این مقاله بخشی از موضوع تحقیقاتی «فناوری‌های پیشرفته زیست‌پالایی و فرآیندهای بازیافت ترکیبات آلی مصنوعی (SOC)» است. مشاهده همه 14 مقاله
هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) با وزن مولکولی کم مانند نفتالین و نفتالین‌های جایگزین (متیل نفتالین، نفتوئیک اسید، 1-نفتیل-N-متیل کاربامات و غیره) به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای موجودات زنده ژنوتوکسیک، جهش‌زا و/یا سرطان‌زا هستند. این ترکیبات آلی مصنوعی (SOCs) یا زنوبیوتیک‌ها آلاینده‌های دارای اولویت محسوب می‌شوند و تهدیدی جدی برای محیط زیست جهانی و سلامت عمومی محسوب می‌شوند. شدت فعالیت‌های انسانی (مانند گازی‌سازی زغال سنگ، پالایش نفت، انتشار گازهای گلخانه‌ای از وسایل نقلیه و کاربردهای کشاورزی) غلظت، سرنوشت و انتقال این ترکیبات فراگیر و پایدار را تعیین می‌کند. علاوه بر روش‌های تصفیه/حذف فیزیکی و شیمیایی، فناوری‌های سبز و سازگار با محیط زیست مانند زیست‌پالایی، که از میکروارگانیسم‌هایی استفاده می‌کنند که قادر به تجزیه کامل POCها یا تبدیل آنها به محصولات جانبی غیرسمی هستند، به عنوان جایگزینی ایمن، مقرون به صرفه و امیدوارکننده ظهور کرده‌اند. گونه‌های مختلف باکتریایی متعلق به شاخه پروتئوباکتری‌ها (سودوموناس، سودوموناس، کوماموناس، بورخولدریا و نئواسفینگوباکتریوم)، فیرمیکوت‌ها (باسیلوس و پنی‌باسیلوس) و اکتینوباکتری‌ها (رودوکوکوس و آرتروباکتر) در میکروبیوتای خاک، توانایی تجزیه ترکیبات آلی مختلف را نشان داده‌اند. مطالعات متابولیک، ژنومیک و تجزیه و تحلیل متاژنومیک به ما کمک می‌کند تا پیچیدگی و تنوع کاتابولیک موجود در این اشکال زیستی ساده را درک کنیم، که می‌تواند برای تجزیه زیستی کارآمد بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. وجود طولانی مدت PAHها منجر به ظهور فنوتیپ‌های جدید تجزیه از طریق انتقال افقی ژن با استفاده از عناصر ژنتیکی مانند پلاسمیدها، ترانسپوزون‌ها، باکتریوفاژها، جزایر ژنومی و عناصر مزدوج یکپارچه شده است. زیست‌شناسی سیستم‌ها و مهندسی ژنتیک جدایه‌های خاص یا جوامع مدل (کنسرسیوم‌ها) می‌توانند زیست‌پالایی جامع، سریع و کارآمد این PAHها را از طریق اثرات هم‌افزایی امکان‌پذیر سازند. در این بررسی، ما بر مسیرهای متابولیکی مختلف و تنوع، ترکیب و تنوع ژنتیکی، و پاسخ‌ها/سازگاری‌های سلولی نفتالین و باکتری‌های جایگزین‌شده‌ی تجزیه‌کننده‌ی نفتالین تمرکز می‌کنیم. این امر اطلاعات اکولوژیکی را برای کاربرد میدانی و بهینه‌سازی سویه برای زیست‌پالایی کارآمد فراهم می‌کند.
توسعه سریع صنایع (پتروشیمی، کشاورزی، داروسازی، رنگ‌های نساجی، لوازم آرایشی و غیره) به رونق اقتصادی جهانی و بهبود استانداردهای زندگی کمک کرده است. این توسعه نمایی منجر به تولید تعداد زیادی از ترکیبات آلی مصنوعی (SOC) شده است که برای تولید محصولات مختلف استفاده می‌شوند. این ترکیبات خارجی یا SOCها شامل هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs)، آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها، نرم‌کننده‌ها، رنگ‌ها، داروها، ارگانوفسفات‌ها، بازدارنده‌های شعله، حلال‌های آلی فرار و غیره هستند. آن‌ها در جو، اکوسیستم‌های آبی و زمینی منتشر می‌شوند و تأثیرات چندبعدی دارند و از طریق تغییر خواص فیزیکوشیمیایی و ساختار جامعه، اثرات مضری بر زیست‌شکل‌های مختلف ایجاد می‌کنند (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). بسیاری از آلاینده‌های آروماتیک تأثیرات قوی و مخربی بر بسیاری از اکوسیستم‌های دست‌نخورده/نقاط حساس تنوع زیستی (مانند صخره‌های مرجانی، صفحات یخی قطب شمال/جنوب، دریاچه‌های کوهستانی مرتفع، رسوبات اعماق دریا و غیره) دارند (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). مطالعات ژئومیکروبیولوژیکی اخیر نشان داده است که رسوب مواد آلی مصنوعی (مانند آلاینده‌های آروماتیک) و مشتقات آنها بر روی سطوح سازه‌های مصنوعی (محیط ساخته شده) (مانند مکان‌های میراث فرهنگی و بناهای تاریخی ساخته شده از گرانیت، سنگ، چوب و فلز) تخریب آنها را تسریع می‌کند (Gadd 2017; Liu et al. 2018). فعالیت‌های انسانی می‌تواند از طریق آلودگی هوا و تغییرات آب و هوایی، تخریب بیولوژیکی بناهای تاریخی و ساختمان‌ها را تشدید و بدتر کند (Liu et al. 2020). این آلاینده‌های آلی با بخار آب موجود در جو واکنش نشان می‌دهند و روی سازه می‌نشینند و باعث تخریب فیزیکی و شیمیایی مواد می‌شوند. تخریب زیستی به طور گسترده به عنوان تغییرات نامطلوب در ظاهر و خواص مواد ناشی از موجودات زنده که بر حفظ آنها تأثیر می‌گذارند، شناخته می‌شود (Pochon and Jaton, 1967). فعالیت میکروبی بیشتر (متابولیسم) این ترکیبات می‌تواند یکپارچگی ساختاری، اثربخشی حفاظت و ارزش فرهنگی را کاهش دهد (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). از سوی دیگر، در برخی موارد، سازگاری میکروبی با این ساختارها و پاسخ به آنها مفید بوده است زیرا آنها بیوفیلم‌ها و سایر پوسته‌های محافظ را تشکیل می‌دهند که سرعت پوسیدگی/تجزیه را کاهش می‌دهند (Martino, 2016). بنابراین، توسعه استراتژی‌های مؤثر حفاظت پایدار درازمدت برای بناهای سنگی، فلزی و چوبی نیازمند درک کاملی از فرآیندهای کلیدی دخیل در این فرآیند است. در مقایسه با فرآیندهای طبیعی (فرآیندهای زمین‌شناسی، آتش‌سوزی‌های جنگلی، فوران‌های آتشفشانی، واکنش‌های گیاهی و باکتریایی)، فعالیت‌های انسانی منجر به انتشار حجم زیادی از هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) و سایر کربن‌های آلی (OC) به اکوسیستم‌ها می‌شود. بسیاری از PAH های مورد استفاده در کشاورزی (حشره‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها مانند DDT، آترازین، کارباریل، پنتاکلروفنل و غیره)، صنعت (نفت خام، لجن/ضایعات نفتی، پلاستیک‌های مشتق شده از نفت، PCBها، نرم‌کننده‌ها، مواد شوینده، ضدعفونی‌کننده‌ها، فومیگانت‌ها، عطرها و مواد نگهدارنده)، محصولات مراقبت شخصی (کرم‌های ضد آفتاب، ضدعفونی‌کننده‌ها، دافع حشرات و مشک‌های چند حلقه‌ای) و مهمات (مواد منفجره مانند 2،4،6-TNT) زنوبیوتیک‌های بالقوه‌ای هستند که ممکن است بر سلامت سیاره تأثیر بگذارند (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015). این لیست را می‌توان گسترش داد تا شامل ترکیبات مشتق شده از نفت (روغن‌های سوختی، روان‌کننده‌ها، آسفالتین‌ها)، بیوپلاستیک‌های با وزن مولکولی بالا و مایعات یونی نیز بشود (Amde et al., 2015). جدول 1 آلاینده‌های آروماتیک مختلف و کاربردهای آنها را در صنایع مختلف فهرست می‌کند. در سال‌های اخیر، انتشار ترکیبات آلی فرار ناشی از فعالیت‌های انسانی، و همچنین دی‌اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه‌ای، شروع به افزایش کرده است (Dvorak و همکاران، ۲۰۱۷). با این حال، تأثیرات انسانی به طور قابل توجهی از تأثیرات طبیعی فراتر رفته است. علاوه بر این، ما دریافتیم که تعدادی از ترکیبات آلی فرار (SOCs) در بسیاری از محیط‌های زیست‌محیطی وجود دارند و به عنوان آلاینده‌های نوظهور با اثرات نامطلوب بر زیست‌بوم‌ها شناسایی شده‌اند (شکل ۱). سازمان‌های زیست‌محیطی مانند آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (USEPA) بسیاری از این آلاینده‌ها را به دلیل خواص سیتوتوکسیک، ژنوتوکسیک، جهش‌زا و سرطان‌زا در فهرست اولویت‌های خود قرار داده‌اند. بنابراین، مقررات سختگیرانه دفع و استراتژی‌های مؤثر برای تصفیه/حذف زباله از اکوسیستم‌های آلوده مورد نیاز است. روش‌های مختلف تصفیه فیزیکی و شیمیایی مانند پیرولیز، تصفیه حرارتی اکسیداتیو، هوادهی، دفن زباله، سوزاندن و غیره بی‌اثر و پرهزینه هستند و محصولات جانبی خورنده، سمی و دشوار برای تصفیه تولید می‌کنند. با افزایش آگاهی جهانی در مورد محیط زیست، میکروارگانیسم‌هایی که قادر به تجزیه این آلاینده‌ها و مشتقات آنها (مانند هالوژنه، نیترو، آلکیل و/یا متیل) هستند، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب می‌کنند (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). استفاده از این میکروارگانیسم‌های بومی کاندید به تنهایی یا در کشت‌های مخلوط (کلنی‌ها) برای حذف آلاینده‌های آروماتیک از نظر ایمنی زیست‌محیطی، هزینه، کارایی، اثربخشی و پایداری مزایایی دارد. محققان همچنین در حال بررسی ادغام فرآیندهای میکروبی با روش‌های الکتروشیمیایی اکسایش-کاهش، یعنی سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی (BES)، به عنوان یک فناوری امیدوارکننده برای تصفیه/حذف آلاینده‌ها هستند (Huang et al., 2011). فناوری BES به دلیل راندمان بالا، هزینه کم، ایمنی زیست‌محیطی، عملکرد در دمای اتاق، مواد زیست‌سازگار و توانایی بازیابی محصولات جانبی ارزشمند (مانند برق، سوخت و مواد شیمیایی) توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده است (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). ظهور ابزارها/روش‌های توالی‌یابی ژنوم و اومیکس با توان عملیاتی بالا، اطلاعات جدید زیادی در مورد تنظیم ژنتیکی، پروتئومیکس و فلاکسومیکس واکنش‌های میکروارگانیسم‌های مختلف تجزیه‌کننده ارائه داده است. ترکیب این ابزارها با زیست‌شناسی سیستم‌ها، درک ما از انتخاب و تنظیم دقیق مسیرهای کاتابولیک هدف در میکروارگانیسم‌ها (یعنی طراحی متابولیک) را برای دستیابی به تجزیه زیستی کارآمد و مؤثر، بیشتر افزایش داده است. برای طراحی استراتژی‌های زیست‌پالایی مؤثر با استفاده از میکروارگانیسم‌های کاندید مناسب، باید پتانسیل بیوشیمیایی، تنوع متابولیکی، ترکیب ژنتیکی و بوم‌شناسی (اتواکولوژی/سینکولوژی) میکروارگانیسم‌ها را درک کنیم.
شکل 1. منابع و مسیرهای PAH های کم مولکولی از طریق محیط‌های مختلف محیطی و عوامل مختلفی که بر موجودات زنده تأثیر می‌گذارند. خطوط نقطه‌چین نشان دهنده تعاملات بین عناصر اکوسیستم هستند.
در این بررسی، ما تلاش کرده‌ایم تا داده‌های مربوط به تجزیه PAH های ساده مانند نفتالین و نفتالین‌های جایگزین شده توسط جدایه‌های مختلف باکتریایی را که مسیرهای متابولیکی و تنوع، آنزیم‌های دخیل در تجزیه، ترکیب/محتوای ژن و تنوع، پاسخ‌های سلولی و جنبه‌های مختلف زیست‌پالایی را پوشش می‌دهند، خلاصه کنیم. درک سطوح بیوشیمیایی و مولکولی به شناسایی سویه‌های میزبان مناسب و مهندسی ژنتیک بیشتر آنها برای زیست‌پالایی مؤثر چنین آلاینده‌های اولویت‌دار کمک خواهد کرد. این امر به توسعه استراتژی‌هایی برای ایجاد کنسرسیوم‌های باکتریایی خاص مکان برای زیست‌پالایی مؤثر کمک خواهد کرد.
