Mae'r erthygl yn rhan o'r pwnc ymchwil “Technolegau bioremediation uwch a phrosesau ailgylchu cyfansoddion organig synthetig (SOC). Gweld pob un o'r 14 erthygl
Defnyddir hydrocarbonau aromatig polysyclig pwysau moleciwlaidd isel (PAHs) fel naffthalen a naffthalenau amnewidiol (methylnaffthalen, asid naffthoig, 1-naffthyl-N-methylcarbamate, ac ati) yn helaeth mewn amrywiol ddiwydiannau ac maent yn genotocsig, yn fwtagenig a/neu'n garsinogenig i organebau. Ystyrir y cyfansoddion organig synthetig (SOCs) neu xenobiotigau hyn yn llygryddion blaenoriaeth ac maent yn peri bygythiad difrifol i'r amgylchedd byd-eang ac iechyd y cyhoedd. Mae dwyster gweithgareddau dynol (e.e. nwyeiddio glo, mireinio olew, allyriadau cerbydau a chymwysiadau amaethyddol) yn pennu crynodiad, tynged a chludiant y cyfansoddion hollbresennol a pharhaus hyn. Yn ogystal â dulliau trin/tynnu ffisegol a chemegol, mae technolegau gwyrdd a chyfeillgar i'r amgylchedd fel bioremediation, sy'n defnyddio micro-organebau sy'n gallu diraddio POCs yn llwyr neu eu trosi'n sgil-gynhyrchion nad ydynt yn wenwynig, wedi dod i'r amlwg fel dewis arall diogel, cost-effeithiol ac addawol. Mae amryw o rywogaethau bacteriol sy'n perthyn i'r ffyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, a Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus a Paenibacillus), ac Actinobacteria (Rhodococcus ac Arthrobacter) ym microbiota'r pridd wedi dangos y gallu i ddiraddio amrywiol gyfansoddion organig. Mae astudiaethau metabolaidd, genomeg, a dadansoddiad metagenomig yn ein helpu i ddeall y cymhlethdod catabolaidd a'r amrywiaeth sy'n bresennol yn y ffurfiau bywyd syml hyn, y gellir eu cymhwyso ymhellach ar gyfer bioddiraddio effeithlon. Mae bodolaeth hirdymor PAHs wedi arwain at ymddangosiad ffenoteipiau diraddio newydd trwy drosglwyddo genynnau llorweddol gan ddefnyddio elfennau genetig fel plasmidau, transposons, bacterioffagau, ynysoedd genomig, ac elfennau cyfunol integreiddiol. Gall bioleg systemau a pheirianneg genetig o ynysyddion penodol neu gymunedau model (consortia) alluogi bioremediation cynhwysfawr, cyflym ac effeithlon o'r PAHs hyn trwy effeithiau synergaidd. Yn yr adolygiad hwn, rydym yn canolbwyntio ar y gwahanol lwybrau metabolaidd ac amrywiaeth, cyfansoddiad ac amrywiaeth genetig, ac ymatebion/addasiadau cellog naffthalen a bacteria sy'n diraddio naffthalen wedi'u hamnewid. Bydd hyn yn darparu gwybodaeth ecolegol ar gyfer cymhwysiad maes ac optimeiddio straen ar gyfer bioremediation effeithlon.
Mae datblygiad cyflym diwydiannau (petrocemegion, amaethyddiaeth, fferyllol, llifynnau tecstilau, colur, ac ati) wedi cyfrannu at ffyniant economaidd byd-eang a gwella safonau byw. Mae'r datblygiad esbonyddol hwn wedi arwain at gynhyrchu nifer fawr o gyfansoddion organig synthetig (SOCs), a ddefnyddir i gynhyrchu amrywiol gynhyrchion. Mae'r cyfansoddion tramor neu SOCs hyn yn cynnwys hydrocarbonau aromatig polysyclig (PAHs), plaladdwyr, chwynladdwyr, plastigyddion, llifynnau, fferyllol, organoffosffadau, atalyddion fflam, toddyddion organig anweddol, ac ati. Maent yn cael eu hallyrru i'r atmosffer, ecosystemau dyfrol a daearol lle mae ganddynt effeithiau amlddimensiwn, gan achosi effeithiau niweidiol ar amrywiol fioffurfiau trwy newid priodweddau ffisegemegol a strwythur cymunedol (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Mae gan lawer o lygryddion aromatig effeithiau cryf a dinistriol ar lawer o ecosystemau cyfan/mannau poeth bioamrywiaeth (e.e. riffiau cwrel, taflenni iâ Arctig/Antarctig, llynnoedd mynyddig uchel, gwaddodion môr dwfn, ac ati) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Mae astudiaethau geomicrobiolegol diweddar wedi dangos bod dyddodiad mater organig synthetig (e.e. llygryddion aromatig) a'u deilliadau ar arwynebau strwythurau artiffisial (amgylchedd adeiledig) (e.e. safleoedd treftadaeth ddiwylliannol a henebion wedi'u gwneud o wenithfaen, carreg, pren a metel) yn cyflymu eu diraddio (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Gall gweithgareddau dynol ddwysáu a gwaethygu dirywiad biolegol henebion ac adeiladau trwy lygredd aer a newid hinsawdd (Liu et al. 2020). Mae'r halogion organig hyn yn adweithio ag anwedd dŵr yn yr atmosffer ac yn setlo ar y strwythur, gan achosi dirywiad ffisegol a chemegol y deunydd. Mae bioddiraddio yn cael ei gydnabod yn eang fel newidiadau annymunol yn ymddangosiad a phriodweddau deunyddiau a achosir gan organebau byw sy'n effeithio ar eu cadwraeth (Pochon a Jaton, 1967). Gall gweithred microbaidd bellach (metabolaeth) y cyfansoddion hyn leihau cyfanrwydd strwythurol, effeithiolrwydd cadwraeth a gwerth diwylliannol (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Ar y llaw arall, mewn rhai achosion, canfuwyd bod addasiad microbaidd i'r strwythurau hyn ac ymateb iddynt yn fuddiol gan eu bod yn ffurfio bioffilmiau a chramen amddiffynnol eraill sy'n lleihau cyfradd pydredd/dadelfennu (Martino, 2016). Felly, mae datblygu strategaethau cadwraeth cynaliadwy hirdymor effeithiol ar gyfer henebion carreg, metel a phren yn gofyn am ddealltwriaeth drylwyr o'r prosesau allweddol sy'n gysylltiedig â'r broses hon. O'i gymharu â phrosesau naturiol (prosesau daearegol, tanau coedwig, ffrwydradau folcanig, adweithiau planhigion a bacteria), mae gweithgareddau dynol yn arwain at ryddhau cyfrolau mawr o hydrocarbonau aromatig polysyclig (PAHs) a charbon organig arall (OC) i ecosystemau. Mae llawer o PAHs a ddefnyddir mewn amaethyddiaeth (pryfladdwyr a phlaladdwyr fel DDT, atrasin, carbaryl, pentachlorophenol, ac ati), diwydiant (olew crai, slwtsh/gwastraff olew, plastigau sy'n deillio o betroliwm, PCBs, plastigyddion, glanedyddion, diheintyddion, mygdarthwyr, persawrau a chadwolion), cynhyrchion gofal personol (eli haul, diheintyddion, gwrthyrwyr pryfed a mwsg polysyclig) ac arfau rhyfel (ffrwydron fel 2,4,6-TNT) yn xenobiotigau posibl a allai effeithio ar iechyd y blaned (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna a Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Gellir ehangu'r rhestr hon i gynnwys cyfansoddion sy'n deillio o betroliwm (olewau tanwydd, ireidiau, asffaltenau), bioplastigau pwysau moleciwlaidd uchel, a hylifau ïonig (Amde et al., 2015). Mae Tabl 1 yn rhestru amrywiol lygryddion aromatig a'u cymwysiadau mewn amrywiol ddiwydiannau. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae allyriadau anthropogenig o gyfansoddion organig anweddol, yn ogystal â charbon deuocsid a nwyon tŷ gwydr eraill, wedi dechrau cynyddu (Dvorak et al., 2017). Fodd bynnag, mae effeithiau anthropogenig yn sylweddol fwy na rhai naturiol. Yn ogystal, gwelsom fod nifer o SOCs yn parhau mewn llawer o amgylcheddau amgylcheddol ac wedi'u nodi fel llygryddion sy'n dod i'r amlwg gydag effeithiau andwyol ar fiomau (Ffigur 1). Mae asiantaethau amgylcheddol fel Asiantaeth Diogelu'r Amgylchedd yr Unol Daleithiau (USEPA) wedi cynnwys llawer o'r llygryddion hyn yn eu rhestr flaenoriaeth oherwydd eu priodweddau cytotocsig, genotocsig, mwtagenig, a charsinogenig. Felly, mae angen rheoliadau gwaredu llym a strategaethau effeithiol ar gyfer trin/tynnu gwastraff o ecosystemau halogedig. Mae amrywiol ddulliau triniaeth ffisegol a chemegol fel pyrolysis, triniaeth thermol ocsideiddiol, awyru aer, tirlenwi, llosgi, ac ati yn aneffeithiol ac yn gostus ac yn cynhyrchu sgil-gynhyrchion cyrydol, gwenwynig ac anodd eu trin. Gyda ymwybyddiaeth amgylcheddol fyd-eang gynyddol, mae micro-organebau sy'n gallu diraddio'r llygryddion hyn a'u deilliadau (megis halogenedig, nitro, alkyl a/neu methyl) yn denu mwy a mwy o sylw (Fennell et al., 2004; Haritash a Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Mae defnyddio'r micro-organebau ymgeisydd brodorol hyn ar eu pen eu hunain neu mewn diwylliannau cymysg (cytrefi) ar gyfer cael gwared ar lygryddion aromatig yn cynnig manteision o ran diogelwch amgylcheddol, cost, effeithlonrwydd, effeithiolrwydd a chynaliadwyedd. Mae ymchwilwyr hefyd yn archwilio integreiddio prosesau microbaidd â dulliau redoks electrocemegol, sef systemau bioelectrocemegol (BES), fel technoleg addawol ar gyfer trin/dileu llygryddion (Huang et al., 2011). Mae technoleg BES wedi denu mwy a mwy o sylw oherwydd ei heffeithlonrwydd uchel, ei chost isel, ei diogelwch amgylcheddol, ei gweithrediad tymheredd ystafell, ei deunyddiau biogydnaws, a'r gallu i adfer sgil-gynhyrchion gwerthfawr (e.e. trydan, tanwydd, a chemegau) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Mae dyfodiad offer/dulliau dilyniannu genom ac omeg trwybwn uchel wedi darparu cyfoeth o wybodaeth newydd ar reoleiddio genetig, proteomeg, a fflwcsomeg adweithiau amrywiol ficro-organebau diraddio. Mae cyfuno'r offer hyn â bioleg systemau wedi gwella ymhellach ein dealltwriaeth o ddewis a mireinio llwybrau catabolaidd targed mewn micro-organebau (h.y., dylunio metabolaidd) i gyflawni bioddiraddio effeithlon ac effeithiol. Er mwyn dylunio strategaethau bioremediation effeithiol gan ddefnyddio micro-organebau ymgeisydd addas, mae angen i ni ddeall y potensial biocemegol, amrywiaeth metabolaidd, cyfansoddiad genetig, ac ecoleg (autoecology/synecology) micro-organebau.
Ffig. 1. Ffynonellau a llwybrau PAHau moleciwlaidd isel trwy wahanol amgylcheddau amgylcheddol a ffactorau amrywiol sy'n effeithio ar fiota. Mae llinellau toredig yn cynrychioli rhyngweithiadau rhwng elfennau ecosystem.
