин метаболизируется как центральный углеродный метаболит через гентизатный путь (в форме оперона sgp/nag). Обычно генная кассета представлена ​​в форме nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, где nagR (кодирующий регулятор типа LysR) расположен в верхней части (рис. 5C).
Карбарил поступает в центральный углеродный цикл через метаболизм 1-нафтола, 1,2-дигидроксинафталина, салициловой кислоты и гентистиновой кислоты (рис. 3). На основе генетических и метаболических исследований было предложено разделить этот путь на «верхний» (превращение карбарила в салициловую кислоту), «средний» (превращение салициловой кислоты в гентистиновую кислоту) и «нижний» (превращение гентистиновой кислоты в промежуточные продукты центрального углеродного пути) (Singh et al., 2013). Геномный анализ C5pp (суперконтиг A, 76,3 кб) показал, что ген mcbACBDEF участвует в превращении карбарила в салициловую кислоту, за ним следует ген mcbIJKL в превращении салициловой кислоты в гентистиновую кислоту, а ген mcbOQP — в превращении гентистиновой кислоты в центральные углеродные промежуточные соединения (фумарат и пируват, Trivedi et al., 2016) (Рисунок 6).
Сообщается, что ферменты, участвующие в разложении ароматических углеводородов (включая нафталин и салициловую кислоту), могут индуцироваться соответствующими соединениями и ингибироваться простыми источниками углерода, такими как глюкоза или органические кислоты (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Среди различных метаболических путей нафталина и его производных регуляторные особенности нафталина и карбарила изучены в некоторой степени. Для нафталина гены как в вышестоящем, так и в нижестоящем путях регулируются NahR, транс-действующим положительным регулятором типа LysR. Он необходим для индукции гена nah салициловой кислотой и его последующей высокой экспрессии (Yen and Gunsalus, 1982). Кроме того, исследования показали, что интегративный фактор хозяина (IHF) и XylR (транскрипционный регулятор, зависимый от сигма-54) также имеют решающее значение для транскрипционной активации генов в метаболизме нафталина (Ramos et al., 1997). Исследования показали, что ферменты пути раскрытия мета-кольца катехола, а именно катехол-2,3-диоксигеназа, индуцируются в присутствии нафталина и/или салициловой кислоты (Basu et al., 2006). Исследования показали, что ферменты пути раскрытия орто-кольца катехола, а именно катехол-1,2-диоксигеназа, индуцируются в присутствии бензойной кислоты и цис,цис-муконата (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
В штамме C5pp пять генов — mcbG, mcbH, mcbN, mcbR и mcbS — кодируют регуляторы, принадлежащие к семейству транскрипционных регуляторов LysR/TetR, ответственных за контроль деградации карбарила. Было установлено, что гомологичный ген mcbG наиболее тесно связан с регулятором типа LysR PhnS (58% идентичности аминокислотных последовательностей), участвующим в метаболизме фенантрена у Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Было обнаружено, что ген mcbH участвует в промежуточном пути (превращение салициловой кислоты в гентистиновую кислоту) и принадлежит к семейству транскрипционных регуляторов типа LysR NagR/DntR/NahR у Pseudomonas и Burkholderia. Сообщалось, что члены этого семейства распознают салициловую кислоту как специфическую эффекторную молекулу для индукции генов деградации. С другой стороны, в нижележащем метаболическом пути (метаболиты центрального углеродного пути гентизата) были идентифицированы три гена: mcbN, mcbR и mcbS, относящиеся к транскрипционным регуляторам типа LysR и TetR.