وجود تعداد زیادی از ترکیبات آروماتیک سمی و خطرناک (که از قانون هاکل 4n + 2π الکترون، n = 1، 2، 3، ... پیروی می‌کنند) تهدیدی جدی برای محیط‌های مختلف محیطی مانند هوا، خاک، رسوبات و آب‌های سطحی و زیرزمینی محسوب می‌شود (پوگلیسی و همکاران، 2007). این ترکیبات دارای حلقه‌های بنزنی منفرد (تک حلقه‌ای) یا حلقه‌های بنزنی متعدد (چند حلقه‌ای) هستند که به صورت خطی، زاویه‌ای یا خوشه‌ای چیده شده‌اند و به دلیل انرژی رزونانس منفی بالا و بی‌اثری (اینرسی) در محیط، پایداری (پایداری/ناپایداری) از خود نشان می‌دهند که می‌توان آن را با آبگریزی و حالت کاهش یافته آنها توضیح داد. وقتی حلقه آروماتیک بیشتر با گروه‌های متیل (-CH3)، کربوکسیل (-COOH)، هیدروکسیل (-OH) یا سولفونات (-HSO3) جایگزین می‌شود، پایدارتر می‌شود، میل ترکیبی قوی‌تری با ماکرومولکول‌ها دارد و در سیستم‌های بیولوژیکی تجمع زیستی پیدا می‌کند (Seo و همکاران، ۲۰۰۹؛ Phale و همکاران، ۲۰۲۰). برخی از هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای با وزن مولکولی کم (LMWAHs)، مانند نفتالین و مشتقات آن [متیل نفتالین، اسید نفتوئیک، نفتالین سولفونات و ۱-نفتیل N-متیل کاربامات (کارباریل)]، توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده در فهرست آلاینده‌های آلی دارای اولویت به عنوان ژنوتوکسیک، جهش‌زا و/یا سرطان‌زا قرار گرفته‌اند (Cerniglia، ۱۹۸۴). انتشار این دسته از NM-PAH ها به محیط زیست ممکن است منجر به تجمع زیستی این ترکیبات در تمام سطوح زنجیره غذایی شود و در نتیجه بر سلامت اکوسیستم‌ها تأثیر بگذارد (Binkova و همکاران، 2000؛ Srogi، 2007؛ Quinn و همکاران، 2009).
منابع و مسیرهای PAHs به موجودات زنده در درجه اول از طریق مهاجرت و تعامل بین اجزای مختلف اکوسیستم مانند خاک، آب‌های زیرزمینی، آب‌های سطحی، محصولات کشاورزی و جو است (Arey and Atkinson, 2003). شکل 1 تعاملات و توزیع PAH های مختلف با وزن مولکولی کم در اکوسیستم‌ها و مسیرهای آنها را برای قرار گرفتن در معرض موجودات زنده/انسان نشان می‌دهد. PAHs در نتیجه آلودگی هوا و از طریق مهاجرت (رانش) گازهای خروجی وسایل نقلیه، گازهای خروجی صنعتی (گازی‌سازی زغال سنگ، احتراق و تولید کک) و رسوب آنها روی سطوح رسوب می‌کنند. فعالیت‌های صنعتی مانند تولید منسوجات مصنوعی، رنگ‌ها و پوشش‌ها؛ حفاظت از چوب؛ فرآوری لاستیک؛ فعالیت‌های تولید سیمان؛ تولید آفت‌کش‌ها؛ و کاربردهای کشاورزی منابع اصلی PAHs در سیستم‌های زمینی و آبی هستند (Bamforth and Singleton, 2005; Wick et al., 2011). مطالعات نشان داده‌اند که خاک‌های مناطق حومه و شهری، نزدیک بزرگراه‌ها و در شهرهای بزرگ به دلیل انتشار گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌ها، گرمایش منازل، بارهای ترافیکی هوایی و جاده‌ای و فعالیت‌های ساختمانی، بیشتر در معرض هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) هستند (Suman و همکاران، ۲۰۱۶). (۲۰۰۸) نشان داد که PAHs در خاک نزدیک جاده‌ها در نیواورلئان، لوئیزیانا، ایالات متحده آمریکا به ۷۱۸۹ میکروگرم بر کیلوگرم می‌رسد، در حالی که در فضای باز، تنها ۲۴۰۴ میکروگرم بر کیلوگرم است. به طور مشابه، سطح PAH به میزان ۳۰۰ میکروگرم بر کیلوگرم در مناطقی نزدیک به سایت‌های گازسازی زغال سنگ در چندین شهر ایالات متحده گزارش شده است (Kanaly و Harayama، ۲۰۰۰؛ Bamforth و Singleton، ۲۰۰۵). گزارش شده است که خاک شهرهای مختلف هند مانند دهلی (شارما و همکاران، ۲۰۰۸)، آگرا (دوبی و همکاران، ۲۰۱۴)، بمبئی (کولکارنی و ونکاتارامان، ۲۰۰۰) و ویساکاپاتنام (کولکارنی و همکاران، ۲۰۱۴) حاوی غلظت بالایی از PAHs هستند. ترکیبات آروماتیک به راحتی روی ذرات خاک، مواد آلی و کانی‌های رسی جذب می‌شوند و در نتیجه به مخازن اصلی کربن در اکوسیستم‌ها تبدیل می‌شوند (سروگی، ۲۰۰۷؛ پنگ و همکاران، ۲۰۰۸). منابع اصلی PAHs در اکوسیستم‌های آبی، بارش (بارش مرطوب/خشک و بخار آب)، رواناب شهری، تخلیه فاضلاب، تغذیه آب‌های زیرزمینی و غیره است (سروگی، ۲۰۰۷). تخمین زده می‌شود که حدود ۸۰٪ از PAHs در اکوسیستم‌های دریایی از بارش، رسوب‌گذاری و تخلیه زباله حاصل می‌شوند (موتلای-ماسی و همکاران، ۲۰۰۶؛ سروگی، ۲۰۰۷). غلظت‌های بالاتر PAHها در آب‌های سطحی یا شیرابه حاصل از محل‌های دفع زباله‌های جامد در نهایت به آب‌های زیرزمینی نشت می‌کنند و تهدیدی جدی برای سلامت عمومی محسوب می‌شوند، زیرا بیش از 70 درصد از جمعیت جنوب و جنوب شرقی آسیا از آب‌های زیرزمینی می‌نوشند (Duttagupta و همکاران، 2019). مطالعه اخیر Duttagupta و همکاران (2020) در مورد تجزیه و تحلیل رودخانه‌ها (32) و آب‌های زیرزمینی (235) از بنگال غربی، هند، نشان داد که تخمین زده می‌شود 53 درصد از ساکنان شهری و 44 درصد از ساکنان روستایی (در مجموع 20 میلیون نفر) ممکن است در معرض نفتالین (4.9-10.6 میکروگرم در لیتر) و مشتقات آن قرار داشته باشند. الگوهای متفاوت استفاده از زمین و افزایش استخراج آب‌های زیرزمینی به عنوان عوامل اصلی کنترل انتقال عمودی (انتقال) PAHهای با وزن مولکولی کم در زیرسطح زمین در نظر گرفته می‌شوند. مشخص شده است که رواناب کشاورزی، تخلیه فاضلاب شهری و صنعتی و تخلیه زباله/زباله جامد تحت تأثیر PAHها در حوضه‌های رودخانه و رسوبات زیرسطحی قرار می‌گیرند. بارش جوی، آلودگی PAH را بیشتر تشدید می‌کند. غلظت‌های بالای PAHها و مشتقات آلکیل آنها (در مجموع ۵۱ مورد) در رودخانه‌ها/حوزه‌های آبخیز در سراسر جهان، مانند رودخانه فریزر، رودخانه لوآن، رودخانه دنسو، رودخانه میسوری، رودخانه آناکوستیا، رودخانه ابرو و رودخانه دلاور گزارش شده است (یونکر و همکاران، ۲۰۰۲؛ موتلی-ماسی و همکاران، ۲۰۰۶؛ لی و همکاران، ۲۰۱۰؛ آمواکو و همکاران، ۲۰۱۱؛ کیم و همکاران، ۲۰۱۸). در رسوبات حوضه رودخانه گنگ، نفتالین و فنانترن مهمترین ترکیبات بودند (در ۷۰٪ نمونه‌ها شناسایی شدند) (دوتاگوپتا و همکاران، ۲۰۱۹). علاوه بر این، مطالعات نشان داده‌اند که کلرزنی آب آشامیدنی می‌تواند منجر به تشکیل PAHهای اکسیژن‌دار و کلردار سمی‌تر شود (مانولی و سامارا، ۱۹۹۹). PAH ها در نتیجه جذب گیاهان از خاک‌های آلوده، آب‌های زیرزمینی و بارندگی در غلات، میوه‌ها و سبزیجات تجمع می‌یابند (Fismes و همکاران، ۲۰۰۲). بسیاری از موجودات آبزی مانند ماهی، صدف، صدف دوکفه‌ای و میگو از طریق مصرف غذای آلوده و آب دریا و همچنین از طریق بافت‌ها و پوست به PAH ها آلوده می‌شوند (Mackay و Fraser، ۲۰۰۰). روش‌های پخت/فرآوری مانند کباب کردن، برشته کردن، دودی کردن، سرخ کردن، خشک کردن، پخت و پخت با زغال نیز می‌تواند منجر به مقادیر قابل توجهی از PAH ها در غذا شود. این امر تا حد زیادی به انتخاب ماده دودی، محتوای هیدروکربن فنلی/آروماتیک، روش پخت، نوع بخاری، میزان رطوبت، میزان اکسیژن و دمای احتراق بستگی دارد (Guillén و همکاران، ۲۰۰۰؛ Gomes و همکاران، ۲۰۱۳). هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) نیز در شیر با غلظت‌های مختلف (۰.۷۵-۲.۱ میلی‌گرم در لیتر) شناسایی شده‌اند (Girelli و همکاران، ۲۰۱۴). تجمع این PAH ها در غذا به خواص فیزیکوشیمیایی غذا نیز بستگی دارد، در حالی که اثرات سمی آنها به عملکردهای فیزیولوژیکی، فعالیت متابولیکی، جذب، توزیع و پراکندگی بدن مربوط می‌شود (Mechini et al., 2011).
سمیت و اثرات مضر هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) مدت‌هاست که شناخته شده است (چرنیگلیا، ۱۹۸۴). هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای با وزن مولکولی کم (LMW-PAHs) (دو تا سه حلقه) می‌توانند به صورت کووالانسی به ماکرومولکول‌های مختلف مانند DNA، RNA و پروتئین‌ها متصل شوند و سرطان‌زا هستند (سانتارلی و همکاران، ۲۰۰۸). به دلیل ماهیت آبگریزی آنها، توسط غشاهای لیپیدی از هم جدا می‌شوند. در انسان، مونواکسیژنازهای سیتوکروم P450، PAHs را به اپوکسیدها اکسید می‌کنند که برخی از آنها بسیار واکنش‌پذیر هستند (به عنوان مثال، اپوکسید بادیول) و می‌توانند منجر به تبدیل سلول‌های طبیعی به سلول‌های بدخیم شوند (مارستون و همکاران، ۲۰۰۱). علاوه بر این، محصولات تبدیل PAHs مانند کینون‌ها، فنول‌ها، اپوکسیدها، دیول‌ها و غیره سمی‌تر از ترکیبات اصلی هستند. برخی از PAH ها و واسطه‌های متابولیکی آنها می‌توانند بر هورمون‌ها و آنزیم‌های مختلف در متابولیسم تأثیر بگذارند و از این طریق بر رشد، سیستم عصبی مرکزی، سیستم‌های تولید مثل و ایمنی تأثیر منفی بگذارند (Swetha and Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). گزارش شده است که قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض PAH های با وزن مولکولی کم باعث اختلال در عملکرد ریه و ترومبوز در افراد مبتلا به آسم و افزایش خطر ابتلا به سرطان‌های پوست، ریه، مثانه و دستگاه گوارش می‌شود (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). مطالعات حیوانی همچنین نشان داده است که قرار گرفتن در معرض PAH می‌تواند اثرات نامطلوبی بر عملکرد تولید مثلی و رشد داشته باشد و می‌تواند باعث آب مروارید، آسیب کلیه و کبد و زردی شود. نشان داده شده است که محصولات مختلف تبدیل زیستی PAH مانند دیول‌ها، اپوکسیدها، کینون‌ها و رادیکال‌های آزاد (کاتیون‌ها) ترکیبات افزایشی DNA را تشکیل می‌دهند. نشان داده شده است که ترکیبات پایدار، دستگاه تکثیر DNA را تغییر می‌دهند، در حالی که ترکیبات ناپایدار می‌توانند DNA را دپورینه کنند (عمدتاً به آدنین و گاهی به گوانین)؛ هر دو می‌توانند خطاهایی ایجاد کنند که منجر به جهش می‌شوند (Schweigert و همکاران، 2001). علاوه بر این، کینون‌ها (بنزو-/پان-) می‌توانند گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید کنند که باعث آسیب کشنده به DNA و سایر ماکرومولکول‌ها می‌شود و در نتیجه بر عملکرد/زنده ماندن بافت تأثیر می‌گذارد (Ewa و Danuta، 2017). گزارش شده است که قرار گرفتن مزمن در معرض غلظت‌های پایین پیرن، بیفنیل و نفتالین باعث ایجاد سرطان در حیوانات آزمایشگاهی می‌شود (Diggs و همکاران، 2012). به دلیل سمیت کشنده آنها، پاکسازی/حذف این PAH ها از مکان‌های آسیب دیده/آلوده در اولویت است.
روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلفی برای حذف PAHها از مکان‌ها/محیط‌های آلوده استفاده شده است. فرآیندهایی مانند سوزاندن، کلرزدایی، اکسیداسیون با اشعه ماوراء بنفش، تثبیت و استخراج با حلال معایب زیادی دارند، از جمله تشکیل محصولات جانبی سمی، پیچیدگی فرآیند، مسائل ایمنی و نظارتی، راندمان پایین و هزینه بالا. با این حال، تجزیه زیستی میکروبی (که زیست‌پالایی نامیده می‌شود) یک رویکرد جایگزین امیدوارکننده است که شامل استفاده از میکروارگانیسم‌ها به شکل کشت‌های خالص یا کلونی‌ها می‌شود. در مقایسه با روش‌های فیزیکی و شیمیایی، این فرآیند سازگار با محیط زیست، غیرتهاجمی، مقرون به صرفه و پایدار است. زیست‌پالایی می‌تواند در محل آسیب‌دیده (در محل) یا در یک محل آماده‌سازی‌شده‌ی خاص (خارج از محل) انجام شود و بنابراین، نسبت به روش‌های فیزیکی و شیمیایی سنتی، روش پایدارتری برای پاکسازی محسوب می‌شود (Juhasz and Naidu, 2000; Andreoni and Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
درک مراحل متابولیک میکروبی دخیل در تخریب آلاینده‌های آروماتیک، پیامدهای علمی و اقتصادی عظیمی برای پایداری اکولوژیکی و زیست‌محیطی دارد. تخمین زده می‌شود که 2.1×1018 گرم کربن (C) در رسوبات و ترکیبات آلی (یعنی نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ، یعنی سوخت‌های فسیلی) در سراسر جهان ذخیره می‌شود و سهم قابل توجهی در چرخه کربن جهانی دارد. با این حال، صنعتی شدن سریع، استخراج سوخت‌های فسیلی و فعالیت‌های انسانی، این مخازن کربن لیتوسفر را تخلیه می‌کنند و سالانه حدود 5.5×1015 گرم کربن آلی (به عنوان آلاینده) را به جو آزاد می‌کنند (Gonzalez-Gaya et al., 2019). بیشتر این کربن آلی از طریق رسوب، انتقال و رواناب وارد اکوسیستم‌های زمینی و دریایی می‌شود. علاوه بر این، آلاینده‌های مصنوعی جدید مشتق شده از سوخت‌های فسیلی، مانند پلاستیک‌ها، نرم‌کننده‌ها و تثبیت‌کننده‌های پلاستیک (فتالات‌ها و ایزومرهای آنها)، اکوسیستم‌های دریایی، خاک و آبزی و موجودات زنده آنها را به طور جدی آلوده می‌کنند و در نتیجه خطرات آب و هوایی جهانی را تشدید می‌کنند. انواع مختلفی از میکروپلاستیک‌ها، نانوپلاستیک‌ها، قطعات پلاستیکی و محصولات مونومر سمی آنها که از پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) مشتق شده‌اند، در اقیانوس آرام بین آمریکای شمالی و آسیای جنوب شرقی انباشته شده‌اند و "زباله بزرگ اقیانوس آرام" را تشکیل می‌دهند که به حیات دریایی آسیب می‌رساند (نیول و همکاران، 2020). مطالعات علمی ثابت کرده‌اند که حذف چنین آلاینده‌ها/ضایعات با هیچ روش فیزیکی یا شیمیایی امکان‌پذیر نیست. در این زمینه، مفیدترین میکروارگانیسم‌ها آن‌هایی هستند که قادر به متابولیسم اکسیداتیو آلاینده‌ها به دی‌اکسید کربن، انرژی شیمیایی و سایر محصولات جانبی غیرسمی هستند که در نهایت وارد سایر فرآیندهای چرخه مواد مغذی (H، O، N، S، P، Fe و غیره) می‌شوند. بنابراین، درک اکوفیزیولوژی میکروبی کانی‌سازی آلاینده‌های آروماتیک و کنترل زیست‌محیطی آن برای ارزیابی چرخه کربن میکروبی، بودجه خالص کربن و خطرات اقلیمی آینده بسیار مهم است. با توجه به نیاز فوری به حذف چنین ترکیباتی از محیط زیست، صنایع مختلف زیست‌محیطی با تمرکز بر فناوری‌های پاک پدیدار شده‌اند. از طرف دیگر، ارزش‌گذاری پسماندهای صنعتی/مواد شیمیایی زائد انباشته شده در اکوسیستم‌ها (یعنی رویکرد تبدیل پسماند به ثروت) به عنوان یکی از ارکان اقتصاد چرخشی و اهداف توسعه پایدار در نظر گرفته می‌شود (Close et al., 2012). بنابراین، درک جنبه‌های متابولیکی، آنزیمی و ژنتیکی این کاندیداهای بالقوه تخریب، برای حذف و زیست‌پالایی مؤثر چنین آلاینده‌های آروماتیکی از اهمیت بالایی برخوردار است.
در میان بسیاری از آلاینده‌های آروماتیک، ما توجه ویژه‌ای به PAH های با وزن مولکولی کم مانند نفتالین و نفتالین‌های جایگزین داریم. این ترکیبات اجزای اصلی سوخت‌های مشتق شده از نفت، رنگ‌های نساجی، محصولات مصرفی، آفت‌کش‌ها (توپ‌های پروانه‌ای و مواد دافع حشرات)، نرم‌کننده‌ها و تانن‌ها هستند و بنابراین در بسیاری از اکوسیستم‌ها گسترده هستند (Preuss و همکاران، 2003). گزارش‌های اخیر، تجمع غلظت‌های نفتالین را در رسوبات سفره‌های آب زیرزمینی، خاک‌های زیرزمینی و زیرسطحی، مناطق وادوز و بستر رودخانه‌ها برجسته می‌کنند که نشان‌دهنده تجمع زیستی آن در محیط زیست است (Duttagupta و همکاران، 2019، 2020). جدول 2 خواص فیزیکوشیمیایی، کاربردها و اثرات بهداشتی نفتالین و مشتقات آن را خلاصه می‌کند. در مقایسه با سایر PAH های با وزن مولکولی بالا، نفتالین و مشتقات آن کمتر آبگریز، بیشتر محلول در آب و به طور گسترده در اکوسیستم‌ها توزیع شده‌اند، بنابراین اغلب به عنوان سوبستراهای مدل برای مطالعه متابولیسم، ژنتیک و تنوع متابولیکی PAH ها استفاده می‌شوند. تعداد زیادی از میکروارگانیسم‌ها قادر به متابولیزه کردن نفتالین و مشتقات آن هستند و اطلاعات جامعی در مورد مسیرهای متابولیکی، آنزیم‌ها و ویژگی‌های تنظیمی آنها در دسترس است (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). علاوه بر این، نفتالین و مشتقات آن به دلیل فراوانی و فراهمی زیستی بالا، به عنوان ترکیبات نمونه اولیه برای ارزیابی آلودگی محیط زیست تعیین می‌شوند. آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده تخمین می‌زند که میانگین سطح نفتالین 5.19 میکروگرم در هر متر مکعب از دود سیگار، عمدتاً از احتراق ناقص، و 7.8 تا 46 میکروگرم از دود جانبی است، در حالی که قرار گرفتن در معرض کرئوزوت و نفتالین 100 تا 10000 برابر بیشتر است (Preuss et al. 2003). به طور خاص، مشخص شده است که نفتالین دارای سمیت تنفسی و سرطان‌زایی مختص گونه، منطقه و جنس است. بر اساس مطالعات حیوانی، آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان (IARC) نفتالین را به عنوان یک «عامل سرطان‌زای احتمالی برای انسان» (گروه 2B) طبقه‌بندی کرده است. قرار گرفتن در معرض نفتالین‌های جایگزین، عمدتاً از طریق استنشاق یا تجویز تزریقی (خوراکی)، باعث آسیب بافت ریه و افزایش بروز تومورهای ریه در موش‌های صحرایی و موش‌های خانگی می‌شود (برنامه ملی سم‌شناسی 2). اثرات حاد شامل تهوع، استفراغ، درد شکم، اسهال، سردرد، گیجی، تعریق شدید، تب، تاکی‌کاردی و غیره است. از سوی دیگر، گزارش شده است که حشره‌کش کارباماتی وسیع‌الطیف کارباریل (1-نفتیل N-متیل کاربامات) برای بی‌مهرگان آبزی، دوزیستان، زنبورهای عسل و انسان‌ها سمی است و نشان داده شده است که استیل کولین استراز را مهار می‌کند و باعث فلج می‌شود (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011). بنابراین، درک مکانیسم‌های تجزیه میکروبی، تنظیم ژنتیکی، واکنش‌های آنزیمی و سلولی برای توسعه استراتژی‌های زیست‌پالایی در محیط‌های آلوده بسیار مهم است.
جدول 2. اطلاعات دقیق در مورد خواص فیزیکوشیمیایی، کاربردها، روش‌های شناسایی و بیماری‌های مرتبط با نفتالین و مشتقات آن.
در زیستگاه‌های آلوده، آلاینده‌های آروماتیک آبگریز و لیپوفیل می‌توانند اثرات سلولی متنوعی بر میکروبیوم محیطی (جامعه) ایجاد کنند، مانند تغییرات در سیالیت غشا، نفوذپذیری غشا، تورم دولایه لیپیدی، اختلال در انتقال انرژی (زنجیره انتقال الکترون/نیروی محرک پروتون) و فعالیت پروتئین‌های مرتبط با غشا (Sikkema و همکاران، ۱۹۹۵). علاوه بر این، برخی از واسطه‌های محلول مانند کاتکول‌ها و کینون‌ها گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید می‌کنند و با DNA و پروتئین‌ها ترکیبات افزایشی تشکیل می‌دهند (Penning و همکاران، ۱۹۹۹). بنابراین، فراوانی چنین ترکیباتی در اکوسیستم‌ها، فشار انتخابی بر جوامع میکروبی وارد می‌کند تا در سطوح مختلف فیزیولوژیکی، از جمله جذب/انتقال، تبدیل درون سلولی، جذب/استفاده و بخش‌بندی، به تجزیه‌کننده‌های کارآمد تبدیل شوند.
جستجوی پروژه پایگاه داده ریبوزومی-II (RDP-II) نشان داد که در مجموع 926 گونه باکتریایی از محیط‌های کشت یا کشت‌های غنی‌سازی آلوده به نفتالین یا مشتقات آن جدا شده‌اند. گروه پروتئوباکتریا بیشترین تعداد نماینده (755 = n) را داشت و پس از آن فیرمیکوت‌ها (52)، باکتروئیدت‌ها (43)، اکتینوباکتریا (39)، تنریکوت‌ها (10) و باکتری‌های طبقه‌بندی نشده (8) قرار داشتند (شکل 2). نمایندگان γ-پروتئوباکتریا (سودومونادال‌ها و زانتومونادال‌ها) بر همه گروه‌های گرم منفی با محتوای G+C بالا (54٪) غالب بودند، در حالی که کلستریدیال‌ها و باسیلال‌ها (30٪) گروه‌های گرم مثبت با محتوای G+C پایین بودند. گزارش شده است که سودوموناس‌ها (بیشترین تعداد، ۳۳۸ گونه) قادر به تجزیه نفتالین و مشتقات متیل آن در اکوسیستم‌های آلوده مختلف (قطران زغال سنگ، نفت، نفت خام، لجن، نشت نفت، فاضلاب، زباله‌های آلی و محل‌های دفن زباله) و همچنین در اکوسیستم‌های دست نخورده (خاک، رودخانه‌ها، رسوبات و آب‌های زیرزمینی) هستند (شکل ۲). علاوه بر این، مطالعات غنی‌سازی و تجزیه و تحلیل متاژنومیک برخی از این مناطق نشان داد که گونه‌های لژیونلا و کلستریدیوم کشت نشده ممکن است ظرفیت تجزیه‌پذیری داشته باشند، که نشان‌دهنده نیاز به کشت این باکتری‌ها برای مطالعه مسیرهای جدید و تنوع متابولیکی است.
شکل 2. تنوع طبقه‌بندی و توزیع اکولوژیکی نمایندگان باکتریایی در محیط‌های آلوده به نفتالین و مشتقات نفتالین.
