यह लेख “उन्नत जैव उपचार प्रौद्योगिकियाँ और कृत्रिम कार्बनिक यौगिक (एसओसी) पुनर्चक्रण प्रक्रियाएँ” नामक शोध विषय का हिस्सा है। सभी 14 लेख देखें।
कम आणविक भार वाले पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) जैसे नेफ़थलीन और प्रतिस्थापित नेफ़थलीन (मिथाइलनेफ़थलीन, नेफ़्थोइक एसिड, 1-नेफ़थाइल-एन-मिथाइलकार्बामेट, आदि) विभिन्न उद्योगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं और जीवों के लिए जीनविषाक्त, उत्परिवर्तनकारी और/या कैंसरकारी होते हैं। इन सिंथेटिक कार्बनिक यौगिकों (एसओसी) या ज़ेनोबायोटिक्स को प्राथमिकता वाले प्रदूषक माना जाता है और ये वैश्विक पर्यावरण और सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए गंभीर खतरा पैदा करते हैं। मानवीय गतिविधियों की तीव्रता (जैसे कोयला गैसीकरण, तेल शोधन, वाहन उत्सर्जन और कृषि अनुप्रयोग) इन सर्वव्यापी और स्थायी यौगिकों की सांद्रता, भाग्य और परिवहन को निर्धारित करती है। भौतिक और रासायनिक उपचार/निष्कासन विधियों के अलावा, जैव उपचार जैसी हरित और पर्यावरण के अनुकूल प्रौद्योगिकियां, जो पीओसी को पूरी तरह से विघटित करने या उन्हें गैर-विषाक्त उप-उत्पादों में परिवर्तित करने में सक्षम सूक्ष्मजीवों का उपयोग करती हैं, एक सुरक्षित, लागत प्रभावी और आशाजनक विकल्प के रूप में उभरी हैं। मिट्टी के सूक्ष्मजीवों में प्रोटियोबैक्टीरिया (स्यूडोमोनास, कोमोनास, बर्खोल्डेरिया और नियोस्फिंगोबैक्टीरियम), फर्मिक्यूट्स (बैसिलस और पेनिबैसिलस) और एक्टिनोबैक्टीरिया (रोडोकोकस और आर्थ्रोबैक्टर) से संबंधित विभिन्न जीवाणु प्रजातियों ने विभिन्न कार्बनिक यौगिकों को विघटित करने की क्षमता प्रदर्शित की है। चयापचय संबंधी अध्ययन, जीनोमिक्स और मेटाजेनोमिक विश्लेषण इन सरल जीवन रूपों में मौजूद अपचय संबंधी जटिलता और विविधता को समझने में हमारी सहायता करते हैं, जिनका उपयोग कुशल जैवअपघटन के लिए किया जा सकता है। पीएएच के दीर्घकालिक अस्तित्व के परिणामस्वरूप प्लास्मिड, ट्रांसपोज़ोन, बैक्टीरियोफेज, जीनोमिक द्वीप और एकीकृत संयुग्मन तत्वों जैसे आनुवंशिक तत्वों का उपयोग करके क्षैतिज जीन स्थानांतरण के माध्यम से नए अपघटन फेनोटाइप का उद्भव हुआ है। विशिष्ट पृथकों या मॉडल समुदायों (कंसोर्टिया) की सिस्टम बायोलॉजी और आनुवंशिक इंजीनियरिंग सहक्रियात्मक प्रभावों के माध्यम से इन पीएएच के व्यापक, तीव्र और कुशल जैवउपचार को सक्षम कर सकती है। इस समीक्षा में, हम नेफ़थलीन और प्रतिस्थापित नेफ़थलीन को अपघटित करने वाले जीवाणुओं के विभिन्न चयापचय मार्गों और विविधता, आनुवंशिक संरचना और विविधता, तथा कोशिकीय प्रतिक्रियाओं/अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित करते हैं। इससे क्षेत्र में अनुप्रयोग और कुशल जैव उपचार हेतु स्ट्रेन अनुकूलन के लिए पारिस्थितिक जानकारी प्राप्त होगी।
उद्योगों (पेट्रोकेमिकल्स, कृषि, फार्मास्यूटिकल्स, वस्त्र रंजक, सौंदर्य प्रसाधन आदि) के तीव्र विकास ने वैश्विक आर्थिक समृद्धि और जीवन स्तर में सुधार में योगदान दिया है। इस तीव्र विकास के परिणामस्वरूप बड़ी संख्या में कृत्रिम कार्बनिक यौगिकों (एसओसी) का उत्पादन हुआ है, जिनका उपयोग विभिन्न उत्पादों के निर्माण में किया जाता है। इन विदेशी यौगिकों या एसओसी में पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच), कीटनाशक, शाकनाशी, प्लास्टिसाइज़र, रंजक, फार्मास्यूटिकल्स, ऑर्गेनोफॉस्फेट, अग्निरोधी, वाष्पशील कार्बनिक विलायक आदि शामिल हैं। ये वायुमंडल, जलीय और स्थलीय पारिस्थितिक तंत्रों में उत्सर्जित होते हैं, जहां इनका बहुआयामी प्रभाव पड़ता है, जिससे भौतिक-रासायनिक गुणों और सामुदायिक संरचना में परिवर्तन के माध्यम से विभिन्न जीव रूपों पर हानिकारक प्रभाव पड़ते हैं (पेट्री एट अल., 2015; बर्नहार्ड्ट एट अल., 2017; सरकार एट अल., 2020)। कई सुगंधित प्रदूषकों का कई अक्षुण्ण पारिस्थितिक तंत्रों/जैव विविधता केंद्रों (जैसे प्रवाल भित्तियाँ, आर्कटिक/अंटार्कटिक बर्फ की चादरें, उच्च पर्वतीय झीलें, गहरे समुद्र की तलछट आदि) पर तीव्र और विनाशकारी प्रभाव पड़ता है (जोन्स 2010; बेयर एट अल. 2020; नॉर्डबोर्ग एट अल. 2020)। हाल के भूसूक्ष्मजीववैज्ञानिक अध्ययनों से पता चला है कि कृत्रिम संरचनाओं (निर्मित पर्यावरण) (जैसे ग्रेनाइट, पत्थर, लकड़ी और धातु से बने सांस्कृतिक विरासत स्थल और स्मारक) की सतहों पर कृत्रिम कार्बनिक पदार्थों (जैसे सुगंधित प्रदूषक) और उनके व्युत्पन्न पदार्थों का जमाव उनके क्षरण को तेज करता है (गैड 2017; लियू एट अल. 2018)। मानवीय गतिविधियाँ वायु प्रदूषण और जलवायु परिवर्तन के माध्यम से स्मारकों और भवनों के जैविक क्षरण को तीव्र और बदतर बना सकती हैं (लियू एट अल. 2020)। ये कार्बनिक प्रदूषक वायुमंडल में जल वाष्प के साथ प्रतिक्रिया करते हैं और संरचना पर जम जाते हैं, जिससे सामग्री का भौतिक और रासायनिक क्षरण होता है। जैवअपघटन को व्यापक रूप से जीवित जीवों द्वारा पदार्थों की दिखावट और गुणों में होने वाले अवांछनीय परिवर्तनों के रूप में पहचाना जाता है, जो उनके संरक्षण को प्रभावित करते हैं (पोचोन और जैटन, 1967)। इन यौगिकों की सूक्ष्मजीवी क्रिया (चयापचय) संरचनात्मक अखंडता, संरक्षण प्रभावशीलता और सांस्कृतिक मूल्य को कम कर सकती है (गैड, 2017; लियू एट अल., 2018)। दूसरी ओर, कुछ मामलों में, इन संरचनाओं के प्रति सूक्ष्मजीवों का अनुकूलन और प्रतिक्रिया लाभकारी पाई गई है, क्योंकि वे जैवफिल्म और अन्य सुरक्षात्मक परतें बनाते हैं जो क्षय/अपघटन की दर को कम करती हैं (मार्टिनो, 2016)। इसलिए, पत्थर, धातु और लकड़ी के स्मारकों के लिए प्रभावी दीर्घकालिक सतत संरक्षण रणनीतियों के विकास के लिए इस प्रक्रिया में शामिल प्रमुख प्रक्रियाओं की गहन समझ आवश्यक है। प्राकृतिक प्रक्रियाओं (भूवैज्ञानिक प्रक्रियाएं, जंगल की आग, ज्वालामुखी विस्फोट, पौधों और जीवाणुओं की प्रतिक्रियाएं) की तुलना में, मानवीय गतिविधियों के परिणामस्वरूप पारिस्थितिकी तंत्र में बड़ी मात्रा में पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) और अन्य कार्बनिक कार्बन (ओसी) उत्सर्जित होते हैं। कृषि (कीटनाशक और पेस्टिसाइड जैसे डीडीटी, एट्राज़ीन, कार्बैरिल, पेंटाक्लोरोफेनोल आदि), उद्योग (कच्चा तेल, तेल कीचड़/अपशिष्ट, पेट्रोलियम-व्युत्पन्न प्लास्टिक, पीसीबी, प्लास्टिसाइज़र, डिटर्जेंट, कीटाणुनाशक, फ्यूमिगेंट, सुगंध और परिरक्षक), व्यक्तिगत देखभाल उत्पाद (सनस्क्रीन, कीटाणुनाशक, कीट विकर्षक और पॉलीसाइक्लिक मस्क) और गोला-बारूद (विस्फोटक जैसे 2,4,6-टीएनटी) में उपयोग किए जाने वाले कई पीएएच संभावित ज़ेनोबायोटिक्स हैं जो ग्रह के स्वास्थ्य को प्रभावित कर सकते हैं (स्रोगी, 2007; वामसी-कृष्ण और फाले, 2008; पेट्री एट अल., 2015)। इस सूची में पेट्रोलियम-व्युत्पन्न यौगिकों (ईंधन तेल, स्नेहक, एस्फाल्टेन), उच्च आणविक भार वाले बायोप्लास्टिक और आयनिक तरल पदार्थों को भी शामिल किया जा सकता है (अमदे एट अल., 2015)। तालिका 1 में विभिन्न सुगंधित प्रदूषकों और विभिन्न उद्योगों में उनके अनुप्रयोगों को सूचीबद्ध किया गया है। हाल के वर्षों में, वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों, साथ ही कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य ग्रीनहाउस गैसों के मानवजनित उत्सर्जन में वृद्धि होने लगी है (ड्वोरक एट अल., 2017)। हालांकि, मानवजनित प्रभाव प्राकृतिक प्रभावों से कहीं अधिक हैं। इसके अलावा, हमने पाया कि कई एसओसी (सूक्ष्म कार्बनिक यौगिक) विभिन्न पर्यावरणीय वातावरणों में बने रहते हैं और इन्हें जैव-समूहों पर प्रतिकूल प्रभाव डालने वाले उभरते प्रदूषकों के रूप में पहचाना गया है (चित्र 1)। संयुक्त राज्य पर्यावरण संरक्षण एजेंसी (यूएसईपीए) जैसी पर्यावरण एजेंसियों ने इनमें से कई प्रदूषकों को उनके साइटोटॉक्सिक, जीनोटॉक्सिक, म्यूटाजेनिक और कार्सिनोजेनिक गुणों के कारण अपनी प्राथमिकता सूची में शामिल किया है। इसलिए, दूषित पारिस्थितिक तंत्रों से अपशिष्ट उपचार/निष्कासन के लिए सख्त निपटान नियमों और प्रभावी रणनीतियों की आवश्यकता है। पायरोलिसिस, ऑक्सीडेटिव थर्मल उपचार, वायु वातन, लैंडफिलिंग, भस्मीकरण आदि जैसी विभिन्न भौतिक और रासायनिक उपचार विधियां अप्रभावी और महंगी हैं और संक्षारक, विषैले और उपचार में कठिन उप-उत्पाद उत्पन्न करती हैं। वैश्विक पर्यावरण जागरूकता में वृद्धि के साथ, इन प्रदूषकों और उनके व्युत्पन्नों (जैसे हैलोजेनेटेड, नाइट्रो, एल्काइल और/या मिथाइल) को विघटित करने में सक्षम सूक्ष्मजीवों पर ध्यान बढ़ता जा रहा है (फेनेल एट अल., 2004; हरिताश और कौशिक, 2009; फाले एट अल., 2020; सरकार एट अल., 2020; श्वानेमैन एट अल., 2020)। सुगंधित प्रदूषकों को हटाने के लिए इन स्वदेशी संभावित सूक्ष्मजीवों का अकेले या मिश्रित संवर्धनों (कॉलोनियों) में उपयोग पर्यावरण सुरक्षा, लागत, दक्षता, प्रभावशीलता और स्थिरता के संदर्भ में लाभ प्रदान करता है। शोधकर्ता प्रदूषक उपचार/निष्कासन के लिए एक आशाजनक तकनीक के रूप में सूक्ष्मजीव प्रक्रियाओं को विद्युत रासायनिक रेडॉक्स विधियों, अर्थात् जैवविद्युत रासायनिक प्रणालियों (बीईएस) के साथ एकीकृत करने की भी खोज कर रहे हैं (हुआंग एट अल., 2011)। उच्च दक्षता, कम लागत, पर्यावरणीय सुरक्षा, कमरे के तापमान पर संचालन, जैव-अनुकूल सामग्री और मूल्यवान उप-उत्पादों (जैसे बिजली, ईंधन और रसायन) को पुनर्प्राप्त करने की क्षमता के कारण बीईएस तकनीक ने तेजी से ध्यान आकर्षित किया है (पंत एट अल., 2012; नज़ारी एट अल., 2020)। उच्च-थ्रूपुट जीनोम अनुक्रमण और ओमिक्स उपकरणों/विधियों के आगमन ने