Yn yr adolygiad hwn, rydym wedi ceisio crynhoi'r data ar ddiraddio PAHs syml fel naffthalen a naffthalenau wedi'u hamnewid gan amrywiol ynysyddion bacteriol gan gwmpasu llwybrau metabolaidd ac amrywiaeth, ensymau sy'n ymwneud â diraddio, cyfansoddiad/cynnwys ac amrywiaeth genynnau, ymatebion cellog ac amrywiol agweddau ar fioleg. Bydd deall y lefelau biocemegol a moleciwlaidd yn helpu i nodi straeniau gwesteiwr addas a'u peirianneg genetig bellach ar gyfer biolegiad effeithiol o lygryddion blaenoriaeth o'r fath. Bydd hyn yn helpu i ddatblygu strategaethau ar gyfer sefydlu consortia bacteriol penodol i safle ar gyfer biolegiad effeithiol.
Mae presenoldeb nifer fawr o gyfansoddion aromatig gwenwynig a pheryglus (sy'n bodloni rheol Huckel 4n + 2π electronau, n = 1, 2, 3, …) yn peri bygythiad difrifol i amrywiol gyfryngau amgylcheddol fel aer, pridd, gwaddodion, a dŵr wyneb a dŵr daear (Puglisi et al., 2007). Mae gan y cyfansoddion hyn gylchoedd bensen sengl (monocyclig) neu gylchoedd bensen lluosog (polycyclig) wedi'u trefnu ar ffurf llinol, onglog neu glwstwr ac maent yn arddangos sefydlogrwydd (sefydlogrwydd/ansefydlogrwydd) yn yr amgylchedd oherwydd egni cyseiniant negyddol uchel ac anadweithiolrwydd (anadweithiolrwydd), y gellir ei egluro gan eu hydroffobigrwydd a'u cyflwr gostyngedig. Pan gaiff y cylch aromatig ei ddisodli ymhellach gan grwpiau methyl (-CH3), carboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), neu sylffonad (-HSO3), mae'n dod yn fwy sefydlog, mae ganddo affinedd cryfach ar gyfer macromoleciwlau, ac mae'n fiogronnol mewn systemau biolegol (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Mae rhai hydrocarbonau aromatig polysyclig pwysau moleciwlaidd isel (LMWAHs), fel naffthalen a'i ddeilliadau [methylnaffthalen, asid naffthoig, naffthalensulfonad, ac 1-naffthyl N-methylcarbamate (carbaryl)], wedi'u cynnwys yn rhestr llygryddion organig blaenoriaeth gan Asiantaeth Diogelu'r Amgylchedd yr Unol Daleithiau fel genotocsig, mwtagenig, a/neu garsinogenig (Cerniglia, 1984). Gall rhyddhau'r dosbarth hwn o NM-PAHs i'r amgylchedd arwain at fiogronni'r cyfansoddion hyn ar bob lefel o'r gadwyn fwyd, a thrwy hynny effeithio ar iechyd ecosystemau (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Mae ffynonellau a llwybrau PAHs i fiota yn bennaf trwy fudo a rhyngweithiadau rhwng gwahanol gydrannau ecosystem fel pridd, dŵr daear, dŵr wyneb, cnydau a'r atmosffer (Arey ac Atkinson, 2003). Mae Ffigur 1 yn dangos rhyngweithiadau a dosbarthiad gwahanol PAHs pwysau moleciwlaidd isel mewn ecosystemau a'u llwybrau i fiota/amlygiad dynol. Mae PAHs yn cael eu dyddodi ar arwynebau o ganlyniad i lygredd aer a thrwy fudo (drifft) allyriadau cerbydau, nwyon gwacáu diwydiannol (nwyeiddio glo, hylosgi a chynhyrchu golosg) a'u dyddodiad. Mae gweithgareddau diwydiannol fel cynhyrchu tecstilau synthetig, llifynnau a phaentiau; cadw pren; prosesu rwber; gweithgareddau gweithgynhyrchu sment; cynhyrchu plaladdwyr; a chymwysiadau amaethyddol yn brif ffynonellau PAHs mewn systemau daearol a dyfrol (Bamforth a Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Mae astudiaethau wedi dangos bod priddoedd mewn ardaloedd maestrefol a threfol, ger priffyrdd, ac mewn dinasoedd mawr yn fwy agored i hydrocarbonau aromatig polysyclig (PAHs) oherwydd allyriadau o orsafoedd pŵer, gwresogi preswyl, llwythi traffig aer a ffyrdd, a gweithgareddau adeiladu (Suman et al., 2016). Dangosodd (2008) fod PAHs mewn pridd ger ffyrdd yn New Orleans, Louisiana, UDA mor uchel â 7189 μg/kg, tra mewn mannau agored, dim ond 2404 μg/kg oeddent. Yn yr un modd, mae lefelau PAH mor uchel â 300 μg/kg wedi'u hadrodd mewn ardaloedd ger safleoedd nwyeiddio glo mewn sawl dinas yn yr Unol Daleithiau (Kanaly a Harayama, 2000; Bamforth a Singleton, 2005). Adroddwyd bod priddoedd o wahanol ddinasoedd yn India fel Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni a Venkataraman, 2000) a Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) yn cynnwys crynodiadau uchel o PAHs. Mae cyfansoddion aromatig yn cael eu hamsugno'n haws i ronynnau pridd, mater organig a mwynau clai, gan ddod yn sinciau carbon mawr mewn ecosystemau (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Y prif ffynonellau PAHs mewn ecosystemau dyfrol yw dyodiad (dyodiad gwlyb/sych ac anwedd dŵr), dŵr ffo trefol, gollyngiad dŵr gwastraff, ail-lenwi dŵr daear ac ati (Srogi, 2007). Amcangyfrifir bod tua 80% o PAHs mewn ecosystemau morol yn deillio o ddyodiad, gwaddodiad, a gollyngiad gwastraff (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Mae crynodiadau uwch o PAHs mewn dŵr wyneb neu drwytholch o safleoedd gwaredu gwastraff solet yn gollwng i ddŵr daear yn y pen draw, gan beri bygythiad mawr i iechyd y cyhoedd gan fod mwy na 70% o'r boblogaeth yn Ne a De-ddwyrain Asia yn yfed dŵr daear (Duttagupta et al., 2019). Canfu astudiaeth ddiweddar gan Duttagupta et al. (2020) o ddadansoddiadau afonydd (32) a dŵr daear (235) o Orllewin Bengal, India, y gallai tua 53% o drigolion trefol a 44% o drigolion gwledig (cyfanswm o 20 miliwn o drigolion) fod yn agored i naffthalen (4.9–10.6 μg/L) a'i ddeilliadau. Ystyrir mai patrymau defnydd tir gwahaniaethol ac echdynnu dŵr daear cynyddol yw'r prif ffactorau sy'n rheoli cludiant fertigol (adfection) PAHs pwysau moleciwlaidd isel yn yr is-wyneb. Canfuwyd bod dŵr ffo amaethyddol, gollyngiadau dŵr gwastraff trefol a diwydiannol, a gollyngiadau gwastraff solet/sbwriel yn cael eu heffeithio gan PAHs mewn basnau afonydd a gwaddodion is-wyneb. Mae dyodiad atmosfferig yn gwaethygu llygredd PAH ymhellach. Mae crynodiadau uchel o PAHs a'u deilliadau alcyl (51 i gyd) wedi'u hadrodd mewn afonydd/dalgylchoedd ledled y byd, megis Afon Fraser, Afon Louan, Afon Denso, Afon Missouri, Afon Anacostia, Afon Ebro, ac Afon Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Yng ngwaddodion basn Afon Ganges, canfuwyd mai naffthalen a phenanthren oedd y rhai mwyaf arwyddocaol (wedi'u canfod mewn 70% o samplau) (Duttagupta et al., 2019). Ar ben hynny, mae astudiaethau wedi dangos y gall clorineiddio dŵr yfed arwain at ffurfio PAHs ocsigenedig a chlorinedig mwy gwenwynig (Manoli a Samara, 1999). Mae PAHs yn cronni mewn grawnfwydydd, ffrwythau a llysiau o ganlyniad i blanhigion eu hamsugno o briddoedd halogedig, dŵr daear a dyodiad (Fismes et al., 2002). Mae llawer o organebau dyfrol fel pysgod, cregyn gleision, cregyn bylchog a berdys wedi'u halogi â PAHs trwy fwyta bwyd halogedig a dŵr y môr, yn ogystal â thrwy feinweoedd a chroen (Mackay a Fraser, 2000). Gall dulliau coginio/prosesu fel grilio, rhostio, ysmygu, ffrio, sychu, pobi a choginio siarcol hefyd arwain at symiau sylweddol o PAHs mewn bwyd. Mae hyn yn dibynnu'n fawr ar y dewis o ddeunydd ysmygu, cynnwys hydrocarbon ffenolaidd/aromatig, gweithdrefn goginio, math o wresogydd, cynnwys lleithder, cyflenwad ocsigen a thymheredd hylosgi (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Mae hydrocarbonau aromatig polysyclig (PAHs) hefyd wedi'u canfod mewn llaeth ar grynodiadau amrywiol (0.75–2.1 mg/L) (Girelli et al., 2014). Mae cronni'r PAHs hyn mewn bwyd hefyd yn dibynnu ar briodweddau ffisegemegol bwyd, tra bod eu heffeithiau gwenwynig yn gysylltiedig â swyddogaethau ffisiolegol, gweithgaredd metabolaidd, amsugno, dosbarthiad a dosbarthiad yn y corff (Mechini et al., 2011).
Mae gwenwyndra ac effeithiau niweidiol hydrocarbonau aromatig polysyclig (PAHs) wedi bod yn hysbys ers amser maith (Cherniglia, 1984). Gall hydrocarbonau aromatig polysyclig pwysau moleciwlaidd isel (LMW-PAHs) (dau i dri chylch) rwymo'n gofalent i amrywiol macromoleciwlau fel DNA, RNA a phroteinau ac maent yn garsinogenig (Santarelli et al., 2008). Oherwydd eu natur hydroffobig, cânt eu gwahanu gan bilenni lipid. Mewn bodau dynol, mae monoocsigenasau cytochrome P450 yn ocsideiddio PAHs i epocsidau, ac mae rhai ohonynt yn adweithiol iawn (e.e., epocsid baediol) a gallant arwain at drawsnewid celloedd normal yn rai malaen (Marston et al., 2001). Yn ogystal, mae cynhyrchion trawsnewid PAHs fel cwinonau, ffenolau, epocsidau, diolau, ac ati yn fwy gwenwynig na'r cyfansoddion rhiant. Gall rhai PAHs a'u canolradd metabolaidd effeithio ar hormonau ac amrywiol ensymau mewn metaboledd, a thrwy hynny effeithio'n andwyol ar dwf, y system nerfol ganolog, y systemau atgenhedlu ac imiwnedd (Swetha a Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Adroddwyd bod amlygiad tymor byr i PAHs pwysau moleciwlaidd isel yn achosi nam ar swyddogaeth yr ysgyfaint a thrombosis mewn asthmawyr ac yn cynyddu'r risg o ganserau'r croen, yr ysgyfaint, y bledren a'r llwybr gastroberfeddol (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Mae astudiaethau ar anifeiliaid hefyd wedi dangos y gall amlygiad i PAHs gael effeithiau andwyol ar swyddogaeth atgenhedlu a datblygiad a gall achosi cataractau, niwed i'r arennau a'r afu, a chlefyd melyn. Dangoswyd bod amrywiol gynhyrchion biodrawsnewid PAH fel diolau, epocsidau, cwinonau a radicalau rhydd (cationau) yn ffurfio adductau DNA. Dangoswyd bod adductau sefydlog yn newid y peirianwaith atgynhyrchu DNA, tra gall adductau ansefydlog ddadbiwrinadu DNA (yn bennaf i adenin ac weithiau i guanin); gall y ddau gynhyrchu gwallau sy'n arwain at dreigladau (Schweigert et al. 2001). Yn ogystal, gall cwinonau (benso-/pan-) gynhyrchu rhywogaethau ocsigen adweithiol (ROS), gan achosi niwed angheuol i DNA a macromoleciwlau eraill, a thrwy hynny effeithio ar swyddogaeth/hyfywedd meinwe (Ewa a Danuta 2017). Adroddwyd bod amlygiad cronig i grynodiadau isel o pyren, biffenyl a naffthalen yn achosi canser mewn anifeiliaid arbrofol (Diggs et al. 2012). Oherwydd eu gwenwyndra angheuol, mae glanhau/tynnu'r PAHs hyn o safleoedd yr effeithir arnynt/wedi'u halogi yn flaenoriaeth.