در میان میکروارگانیسم‌های مختلف تجزیه‌کننده هیدروکربن‌های آروماتیک، اکثر آنها قادر به تجزیه نفتالین به عنوان تنها منبع کربن و انرژی هستند. توالی وقایع دخیل در متابولیسم نفتالین برای گونه‌های سودوموناس شرح داده شده است. (گونه‌های: NCIB 9816-4، G7، AK-5، PMD-1 و CSV86)، سودوموناس استوتزری AN10، سودوموناس فلورسنس PC20 و سایر گونه‌ها (ND6 و AS1) (Mahajan و همکاران، 1994؛ Resnick و همکاران، 1996؛ Annweiler و همکاران، 2000؛ Basu و همکاران، 2003؛ Dennis و Zylstra، 2004؛ Sota و همکاران، 2006). متابولیسم توسط یک دی‌اکسیژناز چند جزئی [نفتالین دی‌اکسیژناز (NDO)، یک دی‌اکسیژناز هیدروکسیله‌کننده حلقه] آغاز می‌شود که اکسیداسیون یکی از حلقه‌های آروماتیک نفتالین را با استفاده از اکسیژن مولکولی به عنوان سوبسترای دیگر کاتالیز می‌کند و نفتالین را به سیس-نفتالین‌دیول تبدیل می‌کند (شکل 3). سیس-دی‌هیدرودیول به ۱،۲-دی‌هیدروکسی‌نفتالین توسط یک دهیدروژناز. یک دی‌اکسیژناز حلقه‌شکن، ۱،۲-دی‌هیدروکسی‌نفتالین دی‌اکسیژناز (12DHNDO)، ۱،۲-دی‌هیدروکسی‌نفتالین را به ۲-هیدروکسی‌کرومن-۲-کربوکسیلیک اسید تبدیل می‌کند. ایزومریزاسیون آنزیمی سیس-ترانس، ترانس-o-هیدروکسی‌بنزیلیدین‌پیرووات تولید می‌کند که توسط هیدراتاز آلدولاز به سالیسیلیک آلدهید و پیرووات شکسته می‌شود. اسید آلی پیرووات اولین ترکیب C3 بود که از اسکلت کربنی نفتالین مشتق شد و به مسیر کربن مرکزی هدایت شد. علاوه بر این، سالیسیل‌آلدئید دهیدروژناز وابسته به NAD+، سالیسیل‌آلدئید را به سالیسیلیک اسید تبدیل می‌کند. متابولیسم در این مرحله "مسیر بالایی" تجزیه نفتالین نامیده می‌شود. این مسیر در اکثر باکتری‌های تجزیه‌کننده نفتالین بسیار رایج است. با این حال، چند استثنا وجود دارد؛ به عنوان مثال، در باسیلوس هامبورگی ترموفیلیک 2، تجزیه نفتالین توسط نفتالین 2،3-دی اکسیژناز آغاز می‌شود و 2،3-دی هیدروکسی نفتالین را تشکیل می‌دهد (Annweiler و همکاران، 2000).
شکل ۳. مسیرهای تجزیه نفتالین، متیل نفتالین، نفتوئیک اسید و کارباریل. اعداد دایره‌ای نشان دهنده آنزیم‌هایی هستند که مسئول تبدیل متوالی نفتالین و مشتقات آن به محصولات بعدی هستند. ۱ - نفتالین دی‌اکسیژناز (NDO)؛ ۲، سیس-دی‌هیدرودیول دهیدروژناز؛ ۳، ۱،۲-دی‌هیدروکسی نفتالین دی‌اکسیژناز؛ ۴، ۲-هیدروکسی‌کرومن-۲-کربوکسیلیک اسید ایزومراز؛ ۵، ترانس-O-هیدروکسی‌بنزیلیدین‌پیرووات هیدراتاز آلدولاز؛ ۶، سالیسیل‌آلدئید دهیدروژناز؛ ۷، سالیسیلات ۱-هیدروکسیلاز؛ ۸، کاتکول ۲،۳-دی‌اکسیژناز (C23DO)؛ ۹، ۲-هیدروکسی موکونات سمی‌آلدهید دهیدروژناز؛ ۱۰، ۲-اکسوپنت-۴-انوآت هیدراتاز؛ ۱۱، ۴-هیدروکسی-۲-اکسوپنتانوات آلدولاز؛ ۱۲، استالدهید دهیدروژناز؛ ۱۳، کاتکول-۱،۲-دی‌اکسیژناز (C12DO)؛ ۱۴، موکونات سیکلوایزومراز؛ ۱۵، موکونولاکتون دلتا-ایزومراز؛ ۱۶، بتا-کتوآدیپاتنولاکتون هیدرولاز؛ ۱۷، بتا-کتوآدیپات سوکسینیل-کوآ ترانسفراز؛ ۱۸، بتا-کتوآدیپات-کوآ تیولاز؛ ۱۹، سوکسینیل-کوآ: استیل-کوآ سوکسینیل ترانسفراز؛ ۲۰، سالیسیلات ۵-هیدروکسیلاز؛ ۲۱ – جنتیسات ۱،۲-دی‌اکسیژناز (GDO)؛ ۲۲، مالئیل پیرووات ایزومراز؛ ۲۳، فوماریل پیرووات هیدرولاز؛ ۲۴، متیل نفتالین هیدروکسیلاز (NDO)؛ ۲۵، هیدروکسی متیل نفتالین دهیدروژناز؛ ۲۶، نفتالدهید دهیدروژناز؛ ۲۷، ۳-فرمیل سالیسیلیک اسید اکسیداز؛ ۲۸، هیدروکسی ایزوفتالات دکربوکسیلاز؛ ۲۹، کارباریل هیدرولاز (CH)؛ ۳۰، ۱-نفتول-۲-هیدروکسیلاز.
بسته به ارگانیسم و ​​ساختار ژنتیکی آن، اسید سالیسیلیک حاصل یا از طریق مسیر کاتکول با استفاده از سالیسیلات 1-هیدروکسیلاز (S1H) یا از طریق مسیر جنتیسات با استفاده از سالیسیلات 5-هیدروکسیلاز (S5H) متابولیزه می‌شود (شکل 3). از آنجایی که اسید سالیسیلیک واسطه اصلی در متابولیسم نفتالین (مسیر بالایی) است، مراحل از اسید سالیسیلیک تا واسطه TCA اغلب به عنوان مسیر پایینی شناخته می‌شوند و ژن‌ها در یک اپرون واحد سازماندهی می‌شوند. معمولاً مشاهده می‌شود که ژن‌های اپرون مسیر بالایی (nah) و اپرون مسیر پایینی (sal) توسط عوامل تنظیمی مشترک تنظیم می‌شوند. به عنوان مثال، NahR و اسید سالیسیلیک به عنوان القاکننده عمل می‌کنند و به هر دو اپرون اجازه می‌دهند نفتالین را به طور کامل متابولیزه کنند (Phale et al., 2019, 2020).
علاوه بر این، کاتکول به صورت چرخه‌ای از طریق مسیر متا توسط کاتکول 2،3-دی‌اکسیژناز (C23DO) به 2-هیدروکسی موکونات سمی‌آلدهید شکسته می‌شود (ین و همکاران، 1988) و سپس توسط 2-هیدروکسی موکونات سمی‌آلدهید هیدرولاز هیدرولیز شده و 2-هیدروکسی‌پنت-2،4-دی‌انوئیک اسید تشکیل می‌شود. سپس 2-هیدروکسی‌پنت-2،4-دی‌انوات توسط یک هیدراتاز (2-اکسوپنت-4-انوآت هیدراتاز) و یک آلدولاز (4-هیدروکسی-2-اکسوپنتانوآت آلدولاز) به پیروات و استالدهید تبدیل شده و سپس وارد مسیر کربن مرکزی می‌شود (شکل 3). به عنوان یک جایگزین، کاتکول به صورت چرخه‌ای از طریق مسیر ارتو توسط کاتکول 1،2-اکسیژناز (C12DO) به سیس،سیس-موکونات شکسته می‌شود. سیکلوایزومراز موکونات، ایزومراز موکونولاکتون و هیدرولاز بتا-کتوآدیپات-نولاکتون، سیس، سیس-موکونات را به 3-اکسوآدیپات تبدیل می‌کنند که از طریق سوکسینیل-CoA و استیل-CoA وارد مسیر کربن مرکزی می‌شود (نوزاکی و همکاران، 1968) (شکل 3).
در مسیر جنتیسات (2،5-دی هیدروکسی بنزوات)، حلقه آروماتیک توسط جنتیسات 1،2-دی اکسیژناز (GDO) شکسته می‌شود تا مالیل پیرووات تشکیل شود. این محصول می‌تواند مستقیماً به پیرووات و مالات هیدرولیز شود، یا می‌تواند ایزومریزه شود تا فوماریل پیرووات تشکیل شود که سپس می‌تواند به پیرووات و فومارات هیدرولیز شود (Larkin and Day, 1986). انتخاب مسیر جایگزین در باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت در سطوح بیوشیمیایی و ژنتیکی مشاهده شده است (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). باکتری‌های گرم منفی (سودوموناس) ترجیح می‌دهند از اسید سالیسیلیک، که القاکننده متابولیسم نفتالین است، استفاده کنند و آن را با استفاده از سالیسیلات 1-هیدروکسیلاز به کاتکول دکربوکسیله کنند (Gibson and Subramanian, 1984). از سوی دیگر، در باکتری‌های گرم مثبت (رودوکوکوس)، سالیسیلات 5-هیدروکسیلاز، اسید سالیسیلیک را به اسید جنتیسیک تبدیل می‌کند، در حالی که اسید سالیسیلیک هیچ اثر القایی بر رونویسی ژن‌های نفتالین ندارد (Grund et al., 1992) (شکل 3).
گزارش شده است که گونه‌هایی مانند Pseudomonas CSV86، Oceanobacterium NCE312، Marinhomonas naphthotrophicus، Sphingomonas paucimobilis 2322، Vibrio cyclotrophus، Pseudomonas fluorescens LP6a، گونه‌های Pseudomonas و Mycobacterium می‌توانند مونومتیل نفتالین یا دی‌متیل نفتالین را تجزیه کنند (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). در میان آنها، مسیر تجزیه 1-متیل نفتالین و 2-متیل نفتالین توسط Pseudomonas sp. CSV86 به وضوح در سطوح بیوشیمیایی و آنزیمی مورد مطالعه قرار گرفته است (Mahajan et al., 1994). 1-متیل نفتالین از طریق دو مسیر متابولیزه می‌شود. ابتدا، حلقه آروماتیک هیدروکسیله می‌شود (حلقه بدون جانشین متیل نفتالین) تا سیس-1،2-دی هیدروکسی-1،2-دی هیدرو-8-متیل نفتالین تشکیل شود که بیشتر به متیل سالیسیلات و متیل کاتکول اکسید می‌شود و سپس پس از شکستن حلقه وارد مسیر کربن مرکزی می‌شود (شکل 3). این مسیر "مسیر منبع کربن" نامیده می‌شود. در "مسیر سم‌زدایی" دوم، گروه متیل می‌تواند توسط NDO هیدروکسیله شود تا 1-هیدروکسی متیل نفتالین تشکیل شود که بیشتر به 1-اسید نفتوئیک اکسید شده و به عنوان یک محصول نهایی به محیط کشت دفع می‌شود. مطالعات نشان داده‌اند که سویه CSV86 قادر به رشد روی 1-و2-اسید نفتوئیک به عنوان تنها منبع کربن و انرژی نیست و این امر مسیر سم‌زدایی آن را تأیید می‌کند (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). در 2-متیل نفتالن، گروه متیل توسط هیدروکسیلاز هیدروکسیلاسیون شده و 2-هیدروکسی متیل نفتالن را تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، حلقه بدون جانشین حلقه نفتالن، هیدروکسیلاسیون حلقه را انجام داده و یک دی هیدرودیول تشکیل می‌دهد که در یک سری واکنش‌های کاتالیز شده توسط آنزیم به 4-هیدروکسی متیل کاتکول اکسید شده و از طریق مسیر برش متا-حلقه وارد مسیر کربن مرکزی می‌شود. به طور مشابه، گزارش شده است که S. paucimobilis 2322 از NDO برای هیدروکسیله کردن 2-متیل نفتالن استفاده می‌کند که بیشتر اکسید شده و متیل سالیسیلات و متیل کاتکول را تشکیل می‌دهد (Dutta و همکاران، 1998).
اسیدهای نفتوئیک (جایگزین‌شده/جایگزین‌نشده) محصولات جانبی سم‌زدایی/زیست‌دگرگونی هستند که در طول تجزیه متیل‌نفتالین، فنانترن و آنتراسن تشکیل شده و در محیط کشت مصرف‌شده آزاد می‌شوند. گزارش شده است که جدایه خاک Stenotrophomonas maltophilia CSV89 قادر به متابولیزه کردن 1-نفتوئیک اسید به عنوان منبع کربن است (Phale و همکاران، 1995). متابولیسم با دی‌هیدروکسیلاسیون حلقه آروماتیک برای تشکیل 1،2-دی‌هیدروکسی-8-کربوکسی‌نفتالین آغاز می‌شود. دیول حاصل از طریق 2-هیدروکسی-3-کربوکسی‌بنزیلیدین‌پیرووات، 3-فرمیل‌سالیسیلیک اسید، 2-هیدروکسی‌ایزوفتالیک اسید و سالیسیلیک اسید به کاتکول اکسید می‌شود و از طریق مسیر شکافت متا-حلقه وارد مسیر کربن مرکزی می‌شود (شکل 3).