विभिन्न अपघटक सूक्ष्मजीवों की प्रतिक्रियाओं के आनुवंशिक विनियमन, प्रोटीओमिक्स और फ्लक्सोमिक्स पर प्रचुर मात्रा में नई जानकारी प्रदान की है। इन उपकरणों को सिस्टम बायोलॉजी के साथ संयोजित करने से कुशल और प्रभावी जैव अपघटन प्राप्त करने के लिए सूक्ष्मजीवों में लक्षित अपचय मार्गों के चयन और परिष्करण (अर्थात चयापचय डिजाइन) की हमारी समझ में और वृद्धि हुई है। उपयुक्त उम्मीदवार सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके प्रभावी जैव उपचार रणनीतियों को डिजाइन करने के लिए, हमें सूक्ष्मजीवों की जैव रासायनिक क्षमता, चयापचय विविधता, आनुवंशिक संरचना और पारिस्थितिकी (स्वयं पारिस्थितिकी/सहयोगी पारिस्थितिकी) को समझने की आवश्यकता है।
चित्र 1. विभिन्न पर्यावरणीय वातावरणों और जीव-जंतुओं को प्रभावित करने वाले विभिन्न कारकों के माध्यम से निम्न-आणविक पीएएच के स्रोत और मार्ग। खंडित रेखाएँ पारिस्थितिकी तंत्र तत्वों के बीच अंतःक्रियाओं को दर्शाती हैं।
इस समीक्षा में, हमने विभिन्न जीवाणु समूहों द्वारा नेफ़थलीन और प्रतिस्थापित नेफ़थलीन जैसे सरल पीएएच के निम्नीकरण पर डेटा को संक्षेप में प्रस्तुत करने का प्रयास किया है। इसमें चयापचय मार्ग और विविधता, निम्नीकरण में शामिल एंजाइम, जीन संरचना/सामग्री और विविधता, कोशिकीय प्रतिक्रियाएं और जैव उपचार के विभिन्न पहलू शामिल हैं। जैव रासायनिक और आणविक स्तरों को समझने से उपयुक्त मेजबान उपभेदों की पहचान करने और ऐसे प्राथमिकता वाले प्रदूषकों के प्रभावी जैव उपचार के लिए उनके आगे के आनुवंशिक अभियांत्रिकी में मदद मिलेगी। इससे प्रभावी जैव उपचार के लिए स्थल-विशिष्ट जीवाणु संघों की स्थापना हेतु रणनीतियाँ विकसित करने में सहायता मिलेगी।
बड़ी संख्या में विषैले और खतरनाक एरोमैटिक यौगिकों (जो हकल नियम 4n + 2π इलेक्ट्रॉन, n = 1, 2, 3, … को संतुष्ट करते हैं) की उपस्थिति वायु, मिट्टी, तलछट और सतही एवं भूजल जैसे विभिन्न पर्यावरणीय माध्यमों के लिए गंभीर खतरा पैदा करती है (पुग्लिसी एट अल., 2007)। इन यौगिकों में एकल बेंजीन वलय (मोनोसाइक्लिक) या बहु बेंजीन वलय (पॉलीसाइक्लिक) रैखिक, कोणीय या गुच्छेदार रूप में व्यवस्थित होते हैं और उच्च ऋणात्मक अनुनाद ऊर्जा और अक्रियता (अक्रियता) के कारण पर्यावरण में स्थिरता (स्थिरता/अस्थिरता) प्रदर्शित करते हैं, जिसे उनकी जलविरोधकता और अपचयित अवस्था द्वारा समझाया जा सकता है। जब एरोमैटिक रिंग को आगे मिथाइल (-CH3), कार्बोक्सिल (-COOH), हाइड्रॉक्सिल (-OH), या सल्फोनेट (-HSO3) समूहों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, तो यह अधिक स्थिर हो जाता है, वृहद अणुओं के लिए इसकी प्रबल आत्मीयता होती है, और यह जैविक प्रणालियों में जैव संचयी होता है (सेओ एट अल., 2009; फाले एट अल., 2020)। कुछ कम आणविक भार वाले पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (LMWAHs), जैसे नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्न [मिथाइलनेफ़थलीन, नेफ़्थोइक एसिड, नेफ़थलीनसल्फोनेट, और 1-नेफ़थाइल एन-मिथाइलकार्बामेट (कार्बेरिल)], को अमेरिकी पर्यावरण संरक्षण एजेंसी द्वारा आनुवंशिक विषाक्त, उत्परिवर्तनीय और/या कैंसरकारी के रूप में प्राथमिकता वाले कार्बनिक प्रदूषकों की सूची में शामिल किया गया है (सेर्निग्लिया, 1984)। पर्यावरण में एनएम-पीएएच के इस वर्ग के निकलने से खाद्य श्रृंखला के सभी स्तरों पर इन यौगिकों का जैव संचय हो सकता है, जिससे पारिस्थितिक तंत्र के स्वास्थ्य पर असर पड़ सकता है (बिनकोवा एट अल., 2000; सरोगी, 2007; क्विन एट अल., 2009)।
जीवों तक पीएएच के स्रोत और मार्ग मुख्य रूप से मिट्टी, भूजल, सतही जल, फसलों और वायुमंडल जैसे विभिन्न पारिस्थितिकी तंत्र घटकों के बीच प्रवास और अंतःक्रियाओं के माध्यम से होते हैं (एरे और एटकिंसन, 2003)। चित्र 1 पारिस्थितिकी तंत्र में विभिन्न निम्न आणविक भार वाले पीएएच की अंतःक्रियाओं और वितरण तथा जीवों/मनुष्यों तक उनके पहुँच के मार्गों को दर्शाता है। वायु प्रदूषण के परिणामस्वरूप तथा वाहनों के उत्सर्जन, औद्योगिक निकास गैसों (कोयला गैसीकरण, दहन और कोक उत्पादन) के प्रवास (बहाव) और उनके निक्षेपण के माध्यम से पीएएच सतहों पर जमा हो जाते हैं। सिंथेटिक वस्त्र, रंग और पेंट का निर्माण; लकड़ी संरक्षण; रबर प्रसंस्करण; सीमेंट निर्माण गतिविधियाँ; कीटनाशक उत्पादन; और कृषि अनुप्रयोग जैसी औद्योगिक गतिविधियाँ स्थलीय और जलीय प्रणालियों में पीएएच के प्रमुख स्रोत हैं (बामफोर्थ और सिंगलटन, 2005; विक एट अल., 2011)। अध्ययनों से पता चला है कि उपनगरीय और शहरी क्षेत्रों, राजमार्गों के पास और बड़े शहरों में मिट्टी, बिजली संयंत्रों, आवासीय हीटिंग, वायु और सड़क यातायात भार और निर्माण गतिविधियों से होने वाले उत्सर्जन के कारण पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) के प्रति अधिक संवेदनशील होती है (सुमन एट अल., 2016)। (2008) ने दिखाया कि अमेरिका के लुइसियाना राज्य के न्यू ऑरलियन्स में सड़कों के पास की मिट्टी में पीएएच का स्तर 7189 μg/kg तक था, जबकि खुले स्थानों में यह केवल 2404 μg/kg था। इसी प्रकार, अमेरिका के कई शहरों में कोयला गैसीकरण स्थलों के पास के क्षेत्रों में पीएएच का स्तर 300 μg/kg तक पाया गया है (कनाली और हारायामा, 2000; बैमफोर्थ और सिंगलटन, 2005)। दिल्ली (शर्मा एट अल., 2008), आगरा (दुबे एट अल., 2014), मुंबई (कुलकर्णी और वेंकटरमन, 2000) और विशाखापत्तनम (कुलकर्णी एट अल., 2014) जैसे विभिन्न भारतीय शहरों की मिट्टी में पीएएच की उच्च सांद्रता पाई गई है। एरोमैटिक यौगिक मिट्टी के कणों, कार्बनिक पदार्थों और चिकनी मिट्टी के खनिजों पर आसानी से अवशोषित हो जाते हैं, जिससे वे पारिस्थितिकी तंत्र में प्रमुख कार्बन सिंक बन जाते हैं (स्रोगी, 2007; पेंग एट अल., 2008)। जलीय पारिस्थितिकी तंत्र में पीएएच के प्रमुख स्रोत वर्षा (गीली/सूखी वर्षा और जल वाष्प), शहरी अपवाह, अपशिष्ट जल निर्वहन, भूजल पुनर्भरण आदि हैं (स्रोगी, 2007)। अनुमान है कि समुद्री पारिस्थितिक तंत्र में लगभग 80% पीएएच वर्षा, अवसादन और अपशिष्ट निर्वहन से प्राप्त होते हैं (मोटेले-मस्सेई एट अल., 2006; सरोगी, 2007)। सतही जल या ठोस अपशिष्ट निपटान स्थलों से निकलने वाले लीचेट में पीएएच की उच्च सांद्रता अंततः भूजल में रिस जाती है, जिससे सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए एक बड़ा खतरा पैदा होता है क्योंकि दक्षिण और दक्षिणपूर्व एशिया की 70% से अधिक आबादी भूजल पीती है (दत्तागुप्ता एट अल., 2019)। दत्तागुप्ता एट अल. (2020) द्वारा पश्चिम बंगाल, भारत से नदी (32) और भूजल (235) विश्लेषणों के एक हालिया अध्ययन में पाया गया कि अनुमानित 53% शहरी निवासी और 44% ग्रामीण निवासी (कुल 2 करोड़ निवासी) नेफ़थलीन (4.9–10.6 μg/L) और इसके व्युत्पन्नों के संपर्क में आ सकते हैं। भूमि उपयोग के विभिन्न पैटर्न और भूजल दोहन में वृद्धि को भूमिगत सतह में कम आणविक भार वाले पीएएच के ऊर्ध्वाधर परिवहन (संवहन) को नियंत्रित करने वाले मुख्य कारक माना जाता है। कृषि अपवाह, नगरपालिका और औद्योगिक अपशिष्ट जल निर्वहन, और ठोस अपशिष्ट/कूड़े के निर्वहन को नदी घाटियों और भूमिगत तलछटों में पीएएच से प्रभावित पाया गया है। वायुमंडलीय वर्षा पीएएच प्रदूषण को और भी बढ़ा देती है। विश्वभर में नदियों/जलक्षेत्रों, जैसे कि फ्रेजर नदी, लौआन नदी, डेंसो नदी, मिसौरी नदी, अनाकोस्टिया नदी, एब्रो नदी और डेलावेयर नदी में पीएएच और उनके एल्काइल व्युत्पन्नों (कुल 51) की उच्च सांद्रता दर्ज की गई है (युंकर एट अल., 2002; मोटेले-मस्सेई एट अल., 2006; ली एट अल., 2010; अमोआको एट अल., 2011; किम एट अल., 2018)। गंगा नदी बेसिन के तलछटों में नेफ़थलीन और फ़ेनेन्थ्रीन सबसे महत्वपूर्ण पाए गए (70% नमूनों में पाए गए) (दत्तागुप्ता एट अल., 2019)। इसके अलावा, अध्ययनों से पता चला है कि पीने के पानी के क्लोरीनीकरण से अधिक विषैले ऑक्सीजेनेटेड और क्लोरीनेटेड पीएएच का निर्माण हो सकता है (मनोली और समारा, 1999)। दूषित मिट्टी, भूजल और वर्षा से पौधों द्वारा अवशोषण के परिणामस्वरूप अनाज, फलों और सब्जियों में पीएएच जमा हो जाते हैं (फ़िस्मेस एट अल., 2002)। मछली, मसल्स, क्लैम और झींगा जैसे कई जलीय जीव दूषित भोजन और समुद्री जल के सेवन के साथ-साथ ऊतकों और त्वचा के माध्यम से पीएएच से दूषित हो जाते हैं (मैके और फ़्रेज़र, 2000)। ग्रिलिंग, रोस्टिंग, स्मोकिंग, फ्राइंग, ड्राइंग, बेकिंग और चारकोल कुकिंग जैसी खाना पकाने/प्रसंस्करण विधियों से भी भोजन में पीएएच की महत्वपूर्ण मात्रा हो सकती है। यह काफी हद तक धूम्रपान सामग्री के चुनाव, फेनोलिक/सुगंधित हाइड्रोकार्बन की मात्रा, खाना पकाने की विधि, हीटर के प्रकार, नमी की मात्रा, ऑक्सीजन की आपूर्ति और दहन तापमान पर निर्भर करता है (गिलन एट अल., 2000; गोम्स एट अल., 2013)। दूध में भी पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) विभिन्न सांद्रता (0.75–2.1 मिलीग्राम/लीटर) में पाए गए हैं (गिरेली एट अल., 2014)। भोजन में इन पीएएच का संचय भोजन के भौतिक-रासायनिक गुणों पर भी निर्भर करता है, जबकि इनके विषाक्त प्रभाव शारीरिक कार्यों, चयापचय गतिविधि, अवशोषण, वितरण और शरीर में वितरण से संबंधित होते हैं (मेचिनी एट अल., 2011)।
पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) की विषाक्तता और हानिकारक प्रभावों के बारे में लंबे समय से जानकारी है (चेर्निग्लिया, 1984)। कम आणविक भार वाले पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (एलएमडब्ल्यू-पीएएच) (दो से तीन वलय वाले) डीएनए, आरएनए और प्रोटीन जैसे विभिन्न वृहद अणुओं से सहसंयोजक रूप से बंध सकते हैं और कैंसरकारी होते हैं (सैंटारेली एट अल., 2008)। अपने जल-विरोधी स्वभाव के कारण, वे लिपिड झिल्लियों द्वारा अलग किए जाते हैं। मनुष्यों में, साइटोक्रोम पी450 मोनोऑक्सीजिनेस पीएएच को एपॉक्साइड में ऑक्सीकृत करते हैं, जिनमें से कुछ अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं (जैसे, बेडायल एपॉक्साइड) और सामान्य कोशिकाओं को घातक कोशिकाओं में परिवर्तित कर सकते हैं (मार्स्टन एट अल., 2001)। इसके अतिरिक्त, पीएएच के रूपांतरण उत्पाद जैसे क्विनोन, फिनोल, एपॉक्साइड, डायोल आदि मूल यौगिकों की तुलना में अधिक विषैले होते हैं। कुछ पीएएच और उनके चयापचय संबंधी मध्यवर्ती हार्मोन और चयापचय में शामिल विभिन्न एंजाइमों को प्रभावित कर सकते हैं, जिससे वृद्धि, केंद्रीय तंत्रिका तंत्र, प्रजनन और प्रतिरक्षा प्रणाली पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ता है (श्वेता और फाले, 2005; वामसी-कृष्णा एट अल., 2006; ओस्टिंग एट अल., 2008)। कम आणविक भार वाले पीएएच के अल्पकालिक संपर्क से अस्थमा रोगियों में फेफड़ों की कार्यक्षमता में कमी और थ्रोम्बोसिस होने तथा त्वचा, फेफड़े, मूत्राशय और गैस्ट्रोइंटेस्टाइनल कैंसर का खतरा बढ़ने की रिपोर्ट की गई है (ऑलसन एट अल., 2010; डिग्स एट अल., 2011)। पशु अध्ययनों से यह भी पता चला है कि पीएएच के संपर्क में आने से प्रजनन क्रिया और विकास पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ सकता है और मोतियाबिंद, गुर्दे और यकृत की क्षति तथा पीलिया हो सकता है। विभिन्न पीएएच जैव-परिवर्तन उत्पाद जैसे कि डायोल, एपॉक्साइड, क्विनोन और मुक्त कण (धनायन) डीएनए एडक्ट्स का निर्माण करते हैं। स्थिर एडक्ट्स डीएनए प्रतिकृति तंत्र को परिवर्तित करते हैं, जबकि अस्थिर एडक्ट्स डीएनए का शुद्धिकरण कर सकते हैं (मुख्यतः एडेनिन में और कभी-कभी गुआनिन में); दोनों ही त्रुटियां उत्पन्न कर सकते हैं जिससे उत्परिवर्तन हो सकते हैं (श्वेइगर्ट एट अल. 2001)। इसके अतिरिक्त, क्विनोन (बेंजो-/पैन-) प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) को उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे डीएनए और अन्य वृहद अणुओं को घातक क्षति पहुंच सकती है, जिससे ऊतक कार्य/जीवन क्षमता प्रभावित होती है (ईवा और डानुटा 2017)। प्रायोगिक जानवरों में पाइरीन, बाइफेनिल और नेफ़थलीन की कम सांद्रता के दीर्घकालिक संपर्क से कैंसर होने की सूचना मिली है (डिग्स एट अल. 2012)। इनकी घातक विषाक्तता के कारण, प्रभावित/दूषित स्थलों से इन पीएएच का शुद्धिकरण/हटाना एक प्राथमिकता है।
दूषित स्थलों/वातावरणों से पीएएच (पॉलीएथेनॉल) को हटाने के लिए विभिन्न भौतिक और रासायनिक विधियों का उपयोग किया गया है। भस्मीकरण, क्लोरीनीकरण, यूवी ऑक्सीकरण, स्थिरीकरण और विलायक निष्कर्षण जैसी प्रक्रियाओं में कई कमियां हैं, जिनमें विषाक्त उप-उत्पादों का निर्माण, प्रक्रिया की जटिलता, सुरक्षा और नियामक मुद्दे, कम दक्षता और उच्च लागत शामिल हैं। हालांकि, सूक्ष्मजीवों द्वारा जैव अपघटन (जिसे जैव उपचार कहा जाता है) एक आशाजनक वैकल्पिक दृष्टिकोण है जिसमें शुद्ध संवर्धन या कॉलोनियों के रूप में सूक्ष्मजीवों का उपयोग शामिल है। भौतिक और रासायनिक विधियों की तुलना में, यह प्रक्रिया पर्यावरण के अनुकूल, गैर-आक्रामक, लागत प्रभावी और टिकाऊ है। बायोरेमेडिएशन को प्रभावित स्थल पर (इन सीटू) या विशेष रूप से तैयार स्थल पर (एक्स सीटू) किया जा सकता है और इसलिए इसे पारंपरिक भौतिक और रासायनिक विधियों की तुलना में अधिक टिकाऊ उपचार विधि माना जाता है (जुहाज़ और नायडू, 2000; एंड्रेओनी और जियानफ्रेडा, 2007; मेघराज एट अल।, 2011; फाले एट अल।, 2020; सरकार एट अल।, 2020)।
सुगंधित प्रदूषकों के अपघटन में शामिल सूक्ष्मजीवों की चयापचय प्रक्रियाओं को समझना पारिस्थितिक और पर्यावरणीय स्थिरता के लिए वैज्ञानिक और आर्थिक दृष्टि से अत्यंत महत्वपूर्ण है। विश्व स्तर पर लगभग 2.1×10¹⁸ ग्राम कार्बन (C) तलछटों और कार्बनिक यौगिकों (जैसे तेल, प्राकृतिक गैस और कोयला, यानी जीवाश्म ईंधन) में संग्रहित है, जो वैश्विक कार्बन चक्र में महत्वपूर्ण योगदान देता है। हालांकि, तीव्र औद्योगीकरण, जीवाश्म ईंधन निष्कर्षण और मानवीय गतिविधियों के कारण स्थलीय कार्बन भंडार कम हो रहे हैं, जिससे प्रतिवर्ष लगभग 5.5×10¹⁵ ग्राम कार्बनिक कार्बन (प्रदूषकों के रूप में) वायुमंडल में उत्सर्जित हो रहा है (गोंजालेज-गाया एट अल., 2019)। इस कार्बनिक कार्बन का अधिकांश भाग अवसादन, परिवहन और अपवाह के माध्यम से स्थलीय और समुद्री पारिस्थितिक तंत्रों में प्रवेश करता है। इसके अतिरिक्त, जीवाश्म ईंधन से उत्पन्न नए कृत्रिम प्रदूषक, जैसे प्लास्टिक, प्लास्टिसाइज़र और प्लास्टिक स्टेबलाइज़र (थैलेट और