Artikel iki minangka bagéan saka topik riset "Teknologi bioremediasi canggih lan proses daur ulang senyawa organik sintetik (SOC)". Deleng kabeh 14 artikel.
Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) kanthi bobot molekul rendah kaya ta naftalena lan naftalena sing diganti (metilnaftalena, asam naftoat, 1-naftil-N-metilkarbamat, lan liya-liyane) digunakake sacara wiyar ing macem-macem industri lan nduweni sifat genotoksik, mutagenik lan/utawa karsinogenik kanggo organisme. Senyawa organik sintetik (SOC) utawa xenobiotik iki dianggep minangka polutan prioritas lan dadi ancaman serius kanggo lingkungan global lan kesehatan masyarakat. Intensitas aktivitas manungsa (kayata gasifikasi batu bara, penyulingan minyak, emisi kendaraan lan aplikasi pertanian) nemtokake konsentrasi, nasib lan transportasi senyawa sing ana ing endi-endi lan terus-terusan iki. Saliyane metode perawatan/penghapusan fisik lan kimia, teknologi ijo lan ramah lingkungan kayata bioremediasi, sing nggunakake mikroorganisme sing bisa ngrusak POC kanthi lengkap utawa ngowahi dadi produk sampingan sing ora beracun, wis muncul minangka alternatif sing aman, efektif biaya lan janjeni. Maneka warna spesies bakteri sing kalebu filum Proteobacteria (Pseudomonas, Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia, lan Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus lan Paenibacillus), lan Actinobacteria (Rhodococcus lan Arthrobacter) ing mikrobiota lemah wis nduduhake kemampuan kanggo ngrusak maneka warna senyawa organik. Panliten metabolisme, genomik, lan analisis metagenomik mbantu kita mangerteni kerumitan lan keragaman katabolik sing ana ing bentuk urip sing prasaja iki, sing bisa diterapake luwih lanjut kanggo biodegradasi sing efisien. Anane PAH jangka panjang wis nyebabake munculé fenotipe degradasi anyar liwat transfer gen horisontal nggunakake unsur genetik kayata plasmid, transposon, bakteriofag, pulo genomik, lan unsur konjugatif integratif. Biologi sistem lan rekayasa genetik saka isolat utawa komunitas model tartamtu (konsorsium) bisa ngaktifake bioremediasi PAH sing komprehensif, cepet, lan efisien liwat efek sinergis. Ing review iki, kita fokus ing jalur metabolisme lan keragaman sing beda-beda, komposisi genetik lan keragaman, lan respon/adaptasi seluler saka naftalena lan bakteri perusak naftalena sing diganti. Iki bakal nyedhiyakake informasi ekologis kanggo aplikasi lapangan lan optimasi galur kanggo bioremediasi sing efisien.
Perkembangan industri sing cepet (petrokimia, pertanian, farmasi, pewarna tekstil, kosmetik, lan liya-liyane) wis nyumbang kanggo kemakmuran ekonomi global lan ningkatake standar urip. Perkembangan eksponensial iki nyebabake produksi akeh senyawa organik sintetis (SOC), sing digunakake kanggo nggawe macem-macem produk. Senyawa asing utawa SOC iki kalebu hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH), pestisida, herbisida, plasticizer, pewarna, farmasi, organofosfat, tahan api, pelarut organik sing gampang nguap, lan liya-liyane. Senyawa kasebut dipancarake menyang atmosfer, ekosistem akuatik lan terestrial ing ngendi dheweke duwe dampak multidimensi, nyebabake efek sing ngrugekake macem-macem bioform liwat owah-owahan sifat fisikokimia lan struktur komunitas (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020). Akeh polutan aromatik sing nduweni dampak sing kuwat lan ngrusak marang akeh ekosistem/titik panas keanekaragaman hayati sing utuh (kayata terumbu karang, lapisan es Arktik/Antartika, tlaga gunung sing dhuwur, sedimen laut jero, lan liya-liyane) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020). Panliten geomikrobiologis anyar nuduhake yen pengendapan bahan organik sintetis (kayata polutan aromatik) lan turunane ing permukaan struktur buatan (lingkungan binaan) (kayata situs warisan budaya lan monumen sing digawe saka granit, watu, kayu lan logam) nyepetake degradasi (Gadd 2017; Liu et al. 2018). Kegiatan manungsa bisa nambah lan ngrusak degradasi biologis monumen lan bangunan liwat polusi udara lan perubahan iklim (Liu et al. 2020). Kontaminan organik iki reaksi karo uap banyu ing atmosfer lan mapan ing struktur, nyebabake degradasi fisik lan kimia materi kasebut. Biodegradasi diakoni sacara wiyar minangka owah-owahan sing ora dikarepake ing tampilan lan sifat bahan sing disebabake dening organisme urip sing mengaruhi pengawetan (Pochon lan Jaton, 1967). Aksi mikroba luwih lanjut (metabolisme) saka senyawa kasebut bisa nyuda integritas struktural, efektifitas konservasi, lan nilai budaya (Gadd, 2017; Liu et al., 2018). Ing sisih liya, ing sawetara kasus, adaptasi mikroba lan respon marang struktur kasebut wis ditemokake migunani amarga mbentuk biofilm lan kerak pelindung liyane sing nyuda tingkat bosok/dekomposisi (Martino, 2016). Mulane, pangembangan strategi konservasi lestari jangka panjang sing efektif kanggo monumen watu, logam, lan kayu mbutuhake pangerten sing jero babagan proses utama sing ana gandhengane karo proses iki. Dibandhingake karo proses alami (proses geologi, kebakaran alas, letusan gunung berapi, reaksi tanduran lan bakteri), aktivitas manungsa nyebabake pelepasan volume gedhe hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) lan karbon organik (OC) liyane menyang ekosistem. Akeh PAH sing digunakake ing tetanèn (insektisida lan pestisida kayata DDT, atrazin, karbaril, pentaklorofenol, lan liya-liyane), industri (minyak mentah, lumpur/limbah minyak, plastik sing asale saka minyak bumi, PCB, plasticizer, deterjen, disinfektan, fumigan, pewangi lan pengawet), produk perawatan pribadi (tabir surya, disinfektan, penolak serangga lan musk polisiklik) lan amunisi (bahan peledak kayata 2,4,6-TNT) minangka xenobiotik potensial sing bisa mengaruhi kesehatan planet (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna lan Phale, 2008; Petrie et al., 2015). Dhaptar iki bisa ditambahi kanggo kalebu senyawa sing asale saka minyak bumi (minyak bahan bakar, pelumas, aspal), bioplastik kanthi bobot molekul dhuwur, lan cairan ionik (Amde et al., 2015). Tabel 1 ndhaptar macem-macem polutan aromatik lan aplikasine ing macem-macem industri. Ing taun-taun pungkasan, emisi antropogenik saka senyawa organik sing gampang nguap, uga karbon dioksida lan gas omah kaca liyane, wis wiwit tambah (Dvorak et al., 2017). Nanging, dampak antropogenik luwih akeh tinimbang dampak alami. Kajaba iku, kita nemokake manawa sawetara SOC isih ana ing pirang-pirang lingkungan lingkungan lan wis diidentifikasi minangka polutan sing muncul kanthi efek samping ing bioma (Gambar 1). Badan lingkungan kayata Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat (USEPA) wis nyakup akeh polutan kasebut ing dhaptar prioritas amarga sifat sitotoksik, genotoksik, mutagenik, lan karsinogenik. Mulane, peraturan pembuangan sing ketat lan strategi sing efektif kanggo perawatan/pembuangan limbah saka ekosistem sing tercemar dibutuhake. Macem-macem metode perawatan fisik lan kimia kayata pirolisis, perawatan termal oksidatif, aerasi udara, penimbunan, pembakaran, lan liya-liyane ora efektif lan larang lan ngasilake produk sampingan sing korosif, beracun lan angel diobati. Kanthi tambahing kesadaran lingkungan global, mikroorganisme sing bisa ngrusak polutan kasebut lan turunane (kayata halogenasi, nitro, alkil lan/utawa metil) saya narik kawigaten (Fennell et al., 2004; Haritash lan Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020). Panggunaan calon mikroorganisme asli iki dhewe utawa ing kultur campuran (koloni) kanggo mbusak polutan aromatik nduweni kaluwihan ing babagan keamanan lingkungan, biaya, efisiensi, efektifitas, lan keberlanjutan. Para peneliti uga njelajah integrasi proses mikroba karo metode redoks elektrokimia, yaiku sistem bioelektrokimia (BES), minangka teknologi sing janjeni kanggo perawatan/panghapusan polutan (Huang et al., 2011). Teknologi BES wis narik kawigaten sing saya tambah amarga efisiensine sing dhuwur, biaya murah, keamanan lingkungan, operasi suhu ruangan, bahan biokompatibel, lan kemampuan kanggo mbalekake produk sampingan sing terkenal (kayata, listrik, bahan bakar, lan bahan kimia) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020). Anane alat/metode sekuensing genom lan omics kanthi throughput dhuwur wis nyedhiyakake akeh informasi anyar babagan regulasi genetik, proteomik, lan fluksomik saka reaksi macem-macem mikroorganisme degradasi. Nggabungake alat kasebut karo biologi sistem wis luwih ningkatake pangerten kita babagan pemilihan lan panyetelan jalur katabolik target ing mikroorganisme (yaiku, desain metabolik) kanggo entuk biodegradasi sing efisien lan efektif. Kanggo ngrancang strategi bioremediasi sing efektif nggunakake calon mikroorganisme sing cocog, kita kudu ngerti potensi biokimia, keragaman metabolik, komposisi genetik, lan ekologi (autoekologi/sinekologi) mikroorganisme.
Gambar 1. Sumber lan jalur PAH molekul rendah liwat macem-macem lingkungan lingkungan lan macem-macem faktor sing mengaruhi biota. Garis putus-putus makili interaksi antarane unsur ekosistem.