Defnyddiwyd amrywiol ddulliau ffisegol a chemegol i gael gwared ar PAHs o safleoedd/amgylcheddau halogedig. Mae gan brosesau fel llosgi, dadglorineiddio, ocsideiddio UV, sefydlogi, ac echdynnu toddyddion lawer o anfanteision, gan gynnwys ffurfio sgil-gynhyrchion gwenwynig, cymhlethdod prosesau, materion diogelwch a rheoleiddio, effeithlonrwydd isel, a chost uchel. Fodd bynnag, mae bioddiraddio microbaidd (a elwir yn fioremediation) yn ddull amgen addawol sy'n cynnwys defnyddio micro-organebau ar ffurf diwylliannau pur neu gytrefi. O'i gymharu â dulliau ffisegol a chemegol, mae'r broses hon yn gyfeillgar i'r amgylchedd, yn anfewnwthiol, yn gost-effeithiol, ac yn gynaliadwy. Gellir cynnal bioremediation yn y safle yr effeithir arno (in situ) neu mewn safle sydd wedi'i baratoi'n arbennig (ex situ) ac felly fe'i hystyrir yn ddull adfer mwy cynaliadwy na dulliau ffisegol a chemegol traddodiadol (Juhasz a Naidu, 2000; Andreoni a Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Mae deall y camau metabolaidd microbaidd sy'n gysylltiedig â diraddio llygryddion aromatig yn arwain at oblygiadau gwyddonol ac economaidd enfawr ar gyfer cynaliadwyedd ecolegol ac amgylcheddol. Amcangyfrifir bod 2.1 × 1018 gram o garbon (C) yn cael ei storio mewn gwaddodion a chyfansoddion organig (h.y., olew, nwy naturiol, a glo, h.y., tanwyddau ffosil) ledled y byd, gan wneud cyfraniad sylweddol at y gylchred carbon byd-eang. Fodd bynnag, mae diwydiannu cyflym, echdynnu tanwyddau ffosil, a gweithgareddau dynol yn disbyddu'r cronfeydd carbon lithosfferig hyn, gan ryddhau tua 5.5 × 1015 g o garbon organig (fel llygryddion) i'r atmosffer yn flynyddol (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Mae'r rhan fwyaf o'r carbon organig hwn yn mynd i mewn i ecosystemau daearol a morol trwy waddodi, cludo, a dŵr ffo. Yn ogystal, mae llygryddion synthetig newydd sy'n deillio o danwyddau ffosil, fel plastigau, plastigyddion a sefydlogwyr plastig (ffthalatau a'u hisomers), yn llygru ecosystemau morol, pridd a dyfrol a'u biota yn ddifrifol, gan waethygu risgiau hinsawdd byd-eang. Mae gwahanol fathau o ficroplastigion, nanoplastigion, darnau plastig a'u cynhyrchion monomer gwenwynig sy'n deillio o polyethylen tereffthalad (PET) wedi cronni yng Nghefnfor y Môr Tawel rhwng Gogledd America a De-ddwyrain Asia, gan ffurfio "Clwt Sbwriel Mawr y Môr Tawel", gan niweidio bywyd morol (Newell et al., 2020). Mae astudiaethau gwyddonol wedi profi nad yw'n bosibl cael gwared ar lygryddion/gwastraff o'r fath trwy unrhyw ddulliau ffisegol na chemegol. Yn y cyd-destun hwn, y micro-organebau mwyaf defnyddiol yw'r rhai sy'n gallu metaboleiddio llygryddion yn ocsideiddiol yn garbon deuocsid, ynni cemegol a sgil-gynhyrchion eraill nad ydynt yn wenwynig sy'n mynd i mewn i brosesau cylchu maetholion eraill yn y pen draw (H, O, N, S, P, Fe, ac ati). Felly, mae deall ecoffisioleg microbaidd mwyneiddio llygryddion aromatig a'i reolaeth amgylcheddol yn hanfodol ar gyfer asesu'r cylch carbon microbaidd, y gyllideb carbon net a risgiau hinsawdd yn y dyfodol. O ystyried yr angen brys i gael gwared ar gyfansoddion o'r fath o'r amgylchedd, mae amrywiol eco-ddiwydiannau sy'n canolbwyntio ar dechnolegau glân wedi dod i'r amlwg. Fel arall, ystyrir bod gwerthfawrogi gwastraff diwydiannol/cemegau gwastraff sy'n cronni mewn ecosystemau (h.y. dull gwastraff i gyfoeth) yn un o bileri'r economi gylchol a nodau datblygu cynaliadwy (Close et al., 2012). Felly, mae deall agweddau metabolaidd, ensymatig a genetig y darpar ymgeiswyr diraddio hyn o'r pwys mwyaf ar gyfer cael gwared a bioadferiad effeithiol o'r llygryddion aromatig hyn.
Ymhlith y nifer o lygryddion aromatig, rydym yn rhoi sylw arbennig i PAHs pwysau moleciwlaidd isel fel naffthalen a naffthalenau wedi'u hamnewid. Mae'r cyfansoddion hyn yn gydrannau pwysig mewn tanwyddau sy'n deillio o betroliwm, llifynnau tecstilau, cynhyrchion defnyddwyr, plaladdwyr (peli gwyfynod a gwrthyrwyr pryfed), plastigyddion a thaninau ac felly maent yn gyffredin mewn llawer o ecosystemau (Preuss et al., 2003). Mae adroddiadau diweddar yn tynnu sylw at gronni crynodiadau naffthalen mewn gwaddodion dyfrhaen, dŵr daear a phriddoedd is-wyneb, parthau vadose a gwelyau afonydd, gan awgrymu ei fiogronni yn yr amgylchedd (Duttagupta et al., 2019, 2020). Mae Tabl 2 yn crynhoi priodweddau ffisegemegol, cymwysiadau ac effeithiau iechyd naffthalen a'i ddeilliadau. O'i gymharu â PAHs pwysau moleciwlaidd uchel eraill, mae naffthalen a'i ddeilliadau yn llai hydroffobig, yn fwy hydawdd mewn dŵr ac wedi'u dosbarthu'n eang mewn ecosystemau, felly fe'u defnyddir yn aml fel swbstradau model i astudio metaboledd, geneteg ac amrywiaeth metabolaidd PAHs. Mae nifer fawr o ficro-organebau yn gallu metaboleiddio naffthalen a'i ddeilliadau, ac mae gwybodaeth gynhwysfawr ar gael am eu llwybrau metabolaidd, ensymau a nodweddion rheoleiddio (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Yn ogystal, mae naffthalen a'i ddeilliadau wedi'u dynodi fel cyfansoddion prototeip ar gyfer asesu llygredd amgylcheddol oherwydd eu helaethrwydd a'u bioargaeledd uchel. Mae Asiantaeth Diogelu'r Amgylchedd yr Unol Daleithiau yn amcangyfrif bod lefelau cyfartalog naffthalen yn 5.19 μg fesul metr ciwbig o fwg sigaréts, yn bennaf o hylosgi anghyflawn, a 7.8 i 46 μg o fwg ochrlif, tra bod amlygiad i greosot a naffthalen 100 i 10,000 gwaith yn uwch (Preuss et al. 2003). Canfuwyd bod gan naffthalen yn benodol wenwyndra anadlol a charsinogenigrwydd sy'n benodol i rywogaethau, rhanbarthau a rhyw. Yn seiliedig ar astudiaethau anifeiliaid, mae'r Asiantaeth Ryngwladol ar gyfer Ymchwil i Ganser (IARC) wedi dosbarthu naffthalen fel "carsinogen dynol posibl" (Grŵp 2B)1. Mae dod i gysylltiad â naffthalenau wedi'u hamnewid, yn bennaf drwy anadlu neu weinyddu parenteral (llafar), yn achosi anaf i feinwe'r ysgyfaint ac yn cynyddu nifer yr achosion o diwmorau yn yr ysgyfaint mewn llygod mawr a llygod (Rhaglen Tocsicoleg Genedlaethol 2). Mae effeithiau acíwt yn cynnwys cyfog, chwydu, poen yn yr abdomen, dolur rhydd, cur pen, dryswch, chwysu helaeth, twymyn, tachycardia, ac ati. Ar y llaw arall, adroddwyd bod y pryfleiddiad carbamat sbectrwm eang carbaryl (1-naphthyl N-methylcarbamate) yn wenwynig i infertebratau dyfrol, amffibiaid, gwenyn mêl a bodau dynol ac mae wedi'i ddangos i atal asetylcholinesteras gan achosi parlys (Smulders et al., 2003; Bulen a Distel, 2011). Felly, mae deall mecanweithiau diraddio microbaidd, rheoleiddio genetig, adweithiau ensymatig a chellog yn hanfodol ar gyfer datblygu strategaethau bioremediation mewn amgylcheddau halogedig.
Tabl 2. Gwybodaeth fanwl am briodweddau ffisegemegol, defnyddiau, dulliau adnabod a chlefydau cysylltiedig naffthalen a'i ddeilliadau.
Mewn cilfachau llygredig, gall llygryddion aromatig hydroffobig a lipoffilig achosi amrywiaeth o effeithiau cellog ar y microbiom amgylcheddol (cymuned), megis newidiadau yn hylifedd y bilen, athreiddedd y bilen, chwyddo'r haen ddeulipid, tarfu ar drosglwyddo ynni (cadwyn cludo electronau/grym cymhelliant proton), a gweithgaredd proteinau sy'n gysylltiedig â'r bilen (Sikkema et al., 1995). Yn ogystal, mae rhai canolradd hydawdd fel catecholau a chwinonau yn cynhyrchu rhywogaethau ocsigen adweithiol (ROS) ac yn ffurfio adductau gyda DNA a phroteinau (Penning et al., 1999). Felly, mae digonedd cyfansoddion o'r fath mewn ecosystemau yn rhoi pwysau dethol ar gymunedau microbaidd i ddod yn ddiraddyddion effeithlon ar wahanol lefelau ffisiolegol, gan gynnwys amsugno/cludo, trawsnewid mewngellol, cymathu/defnyddio, ac adrannu.
Datgelodd chwiliad o'r Ribosomal Database Project-II (RDP-II) fod cyfanswm o 926 o rywogaethau bacteriol wedi'u hynysu o ddiwylliannau cyfryngau neu gyfoethogi a oedd wedi'u halogi â naffthalen neu ei ddeilliadau. Y grŵp Proteobacteria oedd â'r nifer uchaf o gynrychiolwyr (n = 755), ac yna Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), a bacteria heb eu dosbarthu (8) (Ffigur 2). Roedd cynrychiolwyr γ-Proteobacteria (Pseudomonadales a Xanthomonadales) yn dominyddu'r holl grwpiau Gram-negatif gyda chynnwys G+C uchel (54%), tra bod Clostridiales a Bacillales (30%) yn grwpiau Gram-bositif gyda chynnwys G+C isel. Adroddwyd bod Pseudomonas (y nifer uchaf, 338 o rywogaethau) yn gallu diraddio naffthalen a'i ddeilliadau methyl mewn amrywiol ecosystemau llygredig (tar glo, petrolewm, olew crai, slwtsh, gollyngiadau olew, dŵr gwastraff, gwastraff organig a safleoedd tirlenwi) yn ogystal ag mewn ecosystemau cyfan (pridd, afonydd, gwaddodion a dŵr daear) (Ffigur 2). Ar ben hynny, datgelodd astudiaethau cyfoethogi a dadansoddiad metagenomig o rai o'r rhanbarthau hyn y gallai rhywogaethau Legionella a Clostridium heb eu meithrin fod â gallu diraddio, gan nodi'r angen i feithrin y bacteria hyn i astudio llwybrau newydd ac amrywiaeth metabolig.
