تجزیه ی میکروبی PAH در خاک: مسیرهای تجزیه و عوامل کمک کننده

چکیده 

لغات کلیدی

مقدمه 

جدول 1. ویژگی های اصلی فیزیکی-شیمیایی و سرطان زایی EPA برای PAH ها جهت کنترل 

شکل 1. ساختار مولکولی برخی PAH ها در خاک

جدول 2. PAH های زیست درمانی و باکتری های تجزیه کننده ی PAH ها در خاک 

جدول 3. PAH ها و قارچ های تجزیه کننده ی PAH در خاک 

مسیرهای متابولیک PAH ها 

شکل 2. (a) مسیر هوازی و (b) مسیر غیرهوازی تجزیه ی نفتالن در خاک

عوامل تأثیرگذار روی تجزیه ی زیستی PAH

نگاهی کلی 

اثرات نامطلوب محیط زیست و ماندگاری بالا در تجزیه ی میکروبی و سرانجام هیدروکربن های بودار چندحلقه ای (PAH) در محیط زیست علاقه ی ما را برمی انگیزند. با این حال هم ویژگی های فیزیو شیمیایی ترکیبات و هم ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و زیست شناسی خاک ها می توانند بطور چشمگیری بر روی ظرفیت تجزیه ی طبیعی ریزجانوران برای تجزیه زیستی میدانی تأثیر بگذارند. در این مقاله تکنیک های مدرن زیست شناسی بطور گسترده ای برای ترویج تجزیه ی میکروبی PAH ها در خاک با تأکید بر روی مسیرهای اصلی تجزیه و عوامل محیطی اثرگذار روی تجزیه ی زیستی مورد بحث قرار گرفته اند.

