Den Artikel ass Deel vum Fuerschungsthema "Fortgeschratt Bioremediatiounstechnologien a synthetesch organesch Verbindungen (SOC) Recyclingprozesser". All 14 Artikelen ukucken
Polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer (PAK) mat nidderegem Molekulargewiicht, wéi Naphthalin an substituéiert Naphthalinen (Methylnaphthalin, Naphthoesäure, 1-Naphthyl-N-Methylcarbamat, etc.), gi wäit verbreet a verschiddenen Industrien agesat a si genotoxesch, mutagen an/oder karzinogen fir Organismen. Dës synthetesch organesch Verbindungen (SOC) oder Xenobiotika gëllen als prioritär Schadstoffer a stellen eng eescht Bedrohung fir d'Ëmwelt an d'Gesondheet vun der Welt duer. D'Intensitéit vun de mënschlechen Aktivitéiten (z.B. Kuelegassifikatioun, Uelegraffinéierung, Gefieremissiounen a landwirtschaftlech Uwendungen) bestëmmt d'Konzentratioun, d'Schicksal an den Transport vun dësen allgegenwärtege a persistente Verbindungen. Nieft physikaleschen a chemesche Behandlungs-/Entfernungsmethoden hunn sech gréng an ëmweltfrëndlech Technologien wéi Bioremediatioun, déi Mikroorganismen benotzen, déi fäeg sinn, POCs komplett ofzebauen oder se an net-gëfteg Nieweprodukter ëmzewandelen, als sécher, käschtegënschteg a villverspriechend Alternativ erausgestallt. Verschidde Bakterienaarten, déi zu de Phyla Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia an Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus a Paenibacillus) an Actinobacteria (Rhodococcus an Arthrobacter) an der Buedemmikrobiota gehéieren, hunn d'Fäegkeet bewisen, verschidden organesch Verbindungen ofzebauen. Metabolesch Studien, Genomik a metagenomesch Analysen hëllefen eis, déi katabolesch Komplexitéit an Diversitéit an dëse einfache Liewensformen ze verstoen, déi weider fir effizient biodegradatioun kënne benotzt ginn. Déi laangfristeg Existenz vu PAKen huet zu der Entstoe vun neien Degradatiounsphenotypen duerch horizontalen Gentransfer mat Hëllef vu geneteschen Elementer wéi Plasmiden, Transposonen, Bakteriophagen, genomesch Inselen an integrativ konjugativ Elementer gefouert. Systembiologie a Gentechnik vu spezifeschen Isolate oder Modellgemeinschaften (Konsortien) kënnen eng ëmfaassend, séier an effizient Bioremediatioun vun dëse PAKen duerch synergistesch Effekter erméiglechen. An dëser Iwwerpréiwung konzentréiere mir eis op déi verschidde metabolesch Weeër an Diversitéit, genetesch Zesummesetzung an Diversitéit, a cellulär Reaktiounen/Adaptatiounen vun Naphthalin a substituéierten Naphthalin-ofbauende Bakterien. Dëst wäert ökologesch Informatioune fir d'Applikatioun um Terrain an d'Optimiséierung vun de Strainen fir effizient Bioremediatioun liwweren.
Déi séier Entwécklung vun Industrien (Petrochemie, Landwirtschaft, Pharmazeutika, Textilfaarwstoffer, Kosmetik, etc.) huet zum globale wirtschaftleche Wuelstand an enger Verbesserung vum Liewensstandard bäigedroen. Dës exponentiell Entwécklung huet zu der Produktioun vun enger grousser Zuel vu syntheteschen organesche Verbindungen (SOCs) gefouert, déi fir d'Produktioun vu verschiddene Produkter benotzt ginn. Zu dëse frieme Verbindungen oder SOCs gehéieren polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer (PAKs), Pestiziden, Herbiziden, Weichmacher, Faarfstoffer, Pharmazeutika, Organophosphaten, Flammhemmend Mëttel, flüchteg organesch Léisungsmëttel, etc. Si ginn an d'Atmosphär, an d'aquatesch an terrestresch Ökosystemer ausgestraalt, wou se multidimensional Auswierkungen hunn, déi schiedlech Auswierkungen op verschidde Bioformen hunn duerch Ännerung vun de physikochemesche Eegeschaften an der Gemeinschaftsstruktur (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Vill aromatesch Schadstoffer hunn staark an zerstéierend Auswierkungen op vill intakt Ökosystemer/Biodiversitéits-Hotspots (z.B. Koralleriffer, arktesch/antarktesch Äisschichten, héich Biergséien, Déifmiersedimenter, etc.) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Rezent geomikrobiologesch Studien hunn gewisen, datt d'Oflagerung vu synthetescher organescher Matière (z.B. aromatescher Schadstoffer) an hiren Derivater op den Uewerfläche vun künstlechen Strukturen (bebauten Ëmfeld) (z.B. Kulturierwen a Monumenter aus Granit, Steen, Holz a Metall) hiren Degradatioun beschleunegt (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Mënschlech Aktivitéite kënnen de biologeschen Degradatioun vu Monumenter a Gebaier duerch Loftverschmotzung a Klimawandel intensivéieren a verschlechteren (Liu et al. 2020). Dës organesch Kontaminanten reagéiere mat Waasserdamp an der Atmosphär a setzen sech op der Struktur of, wouduerch de physikaleschen a chemeschen Degradatioun vum Material verursaacht gëtt. Biodegradatioun gëtt allgemeng als ongewollt Ännerungen am Ausgesinn a vun den Eegeschafte vu Materialien unerkannt, déi duerch lieweg Organismen verursaacht ginn a beaflossen, wéi se erhale bleiwen (Pochon a Jaton, 1967). Weider mikrobiell Handlung (Metabolismus) vun dëse Verbindungen kann d'strukturell Integritéit, d'Konservéierungseffektivitéit an de kulturelle Wäert reduzéieren (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Op der anerer Säit gouf a verschiddene Fäll festgestallt, datt d'mikrobiell Adaptatioun an d'Reaktioun op dës Strukturen nëtzlech sinn, well se Biofilmer an aner Schutzkruste bilden, déi d'Zersetzungsquote reduzéieren (Martino, 2016). Dofir erfuerdert d'Entwécklung vun effektiven, laangfristegen, nohaltege Konservéierungsstrategien fir Steen-, Metall- an Holzmonumenter e grëndlecht Verständnis vun de Schlësselprozesser, déi an dësem Prozess involvéiert sinn. Am Verglach mat natierleche Prozesser (geologesch Prozesser, Bëschbränn, Vulkanausbréch, Planzen- a Bakterienreaktiounen) féieren mënschlech Aktivitéiten zu der Fräisetzung vu grousse Quantitéiten u polyzykleschen aromatesche Kuelewaasserstoffer (PAK) an aner organesche Kuelestoffstoffer (OC) an d'Ökosystemer. Vill PAKen, déi an der Landwirtschaft (Insektiziden a Pestiziden wéi DDT, Atrazin, Carbaryl, Pentachlorophenol, etc.), an der Industrie (Réiueleg, Uelegschlamm/Offall, Plastik aus Pëtrol, PCBs, Weichmacher, Wäschmëttel, Desinfektiounsmëttel, Begasungsmëttel, Parfum a Konservéierungsmëttel), perséinleche Fleegeprodukter (Sonneschutzmëttel, Desinfektiounsmëttel, Insekteschutzmëttel a polyzyklesch Moschus) a Munitioun (Explosivstoffer wéi 2,4,6-TNT) benotzt ginn, si potenziell Xenobiotika, déi en Afloss op d'Gesondheet vum Planéit kënnen hunn (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna a Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Dës Lëscht kann erweidert ginn, fir Verbindungen aus Pëtrol (Brennueleg, Schmiermëttel, Asphaltenen), Bioplastik mat héijem Molekulargewiicht an ionesche Flëssegkeeten anzebannen (Amde et al., 2015). Tabelle 1 lëscht verschidde aromatesch Schadstoffer an hir Uwendungen a verschiddenen Industrien op. An de leschte Joren hunn d'anthropogen Emissioune vu flüchtege organesche Verbindungen, souwéi Kuelendioxid an aner Treibhausgase, ugefaang zouzehuelen (Dvorak et al., 2017). Wéi och ëmmer, d'anthropogen Auswierkunge si wesentlech méi grouss wéi déi natierlech. Zousätzlech hu mir festgestallt, datt eng Rei vu SOCs a ville Ëmweltëmfeld bestoe bleiwen an als opkomend Schadstoffer mat negativen Auswierkungen op d'Biome identifizéiert goufen (Figur 1). Ëmweltagenturen wéi d'United States Environmental Protection Agency (USEPA) hunn vill vun dëse Schadstoffer op hir Prioritéitslëscht opgeholl wéinst hiren zytotoxeschen, genotoxeschen, mutagenen a karzinogenen Eegeschaften. Dofir si strikt Entsuergungsreglementer an effektiv Strategien fir d'Offallbehandlung/Entfernung aus kontaminéierten Ökosystemer néideg. Verschidde physikalesch a chemesch Behandlungsmethoden wéi Pyrolyse, oxidativ thermesch Behandlung, Loftbelëftung, Deponien, Verbrennung, etc. si ineffektiv a deier a generéieren korrosiv, gëfteg a schwéier ze behandelen Nieweprodukter. Mat dem wuessende globale Ëmweltbewosstsinn kréien Mikroorganismen, déi fäeg sinn, dës Schadstoffer an hir Derivater (wéi halogenéiert, Nitro, Alkyl an/oder Methyl) ofzebauen, ëmmer méi Opmierksamkeet (Fennell et al., 2004; Haritash a Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). D'Benotzung vun dësen indigenen Kandidaten-Mikroorganismen eleng oder a gemëschte Kulturen (Kolonien) fir d'Entfernung vun aromatesche Schadstoffer huet Virdeeler a punkto Ëmweltsécherheet, Käschten, Effizienz, Effektivitéit a Nohaltegkeet. D'Fuerscher ënnersichen och d'Integratioun vu mikrobiellen Prozesser mat elektrochemesche Redoxmethoden, nämlech bioelektrochemesche Systemer (BES), als eng villverspriechend Technologie fir d'Behandlung/Entfernung vu Schadstoffer (Huang et al., 2011). D'BES-Technologie huet ëmmer méi Opmierksamkeet op sech gezunn wéinst hirer héijer Effizienz, niddrege Käschten, Ëmweltsécherheet, Raumtemperaturbetrieb, biokompatiblen Materialien an der Fäegkeet, wäertvoll Nieweprodukter (z. B. Stroum, Brennstoff a Chemikalien) ze gewannen (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). D'Entstoe vun High-Throughput-Genomsequenzéierungs- an Omics-Tools/Methoden huet eng Villzuel vun neien Informatiounen iwwer d'genetesch Reguléierung, d'Proteomik an d'Fluxomik vun de Reaktioune vu verschiddenen Degradéier-Mikroorganismen geliwwert. D'Kombinatioun vun dësen Tools mat der Systembiologie huet eist Verständnis vun der Auswiel a Feinabstimmung vun Zil-katabolesche Weeër a Mikroorganismen (dh metabolescht Design) weider verbessert, fir eng effizient an effektiv Biodegradatioun z'erreechen. Fir effektiv Bioremediatiounsstrategien mat passenden Kandidat-Mikroorganismen ze entwéckelen, musse mir dat biochemescht Potenzial, d'metabolesch Diversitéit, d'genetesch Zesummesetzung an d'Ekologie (Autoökologie/Synekologie) vu Mikroorganismen verstoen.
Abb. 1. Quellen a Weeër vu niddregmolekulare PAKen duerch verschidden Ëmweltëmfeld a verschidde Faktoren, déi d'Biota beaflossen. Gestreckelt Linnen representéieren d'Interaktiounen tëscht Ökosystemelementer.