Ffig. 2. Amrywiaeth tacsonomig a dosbarthiad ecolegol cynrychiolwyr bacteriol mewn amgylcheddau sydd wedi'u halogi â naffthalen a deilliadau naffthalen.
Ymhlith y gwahanol ficro-organebau sy'n diraddio hydrocarbon aromatig, mae'r rhan fwyaf yn gallu diraddio naffthalen fel yr unig ffynhonnell carbon ac ynni. Disgrifiwyd y dilyniant o ddigwyddiadau sy'n gysylltiedig â metaboledd naffthalen ar gyfer Pseudomonas sp. (straenau: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 a CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 a straenau eraill (ND6 ac AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis a Zylstra, 2004; Sota et al., 2006); Cychwynnir metaboledd gan ddiocsigenas aml-gydran [naffthalen diocsigenas (NDO), diocsigenas hydrocsyleiddio cylch] sy'n cataleiddio ocsideiddio un o gylchoedd aromatig naffthalen gan ddefnyddio ocsigen moleciwlaidd fel y swbstrad arall, gan drosi naffthalen i cis-naffthalenediol (Ffigur 3). Caiff cis-dihydrodiol ei drawsnewid yn 1,2-dihydroxynaffthalen gan dadhydrogenas. Mae dioxygenas sy'n hollti cylchoedd, sef 1,2-dihydroxynaffthalen dioxygenas (12DHNDO), yn trosi 1,2-dihydroxynaffthalen yn asid 2-hydroxychromene-2-carboxylig. Mae isomerization cis-trans ensymatig yn cynhyrchu trans-o-hydroxybenzylidenepyruvate, sy'n cael ei hollti gan hydrase aldolase i aldehyd salicylig a phyruvate. Yr asid organig pyruvate oedd y cyfansoddyn C3 cyntaf a ddeilliodd o'r sgerbwd carbon naffthalen ac a gyfeiriwyd i'r llwybr carbon canolog. Yn ogystal, mae dadhydrogenas salicylaldehyde sy'n ddibynnol ar NAD+ yn trosi salicylaldehyde yn asid salicylig. Gelwir metaboledd yn y cam hwn yn "llwybr uchaf" diraddio naffthalen. Mae'r llwybr hwn yn gyffredin iawn yn y rhan fwyaf o facteria sy'n diraddio naffthalen. Fodd bynnag, mae yna ychydig o eithriadau; er enghraifft, yn y Bacillus hamburgii 2 thermoffilig, mae diraddio naffthalen yn cael ei gychwyn gan naffthalen 2,3-dioxygenas i ffurflen 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Ffigur 3. Llwybrau diraddio naffthalen, methylnaffthalen, asid naffthoig, a charbaryl. Mae'r rhifau mewn cylchoedd yn cynrychioli ensymau sy'n gyfrifol am drawsnewid naffthalen a'i ddeilliadau yn gynhyrchion dilynol. 1 — naffthalen dioxygenase (NDO); 2, cis-dihydrodiol dehydrogenase; 3, 1,2-dihydroxynaffthalen dioxygenase; 4, 2-hydroxychromene-2-carboxylig asid isomerase; 5, trans-O-hydroxybenzylidenepyruvate hydratase aldolase; 6, salicylaldehyde dehydrogenase; 7, salicylad 1-hydroxylase; 8, catechol 2,3-dioxygenase (C23DO); 9, 2-hydroxymuconate semialdehyde dehydrogenase; 10, 2-oxopent-4-enoate hydratase; 11, 4-hydroxy-2-oxopentanoate aldolase; 12, asetaldehyd dadhydrogenas; 13, catechol-1,2-diocsigenas (C12DO); 14, mwconad cycloisomeras; 15, mwconolacton delta-isomeras; 16, β-ketoadipatenollacton hydrolas; 17, β-ketoadipate succinyl-CoA transferase; 18, β-ketoadipate-CoA thiolase; 19, succinyl-CoA: asetyl-CoA succinyltransferase; 20, salicylate 5-hydroxylase; 21 – gentisate 1,2-diocsigenas (GDO); 22, isomeras maleylpyruvate; 23, ffwmarylpyruvate hydrolase; 24, methylnaphthalene hydrocsylase (NDO); 25, hydroxymethylnaphthalene dadhydrogenas; 26, nafftaldehyd dehydrogenase; 27, ocsidase asid 3-fformylsalicylig; 28, decarboxylase hydroxiisoffthalad; 29, carbaryl hydrolase (CH); 30, 1-naffthol-2-hydroxylase.
Gan ddibynnu ar yr organeb a'i gyfansoddiad genetig, caiff yr asid salicylig sy'n deillio o hyn ei fetaboleiddio ymhellach naill ai trwy'r llwybr catechol gan ddefnyddio salicylate 1-hydroxylase (S1H) neu trwy'r llwybr gentisate gan ddefnyddio salicylate 5-hydroxylase (S5H) (Ffigur 3). Gan mai asid salicylig yw'r prif ganolradd mewn metaboledd naffthalen (llwybr uchaf), cyfeirir yn aml at y camau o asid salicylig i'r canolradd TCA fel y llwybr isaf, ac mae'r genynnau wedi'u trefnu'n un operon. Mae'n gyffredin gweld bod y genynnau yn operon y llwybr uchaf (nah) ac operon y llwybr isaf (sal) yn cael eu rheoleiddio gan ffactorau rheoleiddio cyffredin; er enghraifft, mae NahR ac asid salicylig yn gweithredu fel anwythwyr, gan ganiatáu i'r ddau operon fetaboleiddio naffthalen yn llwyr (Phale et al., 2019, 2020).
Yn ogystal, mae catechol yn cael ei hollti'n gylchol i semialdehyde 2-hydroxymuconad trwy'r llwybr meta gan catechol 2,3-dioxygenase (C23DO) (Yen et al., 1988) ac yn cael ei hydrolysu ymhellach gan hydrolase semialdehyde 2-hydroxymuconad i ffurfio asid 2-hydroxypent-2,4-dienoic. Yna mae 2-hydroxypent-2,4-dienoad yn cael ei drawsnewid yn pyruvat ac asetaldehyde gan hydrase (hydrase 2-oxopent-4-enoad) ac aldolase (aldolase 4-hydroxy-2-oxopentanoad) ac yna'n mynd i mewn i'r llwybr carbon canolog (Ffigur 3). Fel arall, mae catechol yn cael ei hollti'n gylchol i cis,cis-muconad trwy'r llwybr ortho gan catechol 1,2-oxygenase (C12DO). Mae cycloisomeras mwconad, isomeras mwconolacton, a β-ketoadipate-nollactone hydrolase yn trosi cis,cis-mwconad yn 3-oxoadipate, sy'n mynd i mewn i'r llwybr carbon canolog trwy succinyl-CoA ac asetyl-CoA (Nozaki et al., 1968) (Ffigur 3).
Yn y llwybr gentisate (2,5-dihydroxybenzoate), mae'r cylch aromatig yn cael ei hollti gan gentisate 1,2-dioxygenase (GDO) i ffurfio maleylpyruvate. Gellir hydrolysu'r cynnyrch hwn yn uniongyrchol i pyruvate a malate, neu gellir ei isomereiddio i ffurfio ffwmarylpyruvate, y gellir ei hydrolysu wedyn i pyruvate a ffwmarate (Larkin a Day, 1986). Mae'r dewis o'r llwybr amgen wedi'i arsylwi mewn bacteria Gram-negatif a Gram-bositif ar y lefelau biocemegol a genetig (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Mae bacteria Gram-negatif (Pseudomonas) yn well ganddynt ddefnyddio asid salicylig, sy'n ysgogiad metaboledd naffthalen, gan ei ddadgarboxyleiddio i catechol gan ddefnyddio salicylate 1-hydroxylase (Gibson a Subramanian, 1984). Ar y llaw arall, mewn bacteria Gram-bositif (Rhodococcus), mae salicylate 5-hydroxylase yn trosi asid salicylig yn asid gentisig, tra nad oes gan asid salicylig unrhyw effaith anwythol ar drawsgrifio genynnau naffthalen (Grund et al., 1992) (Ffigur 3).
Adroddwyd y gall rhywogaethau fel Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, rhywogaethau Pseudomonas a Mycobacterium ddiraddio monomethylnaphthalen neu dimethylnaphthalen (Dean-Raymond a Bartha, 1975; Cane a Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Yn eu plith, mae llwybr diraddio 1-methylnaphthalen a 2-methylnaphthalen Pseudomonas sp. CSV86 wedi'i astudio'n glir ar y lefelau biocemegol ac ensymatig (Mahajan et al., 1994). Caiff 1-Methylnaphthalen ei fetaboleiddio trwy ddau lwybr. Yn gyntaf, caiff y cylch aromatig ei hydrocsyleiddio (y cylch heb ei amnewid o methylnaphthalene) i ffurfio cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydro-8-methylnaphthalene, sy'n cael ei ocsideiddio ymhellach i methyl salicylate a methylcatechol, ac yna'n mynd i mewn i'r llwybr carbon canolog ar ôl hollti'r cylch (Ffigur 3). Gelwir y llwybr hwn yn "llwybr ffynhonnell carbon". Yn yr ail "lwybr dadwenwyno", gellir hydrocsyleiddio'r grŵp methyl gan NDO i ffurfio 1-hydroxymethylnaphthalene, sy'n cael ei ocsideiddio ymhellach i asid 1-naphthoic ac yn cael ei ysgarthu i'r cyfrwng diwylliant fel cynnyrch di-ddiwedd. Mae astudiaethau wedi dangos nad yw'r straen CSV86 yn gallu tyfu ar asid 1- a 2-naphthoic fel yr unig ffynhonnell garbon ac ynni, gan gadarnhau ei lwybr dadwenwyno (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Mewn 2-methylnaphthalene, mae'r grŵp methyl yn cael ei hydrocsyleiddio gan hydroxylase i ffurfio 2-hydroxymethylnaphthalene. Yn ogystal, mae cylch heb ei amnewid o'r cylch naffthalen yn cael ei hydrocsyleiddio i ffurfio dihydrodiol, sy'n cael ei ocsideiddio i 4-hydroxymethylcatechol mewn cyfres o adweithiau wedi'u catalyddu gan ensymau ac yn mynd i mewn i'r llwybr carbon canolog trwy'r llwybr hollti meta-gylch. Yn yr un modd, adroddwyd bod S. paucimobilis 2322 yn defnyddio NDO i hydrocsyleiddio 2-methylnaffthalen, sy'n cael ei ocsideiddio ymhellach i ffurfio methyl salicylate a methylcatechol (Dutta et al., 1998).
Mae asidau naffthoig (wedi'u hamnewid/heb eu hamnewid) yn sgil-gynhyrchion dadwenwyno/biodrawsnewid a ffurfir yn ystod diraddio methylnaffthalen, ffenanthren ac anthracen ac a ryddheir i'r cyfrwng diwylliant gwaredig. Adroddwyd bod yr ynysydd pridd Stenotrophomonas maltophilia CSV89 yn gallu metaboleiddio asid 1-naffthoig fel ffynhonnell carbon (Phale et al., 1995). Mae metaboledd yn dechrau gyda dihydroxylation y cylch aromatig i ffurfio 1,2-dihydroxy-8-carboxynaffthalen. Mae'r diol sy'n deillio o hyn yn cael ei ocsideiddio i catechol trwy 2-hydroxy-3-carboxybenzylidenepyruvate, asid 3-formylsalicylic, asid 2-hydroxyisoffthalic ac asid salicylic ac yn mynd i mewn i'r llwybr carbon canolog trwy'r llwybr hollti meta-gylch (Ffigur 3).