Ing review iki, kita wis nyoba ngringkes data babagan degradasi PAH prasaja kayata naftalena lan naftalena sing diganti dening macem-macem isolat bakteri sing nyakup jalur metabolisme lan keragaman, enzim sing melu degradasi, komposisi/isi gen lan keragaman, respon seluler lan macem-macem aspek bioremediasi. Ngerteni tingkat biokimia lan molekuler bakal mbantu ngenali galur inang sing cocog lan rekayasa genetika luwih lanjut kanggo bioremediasi sing efektif saka polutan prioritas kasebut. Iki bakal mbantu ngembangake strategi kanggo nggawe konsorsium bakteri spesifik situs kanggo bioremediasi sing efektif.
Anane akeh senyawa aromatik sing beracun lan mbebayani (sing netepi aturan Huckel 4n + 2π elektron, n = 1, 2, 3, …) dadi ancaman serius kanggo macem-macem media lingkungan kayata udhara, lemah, sedimen, lan permukaan lan banyu lemah (Puglisi et al., 2007). Senyawa kasebut duwe cincin benzena tunggal (monosiklik) utawa pirang-pirang cincin benzena (polisiklik) sing disusun kanthi bentuk linier, sudut utawa kluster lan nuduhake stabilitas (stabilitas/ketidakstabilan) ing lingkungan amarga energi resonansi negatif sing dhuwur lan inertness (inertness), sing bisa diterangake kanthi hidrofobisitas lan kahanan sing suda. Nalika cincin aromatik luwih diganti karo gugus metil (-CH3), karboksil (-COOH), hidroksil (-OH), utawa sulfonat (-HSO3), dadi luwih stabil, duwe afinitas sing luwih kuwat kanggo makromolekul, lan bioakumulatif ing sistem biologis (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020). Sawetara hidrokarbon aromatik polisiklik bobot molekul rendah (LMWAH), kayata naftalena lan turunane [metilnaftalena, asam naftoat, naftalenasulfonat, lan 1-naftil N-metilkarbamat (karbaryl)], wis dilebokake ing dhaptar polutan organik prioritas dening Badan Perlindungan Lingkungan AS minangka genotoksik, mutagenik, lan/utawa karsinogenik (Cerniglia, 1984). Pelepasan kelas NM-PAH iki menyang lingkungan bisa nyebabake bioakumulasi senyawa kasebut ing kabeh tingkat rantai panganan, saengga mengaruhi kesehatan ekosistem (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009).
Sumber lan jalur PAH menyang biota utamane liwat migrasi lan interaksi antarane komponen ekosistem sing beda-beda kayata lemah, banyu soko lemah, banyu permukaan, tanduran lan atmosfer (Arey lan Atkinson, 2003). Gambar 1 nuduhake interaksi lan distribusi PAH bobot molekul rendah sing beda-beda ing ekosistem lan jalur menyang paparan biota/manungsa. PAH diendapkan ing permukaan minangka akibat saka polusi udara lan liwat migrasi (drift) emisi kendaraan, gas buangan industri (gasifikasi batu bara, pembakaran lan produksi kokas) lan pengendapane. Kegiatan industri kayata manufaktur tekstil sintetis, pewarna lan cat; pengawetan kayu; pangolahan karet; kegiatan manufaktur semen; produksi pestisida; lan aplikasi pertanian minangka sumber utama PAH ing sistem terestrial lan akuatik (Bamforth lan Singleton, 2005; Wick et al., 2011). Panliten nuduhake yen lemah ing wilayah pinggiran kutha lan kutha, cedhak dalan gedhe, lan ing kutha-kutha gedhe luwih rentan marang hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) amarga emisi saka pembangkit listrik, pemanasan omah, beban lalu lintas udara lan dalan, lan aktivitas konstruksi (Suman et al., 2016). (2008) nuduhake yen PAH ing lemah cedhak dalan ing New Orleans, Louisiana, AS dhuwure nganti 7189 μg/kg, dene ing papan terbuka, mung 2404 μg/kg. Kajaba iku, tingkat PAH sing dhuwure nganti 300 μg/kg wis dilaporake ing wilayah cedhak situs gasifikasi batu bara ing sawetara kutha AS (Kanaly lan Harayama, 2000; Bamforth lan Singleton, 2005). Tanah saka macem-macem kutha ing India kayata Delhi (Sharma et al., 2008), Agra (Dubey et al., 2014), Mumbai (Kulkarni lan Venkataraman, 2000) lan Visakhapatnam (Kulkarni et al., 2014) wis dilapurake ngandhut konsentrasi PAH sing dhuwur. Senyawa aromatik luwih gampang diserap menyang partikel lemah, bahan organik lan mineral lempung, saengga dadi panyerep karbon utama ing ekosistem (Srogi, 2007; Peng et al., 2008). Sumber utama PAH ing ekosistem akuatik yaiku presipitasi (presipitasi teles/garing lan uap banyu), limpasan kutha, pembuangan limbah cair, pengisian ulang banyu lemah, lan liya-liyane (Srogi, 2007). Diperkirakan udakara 80% PAH ing ekosistem laut asale saka presipitasi, sedimentasi, lan pembuangan limbah (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007). Konsentrasi PAH sing luwih dhuwur ing banyu permukaan utawa lindi saka lokasi pembuangan limbah padat pungkasane bocor menyang banyu lemah, sing dadi ancaman kesehatan masyarakat utama amarga luwih saka 70% populasi ing Asia Selatan lan Tenggara ngombe banyu lemah (Duttagupta et al., 2019). Panaliten anyar dening Duttagupta et al. (2020) babagan analisis kali (32) lan banyu lemah (235) saka Benggala Kulon, India, nemokake manawa kira-kira 53% warga kutha lan 44% warga pedesaan (total 20 yuta warga) bisa kena naftalena (4,9-10,6 μg/L) lan turunane. Pola panggunaan lahan sing beda lan tambah akeh ekstraksi banyu lemah dianggep minangka faktor utama sing ngontrol transportasi vertikal (adveksi) PAH bobot molekul rendah ing ngisor permukaan. Limpasan pertanian, pembuangan limbah cair kota lan industri, lan pembuangan limbah padat/sampah wis ditemokake kena pengaruh PAH ing cekungan kali lan sedimen ngisor permukaan. Presipitasi atmosfer luwih nambah polusi PAH. Konsentrasi PAH sing dhuwur lan turunan alkil (total 51) wis dilapurake ing kali/DAS ing saindenging jagad, kayata Kali Fraser, Kali Louan, Kali Denso, Kali Missouri, Kali Anacostia, Kali Ebro, lan Kali Delaware (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018). Ing sedimen cekungan Kali Gangga, naftalena lan fenantrena ditemokake minangka sing paling signifikan (dideteksi ing 70% sampel) (Duttagupta et al., 2019). Kajaba iku, panliten nuduhake yen klorinasi banyu ngombe bisa nyebabake pembentukan PAH oksigen lan klorinasi sing luwih beracun (Manoli lan Samara, 1999). PAH nglumpuk ing sereal, woh-wohan, lan sayuran minangka akibat saka panyerepan dening tanduran saka lemah, banyu soko lemah, lan presipitasi sing wis kontaminasi (Fismes et al., 2002). Akeh organisme akuatik kayata iwak, kerang, kerang, lan urang sing kontaminasi PAH liwat konsumsi panganan lan banyu segara sing kontaminasi, uga liwat jaringan lan kulit (Mackay lan Fraser, 2000). Cara masak/pangolahan kayata dipanggang, dipanggang, diasap, digoreng, dikeringake, dipanggang, lan dimasak nganggo areng uga bisa nyebabake jumlah PAH sing signifikan ing panganan. Iki gumantung banget karo pilihan bahan pengasap, kandungan hidrokarbon fenolik/aromatik, prosedur masak, jinis pemanas, kandungan kelembapan, pasokan oksigen, lan suhu pembakaran (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013). Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) uga wis dideteksi ing susu kanthi konsentrasi sing beda-beda (0,75–2,1 mg/L) (Girelli et al., 2014). Akumulasi PAH iki ing panganan uga gumantung marang sifat fisikokimia panganan, dene efek beracun ana hubungane karo fungsi fisiologis, aktivitas metabolisme, penyerapan, distribusi lan distribusi awak (Mechini et al., 2011).
Toksisitas lan efek mbebayani saka hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) wis dikenal wiwit suwe (Cherniglia, 1984). Hidrokarbon aromatik polisiklik bobot molekul rendah (LMW-PAH) (loro nganti telung cincin) bisa kaiket sacara kovalen karo macem-macem makromolekul kayata DNA, RNA lan protein lan karsinogenik (Santarelli et al., 2008). Amarga sifat hidrofobik, dheweke dipisahake dening membran lipid. Ing manungsa, sitokrom P450 monooksigenase ngoksidasi PAH dadi epoksida, sawetara reaktif banget (kayata, baediol epoksida) lan bisa nyebabake transformasi sel normal dadi ganas (Marston et al., 2001). Kajaba iku, produk transformasi PAH kayata kuinon, fenol, epoksida, diol, lan liya-liyane luwih beracun tinimbang senyawa induk. Sawetara PAH lan zat antara metabolisme bisa mengaruhi hormon lan macem-macem enzim ing metabolisme, saengga mengaruhi pertumbuhan, sistem saraf pusat, sistem reproduksi lan kekebalan awak (Swetha lan Phale, 2005; Vamsee-Krishna et al., 2006; Oostingh et al., 2008). Paparan jangka pendek marang PAH kanthi bobot molekul rendah wis dilapurake nyebabake gangguan fungsi paru-paru lan trombosis ing penderita asma lan nambah risiko kanker kulit, paru-paru, kandung kemih lan gastrointestinal (Olsson et al., 2010; Diggs et al., 2011). Panliten kewan uga nuduhake yen paparan PAH bisa duwe efek sing ala marang fungsi lan perkembangan reproduksi lan bisa nyebabake katarak, kerusakan ginjel lan ati, lan penyakit kuning. Macem-macem produk biotransformasi PAH kayata diol, epoksida, kuinon lan radikal bebas (kation) wis dituduhake mbentuk adduct DNA. Adduct sing stabil wis dituduhake bisa ngowahi mesin replikasi DNA, dene adduct sing ora stabil bisa ngurai DNA (utamane dadi adenin lan kadhangkala dadi guanin); kalorone bisa ngasilake kesalahan sing nyebabake mutasi (Schweigert et al. 2001). Kajaba iku, kuinon (benzo-/pan-) bisa ngasilake spesies oksigen reaktif (ROS), sing nyebabake kerusakan fatal ing DNA lan makromolekul liyane, saengga mengaruhi fungsi/kelangsungan hidup jaringan (Ewa lan Danuta 2017). Paparan kronis marang konsentrasi rendah pirena, bifenil, lan naftalena wis dilaporake nyebabake kanker ing kewan eksperimen (Diggs et al. 2012). Amarga keracunan sing fatal, pembersihan/penghapusan PAH iki saka situs sing kena pengaruh/terkontaminasi minangka prioritas.