उनके आइसोमर), समुद्री, मृदा और जलीय पारिस्थितिक तंत्रों और उनके जीवों को गंभीर रूप से प्रदूषित कर रहे हैं, जिससे वैश्विक जलवायु जोखिम बढ़ रहा है। पॉलीइथिलीन टेरेफ्थालेट (पीईटी) से उत्पन्न विभिन्न प्रकार के माइक्रोप्लास्टिक, नैनोप्लास्टिक, प्लास्टिक के टुकड़े और उनके विषैले मोनोमर उत्पाद उत्तरी अमेरिका और दक्षिणपूर्व एशिया के बीच प्रशांत महासागर में जमा हो गए हैं, जिससे "ग्रेट पैसिफिक गार्बेज पैच" का निर्माण हुआ है, जो समुद्री जीवन को नुकसान पहुंचा रहा है (न्यूवेल एट अल., 2020)। वैज्ञानिक अध्ययनों से यह सिद्ध हो चुका है कि ऐसे प्रदूषकों/अपशिष्ट को किसी भी भौतिक या रासायनिक विधि से हटाना संभव नहीं है। इस संदर्भ में, सबसे उपयोगी सूक्ष्मजीव वे हैं जो प्रदूषकों को ऑक्सीडेटिव रूप से कार्बन डाइऑक्साइड, रासायनिक ऊर्जा और अन्य गैर-विषैले उप-उत्पादों में परिवर्तित करने में सक्षम हैं, जो अंततः अन्य पोषक तत्व चक्रण प्रक्रियाओं (H, O, N, S, P, Fe, आदि) में प्रवेश करते हैं। इसलिए, सुगंधित प्रदूषकों के खनिजीकरण और इसके पर्यावरणीय नियंत्रण की सूक्ष्मजीवीय पारिस्थितिकीय क्रियाकलापों को समझना सूक्ष्मजीवीय कार्बन चक्र, शुद्ध कार्बन बजट और भविष्य के जलवायु जोखिमों के आकलन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। पर्यावरण से ऐसे यौगिकों को हटाने की तत्काल आवश्यकता को देखते हुए, स्वच्छ प्रौद्योगिकियों पर केंद्रित विभिन्न पर्यावरण-उद्योग उभर कर सामने आए हैं। इसके अलावा, पारिस्थितिकी तंत्र में संचित औद्योगिक अपशिष्ट/अपशिष्ट रसायनों का मूल्यवर्धन (अर्थात अपशिष्ट से धन का दृष्टिकोण) चक्रीय अर्थव्यवस्था और सतत विकास लक्ष्यों के स्तंभों में से एक माना जाता है (क्लोज एट अल., 2012)। अतः, इन संभावित अपघटन योग्य पदार्थों के चयापचय, एंजाइमेटिक और आनुवंशिक पहलुओं को समझना ऐसे सुगंधित प्रदूषकों के प्रभावी निष्कासन और जैवउपचार के लिए अत्यंत आवश्यक है।
कई सुगंधित प्रदूषकों में से, हम नेफ़थलीन और प्रतिस्थापित नेफ़थलीन जैसे कम आणविक भार वाले पीएएच पर विशेष ध्यान देते हैं। ये यौगिक पेट्रोलियम-व्युत्पन्न ईंधन, वस्त्र रंजक, उपभोक्ता उत्पाद, कीटनाशक (मोथबॉल और कीट विकर्षक), प्लास्टिसाइज़र और टैनिन के प्रमुख घटक हैं और इसलिए कई पारिस्थितिक तंत्रों में व्यापक रूप से पाए जाते हैं (प्रीस एट अल., 2003)। हाल की रिपोर्टों में जलभृत तलछट, भूजल और उपसतही मिट्टी, वाडोज़ ज़ोन और नदी तल में नेफ़थलीन सांद्रता के संचय पर प्रकाश डाला गया है, जो पर्यावरण में इसके जैव संचय का संकेत देता है (दत्तागुप्ता एट अल., 2019, 2020)। तालिका 2 नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्नों के भौतिक रासायनिक गुणों, अनुप्रयोगों और स्वास्थ्य प्रभावों का सारांश प्रस्तुत करती है। अन्य उच्च आणविक भार वाले पीएएच की तुलना में, नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्न कम जलदमनकारी, अधिक जल-घुलनशील और पारिस्थितिक तंत्रों में व्यापक रूप से वितरित होते हैं, इसलिए इनका उपयोग अक्सर पीएएच के चयापचय, आनुवंशिकी और चयापचय विविधता के अध्ययन के लिए मॉडल सब्सट्रेट के रूप में किया जाता है। बड़ी संख्या में सूक्ष्मजीव नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्नों का चयापचय करने में सक्षम हैं, और उनके चयापचय मार्गों, एंजाइमों और नियामक विशेषताओं के बारे में व्यापक जानकारी उपलब्ध है (मलिक एट अल., 2011; फाले एट अल., 2019, 2020)। इसके अतिरिक्त, नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्नों को उनकी उच्च प्रचुरता और जैव उपलब्धता के कारण पर्यावरणीय प्रदूषण मूल्यांकन के लिए प्रोटोटाइप यौगिकों के रूप में नामित किया गया है। अमेरिकी पर्यावरण संरक्षण एजेंसी का अनुमान है कि सिगरेट के धुएं से नेफ़थलीन का औसत स्तर 5.19 माइक्रोग्राम प्रति घन मीटर है, जो मुख्य रूप से अपूर्ण दहन से उत्पन्न होता है, और पार्श्व प्रवाह के धुएं से यह 7.8 से 46 माइक्रोग्राम तक होता है, जबकि क्रेओसोट और नेफ़थलीन के संपर्क में आने का स्तर इससे 100 से 10,000 गुना अधिक होता है (प्रीस एट अल. 2003)। विशेष रूप से नेफ़थलीन में प्रजाति, क्षेत्र और लिंग-विशिष्ट श्वसन विषाक्तता और कैंसरजनकता पाई गई है। पशु अध्ययनों के आधार पर, कैंसर अनुसंधान के लिए अंतर्राष्ट्रीय एजेंसी (आईएआरसी) ने नेफ़थलीन को "संभावित मानव कैंसरजनक" (समूह 2बी)1 के रूप में वर्गीकृत किया है। प्रतिस्थापित नेफ़थलीन के संपर्क में आने से, मुख्य रूप से साँस लेने या पैरेंटरल (मौखिक) प्रशासन द्वारा, फेफड़ों के ऊतकों को क्षति पहुँचती है और चूहों में फेफड़ों के ट्यूमर की घटनाएँ बढ़ जाती हैं (राष्ट्रीय विष विज्ञान कार्यक्रम 2)। तीव्र दुष्प्रभावों में मतली, उल्टी, पेट दर्द, दस्त, सिरदर्द, भ्रम, अत्यधिक पसीना आना, बुखार, हृदय गति में वृद्धि आदि शामिल हैं। दूसरी ओर, व्यापक स्पेक्ट्रम वाले कार्बामेट कीटनाशक कार्बैरिल (1-नैफ्थिल एन-मिथाइलकार्बामेट) को जलीय अकशेरुकी जीवों, उभयचरों, मधुमक्खियों और मनुष्यों के लिए विषैला बताया गया है और यह एसिटाइलकोलिनेस्टेरेज को बाधित करके पक्षाघात का कारण बनता है (स्मुलडर्स एट अल., 2003; बुलन और डिस्टेल, 2011)। इसलिए, दूषित वातावरण में जैव उपचार रणनीतियों को विकसित करने के लिए सूक्ष्मजीवों द्वारा अपघटन, आनुवंशिक विनियमन, एंजाइमेटिक और कोशिकीय प्रतिक्रियाओं की प्रक्रियाओं को समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है।