An dëser Iwwerpréiwung hu mir probéiert, d'Donnéeën iwwer den Ofbau vu einfache PAKen, wéi Naphthalin an substituéiert Naphthalinen, duerch verschidde bakteriell Isolaten zesummenzefaassen, déi metabolesch Weeër an Diversitéit, Enzymer, déi un der Ofbau bedeelegt sinn, Genzesummesetzung/Gehalt an Diversitéit, zellulär Reaktiounen a verschidden Aspekter vun der Bioremediatioun ofdecken. D'Verständnis vun de biochemeschen a molekulare Niveauen hëlleft bei der Identifikatioun vu passenden Wirtstämm an hirer weiderer Genmanipulatioun fir eng effektiv Bioremediatioun vun esou prioritäre Schadstoffer. Dëst hëlleft bei der Entwécklung vu Strategien fir d'Grënnung vu standortspezifesche bakterielle Konsortien fir effektiv Bioremediatioun.
D'Präsenz vun enger grousser Zuel vu gëftegen an geféierlechen aromatesche Verbindungen (déi d'Huckel-Regel 4n + 2π Elektronen, n = 1, 2, 3, ... erfëllen) stellt eng eescht Bedrohung fir verschidden Ëmweltmedien wéi Loft, Buedem, Sedimenter, Uewerflächen- a Grondwaasser duer (Puglisi et al., 2007). Dës Verbindungen hunn eenzel Benzolréng (monozyklesch) oder méi Benzolréng (polyzyklesch), déi a linearer, eckeger oder Clusterform arrangéiert sinn, a weisen Stabilitéit (Stabilitéit/Instabilitéit) an der Ëmwelt opgrond vun hirer héijer negativer Resonanzenergie an Inertheet (Inertheet), wat duerch hir Hydrophobizitéit an hire reduzéierten Zoustand erkläert ka ginn. Wann den aromatesche Rank weider duerch Methyl- (-CH3), Carboxyl- (-COOH), Hydroxyl- (-OH) oder Sulfonat- (-HSO3) Gruppen ersat gëtt, gëtt e méi stabil, huet eng méi staark Affinitéit fir Makromoleküle a kann a biologesche Systemer bioakkumuléiert ginn (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Verschidde polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer (LMWAHs) mat nidderegem Molekulargewiicht, wéi Naphthalin an hir Derivater [Methylnaphthalin, Naphthosäure, Naphthalinsulfonat an 1-Naphthyl-N-Methylcarbamat (Carbaryl)], goufen vun der US Environmental Protection Agency als genotoxesch, mutagen an/oder karzinogen op d'Lëscht vun de prioritären organesche Schadstoffer opgeholl (Cerniglia, 1984). D'Verëffentlechung vun dëser Klass vun NM-PAHs an d'Ëmwelt kann zu enger Bioakkumulatioun vun dëse Verbindungen op allen Niveauen vun der Liewensmëttelkette féieren, wat d'Gesondheet vun den Ökosystemer beaflosst (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
D'Quellen a Weeër vu PAKen an d'Biota sinn haaptsächlech duerch Migratioun an Interaktiounen tëscht verschiddenen Ökosystemkomponenten wéi Buedem, Grondwaasser, Uewerflächewaasser, Kulturen an d'Atmosphär (Arey an Atkinson, 2003). Figur 1 weist d'Interaktiounen an d'Verdeelung vu verschiddene PAKen mat nidderegem Molekulargewiicht an Ökosystemer an hir Weeër zur Biota/mënschlecher Belaaschtung. PAKen ginn op Uewerflächen als Resultat vun der Loftverschmotzung an duerch d'Migratioun (Drift) vun Autosemissiounen, industriellen Ofgaser (Kuelevergasung, Verbrennung a Koksproduktioun) an hir Oflagerung ofgesat. Industriell Aktivitéiten wéi d'Produktioun vu syntheteschen Textilien, Faarfstoffer a Lacken; Holzkonservéierung; Gummiveraarbechtung; Zementproduktioun; Pestizidproduktioun; a landwirtschaftlech Uwendungen sinn Haaptquelle vu PAKen an terrestreschen an aquatesche Systemer (Bamforth a Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Studien hunn gewisen, datt Buedem a Banlieue- a Stiedgebidder, no bei Autobunnen a Groussstied méi ufälleg fir polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer (PAK) sinn, wéinst Emissioune vu Kraaftwierker, Wunnengsheizung, Loft- a Stroosseverkéiersbelaaschtung a Bauaktivitéiten (Suman et al., 2016). (2008) huet gewisen, datt PAK am Buedem no bei Stroossen zu New Orleans, Louisiana, USA bis zu 7189 μg/kg héich waren, während se an oppene Flächen nëmmen 2404 μg/kg waren. Ähnlech goufen PAK-Niveaue vu bis zu 300 μg/kg a Gebidder no bei Kuelegasifikatiounsplazen a verschiddene US-Stied gemellt (Kanaly an Harayama, 2000; Bamforth a Singleton, 2005). Et gouf bericht, datt Buedem aus verschiddenen indesche Stied wéi Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni a Venkataraman, 2000) a Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) héich Konzentratioune vu PAKen enthalen. Aromatesch Verbindunge gi méi einfach u Buedempartikelen, organesch Matière a Lehmmineralstoffer adsorbéiert a ginn doduerch zu wichtege Kuelestoffspäicher an den Ökosystemer (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Déi wichtegst Quelle vu PAKen an aquateschen Ökosystemer sinn Nidderschlag (naass/dréchen Nidderschlag a Waasserdamp), urbanen Oflaf, Ofwaasseroflaf, Grondwaasseropluedung etc. (Srogi, 2007). Et gëtt geschat, datt ongeféier 80% vun de PAKen a marine Ökosystemer aus Nidderschlag, Sedimentatioun an Ofwaasseroflaf stamen (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Méi héich Konzentratioune vu PAKen am Uewerflächewaasser oder Sickat vu Festmülldeponien lafen schlussendlech an d'Grondwaasser, wat eng grouss Gefor fir d'ëffentlech Gesondheet duerstellt, well méi wéi 70% vun der Bevëlkerung a Süd- a Südostasien Grondwaasser drénken (Duttagupta et al., 2019). Eng rezent Studie vum Duttagupta et al. (2020) iwwer Analysen vu Floss- (32) a Grondwaasser- (235) aus Westbengalen, Indien, huet festgestallt, datt geschätzte 53% vun den Awunner an der Stad a 44% vun de Awunner op dem Land (am Ganzen 20 Millioune Awunner) Naphthalin (4,9–10,6 μg/L) a senge Derivater ausgesat kënne sinn. Differenziell Landnotzungsmuster an eng erhéicht Grondwaasserentfernung gëllen als déi Haaptfaktoren, déi den vertikalen Transport (Advektioun) vu PAKen mat nidderegem Molekulargewiicht am Ënnergrond kontrolléieren. Et gouf festgestallt, datt landwirtschaftlech Ofwaasser, kommunal an industriell Ofwaasseroffäll, an Offäll/Mülloffäll duerch PAKen a Flossbecken an Ënnergrondsedimenter beaflosst sinn. Atmosphäresche Nidderschlag verschäerft d'PAH-Verschmotzung weider. Héich Konzentratioune vu PAKen an hiren Alkylderivater (am Ganzen 51) goufen a Flëss/Waasserscheede weltwäit gemellt, wéi zum Beispill de Fraser River, Louan River, Denso River, Missouri River, Anacostia River, Ebro River an Delaware River (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). An de Sedimenter vum Ganges-Baseng goufen Naphthalin a Phenanthren als déi bedeitendst festgestallt (a 70% vun de Prouwe festgestallt) (Duttagupta et al., 2019). Ausserdeem hunn Studien gewisen, datt d'Chloréierung vu Drénkwaasser zu der Bildung vu méi gëftege sauerstoffhaltege a chloréierte PAKen féiere kann (Manoli a Samara, 1999). PAKen accumuléiere sech a Getreide, Uebst a Geméis als Resultat vun der Opnam vu kontaminéierte Buedem, Grondwaasser a Nidderschlag duerch Planzen (Fismes et al., 2002). Vill Waasserorganismen wéi Fësch, Miesmuschelen, Muschelen a Garnelen gi mat PAKen duerch de Konsum vu kontaminéierte Liewensmëttel a Mierwaasser, souwéi duerch Gewëss a Haut kontaminéiert (Mackay a Fraser, 2000). Kach-/Veraarbechtungsmethoden wéi Grillen, Braten, Fëmmen, Frittéieren, Trocknen, Baken a Kachen mat Holzkuel kënnen och zu bedeitende Quantitéiten u PAKen a Liewensmëttel féieren. Dëst hänkt haaptsächlech vun der Wiel vum Fëmmermaterial, dem phenoleschen/aromatesche Kuelewaasserstoffgehalt, dem Kachprozedur, dem Heizungstyp, dem Fiichtegkeetsgehalt, der Sauerstoffversuergung an der Verbrennungstemperatur of (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer (PAKen) goufen och a Mëllech a verschiddene Konzentratioune (0,75–2,1 mg/L) festgestallt (Girelli et al., 2014). D'Akkumulatioun vun dëse PAKen a Liewensmëttel hänkt och vun de physikochemesche Eegeschafte vum Liewensmëttel of, während hir toxesch Effekter mat physiologesche Funktiounen, metabolescher Aktivitéit, Absorptioun, Verdeelung a Kierperverdeelung zesummenhänken (Mechini et al., 2011).
D'Toxizitéit an d'schiedlech Auswierkunge vu polyzykleschen aromatesche Kuelewaasserstoffer (PAK) si scho laang bekannt (Cherniglia, 1984). Polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer mat nidderegem Molekulargewiicht (LMW-PAK) (zwee bis dräi Réng) kënne kovalent un verschidde Makromoleküle wéi DNA, RNA a Proteine ​​bannen a si karzinogen (Santarelli et al., 2008). Wéinst hirer hydrophober Natur gi se duerch Lipidmembranen getrennt. Beim Mënsch oxidéieren Cytochrom P450 Monooxygenasen PAK zu Epoxiden, vun deenen e puer héich reaktiv sinn (z.B. Baediol-Epoxid) a kënnen zu der Transformatioun vun normalen Zellen a béisaarteg Zellen féieren (Marston et al., 2001). Zousätzlech sinn d'Transformatiounsprodukter vu PAKen, wéi Chinonen, Phenolen, Epoxiden, Diolen, etc., méi gëfteg wéi d'Ursprénglech Verbindungen. Verschidde PAHen an hir metabolesch Zwëschenprodukter kënnen d'Hormonen an verschidden Enzymer am Metabolismus beaflossen, wouduerch se sech negativ op d'Wuesstum, den Zentralnervensystem, d'Reproduktiouns- an d'Immunsystem auswierken (Swetha a Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Et gouf bericht, datt eng kuerzfristeg Belaaschtung duerch PAHen mat nidderegem Molekulargewiicht eng gestéiert Lungenfunktioun an Thrombose bei Asthmatiker verursaacht an de Risiko fir Haut-, Lungen-, Blasen- a Magen-Darm-Kräiz erhéicht (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Déierstudien hunn och gewisen, datt d'Belaaschtung duerch PAHen negativ Auswierkungen op d'Reproduktiounsfunktioun an d'Entwécklung kann hunn a Katarakt, Nieren- a Liewerschied a Geelsucht verursaache kann. Verschidde PAH-Biotransformatiounsprodukter wéi Diolen, Epoxiden, Chinonen a fräi Radikale (Kationen) bilden DNA-Addukter. Et gouf gewisen, datt stabil Addukter d'DNA-Replikatiounsmechanismus änneren, während onstabil Addukter d'DNA depurinéiere kënnen (haaptsächlech zu Adenin a heiansdo zu Guanin); béid kënne Feeler generéieren, déi zu Mutatioune féieren (Schweigert et al. 2001). Zousätzlech kënne Chinonen (Benzo-/Pan-) reaktiv Sauerstoffspezies (ROS) generéieren, wat fatale Schued un der DNA an aner Makromoleküle verursaacht a sou d'Gewebefunktioun/d'Liewensfäegkeet beaflosst (Ewa an Danuta 2017). Et gouf bericht, datt chronesch Belaaschtung duerch niddreg Konzentratioune vu Pyren, Biphenyl an Naphthalin bei Versuchsdéieren Kriibs verursaache kann (Diggs et al. 2012). Wéinst hirer déidlecher Toxizitéit ass d'Sanéierung/d'Entfernung vun dëse PAKen aus betraffenen/kontaminéierte Plazen eng Prioritéit.