PAH ها در نتیجه ی ترکیب ناقص ماده ی آلی، منبع انتشار، اگزوز خودرو، نیروگاه های تولید کننده ی برق که سوخت آن ها زغالسنگ می باشد، مواد خانگی، و ماده ی منبع محیطی، در همه جای محیط وجود دارند. PAH ها در هوا و آب نیز می توانند از طریق اثرات ته نشینی، به خاک و رسوبات وارد شوند. در نتیجه خاک به پذیرنده ی محیطی اصلی PAH ها تبدیل شده است. به خاطر ویژگی های سرطان زایی، عوامل ناقص کننده جنین، جهش زایی و ویژگی های سمی دیگر، PAH ها از اهمیت محیطی بسیار بالایی برخوردار بوده اند. در نتیجه، سازمان محافظت از محیط زیست امریکا (EPA) PAH 17 بعنوان آلوده کننده های اصلی مربوط به زیست درمانی را معرفی کرده است که از میان آن ها 15 PAH دارای خطر سرطان زایی برای انسان ها می باشند، این آمار توسط سازمان بین المللی تحقیقات سرطانی (IARC) منتشر شده است. PAH ها از حلقه های بودار ترکیبی (شکل 1) ساخته شده اند که ماندگاری زیست شیمیایی آن ها از ابرهای متراکم الکترون های π در هر دو طرف ساختارهای حلقه ای پدیدار شده است که باعث می شود آن ها نسبت به حملات هسته دوست مقاوم شوند. علاوه بر این، آن ها دارای ویژگی های فیزیکی مانند قابلیت حل شوندگی پایین در آب و نسبت های بالای توزیع جامد-آب می باشند (جدول 1). این ویژگی ها مانع از استفاده ی راحت میکروبی آن ها شده و تجمع آن ها در فازهای جامد محیط خاکی را ارتقا می بخشند. در حالت کلی، حلالیت در آب و در نتیجه، تجزیه پذیری زیستی PAH ها تقریبا بصورت لگاریتمی با افزایش جرم مولکولی افزایش می یابد. با این حال، گزارش هایی در مورد انواع مختلف ریز جانوران از جانوران مولکولی کم وزن (نفتالن) تا مولکولی وزن بالا (کورونن) وجود دارد، که باعث تجزیه ی PAH های مختلف می شوند. نگرانی های محیط زیستی در رابطه با تجزیه ی زیستی PAH ها روز به روز افزایش می یابند. در نتیجه این مقاله تجزیه ی میکروبی PAH ها در خاک را با تأکید بر روی مسیرهای متابولیک و عوامل تأثیرگذار روی نرخ های تجزیه ی زیستی را مورد بحث قرار خواهد داد. جدول 1. ویژگی های اصلی فیزیکی-شیمیایی و سرطان زایی EPA برای PAH ها جهت کنترل a) ضریب جداشدگی آب/اکتانول بصورت نسبت غلظت یک ترکیب در تمامی اشکال خود بین یک فاز آبی و یک فاز روغنی، که یک پارامتر فیزیکی شیمیایی بسیار کارآمد است که نشان دهنده ی ویژگی های انتقالی یک ترکیب در سراسر غشاهای زیستی می باشد. b) ناخالصی ها با توجه به خطر سرطان زایی شان برای انسان ها بوسیله ی IRAC دسته بندی شده اند. گروه 1: سرطان زا؛ گروه 2A : احتمالا سرطان زا؛ گروه 2B: امکان سرطان زایی وجود دارد؛ و گروه 3: از لحاظ سرطان زایی قابل دسته بندی نمی باشد. c) گزارش نشده است. شکل 1. ساختار مولکولی برخی PAH ها در خاک به خاطر اهمیت PAH ها بعنوان ناخالصی های خاک، علاقه ی شدیدی به تجزیه ی میکروبی آن ها وجود داشته است. هم پروکاریوت و هم یوکاریوت جداشده از خاک دارای نقش برجسته ای در تجزیه ی PAH می باشند. با این حال، ریزجانداران تنوع ظرفیتی چشمگیری برای تجزیه PAH ها دارند. برخی از جانداران، به خاطر قابلیت دسترسی زیستی بالای ترکیبات دو یا سه حلقه ای، تنها نفتالن و فنانترن که به راحتی بصورت زیستی تجزیه می شوند را تجزیه می کنند. در عین حال، تنها تعداد بسیار محدودی از باکتری ها جداسازی شده اند که می توانند در کشت های خالص روی PAH ها با پنج حلقه ی بودار یا بیشتر رشد یابند یکی از دلایل امکانپذیر بقای بالای این ترکیبات بوسیله ی فاز جامد خاک می باشد که می تواند منجربه نرخ های انتقال حجیم HNW-PAH ها به سلول های باکتریایی شود. دسترسی زیستی پایین PAH ها ممکن است از تکامل مسیرهای مناسب آنزیمی در باکتری های خاک جلوگیری کرده باشد. با این حال، ثابت شده است که از طریق متابولیسم مشترک، ریزجانداران می توانند HMW-PAH ها را تجزیه کنند. متابولیسم مشترک بصورت واکنش آنزیمی غیر مشخص با زیرماده ای که با زیرماده ی اولیه ی از لحاظ ساختاری مشابه برای محل فعال آنزیم رقابت می کند، تعریف می شود. یکی از مثال ها متابولیسم مشترک بنزو(a)پیرن بوسیله ی رشد باکتری روی پیرن می باشد. همچنین کک و همکارانش (1989) پی بردند که در حالت کشت خالص، متابولیسم مشترک یک انتقال بی سرانجام بدون هیچ گونه فایده ای به جاندار می باشد. انواع مختلفی از باکتری های غیر اکتینومیست مانند سودوموناس اس پی پی، بورخالدریا سپاسیا، سفینگوموناس اس پی پی، فلاوباکتریوم اس پی پی، سایکلوکلاستیکوس اس پی پی و استنوتروفوموناس اس پی پی، مورد بررسی قرار گرفته اند و ثابت شده است که آن ها می توانند تعداد زیادی از PAH را متابولیزه کنند. چندین اکتینومیست و باکتری از خاک های حاوی هیدروکربن جدا شده و هریک از آن ها از فلورانتن، پیرن و کریسن بعنوان تنها منبع انرژی و کربن استفاده می کنند. مطالعات بسیاری گزارش داده اند که قارچ ها می توانند PAH ها را در خاک تجزیه کنند. باور بر این بود که فانروکائت کریسوسپوریوم، یک قارچ فاسد سفید، که "ریزجاندار توانا" نامیده می شود، قادر به متابولیزه کردن تقریبا همه ی ناخالصی های آلی از جمله لیگنین در محیط های هوازی یا غیرهوازی می باشد. قارچ های فاسد سفید دیگر از جمله پلئورتوس اس پی پی، ترامتس اس پی پی، و بیرکاندرا اس پی پی نیز بعنوان قارچ هایی که قادر به تجزیه ی PAH های مختلف می باشند، گزارش شدند. دلیل بالا بودن قابلیت تجزیه ی آن ریزجانداران این است که آن ها حاوی آنزیم های کلیدی مانند دی اکسیژناز PAH و اکسیژناز کاتکول می باشند. این آنزیم ها و رادیکال های تشکیل یافته بوسیله ی سیستم های آنزیمی، نقش های مهمی در کاتالیزورهای تجزیه ی PAH ایفا می کنند. طی دهه ی گذشته، چشم های بسیاری بر روی ظرفیت تجزیه ی قارچ تجزیه کننده ی لیگنین، فانروکائت کریسوپوریوم متمرکز بود. تجزیه ی لیگنین، بعنوان یک درشت مولکول پیچیده ی بودار، برای ریزجانداران خاک خیلی سخت است. تجزیه ی موثر لیگنین و PAH بوسیله ی فانروکائت کریسوسپوریوم مربوط به اکسیدوردوکتاز غیر مشخص انجام پذیرفته توسط قارچ ها انجام می پذیرد که میان آن ها پراکسیداز لیگنین (LiP) و پراکسیداز منگنز (MnP) از اهمیت زیادی برخوردار هستند. MnP آنتراسن هوراک نماتولوما فروواردی،هنگامی که گلوتاتوئین به مخلوط واکنش افزوده شد، شروع به اکسید پیرن، بنزو(a)پیرن، بنز(a)آنتراسن، و فنانترن کرد. LiP دارای پتانسیل کاهش بالایی نسبت به پراکسیدازهای دیگر دارد، درنتیجه باعث می شود اکسیدان بهتری برای PAH باشد.