Mae carbaryl yn blaladdwr carbamat naffthyl. Ers y Chwyldro Gwyrdd yn India yn y 1970au, mae defnyddio gwrteithiau cemegol a phlaladdwyr wedi arwain at gynnydd mewn allyriadau hydrocarbon aromatig polysyclig (PAH) o ffynonellau amaethyddol nad ydynt yn bwyntiau (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Amcangyfrifir bod 55% (85,722,000 hectar) o gyfanswm tir cnydau yn India yn cael ei drin â phlaladdwyr cemegol. Dros y pum mlynedd diwethaf (2015–2020), mae sector amaethyddol India wedi defnyddio cyfartaledd o 55,000 i 60,000 tunnell o blaladdwyr yn flynyddol (Adran Cydweithfeydd a Lles Ffermwyr, Weinyddiaeth Amaethyddiaeth, Llywodraeth India, Awst 2020). Yng ngwastadeddau Gangetic gogleddol a chanolog (y taleithiau â'r boblogaeth a'r dwysedd poblogaeth uchaf), mae defnyddio plaladdwyr ar gnydau yn eang, gyda phryfladdwyr yn drech. Mae carbaryl (1-naphthyl-N-methylcarbamate) yn bryfleiddiad carbamate sbectrwm eang, gwenwynig o gymedrol i wenwynig iawn a ddefnyddir mewn amaethyddiaeth Indiaidd ar gyfradd gyfartalog o 100–110 tunnell. Fe'i gwerthir yn gyffredin o dan yr enw masnach Sevin ac fe'i defnyddir i reoli pryfed (aphidau, morgrug tân, chwain, gwiddon, pryfed cop a llawer o blâu awyr agored eraill) sy'n effeithio ar amrywiaeth o gnydau (corn, ffa soia, cotwm, ffrwythau a llysiau). Gellir defnyddio rhai micro-organebau fel Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus ac Arthrobacter i reoli plâu eraill hefyd. Adroddwyd y gall RC100 ddiraddio carbaryl (Larkin a Day, 1986; Chapalamadugu a Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha a Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Mae llwybr diraddio carbaryl wedi'i astudio'n helaeth ar lefelau biocemegol, ensymatig a genetig mewn ynysyddion pridd o Pseudomonas sp. Straeniau C4, C5 a C6 (Swetha a Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Ffig. 3). Mae'r llwybr metabolaidd yn dechrau gyda hydrolysis y bond ester gan carbaryl hydrolase (CH4) i ffurfio 1-naphthol, methylamin a charbon deuocsid. Yna caiff 1-naffthol ei drawsnewid yn 1,2-dihydroxynaffthalen gan 1-naffthol hydrocsylas (1-NH), sy'n cael ei fetaboleiddio ymhellach trwy'r llwybr carbon canolog trwy salisylad a gentisad. Adroddwyd bod rhai bacteria sy'n diraddio carbaryl yn ei fetaboleiddio i asid salisylig trwy hollti'r cylch ortho catechol (Larkin a Day, 1986; Chapalamadugu a Chaudhry, 1991). Yn nodedig, mae bacteria sy'n diraddio naffthalen yn metaboleiddio asid salisylig yn bennaf trwy catechol, tra bod bacteria sy'n diraddio carbaryl yn well ganddynt fetaboleiddio asid salisylig trwy'r llwybr gentisad.
Gellir defnyddio asid naffthalensulfonig/asid disulfonig a deilliadau asid naffthylaminsulfonig fel canolradd wrth gynhyrchu llifynnau azo, asiantau gwlychu, gwasgarwyr, ac ati. Er bod gan y cyfansoddion hyn wenwyndra isel i bobl, mae asesiadau cytotocsinedd wedi dangos eu bod yn angheuol i bysgod, daphnia ac algâu (Greim et al., 1994). Adroddwyd bod cynrychiolwyr o'r genws Pseudomonas (straenau A3, C22) yn cychwyn metaboledd trwy hydroxylation dwbl y cylch aromatig sy'n cynnwys y grŵp asid sylffonig i ffurfio dihydrodiol, sy'n cael ei drawsnewid ymhellach i 1,2-dihydroxynaffthalen trwy hollti'r grŵp sylffit yn ddigymell (Brilon et al., 1981). Mae'r 1,2-dihydroxynaffthalen sy'n deillio o hyn yn cael ei gataboleiddio trwy'r llwybr naffthalen clasurol, h.y., y llwybr catechol neu gentisate (Ffigur 4). Dangoswyd y gall asid aminonaphthalenesulfonig ac asid hydrocsinaphthalenesulfonig gael eu diraddio'n llwyr gan gonsortia bacteriol cymysg â llwybrau catabolaidd cyflenwol (Nortemann et al., 1986). Dangoswyd bod un aelod o'r consortiwm yn dadsylffwrio asid aminonaphthalenesulfonig neu asid hydrocsinaphthalenesulfonig trwy 1,2-diocsigeniad, tra bod aminosalicylate neu hydrocsysalisylate yn cael ei ryddhau i'r cyfrwng diwylliant fel metabolyn di-ddiwedd ac yn cael ei gymryd i fyny wedyn gan aelodau eraill o'r consortiwm. Mae asid naphthalenedisulfonig yn gymharol begynol ond yn fioddiraddadwy'n wael ac felly gellir ei fetaboli trwy lwybrau gwahanol. Mae'r dadsylffwrio cyntaf yn digwydd yn ystod dihydroxylation regioselective y cylch aromatig a'r grŵp asid sylffonig; Mae'r ail ddad-sylffwreiddio yn digwydd yn ystod hydrocsyleiddio asid 5-sylffosalicylig gan asid salicylig 5-hydroxylas i ffurfio asid gentisig, sy'n mynd i mewn i'r llwybr carbon canolog (Brilon et al., 1981) (Ffigur 4). Mae'r ensymau sy'n gyfrifol am ddiraddio naffthalen hefyd yn gyfrifol am fetaboledd naffthalen sylffonad (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Ffigur 4. Llwybrau metabolaidd ar gyfer diraddio naffthalen sylffonad. Mae'r rhifau y tu mewn i'r cylchoedd yn cynrychioli'r ensymau sy'n gyfrifol am fetaboledd naffthyl sylffonad, yn debyg/yn union yr un fath â'r ensymau a ddisgrifir yn FFIG. 3.
Mae PAHs pwysau moleciwlaidd isel (LMW-PAHs) yn lleihaadwy, yn hydroffobig ac yn hydawdd iawn, ac felly nid ydynt yn agored i ddadelfennu/diraddio naturiol. Fodd bynnag, mae micro-organebau aerobig yn gallu ei ocsideiddio trwy amsugno ocsigen moleciwlaidd (O2). Mae'r ensymau hyn yn perthyn yn bennaf i'r dosbarth o ocsidoreductases a gallant gyflawni amrywiol adweithiau fel hydrocsyleiddio cylch aromatig (mono- neu ddihydroxyleiddio), dadhydrogeneiddio a hollti cylch aromatig. Mae'r cynhyrchion a geir o'r adweithiau hyn mewn cyflwr ocsideiddio uwch ac maent yn cael eu metaboleiddio'n haws trwy'r llwybr carbon canolog (Phale et al., 2020). Adroddwyd bod yr ensymau yn y llwybr diraddio yn gymhelladwy. Mae gweithgaredd yr ensymau hyn yn isel iawn neu'n ddibwys pan dyfir celloedd ar ffynonellau carbon syml fel glwcos neu asidau organig. Mae Tabl 3 yn crynhoi'r amrywiol ensymau (ocsigenasau, hydrolasau, dadhydrogenasau, ocsidasau, ac ati) sy'n ymwneud â metaboledd naffthalen a'i ddeilliadau.
Tabl 3. Nodweddion biocemegol ensymau sy'n gyfrifol am ddiraddio naffthalen a'i ddeilliadau.
Mae astudiaethau radioisotop (18O2) wedi dangos mai ymgorffori O2 moleciwlaidd i gylchoedd aromatig gan ocsigenasau yw'r cam pwysicaf wrth actifadu bioddiraddio pellach cyfansoddyn (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Mae ymgorffori un atom ocsigen (O) o ocsigen moleciwlaidd (O2) i'r swbstrad yn cael ei gychwyn gan naill ai monoocsigenasau endogenaidd neu alldarddol (a elwir hefyd yn hydrocsylasau). Mae atom ocsigen arall yn cael ei leihau i ddŵr. Mae monoocsigenasau alldarddol yn lleihau flafin gyda NADH neu NADPH, tra mewn endomonoocsigenasau mae flafin yn cael ei leihau gan y swbstrad. Mae safle hydrocsyleiddio yn arwain at amrywiaeth wrth ffurfio cynnyrch. Er enghraifft, mae salicylate 1-hydroxylase yn hydrocsyleiddio asid salicylig yn y safle C1, gan ffurfio catechol. Ar y llaw arall, mae'r salicylad aml-gydran 5-hydroxylas (sy'n cynnwys is-unedau reductase, ferredoxin, ac ocsigenase) yn hydrocsyleiddio asid salicylig yn y safle C5, gan ffurfio asid gentisig (Yamamoto et al., 1965).
Mae dioxygenasau yn ymgorffori dau atom O2 yn y swbstrad. Yn dibynnu ar y cynhyrchion a ffurfir, cânt eu rhannu'n dioxygenasau hydrocsyleiddio cylch a dioxygenasau hollti cylch. Mae dioxygenasau hydrocsyleiddio cylch yn trosi swbstradau aromatig yn cis-dihydrodiolau (e.e., naffthalen) ac maent yn gyffredin ymhlith bacteria. Hyd yn hyn, dangoswyd bod organebau sy'n cynnwys dioxygenasau hydrocsyleiddio cylch yn gallu tyfu ar amrywiol ffynonellau carbon aromatig, ac mae'r ensymau hyn wedi'u dosbarthu fel NDO (naffthalen), dioxygenas tolwen (TDO, tolwen), a dioxygenas biffenyl (BPDO, biffenyl). Gall NDO a BPDO ill dau gataleiddio ocsideiddio dwbl a hydrocsyleiddio cadwyn ochr amrywiol hydrocarbonau aromatig polysyclig (tolwen, nitrotolwen, xylwen, ethylbensen, naffthalen, biffenyl, fflworen, indol, methylnaffthalen, naffthalensulfonad, ffenanthren, anthracen, asetoffenon, ac ati) (Boyd a Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). Mae NDO yn system aml-gydran sy'n cynnwys ocsidoreductase, ferredoxin, a chydran ocsigenase sy'n cynnwys safle gweithredol (Gibson a Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Mae uned gatalytig NDO yn cynnwys is-uned α fawr ac is-uned β fach wedi'u trefnu mewn cyfluniad α3β3. Mae NDO yn perthyn i deulu mawr o ocsigenasau ac mae ei is-uned α yn cynnwys safle Rieske [2Fe-2S] a haearn mononiwclear di-heme, sy'n pennu manylder swbstrad NDO (Parales et al., 1998). Yn nodweddiadol, mewn un cylch catalytig, mae dau electron o ostyngiad niwcleotid pyridin yn cael eu trosglwyddo i'r ïon Fe(II) yn y safle gweithredol trwy reductase, ferredoxin a safle Rieske. Mae'r cywerthau lleihaol yn actifadu ocsigen moleciwlaidd, sy'n rhagofyniad ar gyfer dihydroxylation swbstrad (Ferraro et al., 2005). Hyd yn hyn, dim ond ychydig o NDOs sydd wedi'u puro a'u nodweddu'n fanwl o wahanol straenau ac mae rheolaeth enetig y llwybrau sy'n gysylltiedig â diraddio naffthalen wedi'i hastudio'n fanwl (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Mae dioxygenasau hollti cylchoedd (ensymau hollti cylchoedd endo- neu ortho- ac ensymau hollti cylchoedd exodiol- neu meta) yn gweithredu ar gyfansoddion aromatig hydrocsylaidd. Er enghraifft, y dioxygenas hollti cylchoedd ortho yw catechol-1,2-dioxygenas, tra bod y dioxygenas hollti cylchoedd meta yn catechol-2,3-dioxygenas (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Yn ogystal ag amrywiol ocsigenasau, mae yna hefyd amrywiol ddadhydrogenasau sy'n gyfrifol am ddadhydrogeniad dihydrodiolau aromatig, alcoholau ac aldehydau ac yn defnyddio NAD+/NADP+ fel derbynyddion electronau, sef rhai o'r ensymau pwysig sy'n ymwneud â metaboledd (Gibson a Subramanian, 1984; Shaw a Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Mae ensymau fel hydrolasau (esterasau, amidasau) yn ail ddosbarth pwysig o ensymau sy'n defnyddio dŵr i hollti bondiau cofalent ac yn arddangos manylder swbstrad eang. Ystyrir bod hydrolas carbaryl a hydrolasau eraill yn gydrannau o'r periplasm (trawsbilen) mewn aelodau o facteria Gram-negatif (Kamini et al., 2018). Mae gan Carbaryl gysylltiad amid ac ester; felly, gellir ei hydrolysu gan naill ai esteras neu amidas i ffurfio 1-naphthol. Adroddwyd bod Carbaryl mewn rhywogaeth Rhizobium rhizobium AC10023 a rhywogaeth Arthrobacter RC100 yn gweithredu fel esteras ac amidas, yn y drefn honno. Mae Carbaryl mewn rhywogaeth Arthrobacter RC100 hefyd yn gweithredu fel amidas. Dangoswyd bod RC100 yn hydrolysu pedwar pryfleiddiad dosbarth N-methylcarbamate fel carbaryl, methomyl, asid mefenamig ac XMC (Hayaatsu et al., 2001). Adroddwyd y gall CH yn Pseudomonas sp. C5pp weithredu ar carbaryl (gweithgaredd 100%) ac 1-naphthyl acetate (gweithgaredd 36%), ond nid ar 1-naphthylacetamide, sy'n dangos ei fod yn esterase (Trivedi et al., 2016).