کارباریل یک آفت‌کش نفتیل کاربامات است. از زمان انقلاب سبز در هند در دهه 1970، استفاده از کودهای شیمیایی و آفت‌کش‌ها منجر به افزایش انتشار هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAH) از منابع غیرنقطه‌ای کشاورزی شده است (پینگالی، 2012؛ دوتاگوپتا و همکاران، 2020). تخمین زده می‌شود که 55٪ (85722000 هکتار) از کل زمین‌های کشاورزی در هند با آفت‌کش‌های شیمیایی تیمار می‌شوند. در طول پنج سال گذشته (2015-2020)، بخش کشاورزی هند سالانه به طور متوسط ​​55000 تا 60000 تن آفت‌کش استفاده کرده است (وزارت تعاون و رفاه کشاورزان، وزارت کشاورزی، دولت هند، آگوست 2020). در دشت‌های شمالی و مرکزی گنگ (ایالت‌هایی با بیشترین جمعیت و تراکم جمعیت)، استفاده از آفت‌کش‌ها برای محصولات کشاورزی گسترده است و حشره‌کش‌ها غالب هستند. کارباریل (1-نفتیل-N-متیل کاربامات) یک حشره‌کش کارباماتی با طیف اثر وسیع و سمیت متوسط ​​تا زیاد است که در کشاورزی هند با میانگین مصرف 100 تا 110 تن استفاده می‌شود. این حشره‌کش معمولاً با نام تجاری Sevin فروخته می‌شود و برای کنترل حشرات (شته‌ها، مورچه‌های آتشین، کک‌ها، کنه‌ها، عنکبوت‌ها و بسیاری دیگر از آفات فضای باز) که انواع محصولات کشاورزی (ذرت، سویا، پنبه، میوه‌ها و سبزیجات) را تحت تأثیر قرار می‌دهند، استفاده می‌شود. برخی از میکروارگانیسم‌ها مانند سودوموناس (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1)، رودوکوکوس (NCIB 12038)، گونه‌های اسفینگوباکتریوم (CF06)، بورخولدریا (C3)، میکروکوکوس و آرتروباکتر نیز می‌توانند برای کنترل سایر آفات استفاده شوند. گزارش شده است که RC100 می‌تواند کارباریل را تجزیه کند (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). مسیر تجزیه کارباریل به طور گسترده در سطوح بیوشیمیایی، آنزیمی و ژنتیکی در جدایه‌های خاک Pseudomonas sp. Strains C4، C5 و C6 مورد مطالعه قرار گرفته است (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (شکل 3). مسیر متابولیکی با هیدرولیز پیوند استر توسط کارباریل هیدرولاز (CH) برای تشکیل 1-نفتول، متیل آمین و دی اکسید کربن آغاز می‌شود. سپس ۱-نفتول توسط ۱-نفتول هیدروکسیلاز (1-NH) به ۱،۲-دی‌هیدروکسی‌نفتالین تبدیل می‌شود که از طریق مسیر کربن مرکزی و از طریق سالیسیلات و جنتیسات متابولیزه می‌شود. گزارش شده است که برخی از باکتری‌های تجزیه‌کننده کارباریل، آن را از طریق شکستن حلقه ارتو کاتکول به اسید سالیسیلیک متابولیزه می‌کنند (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991). نکته قابل توجه این است که باکتری‌های تجزیه‌کننده نفتالین در درجه اول اسید سالیسیلیک را از طریق کاتکول متابولیزه می‌کنند، در حالی که باکتری‌های تجزیه‌کننده کارباریل ترجیح می‌دهند اسید سالیسیلیک را از طریق مسیر جنتیسات متابولیزه کنند.
مشتقات نفتالین سولفونیک اسید/دی سولفونیک اسید و نفتیل آمین سولفونیک اسید می‌توانند به عنوان واسطه در تولید رنگ‌های آزو، عوامل مرطوب‌کننده، پراکنده‌کننده‌ها و غیره استفاده شوند. اگرچه این ترکیبات سمیت کمی برای انسان دارند، اما ارزیابی‌های سمیت سلولی نشان داده است که برای ماهی‌ها، دافنی‌ها و جلبک‌ها کشنده هستند (Greim و همکاران، 1994). گزارش شده است که نمایندگان جنس سودوموناس (سویه‌های A3، C22) متابولیسم را با هیدروکسیلاسیون مضاعف حلقه آروماتیک حاوی گروه اسید سولفونیک برای تشکیل یک دی هیدرودیول آغاز می‌کنند که بعداً با تجزیه خود به خودی گروه سولفیت به 1،2-دی هیدروکسی نفتالن تبدیل می‌شود (Brilon و همکاران، 1981). 1،2-دی هیدروکسی نفتالن حاصل از طریق مسیر کلاسیک نفتالن، یعنی مسیر کاتکول یا جنتیسات، کاتابولیزه می‌شود (شکل 4). نشان داده شده است که آمینونفتالن سولفونیک اسید و هیدروکسی نفتالن سولفونیک اسید می‌توانند توسط کنسرسیوم‌های باکتریایی مختلط با مسیرهای کاتابولیک مکمل به طور کامل تجزیه شوند (Nortemann و همکاران، ۱۹۸۶). نشان داده شده است که یکی از اعضای کنسرسیوم، آمینونفتالن سولفونیک اسید یا هیدروکسی نفتالن سولفونیک اسید را با ۱،۲-دی‌اکسیژناسیون گوگردزدایی می‌کند، در حالی که آمینوسالیسیلات یا هیدروکسی سالیسیلات به عنوان یک متابولیت بن‌بست در محیط کشت آزاد می‌شود و متعاقباً توسط سایر اعضای کنسرسیوم جذب می‌شود. نفتالن‌دی‌سولفونیک اسید نسبتاً قطبی است اما زیست‌تخریب‌پذیری ضعیفی دارد و بنابراین می‌تواند از طریق مسیرهای مختلف متابولیزه شود. اولین گوگردزدایی در طول دی‌هیدروکسیلاسیون ناحیه‌گزین حلقه آروماتیک و گروه اسید سولفونیک رخ می‌دهد. دومین گوگردزدایی در طول هیدروکسیلاسیون 5-سولفوسالیسیلیک اسید توسط سالیسیلیک اسید 5-هیدروکسیلاز برای تشکیل جنتیسیک اسید رخ می‌دهد که وارد مسیر کربن مرکزی می‌شود (بریلون و همکاران، 1981) (شکل 4). آنزیم‌های مسئول تجزیه نفتالین، مسئول متابولیسم نفتالین سولفونات نیز هستند (بریلون و همکاران، 1981؛ کک و همکاران، 2006).
شکل ۴. مسیرهای متابولیکی برای تجزیه نفتالین سولفونات. اعداد داخل دایره‌ها نشان دهنده آنزیم‌های مسئول متابولیسم نفتالین سولفونات هستند که مشابه/یکسان با آنزیم‌های شرح داده شده در شکل ۳ می‌باشند.
PAH های با وزن مولکولی پایین (LMW-PAHs) قابل احیا، آبگریز و کم محلول هستند و بنابراین مستعد تجزیه/تجزیه طبیعی نیستند. با این حال، میکروارگانیسم‌های هوازی قادر به اکسید کردن آن با جذب اکسیژن مولکولی (O2) هستند. این آنزیم‌ها عمدتاً متعلق به دسته اکسیدوردوکتازها هستند و می‌توانند واکنش‌های مختلفی مانند هیدروکسیلاسیون حلقه آروماتیک (مونو یا دی هیدروکسیلاسیون)، دهیدروژناسیون و شکافت حلقه آروماتیک را انجام دهند. محصولات حاصل از این واکنش‌ها در حالت اکسیداسیون بالاتری قرار دارند و به راحتی از طریق مسیر کربن مرکزی متابولیزه می‌شوند (Phale و همکاران، 2020). گزارش شده است که آنزیم‌های موجود در مسیر تخریب القایی هستند. فعالیت این آنزیم‌ها هنگامی که سلول‌ها روی منابع کربن ساده مانند گلوکز یا اسیدهای آلی رشد می‌کنند، بسیار کم یا ناچیز است. جدول 3 آنزیم‌های مختلف (اکسیژنازها، هیدرولازها، دهیدروژنازها، اکسیدازها و غیره) دخیل در متابولیسم نفتالین و مشتقات آن را خلاصه می‌کند.
جدول 3. ویژگی‌های بیوشیمیایی آنزیم‌های مسئول تجزیه نفتالین و مشتقات آن.
مطالعات رادیوایزوتوپ (18O2) نشان داده است که ادغام O2 مولکولی در حلقه‌های آروماتیک توسط اکسیژنازها، مهمترین مرحله در فعال‌سازی تجزیه زیستی بیشتر یک ترکیب است (هایایشی و همکاران، 1955؛ ماسون و همکاران، 1955). ادغام یک اتم اکسیژن (O) از اکسیژن مولکولی (O2) در سوبسترا توسط مونواکسیژنازهای درون‌زا یا برون‌زا (که هیدروکسیلاز نیز نامیده می‌شوند) آغاز می‌شود. اتم اکسیژن دیگر به آب احیا می‌شود. مونواکسیژنازهای برون‌زا، فلاوین را با NADH یا NADPH احیا می‌کنند، در حالی که در اندومونواکسیژنازها، فلاوین توسط سوبسترا احیا می‌شود. موقعیت هیدروکسیلاسیون منجر به تنوع در تشکیل محصول می‌شود. به عنوان مثال، سالیسیلات 1-هیدروکسیلاز، اسید سالیسیلیک را در موقعیت C1 هیدروکسیله می‌کند و کاتکول تشکیل می‌دهد. از سوی دیگر، سالیسیلات 5-هیدروکسیلاز چند جزئی (حاوی زیر واحدهای ردوکتاز، فریدوکسین و اکسیژناز) اسید سالیسیلیک را در موقعیت C5 هیدروکسیله می‌کند و اسید جنتیسیک را تشکیل می‌دهد (یاماموتو و همکاران، 1965).
دی‌اکسیژنازها دو اتم O2 را در سوبسترا جای می‌دهند. بسته به محصولات تشکیل شده، آنها به دی‌اکسیژنازهای هیدروکسیل‌کننده حلقه و دی‌اکسیژنازهای شکافنده حلقه تقسیم می‌شوند. دی‌اکسیژنازهای هیدروکسیل‌کننده حلقه، سوبستراهای آروماتیک را به سیس-دی‌هیدرودیول‌ها (مثلاً نفتالین) تبدیل می‌کنند و در بین باکتری‌ها گسترده هستند. تا به امروز، نشان داده شده است که ارگانیسم‌های حاوی دی‌اکسیژنازهای هیدروکسیل‌کننده حلقه قادر به رشد روی منابع کربن آروماتیک مختلف هستند و این آنزیم‌ها به عنوان NDO (نفتالین)، تولوئن دی‌اکسیژناز (TDO، تولوئن) و بیفنیل دی‌اکسیژناز (BPDO، بیفنیل) طبقه‌بندی می‌شوند. هم NDO و هم BPDO می‌توانند اکسیداسیون دوگانه و هیدروکسیلاسیون زنجیره جانبی هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای مختلف (تولوئن، نیتروتولوئن، زایلن، اتیل بنزن، نفتالین، بی فنیل، فلورن، ایندول، متیل نفتالین، نفتالین سولفونات، فنانترن، آنتراسن، استوفنون و غیره) را کاتالیز کنند (Boyd and Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO یک سیستم چند جزئی است که از یک اکسیدوردوکتاز، یک فریدوکسین و یک جزء اکسیژناز حاوی جایگاه فعال تشکیل شده است (Gibson and Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). واحد کاتالیزوری NDO از یک زیر واحد بزرگ α و یک زیر واحد کوچک β تشکیل شده است که به صورت α3β3 قرار گرفته‌اند. NDO متعلق به خانواده بزرگی از اکسیژنازها است و زیر واحد α آن حاوی یک جایگاه ریسکه [2Fe-2S] و یک آهن تک هسته‌ای غیرهم است که ویژگی سوبسترای NDO را تعیین می‌کند (Parales و همکاران، 1998). به طور معمول، در یک چرخه کاتالیزوری، دو الکترون از احیای نوکلئوتید پیریدین از طریق یک ردوکتاز، یک فریدوکسین و یک جایگاه ریسکه به یون Fe(II) در جایگاه فعال منتقل می‌شوند. معادل‌های احیاکننده، اکسیژن مولکولی را فعال می‌کنند که پیش‌نیاز دی‌هیدروکسیلاسیون سوبسترا است (Ferraro و همکاران، 2005). تا به امروز، تنها تعداد کمی از NDOها از سویه‌های مختلف خالص‌سازی و به طور مفصل مشخص شده‌اند و کنترل ژنتیکی مسیرهای دخیل در تجزیه نفتالین به طور مفصل مورد مطالعه قرار گرفته است (Resnick و همکاران، 1996؛ Parales و همکاران، 1998؛ Karlsson و همکاران، 2003). دی‌اکسیژنازهای حلقه‌شکن (آنزیم‌های حلقه‌شکن اندو یا ارتو و آنزیم‌های حلقه‌شکن اگزودیول یا متا) بر روی ترکیبات آروماتیک هیدروکسیله‌شده عمل می‌کنند. به عنوان مثال، دی‌اکسیژناز حلقه‌شکن ارتو، کاتکول-1،2-دی‌اکسیژناز است، در حالی که دی‌اکسیژناز حلقه‌شکن متا، کاتکول-2،3-دی‌اکسیژناز است (کوجیما و همکاران، 1961؛ نوزاکی و همکاران، 1968). علاوه بر اکسیژنازهای مختلف، دهیدروژنازهای مختلفی نیز وجود دارند که مسئول دهیدروژناسیون دی‌هیدرودیول‌های آروماتیک، الکل‌ها و آلدهیدها و استفاده از NAD+/NADP+ به عنوان پذیرنده الکترون هستند که از جمله آنزیم‌های مهم دخیل در متابولیسم می‌باشند (گیبسون و سوبرامانیان، 1984؛ شاو و هارایاما، 1990؛ فاله و همکاران، 2020).