Maneka warna cara fisik lan kimia wis digunakake kanggo mbusak PAH saka situs/lingkungan sing tercemar. Proses kayata insinerasi, deklorinasi, oksidasi UV, fiksasi, lan ekstraksi pelarut nduweni akeh kekurangan, kalebu pembentukan produk sampingan beracun, kerumitan proses, masalah keamanan lan peraturan, efisiensi sing kurang, lan biaya sing dhuwur. Nanging, biodegradasi mikroba (sing diarani bioremediasi) minangka pendekatan alternatif sing njanjeni sing nglibatake panggunaan mikroorganisme ing wangun kultur utawa koloni murni. Dibandhingake karo cara fisik lan kimia, proses iki ramah lingkungan, ora invasif, efektif biaya, lan lestari. Bioremediasi bisa ditindakake ing situs sing kena pengaruh (in situ) utawa ing situs sing disiapake khusus (ex situ) lan mulane dianggep minangka cara remediasi sing luwih lestari tinimbang cara fisik lan kimia tradisional (Juhasz lan Naidu, 2000; Andreoni lan Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020).
Pangerten babagan langkah-langkah metabolisme mikroba sing ana gandhengane karo degradasi polutan aromatik nduweni implikasi ilmiah lan ekonomi sing gedhe banget kanggo kelestarian ekologis lan lingkungan. Kira-kira 2,1 × 1018 gram karbon (C) disimpen ing sedimen lan senyawa organik (yaiku, lenga, gas alam, lan batu bara, yaiku, bahan bakar fosil) ing saindenging jagad, menehi kontribusi sing signifikan kanggo siklus karbon global. Nanging, industrialisasi sing cepet, ekstraksi bahan bakar fosil, lan aktivitas manungsa ngurangi waduk karbon litosfer iki, ngeculake kira-kira 5,5 × 1015 g karbon organik (minangka polutan) menyang atmosfer saben taun (Gonzalez-Gaya et al., 2019). Sebagéan gedhé karbon organik iki mlebu ing ekosistem terestrial lan laut liwat sedimentasi, transportasi, lan limpasan. Kajaba iku, polutan sintetis anyar sing asale saka bahan bakar fosil, kayata plastik, plasticizer lan stabilisator plastik (ftalat lan isomer), ngrusak ekosistem laut, lemah lan akuatik lan biota kanthi serius, saengga nambah risiko iklim global. Maneka warna jinis mikroplastik, nanoplastik, pecahan plastik lan produk monomer beracun sing asale saka polietilen tereftalat (PET) wis nglumpuk ing Samudra Pasifik antarane Amerika Utara lan Asia Tenggara, mbentuk "Great Pacific Garbage Patch", sing ngrusak urip segara (Newell et al., 2020). Panliten ilmiah wis mbuktekake manawa ora mungkin mbusak polutan/limbah kasebut kanthi cara fisik utawa kimia. Ing konteks iki, mikroorganisme sing paling migunani yaiku sing bisa metabolisme polutan kanthi oksidatif dadi karbon dioksida, energi kimia, lan produk sampingan non-beracun liyane sing pungkasane mlebu ing proses siklus nutrisi liyane (H, O, N, S, P, Fe, lsp.). Dadi, mangerteni ekofisiologi mikroba mineralisasi polutan aromatik lan kontrol lingkungane penting banget kanggo netepake siklus karbon mikroba, anggaran karbon bersih, lan risiko iklim ing mangsa ngarep. Amarga kabutuhan mendesak kanggo mbusak senyawa kasebut saka lingkungan, maneka warna eko-industri sing fokus ing teknologi resik wis muncul. Utawa, valorisasi limbah industri/bahan kimia limbah sing nglumpuk ing ekosistem (yaiku pendekatan sampah kanggo kasugihan) dianggep minangka salah sawijining pilar ekonomi sirkular lan tujuan pembangunan berkelanjutan (Close et al., 2012). Mulane, pangerten babagan aspek metabolisme, enzimatik, lan genetik saka calon degradasi potensial iki penting banget kanggo mbusak lan bioremediasi polutan aromatik kasebut kanthi efektif.
Saka akeh polutan aromatik, kita menehi perhatian khusus marang PAH kanthi bobot molekul rendah kayata naftalena lan naftalena sing diganti. Senyawa kasebut minangka komponen utama bahan bakar sing asale saka petroleum, pewarna tekstil, produk konsumen, pestisida (kapur barus lan penolak serangga), plasticizer lan tanin lan mulane nyebar ing akeh ekosistem (Preuss et al., 2003). Laporan anyar nyoroti akumulasi konsentrasi naftalena ing sedimen akuifer, lemah banyu soko lemah lan lemah ing sangisore permukaan, zona vadose lan dasar kali, sing nuduhake bioakumulasi ing lingkungan (Duttagupta et al., 2019, 2020). Tabel 2 ngringkes sifat fisikokimia, aplikasi lan efek kesehatan saka naftalena lan turunane. Dibandhingake karo PAH kanthi bobot molekul dhuwur liyane, naftalena lan turunane kurang hidrofobik, luwih larut ing banyu lan kasebar sacara wiyar ing ekosistem, mula asring digunakake minangka substrat model kanggo nyinaoni metabolisme, genetika lan keragaman metabolik PAH. Akeh mikroorganisme sing bisa metabolisme naftalena lan turunane, lan informasi lengkap kasedhiya babagan jalur metabolisme, enzim, lan fitur pengaturan (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020). Kajaba iku, naftalena lan turunane ditetepake minangka senyawa prototipe kanggo penilaian polusi lingkungan amarga kelimpahan lan bioavailabilitas sing dhuwur. Badan Perlindungan Lingkungan AS ngira-ngira yen tingkat rata-rata naftalena yaiku 5,19 μg saben meter kubik saka asap rokok, utamane saka pembakaran sing ora lengkap, lan 7,8 nganti 46 μg saka asap sisih, dene paparan kreosot lan naftalena 100 nganti 10.000 kali luwih dhuwur (Preuss et al. 2003). Naftalena utamane wis ditemokake duwe toksisitas lan karsinogenisitas pernapasan spesifik spesies, wilayah, lan jenis kelamin. Adhedhasar panliten kewan, Badan Internasional kanggo Riset Kanker (IARC) wis nglasifikasikake naftalena minangka "karsinogen manungsa sing bisa kedadeyan" (Grup 2B)1. Paparan naftalena sing diganti, utamane liwat inhalasi utawa administrasi parenteral (oral), nyebabake cedera jaringan paru-paru lan nambah insiden tumor paru-paru ing tikus lan mencit (Program Toksikologi Nasional 2). Efek akut kalebu mual, muntah, nyeri weteng, diare, sakit kepala, kebingungan, kringet akeh, demam, takikardia, lan liya-liyane. Ing sisih liya, insektisida karbamat spektrum sing amba karbaril (1-naftil N-metilkarbamat) wis dilaporake beracun kanggo invertebrata akuatik, amfibi, tawon madu lan manungsa lan wis dituduhake bisa nyegah asetilkolinesterase sing nyebabake kelumpuhan (Smulders et al., 2003; Bulen lan Distel, 2011). Mulane, pangerten babagan mekanisme degradasi mikroba, regulasi genetik, reaksi enzimatik lan seluler penting banget kanggo ngembangake strategi bioremediasi ing lingkungan sing tercemar.
Tabel 2. Informasi rinci babagan sifat fisikokimia, panggunaan, metode identifikasi lan penyakit sing ana gandhengane karo naftalena lan turunane.
Ing relung sing tercemar, polutan aromatik hidrofobik lan lipofilik bisa nyebabake macem-macem efek seluler ing mikrobioma lingkungan (komunitas), kayata owah-owahan ing fluiditas membran, permeabilitas membran, pembengkakan lapisan ganda lipid, gangguan transfer energi (rantai transpor elektron/gaya motif proton), lan aktivitas protein sing ana gandhengane karo membran (Sikkema et al., 1995). Kajaba iku, sawetara zat antara sing larut kayata katekol lan kuinon ngasilake spesies oksigen reaktif (ROS) lan mbentuk adduct karo DNA lan protein (Penning et al., 1999). Mangkono, akehe senyawa kasebut ing ekosistem menehi tekanan selektif ing komunitas mikroba kanggo dadi degradasi sing efisien ing macem-macem tingkat fisiologis, kalebu serapan/transportasi, transformasi intraseluler, asimilasi/pemanfaatan, lan kompartementalisasi.
Panelusuran ing Ribosomal Database Project-II (RDP-II) nuduhake yen total 926 spesies bakteri diisolasi saka media utawa kultur pengayaan sing tercemar naftalena utawa turunane. Kelompok Proteobacteria nduweni jumlah wakil paling dhuwur (n = 755), diikuti dening Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10), lan bakteri sing ora diklasifikasikake (8) (Gambar 2). Perwakilan γ-Proteobacteria (Pseudomonadales lan Xanthomonadales) ndominasi kabeh kelompok Gram-negatif kanthi kandungan G+C sing dhuwur (54%), dene Clostridiales lan Bacillales (30%) minangka kelompok Gram-positif kanthi kandungan G+C sing endhek. Pseudomonas (cacah paling dhuwur, 338 spesies) dilaporake bisa ngrusak naftalena lan turunan metil ing macem-macem ekosistem sing tercemar (tar batu bara, minyak bumi, minyak mentah, lumpur, tumpahan minyak, banyu limbah, limbah organik lan TPA) uga ing ekosistem sing utuh (lemah, kali, sedimen lan banyu soko lemah) (Gambar 2). Kajaba iku, panliten pengayaan lan analisis metagenomik ing sawetara wilayah kasebut nuduhake yen spesies Legionella lan Clostridium sing ora dikultur bisa uga duwe kapasitas degradasi, sing nuduhake kabutuhan kanggo ngkultur bakteri kasebut kanggo nyinaoni jalur anyar lan keragaman metabolisme.