Mae astudiaethau biocemegol, patrymau rheoleiddio ensymau, a dadansoddiad genetig wedi dangos bod y genynnau diraddio naffthalen yn cynnwys dau uned reoleiddio ysgogadwy neu "operonau": nah (y "llwybr i fyny'r afon", sy'n trosi naffthalen yn asid salicylig) a sal (y "llwybr i lawr yr afon", sy'n trosi asid salicylig i'r llwybr carbon canolog trwy catechol). Gall asid salicylig a'i analogau weithredu fel ysgogwyr (Shamsuzzaman a Barnsley, 1974). Ym mhresenoldeb glwcos neu asidau organig, mae'r operon yn cael ei atal. Mae Ffigur 5 yn dangos trefniadaeth genetig gyflawn diraddio naffthalen (ar ffurf operon). Disgrifiwyd sawl amrywiad/ffurf enwol o'r genyn nah (ndo/pah/dox) a chanfuwyd bod ganddynt homologi dilyniant uchel (90%) ymhlith pob rhywogaeth Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Trefnwyd genynnau'r llwybr i fyny'r afon naffthalen yn gyffredinol mewn trefn gonsensws fel y dangosir yn Ffigur 5A. Adroddwyd hefyd fod genyn arall, nahQ, yn ymwneud â metaboledd naffthalen ac fel arfer roedd wedi'i leoli rhwng nahC a nahE, ond mae ei swyddogaeth wirioneddol yn parhau i fod heb ei hegluro. Yn yr un modd, canfuwyd y genyn nahY, sy'n gyfrifol am gemotacsis sy'n sensitif i naffthalen, ar ben distal yr operon nah mewn rhai aelodau. Yn Ralstonia sp., canfuwyd bod y genyn U2 sy'n amgodio glwtathione S-transferase (gsh) wedi'i leoli rhwng nahAa a nahAb ond ni effeithiodd ar nodweddion defnyddio naffthalen (Zylstra et al., 1997).
Ffigur 5. Trefniadaeth genetig ac amrywiaeth a welwyd yn ystod diraddio naffthalen ymhlith rhywogaethau bacteriol; (A) Llwybr naffthalen uchaf, metaboledd naffthalen i asid salicylig; (B) Llwybr naffthalen isaf, asid salicylig trwy catechol i'r llwybr carbon canolog; (C) asid salicylig trwy gentisate i'r llwybr carbon canolog.
Mae'r "llwybr isaf" (operon sal) fel arfer yn cynnwys nahGTHINLMOKJ ac yn trosi salisylad yn pyruvat ac asetaldehyd trwy'r llwybr hollti metaru catechol. Canfuwyd bod y genyn nahG (sy'n amgodio salisylad hydrocsylas) wedi'i gadw ar ben agosaf yr operon (Ffig. 5B). O'i gymharu â straenau eraill sy'n diraddio naffthalen, yn P. putida CSV86 mae'r operonau nah a sal yn tandem ac yn perthyn yn agos iawn (tua 7.5 kb). Mewn rhai bacteria Gram-negatif, fel Ralstonia sp. U2, Polaramonas naphthalenivorans CJ2, a P. putida AK5, mae naffthalen yn cael ei fetaboleiddio fel metabolyn carbon canolog trwy'r llwybr gentisate (ar ffurf yr operon sgp/nag). Fel arfer, cynrychiolir y casét genyn ar ffurf nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, lle mae nagR (sy'n amgodio rheolydd o fath LysR) wedi'i leoli yn y pen uchaf (Ffigur 5C).
Mae carbaryl yn mynd i mewn i'r cylch carbon canolog trwy fetaboledd 1-naphthol, 1,2-dihydroxynaphthalene, asid salicylig, ac asid gentisig (Ffigur 3). Yn seiliedig ar astudiaethau genetig a metabolaidd, cynigiwyd rhannu'r llwybr hwn yn "i fyny'r afon" (trosi carbaryl i asid salicylig), "canol" (trosi asid salicylig i asid gentisig), ac "i lawr yr afon" (trosi asid gentisig i ganolradd llwybr carbon canolog) (Singh et al., 2013). Datgelodd dadansoddiad genomig o C5pp (supercontig A, 76.3 kb) fod y genyn mcbACBDEF yn rhan o drosi carbaryl i asid salicylig, ac yna mcbIJKL yn rhan o drosi asid salicylig i asid gentisig, a mcbOQP yn rhan o drosi asid gentisig i ganolraddau carbon canolog (ffwmarad a pyrwfad, Trivedi et al., 2016) (Ffigur 6).
Adroddwyd y gall ensymau sy'n ymwneud â diraddio hydrocarbonau aromatig (gan gynnwys naffthalen ac asid salicylig) gael eu cymell gan y cyfansoddion cyfatebol a'u hatal gan ffynonellau carbon syml fel glwcos neu asidau organig (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Ymhlith y gwahanol lwybrau metabolaidd ar gyfer naffthalen a'i ddeilliadau, mae nodweddion rheoleiddio naffthalen a charbaryl wedi'u hastudio i ryw raddau. Ar gyfer naffthalen, mae genynnau yn y llwybrau i fyny'r afon ac i lawr yr afon yn cael eu rheoleiddio gan NahR, rheolydd positif traws-weithredol math LysR. Mae'n ofynnol ar gyfer cymell y genyn nah gan asid salicylig a'i fynegiant lefel uchel dilynol (Yen a Gunsalus, 1982). Ar ben hynny, mae astudiaethau wedi dangos bod ffactor gwesteiwr integreiddiol (IHF) ac XylR (rheolydd trawsgrifio sy'n ddibynnol ar sigma 54) hefyd yn hanfodol ar gyfer actifadu trawsgrifio genynnau mewn metaboledd naffthalen (Ramos et al., 1997). Mae astudiaethau wedi dangos bod ensymau llwybr agor meta-gylch catechol, sef catechol 2,3-dioxygenase, yn cael eu hysgogi ym mhresenoldeb naffthalen a/neu asid salicylig (Basu et al., 2006). Mae astudiaethau wedi dangos bod ensymau llwybr agor ortho-gylch catechol, sef catechol 1,2-dioxygenase, yn cael eu hysgogi ym mhresenoldeb asid bensoig a cis,cis-muconad (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Yn y straen C5pp, mae pum genyn, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR a mcbS, yn amgodio rheoleiddwyr sy'n perthyn i'r teulu LysR/TetR o reoleiddwyr trawsgrifio sy'n gyfrifol am reoli diraddio carbaryl. Canfuwyd bod y genyn homologaidd mcbG yn perthyn yn agosaf at y rheolydd math LysR PhnS (58% hunaniaeth asid amino) sy'n ymwneud â metaboledd phenanthren yn Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Canfuwyd bod y genyn mcbH yn ymwneud â'r llwybr canolradd (trosi asid salicylig i asid gentisig) ac yn perthyn i'r rheolydd trawsgrifio math LysR NagR/DntR/NahR yn Pseudomonas a Burkholderia. Adroddwyd bod aelodau'r teulu hwn yn adnabod asid salicylig fel moleciwl effeithydd penodol ar gyfer ysgogi genynnau diraddio. Ar y llaw arall, nodwyd tri genyn, mcbN, mcbR a mcbS, sy'n perthyn i reoleiddwyr trawsgrifiadol math LysR a TetR, yn y llwybr i lawr yr afon (metabolion llwybr carbon gentisate-canolog).