Verschidde physikalesch a chemesch Methode goufe benotzt fir PAKen aus kontaminéierte Plazen/Ëmwelten ze entfernen. Prozesser wéi Verbrennung, Dechloréierung, UV-Oxidatioun, Fixatioun an Léisungsmëttelextraktioun hunn vill Nodeeler, dorënner d'Bildung vu gëftege Nieweprodukter, Prozesskomplexitéit, Sécherheets- a Reguléierungsproblemer, niddreg Effizienz an héich Käschten. Wéi och ëmmer, mikrobiell Biodegradatioun (genannt Bioremediatioun) ass eng villverspriechend alternativ Approche, déi d'Benotzung vu Mikroorganismen a Form vu Reinkulturen oder Kolonien involvéiert. Am Verglach mat physikaleschen a chemesche Methoden ass dëse Prozess ëmweltfrëndlech, net-invasiv, käschtegënschteg an nohalteg. Bioremediatioun kann op der betraffener Plaz (in situ) oder op enger speziell virbereeter Plaz (ex situ) duerchgefouert ginn a gëtt dofir als eng méi nohalteg Sanéierungsmethod ugesinn wéi traditionell physikalesch a chemesch Methoden (Juhasz an Naidu, 2000; Andreoni a Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
D'Verständnis vun de mikrobiellen Metabolismusschrëtt, déi beim Ofbau vun aromatesche Schadstoffer involvéiert sinn, huet enorm wëssenschaftlech an ekonomesch Implikatioune fir d'ekologesch an ökologesch Nohaltegkeet. Geschätzte 2,1×1018 Gramm Kuelestoff (C) ginn a Sedimenter an organesche Verbindungen (z.B. Ueleg, Äerdgas a Kuel, d.h. fossile Brennstoffer) weltwäit gespäichert, wat e wesentleche Bäitrag zum globale Kuelestoffzyklus leeschtet. Wéi och ëmmer, déi séier Industrialiséierung, d'Extraktioun vu fossile Brennstoffer a mënschlech Aktivitéite reduzéieren dës lithosphäresch Kuelestoffreservoiren, wouduerch all Joer geschätzte 5,5×1015 g organesche Kuelestoff (als Schadstoffer) an d'Atmosphär fräigesat ginn (Gonzalez-Gaya et al., 2019). De gréissten Deel vun dësem organesche Kuelestoff kënnt duerch Sedimentatioun, Transport an Oflaf an d'terrestresch an d'marin Ökosystemer. Zousätzlech verschmotzen nei synthetesch Schadstoffer, déi aus fossile Brennstoffer ofgeleet sinn, wéi Plastik, Weichmacher a Plastikstabilisatoren (Phtalater an hir Isomeren), d'marin, d'buedem an d'aquatesch Ökosystemer an hir Biota eescht, wouduerch déi global Klimarisiken verschäerft ginn. Verschidden Aarte vu Mikroplastik, Nanoplastik, Plastikfragmenter an hir gëfteg Monomerprodukter, déi aus Polyethylenterephthalat (PET) gewonnen ginn, hunn sech am Pazifeschen Ozean tëscht Nordamerika a Südostasien ugesammelt a sou de "Grousse Pazifesche Müllfleesch" geformt, deen dem Mieresliewen schued (Newell et al., 2020). Wëssenschaftlech Studien hunn bewisen, datt et net méiglech ass, sou Schadstoffer/Offall duerch physikalesch oder chemesch Methoden ze entfernen. An dësem Kontext sinn déi nëtzlechst Mikroorganismen déi, déi fäeg sinn, Schadstoffer oxidativ a Kuelendioxid, chemesch Energie an aner net-gëfteg Nieweprodukter ëmzewandelen, déi schlussendlech an aner Nährstoffzyklusprozesser agoen (H2, O2, N2, S2, P2, Fe2, etc.). Dofir ass d'Verständnis vun der mikrobieller Ökophysiologie vun der Mineraliséierung vun aromatesche Schadstoffer an hirer Ëmweltkontroll entscheedend fir de mikrobielle Kuelestoffzyklus, den Netto-Kuelestoffbudget an déi zukünfteg Klimarisiken ze bewäerten. Wéinst dem dréngende Besoin, sou Verbindungen aus der Ëmwelt ze entfernen, sinn verschidden Ökoindustrien entstanen, déi sech op propper Technologien konzentréieren. Alternativ gëllt d'Valoriséierung vun Industrieoffäll/Offallchemikalien, déi an Ökosystemer accumuléiert sinn (dh d'Approche "Offall zu Räichtum") als ee vun de Piliere vun der Kreeslafwirtschaft an den Ziler vun der nohalteger Entwécklung (Close et al., 2012). Dofir ass d'Verständnis vun de metaboleschen, enzymateschen a geneteschen Aspekter vun dëse potenziellen Ofbaukandidaten vun ieweschter Wichtegkeet fir déi effektiv Entfernung a Bioremediatioun vun esou aromatesche Schadstoffer.
Ënnert de ville aromatesche Schadstoffer leeë mir besonnesch Opmierksamkeet op PAKen mat nidderegem Molekulargewiicht, wéi Naphthalin an substituéiert Naphthalinen. Dës Verbindunge si wichteg Komponente vu Brennstoffer aus Pëtrol, Textilfaarwen, Konsumgidder, Pestiziden (Mottekugelen an Insekteschutzmëttel), Weichmacher a Gerbstoffer a si dofir a ville Ökosystemer wäit verbreet (Preuss et al., 2003). Rezent Rapporte beliichten d'Akkumulatioun vun Naphthalinkonzentratiounen a Waasserbasissedimenter, Grondwaasser a Buedem, Vadosezonen a Flossbetter, wat op seng Bioakkumulatioun an der Ëmwelt hiweist (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabelle 2 resüméiert déi physikochemesch Eegeschaften, Uwendungen a Gesondheetsauswierkunge vun Naphthalin a senge Derivater. Am Verglach mat anere PAKen mat héijem Molekulargewiicht si Naphthalin a seng Derivater manner hydrophob, méi waasserléislech a wäit verbreet an Ökosystemer, sou datt se dacks als Modellsubstrater benotzt gi fir de Metabolismus, d'Genetik an d'metabolesch Diversitéit vu PAKen ze studéieren. Eng grouss Zuel vu Mikroorganismen ass fäeg Naphthalin a seng Derivater ze metaboliséieren, an et gëtt ëmfaassend Informatioune iwwer hir Stoffwiesselweeër, Enzymer a Reguléierungseigenschaften (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Zousätzlech ginn Naphthalin a seng Derivater als Prototypverbindunge fir d'Bewäertung vun der Ëmweltverschmotzung bezeechent wéinst hirer héijer Heefegkeet a Bioverfügbarkeet. D'US Environmental Protection Agency schätzt, datt den duerchschnëttleche Niveau vun Naphthalin 5,19 μg pro Kubikmeter aus Zigarettenrauch sinn, haaptsächlech aus onvollstänneger Verbrennung, a 7,8 bis 46 μg aus Niewestroumrauch, während d'Beliichtung mat Kreosot an Naphthalin 100 bis 10.000 Mol méi héich ass (Preuss et al. 2003). Naphthalin huet besonnesch eng spezifesch Atmungstoxizitéit a Karzinogenitéit op Basis vun Déierenstudien festgestallt. D'International Agency for Research on Cancer (IARC) huet Naphthalin als "méigleche mënschleche Karzinogen" (Grupp 2B)1 klasséiert. D'Beliichtung mat substituéierten Naphthalinen, haaptsächlech duerch Inhalatioun oder parenteral (oral) Verabreichung, verursaacht Verletzunge vum Longegewebe a erhéicht d'Inzidenz vu Longentumoren bei Ratten a Mais (National Toxicology Program 2). Akut Effekter enthalen Iwwelzegkeet, Erbrechung, Bauchschmerzen, Duerchfall, Kappwéi, Verwirrung, staarkt Schweessen, Féiwer, Tachykardie, etc. Op der anerer Säit gouf bericht, datt den Insektizid Carbamat mat engem breede Spektrum fir Waasserwirbeldéieren, Amphibien, Hunnegbienen a Mënschen gëfteg ass an et gouf gewisen, datt en d'Acetylcholinesterase hemmt a sou eng Lähmung verursaacht (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). Dofir ass d'Verständnis vun de Mechanismen vum mikrobiellen Ofbau, der genetescher Reguléierung, den enzymateschen a zelluläre Reaktiounen entscheedend fir d'Entwécklung vu Bioremediatiounsstrategien a kontaminéierten Ëmfeld.
Tabelle 2. Detailéiert Informatiounen iwwer déi physikochemesch Eegeschaften, Uwendungen, Identifikatiounsmethoden a verbonne Krankheeten vun Naphthalin a senge Derivater.
An verschmotzten Nischen kënnen hydrophobesch a lipophil aromatesch Schadstoffer eng Villfalt vun zelluläre Effekter op d'Ëmweltmikrobiom (Gemeinschaft) verursaachen, wéi Ännerungen an der Membranfluiditéit, Membranpermeabilitéit, Lipid-Doppelschicht-Schwellung, Stéierung vum Energietransfer (Elektronetransportkette/Protonenmotivkraaft) an Aktivitéit vu membranassoziéierte Proteinen (Sikkema et al., 1995). Zousätzlech generéieren e puer löslech Zwëschenprodukter wéi Katecholen a Chinonen reaktiv Sauerstoffspezies (ROS) a bilden Addukter mat DNA a Proteinen (Penning et al., 1999). Dofir übt d'Heefegkeet vun esou Verbindungen an Ökosystemer selektiven Drock op mikrobiell Gemeinschaften aus, fir effizient Degradateuren op verschiddene physiologeschen Niveauen ze ginn, dorënner Opnam/Transport, intrazellulär Transformatioun, Assimilatioun/Notzung a Kompartimentéierung.
Eng Sich am Ribosomal Database Project-II (RDP-II) huet erginn, datt insgesamt 926 Bakterienaarten aus Medien oder Anreicherungskulturen isoléiert goufen, déi mat Naphthalin oder senge Derivater kontaminéiert waren. D'Proteobacteria-Grupp hat déi héchst Zuel u Vertrieder (n = 755), gefollegt vu Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) an onklassifizéierte Bakterien (8) (Figur 2). Vertrieder vu γ-Proteobacteria (Pseudomonadales an Xanthomonadales) hunn all gramnegativ Gruppen mat héijem G+C-Gehalt (54%) dominéiert, während Clostridiales a Bacillales (30%) grampositiv Gruppen mat nidderegem G+C-Gehalt waren. Pseudomonas (déi héchst Zuel, 338 Aarten) gouf als fäeg gemellt Naphthalin a seng Methylderivater a verschiddene verschmotzten Ökosystemer (Kueleteer, Pëtrol, Réiueleg, Schlamm, Uelegverschmotzungen, Ofwaasser, organeschen Offall an Deponien) souwéi an intakten Ökosystemer (Buedem, Flëss, Sedimenter a Grondwaasser) ofzebauen (Figur 2). Ausserdeem hunn Anreicherungsstudien a metagenomesch Analysen vun e puer vun dëse Regiounen opgedeckt, datt net kultivéiert Legionella- a Clostridium-Aarten eng ofbauend Kapazitéit kéinte hunn, wat drop hiweist, datt dës Bakterien kultivéiert musse ginn, fir nei Weeër an d'metabolesch Diversitéit ze studéieren.
Abb. 2. Taxonomesch Diversitéit an ekologesch Verdeelung vu bakterielle Vertrieder an Ëmfeld, déi mat Naphthalin an Naphthalinderivater kontaminéiert sinn.