У прокариот процессы горизонтального переноса генов (приобретение, обмен или передача) через плазмиды, транспозоны, профаги, геномные острова и интегративные конъюгативные элементы (ICE) являются основными причинами пластичности бактериальных геномов, приводящими к приобретению или утрате определенных функций/признаков. Это позволяет бактериям быстро адаптироваться к различным условиям окружающей среды, предоставляя хозяину потенциальные адаптивные метаболические преимущества, такие как разложение ароматических соединений. Метаболические изменения часто достигаются за счет тонкой настройки оперонов деградации, их регуляторных механизмов и специфичности ферментов, что облегчает разложение более широкого спектра ароматических соединений (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Было обнаружено, что генные кассеты для деградации нафталина расположены на различных мобильных элементах, таких как плазмиды (конъюгативные и неконъюгативные), транспозоны, геномы, ICE и комбинации различных видов бактерий (рис. 5). У Pseudomonas G7 опероны nah и sal плазмиды NAH7 транскрибируются в одной и той же ориентации и являются частью дефектного транспозона, для мобилизации которого необходима транспозаза Tn4653 (Sota et al., 2006). У штамма Pseudomonas NCIB9816-4 ген был обнаружен на конъюгативной плазмиде pDTG1 в виде двух оперонов (приблизительно на расстоянии 15 кб друг от друга), которые транскрибировались в противоположных направлениях (Dennis and Zylstra, 2004). У штамма Pseudomonas putida AK5 неконъюгативная плазмида pAK5 кодирует фермент, ответственный за деградацию нафталина по гентизатному пути (Izmalkova et al., 2013). У штамма Pseudomonas PMD-1 оперон nah расположен на хромосоме, тогда как оперон sal расположен на конъюгативной плазмиде pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Однако у Pseudomonas stutzeri AN10 все гены деградации нафталина (опероны nah и sal) расположены на хромосоме и, предположительно, рекрутируются посредством транспозиции, рекомбинации и перестройки (Bosch et al., 2000). У Pseudomonas sp. CSV86 опероны nah и sal расположены в геноме в виде ICE (ICECSV86). Структура защищена тРНКGly, за которой следуют прямые повторы, указывающие на сайты рекомбинации/присоединения (attR и attL), и фагоподобной интегразой, расположенной на обоих концах тРНКGly, таким образом, структурно сходной с элементом ICEclc (ICEclcB13 у Pseudomonas knackmusii для деградации хлоркатехола). Сообщалось, что гены на ICE могут передаваться путем конъюгации с чрезвычайно низкой частотой переноса (10⁻⁸), тем самым передавая свойства деградации реципиенту (Basu and Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Большинство генов, ответственных за деградацию карбарила, расположены на плазмидах. Штамм Arthrobacter sp. RC100 содержит три плазмиды (pRC1, pRC2 и pRC300), из которых две конъюгативные плазмиды, pRC1 и pRC2, кодируют ферменты, превращающие карбарил в гентизат. С другой стороны, ферменты, участвующие в превращении гентизата в центральные углеродные метаболиты, расположены на хромосоме (Hayaatsu et al., 1999). Бактерии рода Rhizobium. Штамм AC100, используемый для превращения карбарила в 1-нафтол, содержат плазмиду pAC200, которая несет ген cehA, кодирующий CH в составе транспозона Tnceh, окруженного последовательностями, подобными вставочным элементам (istA и istB) (Hashimoto et al., 2002). Считается, что в штамме Sphingomonas CF06 ген деградации карбарила присутствует в пяти плазмидах: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 и pCF05. Гомология ДНК этих плазмид высока, что указывает на существование события дупликации гена (Feng et al., 1997). В симбионте, разлагающем карбарил и состоящем из двух видов Pseudomonas, штамм 50581 содержит конъюгативную плазмиду pCD1 (50 кб), кодирующую ген карбарилгидролазы mcd, тогда как конъюгативная плазмида в штамме 50552 кодирует фермент, разлагающий 1-нафтол (Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). У штамма Achromobacter WM111 ген фурадангидролазы mcd расположен на плазмиде размером 100 кб (pPDL11). Было показано, что этот ген присутствует на разных плазмидах (100, 105, 115 или 124 кб) у разных бактерий из разных географических регионов (Parekh et al., 1995). У Pseudomonas sp. C5pp все гены, ответственные за деградацию карбарила, расположены в геноме, охватывающем 76,3 кб последовательности (Trivedi et al., 2016). Анализ генома (6,15 Мб) выявил наличие 42 мобильных генетических элементов (МГЭ) и 36 элементов геномного взаимодействия (ЭГИ), из которых 17 МГЭ располагались в суперконтиге А (76,3 кб) со средним асимметричным содержанием G+C (54–60 мол%), что предполагает возможные события горизонтального переноса генов (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 демонстрирует аналогичное расположение генов, расщепляющих карбарил, но эти гены расположены на плазмиде (Zhu et al., 2019).