Gambar 2. Keragaman taksonomi lan distribusi ekologis wakil bakteri ing lingkungan sing tercemar naftalena lan turunan naftalena.
Saka maneka warna mikroorganisme pengurai hidrokarbon aromatik, umume bisa ngurai naftalena minangka siji-sijine sumber karbon lan energi. Urutan kedadeyan sing ana gandhengane karo metabolisme naftalena wis diterangake kanggo Pseudomonas sp. (galur: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 lan CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 lan galur liyane (ND6 lan AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis lan Zylstra, 2004; Sota et al., 2006; Metabolisme diwiwiti dening dioksigenase multikomponen [naftalena dioksigenase (NDO), cincin hidroksilasi dioksigenase] sing ngatalisis oksidasi salah sawijining cincin aromatik naftalena nggunakake oksigen molekuler minangka substrat liyane, ngowahi naftalena dadi cis-naftalenadiol (Gambar 3). Cis-dihydrodiol diowahi dadi 1,2-dihidroksinaftalena dening dehidrogenase. Dioksigenase sing mbelah cincin, 1,2-dihidroksinaftalena dioksigenase (12DHNDO), ngowahi 1,2-dihidroksinaftalena dadi asam 2-hidroksikromena-2-karboksilat. Isomerisasi cis-trans enzimatik ngasilake trans-o-hidroksibenzilidenapiruvat, sing dibelah dening hidratase aldolase dadi aldehida salisilat lan piruvat. Asam organik piruvat minangka senyawa C3 pertama sing asale saka kerangka karbon naftalena lan diarahake menyang jalur karbon pusat. Kajaba iku, salisilaldehida dehidrogenase sing gumantung karo NAD+ ngowahi salisilaldehida dadi asam salisilat. Metabolisme ing tahap iki diarani "jalur ndhuwur" degradasi naftalena. Jalur iki umum banget ing umume bakteri sing ngrusak naftalena. Nanging, ana sawetara pangecualian; contone, ing Bacillus hamburgii 2 termofilik, Degradasi naftalena diwiwiti dening naftalena 2,3-dioksigenase kanggo mbentuk 2,3-dihidroksinaftalena (Annweiler et al., 2000).
Gambar 3. Jalur degradasi naftalena, metilnaftalena, asam naftoat, lan karbaryl. Nomer sing dibunderaké makili enzim sing tanggung jawab kanggo konversi sekuensial naftalena lan turunané dadi produk sabanjuré. 1 — naftalena dioksigenase (NDO); 2, cis-dihidrodiol dehidrogenase; 3, 1,2-dihidroksinaftalena dioksigenase; 4, isomerase asam 2-hidrokromena-2-karboksilat; 5, trans-O-hidroksibenzilidenapiruvat hidratase aldolase; 6, salisilaldehida dehidrogenase; 7, salisilat 1-hidroksilase; 8, katekol 2,3-dioksigenase (C23DO); 9, 2-hidroksimukonat semialdehida dehidrogenase; 10, 2-oksopent-4-enoat hidratase; 11, 4-hidroksi-2-oksopentanoat aldolase; 12, asetaldehida dehidrogenase; 13, katekol-1,2-dioksigenase (C12DO); 14, sikloisomerase mukonat; 15, mukonolakton delta-isomerase; 16, β-ketoadipatenolakton hidrolase; 17, β-ketoadipat suksinil-CoA transferase; 18, β-ketoadipat-CoA tiolase; 19, suksinil-CoA: asetil-CoA suksiniltransferase; 20, salisilat 5-hidroksilase; 21 – gentisat 1,2-dioksigenase (GDO); 22, isomerase maleilpiruvat; 23, fumarilpiruvat hidrolase; 24, metilnaftalena hidroksilase (NDO); 25, hidroksimetilnaftalena dehidrogenase; 26, naftaldehida dehidrogenase; 27, 3-formilsalisilat asam oksidase; 28, hidroksiisoftalat dekarboksilase; 29, karbaril hidrolase (CH); 30, 1-naftol-2-hidroksilase.
Gumantung saka organisme lan susunan genetike, asam salisilat sing diasilake luwih lanjut dimetabolisme liwat jalur katekol nggunakake salisilat 1-hidroksilase (S1H) utawa liwat jalur gentisat nggunakake salisilat 5-hidroksilase (S5H) (Gambar 3). Amarga asam salisilat minangka perantara utama ing metabolisme naftalena (jalur ndhuwur), langkah-langkah saka asam salisilat menyang perantara TCA asring diarani jalur ngisor, lan gen-gen kasebut diatur dadi siji operon. Lumrah dideleng yen gen ing operon jalur ndhuwur (nah) lan operon jalur ngisor (sal) diatur dening faktor pangaturan umum; contone, NahR lan asam salisilat tumindak minangka induser, sing ngidini loro operon kasebut metabolisme naftalena kanthi lengkap (Phale et al., 2019, 2020).
Kajaba iku, katekol dibelah sacara siklik dadi 2-hidroksimukonat semialdehida liwat jalur meta dening katekol 2,3-dioksigenase (C23DO) (Yen et al., 1988) lan luwih lanjut dihidrolisis dening 2-hidroksimukonat semialdehida hidrolase kanggo mbentuk asam 2-hidroksipent-2,4-dienoat. 2-hidroksipent-2,4-dienoat banjur diowahi dadi piruvat lan asetaldehida dening hidratase (2-oksopent-4-enoat hidratase) lan aldolase (4-hidroksi-2-oksopentanoat aldolase) banjur mlebu jalur karbon pusat (Gambar 3). Utawa, katekol dibelah sacara siklik dadi cis,cis-mukonat liwat jalur orto dening katekol 1,2-oksigenase (C12DO). Sikloisomerase mukonat, isomerase mukonolakton, lan β-ketoadipat-nollakton hidrolase ngowahi cis,cis-mukonat dadi 3-oksoadipat, sing mlebu ing jalur karbon pusat liwat suksinil-CoA lan asetil-CoA (Nozaki et al., 1968) (Gambar 3).
Ing jalur gentisat (2,5-dihidroksibenzoat), cincin aromatik dibelah dening gentisat 1,2-dioksigenase (GDO) kanggo mbentuk maleilpiruvat. Produk iki bisa dihidrolisis langsung dadi piruvat lan malat, utawa bisa diisomerisasi dadi fumarilpiruvat, sing banjur bisa dihidrolisis dadi piruvat lan fumarat (Larkin lan Day, 1986). Pilihan jalur alternatif wis diamati ing bakteri Gram-negatif lan Gram-positif ing tingkat biokimia lan genetik (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997). Bakteri Gram-negatif (Pseudomonas) luwih seneng nggunakake asam salisilat, sing minangka penginduksi metabolisme naftalena, dekarboksilasi dadi katekol nggunakake salisilat 1-hidroksilase (Gibson lan Subramanian, 1984). Ing sisih liya, ing bakteri Gram-positif (Rhodococcus), salisilat 5-hidroksilase ngowahi asam salisilat dadi asam gentisat, dene asam salisilat ora duwe efek induktif ing transkripsi gen naftalena (Grund et al., 1992) (Gambar 3).
Wis dilapurake yen spesies kayata Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas lan spesies Mycobacterium bisa ngrusak monomethylnaphthalene utawa dimethylnaphthalene (Dean-Raymond lan Bartha, 1975; Cane lan Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999). Antarane, jalur degradasi 1-methylnaphthalene lan 2-methylnaphthalene saka Pseudomonas sp. CSV86 wis ditliti kanthi jelas ing tingkat biokimia lan enzimatik (Mahajan et al., 1994). 1-Methylnaphthalene dimetabolisme liwat rong jalur. Kapisan, cincin aromatik dihidroksilasi (cincin metilnaftalena sing ora diganti) kanggo mbentuk cis-1,2-dihidroksi-1,2-dihidro-8-metilnaftalena, sing luwih lanjut dioksidasi dadi metil salisilat lan metilkatekol, banjur mlebu jalur karbon pusat sawise pembelahan cincin (Gambar 3). Jalur iki diarani "jalur sumber karbon". Ing "jalur detoksifikasi" kapindho, gugus metil bisa dihidroksilasi dening NDO kanggo mbentuk 1-hidroksimetilnaftalena, sing luwih lanjut dioksidasi dadi asam 1-naftoat lan diekskresi menyang medium kultur minangka produk buntu. Panliten nuduhake yen galur CSV86 ora bisa tuwuh ing asam 1- lan 2-naftoat minangka siji-sijine sumber karbon lan energi, sing ngonfirmasi jalur detoksifikasi (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003). Ing 2-metilnaftalena, gugus metil ngalami hidroksilasi dening hidroksilase kanggo mbentuk 2-hidroksimetilnaftalena. Kajaba iku, cincin naftalena sing ora tersubstitusi ngalami hidroksilasi cincin kanggo mbentuk dihidrodiol, sing dioksidasi dadi 4-hidroksimetilkatekol ing serangkaian reaksi sing dikatalisis enzim lan mlebu jalur karbon pusat liwat jalur pembelahan meta-ring. Kajaba iku, S. paucimobilis 2322 dilaporake nggunakake NDO kanggo hidroksilasi 2-metilnaftalena, sing luwih lanjut dioksidasi kanggo mbentuk metil salisilat lan metilkatekol (Dutta et al., 1998).
Asam naftoat (sing disubstitusi/ora disubstitusi) minangka produk sampingan detoksifikasi/biotransformasi sing dibentuk sajrone degradasi metilnaftalena, fenantrena lan antrasena lan dirilis menyang medium kultur sing wis digunakake. Wis dilapurake yen isolat lemah Stenotrophomonas maltophilia CSV89 bisa metabolisme asam 1-naftoat minangka sumber karbon (Phale et al., 1995). Metabolisme diwiwiti kanthi dihidroksilasi cincin aromatik kanggo mbentuk 1,2-dihidroksi-8-karboksinaftalena. Diol sing diasilake dioksidasi dadi katekol liwat 2-hidroksi-3-karboksibenzilidenapiruvat, asam 3-formilsalisilat, asam 2-hidroksiisoftalat lan asam salisilat lan mlebu jalur karbon pusat liwat jalur pembelahan meta-ring (Gambar 3).