آنزیم‌هایی مانند هیدرولازها (استرازها، آمیدازها) دومین دسته مهم آنزیم‌ها هستند که از آب برای شکستن پیوندهای کووالانسی استفاده می‌کنند و اختصاصیت گسترده‌ای برای سوبسترا نشان می‌دهند. کارباریل هیدرولاز و سایر هیدرولازها به عنوان اجزای پری‌پلاسم (غشاء عبوری) در اعضای باکتری‌های گرم منفی در نظر گرفته می‌شوند (Kamini و همکاران، ۲۰۱۸). کارباریل هم پیوند آمیدی و هم پیوند استری دارد؛ بنابراین، می‌تواند توسط استراز یا آمیداز هیدرولیز شود و ۱-نفتول تشکیل دهد. گزارش شده است که کارباریل در سویه ریزوبیوم ریزوبیوم AC10023 و سویه آرتروباکتر RC100 به ترتیب به عنوان استراز و آمیداز عمل می‌کند. کارباریل در سویه آرتروباکتر RC100 نیز به عنوان آمیداز عمل می‌کند. نشان داده شده است که RC100 چهار حشره‌کش از کلاس N-متیل کاربامات مانند کارباریل، متومیل، مفنامیک اسید و XMC را هیدرولیز می‌کند (Hayaatsu و همکاران، 2001). گزارش شده است که CH در Pseudomonas sp. C5pp می‌تواند روی کارباریل (با فعالیت 100٪) و 1-نفتیل استات (با فعالیت 36٪) اثر کند، اما روی 1-نفتیل استامید اثر ندارد، که نشان می‌دهد این ماده یک استراز است (Trivedi و همکاران، 2016).
مطالعات بیوشیمیایی، الگوهای تنظیم آنزیم و تجزیه و تحلیل ژنتیکی نشان داده‌اند که ژن‌های تجزیه نفتالین از دو واحد تنظیمی القایی یا "اپرون" تشکیل شده‌اند: nah ("مسیر بالادستی"، که نفتالین را به اسید سالیسیلیک تبدیل می‌کند) و sal ("مسیر پایین‌دستی"، که اسید سالیسیلیک را از طریق کاتکول به مسیر کربن مرکزی تبدیل می‌کند). اسید سالیسیلیک و آنالوگ‌های آن می‌توانند به عنوان القاکننده عمل کنند (Shamsuzzaman and Barnsley, 1974). در حضور گلوکز یا اسیدهای آلی، اپرون سرکوب می‌شود. شکل 5 سازماندهی ژنتیکی کامل تجزیه نفتالین (به شکل اپرون) را نشان می‌دهد. چندین نوع/فرم نامگذاری شده از ژن nah (ndo/pah/dox) شرح داده شده و مشخص شده است که در بین تمام گونه‌های سودوموناس، همسانی توالی بالایی (90٪) دارند (Abbasian et al., 2016). ژن‌های مسیر بالادستی نفتالین عموماً به ترتیب اجماعی، همانطور که در شکل 5A نشان داده شده است، مرتب شده‌اند. همچنین گزارش شده است که ژن دیگری به نام nahQ در متابولیسم نفتالین نقش دارد و معمولاً بین nahC و nahE قرار دارد، اما عملکرد واقعی آن هنوز مشخص نشده است. به طور مشابه، ژن nahY که مسئول کموتاکسی حساس به نفتالین است، در انتهای دیستال اپران nah در برخی از اعضا یافت شد. در گونه Ralstonia sp.، ژن U2 که گلوتاتیون S-ترانسفراز (gsh) را کد می‌کند، بین nahAa و nahAb قرار دارد اما بر ویژگی‌های استفاده از نفتالین تأثیری ندارد (Zylstra و همکاران، 1997).
شکل 5. سازماندهی ژنتیکی و تنوع مشاهده شده در طول تجزیه نفتالین در بین گونه‌های باکتریایی؛ (الف) مسیر نفتالین بالایی، متابولیسم نفتالین به اسید سالیسیلیک؛ (ب) مسیر نفتالین پایینی، اسید سالیسیلیک از طریق کاتکول به مسیر کربن مرکزی؛ (ج) اسید سالیسیلیک از طریق جنتیسات به مسیر کربن مرکزی.
«مسیر پایینی» (اپرون sal) معمولاً از nahGTHINLMOKJ تشکیل شده و سالیسیلات را از طریق مسیر برش کاتکول به پیروات و استالدهید تبدیل می‌کند. مشخص شد که ژن nahG (رمزگذار سالیسیلات هیدروکسیلاز) در انتهای پروگزیمال اپرون حفظ شده است (شکل 5B). در مقایسه با سایر سویه‌های تجزیه‌کننده نفتالین، در P. putida CSV86 اپرون‌های nah و sal پشت سر هم و بسیار نزدیک به هم هستند (حدود 7.5 کیلوبایت). در برخی از باکتری‌های گرم منفی، مانند Ralstonia sp. U2، Polaromonas naphthalenivorans CJ2 و P. putida AK5، نفتالین به عنوان یک متابولیت کربن مرکزی از طریق مسیر gentisate (به شکل اپرون sgp/nag) متابولیزه می‌شود. کاست ژنی معمولاً به شکل nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI نمایش داده می‌شود، که در آن nagR (که یک تنظیم‌کننده از نوع LysR را کدگذاری می‌کند) در انتهای بالایی قرار دارد (شکل 5C).
کارباریل از طریق متابولیسم 1-نفتول، 1،2-دی هیدروکسی نفتالین، اسید سالیسیلیک و اسید جنتیسیک وارد چرخه کربن مرکزی می‌شود (شکل 3). بر اساس مطالعات ژنتیکی و متابولیکی، پیشنهاد شده است که این مسیر به "بالادست" (تبدیل کارباریل به اسید سالیسیلیک)، "میانه" (تبدیل اسید سالیسیلیک به اسید جنتیسیک) و "پایین دست" (تبدیل اسید جنتیسیک به واسطه‌های مسیر کربن مرکزی) تقسیم شود (سینگ و همکاران، 2013). تجزیه و تحلیل ژنومی C5pp (supercontig A، 76.3 kb) نشان داد که ژن mcbACBDEF در تبدیل کارباریل به اسید سالیسیلیک نقش دارد، و به دنبال آن mcbIJKL در تبدیل اسید سالیسیلیک به اسید جنتیسیک و mcbOQP در تبدیل اسید جنتیسیک به واسطه‌های کربنی مرکزی (فومارات و پیروات، Trivedi و همکاران، 2016) نقش دارند (شکل 6).
گزارش شده است که آنزیم‌های دخیل در تجزیه هیدروکربن‌های آروماتیک (از جمله نفتالین و اسید سالیسیلیک) می‌توانند توسط ترکیبات مربوطه القا شده و توسط منابع کربن ساده مانند گلوکز یا اسیدهای آلی مهار شوند (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). در میان مسیرهای متابولیکی مختلف نفتالین و مشتقات آن، ویژگی‌های تنظیمی نفتالین و کارباریل تا حدودی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای نفتالین، ژن‌ها در هر دو مسیر بالادستی و پایین‌دستی توسط NahR، یک تنظیم‌کننده مثبت ترانس-اکتیو از نوع LysR، تنظیم می‌شوند. این ژن برای القای ژن nah توسط اسید سالیسیلیک و بیان سطح بالای بعدی آن مورد نیاز است (Yen and Gunsalus, 1982). علاوه بر این، مطالعات نشان داده‌اند که فاکتور میزبان یکپارچه (IHF) و XylR (تنظیم‌کننده رونویسی وابسته به سیگما 54) نیز برای فعال‌سازی رونویسی ژن‌ها در متابولیسم نفتالین حیاتی هستند (Ramos et al., 1997). مطالعات نشان داده‌اند که آنزیم‌های مسیر باز شدن حلقه متا کاتکول، یعنی کاتکول 2،3-دی‌اکسیژناز، در حضور نفتالین و/یا اسید سالیسیلیک القا می‌شوند (باسو و همکاران، 2006). مطالعات نشان داده‌اند که آنزیم‌های مسیر باز شدن حلقه ارتو کاتکول، یعنی کاتکول 1،2-دی‌اکسیژناز، در حضور اسید بنزوئیک و سیس،سیس-موکونات القا می‌شوند (پارسک و همکاران، 1994؛ توور و همکاران، 2001).
در سویه C5pp، پنج ژن، mcbG، mcbH، mcbN، mcbR و mcbS، تنظیم‌کننده‌هایی را کد می‌کنند که متعلق به خانواده LysR/TetR از تنظیم‌کننده‌های رونویسی هستند که مسئول کنترل تخریب کارباریل می‌باشند. مشخص شد که ژن همولوگ mcbG بیشترین ارتباط را با تنظیم‌کننده نوع LysR، PhnS (با 58٪ هویت اسید آمینه) که در متابولیسم فنانترن در Burkholderia RP00725 دخیل است، دارد (Trivedi و همکاران، 2016). مشخص شد که ژن mcbH در مسیر میانی (تبدیل اسید سالیسیلیک به اسید جنتیسیک) دخیل است و به تنظیم‌کننده رونویسی نوع LysR، NagR/DntR/NahR در سودوموناس و Burkholderia تعلق دارد. گزارش شده است که اعضای این خانواده، اسید سالیسیلیک را به عنوان یک مولکول مؤثر خاص برای القای ژن‌های تخریب می‌شناسند. از سوی دیگر، سه ژن mcbN، mcbR و mcbS متعلق به تنظیم‌کننده‌های رونویسی نوع LysR و TetR در مسیر پایین‌دست (متابولیت‌های مسیر کربن مرکزی-جنتیسات) شناسایی شدند.
در پروکاریوت‌ها، فرآیندهای انتقال افقی ژن (کسب، تبادل یا انتقال) از طریق پلاسمیدها، ترانسپوزون‌ها، پروفاژها، جزایر ژنومی و عناصر مزدوج ادغامی (ICE) از علل اصلی انعطاف‌پذیری در ژنوم‌های باکتریایی هستند که منجر به کسب یا از دست دادن عملکردها/صفات خاص می‌شود. این امر به باکتری‌ها اجازه می‌دهد تا به سرعت با شرایط محیطی مختلف سازگار شوند و مزایای متابولیکی بالقوه‌ای مانند تخریب ترکیبات آروماتیک را برای میزبان فراهم کنند. تغییرات متابولیکی اغلب از طریق تنظیم دقیق اپرون‌های تخریب، مکانیسم‌های تنظیمی آنها و ویژگی‌های آنزیمی حاصل می‌شود که تخریب طیف وسیع‌تری از ترکیبات آروماتیک را تسهیل می‌کند (Nojiri و همکاران، 2004؛ Phale و همکاران، 2019، 2020). مشخص شده است که کاست‌های ژنی برای تخریب نفتالین بر روی انواع عناصر متحرک مانند پلاسمیدها (مزدوج و غیر مزدوج)، ترانسپوزون‌ها، ژنوم‌ها، ICEها و ترکیبات گونه‌های مختلف باکتریایی قرار دارند (شکل 5). در سودوموناس G7، اپران‌های nah و sal پلاسمید NAH7 در جهت یکسان رونویسی می‌شوند و بخشی از یک ترانسپوزون معیوب هستند که برای جابجایی به ترانسپوزاز Tn4653 نیاز دارد (Sota و همکاران، 2006). در سویه NCIB9816-4 سودوموناس، این ژن روی پلاسمید مزدوج pDTG1 به صورت دو اپران (تقریباً 15 کیلوبایت از هم) یافت شد که در جهت مخالف رونویسی شده‌اند (Dennis و Zylstra، 2004). در سویه AK5 سودوموناس پوتیدا، پلاسمید غیر مزدوج pAK5 آنزیم مسئول تجزیه نفتالین را از طریق مسیر جنتیسات کدگذاری می‌کند (Izmalkova و همکاران، 2013). در سودوموناس سویه PMD-1، اپران nah روی کروموزوم قرار دارد، در حالی که اپران sal روی پلاسمید مزدوج pMWD-1 قرار دارد (Zuniga و همکاران، 1981). با این حال، در سودوموناس stutzeri AN10، تمام ژن‌های تجزیه نفتالین (اپرون‌های nah و sal) روی کروموزوم قرار دارند و احتمالاً از طریق رویدادهای جابجایی، نوترکیبی و بازآرایی به کار گرفته می‌شوند (Bosch و همکاران، 2000). در سودوموناس sp. CSV86، اپران‌های nah و sal به شکل ICE (ICECSV86) در ژنوم قرار دارند. این ساختار توسط tRNAGly محافظت می‌شود و به دنبال آن تکرارهای مستقیمی وجود دارد که نشان‌دهنده جایگاه‌های نوترکیبی/اتصال (attR و attL) و یک اینتگراز فاژمانند واقع در دو انتهای tRNAGly است، بنابراین از نظر ساختاری شبیه عنصر ICEclc (ICEclcB13 در Pseudomonas knackmusii برای تخریب کلروکاتکول) است. گزارش شده است که ژن‌های روی ICE می‌توانند با کانژوگاسیون با فرکانس انتقال بسیار پایین (10-8) منتقل شوند و در نتیجه خواص تخریب را به گیرنده منتقل کنند (Basu and Phale, 2008; Phale et al., 2019).