Помимо метаболической эффективности на биохимическом и геномном уровнях, микроорганизмы также проявляют другие свойства или реакции, такие как хемотаксис, модификация клеточной поверхности, компартментализация, избирательное использование, производство биосурфактантов и т. д., которые помогают им более эффективно метаболизировать ароматические загрязнители в загрязненной среде (Рисунок 7).
Рисунок 7. Различные стратегии клеточного ответа идеальных бактерий, разлагающих ароматические углеводороды, для эффективной биодеградации чужеродных загрязняющих соединений.
Хемотаксические реакции считаются факторами, усиливающими разложение органических загрязнителей в гетерогенно загрязненных экосистемах. (2002) продемонстрировали, что хемотаксис Pseudomonas sp. G7 к нафталину увеличивает скорость разложения нафталина в водных системах. Штамм дикого типа G7 разлагал нафталин гораздо быстрее, чем мутантный штамм с дефицитом хемотаксиса. Было обнаружено, что белок NahY (538 аминокислот с мембранной топологией) котранскрибируется с генами метаболического пути на плазмиде NAH7, и, подобно трансдукторам хемотаксиса, этот белок, по-видимому, функционирует как хеморецептор для разложения нафталина (Grimm and Harwood 1997). Другое исследование, проведенное Hansel et al. (2009), показало, что этот белок обладает хемотаксическими свойствами, но скорость его разложения высока. В 2011 году было продемонстрировано хемотаксическое действие Pseudomonas (P. putida) на газообразный нафталин, при котором диффузия в газовой фазе приводила к устойчивому потоку нафталина к клеткам, что контролировало хемотаксическое действие клеток. Исследователи использовали это хемотаксическое поведение для создания микроорганизмов, которые бы повышали скорость деградации. Исследования показали, что хемосенсорные пути также регулируют другие клеточные функции, такие как деление клеток, регуляция клеточного цикла и образование биопленок, тем самым помогая контролировать скорость деградации. Однако использование этого свойства (хемотаксиса) для эффективной деградации затруднено рядом препятствий. Основные препятствия: (а) разные паралогичные рецепторы распознают одни и те же соединения/лиганды; (б) существование альтернативных рецепторов, т.е. энергетический тропизм; (в) значительные различия в последовательности сенсорных доменов одного и того же семейства рецепторов; и (d) недостаток информации об основных бактериальных сенсорных белках (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Иногда биодеградация ароматических углеводородов приводит к образованию множества метаболитов/промежуточных продуктов, которые могут быть хемотаксическими для одной группы бактерий, но отталкивающими для других, что еще больше усложняет процесс. Для идентификации взаимодействий лигандов (ароматических углеводородов) с химическими рецепторами мы сконструировали гибридные сенсорные белки (PcaY, McfR и NahY), объединив сенсорный и сигнальный домены Pseudomonas putida и Escherichia coli, которые нацелены на рецепторы ароматических кислот, промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот и нафталина соответственно (Luu et al., 2019).