Ënnert de verschiddene Mikroorganismen, déi aromatesch Kuelewaasserstoff ofbauen, sinn déi meescht fäeg, Naphthalin als eenzeg Quell vu Kuelestoff an Energie ofzebauen. D'Oflaf vun den Eventer, déi am Naphthalin-Metabolismus involvéiert sinn, gouf fir Pseudomonas sp. beschriwwen. (Stämm: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 an CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 an aner Stämm (ND6 an AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis an Zylstra, 2004; Sota et al., 2006); De Metabolismus gëtt duerch eng Multikomponent-Dioxygenase [Naphthalendioxygenase (NDO), eng Ringhydroxyléierend Dioxygenase] initiéiert, déi d'Oxidatioun vun engem vun den aromatesche Réng vum Naphthalin katalyséiert andeems molekulare Sauerstoff als anert Substrat benotzt gëtt, wouduerch Naphthalin a Cis-Naphthalendiol ëmgewandelt gëtt (Figur 3). Cis-Dihydrodiol gëtt duerch e ... an 1,2-Dihydroxynaphthalin ëmgewandelt. Dehydrogenase. Eng réngspaltend Dioxygenase, 1,2-Dihydroxynaphthalendioxygenase (12DHNDO), konvertéiert 1,2-Dihydroxynaphthalin an 2-Hydroxychromen-2-carboxylsäure. Enzymatesch Cis-Trans-Isomeriséierung produzéiert Trans-o-Hydroxybenzylidenpyruvat, dat vun der Hydratase-Aldolase an Salicylaldehyd a Pyruvat gespalten gëtt. D'organesch Säurepyruvat war déi éischt C3-Verbindung, déi vum Naphthalin-Kuelestoffskelett ofgeleet an an de zentralen Kuelestoffwee geleet gouf. Zousätzlech konvertéiert NAD+-ofhängeg Salicylaldehyd-Dehydrogenase Salicylaldehyd an Salicylsäure. De Metabolismus an dëser Phas gëtt den "ieweschte Wee" vum Naphthalin-Ofbau genannt. Dëse Wee ass ganz heefeg bei de meeschte Naphthalin-ofbauende Bakterien. Wéi och ëmmer, et gëtt e puer Ausnamen; zum Beispill, am thermophile Bacillus hamburgii 2 gëtt den Naphthalin-Ofbau vun der Naphthalin-2,3-Dioxygenase initiéiert fir Form 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000).
Figur 3. Weeër vun der Ofbau vun Naphthalin, Methylnaphthalin, Naphthoesäure a Carbaryl. Déi agekreest Zuelen representéieren Enzymer, déi fir déi sequentiell Ëmwandlung vun Naphthalin a senge Derivater a spéider Produkter verantwortlech sinn. 1 — Naphthalindioxygenase (NDO); 2, cis-Dihydrodioldehydrogenase; 3, 1,2-Dihydroxynaphthalindioxygenase; 4, 2-Hydroxychromen-2-carboxylsäureisomerase; 5, trans-O-hydroxybenzylidenpyruvathydratase-Aldolase; 6, Salicylaldehyddehydrogenase; 7, Salicylat-1-Hydroxylase; 8, Catechol-2,3-Dioxygenase (C23DO); 9, 2-Hydroxymuconat-Semialdehyddehydrogenase; 10, 2-Oxopent-4-enoathydratase; 11, 4-Hydroxy-2-Oxopentanoat-Aldolase; 12, Acetaldehyddehydrogenase; 13, Katechol-1,2-Dioxygenase (C12DO); 14, Muconat-Cycloisomerase; 15, Muconolakton-Delta-Isomerase; 16, β-Ketoadipatenolaktonhydrolase; 17, β-Ketoadipat-Succinyl-CoA-Transferase; 18, β-Ketoadipat-CoA-Thiolase; 19, Succinyl-CoA: Acetyl-CoA-Succinyltransferase; 20, Salicylat-5-Hydroxylase; 21 – Gentisat-1,2-Dioxygenase (GDO); 22, Maleylpyruvat-Isomerase; 23, Fumarylpyruvat-Hydroxylase; 24, Methylnaphthalenhydroxylase (NDO); 25, Hydroxymethylnaphthalendehydrogenase; 26, Naphthaldehyddehydrogenase; 27, 3-Formylsalicylsäureoxidase; 28, Hydroxyizophthalatdecarboxylase; 29, Carbarylhydrolase (CH); 30, 1-Naphthol-2-hydroxylase.
Jee no Organismus a senger genetescher Zesummesetzung gëtt déi resultéierend Salicylsäure weider metaboliséiert entweder iwwer de Katecholwee mat Salicylat-1-Hydroxylase (S1H) oder iwwer de Gentisatwee mat Salicylat-5-Hydroxylase (S5H) (Figur 3). Well Salicylsäure den Haaptintermediären am Naphthalinmetabolismus ass (ieweschte Wee), ginn d'Schrëtt vun der Salicylsäure bis zum TCA-Intermediären dacks als den ënneschte Wee bezeechent, an d'Genen sinn an engem eenzegen Operon organiséiert. Et ass üblech ze gesinn, datt d'Genen am ieweschte Wee-Operon (nah) an am ënneschte Wee-Operon (sal) duerch gemeinsam Reguléierungsfaktoren geregelt ginn; zum Beispill handelen NahR a Salicylsäure als Induktoren, sou datt béid Operonen Naphthalin komplett metaboliséiere kënnen (Phale et al., 2019, 2020).
Zousätzlech gëtt Catechol zyklisch iwwer de Meta-Wee vun der Catechol-2,3-Dioxygenase (C23DO) zu 2-Hydroxymuconat-Semialdehyd gespalten (Yen et al., 1988) a weider vun der 2-Hydroxymuconat-Semialdehyd-Hydrolase hydrolyséiert fir 2-Hydroxypent-2,4-diensäure ze bilden. 2-Hydroxypent-2,4-dienoat gëtt dann duerch eng Hydratase (2-Oxopent-4-enoat-Hydratase) an eng Aldolase (4-Hydroxy-2-Oxopentanoat-Aldolase) a Pyruvat an Acetaldehyd ëmgewandelt an trëtt dann an de zentralen Kuelestoffwee an (Figur 3). Alternativ gëtt Catechol zyklisch iwwer den Ortho-Wee vun der Catechol-1,2-Oxygenase (C12DO) zu cis,cis-Muconat gespalten. Muconat-Cycloisomerase, Muconolactonisomerase a β-Ketoadipat-Nollactonhydrolase konvertéieren cis,cis-Muconat an 3-Oxoadipat, dat iwwer Succinyl-CoA an Acetyl-CoA an den zentralen Kuelestoffwee kënnt (Nozaki et al., 1968) (Figur 3).
Am Gentisat (2,5-Dihydroxybenzoat)-Wee gëtt den aromatesche Rank vun der Gentisat-1,2-Dioxygenase (GDO) gespalten, fir Maleylpyruvat ze bilden. Dëst Produkt kann direkt zu Pyruvat a Malat hydrolyséiert ginn, oder et kann isomeriséiert ginn, fir Fumarylpyruvat ze bilden, dat dann zu Pyruvat a Fumarat hydrolyséiert ka ginn (Larkin an Day, 1986). D'Wiel vum alternativen Wee gouf souwuel bei gramnegativen wéi och bei grampositive Bakterien op biocheemeschen a geneteschen Niveauen observéiert (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Gramnegativ Bakterien (Pseudomonas) léiwer Salicylsäure ze benotzen, déi en Induktiv vum Naphthalin-Metabolismus ass, andeems se se mat Salicylat-1-Hydroxylase zu Katechol decarboxyléieren (Gibson a Subramanian, 1984). Op der anerer Säit konvertéiert Salicylat-5-Hydroxylase bei grampositive Bakterien (Rhodococcus) Salicylsäure a Gentisinsäure, während Salicylsäure keen induktiven Effekt op d'Transkriptioun vun Naphthalin-Genen huet (Grund et al., 1992) (Figur 3).
Et gouf bericht, datt Aarte wéi Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas a Mycobacterium Aarte Monomethylnaphthalen oder Dimethylnaphthalen ofbaue kënnen (Dean-Raymond a Bartha, 1975; Cane a Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Dorënner ass den 1-Methylnaphthalen- an 2-Methylnaphthalen-Ofbauwee vu Pseudomonas sp. CSV86 kloer op biocheemeschen an enzymateschen Niveauen ënnersicht ginn (Mahajan et al., 1994). 1-Methylnaphthalen gëtt iwwer zwéi Weeër metaboliséiert. Fir d'éischt gëtt den aromatesche Rank hydroxyléiert (den onsubstituéierte Rank vu Methylnaphthalen) fir cis-1,2-Dihydroxy-1,2-Dihydro-8-methylnaphthalen ze bilden, deen weider zu Methylsalicylat a Methylcatechol oxidéiert gëtt, an dann no der Rankspaltung an de zentralen Kuelestoffwee kënnt (Figur 3). Dëse Wee gëtt de "Kuelestoffquellwee" genannt. Am zweete "Entgiftungswee" kann d'Methylgrupp duerch NDO hydroxyléiert ginn fir 1-Hydroxymethylnaphthalen ze bilden, deen weider zu 1-Naphthoesäure oxidéiert gëtt an als Sackgasprodukt an d'Kulturmedium ausgeschloss gëtt. Studien hunn gewisen, datt de Stamm CSV86 net fäeg ass op 1- an 2-Naphthoesäure als eenzeg Kuelestoff- an Energiequell ze wuessen, wat säin Entgiftungswee bestätegt (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Am 2-Methylnaphthalen gëtt d'Methylgrupp duerch Hydroxylatioun duerch Hydroxylase ënnerworf fir 2-Hydroxymethylnaphthalen ze bilden. Zousätzlech gëtt den onsubstituéierte Rank vum Naphthalinrank enger Rankhydroxyléierung ënnerworf, fir en Dihydrodiol ze bilden, deen an enger Serie vun enzymkatalyséierte Reaktiounen zu 4-Hydroxymethylcatechol oxidéiert gëtt an iwwer de Meta-Ring-Spaltungswee an de zentralen Kuelestoffwee kënnt. Ähnlech gouf bericht, datt S. paucimobilis 2322 NDO benotzt fir 2-Methylnaphthalin ze hydroxyléieren, wat weider oxidéiert gëtt fir Methylsalicylat a Methylcatechol ze bilden (Dutta et al., 1998).
Naphthoesäuren (substituéiert/onsubstituéiert) sinn Entgiftungs-/Biotransformatiounsnebenprodukter, déi beim Ofbau vu Methylnaphthalin, Phenanthren an Anthracen entstinn an an dat verbraucht Kulturmedium fräigesat ginn. Et gouf bericht, datt de Buedemisolat Stenotrophomonas maltophilia CSV89 fäeg ass, 1-Naphthoesäure als Kuelestoffquell ze metaboliséieren (Phale et al., 1995). De Metabolismus fänkt mat der Dihydroxyléierung vum aromatesche Rank un, fir 1,2-Dihydroxy-8-carboxynaphthalin ze bilden. Den resultéierende Diol gëtt iwwer 2-Hydroxy-3-carboxybenzylidenpyruvat, 3-Formylsalicylsäure, 2-Hydroxyisophthalsäure a Salicylsäure zu Katechol oxidéiert an trëtt iwwer de Meta-Ring-Spaltungswee an de zentralen Kuelestoffwee an (Figur 3).