Karbaril iku pestisida naftil karbamat. Wiwit Revolusi Hijau ing India ing taun 1970-an, panggunaan pupuk kimia lan pestisida wis nyebabake peningkatan emisi hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) saka sumber non-titik pertanian (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020). Kira-kira 55% (85.722.000 hektar) saka total lahan pertanian ing India diobati nganggo pestisida kimia. Sajrone limang taun pungkasan (2015–2020), sektor pertanian India wis nggunakake rata-rata 55.000 nganti 60.000 ton pestisida saben taun (Departemen Koperasi lan Kesejahteraan Petani, Kementerian Pertanian, Pemerintah India, Agustus 2020). Ing dataran Gangga sisih lor lan tengah (negara bagian kanthi populasi lan kapadhetan populasi paling dhuwur), panggunaan pestisida ing tanduran saya akeh, kanthi insektisida sing dominan. Carbaryl (1-naphthyl-N-methylcarbamate) iku insektisida karbamat spektrum sing amba, rada beracun nganti dhuwur sing digunakake ing pertanian India kanthi tingkat rata-rata 100-110 ton. Iki umume didol kanthi jeneng dagang Sevin lan digunakake kanggo ngontrol serangga (kutu daun, semut geni, kutu, tungau, laba-laba lan akeh hama ruangan liyane) sing mengaruhi macem-macem tanduran (jagung, kedele, kapas, woh-wohan lan sayuran). Sawetara mikroorganisme kayata Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus lan Arthrobacter uga bisa digunakake kanggo ngontrol hama liyane. Wis dilapurake yen RC100 bisa ngurai karbaril (Larkin lan Day, 1986; Chapalamadugu lan Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha lan Phale, 2005; Trivedi et al., 2017). Jalur degradasi karbaril wis ditliti kanthi ekstensif ing tingkat biokimia, enzimatik lan genetik ing isolat lemah Pseudomonas sp. Galur C4, C5 lan C6 (Swetha lan Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (Gambar 3). Jalur metabolisme diwiwiti kanthi hidrolisis ikatan ester dening karbaril hidrolase (CH) kanggo mbentuk 1-naftol, metilamina lan karbon dioksida. 1-naftol banjur diowahi dadi 1,2-dihidroksinaftalena dening 1-naftol hidroksilase (1-NH), sing luwih lanjut dimetabolisme liwat jalur karbon pusat liwat salisilat lan gentisat. Sawetara bakteri pengurai karbaryl wis dilaporake metabolisme dadi asam salisilat liwat pembelahan cincin orto katekol (Larkin lan Day, 1986; Chapalamadugu lan Chaudhry, 1991). Khususé, bakteri pengurai naftalena utamane metabolisme asam salisilat liwat katekol, dene bakteri pengurai karbaryl luwih seneng metabolisme asam salisilat liwat jalur gentisat.
Asam naftalenasulfonat/asam disulfonat lan turunan asam naftilaminsulfonat bisa digunakake minangka zat antara ing produksi pewarna azo, agen pembasah, dispersan, lan liya-liyane. Sanajan senyawa kasebut nduweni keracunan sing sithik kanggo manungsa, penilaian sitotoksisitas nuduhake yen senyawa kasebut bisa nyebabake pati kanggo iwak, daphnia, lan ganggang (Greim et al., 1994). Perwakilan saka genus Pseudomonas (galur A3, C22) wis dilaporake miwiti metabolisme kanthi hidroksilasi ganda saka cincin aromatik sing ngemot gugus asam sulfonat kanggo mbentuk dihidrodiol, sing luwih lanjut diowahi dadi 1,2-dihidroksinaftalena kanthi pembelahan spontan gugus sulfit (Brilon et al., 1981). 1,2-dihidroksinaftalena sing diasilake dikatabolisme liwat jalur naftalena klasik, yaiku, jalur katekol utawa gentisat (Gambar 4). Wis dituduhake yen asam aminonaftalenasulfonat lan asam hidroksinaftalenasulfonat bisa didegradasi kanthi lengkap dening konsorsium bakteri campuran kanthi jalur katabolik komplementer (Nortemann et al., 1986). Wis dituduhake yen salah sawijining anggota konsorsium desulfurisasi asam aminonaftalenasulfonat utawa asam hidroksinaftalenasulfonat kanthi 1,2-dioksigenasi, dene aminosalicylate utawa hidroksisalisilat dibebasake menyang medium kultur minangka metabolit buntu lan banjur dijupuk dening anggota konsorsium liyane. Asam naftalenadisulfonat relatif polar nanging kurang biodegradable lan mulane bisa dimetabolisme liwat jalur sing beda. Desulfurisasi pisanan kedadeyan sajrone dihidroksilasi regioselektif saka cincin aromatik lan gugus asam sulfonat; Desulfurisasi kapindho kedadeyan sajrone hidroksilasi asam 5-sulfosalisilat dening asam salisilat 5-hidroksilase kanggo mbentuk asam gentisat, sing mlebu ing jalur karbon pusat (Brilon et al., 1981) (Gambar 4). Enzim sing tanggung jawab kanggo degradasi naftalena uga tanggung jawab kanggo metabolisme naftalena sulfonat (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006).
Gambar 4. Jalur metabolisme kanggo degradasi naftalena sulfonat. Angka-angka ing njero bunderan makili enzim sing tanggung jawab kanggo metabolisme naftil sulfonat, padha/identik karo enzim sing diterangake ing Gambar 3.
PAH kanthi bobot molekul rendah (LMW-PAH) bisa direduksi, hidrofobik lan angel larut, mula ora rentan marang kerusakan/degradasi alami. Nanging, mikroorganisme aerobik bisa ngoksidasi kanthi nyerep oksigen molekuler (O2). Enzim-enzim iki utamane kalebu kelas oksidoreduktase lan bisa nindakake macem-macem reaksi kayata hidroksilasi cincin aromatik (mono- utawa dihidroksilasi), dehidrogenasi lan pembelahan cincin aromatik. Produk sing dipikolehi saka reaksi kasebut ana ing kahanan oksidasi sing luwih dhuwur lan luwih gampang dimetabolisme liwat jalur karbon pusat (Phale et al., 2020). Enzim ing jalur degradasi wis dilaporake bisa diinduksi. Aktivitas enzim kasebut sithik banget utawa bisa diabaikan nalika sel ditumbuhake ing sumber karbon prasaja kayata glukosa utawa asam organik. Tabel 3 ngringkes macem-macem enzim (oksigenase, hidrolase, dehidrogenase, oksidase, lan liya-liyane) sing melu metabolisme naftalena lan turunane.
Tabel 3. Karakteristik biokimia enzim sing tanggung jawab kanggo degradasi naftalena lan turunane.
Panliten radioisotop (18O2) nuduhake yen penggabungan molekul O2 menyang cincin aromatik dening oksigenase minangka langkah paling penting kanggo ngaktifake biodegradasi luwih lanjut saka senyawa (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955). Penggabungan siji atom oksigen (O) saka molekul oksigen (O2) menyang substrat diwiwiti dening monooksigenase endogen utawa eksogen (uga disebut hidroksilase). Atom oksigen liyane direduksi dadi banyu. Monooksigenase eksogen ngurangi flavin karo NADH utawa NADPH, dene ing endomonooksigenase flavin direduksi dening substrat. Posisi hidroksilasi nyebabake maneka warna pembentukan produk. Contone, salisilat 1-hidroksilase hidroksilat asam salisilat ing posisi C1, mbentuk katekol. Ing sisih liya, salisilat 5-hidroksilase multikomponen (sing ngemot subunit reduktase, ferredoksin, lan oksigenase) nghidroksilase asam salisilat ing posisi C5, mbentuk asam gentisat (Yamamoto et al., 1965).
Dioksigenase nggabungake rong atom O2 menyang substrat. Gumantung saka produk sing dibentuk, dioksigenase iki dipérang dadi dioksigenase hidroksilasi cincin lan dioksigenase pembelahan cincin. Dioksigenase hidroksilasi cincin ngowahi substrat aromatik dadi cis-dihidrodiol (contone, naftalena) lan nyebar ing antarane bakteri. Nganti saiki, wis dituduhake manawa organisme sing ngemot dioksigenase hidroksilasi cincin bisa tuwuh ing macem-macem sumber karbon aromatik, lan enzim kasebut diklasifikasikake minangka NDO (naftalena), toluena dioksigenase (TDO, toluena), lan bifenil dioksigenase (BPDO, bifenil). NDO lan BPDO bisa ngatalisis oksidasi ganda lan hidroksilasi rantai samping saka macem-macem hidrokarbon aromatik polisiklik (toluena, nitrotoluena, xilena, etilbenzena, naftalena, bifenil, fluorena, indol, metilnaftalena, naftalenasulfonat, fenantrena, antrasena, asetofenon, lan liya-liyane) (Boyd lan Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020). NDO minangka sistem multikomponen sing kasusun saka oksidoreduktase, ferredoksin, lan komponen oksigenase sing ngemot situs aktif (Gibson lan Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996). Unit katalitik NDO kasusun saka subunit α gedhe lan subunit β cilik sing disusun ing konfigurasi α3β3. NDO kalebu kulawarga gedhe saka oksigenase lan subunit α-ne ngemot situs Rieske [2Fe-2S] lan wesi non-heme mononuklear, sing nemtokake spesifisitas substrat NDO (Parales et al., 1998). Biasane, ing siji siklus katalitik, rong elektron saka reduksi nukleotida piridin ditransfer menyang ion Fe(II) ing situs aktif liwat reduktase, ferredoksin lan situs Rieske. Ekivalen reduksi ngaktifake oksigen molekuler, sing minangka prasyarat kanggo dihidroksilasi substrat (Ferraro et al., 2005). Nganti saiki, mung sawetara NDO sing wis dimurnèkaké lan dikarakterisasi kanthi rinci saka galur sing béda lan kontrol genetik jalur sing ana gandhengane karo degradasi naftalena wis disinaoni kanthi rinci (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003). Dioksigenase pemecah cincin (enzim pemecah endo- utawa orto-ring lan enzim pemecah eksodiol utawa meta-ring) tumindak marang senyawa aromatik terhidroksilasi. Contone, dioksigenase pemecah orto-ring yaiku katekol-1,2-dioksigenase, dene dioksigenase pemecah meta-ring yaiku katekol-2,3-dioksigenase (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968). Saliyane macem-macem oksigenase, ana uga macem-macem dehidrogenase sing tanggung jawab kanggo dehidrogenasi dihidrodiol aromatik, alkohol lan aldehida lan nggunakake NAD+/NADP+ minangka akseptor elektron, yaiku sawetara enzim penting sing melu metabolisme (Gibson lan Subramanian, 1984; Shaw lan Harayama, 1990; Fahle et al., 2020).