तालिका 2. नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्न पदार्थों के भौतिक-रासायनिक गुणों, उपयोगों, पहचान विधियों और संबंधित रोगों के बारे में विस्तृत जानकारी।
प्रदूषित वातावरण में, जलदमनकारी और वसापरक सुगंधित प्रदूषक पर्यावरणीय सूक्ष्मजीव समुदाय (समुदाय) पर कई प्रकार के कोशिकीय प्रभाव डाल सकते हैं, जैसे कि झिल्ली की तरलता, झिल्ली की पारगम्यता, लिपिड द्विपरत की सूजन, ऊर्जा हस्तांतरण (इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला/प्रोटॉन प्रेरक बल) में व्यवधान और झिल्ली से जुड़े प्रोटीनों की गतिविधि में परिवर्तन (सिक्केमा एट अल., 1995)। इसके अतिरिक्त, कुछ घुलनशील मध्यवर्ती जैसे कि कैटेकोल और क्विनोन प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियाँ (आरओएस) उत्पन्न करते हैं और डीएनए और प्रोटीनों के साथ यौगिक बनाते हैं (पेनिंग एट अल., 1999)। इस प्रकार, पारिस्थितिक तंत्र में ऐसे यौगिकों की प्रचुरता सूक्ष्मजीव समुदायों पर चयनात्मक दबाव डालती है ताकि वे विभिन्न शारीरिक स्तरों पर कुशल अपघटक बन सकें, जिनमें अवशोषण/परिवहन, अंतःकोशिकीय परिवर्तन, आत्मसात्करण/उपयोग और विभाजन शामिल हैं।
राइबोसोमल डेटाबेस प्रोजेक्ट-II (RDP-II) की खोज से पता चला कि नेफ़थलीन या इसके व्युत्पन्न पदार्थों से दूषित मीडिया या संवर्धन संस्कृतियों से कुल 926 जीवाणु प्रजातियों को पृथक किया गया था। प्रोटियोबैक्टीरिया समूह में प्रतिनिधियों की संख्या सबसे अधिक (n = 755) थी, इसके बाद फर्मिक्यूट्स (52), बैक्टीरियोइडेट्स (43), एक्टिनोबैक्टीरिया (39), टेनेरिक्यूट्स (10) और अवर्गीकृत जीवाणु (8) थे (चित्र 2)। γ-प्रोटियोबैक्टीरिया (स्यूडोमोनाडेल्स और ज़ैंथोमोनाडेल्स) के प्रतिनिधि उच्च G+C सामग्री (54%) के साथ सभी ग्राम-ऋणात्मक समूहों में प्रमुख थे, जबकि क्लोस्ट्रिडियल्स और बैसिलल्स (30%) कम G+C सामग्री वाले ग्राम-सकारात्मक समूह थे। स्यूडोमोनास (सबसे अधिक संख्या, 338 प्रजातियाँ) विभिन्न प्रदूषित पारिस्थितिक तंत्रों (कोयला टार, पेट्रोलियम, कच्चा तेल, कीचड़, तेल रिसाव, अपशिष्ट जल, जैविक अपशिष्ट और लैंडफिल) के साथ-साथ अक्षुण्ण पारिस्थितिक तंत्रों (मिट्टी, नदियाँ, तलछट और भूजल) में नेफ़थलीन और इसके मिथाइल व्युत्पन्नों को विघटित करने में सक्षम पाए गए (चित्र 2)। इसके अलावा, इनमें से कुछ क्षेत्रों के संवर्धन अध्ययन और मेटाजेनोमिक विश्लेषण से पता चला कि असंवर्धित लेगियोनेला और क्लोस्ट्रीडियम प्रजातियों में विघटनकारी क्षमता हो सकती है, जो नए मार्गों और चयापचय विविधता का अध्ययन करने के लिए इन जीवाणुओं को संवर्धित करने की आवश्यकता को इंगित करता है।
चित्र 2. नेफ़थलीन और नेफ़थलीन व्युत्पन्न पदार्थों से दूषित वातावरण में जीवाणु प्रतिनिधियों की वर्गीकरण विविधता और पारिस्थितिक वितरण।
विभिन्न सुगंधित हाइड्रोकार्बन-अपघटनकारी सूक्ष्मजीवों में से अधिकांश नेफ़थलीन को कार्बन और ऊर्जा के एकमात्र स्रोत के रूप में अपघटित करने में सक्षम हैं। नेफ़थलीन चयापचय में शामिल घटनाओं के क्रम का वर्णन स्यूडोमोनास एसपी. के लिए किया गया है। (स्ट्रेन: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 और CSV86), स्यूडोमोनास स्टुट्ज़ेरी AN10, स्यूडोमोनास फ्लोरेसेंस PC20 और अन्य स्ट्रेन (ND6 और AS1) (महाजन एट अल., 1994; रेसनिक एट अल., 1996; एनविलर एट अल., 2000; बसु एट अल., 2003; डेनिस और ज़िल्स्ट्रा, 2004; सोटा एट अल., 2006; चयापचय एक बहुघटक डाइऑक्सीजिनेज [नेफ़थलीन डाइऑक्सीजिनेज (NDO), एक रिंग हाइड्रॉक्सिलेटिंग डाइऑक्सीजिनेज] द्वारा शुरू किया जाता है जो आणविक ऑक्सीजन को दूसरे सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करके नेफ़थलीन के सुगंधित छल्लों में से एक के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करता है, नेफ़थलीन को सिस-नेफ़थलीनडायल में परिवर्तित करता है (चित्र 3)। सिस-डाइहाइड्रोडायोल को एक डीहाइड्रोजिनेज एंजाइम द्वारा 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनैफ्थेलीन में परिवर्तित किया जाता है। एक वलय-विभाजन डाइऑक्सीजिनेज एंजाइम, 