Carbaryl ass e Pestizid aus Naphthylcarbamat. Zënter der Grénger Revolutioun an Indien an den 1970er Joren huet d'Benotzung vu chemeschen Dünger a Pestiziden zu enger Erhéijung vun den Emissioune vu polyzykleschen aromatesche Kuelewaasserstoffer (PAK) aus landwirtschaftleche Net-Punktquellen gefouert (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Schätzungsweis 55% (85.722.000 Hektar) vun der gesamter Akerland an Indien gëtt mat chemesche Pestiziden behandelt. An de leschte fënnef Joer (2015-2020) huet den indeschen Landwirtschaftssecteur am Duerchschnëtt 55.000 bis 60.000 Tonnen Pestiziden all Joer verbraucht (Department of Cooperatives and Farmers Welfare, Ministry of Agriculture, Government of India, August 2020). An de nërdlechen a zentralen Gangetic Plains (de Staaten mat der héchster Bevëlkerung an der Bevëlkerungsdicht) ass d'Benotzung vu Pestiziden op Kulturen wäit verbreet, mat Insektiziden déi dominéieren. Carbaryl (1-Naphthyl-N-methylcarbamat) ass en Insektizid mat engem breede Spektrum u mëttelméisseg bis héich gëftegen Carbamat, deen an der indescher Landwirtschaft mat enger duerchschnëttlecher Quantitéit vun 100–110 Tonnen agesat gëtt. Et gëtt allgemeng ënner dem Handelsnumm Sevin verkaaft a gëtt benotzt fir Insekten (Läis, Feierameisen, Flou, Milben, Spannen a vill aner Schädlinge am Fräien) ze bekämpfen, déi eng Vielfalt vu Kulturen (Mais, Sojabounen, Kotteng, Uebst a Geméis) betreffen. E puer Mikroorganismen wéi Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus an Arthrobacter kënnen och benotzt ginn fir aner Schädlinge ze bekämpfen. Et gouf berichtéiert, datt RC100 Carbaryl ofbaue kann (Larkin an Day, 1986; Chapalamadugu a Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha a Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). De Ofbauwee vu Carbaryl gouf extensiv op biocheemeschen, enzymateschen a geneteschen Niveauen a Buedemisolaten vu Pseudomonas sp. Stämm C4, C5 a C6 ënnersicht (Swetha a Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Fig. 3). De metabolesche Wee fänkt mat der Hydrolyse vun der Esterbindung duerch Carbarylhydrolase (CH4) un, fir 1-Naphthol, Methylamin a Kuelendioxid ze bilden. 1-Naphthol gëtt dann duerch 1-Naphtholhydroxylase (1-NH) an 1,2-Dihydroxynaphthalen ëmgewandelt, wat weider iwwer de zentralen Kuelestoffwee iwwer Salicylat a Gentisat metaboliséiert gëtt. Et gouf bericht, datt e puer Carbaryl-ofbauend Bakterien et iwwer d'Spaltung vum Catechol-Ortho-Ring zu Salicylsäure metaboliséieren (Larkin an Day, 1986; Chapalamadugu a Chaudhry, 1991). Bemierkenswäert ass, datt Naphthalen-ofbauend Bakterien haaptsächlech Salicylsäure iwwer Catechol metaboliséieren, während Carbaryl-ofbauend Bakterien léiwer Salicylsäure iwwer de Gentisatwee metaboliséieren.
Naphthalinsulfonsäure/Disulfonsäure an Naphthylaminsulfonsäurederivater kënnen als Zwëschenprodukter bei der Produktioun vun Azofaarbstoffer, Befeuchtungsmëttel, Dispergéierungsmëttel, etc. benotzt ginn. Obwuel dës Verbindungen eng niddreg Toxizitéit fir de Mënsch hunn, hunn Zytotoxizitéitsstudien gewisen, datt se fir Fësch, Daphnien an Algen fatal sinn (Greim et al., 1994). Et gouf bericht, datt Vertrieder vun der Gattung Pseudomonas (Stämm A3, C22) de Metabolismus duerch duebel Hydroxyléierung vum aromatesche Rank, deen d'Sulfonsäuregrupp enthält, initiéieren, fir en Dihydrodiol ze bilden, deen duerch spontan Spaltung vun der Sulfitgrupp weider an 1,2-Dihydroxynaphthalen ëmgewandelt gëtt (Brilon et al., 1981). Den resultéierenden 1,2-Dihydroxynaphthalen gëtt iwwer de klassesche Naphthalen-Wee, also de Katechol- oder Gentisat-Wee, kataboliséiert (Figur 4). Et gouf gewisen, datt Aminonaphthalensulfonsäure an Hydroxynaphthalensulfonsäure komplett duerch gemëschte bakteriell Konsortien mat komplementäre katabolesche Weeër ofgebaut kënne ginn (Nortemann et al., 1986). Et gouf gewisen, datt ee Member vum Konsortium Aminonaphthalensulfonsäure oder Hydroxynaphthalensulfonsäure duerch 1,2-Dioxygenéierung entschwefelt, während Aminosalicylat oder Hydroxysalicylat als Sackgasmetabolit an d'Kulturmedium fräigesat gëtt an duerno vun anere Memberen vum Konsortium opgeholl gëtt. Naphthalendisulfonsäure ass relativ polar, awer schlecht biologesch ofbaubar a kann dofir iwwer verschidde Weeër metaboliséiert ginn. Déi éischt Entschwefelung geschitt während der regioselektiver Dihydroxyléierung vum aromatesche Rank an der Sulfonsäuregrupp; Déi zweet Entschwefelung geschitt während der Hydroxyléierung vu 5-Sulfosalicylsäure duerch Salicylsäure-5-Hydroxylase fir Gentisinsäure ze bilden, déi an de zentralen Kuelestoffwee antrëtt (Brilon et al., 1981) (Figur 4). D'Enzymer, déi fir den Naphthalin-Degradatioun verantwortlech sinn, sinn och verantwortlech fir den Naphthalinsulfonat-Metabolismus (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Figur 4. Metabolesch Weeër fir den Ofbau vun Naphthalensulfonat. D'Zuelen an de Kreesser representéieren d'Enzymer, déi fir den Naphthylsulfonatmetabolismus verantwortlech sinn, ähnlech/identesch mat den Enzymer, déi an der FIG. 3 beschriwwe sinn.
PAKen mat nidderegem Molekulargewiicht (LMW-PAKen) si reduzéierbar, hydrophob a schlecht léislech, an dofir net ufälleg fir natierlechen Ofbau/Degradatioun. Aerob Mikroorganismen kënnen se awer oxidéieren andeems se molekulare Sauerstoff (O2) absorbéieren. Dës Enzyme gehéieren haaptsächlech zu der Klass vun den Oxidoreduktasen a kënnen ënnerschiddlech Reaktiounen ausféieren, wéi z. B. aromatesch Ringhydroxylierung (Mono- oder Dihydroxylierung), Dehydrogenierung an aromatesch Ringspaltung. D'Produkter, déi aus dëse Reaktiounen entstinn, sinn an engem méi héijen Oxidatiounszoustand a gi méi einfach iwwer de zentralen Kuelestoffwee metaboliséiert (Phale et al., 2020). Et gouf bericht, datt d'Enzyme am Degradatiounswee induzéierbar sinn. D'Aktivitéit vun dësen Enzyme ass ganz niddreg oder vernoléissegbar, wann Zellen op einfache Kuelestoffquellen wéi Glukos oder organesche Saieren ugebaut ginn. Tabelle 3 resüméiert déi verschidden Enzyme (Oxygenasen, Hydrolasen, Dehydrogenasen, Oxidasen, etc.), déi um Metabolismus vun Naphthalin a senge Derivater bedeelegt sinn.
Tabelle 3. Biochemesch Charakteristike vun Enzymen, déi fir den Ofbau vun Naphthalin a senge Derivater verantwortlech sinn.
Radioisotopstudien (18O2) hunn gewisen, datt d'Integratioun vu molekularem O2 an aromatesch Réng duerch Oxygenasen de wichtegste Schrëtt fir d'weider Biodegradatioun vun enger Verbindung ze aktivéieren ass (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). D'Integratioun vun engem Sauerstoffatom (O) aus molekularem Sauerstoff (O2) an de Substrat gëtt entweder duerch endogen oder exogen Monooxygenasen (och Hydroxylasen genannt) initiéiert. En anert Sauerstoffatom gëtt zu Waasser reduzéiert. Exogen Monooxygenasen reduzéieren Flavin mat NADH oder NADPH, während an Endomonooxygenasen Flavin vum Substrat reduzéiert gëtt. D'Positioun vun der Hydroxyléierung féiert zu enger Diversitéit an der Produktbildung. Zum Beispill hydroxyléiert Salicylat-1-Hydroxylase Salicylsäure op der C1-Positioun a bildt Katechol. Op der anerer Säit hydroxyléiert d'Multikomponent-Salicylat-5-Hydroxylase (mat Reduktase-, Ferredoxin- an Oxygenase-Ënnereenheeten) Salicylsäure op der C5-Positioun a bildt Gentisinsäure (Yamamoto et al., 1965).
Dioxygenasen integréieren zwéi O2-Atomer an de Substrat. Jee no de geformte Produkter gi se a Ringhydroxyléierend Dioxygenasen a Ringspaltungsdioxygenasen opgedeelt. Ringhydroxyléierend Dioxygenasen konvertéieren aromatesch Substrater a Cis-Dihydrodiole (z. B. Naphthalin) a si wäit verbreet bei Bakterien. Bis elo gouf gewisen, datt Organismen, déi Ringhydroxyléierend Dioxygenasen enthalen, fäeg sinn, op verschiddenen aromatesche Kuelestoffquellen ze wuessen, an dës Enzyme gi klasséiert als NDO (Naphthalin), Toluoldioxygenase (TDO, Toluol) a Biphenyldioxygenase (BPDO, Biphenyl). Souwuel NDO wéi och BPDO kënnen d'Duebeloxidatioun an d'Säitekettenhydroxyléierung vu verschiddene polyzykleschen aromatesche Kuelewaasserstoffer (Toluol, Nitrotoluol, Xylol, Ethylbenzol, Naphthalen, Biphenyl, Fluoren, Indol, Methylnaphthalen, Naphthalensulfonat, Phenanthren, Anthracen, Acetophenon, etc.) katalyséieren (Boyd a Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO ass e Multikomponentesystem, dat aus enger Oxidoreduktase, engem Ferredoxin an enger Oxygenase-Komponent mat engem aktiven Zentrum besteet (Gibson a Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Déi katalytesch Eenheet vun NDO besteet aus enger grousser α-Ënnereenheet an enger klenger β-Ënnereenheet, déi an enger α3β3-Konfiguratioun arrangéiert sinn. NDO gehéiert zu enger grousser Famill vun Oxygenasen a seng α-Ënnereenheet enthält e Rieske-Stand [2Fe-2S] an e mononukleart Non-Häm-Eisen, wat d'Substratspezifizitéit vun NDO bestëmmt (Parales et al., 1998). Typesch ginn an engem katalytesche Zyklus zwou Elektronen aus der Reduktioun vum Pyridinnukleotid iwwer eng Reduktase, e Ferredoxin an e Rieske-Stand op den Fe(II)-Ion am aktiven Stand transferéiert. Déi reduzéierend Äquivalente aktivéieren molekulare Sauerstoff, wat eng Viraussetzung fir d'Substratdihydroxyléierung ass (Ferraro et al., 2005). Bis elo goufen nëmmen e puer NDOen aus verschiddene Stämm gereinegt a detailléiert charakteriséiert an d'genetesch Kontroll vun de Weeër, déi an der Naphthalin-Degradatioun involvéiert sinn, gouf detailléiert ënnersicht (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Réngspaltend Dioxygenasen (Endo- oder Ortho-Réngspaltend Enzymer an Exodiol- oder Meta-Réngspaltend Enzymer) wierken op hydroxyléiert aromatesch Verbindungen. Zum Beispill ass déi Ortho-Réngspaltend Dioxygenase Catechol-1,2-Dioxygenase, während déi Meta-Réngspaltend Dioxygenase Catechol-2,3-Dioxygenase ass (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Nieft verschiddenen Oxygenasen gëtt et och verschidden Dehydrogenasen, déi fir d'Dehydrogenéierung vun aromateschen Dihydrodiolen, Alkoholen an Aldehyden verantwortlech sinn a NAD+/NADP+ als Elektroneakzeptoren benotzen, déi zu de wichtegen Enzymer gehéieren, déi um Metabolismus bedeelegt sinn (Gibson a Subramanian, 1984; Shaw an Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Enzymer wéi Hydrolasen (Esterasen, Amidasen) sinn eng zweet wichteg Klass vun Enzymen, déi Waasser benotze fir kovalent Bindungen ze spalten an eng breet Substratspezifizitéit weisen. Carbarylhydrolase an aner Hydrolasen ginn als Komponenten vum Periplasma (Transmembran) a Membere vu gramnegativen Bakterien ugesinn (Kamini et al., 2018). Carbaryl huet souwuel eng Amid- wéi och eng Esterbindung; dofir kann et entweder duerch Esterase oder Amidase hydrolyséiert ginn, fir 1-Naphthol ze bilden. Carbaryl am Rhizobium rhizobium Stamm AC10023 an dem Arthrobacter Stamm RC100 funktionéiert als Esterase respektiv Amidase. Carbaryl am Arthrobacter Stamm RC100 funktionéiert och als Amidase. Et gouf gewisen, datt RC100 véier Insektiziden aus der N-Methylcarbamat-Klass hydrolyséiert, wéi Carbaryl, Methomyl, Mefenaminsäure an XMC (Hayaatsu et al., 2001). Et gouf berichtéiert, datt CH a Pseudomonas sp. C5pp op Carbaryl (100% Aktivitéit) an 1-Naphthylacetat (36% Aktivitéit) wierke kann, awer net op 1-Naphthylacetamid, wat drop hiweist, datt et sech ëm eng Esterase handelt (Trivedi et al., 2016).