Под воздействием нафталина и других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) структура бактериальной мембраны и целостность микроорганизмов претерпевают значительные изменения. Исследования показали, что нафталин нарушает взаимодействие ацильной цепи посредством гидрофобных взаимодействий, тем самым увеличивая набухание и текучесть мембраны (Sikkema et al., 1995). Для противодействия этому пагубному эффекту бактерии регулируют текучесть мембраны, изменяя соотношение и состав жирных кислот между изо/антеизо-разветвленными жирными кислотами и изомеризуя цис-ненасыщенные жирные кислоты в соответствующие транс-изомеры (Heipieper and de Bont, 1994). У Pseudomonas stutzeri, выращенной на обработке нафталином, соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот увеличилось с 1,1 до 2,1, тогда как у Pseudomonas JS150 это соотношение увеличилось с 7,5 до 12,0 (Mrozik et al., 2004). При выращивании на нафталине клетки Achromobacter KAs 3–5 демонстрировали агрегацию клеток вокруг кристаллов нафталина и снижение заряда клеточной поверхности (с -22,5 до -2,5 мВ), сопровождающееся конденсацией цитоплазмы и вакуолизацией, что указывает на изменения в структуре и свойствах клеточной поверхности (Mohapatra et al., 2019). Хотя изменения клеток/поверхности напрямую связаны с лучшим поглощением ароматических загрязнителей, соответствующие стратегии биоинженерии не были тщательно оптимизированы. Манипулирование формой клеток редко использовалось для оптимизации биологических процессов (Volke and Nikel, 2018). Удаление генов, влияющих на деление клеток, приводит к изменениям морфологии клеток. У Bacillus subtilis было показано, что белок клеточной перегородки SepF участвует в формировании перегородки и необходим для последующих этапов деления клеток, но он не является жизненно важным геном. Удаление генов, кодирующих пептидгликангидролазы у Bacillus subtilis, привело к удлинению клеток, увеличению удельной скорости роста и улучшению способности к производству ферментов (Cui et al., 2018).
Для эффективного разложения штаммов Pseudomonas C5pp и C7 была предложена компартментализация пути деградации карбарила (Kamini et al., 2018). Предполагается, что карбарил транспортируется в периплазматическое пространство через перегородку внешней мембраны и/или через диффундирующие порины. CH — это периплазматический фермент, катализирующий гидролиз карбарила до 1-нафтола, который является более стабильным, более гидрофобным и более токсичным. CH локализуется в периплазме и имеет низкое сродство к карбарилу, тем самым контролируя образование 1-нафтола, предотвращая его накопление в клетках и снижая его токсичность для клеток (Kamini et al., 2018). Образовавшийся 1-нафтол транспортируется в цитоплазму через внутреннюю мембрану путем разделения и/или диффузии, а затем гидроксилируется до 1,2-дигидроксинафталина высокоаффинным ферментом 1NH для дальнейшего метаболизма в центральном углеродном пути.
Хотя микроорганизмы обладают генетическими и метаболическими способностями к разложению ксенобиотических источников углерода, иерархическая структура их использования (т.е. предпочтительное использование простых источников углерода по сравнению со сложными) является серьезным препятствием для биодеградации. Присутствие и использование простых источников углерода подавляет гены, кодирующие ферменты, которые разлагают сложные/непредпочтительные источники углерода, такие как ПАУ. Хорошо изученный пример: при совместном кормлении Escherichia coli глюкозой и лактозой глюкоза используется более эффективно, чем лактоза (Jacob and Monod, 1965). Сообщается, что Pseudomonas разлагает различные ПАУ и ксенобиотические соединения в качестве источников углерода. Иерархия использования источников углерода у Pseudomonas следующая: органические кислоты > глюкоза > ароматические соединения (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Однако есть исключение. Интересно, что Pseudomonas sp. Бактерия CSV86 обладает уникальной иерархической структурой, которая преимущественно использует ароматические углеводороды (бензойную кислоту, нафталин и др.), а не глюкозу, и осуществляет ко-метаболизм ароматических углеводородов с органическими кислотами (Basu et al., 2006). У этой бактерии гены, отвечающие за деградацию и транспорт ароматических углеводородов, не подавляются даже в присутствии второго источника углерода, такого как глюкоза или органические кислоты. При выращивании в среде с глюкозой и ароматическими углеводородами наблюдалось подавление генов, отвечающих за транспорт и метаболизм глюкозы, использование ароматических углеводородов происходило на первой логарифмической фазе роста, а использование глюкозы — на второй логарифмической фазе (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). С другой стороны, присутствие органических кислот не влияло на экспрессию генов, отвечающих за метаболизм ароматических углеводородов, поэтому эта бактерия рассматривается как потенциальный штамм для исследований биодеградации (Phale et al., 2020).