Mewn procaryotau, prosesau trosglwyddo genynnau llorweddol (caffael, cyfnewid, neu drosglwyddo) trwy blasmidau, transposons, profagau, ynysoedd genomig, ac elfennau cyfunol integreiddiol (ICE) yw prif achosion plastigedd mewn genomau bacteriol, gan arwain at ennill neu golli swyddogaethau/nodweddion penodol. Mae'n caniatáu i facteria addasu'n gyflym i wahanol amodau amgylcheddol, gan ddarparu manteision metabolaidd addasol posibl i'r gwesteiwr, megis diraddio cyfansoddion aromatig. Yn aml, cyflawnir newidiadau metabolaidd trwy fireinio operonau diraddio, eu mecanweithiau rheoleiddio, a manylder ensymau, sy'n hwyluso diraddio ystod ehangach o gyfansoddion aromatig (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Canfuwyd bod y casetiau genynnau ar gyfer diraddio naffthalen wedi'u lleoli ar amrywiaeth o elfennau symudol megis plasmidau (cyfunol ac an-gyfunol), transposons, genomau, ICEs, a chyfuniadau o wahanol rywogaethau bacteriol (Ffigur 5). Yn Pseudomonas G7, mae operonau nah a sal plasmid NAH7 wedi'u trawsgrifio yn yr un cyfeiriad ac maent yn rhan o drawsposon diffygiol sydd angen y trawsposas Tn4653 ar gyfer symud (Sota et al., 2006). Yn y straen Pseudomonas NCIB9816-4, canfuwyd y genyn ar y plasmid cyfunol pDTG1 fel dau operon (tua 15 kb ar wahân) a drawsgrifiwyd i gyfeiriadau gyferbyniol (Dennis a Zylstra, 2004). Yn y straen Pseudomonas putida AK5, mae'r plasmid anghyfunol pAK5 yn amgodio'r ensym sy'n gyfrifol am ddiraddio naffthalen trwy'r llwybr gentisate (Izmalkova et al., 2013). Yn y straen PMD-1 o Pseudomonas, mae'r operon nah wedi'i leoli ar y cromosom, tra bod yr operon sal wedi'i leoli ar y plasmid cyfuniadol pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Fodd bynnag, yn Pseudomonas stutzeri AN10, mae pob genyn diraddio naffthalen (operonau nah a sal) wedi'u lleoli ar y cromosom ac mae'n debyg eu bod yn cael eu recriwtio trwy ddigwyddiadau trawsosod, ailgyfuno ac aildrefnu (Bosch et al., 2000). Yn Pseudomonas sp. CSV86, mae'r operonau nah a sal wedi'u lleoli yn y genom ar ffurf ICE (ICECSV86). Mae'r strwythur wedi'i amddiffyn gan tRNAGly ac yna ailadroddiadau uniongyrchol sy'n dynodi safleoedd ailgyfuno/ymlyniad (attR ac attL) ac integrase tebyg i ffag wedi'i leoli ar ddau ben tRNAGly, felly'n debyg yn strwythurol i'r elfen ICEclc (ICEclcB13 yn Pseudomonas knackmusii ar gyfer diraddio clorocatechol). Adroddwyd y gellir trosglwyddo genynnau ar ICE trwy gyfuniad gydag amlder trosglwyddo hynod o isel (10-8), a thrwy hynny drosglwyddo priodweddau diraddio i'r derbynnydd (Basu a Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Mae'r rhan fwyaf o'r genynnau sy'n gyfrifol am ddiraddio carbaryl wedi'u lleoli ar blasmidau. Mae Arthrobacter sp. RC100 yn cynnwys tri phlasmid (pRC1, pRC2 a pRC300) ac mae dau blasmid cyfuniadol, pRC1 a pRC2, yn amgodio'r ensymau sy'n trosi carbaryl yn gentisad. Ar y llaw arall, mae'r ensymau sy'n ymwneud â throsi gentisad i'r metabolion carbon canolog wedi'u lleoli ar y cromosom (Hayaatsu et al., 1999). Mae bacteria o'r genws Rhizobium. Straen AC100, a ddefnyddir ar gyfer trosi carbaryl i 1-naphthol, yn cynnwys plasmid pAC200, sy'n cario'r genyn cehA sy'n amgodio CH fel rhan o'r transposon Tnceh wedi'i amgylchynu gan ddilyniannau tebyg i elfennau mewnosod (istA ac istB) (Hashimoto et al., 2002). Yn y straen CF06 o Sphingomonas, credir bod y genyn diraddio carbaryl yn bresennol mewn pum plasmid: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, a pCF05. Mae homologaeth DNA y plasmidau hyn yn uchel, sy'n dangos bodolaeth digwyddiad dyblygu genynnau (Feng et al., 1997). Mewn symbiont sy'n diraddio carbaryl sy'n cynnwys dau rywogaeth o Pseudomonas, mae'r straen 50581 yn cynnwys plasmid cyfunol pCD1 (50 kb) sy'n amgodio'r genyn hydrolase carbaryl mcd, tra bod y plasmid cyfunol yn y straen 50552 yn amgodio ensym sy'n diraddio 1-naphthol (Chapalamadugu a Chaudhry, 1991). Yn y straen WM111 o Achromobacter, mae'r genyn hydrolase furadan mcd wedi'i leoli ar blasmid 100 kb (pPDL11). Dangoswyd bod y genyn hwn yn bresennol ar wahanol blasmidau (100, 105, 115 neu 124 kb) mewn gwahanol facteria o wahanol ranbarthau daearyddol (Parekh et al., 1995). Yn Pseudomonas sp. C5pp, mae'r holl enynnau sy'n gyfrifol am ddiraddio carbaryl wedi'u lleoli mewn genom sy'n cwmpasu 76.3 kb o ddilyniant (Trivedi et al., 2016). Datgelodd dadansoddiad genom (6.15 Mb) bresenoldeb 42 MGE a 36 GEI, ac roedd 17 MGE ohonynt wedi'u lleoli yn supercontig A (76.3 kb) gyda chynnwys G+C anghymesur cyfartalog (54–60 mol%), sy'n awgrymu digwyddiadau trosglwyddo genynnau llorweddol posibl (Trivedi et al., 2016). Mae P. putida XWY-1 yn arddangos trefniant tebyg o enynnau sy'n diraddio carbaryl, ond mae'r genynnau hyn wedi'u lleoli ar blasmid (Zhu et al., 2019).
Yn ogystal ag effeithlonrwydd metabolaidd ar lefelau biocemegol a genomig, mae micro-organebau hefyd yn arddangos priodweddau neu ymatebion eraill megis cemotacsis, priodweddau addasu wyneb celloedd, adrannu, defnydd ffafriol, cynhyrchu biosyrffactyddion, ac ati, sy'n eu helpu i fetaboli llygryddion aromatig yn fwy effeithlon mewn amgylcheddau halogedig (Ffigur 7).
Ffigur 7. Strategaethau ymateb cellog gwahanol bacteria delfrydol sy'n diraddio hydrocarbon aromatig ar gyfer bioddiraddio cyfansoddion llygredd tramor yn effeithlon.
Ystyrir bod ymatebion cemotactig yn ffactorau sy'n gwella diraddio llygryddion organig mewn ecosystemau llygredig amrywiol. Dangosodd (2002) fod cemotacsis Pseudomonas sp. G7 i naffthalen wedi cynyddu cyfradd diraddio naffthalen mewn systemau dyfrol. Diraddiodd y straen gwyllt G7 naffthalen yn llawer cyflymach na straen mwtant diffygiol o ran cemotacsis. Canfuwyd bod y protein NahY (538 o asidau amino gyda thopoleg pilen) wedi'i gyd-drawsgrifio â genynnau'r llwybr meta-holltiad ar y plasmid NAH7, ac fel trawsddygiaduron cemotacsis, mae'n ymddangos bod y protein hwn yn gweithredu fel derbynnydd ceme ar gyfer diraddio naffthalen (Grimm a Harwood 1997). Dangosodd astudiaeth arall gan Hansel et al. (2009) fod y protein yn gemotactig, ond mae ei gyfradd diraddio yn uchel. (2011) dangosodd ymateb cemeotactig Pseudomonas (P. putida) i naffthalen nwyol, lle arweiniodd trylediad cyfnod nwy at lif cyson o naffthalen i'r celloedd, a oedd yn rheoli ymateb cemeotactig y celloedd. Manteisiodd yr ymchwilwyr ar yr ymddygiad cemeotactig hwn i beiriannu microbau a fyddai'n gwella cyfradd diraddio. Mae astudiaethau wedi dangos bod llwybrau cemesynhwyraidd hefyd yn rheoleiddio swyddogaethau cellog eraill fel rhaniad celloedd, rheoleiddio cylchred celloedd, a ffurfio bioffilm, a thrwy hynny'n helpu i reoli cyfradd diraddio. Fodd bynnag, mae harneisio'r eiddo hwn (cemotacsis) ar gyfer diraddio effeithlon yn cael ei rwystro gan sawl tagfa. Y prif rwystrau yw: (a) mae derbynyddion paralogaidd gwahanol yn adnabod yr un cyfansoddion/ligandau; (b) bodolaeth derbynyddion amgen, h.y., tropism egnïol; (c) gwahaniaethau dilyniant sylweddol ym mharthau synhwyraidd yr un teulu derbynyddion; a (d) diffyg gwybodaeth am y prif broteinau synhwyrydd bacteriol (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Weithiau, mae bioddiraddio hydrocarbonau aromatig yn cynhyrchu nifer o fetabolion/canolraddau, a all fod yn gemotactig i un grŵp o facteria ond yn wrthun i eraill, gan gymhlethu'r broses ymhellach. Er mwyn nodi rhyngweithiadau ligandau (hydrocarbonau aromatig) â derbynyddion cemegol, fe wnaethom adeiladu proteinau synhwyrydd hybrid (PcaY, McfR, a NahY) trwy asio parthau synhwyrydd a signalau Pseudomonas putida ac Escherichia coli, sy'n targedu'r derbynyddion ar gyfer asidau aromatig, canolraddau TCA, a naffthalen, yn y drefn honno (Luu et al., 2019).
O dan ddylanwad naffthalen a hydrocarbonau aromatig polysyclig (PAHs) eraill, mae strwythur pilen y bacteria a chyfanrwydd y micro-organebau yn newid yn sylweddol. Mae astudiaethau wedi dangos bod naffthalen yn ymyrryd â rhyngweithio'r gadwyn asyl trwy ryngweithiadau hydroffobig, a thrwy hynny'n cynyddu chwydd a hylifedd y bilen (Sikkema et al., 1995). I wrthweithio'r effaith niweidiol hon, mae bacteria'n rheoleiddio hylifedd y bilen trwy newid y gymhareb a chyfansoddiad asid brasterog rhwng asidau brasterog cadwyn ganghennog iso/anteiso ac isomereiddio asidau brasterog cis-annirlawn i'r traws-isomers cyfatebol (Heipieper a de Bont, 1994). Yn Pseudomonas stutzeri a dyfwyd ar driniaeth naffthalen, cynyddodd y gymhareb asid brasterog dirlawn i annirlawn o 1.1 i 2.1, tra yn Pseudomonas JS150 cynyddodd y gymhareb hon o 7.5 i 12.0 (Mrozik et al., 2004). Pan gafodd eu tyfu ar naffthalen, dangosodd celloedd Achromobacter KAs 3–5 gydgrynhoi celloedd o amgylch crisialau naffthalen a gostyngiad yng ngwefr wyneb y gell (o -22.5 i -2.5 mV) ynghyd â chyddwysiad cytoplasmig a gwactoleiddio, gan ddangos newidiadau yn strwythur celloedd a phriodweddau wyneb y gell (Mohapatra et al., 2019). Er bod newidiadau cellog/wyneb yn gysylltiedig yn uniongyrchol â gwell amsugno llygryddion aromatig, nid yw strategaethau biobeirianneg perthnasol wedi'u optimeiddio'n drylwyr. Anaml y defnyddiwyd trin siâp celloedd i optimeiddio prosesau biolegol (Volke a Nikel, 2018). Mae dileu genynnau sy'n effeithio ar rannu celloedd yn achosi newidiadau mewn morffoleg celloedd. Mae dileu genynnau sy'n effeithio ar rannu celloedd yn achosi newidiadau mewn morffoleg celloedd. Yn Bacillus subtilis, dangoswyd bod y protein septwm celloedd SepF yn rhan o ffurfio septwm ac mae ei angen ar gyfer camau dilynol rhannu celloedd, ond nid yw'n enyn hanfodol. Arweiniodd dileu genynnau sy'n amgodio hydrolasau glycan peptid yn Bacillus subtilis at ymestyn celloedd, cynyddu cyfradd twf penodol, a gwella gallu cynhyrchu ensymau (Cui et al., 2018).
Cynigiwyd adrannu'r llwybr diraddio carbaryl i gyflawni diraddio effeithlon o straeniau Pseudomonas C5pp a C7 (Kamini et al., 2018). Cynigir bod carbaryl yn cael ei gludo i'r gofod periplasmig trwy septwm y bilen allanol a/neu trwy borinau tryledadwy. Mae CH yn ensym periplasmig sy'n cataleiddio hydrolysis carbaryl i 1-naphthol, sy'n fwy sefydlog, yn fwy hydroffobig ac yn fwy gwenwynig. Mae CH wedi'i leoli yn y periplasm ac mae ganddo affinedd isel ar gyfer carbaryl, gan reoli ffurfio 1-naphthol, a thrwy hynny atal ei gronni mewn celloedd a lleihau ei wenwyndra i gelloedd (Kamini et al., 2018). Mae'r 1-naphthol sy'n deillio o hyn yn cael ei gludo i'r cytoplasm ar draws y bilen fewnol trwy rannu a/neu dryledu, ac yna caiff ei hydrocsyleiddio i 1,2-dihydroxynaphthalen gan yr ensym affinedd uchel 1NH ar gyfer metaboledd pellach yn y llwybr carbon canolog.