Biochemesch Studien, Enzymreguléierungsmuster a genetesch Analysen hunn gewisen, datt d'Naphthalin-Degradatiounsgenen aus zwou induzéierbaren Reguléierungseenheeten oder "Operonen" bestinn: nah (den "Upstream-Wee", deen Naphthalin a Salicylsäure ëmwandelt) a sal (den "Downstream-Wee", deen Salicylsäure iwwer Katechol an de zentralen Kuelestoffwee ëmwandelt). Salicylsäure a seng Analoga kënnen als Induktoren handelen (Shamsuzzaman a Barnsley, 1974). A Präsenz vu Glukos oder organesche Saieren gëtt den Operon ënnerdréckt. Figur 5 weist déi komplett genetesch Organisatioun vum Naphthalin-Degradatioun (a Operonform). Verschidde benannt Varianten/Forme vum nah-Gen (ndo/pah/dox) goufen beschriwwen a fonnt datt se eng héich Sequenzhomologie (90%) ënner allen Pseudomonas-Aarten hunn (Abbasian et al., 2016). D'Genen vum Naphthalin-Upstream-Wee ware generell an enger Konsensuerdnung arrangéiert, wéi an der Figur 5A gewisen. En anert Gen, nahQ, gouf och als am Naphthalin-Metabolismus involvéiert gemellt a war normalerweis tëscht nahC an nahE lokaliséiert, awer seng tatsächlech Funktioun muss nach gekläert ginn. Ähnlech gouf den nahY-Gen, deen fir naphthalin-sensitiv Chemotaxis verantwortlech ass, um distalen Enn vum nah-Operon bei e puer Memberen fonnt. Bei Ralstonia sp. gouf den U2-Gen, deen d'Glutathion-S-Transferase (gsh) kodéiert, tëscht nahAa an nahAb lokaliséiert, awer huet d'Naphthalin-Notzungseigenschaften net beaflosst (Zylstra et al., 1997).
Figur 5. Genetesch Organisatioun an Diversitéit, déi während dem Naphthalin-Degradatioun tëscht Bakterienaarten observéiert gouf; (A) Ieweschte Naphthalin-Wee, Metabolismus vun Naphthalin zu Salicylsäure; (B) Ënneschte Naphthalin-Wee, Salicylsäure iwwer Katechol an de zentralen Kuelestoffwee; (C) Salicylsäure iwwer Gentisat an de zentralen Kuelestoffwee.
De "ënneschte Wee" (sal-Operon) besteet typescherweis aus nahGTHINLMOKJ a konvertéiert Salicylat a Pyruvat an Acetaldehyd iwwer de Katechol-Metaring-Spaltungswee. Den nahG-Gen (dat fir Salicylathydroxylase kodéiert) gouf um proximalen Enn vum Operon konservéiert (Fig. 5B). Am Verglach mat anere Naphthalen-ofbauende Stämm sinn d'nah- an d'sal-Operonen am P. putida CSV86 Tandem a ganz enk verwandt (ongeféier 7,5 kb). A verschiddene gramnegativen Bakterien, wéi Ralstonia sp. U2, Polaramonas naphthalenivorans CJ2 a P. putida AK5, gëtt Naphthalen als zentralen Kuelestoffmetabolit iwwer de Gentisat-Wee (a Form vum sgp/nag-Operon) metaboliséiert. D'Genkassett gëtt typescherweis an der Form nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI duergestallt, wou nagR (deen e Reguléierer vum LysR-Typ kodéiert) um ieweschten Enn läit (Figur 5C).
Carbaryl trëtt an den zentralen Kuelestoffzyklus iwwer de Metabolismus vun 1-Naphthol, 1,2-Dihydroxynaphthalin, Salicylsäure a Gentisinsäure an (Figur 3). Baséierend op geneteschen a metabolesche Studien gouf virgeschloen, dëse Wee an "Upstream" (Ëmwandlung vu Carbaryl a Salicylsäure), "Mëttel" (Ëmwandlung vu Salicylsäure a Gentisinsäure) an "Downstream" (Ëmwandlung vu Gentisinsäure an Zwëschenprodukter vum zentralen Kuelestoffwee) opzedeelen (Singh et al., 2013). Eng genomesch Analyse vu C5pp (supercontig A, 76,3 kb) huet gewisen, datt de mcbACBDEF-Gen un der Ëmwandlung vu Carbaryl a Salicylsäure bedeelegt ass, gefollegt vu mcbIJKL an der Ëmwandlung vu Salicylsäure a Gentisinsäure, a mcbOQP an der Ëmwandlung vu Gentisinsäure an zentral Kuelestofftëscheprodukter (Fumarat a Pyruvat, Trivedi et al., 2016) (Figur 6).
Et gouf bericht, datt Enzymer, déi un der Ofbau vun aromatesche Kuelewaasserstoffer (dorënner Naphthalin a Salicylsäure) bedeelegt sinn, duerch déi entspriechend Verbindungen induzéiert a vun einfache Kuelestoffquellen wéi Glukos oder organesche Säure inhibéiert kënne ginn (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Ënnert de verschiddene metabolesche Weeër vun Naphthalin a senge Derivater goufen d'Reguléierungseigenschaften vun Naphthalin a Carbaryl bis zu engem gewësse Grad ënnersicht. Fir Naphthalin ginn d'Genen an de souwuel Upstream- wéi och Downstream-Weeër duerch NahR reguléiert, e positiven trans-aktiivt Reguléierer vum Typ LysR. Et ass fir d'Induktioun vum nah-Gen duerch Salicylsäure an hir spéider héich Expressioun noutwendeg (Yen a Gunsalus, 1982). Ausserdeem hunn Studien gewisen, datt den integrativen Hostfaktor (IHF) an XylR (Sigma 54-ofhängegen Transkriptiounsregulator) och entscheedend fir d'transkriptionell Aktivatioun vu Genen am Naphthalin-Metabolismus sinn (Ramos et al., 1997). Studien hunn gewisen, datt Enzyme vum Catechol-Meta-Ring-Öffnungswee, nämlech Catechol-2,3-Dioxygenase, a Präsenz vun Naphthalin an/oder Salicylsäure induzéiert ginn (Basu et al., 2006). Studien hunn gewisen, datt Enzyme vum Catechol-Ortho-Ring-Öffnungswee, nämlech Catechol-1,2-Dioxygenase, a Präsenz vu Benzoesäure a Cis,cis-Muconat induzéiert ginn (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Am Stamm C5pp kodéieren fënnef Genen, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR a mcbS, Reguléierer, déi zu der LysR/TetR-Famill vun Transkriptiounsregulatoren gehéieren, déi fir d'Kontroll vun der Carbaryl-Degradatioun verantwortlech sinn. Dat homologt Gen mcbG gouf als am enksten mam LysR-Typ Reguléierer PhnS (58% Aminosäureidentitéit) verwandt, deen am Phenanthren-Metabolismus a Burkholderia RP00725 involvéiert ass (Trivedi et al., 2016). Et gouf festgestallt, datt de mcbH-Gen am intermediäre Wee (Konversioun vu Salicylsäure a Gentisinsäure) involvéiert ass a gehéiert zum LysR-Typ Transkriptiounsregulator NagR/DntR/NahR a Pseudomonas a Burkholderia. Et gouf bericht, datt Membere vun dëser Famill Salicylsäure als spezifescht Effektormolekül fir d'Induktioun vun Degradatiounsgenen erkennen. Op der anerer Säit goufen dräi Genen, mcbN, mcbR a mcbS, déi zu Transkriptiounsregulatoren vum Typ LysR an TetR gehéieren, am Downstream-Wee identifizéiert (Metabolitte vum Gentisat-zentralen Kuelestoffwee).