Хорошо известно, что биотрансформация углеводородов может вызывать окислительный стресс и повышение активности антиоксидантных ферментов в микроорганизмах. Неэффективная биодеградация нафталина как в клетках в стационарной фазе роста, так и в присутствии токсичных соединений приводит к образованию активных форм кислорода (АФК) (Kang et al. 2006). Поскольку ферменты, разлагающие нафталин, содержат железо-серные кластеры, в условиях окислительного стресса железо в геме и железо-серных белках окисляется, что приводит к инактивации белка. Ферредоксин-НАДФ+ редуктаза (Fpr) вместе с супероксиддисмутазой (СОД) опосредует обратимую окислительно-восстановительную реакцию между НАДФ+/НАДФН и двумя молекулами ферредоксина или флаводоксина, тем самым нейтрализуя АФК и восстанавливая железо-серный центр в условиях окислительного стресса (Li et al. 2006). Сообщалось, что как Fpr, так и SodA (СОД) у Pseudomonas могут индуцироваться окислительным стрессом, и повышенная активность СОД и каталазы наблюдалась у четырех штаммов Pseudomonas (O1, W1, As1 и G1) во время роста в условиях добавления нафталина (Kang et al., 2006). Исследования показали, что добавление антиоксидантов, таких как аскорбиновая кислота или двухвалентное железо (Fe2+), может увеличить скорость роста в условиях добавления нафталина. Когда Rhodococcus erythropolis рос в среде с нафталином, транскрипция связанных с окислительным стрессом генов цитохрома P450, включая sodA (Fe/Mn супероксиддисмутаза), sodC (Cu/Zn супероксиддисмутаза) и recA, увеличивалась (Sazykin et al., 2019). Сравнительный количественный протеомный анализ клеток Pseudomonas, культивируемых в нафталине, показал, что повышение уровня различных белков, связанных с реакцией на окислительный стресс, является стратегией преодоления стресса (Herbst et al., 2013).
Сообщается, что микроорганизмы способны продуцировать биосурфактанты под действием гидрофобных источников углерода. Эти поверхностно-активные вещества представляют собой амфифильные поверхностно-активные соединения, способные образовывать агрегаты на границе раздела масло-вода или воздух-вода. Это способствует псевдорастворению и облегчает адсорбцию ароматических углеводородов, что приводит к эффективной биодеградации (Rahman et al., 2002). Благодаря этим свойствам биосурфактанты широко используются в различных отраслях промышленности. Добавление химических поверхностно-активных веществ или биосурфактантов к бактериальным культурам может повысить эффективность и скорость разложения углеводородов. Среди биосурфактантов рамнолипиды, продуцируемые Pseudomonas aeruginosa, были всесторонне изучены и охарактеризованы (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Кроме того, к другим типам биоповерхностно-активных веществ относятся липопептиды (муцины из Pseudomonas fluorescens), эмульгатор 378 (из Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg and Ron, 1999), дисахаридные липиды трегалозы из Rhodococcus (Ramdahl, 1985), лихенин из Bacillus (Saraswathy and Hallberg, 2002), а также поверхностно-активные вещества из Bacillus subtilis (Siegmund and Wagner, 1991) и Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Было показано, что эти сильнодействующие поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение с 72 дин/см до менее чем 30 дин/см, что обеспечивает лучшее поглощение углеводородов. Сообщалось, что бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia и другие могут продуцировать различные биосурфактанты на основе рамнолипидов и гликолипидов при выращивании в средах с нафталином и метилнафталином (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 может продуцировать внеклеточный биосурфактант Biosur-Pm при выращивании на ароматических соединениях, таких как нафтойная кислота (Phale et al., 1995). Кинетика образования Biosur-Pm показала, что его синтез является процессом, зависящим от роста и pH. Было установлено, что количество Biosur-Pm, продуцируемого