Enzim kaya ta hidrolase (esterase, amidase) minangka kelas enzim penting nomer loro sing nggunakake banyu kanggo mecah ikatan kovalen lan nuduhake spesifisitas substrat sing amba. Carbaryl hydrolase lan hidrolase liyane dianggep minangka komponen periplasma (transmembran) ing anggota bakteri Gram-negatif (Kamini et al., 2018). Carbaryl nduweni ikatan amida lan ester; mulane, bisa dihidrolisis dening esterase utawa amidase kanggo mbentuk 1-naftol. Carbaryl ing galur Rhizobium rhizobium AC10023 lan galur Arthrobacter RC100 wis dilapurake berfungsi minangka esterase lan amidase. Carbaryl ing galur Arthrobacter RC100 uga berfungsi minangka amidase. RC100 wis dituduhake bisa nghidrolisis papat insektisida kelas N-metilkarbamat kayata carbaryl, metomil, asam mefenamat lan XMC (Hayaatsu et al., 2001). Dilaporake yen CH ing Pseudomonas sp. C5pp bisa tumindak ing karbaril (aktivitas 100%) lan 1-naftil asetat (aktivitas 36%), nanging ora ing 1-naftilasetat, sing nuduhake yen iku minangka esterase (Trivedi et al., 2016).
Panliten biokimia, pola regulasi enzim, lan analisis genetik nuduhake yen gen degradasi naftalena kasusun saka rong unit pangaturan sing bisa diinduksi utawa "operon": nah ("jalur hulu", sing ngowahi naftalena dadi asam salisilat) lan sal ("jalur hilir", sing ngowahi asam salisilat dadi jalur karbon pusat liwat katekol). Asam salisilat lan analoge bisa tumindak minangka induser (Shamsuzzaman lan Barnsley, 1974). Ing ngarsane glukosa utawa asam organik, operon direpresi. Gambar 5 nuduhake organisasi genetik lengkap degradasi naftalena (ing bentuk operon). Sawetara varian/bentuk gen nah sing dijenengi (ndo/pah/dox) wis diterangake lan ditemokake duwe homologi urutan dhuwur (90%) ing antarane kabeh spesies Pseudomonas (Abbasian et al., 2016). Gen jalur hulu naftalena umume disusun kanthi urutan konsensus kaya sing dituduhake ing Gambar 5A. Gen liyané, nahQ, uga dilapurake melu metabolisme naftalena lan biasane dumunung ing antarane nahC lan nahE, nanging fungsine sing sejatine isih kudu dijlentrehake. Kajaba iku, gen nahY, sing tanggung jawab kanggo kemotaksis sensitif naftalena, ditemokake ing ujung distal operon nah ing sawetara anggota. Ing Ralstonia sp., gen U2 sing ngode glutathione S-transferase (gsh) ditemokake dumunung ing antarane nahAa lan nahAb nanging ora mengaruhi karakteristik pemanfaatan naftalena (Zylstra et al., 1997).
Gambar 5. Organisasi genetik lan keragaman sing diamati sajrone degradasi naftalena ing antarane spesies bakteri; (A) Jalur naftalena ndhuwur, metabolisme naftalena dadi asam salisilat; (B) Jalur naftalena ngisor, asam salisilat liwat katekol menyang jalur karbon pusat; (C) asam salisilat liwat gentisat menyang jalur karbon pusat.
"Jalur ngisor" (operon sal) biasane kasusun saka nahGTHINLMOKJ lan ngowahi salisilat dadi piruvat lan asetaldehida liwat jalur pembelahan meta katekol. Gen nahG (sing ngode salisilat hidroksilase) ditemokake dilestarikake ing ujung proksimal operon (Gambar 5B). Dibandhingake karo galur degradasi naftalena liyane, ing P. putida CSV86, operon nah lan sal iku tandem lan raket banget (udakara 7,5 kb). Ing sawetara bakteri Gram-negatif, kayata Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, lan P. putida AK5, naftalena dimetabolisme minangka metabolit karbon pusat liwat jalur gentisat (ing bentuk operon sgp/nag). Kaset gen biasane diwakili ing wangun nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI, ing ngendi nagR (sing ngode regulator tipe LysR) dumunung ing pucuk ndhuwur (Gambar 5C).
Karbaril mlebu ing siklus karbon pusat liwat metabolisme 1-naftol, 1,2-dihidroksinaftalena, asam salisilat, lan asam gentisat (Gambar 3). Adhedhasar panliten genetik lan metabolik, wis diusulake kanggo mbagi jalur iki dadi "hulu" (konversi karbaril dadi asam salisilat), "tengah" (konversi asam salisilat dadi asam gentisat), lan "hilir" (konversi asam gentisat dadi zat antara jalur karbon pusat) (Singh et al., 2013). Analisis genomik C5pp (supercontig A, 76,3 kb) nuduhake yen gen mcbACBDEF melu konversi karbaril dadi asam salisilat, banjur mcbIJKL ing konversi asam salisilat dadi asam gentisat, lan mcbOQP ing konversi asam gentisat dadi intermediet karbon pusat (fumarat lan piruvat, Trivedi et al., 2016) (Gambar 6).
Wis dilapurake yen enzim sing melu degradasi hidrokarbon aromatik (kalebu naftalena lan asam salisilat) bisa diinduksi dening senyawa sing cocog lan dihambat dening sumber karbon prasaja kayata glukosa utawa asam organik (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020). Antarane macem-macem jalur metabolisme naftalena lan turunane, fitur pangaturan naftalena lan karbaril wis ditliti nganti sawetara tingkat. Kanggo naftalena, gen ing jalur hulu lan hilir diatur dening NahR, regulator positif trans-acting tipe LysR. Iki dibutuhake kanggo induksi gen nah dening asam salisilat lan ekspresi tingkat dhuwur sabanjure (Yen lan Gunsalus, 1982). Salajengipun, panaliten nuduhake yen faktor host integratif (IHF) lan XylR (regulator transkripsi sing gumantung karo sigma 54) uga penting kanggo aktivasi transkripsi gen ing metabolisme naftalena (Ramos et al., 1997). Panliten nuduhake yen enzim saka jalur pambukaan meta-ring katekol, yaiku katekol 2,3-dioksigenase, diinduksi kanthi anané naftalena lan/utawa asam salisilat (Basu et al., 2006). Panliten nuduhake yen enzim saka jalur pambukaan orto-ring katekol, yaiku katekol 1,2-dioksigenase, diinduksi kanthi anané asam benzoat lan cis,cis-mukonat (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001).
Ing galur C5pp, limang gen, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR lan mcbS, ngode regulator sing kalebu kulawarga LysR/TetR saka regulator transkripsi sing tanggung jawab kanggo ngontrol degradasi karbaryl. Gen homolog mcbG ditemokake paling cedhak karo regulator tipe LysR PhnS (identitas asam amino 58%) sing melu metabolisme fenantrena ing Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016). Gen mcbH ditemokake melu jalur antara (konversi asam salisilat dadi asam gentisat) lan kalebu regulator transkripsi tipe LysR NagR/DntR/NahR ing Pseudomonas lan Burkholderia. Anggota kulawarga iki dilaporake ngenali asam salisilat minangka molekul efektor spesifik kanggo induksi gen degradasi. Ing sisih liya, telung gen, mcbN, mcbR lan mcbS, sing kalebu regulator transkripsi tipe LysR lan TetR, diidentifikasi ing jalur hilir (metabolit jalur karbon pusat gentisat).
Ing prokariota, proses transfer gen horisontal (akuisisi, ijol-ijolan, utawa transfer) liwat plasmid, transposon, profag, pulo genomik, lan unsur konjugatif integratif (ICE) minangka panyebab utama plastisitas ing genom bakteri, sing nyebabake entuk utawa ilang fungsi/sipat tartamtu. Iki ngidini bakteri adaptasi kanthi cepet karo kahanan lingkungan sing beda-beda, nyedhiyakake kauntungan metabolik adaptif potensial kanggo inang, kayata degradasi senyawa aromatik. Owah-owahan metabolik asring ditindakake liwat nyetel operon degradasi, mekanisme pangaturan, lan spesifisitas enzim, sing nggampangake degradasi senyawa aromatik sing luwih akeh (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020). Kaset gen kanggo degradasi naftalena wis ditemokake dumunung ing macem-macem unsur seluler kayata plasmid (konjugatif lan non-konjugatif), transposon, genom, ICE, lan kombinasi spesies bakteri sing beda-beda (Gambar 5). Ing Pseudomonas G7, operon nah lan sal saka plasmid NAH7 ditranskripsi ing orientasi sing padha lan minangka bagean saka transposon sing cacat sing mbutuhake transposase Tn4653 kanggo mobilisasi (Sota et al., 2006). Ing galur Pseudomonas NCIB9816-4, gen kasebut ditemokake ing plasmid konjugatif pDTG1 minangka rong operon (kurang luwih 15 kb) sing ditranskripsi ing arah sing ngelawan (Dennis lan Zylstra, 2004). Ing galur Pseudomonas putida AK5, plasmid non-konjugatif pAK5 ngode enzim sing tanggung jawab kanggo degradasi naftalena liwat jalur gentisat (Izmalkova et al., 2013). Ing galur Pseudomonas PMD-1, operon nah dumunung ing kromosom, dene operon sal dumunung ing plasmid konjugatif pMWD-1 (Zuniga et al., 1981). Nanging, ing Pseudomonas stutzeri AN10, kabeh gen degradasi naftalena (operon nah lan sal) dumunung ing kromosom lan mesthine direkrut liwat transposisi, rekombinasi, lan acara penyusunan ulang (Bosch et al., 2000). Ing Pseudomonas sp. CSV86, operon nah lan sal dumunung ing genom ing wangun ICE (ICECSV86). Struktur iki dilindhungi dening tRNAGly banjur dibaleni langsung sing nuduhake situs rekombinasi/penempelan (attR lan attL) lan integrase kaya fag sing dumunung ing loro ujung tRNAGly, saengga sacara struktural padha karo unsur ICEclc (ICEclcB13 ing Pseudomonas knackmusii kanggo degradasi klorokatekol). Wis dilapurake yen gen ing ICE bisa ditransfer kanthi konjugasi kanthi frekuensi transfer sing sithik banget (10-8), saengga nransfer sifat degradasi menyang panampa (Basu lan Phale, 2008; Phale et al., 2019).