بیشتر ژن‌های مسئول تجزیه کارباریل روی پلاسمیدها قرار دارند. آرتروباکتر sp. RC100 شامل سه پلاسمید (pRC1، pRC2 و pRC300) است که دو پلاسمید کونژوگه، pRC1 و pRC2، آنزیم‌هایی را که کارباریل را به جنتیسات تبدیل می‌کنند، کدگذاری می‌کنند. از سوی دیگر، آنزیم‌هایی که در تبدیل جنتیسات به متابولیت‌های کربن مرکزی دخیل هستند، روی کروموزوم قرار دارند (Hayaatsu و همکاران، 1999). باکتری‌های جنس Rhizobium. سویه AC100 که برای تبدیل کارباریل به 1-نفتول استفاده می‌شود، حاوی پلاسمید pAC200 است که ژن cehA را که CH را به عنوان بخشی از ترانسپوزون Tnceh که توسط توالی‌های شبه عنصر الحاقی احاطه شده است، حمل می‌کند (Hashimoto و همکاران، 2002). اعتقاد بر این است که در سویه اسفینگوموناس CF06، ژن تجزیه کارباریل در پنج پلاسمید وجود دارد: pCF01، pCF02، pCF03، pCF04 و pCF05. همسانی DNA این پلاسمید‌ها بالا است که نشان‌دهنده وجود یک رویداد تکثیر ژن است (Feng و همکاران، ۱۹۹۷). در یک همزیست تجزیه‌کننده کارباریل متشکل از دو گونه سودوموناس، سویه ۵۰۵۸۱ حاوی یک پلاسمید کونژوگاتیو pCD1 (50 کیلوبایت) است که ژن هیدرولاز کارباریل mcd را کدگذاری می‌کند، در حالی که پلاسمید کونژوگاتیو در سویه ۵۰۵۵۲ یک آنزیم تجزیه‌کننده ۱-نفتول را کدگذاری می‌کند (Chapalamadugu و Chaudhry، ۱۹۹۱). در سویه Achromobacter WM111، ژن هیدرولاز فورادان mcd روی یک پلاسمید ۱۰۰ کیلوبایتی (pPDL11) قرار دارد. نشان داده شده است که این ژن در پلاسمیدهای مختلف (100، 105، 115 یا 124 کیلوبایت) در باکتری‌های مختلف از مناطق جغرافیایی مختلف وجود دارد (Parekh و همکاران، 1995). در Pseudomonas sp. C5pp، تمام ژن‌های مسئول تجزیه کارباریل در ژنومی به طول 76.3 کیلوبایت توالی قرار دارند (Trivedi و همکاران، 2016). تجزیه و تحلیل ژنوم (6.15 مگابایت) وجود 42 MGE و 36 GEI را نشان داد که از این تعداد، 17 MGE در supercontig A (76.3 کیلوبایت) با محتوای G+C نامتقارن متوسط ​​(54-60 مول درصد) قرار داشتند که نشان‌دهنده رویدادهای انتقال افقی ژن احتمالی است (Trivedi و همکاران، 2016). P. putida XWY-1 ترتیب مشابهی از ژن‌های تجزیه‌کننده کارباریل را نشان می‌دهد، اما این ژن‌ها روی یک پلاسمید قرار دارند (Zhu و همکاران، 2019).
علاوه بر کارایی متابولیک در سطوح بیوشیمیایی و ژنومی، میکروارگانیسم‌ها ویژگی‌ها یا پاسخ‌های دیگری مانند کموتاکسی، خواص اصلاح سطح سلول، بخش‌بندی، استفاده ترجیحی، تولید بیوسورفکتانت و غیره را نیز از خود نشان می‌دهند که به آنها کمک می‌کند تا آلاینده‌های آروماتیک را در محیط‌های آلوده به طور مؤثرتری متابولیزه کنند (شکل 7).
شکل 7. استراتژی‌های مختلف پاسخ سلولی باکتری‌های ایده‌آل تجزیه‌کننده هیدروکربن‌های آروماتیک برای تجزیه زیستی کارآمد ترکیبات آلاینده خارجی.
پاسخ‌های کموتاکسی به عنوان عواملی در افزایش تجزیه آلاینده‌های آلی در اکوسیستم‌های آلوده ناهمگن در نظر گرفته می‌شوند. (2002) نشان داد که کموتاکسی Pseudomonas sp. G7 به نفتالین، سرعت تجزیه نفتالین را در سیستم‌های آبی افزایش می‌دهد. سویه وحشی G7 نفتالین را بسیار سریع‌تر از سویه جهش‌یافته فاقد کموتاکسی تجزیه کرد. مشخص شد که پروتئین NahY (538 اسید آمینه با توپولوژی غشایی) با ژن‌های مسیر متاکلیواژ روی پلاسمید NAH7 رونویسی می‌شود و مانند مبدل‌های کموتاکسی، به نظر می‌رسد که این پروتئین به عنوان یک گیرنده شیمیایی برای تجزیه نفتالین عمل می‌کند (Grimm and Harwood 1997). مطالعه دیگری توسط Hansel و همکاران (2009) نشان داد که این پروتئین کموتاکسی است، اما سرعت تجزیه آن بالا است. (2011) پاسخ کموتاکسی سودوموناس (P. putida) به نفتالین گازی را نشان دادند، که در آن انتشار فاز گازی منجر به جریان ثابت نفتالین به سلول‌ها شد که پاسخ کموتاکسی سلول‌ها را کنترل می‌کرد. محققان از این رفتار کموتاکسی برای مهندسی میکروب‌هایی که سرعت تخریب را افزایش می‌دهند، استفاده کردند. مطالعات نشان داده‌اند که مسیرهای حسگر شیمیایی، سایر عملکردهای سلولی مانند تقسیم سلولی، تنظیم چرخه سلولی و تشکیل بیوفیلم را نیز تنظیم می‌کنند و از این طریق به کنترل سرعت تخریب کمک می‌کنند. با این حال، مهار این ویژگی (کموتاکسی) برای تخریب کارآمد با چندین تنگنا مواجه است. موانع اصلی عبارتند از: (الف) گیرنده‌های پارالوگ مختلف، ترکیبات/لیگاندهای یکسانی را تشخیص می‌دهند. (ب) وجود گیرنده‌های جایگزین، یعنی گرایش انرژی؛ (ج) تفاوت‌های توالی قابل توجه در دامنه‌های حسی همان خانواده گیرنده؛ و (د) کمبود اطلاعات در مورد پروتئین‌های حسگر اصلی باکتریایی (Ortega و همکاران، 2017؛ Martin-Mora و همکاران، 2018). گاهی اوقات، تجزیه زیستی هیدروکربن‌های آروماتیک، متابولیت‌ها/واسطه‌های متعددی تولید می‌کند که ممکن است برای یک گروه از باکتری‌ها کموتاکتیکی باشند اما برای گروه دیگر دافعه ایجاد کنند و این فرآیند را پیچیده‌تر می‌کنند. برای شناسایی برهمکنش‌های لیگاندها (هیدروکربن‌های آروماتیک) با گیرنده‌های شیمیایی، ما پروتئین‌های حسگر هیبریدی (PcaY، McfR و NahY) را با ادغام دامنه‌های حسگر و سیگنالینگ سودوموناس پوتیدا و اشریشیا کلی ساختیم که به ترتیب گیرنده‌های اسیدهای آروماتیک، واسطه‌های TCA و نفتالین را هدف قرار می‌دهند (Luu و همکاران، 2019).
تحت تأثیر نفتالین و سایر هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs)، ساختار غشای باکتریایی و یکپارچگی میکروارگانیسم‌ها دستخوش تغییرات قابل توجهی می‌شود. مطالعات نشان داده‌اند که نفتالین از طریق برهمکنش‌های آبگریز، در برهمکنش زنجیره آسیل اختلال ایجاد می‌کند و در نتیجه تورم و سیالیت غشا را افزایش می‌دهد (Sikkema و همکاران، ۱۹۹۵). برای مقابله با این اثر مضر، باکتری‌ها سیالیت غشا را با تغییر نسبت و ترکیب اسید چرب بین اسیدهای چرب شاخه‌دار ایزو/آنتیزو و ایزومریزاسیون اسیدهای چرب غیراشباع سیس به ایزومرهای ترانس مربوطه تنظیم می‌کنند (Heipieper و de Bont، ۱۹۹۴). در سودوموناس استوتزری که در تیمار نفتالین رشد کرده بود، نسبت اسید چرب اشباع به غیراشباع از ۱.۱ به ۲.۱ افزایش یافت، در حالی که در سودوموناس JS150 این نسبت از ۷.۵ به ۱۲.۰ افزایش یافت (Mrozik و همکاران، ۲۰۰۴). سلول‌های آکروموباکتر KAs 3-5 هنگام رشد روی نفتالین، تجمع سلولی در اطراف کریستال‌های نفتالین و کاهش بار سطحی سلول (از -22.5 به -2.5 میلی‌ولت) همراه با تراکم و واکوئل‌سازی سیتوپلاسمی را نشان دادند که نشان‌دهنده تغییرات در ساختار سلولی و خواص سطح سلول است (Mohapatra و همکاران، 2019). اگرچه تغییرات سلولی/سطحی مستقیماً با جذب بهتر آلاینده‌های آروماتیک مرتبط هستند، اما استراتژی‌های مهندسی زیستی مربوطه به طور کامل بهینه نشده‌اند. دستکاری شکل سلول به ندرت برای بهینه‌سازی فرآیندهای بیولوژیکی استفاده شده است (Volke و Nikel، 2018). حذف ژن‌های مؤثر بر تقسیم سلولی باعث تغییر در مورفولوژی سلول می‌شود. حذف ژن‌های مؤثر بر تقسیم سلولی باعث تغییر در مورفولوژی سلول می‌شود. در باسیلوس سوبتیلیس، نشان داده شده است که پروتئین سپتوم سلولی SepF در تشکیل سپتوم نقش دارد و برای مراحل بعدی تقسیم سلولی مورد نیاز است، اما یک ژن ضروری نیست. حذف ژن‌های کدکننده پپتید گلیکان هیدرولازها در باسیلوس سوبتیلیس منجر به طویل شدن سلول، افزایش سرعت رشد ویژه و بهبود ظرفیت تولید آنزیم شد (Cui و همکاران، ۲۰۱۸).
تقسیم‌بندی مسیر تخریب کارباریل برای دستیابی به تخریب کارآمد سویه‌های سودوموناس C5pp و C7 پیشنهاد شده است (Kamini و همکاران، ۲۰۱۸). پیشنهاد شده است که کارباریل از طریق دیواره غشای خارجی و/یا از طریق پورین‌های قابل انتشار به فضای پری‌پلاسمی منتقل می‌شود. CH یک آنزیم پری‌پلاسمی است که هیدرولیز کارباریل را به ۱-نفتول کاتالیز می‌کند، که پایدارتر، آبگریزتر و سمی‌تر است. CH در پری‌پلاسم قرار دارد و میل ترکیبی کمی برای کارباریل دارد، بنابراین تشکیل ۱-نفتول را کنترل می‌کند و در نتیجه از تجمع آن در سلول‌ها جلوگیری کرده و سمیت آن را برای سلول‌ها کاهش می‌دهد (Kamini و همکاران، ۲۰۱۸). ۱-نفتول حاصل از طریق تقسیم‌بندی و/یا انتشار به سیتوپلاسم از طریق غشای داخلی منتقل می‌شود و سپس توسط آنزیم با میل ترکیبی بالا ۱NH برای متابولیسم بیشتر در مسیر کربن مرکزی به ۱،۲-دی‌هیدروکسی‌نفتالن هیدروکسیله می‌شود.