клетками при нейтральном pH, было выше, чем при pH 8,5. Клетки, выращенные при pH 8,5, были более гидрофобными и обладали более высоким сродством к ароматическим и алифатическим соединениям, чем клетки, выращенные при pH 7,0. У Rhodococcus spp. N6 более высокое соотношение углерода к азоту (C:N) и дефицит железа являются оптимальными условиями для производства внеклеточных биосурфактантов (Mutalik et al., 2008). Были предприняты попытки улучшить биосинтез биосурфактантов (сурфактинов) путем оптимизации штаммов и ферментации. Однако титр сурфактанта в культуральной среде низок (1,0 г/л), что создает проблемы для крупномасштабного производства (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Поэтому для улучшения его биосинтеза были использованы методы генной инженерии. Однако модификация генома затруднена из-за большого размера оперона (∼25 кб) и сложной биосинтетической регуляции системы кворум-сенсинга (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). В бактериях рода Bacillus был проведен ряд модификаций с помощью генной инженерии, в основном направленных на увеличение производства сурфактина путем замены промотора (оперона srfA), сверхэкспрессии белка экспорта сурфактина YerP и регуляторных факторов ComX и PhrC (Jiao et al., 2017). Однако эти методы генной инженерии позволили добиться лишь одной или нескольких генетических модификаций и еще не достигли стадии коммерческого производства. Поэтому необходимы дальнейшие исследования методов оптимизации, основанных на знаниях.
Исследования биодеградации ПАУ в основном проводятся в стандартных лабораторных условиях. Однако на загрязненных участках или в загрязненной среде многие абиотические и биотические факторы (температура, pH, кислород, доступность питательных веществ, биодоступность субстрата, другие ксенобиотики, ингибирование конечными продуктами и т. д.) способны изменять и влиять на деградационную способность микроорганизмов.
Температура оказывает существенное влияние на биодеградацию ПАУ. С повышением температуры концентрация растворенного кислорода снижается, что влияет на метаболизм аэробных микроорганизмов, поскольку им необходим молекулярный кислород в качестве одного из субстратов для оксигеназ, осуществляющих реакции гидроксилирования или расщепления кольца. Часто отмечается, что повышенная температура превращает исходные ПАУ в более токсичные соединения, тем самым подавляя биодеградацию (Muller et al., 1998).
Было отмечено, что многие загрязненные ПАУ участки имеют экстремальные значения pH, например, участки, загрязненные кислыми шахтными стоками (pH 1–4), и участки газификации природного газа/угля, загрязненные щелочным фильтратом (pH 8–12). Эти условия могут серьезно повлиять на процесс биодеградации. Поэтому перед использованием микроорганизмов для биоремедиации рекомендуется корректировать pH путем добавления подходящих химических веществ (с умеренным или очень низким окислительно-восстановительным потенциалом), таких как сульфат аммония или нитрат аммония для щелочных почв или известкование карбонатом кальция или карбонатом магния для кислых участков (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020).
Подача кислорода в загрязненную область является лимитирующим фактором для биодеградации ПАУ. Из-за окислительно-восстановительных условий окружающей среды процессы биоремедиации на месте обычно требуют подачи кислорода из внешних источников (вспашка, продувка воздухом и добавление химических веществ) (Pardieck et al., 1992). Оденкранц и др. (1996) продемонстрировали, что добавление пероксида магния (соединения, выделяющего кислород) в загрязненный водоносный горизонт может эффективно биоремедиировать соединения BTEX. В другом исследовании изучалась деградация фенола и BTEX на месте в загрязненном водоносном горизонте путем инъекции нитрата натрия и строительства экстракционных скважин для достижения эффективной биоремедиации (Bewley and Webb, 2001).