Sebagéan gedhé gen sing tanggung jawab kanggo degradasi karbaril dumunung ing plasmid. Arthrobacter sp. RC100 ngandhut telung plasmid (pRC1, pRC2 lan pRC300) sing rong plasmid konjugatif, pRC1 lan pRC2, ngode enzim sing ngowahi karbaril dadi gentisat. Ing sisih liya, enzim sing melu konversi gentisat dadi metabolit karbon pusat dumunung ing kromosom (Hayaatsu et al., 1999). Bakteri saka genus Rhizobium. Galur AC100, sing digunakake kanggo konversi karbaril dadi 1-naftol, ngandhut plasmid pAC200, sing nggawa gen cehA sing ngode CH minangka bagéan saka transposon Tnceh sing diubengi dening urutan kaya unsur penyisipan (istA lan istB) (Hashimoto et al., 2002). Ing galur Sphingomonas CF06, gen degradasi karbaryl diyakini ana ing limang plasmid: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04, lan pCF05. Homologi DNA saka plasmid iki dhuwur, nuduhake anane kedadeyan duplikasi gen (Feng et al., 1997). Ing simbion degradasi karbaryl sing kasusun saka rong spesies Pseudomonas, galur 50581 ngandhut plasmid konjugatif pCD1 (50 kb) sing ngode gen mcd karbaryl hidrolase, dene plasmid konjugatif ing galur 50552 ngode enzim degradasi 1-naftol (Chapalamadugu lan Chaudhry, 1991). Ing galur Achromobacter WM111, gen mcd furadan hidrolase dumunung ing plasmid 100 kb (pPDL11). Gen iki wis dituduhake ana ing plasmid sing beda-beda (100, 105, 115 utawa 124 kb) ing bakteri sing beda-beda saka wilayah geografis sing beda-beda (Parekh et al., 1995). Ing Pseudomonas sp. C5pp, kabeh gen sing tanggung jawab kanggo degradasi karbaril dumunung ing genom sing nyakup 76,3 kb urutan (Trivedi et al., 2016). Analisis genom (6,15 Mb) nuduhake anané 42 MGE lan 36 GEI, sing 17 MGE dumunung ing supercontig A (76,3 kb) kanthi rata-rata isi G+C asimetris (54-60 mol%), sing nuduhake kemungkinan kedadeyan transfer gen horisontal (Trivedi et al., 2016). P. putida XWY-1 nuduhake susunan gen sing degradasi karbaril sing padha, nanging gen kasebut dumunung ing plasmid (Zhu et al., 2019).
Saliyané efisiensi metabolisme ing tingkat biokimia lan genomik, mikroorganisme uga nduwèni sipat utawa respon liyané kaya ta kemotaksis, sipat modifikasi permukaan sel, kompartementalisasi, pemanfaatan preferensial, produksi biosurfaktan, lan liya-liyané, sing mbantu supaya bisa metabolisme polutan aromatik kanthi luwih efisien ing lingkungan sing terkontaminasi (Gambar 7).
Gambar 7. Strategi respon seluler sing beda-beda saka bakteri pengurai hidrokarbon aromatik sing ideal kanggo biodegradasi senyawa polutan asing sing efisien.
Respon kemotaktik dianggep minangka faktor sing ningkatake degradasi polutan organik ing ekosistem sing tercemar heterogen. (2002) nduduhake yen kemotaksis Pseudomonas sp. G7 dadi naftalena nambah tingkat degradasi naftalena ing sistem akuatik. Galur tipe liar G7 ngrusak naftalena luwih cepet tinimbang galur mutan sing kekurangan kemotaksis. Protein NahY (538 asam amino kanthi topologi membran) ditemokake ditranskripsi bebarengan karo gen jalur metacleavage ing plasmid NAH7, lan kaya transduser kemotaksis, protein iki katon berfungsi minangka kemoreseptor kanggo degradasi naftalena (Grimm lan Harwood 1997). Panaliten liyane dening Hansel et al. (2009) nuduhake yen protein kasebut kemotaktik, nanging tingkat degradasine dhuwur. (2011) nduduhake respon kemotaktik Pseudomonas (P. putida) marang naftalena gas, ing ngendi difusi fase gas nyebabake aliran naftalena sing stabil menyang sel, sing ngontrol respon kemotaktik sel. Para peneliti ngeksploitasi prilaku kemotaktik iki kanggo ngrancang mikroba sing bakal nambah tingkat degradasi. Panliten nuduhake yen jalur kemosensori uga ngatur fungsi seluler liyane kayata pembelahan sel, regulasi siklus sel, lan pembentukan biofilm, saengga mbantu ngontrol tingkat degradasi. Nanging, nggunakake sifat iki (kemotaksis) kanggo degradasi sing efisien dihambat dening sawetara hambatan. Alangan utama yaiku: (a) reseptor paralog sing beda ngenali senyawa/ligan sing padha; (b) anane reseptor alternatif, yaiku, tropisme energik; (c) beda urutan sing signifikan ing domain sensorik saka kulawarga reseptor sing padha; lan (d) kurang informasi babagan protein sensor bakteri utama (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018). Kadhangkala, biodegradasi hidrokarbon aromatik ngasilake pirang-pirang metabolit/intermediat, sing bisa uga kemotaktik kanggo siji klompok bakteri nanging njijiki kanggo klompok liyane, sing luwih ngrumitake proses kasebut. Kanggo ngenali interaksi ligan (hidrokarbon aromatik) karo reseptor kimia, kita nggawe protein sensor hibrida (PcaY, McfR, lan NahY) kanthi nggabungake domain sensor lan sinyal Pseudomonas putida lan Escherichia coli, sing nargetake reseptor kanggo asam aromatik, intermediat TCA, lan naftalena (Luu et al., 2019).
Ing sangisore pengaruh naftalena lan hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) liyane, struktur membran bakteri lan integritas mikroorganisme ngalami owah-owahan sing signifikan. Panliten nuduhake yen naftalena ngganggu interaksi rantai asil liwat interaksi hidrofobik, saengga nambah pembengkakan lan fluiditas membran (Sikkema et al., 1995). Kanggo ngatasi efek sing ngrugekake iki, bakteri ngatur fluiditas membran kanthi ngganti rasio lan komposisi asam lemak antarane asam lemak rantai cabang iso/anteiso lan ngisomerisasi asam lemak tak jenuh cis dadi isomer trans sing cocog (Heipieper lan de Bont, 1994). Ing Pseudomonas stutzeri sing ditandur ing perawatan naftalena, rasio asam lemak jenuh nganti tak jenuh mundhak saka 1,1 dadi 2,1, dene ing Pseudomonas JS150 rasio iki mundhak saka 7,5 dadi 12,0 (Mrozik et al., 2004). Nalika ditandur ing naftalena, sel Achromobacter KAs 3-5 nuduhake agregasi sel ing sekitar kristal naftalena lan penurunan muatan permukaan sel (saka -22,5 dadi -2,5 mV) sing diiringi kondensasi sitoplasma lan vakuolisasi, sing nuduhake owah-owahan ing struktur sel lan sifat permukaan sel (Mohapatra et al., 2019). Sanajan owah-owahan seluler/permukaan ana gandhengane langsung karo penyerapan polutan aromatik sing luwih apik, strategi bioengineering sing relevan durung dioptimalake kanthi lengkap. Manipulasi bentuk sel arang digunakake kanggo ngoptimalake proses biologis (Volke lan Nikel, 2018). Penghapusan gen sing mengaruhi pembelahan sel nyebabake owah-owahan ing morfologi sel. Penghapusan gen sing mengaruhi pembelahan sel nyebabake owah-owahan ing morfologi sel. Ing Bacillus subtilis, protein septum sel SepF wis dituduhake melu pembentukan septum lan dibutuhake kanggo langkah-langkah pembelahan sel sabanjure, nanging dudu gen penting. Pambusakan gen sing ngode peptida glikan hidrolase ing Bacillus subtilis nyebabake pemanjangan sel, peningkatan tingkat pertumbuhan spesifik, lan peningkatan kapasitas produksi enzim (Cui et al., 2018).
Kompartemen jalur degradasi karbaril wis diusulake kanggo entuk degradasi galur Pseudomonas C5pp lan C7 sing efisien (Kamini et al., 2018). Diusulake manawa karbaril diangkut menyang ruang periplasmik liwat septum membran njaba lan/utawa liwat porin sing bisa diffusif. CH minangka enzim periplasmik sing ngkatalisis hidrolisis karbaril dadi 1-naftol, sing luwih stabil, luwih hidrofobik lan luwih beracun. CH dilokalisasi ing periplasma lan duwe afinitas sing kurang kanggo karbaril, saengga ngontrol pembentukan 1-naftol, saengga nyegah akumulasi ing sel lan nyuda keracunan kanggo sel (Kamini et al., 2018). 1-naftol sing diasilake diangkut menyang sitoplasma ngliwati membran njero kanthi partisi lan/utawa difusi, lan banjur dihidroksilasi dadi 1,2-dihidroksinaftalena dening enzim afinitas dhuwur 1NH kanggo metabolisme luwih lanjut ing jalur karbon pusat.