Bei Prokaryoten sinn horizontal Gentransferprozesser (Acquisitioun, Austausch oder Transfer) iwwer Plasmiden, Transposonen, Prophagen, genomesch Inselen an integrativ konjugativ Elementer (ICE) Haaptursaachen fir d'Plastizitéit a bakteriellen Genomer, wat zum Gewënn oder Verloscht vu spezifesche Funktiounen/Eegeschafte féiert. Dëst erlaabt Bakterien sech séier un ënnerschiddlech Ëmweltbedingungen unzepassen, wat dem Wirt potenziell adaptiv metabolesch Virdeeler bitt, wéi zum Beispill den Ofbau vun aromatesche Verbindungen. Metabolesch Verännerunge ginn dacks duerch Feinabstimmung vun den Ofbauoperonen, hire Reguléierungsmechanismen an Enzymspezifizitéiten erreecht, wat den Ofbau vun enger méi breeder Palette vun aromatesche Verbindungen erliichtert (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). D'Genkassetten fir den Naphthalin-Ofbau goufen op enger Villfalt vu mobilen Elementer wéi Plasmiden (konjugativ an net-konjugativ), Transposonen, Genomer, ICEs a Kombinatioune vu verschiddene Bakterienaarten lokaliséiert (Figur 5). Bei Pseudomonas G7 ginn d'Nah- an d'Sal-Operone vum Plasmid NAH7 an der selwechter Orientéierung transkribéiert a sinn Deel vun engem defekten Transposon, deen d'Transposase Tn4653 fir d'Mobiliséierung erfuerdert (Sota et al., 2006). Am Pseudomonas-Stamm NCIB9816-4 gouf d'Gen um konjugative Plasmid pDTG1 als zwee Operone fonnt (ongeféier 15 kb vuneneen ewech), déi a géigneresch Richtungen transkribéiert goufen (Dennis a Zylstra, 2004). Am Pseudomonas putida-Stamm AK5 kodéiert den net-konjugative Plasmid pAK5 den Enzym, deen iwwer de Gentisat-Wee fir den Naphthalin-Degradatiounswee verantwortlech ass (Izmalkova et al., 2013). Am Pseudomonas-Stamm PMD-1 läit den nah-Operon um Chromosom, während de sal-Operon um konjugative Plasmid pMWD-1 läit (Zuniga et al., 1981). Wéi och ëmmer, am Pseudomonas stutzeri AN10 sinn all Naphthalen-Degradatiounsgenen (nah- an sal-Operonen) um Chromosom lokaliséiert a gi wahrscheinlech duerch Transpositioun, Rekombinatioun an Ëmorganisatioun rekrutéiert (Bosch et al., 2000). Am Pseudomonas sp. CSV86 sinn d'nah- an sal-Operonen am Genom a Form vun ICE (ICECSV86) lokaliséiert. D'Struktur gëtt duerch tRNAGly geschützt, gefollegt vu direkten Widderhuelungen, déi op Rekombinatiouns-/Uschlossplazen (attR an attL) an eng phagähnlech Integrase uginn, déi op béide Enden vum tRNAGly läit, an dofir strukturell ähnlech wéi den ICEclc-Element (ICEclcB13 am Pseudomonas knackmusii fir den Chlorocatechol-Degradatioun). Et gouf bericht, datt Genen op ICE duerch Konjugatioun mat enger extrem niddreger Transferfrequenz (10-8) transferéiert kënne ginn, wouduerch Degradatiounseigenschaften un den Empfänger iwwerdroe ginn (Basu a Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Déi meescht Genen, déi fir den Ofbau vu Carbaryl verantwortlech sinn, sinn op Plasmiden lokaliséiert. Arthrobacter sp. RC100 enthält dräi Plasmiden (pRC1, pRC2 an pRC300), vun deenen zwee konjugativ Plasmiden, pRC1 an pRC2, fir d'Enzyme kodéieren, déi Carbaryl a Gentisat ëmwandelen. Op der anerer Säit sinn d'Enzyme, déi un der Ëmwandlung vu Gentisat an déi zentral Kuelestoffmetabolitte bedeelegt sinn, um Chromosom lokaliséiert (Hayaatsu et al., 1999). Bakterien aus der Gattung Rhizobium. De Stamm AC100, deen fir d'Ëmwandlung vu Carbaryl an 1-Naphthol benotzt gëtt, enthalen de Plasmid pAC200, deen de cehA-Gen dréit, deen CH als Deel vum Tnceh-Transposon kodéiert, ëmgi vun Insertiounselement-ähnleche Sequenzen (istA an istB) (Hashimoto et al., 2002). Am Sphingomonas-Stamm CF06 gëtt ugeholl, datt de Carbaryl-Degradatiounsgen a fënnef Plasmiden präsent ass: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 a pCF05. D'DNA-Homologie vun dëse Plasmiden ass héich, wat op d'Existenz vun engem Genduplikatiouns-Event hiweist (Feng et al., 1997). An engem Carbaryl-degradéierende Symbiont, deen aus zwou Pseudomonas-Aarten zesummegesat ass, enthält de Stamm 50581 e konjugative Plasmid pCD1 (50 kb), deen de mcd-Carbarylhydrolase-Gen kodéiert, während de konjugative Plasmid am Stamm 50552 en 1-Naphthol-degradéierenden Enzym kodéiert (Chapalamadugu a Chaudhry, 1991). Am Achromobacter-Stamm WM111 ass de mcd-Furadan-Hydrolase-Gen op engem 100 kb-Plasmid (pPDL11) lokaliséiert. Dëst Gen gouf op verschiddene Plasmiden (100, 105, 115 oder 124 kb) a verschiddene Bakterien aus verschiddene geografesche Regiounen präsent gewisen (Parekh et al., 1995). Bei Pseudomonas sp. C5pp sinn all Genen, déi fir den Ofbau vu Carbaryl verantwortlech sinn, an engem Genom lokaliséiert, dat eng Sequenz vun 76,3 kb erstreckt (Trivedi et al., 2016). D'Genomanalyse (6,15 Mb) huet d'Präsenz vu 42 MGEs an 36 GEIs opgedeckt, vun deenen 17 MGEs am Supercontig A (76,3 kb) mat engem duerchschnëttlechen asymmetresche G+C-Gehalt (54–60 Mol%) lokaliséiert waren, wat op méiglech horizontal Gentransfer-Evenementer hiweist (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 weist eng ähnlech Uerdnung vu Carbaryl-ofbauende Genen op, awer dës Genen sinn op engem Plasmid lokaliséiert (Zhu et al., 2019).
Nieft der metabolescher Effizienz op biocheemeschen a genomeschen Niveauen weisen Mikroorganismen och aner Eegeschaften oder Reaktiounen op, wéi Chemotaxis, Zelluewerflächenmodifikatiounseigenschaften, Kompartimentéierung, bevorzugt Ausnotzung, Biosurfaktantproduktioun, etc., déi hinnen hëllefen, aromatesch Schadstoffer a kontaminéierten Ëmfeld méi effizient ze metaboliséieren (Figur 7).
Figur 7. Verschidde zellulär Äntwertstrategien vun idealen aromatesche Kuelewaasserstoff-ofbauende Bakterien fir eng effizient biodegradatioun vu frieme Schadstoffer.
Chemotaxiesch Reaktioune gëllen als Faktoren, déi den Ofbau vun organesche Schadstoffer an heterogen verschmotzten Ökosystemer verbesseren. (2002) huet gewisen, datt d'Chemotaxis vu Pseudomonas sp. G7 zu Naphthalin d'Rate vum Naphthalin-Ofbau an aquatesche Systemer erhéicht huet. De Wildtyp-Stamm G7 huet Naphthalin vill méi séier ofgebaut wéi e Chemotaxis-defizienten Mutant-Stamm. Et gouf festgestallt, datt d'NahY-Protein (538 Aminosäuren mat Membrantopologie) mat de Metacleavage-Wee-Genen um NAH7-Plasmid ko-transkribéiert ass, an, wéi Chemotaxis-Transducer, schéngt dëst Protein als Chemorezeptor fir den Naphthalin-Ofbau ze funktionéieren (Grimm an Harwood 1997). Eng aner Studie vum Hansel et al. (2009) huet gewisen, datt d'Protein chemotaktesch ass, awer seng Ofbaurate héich ass. (2011) huet eng chemotaktesch Äntwert vu Pseudomonas (P. putida) op gasfërmegt Naphthalin demonstréiert, woubei d'Diffusioun an der Gasphas zu engem stännege Floss vun Naphthalin an d'Zellen gefouert huet, wat d'chemotaktesch Äntwert vun den Zellen kontrolléiert huet. D'Fuerscher hunn dëst chemotaktesch Verhalen ausgenotzt fir Mikroben ze manipuléieren, déi d'Ofbauquote erhéijen. Studien hunn gewisen, datt chemosensoresch Weeër och aner Zellfunktiounen, wéi Zelldeelung, Zellzyklusreguléierung a Biofilmbildung, reguléieren, an doduerch hëllefen, d'Ofbauquote ze kontrolléieren. Wéi och ëmmer, d'Notzung vun dëser Eegeschaft (Chemotaxis) fir effizient Ofbau gëtt duerch verschidde Engpässe behënnert. Déi gréissten Hürden sinn: (a) verschidde paralog Rezeptoren erkennen déiselwecht Verbindungen/Liganden; (b) d'Existenz vun alternativen Rezeptoren, z.B. energeschen Tropismus; (c) bedeitend Sequenzënnerscheeder an de sensoresche Beräicher vun der selwechter Rezeptorfamill; an (d) Mangel un Informatioun iwwer déi wichtegst bakteriell Sensorproteinen (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Heiansdo produzéiert de biodegradéierte Prozess vun aromatesche Kuelewaasserstoffer verschidde Metabolitten/Tëscheprodukter, déi fir eng Grupp vu Bakterien chemotaktesch, awer fir anerer ofstoussend kënne sinn, wat de Prozess weider komplizéiert. Fir d'Interaktioune vu Liganden (aromatesche Kuelewaasserstoffer) mat chemesche Rezeptoren z'identifizéieren, hu mir Hybrid-Sensorproteinen (PcaY, McfR an NahY) konstruéiert andeems mir d'Sensor- an d'Signaldomänen vu Pseudomonas putida an Escherichia coli fusionéiert hunn, déi d'Rezeptoren fir aromatesch Saieren, TCA-Tëscheprodukter an Naphthalin viséieren (Luu et al., 2019).
Ënnert dem Afloss vun Naphthalin an aner polyzyklesch aromatesch Kuelewaasserstoffer (PAK) verännere sech d'Struktur vun der bakterieller Membran an d'Integritéit vun de Mikroorganismen bedeitend. Studien hunn gewisen, datt Naphthalin d'Interaktioun vun der Acylkette duerch hydrophob Interaktiounen stéiert, wouduerch d'Schwellung an d'Flëssegkeet vun der Membran eropgeet (Sikkema et al., 1995). Fir dësem schiedlechen Effekt entgéintzewierken, reguléieren d'Bakterien d'Flëssegkeet vun der Membran andeems se de Verhältnis an d'Fettsäurezesummesetzung tëscht Iso/Anteiso verzweigten Fettsäuren änneren an cis-ongesättigte Fettsäuren an déi entspriechend Trans-Isomeren isomeriséieren (Heipieper an de Bont, 1994). Bei Pseudomonas stutzeri, déi mat Naphthalinbehandlung gewuess sinn, ass de Verhältnis vu gesättigte zu ongesättigte Fettsäuren vun 1,1 op 2,1 geklommen, während dëst Verhältnis bei Pseudomonas JS150 vun 7,5 op 12,0 geklommen ass (Mrozik et al., 2004). Wann se op Naphthalin gewuess sinn, hunn d'Achromobacter KAs 3-5 Zellen eng Zellaggregatioun ronderëm Naphthalinkristaller an eng Ofsenkung vun der Zelluewerflächenladung (vun -22,5 op -2,5 mV) gewisen, begleet vun zytoplasmatescher Kondensatioun a Vakuoliséierung, wat op Ännerungen an der Zellstruktur an den Zelluewerflächeneegeschafte hiweist (Mohapatra et al., 2019). Obwuel zellulär/Uewerflächenännerungen direkt mat enger besserer Opnam vun aromatesche Schadstoffer verbonne sinn, goufen relevant Bioengineeringstrategien net grëndlech optimiséiert. D'Manipulatioun vun der Zellform gouf selten benotzt fir biologesch Prozesser ze optimiséieren (Volke an Nikel, 2018). D'Läschung vu Genen, déi d'Zelldeelung beaflossen, verursaacht Ännerungen an der Zellmorphologie. D'Läschung vu Genen, déi d'Zelldeelung beaflossen, verursaacht Ännerungen an der Zellmorphologie. Beim Bacillus subtilis gouf gewisen, datt de Zellseptumprotein SepF un der Septumbildung bedeelegt ass a fir déi spéider Schrëtt vun der Zelldeelung noutwendeg ass, awer et ass kee wesentlecht Gen. D'Läschung vu Genen, déi Peptidglykanhydrolasen am Bacillus subtilis kodéieren, huet zu enger Zellverlängerung, enger erhéichter spezifescher Wuestumsquote an enger verbesserter Enzymproduktiounskapazitéit gefouert (Cui et al., 2018).
D'Kompartimentéierung vum Carbaryl-Ofbauwee gouf virgeschloen, fir en effizienten Ofbau vun de Pseudomonas-Stämme C5pp a C7 z'erreechen (Kamini et al., 2018). Et gëtt virgeschloen, datt Carbaryl duerch de Septum vun der äusserer Membran an/oder duerch diffusibel Porinen an de periplasmatesche Raum transportéiert gëtt. CH₄ ass e periplasmatescht Enzym, dat d'Hydrolyse vu Carbaryl zu 1-Naphthol katalyséiert, wat méi stabil, méi hydrophob a méi gëfteg ass. CH₄ ass am Periplasma lokaliséiert an huet eng niddreg Affinitéit fir Carbaryl, wouduerch d'Bildung vun 1-Naphthol kontrolléiert gëtt, wouduerch seng Akkumulatioun an Zellen verhënnert gëtt a seng Toxizitéit fir Zellen reduzéiert gëtt (Kamini et al., 2018). Den resultéierenden 1-Naphthol gëtt duerch Partitionéierung an/oder Diffusioun iwwer déi bannenzeg Membran an d'Zytoplasma transportéiert an dann duerch den héichaffine Enzym 1NH zu 1,2-Dihydroxynaphthalen hydroxyléiert gëtt fir de weidere Metabolismus am zentralen Kuelestoffwee.