Er bod gan ficro-organebau'r galluoedd genetig a metabolaidd i ddiraddio ffynonellau carbon xenobiotig, mae strwythur hierarchaidd eu defnydd (h.y., defnydd ffafriol o ffynonellau carbon syml dros ffynonellau carbon cymhleth) yn rhwystr mawr i fioddiraddio. Mae presenoldeb a defnydd ffynonellau carbon syml yn lleihau genynnau sy'n amgodio ensymau sy'n diraddio ffynonellau carbon cymhleth/annhebygol fel PAHs. Enghraifft sydd wedi'i hastudio'n dda yw pan fydd glwcos a lactos yn cael eu cyd-fwydo i Escherichia coli, mae glwcos yn cael ei ddefnyddio'n fwy effeithlon na lactos (Jacob a Monod, 1965). Adroddwyd bod Pseudomonas yn diraddio amrywiaeth o PAHs a chyfansoddion xenobiotig fel ffynonellau carbon. Hierarchaeth defnyddio ffynonellau carbon yn Pseudomonas yw asidau organig > glwcos > cyfansoddion aromatig (Hylemon a Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Fodd bynnag, mae eithriad. Yn ddiddorol, Pseudomonas sp. Mae gan CSV86 strwythur hierarchaidd unigryw sy'n defnyddio hydrocarbonau aromatig (asid bensoig, naffthalen, ac ati) yn hytrach na glwcos ac yn cyd-fetaboleiddio hydrocarbonau aromatig gydag asidau organig (Basu et al., 2006). Yn y bacteriwm hwn, nid yw'r genynnau ar gyfer diraddio a chludo hydrocarbonau aromatig yn cael eu gostwng hyd yn oed ym mhresenoldeb ail ffynhonnell garbon fel glwcos neu asidau organig. Pan gafodd ei dyfu mewn cyfrwng glwcos a hydrocarbonau aromatig, gwelwyd bod y genynnau ar gyfer cludo a metaboledd glwcos yn cael eu gostwng, defnyddiwyd hydrocarbonau aromatig yn y cyfnod log cyntaf, a defnyddiwyd glwcos yn yr ail gyfnod log (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Ar y llaw arall, ni effeithiodd presenoldeb asidau organig ar fynegiant metaboledd hydrocarbon aromatig, felly disgwylir i'r bacteriwm hwn fod yn straen ymgeisydd ar gyfer astudiaethau bioddiraddio (Phale et al., 2020).
Mae'n hysbys y gall biodrawsnewid hydrocarbon achosi straen ocsideiddiol ac uwchreoleiddio ensymau gwrthocsidiol mewn micro-organebau. Mae bioddiraddio naffthalen aneffeithlon mewn celloedd cyfnod llonydd ac ym mhresenoldeb cyfansoddion gwenwynig yn arwain at ffurfio rhywogaethau ocsigen adweithiol (ROS) (Kang et al. 2006). Gan fod ensymau sy'n diraddio naffthalen yn cynnwys clystyrau haearn-sylffwr, o dan straen ocsideiddiol, bydd yr haearn mewn proteinau heme a haearn-sylffwr yn cael ei ocsideiddio, gan arwain at anactifadu protein. Mae Ferredoxin-NADP+ reductase (Fpr), ynghyd â superoxide dismutase (SOD), yn cyfryngu'r adwaith redoks gwrthdroadwy rhwng NADP+/NADPH a dau foleciwl o ferredoxin neu flavodoxin, a thrwy hynny'n sborion ROS ac yn adfer y ganolfan haearn-sylffwr o dan straen ocsideiddiol (Li et al. 2006). Adroddwyd y gall straen ocsideiddiol achosi Fpr a SodA (SOD) mewn Pseudomonas, a gwelwyd mwy o weithgareddau SOD a chatalas mewn pedwar straen o Pseudomonas (O1, W1, As1, a G1) yn ystod twf o dan amodau wedi'u hychwanegu gan naffthalen (Kang et al., 2006). Mae astudiaethau wedi dangos y gall ychwanegu gwrthocsidyddion fel asid asgorbig neu haearn fferrus (Fe2+) gynyddu cyfradd twf naffthalen. Pan dyfodd Rhodococcus erythropolis mewn cyfrwng naffthalen, cynyddodd trawsgrifiad genynnau cytochrome P450 sy'n gysylltiedig â straen ocsideiddiol gan gynnwys sodA (superocsid dismutase Fe/Mn), sodC (superocsid dismutase Cu/Zn), a recA (Sazykin et al., 2019). Dangosodd dadansoddiad proteomig meintiol cymharol o gelloedd Pseudomonas a dyfwyd mewn naffthalen fod cynyddu rheoleiddio amrywiol broteinau sy'n gysylltiedig â'r ymateb i straen ocsideiddiol yn strategaeth ymdopi â straen (Herbst et al., 2013).
Adroddwyd bod micro-organebau yn cynhyrchu biosyrfactyddion o dan weithred ffynonellau carbon hydroffobig. Mae'r syrfactyddion hyn yn gyfansoddion gweithredol arwyneb amffiffilig a all ffurfio agregau ar ryngwynebau olew-dŵr neu aer-dŵr. Mae hyn yn hyrwyddo ffug-hydoddiant ac yn hwyluso amsugno hydrocarbonau aromatig, gan arwain at fioddiraddio effeithlon (Rahman et al., 2002). Oherwydd y priodweddau hyn, defnyddir biosyrfactyddion yn helaeth mewn amrywiol ddiwydiannau. Gall ychwanegu syrfactyddion cemegol neu fiosyrfactyddion at ddiwylliannau bacteriol wella effeithlonrwydd a chyfradd diraddio hydrocarbon. Ymhlith y biosyrfactyddion, mae rhamnolipidau a gynhyrchir gan Pseudomonas aeruginosa wedi'u hastudio a'u nodweddu'n helaeth (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Yn ogystal, mae mathau eraill o fiosyrffactyddion yn cynnwys lipopeptidau (mwcinau o Pseudomonas fluorescens), emwlsydd 378 (o Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg a Ron, 1999), lipidau disacarid trehalos o Rhodococcus (Ramdahl, 1985), lichenin o Bacillus (Saraswathy a Hallberg, 2002), a syrffactydd o Bacillus subtilis (Siegmund a Wagner, 1991) a Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Dangoswyd bod y syrffactyddion cryf hyn yn lleihau'r tensiwn arwyneb o 72 dyn/cm i lai na 30 dyn/cm, gan ganiatáu amsugno hydrocarbon gwell. Adroddwyd y gall Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia a rhywogaethau bacteriol eraill gynhyrchu amrywiol fiosyrfactyddion sy'n seiliedig ar rhamnolipid a glycolipid pan gânt eu tyfu mewn cyfryngau naffthalen a methylnaffthalen (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Gall Pseudomonas maltophilia CSV89 gynhyrchu biosyrfactydd allgellog Biosur-Pm pan gaiff ei dyfu ar gyfansoddion aromatig fel asid naffthoig (Phale et al., 1995). Dangosodd cineteg ffurfio Biosur-Pm fod ei synthesis yn broses sy'n ddibynnol ar dwf a pH. Canfuwyd bod faint o Biosur-Pm a gynhyrchwyd gan gelloedd ar pH niwtral yn uwch nag ar pH 8.5. Roedd celloedd a dyfwyd ar pH 8.5 yn fwy hydroffobig ac roedd ganddynt affinedd uwch ar gyfer cyfansoddion aromatig ac aliffatig na chelloedd a dyfwyd ar pH 7.0. Yn Rhodococcus spp. Mae N6, cymhareb uwch o garbon i nitrogen (C:N) a chyfyngiad haearn yn amodau gorau posibl ar gyfer cynhyrchu biosyrfactyddion allgellog (Mutalik et al., 2008). Gwnaed ymdrechion i wella biosynthesis biosyrfactyddion (syrfactinau) trwy optimeiddio straeniau ac eplesu. Fodd bynnag, mae titer y syrfactydd yn y cyfrwng diwylliant yn isel (1.0 g/L), sy'n peri her ar gyfer cynhyrchu ar raddfa fawr (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Felly, defnyddiwyd dulliau peirianneg genetig i wella ei biosynthesis. Fodd bynnag, mae ei addasu peirianneg yn anodd oherwydd maint mawr yr operon (∼25 kb) a rheoleiddio biosynthetig cymhleth y system synhwyro cworwm (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Mae nifer o addasiadau peirianneg genetig wedi'u cynnal mewn bacteria Bacillus, gyda'r prif nod o gynyddu cynhyrchiad syrfactin trwy ddisodli'r hyrwyddwr (operon srfA), gor-fynegi'r protein allforio syrfactin YerP a'r ffactorau rheoleiddio ComX a PhrC (Jiao et al., 2017). Fodd bynnag, dim ond un neu ychydig o addasiadau genetig y mae'r dulliau peirianneg genetig hyn wedi'u cyflawni ac nid ydynt wedi cyrraedd cynhyrchiad masnachol eto. Felly, mae angen astudiaeth bellach o ddulliau optimeiddio sy'n seiliedig ar wybodaeth.
Cynhelir astudiaethau bioddiraddio PAH yn bennaf o dan amodau labordy safonol. Fodd bynnag, mewn safleoedd halogedig neu mewn amgylcheddau halogedig, dangoswyd bod llawer o ffactorau abiotig a biotig (tymheredd, pH, ocsigen, argaeledd maetholion, bioargaeledd swbstrad, xenobiotigau eraill, ataliad cynnyrch terfynol, ac ati) yn newid ac yn dylanwadu ar allu diraddio micro-organebau.
Mae tymheredd yn cael effaith sylweddol ar fioddiraddio PAH. Wrth i'r tymheredd gynyddu, mae crynodiad ocsigen toddedig yn lleihau, sy'n effeithio ar fetaboledd micro-organebau aerobig, gan eu bod angen ocsigen moleciwlaidd fel un o'r swbstradau ar gyfer ocsigenasau sy'n cynnal adweithiau hydroxylation neu hollti cylchoedd. Nodir yn aml bod tymheredd uwch yn trosi'r PAHs gwreiddiol yn gyfansoddion mwy gwenwynig, a thrwy hynny'n atal bioddiraddio (Muller et al., 1998).
Nodwyd bod gan lawer o safleoedd halogedig PAH werthoedd pH eithafol, megis safleoedd halogedig draenio mwyngloddiau asidig (pH 1–4) a safleoedd nwy naturiol/nwyeiddio glo sydd wedi'u halogi â thrwytholch alcalïaidd (pH 8–12). Gall yr amodau hyn effeithio'n ddifrifol ar y broses fioddiraddio. Felly, cyn defnyddio micro-organebau ar gyfer bioadferiad, argymhellir addasu'r pH trwy ychwanegu cemegau addas (gyda photensial ocsideiddio-lleihau cymedrol i isel iawn) megis amoniwm sylffad neu amoniwm nitrad ar gyfer priddoedd alcalïaidd neu galchu â chalsiwm carbonad neu fagnesiwm carbonad ar gyfer safleoedd asidig (Bowlen et al. 1995; Gupta a Sar 2020).
Cyflenwad ocsigen i'r ardal yr effeithir arni yw'r ffactor sy'n cyfyngu ar gyfradd bioddiraddio PAH. Oherwydd amodau redox yr amgylchedd, mae prosesau bioremediation in situ fel arfer yn gofyn am gyflwyno ocsigen o ffynonellau allanol (tilling, chwistrellu aer, ac ychwanegu cemegau) (Pardieck et al., 1992). Dangosodd Odenkranz et al. (1996) y gallai ychwanegu perocsid magnesiwm (cyfansoddyn sy'n rhyddhau ocsigen) i ddyfrhaen halogedig fioremedio cyfansoddion BTEX yn effeithiol. Ymchwiliodd astudiaeth arall i ddiraddio in situ ffenol a BTEX mewn dyfrhaen halogedig trwy chwistrellu sodiwm nitrad ac adeiladu ffynhonnau echdynnu i gyflawni bioremediation effeithiol (Bewley a Webb, 2001).