Senajan mikroorganisme nduweni kemampuan genetik lan metabolisme kanggo ngrusak sumber karbon xenobiotik, struktur hierarkis pemanfaatane (yaiku, panggunaan sumber karbon sing prasaja tinimbang sumber karbon sing kompleks) minangka alangan utama kanggo biodegradasi. Anane lan panggunaan sumber karbon sing prasaja nyuda regulasi gen sing ngode enzim sing ngrusak sumber karbon sing kompleks/ora disenengi kayata PAH. Conto sing wis ditliti kanthi apik yaiku nalika glukosa lan laktosa dipangan bebarengan karo Escherichia coli, glukosa digunakake luwih efisien tinimbang laktosa (Jacob lan Monod, 1965). Pseudomonas wis dilapurake ngrusak macem-macem PAH lan senyawa xenobiotik minangka sumber karbon. Hirarki pemanfaatan sumber karbon ing Pseudomonas yaiku asam organik > glukosa > senyawa aromatik (Hylemon lan Phibbs, 1972; Collier et al., 1996). Nanging, ana pangecualian. Menariknya, Pseudomonas sp. CSV86 nduweni struktur hierarkis unik sing luwih seneng nggunakake hidrokarbon aromatik (asam benzoat, naftalena, lan liya-liyane) tinimbang glukosa lan metabolisme hidrokarbon aromatik bebarengan karo asam organik (Basu et al., 2006). Ing bakteri iki, gen kanggo degradasi lan transportasi hidrokarbon aromatik ora mudhun sanajan ana sumber karbon kapindho kayata glukosa utawa asam organik. Nalika ditandur ing medium glukosa lan hidrokarbon aromatik, diamati manawa gen kanggo transportasi lan metabolisme glukosa mudhun, hidrokarbon aromatik digunakake ing fase log pertama, lan glukosa digunakake ing fase log kapindho (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017). Ing sisih liya, anané asam organik ora mengaruhi ekspresi metabolisme hidrokarbon aromatik, mula bakteri iki diarepake dadi galur kandidat kanggo studi biodegradasi (Phale et al., 2020).
Wis dingerteni manawa biotransformasi hidrokarbon bisa nyebabake stres oksidatif lan peningkatan enzim antioksidan ing mikroorganisme. Biodegradasi naftalena sing ora efisien ing sel fase stasioner lan ing ngarsane senyawa beracun nyebabake pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS) (Kang et al. 2006). Amarga enzim pendegradasi naftalena ngemot kluster wesi-belerang, ing stres oksidatif, wesi ing heme lan protein wesi-belerang bakal teroksidasi, sing nyebabake inaktivasi protein. Ferredoksin-NADP+ reduktase (Fpr), bebarengan karo superoksida dismutase (SOD), ngantara reaksi redoks sing bisa dibalik antarane NADP+/NADPH lan rong molekul ferredoksin utawa flavodoksin, saengga ngresiki ROS lan mulihake pusat wesi-belerang ing stres oksidatif (Li et al. 2006). Wis dilapurake yen Fpr lan SodA (SOD) ing Pseudomonas bisa diinduksi dening stres oksidatif, lan peningkatan aktivitas SOD lan katalase diamati ing papat galur Pseudomonas (O1, W1, As1, lan G1) sajrone pertumbuhan ing kahanan sing ditambahake naftalena (Kang et al., 2006). Panliten nuduhake yen tambahan antioksidan kayata asam askorbat utawa wesi fero (Fe2+) bisa nambah tingkat pertumbuhan naftalena. Nalika Rhodococcus erythropolis tuwuh ing medium naftalena, transkripsi gen sitokrom P450 sing ana gandhengane karo stres oksidatif kalebu sodA (Fe/Mn superoksida dismutase), sodC (Cu/Zn superoksida dismutase), lan recA tambah (Sazykin et al., 2019). Analisis proteomik kuantitatif komparatif saka sel Pseudomonas sing dikultur ing naftalena nuduhake yen peningkatan macem-macem protein sing ana gandhengane karo respon stres oksidatif minangka strategi ngatasi stres (Herbst et al., 2013).
Mikroorganisme wis dilapurake ngasilake biosurfaktan ing sangisore aksi sumber karbon hidrofobik. Surfaktan iki minangka senyawa aktif permukaan amfifilik sing bisa mbentuk agregat ing antarmuka lenga-banyu utawa udara-banyu. Iki ningkatake pseudo-solubilisasi lan nggampangake adsorpsi hidrokarbon aromatik, sing nyebabake biodegradasi sing efisien (Rahman et al., 2002). Amarga sifat-sifat kasebut, biosurfaktan digunakake sacara wiyar ing macem-macem industri. Penambahan surfaktan kimia utawa biosurfaktan menyang kultur bakteri bisa nambah efisiensi lan tingkat degradasi hidrokarbon. Antarane biosurfaktan, rhamnolipid sing diasilake dening Pseudomonas aeruginosa wis ditliti lan dicirikake kanthi ekstensif (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002). Kajaba iku, jinis biosurfaktan liyane kalebu lipopeptida (musin saka Pseudomonas fluorescens), pengemulsi 378 (saka Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg lan Ron, 1999), lipid trehalosa disakarida saka Rhodococcus (Ramdahl, 1985), likenin saka Bacillus (Saraswathy lan Hallberg, 2002), lan surfaktan saka Bacillus subtilis (Siegmund lan Wagner, 1991) lan Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017). Surfaktan kuat iki wis dituduhake bisa nyuda tegangan permukaan saka 72 dynes/cm dadi kurang saka 30 dynes/cm, sing ngidini panyerepan hidrokarbon luwih apik. Wis dilapurake yen Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia lan spesies bakteri liyane bisa ngasilake macem-macem biosurfaktan berbasis rhamnolipid lan glikolipid nalika ditanam ing media naftalena lan metilnaftalena (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005). Pseudomonas maltophilia CSV89 bisa ngasilake biosurfaktan ekstraseluler Biosur-Pm nalika ditanam ing senyawa aromatik kayata asam naftoat (Phale et al., 1995). Kinetika pembentukan Biosur-Pm nuduhake yen sintesis kasebut minangka proses sing gumantung karo pertumbuhan lan pH. Ditemokake yen jumlah Biosur-Pm sing diasilake dening sel ing pH netral luwih dhuwur tinimbang ing pH 8,5. Sel sing ditanam ing pH 8,5 luwih hidrofobik lan duwe afinitas sing luwih dhuwur kanggo senyawa aromatik lan alifatik tinimbang sel sing ditanam ing pH 7,0. Ing Rhodococcus spp. N6, rasio karbon menyang nitrogen (C:N) sing luwih dhuwur, lan watesan wesi minangka kondisi optimal kanggo produksi biosurfaktan ekstraseluler (Mutalik et al., 2008). Upaya wis ditindakake kanggo ningkatake biosintesis biosurfaktan (surfaktan) kanthi ngoptimalake galur lan fermentasi. Nanging, titer surfaktan ing medium kultur kurang (1,0 g/L), sing dadi tantangan kanggo produksi skala gedhe (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Mulane, metode rekayasa genetika wis digunakake kanggo ningkatake biosintesis. Nanging, modifikasi rekayasane angel amarga ukuran operon sing gedhe (∼25 kb) lan regulasi biosintetik sing kompleks saka sistem penginderaan kuorum (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019). Sawetara modifikasi rekayasa genetik wis ditindakake ing bakteri Bacillus, utamane kanggo nambah produksi surfaktin kanthi ngganti promotor (operon srfA), ngekspresikan protein ekspor surfaktin YerP kanthi berlebihan lan faktor pengatur ComX lan PhrC (Jiao et al., 2017). Nanging, metode rekayasa genetik iki mung entuk siji utawa sawetara modifikasi genetik lan durung tekan produksi komersial. Mulane, panliten luwih lanjut babagan metode optimasi berbasis kawruh dibutuhake.
Panliten biodegradasi PAH utamane ditindakake ing kahanan laboratorium standar. Nanging, ing situs sing terkontaminasi utawa ing lingkungan sing terkontaminasi, akeh faktor abiotik lan biotik (suhu, pH, oksigen, kasedhiyan nutrisi, bioavailabilitas substrat, xenobiotik liyane, inhibisi produk pungkasan, lan liya-liyane) wis dituduhake ngowahi lan mengaruhi kapasitas degradasi mikroorganisme.
Suhu nduweni pengaruh sing signifikan marang biodegradasi PAH. Nalika suhu mundhak, konsentrasi oksigen sing larut mudhun, sing mengaruhi metabolisme mikroorganisme aerobik, amarga dheweke mbutuhake oksigen molekuler minangka salah sawijining substrat kanggo oksigenase sing nindakake reaksi hidroksilasi utawa pembelahan cincin. Asring dicathet yen suhu sing dhuwur ngowahi PAH induk dadi senyawa sing luwih beracun, saengga nyegah biodegradasi (Muller et al., 1998).
Wis dicathet yen akeh situs sing tercemar PAH duwe nilai pH sing ekstrem, kayata situs sing tercemar drainase tambang asam (pH 1-4) lan situs gasifikasi gas alam/batu bara sing tercemar lindi alkali (pH 8-12). Kahanan kasebut bisa mengaruhi proses biodegradasi kanthi serius. Mulane, sadurunge nggunakake mikroorganisme kanggo bioremediasi, disaranake nyetel pH kanthi nambahake bahan kimia sing cocog (kanthi potensial oksidasi-reduksi moderat nganti sithik banget) kayata amonium sulfat utawa amonium nitrat kanggo lemah alkali utawa pengapuran nganggo kalsium karbonat utawa magnesium karbonat kanggo situs asam (Bowlen et al. 1995; Gupta lan Sar 2020).
Pasokan oksigen menyang wilayah sing kena pengaruh minangka faktor pembatas laju kanggo biodegradasi PAH. Amarga kahanan redoks lingkungan, proses bioremediasi in situ biasane mbutuhake introduksi oksigen saka sumber eksternal (ngolah lemah, nyiram banyu, lan tambahan kimia) (Pardieck et al., 1992). Odenkranz et al. (1996) nduduhake manawa tambahan magnesium peroksida (senyawa sing ngeculake oksigen) menyang akuifer sing terkontaminasi bisa kanthi efektif ngbioremediasi senyawa BTEX. Panaliten liyane nyelidiki degradasi in situ fenol lan BTEX ing akuifer sing terkontaminasi kanthi nyuntikake natrium nitrat lan mbangun sumur ekstraksi kanggo entuk bioremediasi sing efektif (Bewley lan Webb, 2001).