Obwuel Mikroorganismen déi genetesch a metabolesch Fäegkeeten hunn, xenobiotesch Kuelestoffquellen ofzebauen, ass déi hierarchesch Struktur vun hirer Notzung (dh bevorzugt Notzung vu einfache géintiwwer komplexe Kuelestoffquellen) en Haapthindernis fir de Biodegradatiounsprozess. D'Präsenz an d'Notzung vu einfache Kuelestoffquellen erofreguléieren Genen, déi Enzymer kodéieren, déi komplex/net-bevorzugt Kuelestoffquellen, wéi PAKen, ofbauen. E gutt ënnersicht Beispill ass, datt wann Glukos a Laktose gläichzäiteg un Escherichia coli ginn, Glukos méi effizient benotzt gëtt wéi Laktose (Jacob a Monod, 1965). Et gouf bericht, datt Pseudomonas eng Vielfalt vu PAKen a xenobiotesche Verbindungen als Kuelestoffquellen ofbaut. D'Hierarchie vun der Notzung vu Kuelestoffquellen bei Pseudomonas ass organesch Saieren > Glukos > aromatesch Verbindungen (Hylemon a Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Et gëtt awer eng Ausnam. Interessanterweis ass Pseudomonas sp. CSV86 weist eng eenzegaarteg hierarchesch Struktur op, déi léiwer aromatesch Kuelewaasserstoffer (Benzoesäure, Naphthalin, etc.) amplaz vu Glukos benotzt a ko-metaboliséiert aromatesch Kuelewaasserstoffer mat organesche Saieren (Basu et al., 2006). An dësem Bakterium sinn d'Genen fir den Ofbau an den Transport vun aromatesche Kuelewaasserstoffer net erofreguléiert, och net a Präsenz vun enger zweeter Kuelestoffquell wéi Glukos oder organesche Saieren. Beim Wuessen an engem Glukos- an aromatesche Kuelewaasserstoffmedium gouf observéiert, datt d'Genen fir de Glukostransport an de Metabolismus erofreguléiert waren, aromatesch Kuelewaasserstoffer an der éischter Log-Phase benotzt goufen, a Glukos an der zweeter Log-Phase (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Op der anerer Säit huet d'Präsenz vun organesche Saieren d'Expressioun vum aromatesche Kuelewaasserstoffmetabolismus net beaflosst, sou datt dëst Bakterium erwaart gëtt e Kandidatstamm fir Biodegradatiounsstudien ze sinn (Phale et al., 2020).
Et ass bekannt, datt d'Biotransformatioun vu Kuelewaasserstoffer oxidativen Stress an eng Upreguléierung vun antioxidativen Enzymen a Mikroorganismen verursaache kann. Ineffizient Naphthalen-Biodegradatioun souwuel a stationäre Phasenzellen ewéi och a Präsenz vun gëftege Verbindungen féiert zu der Bildung vu reaktive Sauerstoffspezies (ROS) (Kang et al. 2006). Well Naphthalen-ofbauend Enzyme Eisen-Schwefel-Cluster enthalen, gëtt d'Eisen an den Häm- an Eisen-Schwefel-Proteinen ënner oxidativem Stress oxidéiert, wat zu enger Proteininaktivéierung féiert. Ferredoxin-NADP+ Reduktase (Fpr) vermittelt zesumme mat Superoxiddismutase (SOD) déi reversibel Redoxreaktioun tëscht NADP+/NADPH an zwou Molekülle vu Ferredoxin oder Flavodoxin, wouduerch ROS ewechgeholl an den Eisen-Schwefel-Zentrum ënner oxidativem Stress restauréiert gëtt (Li et al. 2006). Et gouf bericht, datt souwuel Fpr wéi och SodA (SOD) a Pseudomonas duerch oxidativen Stress induzéiert kënne ginn, an erhéicht SOD- an Katalase-Aktivitéite goufen a véier Pseudomonas-Stämm (O1, W1, As1 a G1) während dem Wuesstum ënner Naphthalin-bäigefügte Konditiounen observéiert (Kang et al., 2006). Studien hunn gewisen, datt d'Zousätzlech vun Antioxidantien wéi Ascorbinsäure oder Eisen(Fe2+) d'Wuesstumsquote vun Naphthalin erhéije kann. Wann Rhodococcus erythropolis an Naphthalin-Medium gewuess ass, ass d'Transkriptioun vun oxidativen Stress-verwandte Cytochrom P450-Genen, dorënner SodA (Fe/Mn Superoxiddismutase), SodC (Cu/Zn Superoxiddismutase) a recA, erhéicht ginn (Sazykin et al., 2019). Eng komparativ quantitativ proteomesch Analyse vu Pseudomonas-Zellen, déi an Naphthalin kultivéiert goufen, huet gewisen, datt d'Upreguléierung vu verschiddene Proteinen, déi mat der oxidativer Stressreaktioun assoziéiert sinn, eng Stress-Bewältegungsstrategie ass (Herbst et al., 2013).
Et gouf bericht, datt Mikroorganismen Biosurfaktanten ënner der Aktioun vun hydrophoben Kuelestoffquellen produzéieren. Dës Tensiden sinn amphiphil Uewerflächenaktiv Verbindungen, déi Aggregater op Ueleg-Waasser- oder Loft-Waasser-Grenzflächen bilden kënnen. Dëst fërdert d'Pseudo-Solubiliséierung an erliichtert d'Adsorptioun vun aromatesche Kuelewaasserstoffer, wat zu enger effizienter Biodegradatioun féiert (Rahman et al., 2002). Wéinst dësen Eegeschafte gi Biosurfaktanten a verschiddenen Industrien wäit verbreet benotzt. D'Zousätzlech vu chemesche Tensiden oder Biosurfaktanten zu Bakterienkulturen kann d'Effizienz an d'Geschwindegkeet vum Kuelewaasserstoffofbau erhéijen. Ënnert de Biosurfaktanten goufen Rhamnolipiden, déi vu Pseudomonas aeruginosa produzéiert ginn, extensiv ënnersicht a charakteriséiert (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Zousätzlech sinn aner Zorte vu Biosurfaktanten Lipopeptiden (Muzinen aus Pseudomonas fluorescens), Emulgator 378 (aus Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg a Ron, 1999), Trehalose-Disaccharid-Lipiden aus Rhodococcus (Ramdahl, 1985), Lichenin aus Bacillus (Saraswathy an Hallberg, 2002) a Surfaktant aus Bacillus subtilis (Siegmund a Wagner, 1991) a Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Et gouf gewisen, datt dës potent Tensiden d'Uewerflächenspannung vun 72 Dyne/cm² op manner wéi 30 Dyne/cm² reduzéieren, wat eng besser Kuelewaasserstoffabsorptioun erméiglecht. Et gouf berichtéiert, datt Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia an aner Bakterienaarten verschidde Rhamnolipid- a Glykolipid-baséiert Biosurfaktanten produzéiere kënnen, wa se an Naphthalin- a Methylnaphthalin-Medien ugebaut ginn (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 kann extrazellulärt Biosurfaktant Biosur-Pm produzéieren, wa se op aromatesche Verbindungen wéi Naphthoesäure ugebaut gëtt (Phale et al., 1995). D'Kinetik vun der Biosur-Pm-Bildung huet gewisen, datt seng Synthese e Wuesstums- a pH-ofhängege Prozess ass. Et gouf festgestallt, datt d'Quantitéit u Biosur-Pm, déi vu Zellen bei neutralem pH produzéiert gouf, méi héich war wéi bei pH 8,5. Zellen, déi bei pH 8,5 ugebaut goufen, ware méi hydrophob an haten eng méi héich Affinitéit fir aromatesch an aliphatesch Verbindungen wéi Zellen, déi bei pH 7,0 ugebaut goufen. Bei Rhodococcus spp. N6, e méi héicht Kuelestoff-Stickstoff-Verhältnis (C:N) an eng Eisenlimitatioun sinn optimal Konditioune fir d'Produktioun vun extrazelluläre Biosurfaktanten (Mutalik et al., 2008). Et goufe Versich gemaach, d'Biosynthese vu Biosurfaktanten (Surfaktine) ze verbesseren, andeems d'Stämm an d'Fermentatioun optimiséiert goufen. Wéi och ëmmer, den Titer vum Tensid am Kulturmedium ass niddreg (1,0 g/L), wat eng Erausfuerderung fir eng grouss Produktioun duerstellt (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Dofir goufen genetesch manipuléiert Methoden agesat, fir seng Biosynthese ze verbesseren. Seng technesch Modifikatioun ass awer schwéier wéinst der grousser Gréisst vum Operon (∼25 kb) an der komplexer biosynthetescher Reguléierung vum Quorum Sensing System (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Eng Rei vu gentechnesche Modifikatioune goufen a Bacillus-Bakterien duerchgefouert, haaptsächlech geriicht op d'Erhéijung vun der Surfactinproduktioun duerch den Ersatz vum Promotor (srfA-Operon), d'Iwwerexpressioun vum Surfactin-Exportprotein YerP an d'Reguléierungsfaktoren ComX a PhrC (Jiao et al., 2017). Dës gentechnesch Methoden hunn awer nëmmen eng oder e puer genetesch Modifikatioune erreecht an hunn nach keng kommerziell Produktioun erreecht. Dofir ass eng weider Studie vu wëssensbaséierten Optimiséierungsmethoden néideg.
Studien iwwer d'Biodegradatioun vu PAH ginn haaptsächlech ënner Standardlaboratoirebedingungen duerchgefouert. Wéi och ëmmer, op kontaminéierte Plazen oder a kontaminéierten Ëmfeld goufen eng Rei abiotesch a biotesch Faktoren (Temperatur, pH, Sauerstoff, Nährstoffverfügbarkeet, Substratbioverfügbarkeet, aner Xenobiotika, Hemmung vum Endprodukt, etc.) gewisen, datt se d'Ofbaukapazitéit vu Mikroorganismen veränneren an beaflossen.
D'Temperatur huet e wesentlechen Afloss op den Ofbau vu PAHen. Mat der Erhéijung vun der Temperatur hëlt d'Konzentratioun vum opgeléiste Sauerstoff of, wat de Metabolismus vun aerobe Mikroorganismen beaflosst, well se molekulare Sauerstoff als ee vun de Substrate fir Oxygenasen brauchen, déi Hydroxyléierungs- oder Ringspaltungsreaktiounen duerchféieren. Et gëtt dacks festgestallt, datt eng erhéicht Temperatur d'Ursprénglech PAHen a méi gëfteg Verbindungen ëmwandelt an doduerch den Ofbau hemmt (Muller et al., 1998).
Et gouf festgestallt, datt vill PAH-kontaminéiert Plazen extrem pH-Wäerter hunn, wéi zum Beispill Plazen, déi duerch sauer Minnenentwässerung kontaminéiert sinn (pH 1–4) a Plazen, déi mat alkaleschem Siegelwaasser kontaminéiert sinn (pH 8–12). Dës Konditioune kënnen de biodegradatiounsprozess eescht beaflossen. Dofir ass et recommandéiert, ier Mikroorganismen fir Bioremediatioun benotzt ginn, de pH-Wäert unzepassen, andeems een passende Chemikalien (mat mëttelméissegem bis ganz niddregem Oxidatiouns- a Reduktiounspotenzial) wéi Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat fir alkalesch Biedem oder Kalkung mat Kalziumkarbonat oder Magnesiumkarbonat fir sauer Plazen derbäisetzt (Bowlen et al. 1995; Gupta a Sar 2020).
D'Sauerstoffversuergung an déi betraff Regioun ass de limitéierende Faktor fir de PAH-Biodegradatiounsprozess. Wéinst den Redox-Konditioune vun der Ëmwelt erfuerderen In-situ-Bioremediatiounsprozesser normalerweis d'Aféierung vu Sauerstoff aus externen Quellen (Äerdbeaarbechtung, Loftsprëtzen an Zousätz vu chemeschen Zousätz) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) hunn demonstréiert, datt d'Zousätz vu Magnesiumperoxid (eng Sauerstoff-fräisetzend Verbindung) zu engem kontaminéierten Aquifer BTEX-Verbindungen effektiv bioremediéiere kann. Eng aner Studie huet den In-situ-Degradatioun vu Phenol a BTEX an engem kontaminéierten Aquifer ënnersicht andeems Natriumnitrat injizéiert gouf an Extraktiounsbrunnen gebaut goufen, fir eng effektiv Bioremediatioun z'erreechen (Bewley a Webb, 2001).