اگرچه میکروارگانیسم‌ها از قابلیت‌های ژنتیکی و متابولیکی برای تجزیه منابع کربن بیگانه‌زیست برخوردارند، اما ساختار سلسله مراتبی استفاده از آنها (یعنی ترجیح استفاده از منابع کربن ساده بر پیچیده) مانع اصلی تجزیه زیستی است. وجود و استفاده از منابع کربن ساده، ژن‌های کدکننده آنزیم‌هایی را که منابع کربن پیچیده/غیرترجیحی مانند PAHها را تجزیه می‌کنند، کاهش می‌دهد. یک مثال خوب مطالعه شده این است که وقتی گلوکز و لاکتوز به طور همزمان به اشریشیا کلی داده می‌شوند، گلوکز با کارایی بیشتری نسبت به لاکتوز مورد استفاده قرار می‌گیرد (Jacob and Monod, 1965). گزارش شده است که سودوموناس انواع PAHها و ترکیبات بیگانه‌زیست را به عنوان منابع کربن تجزیه می‌کند. سلسله مراتب استفاده از منبع کربن در سودوموناس به صورت اسیدهای آلی > گلوکز > ترکیبات آروماتیک است (Hylemon and Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). با این حال، یک استثنا وجود دارد. جالب توجه است که سودوموناس sp. CSV86 یک ساختار سلسله مراتبی منحصر به فرد را نشان می‌دهد که ترجیحاً از هیدروکربن‌های آروماتیک (بنزوئیک اسید، نفتالین و غیره) به جای گلوکز استفاده می‌کند و هیدروکربن‌های آروماتیک را با اسیدهای آلی متابولیزه می‌کند (Basu et al., 2006). در این باکتری، ژن‌های تخریب و انتقال هیدروکربن‌های آروماتیک حتی در حضور منبع کربن دوم مانند گلوکز یا اسیدهای آلی کاهش بیان نمی‌یابند. هنگامی که در محیط کشت گلوکز و هیدروکربن‌های آروماتیک رشد داده شد، مشاهده شد که ژن‌های انتقال و متابولیسم گلوکز کاهش بیان یافتند، هیدروکربن‌های آروماتیک در فاز لگاریتمی اول و گلوکز در فاز لگاریتمی دوم مورد استفاده قرار گرفتند (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). از سوی دیگر، وجود اسیدهای آلی بر بیان متابولیسم هیدروکربن‌های آروماتیک تأثیری نداشت، بنابراین انتظار می‌رود این باکتری یک سویه کاندید برای مطالعات تجزیه زیستی باشد (Phale et al., 2020).
به خوبی شناخته شده است که زیست‌تبدیل هیدروکربن می‌تواند باعث استرس اکسیداتیو و افزایش تنظیم آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان در میکروارگانیسم‌ها شود. تجزیه زیستی ناکارآمد نفتالین هم در سلول‌های فاز ساکن و هم در حضور ترکیبات سمی منجر به تشکیل گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) می‌شود (کانگ و همکاران، ۲۰۰۶). از آنجایی که آنزیم‌های تجزیه‌کننده نفتالین حاوی خوشه‌های آهن-گوگرد هستند، تحت استرس اکسیداتیو، آهن موجود در پروتئین‌های هم و آهن-گوگرد اکسید می‌شود و منجر به غیرفعال شدن پروتئین می‌شود. فردوکسین-NADP+ ردوکتاز (Fpr)، همراه با سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، واکنش ردوکس برگشت‌پذیر بین NADP+/NADPH و دو مولکول فردوکسین یا فلاودوکسین را واسطه‌گری می‌کند و در نتیجه ROS را جمع‌آوری کرده و مرکز آهن-گوگرد را تحت استرس اکسیداتیو بازیابی می‌کند (لی و همکاران، ۲۰۰۶). گزارش شده است که هم Fpr و هم SodA (SOD) در سودوموناس می‌توانند توسط استرس اکسیداتیو القا شوند و افزایش فعالیت SOD و کاتالاز در چهار سویه سودوموناس (O1، W1، As1 و G1) در طول رشد تحت شرایط افزودن نفتالین مشاهده شد (Kang و همکاران، 2006). مطالعات نشان داده‌اند که افزودن آنتی‌اکسیدان‌هایی مانند اسید اسکوربیک یا آهن دو ظرفیتی (Fe2+) می‌تواند سرعت رشد نفتالین را افزایش دهد. هنگامی که رودوکوکوس اریتروپولیس در محیط نفتالین رشد کرد، رونویسی ژن‌های سیتوکروم P450 مرتبط با استرس اکسیداتیو شامل sodA (سوپراکسید دیسموتاز آهن/منگنز)، sodC (سوپراکسید دیسموتاز مس/روی) و recA افزایش یافت (Sazykin و همکاران، 2019). تجزیه و تحلیل پروتئومیک کمی مقایسه‌ای سلول‌های سودوموناس کشت‌شده در نفتالین نشان داد که افزایش بیان پروتئین‌های مختلف مرتبط با پاسخ استرس اکسیداتیو، یک استراتژی مقابله با استرس است (Herbst و همکاران، ۲۰۱۳).
گزارش شده است که میکروارگانیسم‌ها تحت تأثیر منابع کربن آبگریز، بیوسورفکتانت تولید می‌کنند. این سورفکتانت‌ها ترکیبات فعال سطحی آمفی‌فیلیک هستند که می‌توانند در سطح مشترک نفت-آب یا هوا-آب تجمع پیدا کنند. این امر باعث حل شدن کاذب و تسهیل جذب هیدروکربن‌های آروماتیک می‌شود و در نتیجه تجزیه بیولوژیکی کارآمد را به همراه دارد (رحمان و همکاران، ۲۰۰۲). به دلیل این خواص، بیوسورفکتانت‌ها به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. افزودن سورفکتانت‌های شیمیایی یا بیوسورفکتانت‌ها به کشت‌های باکتریایی می‌تواند راندمان و سرعت تجزیه هیدروکربن را افزایش دهد. در میان بیوسورفکتانت‌ها، رامنولیپیدها تولید شده توسط سودوموناس آئروژینوزا به طور گسترده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته‌اند (هیساتسوکا و همکاران، ۱۹۷۱؛ رحمان و همکاران، ۲۰۰۲). علاوه بر این، انواع دیگر بیوسورفکتانت‌ها شامل لیپوپپتیدها (موسین‌ها از سودوموناس فلورسنس)، امولسیفایر ۳۷۸ (از سودوموناس فلورسنس) (روزنبرگ و ران، ۱۹۹۹)، لیپیدهای دی‌ساکارید ترهالوز از رودوکوکوس (رامدال، ۱۹۸۵)، لیکنین از باسیلوس (ساراسواتی و هالبرگ، ۲۰۰۲) و سورفکتانت از باسیلوس سوبتیلیس (زیگموند و واگنر، ۱۹۹۱) و باسیلوس آمیلولیکوئیفاسینس (ژی و همکاران، ۲۰۱۷) هستند. نشان داده شده است که این سورفکتانت‌های قوی، کشش سطحی را از ۷۲ دین بر سانتی‌متر مربع به کمتر از ۳۰ دین بر سانتی‌متر مربع کاهش می‌دهند و امکان جذب بهتر هیدروکربن را فراهم می‌کنند. گزارش شده است که سودوموناس، باسیلوس، رودوکوکوس، بورخولدریا و سایر گونه‌های باکتریایی می‌توانند بیوسورفکتانت‌های مختلف مبتنی بر رامنولیپید و گلیکولیپید را هنگام رشد در محیط‌های نفتالین و متیل نفتالین تولید کنند (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). سودوموناس مالتوفیلیا CSV89 می‌تواند بیوسورفکتانت خارج سلولی Biosur-Pm را هنگام رشد بر روی ترکیبات آروماتیک مانند نفتوئیک اسید تولید کند (Phale et al., 1995). سینتیک تشکیل Biosur-Pm نشان داد که سنتز آن یک فرآیند وابسته به رشد و pH است. مشخص شد که مقدار Biosur-Pm تولید شده توسط سلول‌ها در pH خنثی بیشتر از pH 8.5 است. سلول‌های رشد یافته در pH 8.5 آبگریزتر بودند و نسبت به سلول‌های رشد یافته در pH 7.0، میل ترکیبی بیشتری برای ترکیبات آروماتیک و آلیفاتیک داشتند. در گونه‌های رودوکوکوس... N6، نسبت کربن به نیتروژن بالاتر (C:N) و محدودیت آهن، شرایط بهینه برای تولید بیوسورفکتانت‌های خارج سلولی هستند (Mutalik و همکاران، 2008). تلاش‌هایی برای بهبود بیوسنتز بیوسورفکتانت‌ها (سورفکتین‌ها) با بهینه‌سازی سویه‌ها و تخمیر انجام شده است. با این حال، تیتر سورفکتانت در محیط کشت پایین است (1.0 گرم در لیتر)، که چالشی برای تولید در مقیاس بزرگ ایجاد می‌کند (Jiao و همکاران، 2017؛ Wu و همکاران، 2019). بنابراین، از روش‌های مهندسی ژنتیک برای بهبود بیوسنتز آن استفاده شده است. با این حال، اصلاح مهندسی آن به دلیل اندازه بزرگ اپرون (~25 کیلوبایت) و تنظیم پیچیده بیوسنتزی سیستم سنجش حد نصاب دشوار است (Jiao و همکاران، 2017؛ Wu و همکاران، 2019). تعدادی از اصلاحات مهندسی ژنتیک در باکتری‌های باسیلوس انجام شده است که عمدتاً با هدف افزایش تولید سورفکتین با جایگزینی پروموتر (اپرون srfA)، بیان بیش از حد پروتئین خروجی سورفکتین YerP و عوامل تنظیمی ComX و PhrC انجام شده است (Jiao و همکاران، ۲۰۱۷). با این حال، این روش‌های مهندسی ژنتیک تنها به یک یا چند اصلاح ژنتیکی دست یافته‌اند و هنوز به تولید تجاری نرسیده‌اند. بنابراین، مطالعه بیشتر روش‌های بهینه‌سازی مبتنی بر دانش ضروری است.
مطالعات تجزیه زیستی PAH عمدتاً تحت شرایط آزمایشگاهی استاندارد انجام می‌شود. با این حال، در مکان‌های آلوده یا در محیط‌های آلوده، نشان داده شده است که بسیاری از عوامل غیرزیستی و زیستی (دما، pH، اکسیژن، در دسترس بودن مواد مغذی، فراهمی زیستی سوبسترا، سایر مواد بیگانه‌زیست، مهار محصول نهایی و غیره) ظرفیت تجزیه میکروارگانیسم‌ها را تغییر داده و تحت تأثیر قرار می‌دهند.
دما تأثیر قابل توجهی بر تجزیه زیستی PAH دارد. با افزایش دما، غلظت اکسیژن محلول کاهش می‌یابد که این امر بر متابولیسم میکروارگانیسم‌های هوازی تأثیر می‌گذارد، زیرا آنها به اکسیژن مولکولی به عنوان یکی از سوبستراهای اکسیژنازهایی که واکنش‌های هیدروکسیلاسیون یا شکست حلقه را انجام می‌دهند، نیاز دارند. اغلب اشاره می‌شود که دمای بالا، PAH های اولیه را به ترکیبات سمی‌تر تبدیل می‌کند و در نتیجه تجزیه زیستی را مهار می‌کند (مولر و همکاران، ۱۹۹۸).
مشاهده شده است که بسیاری از مکان‌های آلوده به PAH دارای مقادیر pH بسیار بالایی هستند، مانند مکان‌های آلوده به زهکش اسیدی معادن (pH 1-4) و مکان‌های گازسازی گاز طبیعی/زغال‌سنگ آلوده به شیرابه قلیایی (pH 8-12). این شرایط می‌تواند به طور جدی بر فرآیند تجزیه زیستی تأثیر بگذارد. بنابراین، قبل از استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای زیست‌پالایی، توصیه می‌شود pH را با افزودن مواد شیمیایی مناسب (با پتانسیل اکسیداسیون-احیای متوسط ​​تا بسیار کم) مانند سولفات آمونیوم یا نیترات آمونیوم برای خاک‌های قلیایی یا آهک‌دهی با کربنات کلسیم یا کربنات منیزیم برای مکان‌های اسیدی تنظیم کنید (Bowlen و همکاران، ۱۹۹۵؛ Gupta و Sar، ۲۰۲۰).
تأمین اکسیژن به منطقه آسیب‌دیده، عامل محدودکننده سرعت تجزیه زیستی PAH است. با توجه به شرایط اکسایش-کاهش محیط، فرآیندهای زیست‌پالایی درجا معمولاً نیاز به تأمین اکسیژن از منابع خارجی (شخم زدن، پاشش هوا و افزودن مواد شیمیایی) دارند (پاردیک و همکاران، ۱۹۹۲). اودنکرانز و همکاران (۱۹۹۶) نشان دادند که افزودن پراکسید منیزیم (یک ترکیب آزادکننده اکسیژن) به یک سفره آب آلوده می‌تواند به طور مؤثر ترکیبات BTEX را زیست‌پالایی کند. مطالعه دیگری، تجزیه درجا فنل و BTEX را در یک سفره آب آلوده با تزریق نیترات سدیم و ساخت چاه‌های استخراج برای دستیابی به زیست‌پالایی مؤثر بررسی کرد (بیولی و وب، ۲۰۰۱).