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनैफ्थेलीन डाइऑक्सीजिनेज (12DHNDO), 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनैफ्थेलीन को 2-हाइड्रॉक्सीक्रोमीन-2-कार्बोक्सिलिक अम्ल में परिवर्तित करता है। एंजाइमेटिक सिस-ट्रांस आइसोमेराइजेशन से ट्रांस-ओ-हाइड्रॉक्सीबेंज़िलिडीनपाइरुवेट बनता है, जिसे हाइड्रेटेज एल्डोलेज एंजाइम द्वारा सैलिसिलिक एल्डिहाइड और पाइरुवेट में विखंडित किया जाता है। कार्बनिक अम्ल पाइरुवेट, नैफ्थेलीन कार्बन कंकाल से प्राप्त होने वाला पहला C3 यौगिक था और इसे केंद्रीय कार्बन मार्ग में निर्देशित किया गया था। इसके अतिरिक्त, NAD+-निर्भर सैलिसिल्डिहाइड डीहाइड्रोजिनेज एंजाइम सैलिसिल्डिहाइड को सैलिसिलिक अम्ल में परिवर्तित करता है। इस चरण में चयापचय को नैफ्थेलीन अपघटन का "ऊपरी मार्ग" कहा जाता है। यह मार्ग अधिकांश नैफ्थेलीन में बहुत आम है। नेफ़थलीन को विघटित करने वाले जीवाणु। हालाँकि, कुछ अपवाद भी हैं; उदाहरण के लिए, ऊष्मा-प्रेमी बैसिलस हैम्बर्गी 2 में, नेफ़थलीन का विघटन नेफ़थलीन 2,3-डाइऑक्सीजिनेज़ द्वारा शुरू किया जाता है जिससे 2,3-डाइहाइड्रॉक्सीनेफ़थलीन बनता है (एनवेलर एट अल., 2000)।
चित्र 3. नेफ़थलीन, मिथाइलनेफ़थलीन, नेफ़्थोइक अम्ल और कार्बैरिल के अपघटन के मार्ग। वृत्ताकार संख्याएँ नेफ़थलीन और उसके व्युत्पन्नों को क्रमिक रूप से बाद के उत्पादों में परिवर्तित करने के लिए जिम्मेदार एंजाइमों को दर्शाती हैं। 1 — नेफ़थलीन डाइऑक्सीजिनेज (NDO); 2, सिस-डाइहाइड्रोडायल डीहाइड्रोजिनेज; 3, 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनेफ़थलीन डाइऑक्सीजिनेज; 4, 2-हाइड्रॉक्सीक्रोमीन-2-कार्बोक्सिलिक अम्ल आइसोमेरेज़; 5, ट्रांस-ओ-हाइड्रॉक्सीबेंज़िलिडीनपाइरुवेट हाइड्रेटेज़ एल्डोलेज़; 6, सैलिसिल्डिहाइड डीहाइड्रोजिनेज; 7, सैलिसिलेट 1-हाइड्रॉक्सिलेज़; 8, कैटेकोल 2,3-डाइऑक्सीजिनेज (C23DO); 9, 2-हाइड्रॉक्सीमुकोनेट सेमीएल्डिहाइड डीहाइड्रोजिनेज; 10, 2-ऑक्सोपेंट-4-एनोएट हाइड्रेटेस; 11, 4-हाइड्रॉक्सी-2-ऑक्सोपेंटानोएट एल्डोलेज; 12, एसीटैल्डिहाइड डिहाइड्रोजनेज; 13, कैटेकोल-1,2-डायऑक्सीजिनेज (C12DO); 14, म्यूकोनेट साइक्लोआइसोमेरेस; 15, म्यूकोनोलैक्टोन डेल्टा-आइसोमेरेस; 16, β-कीटोएडिपेटनोलैक्टोन हाइड्रोलेज; 17, β-कीटोएडिपेट सक्सिनिल-CoA ट्रांसफरेज़; 18, β-कीटोएडिपेट-CoA थायोलेज; 19, सक्सिनिल-CoA: एसिटाइल-CoA सक्सिनिलट्रांसफरेज़; 20, सैलिसिलेट 5-हाइड्रॉक्सिलेज; 21 – जेंटिसैट 1,2-डायऑक्सीजिनेज (GDO); 22, मैलेइलपाइरुवेट आइसोमेरेज़; 23, फ्यूमरिलपाइरुवेट हाइड्रोलेज़; 24, मिथाइलनेफ्थालीन हाइड्रॉक्सिलेज़ (एनडीओ); 25, हाइड्रॉक्सीमिथाइलनेफ्थालीन डीहाइड्रोजनेज़; 26, नेफ्थाल्डिहाइड डीहाइड्रोजनेज़; 27, 3-फॉर्मिलसैलिसिलिक एसिड ऑक्सीडेज़; 28, हाइड्रॉक्सीआइसोफ्थालेट डीकार्बोक्सिलेज़; 29, कार्बैरिल हाइड्रोलेज़ (सीएच); 30, 1-नेफ्थोल-2-हाइड्रॉक्सिलेज़।
जीव और उसकी आनुवंशिक संरचना के आधार पर, परिणामी सैलिसिलिक एसिड का आगे चयापचय या तो सैलिसिलेट 1-हाइड्रॉक्सिलेज (S1H) का उपयोग करके कैटेकोल मार्ग के माध्यम से या सैलिसिलेट 5-हाइड्रॉक्सिलेज (S5H) का उपयोग करके जेंटिसेट मार्ग के माध्यम से होता है (चित्र 3)। चूंकि सैलिसिलिक एसिड नेफ़थलीन चयापचय (ऊपरी मार्ग) में प्रमुख मध्यवर्ती है, इसलिए सैलिसिलिक एसिड से टीसीए मध्यवर्ती तक के चरणों को अक्सर निचला मार्ग कहा जाता है, और जीन एक ही ऑपेरॉन में व्यवस्थित होते हैं। यह आम तौर पर देखा जाता है कि ऊपरी मार्ग ऑपेरॉन (nah) और निचले मार्ग ऑपेरॉन (sal) में जीन सामान्य नियामक कारकों द्वारा नियंत्रित होते हैं; उदाहरण के लिए, NahR और सैलिसिलिक एसिड प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं, जिससे दोनों ऑपेरॉन नेफ़थलीन का पूर्णतः चयापचय कर पाते हैं (Phale et al., 2019, 2020)।
इसके अतिरिक्त, कैटेकोल को कैटेकोल 2,3-डायऑक्सीजिनेज (C23DO) द्वारा मेटा मार्ग के माध्यम से चक्रीय रूप से 2-हाइड्रॉक्सीमुकोनेट सेमीएल्डिहाइड में विखंडित किया जाता है (येन एट अल., 1988) और आगे 2-हाइड्रॉक्सीमुकोनेट सेमीएल्डिहाइड हाइड्रोलेज द्वारा जल अपघटित होकर 2-हाइड्रॉक्सिपेंट-2,4-डाइनोइक अम्ल बनाता है। 2-हाइड्रॉक्सिपेंट-2,4-डाइनोएट को फिर एक हाइड्रेटेज (2-ऑक्सोपेंट-4-एनोएट हाइड्रेटेज) और एक एल्डोलेज (4-हाइड्रॉक्सी-2-ऑक्सोपेंटानोएट एल्डोलेज) द्वारा पाइरुवेट और एसिटाल्डिहाइड में परिवर्तित किया जाता है और फिर यह केंद्रीय कार्बन मार्ग में प्रवेश करता है (चित्र 3)। वैकल्पिक रूप से, कैटेकोल को कैटेकोल 1,2-ऑक्सीजिनेज (C12DO) द्वारा ऑर्थो मार्ग के माध्यम से चक्रीय रूप से सिस,सिस-मुकोनेट में विखंडित किया जाता है। म्यूकोनेट साइक्लोआइसोमेरेज़, म्यूकोनोलैक्टोन आइसोमेरेज़ और β-कीटोएडिपेट-नोलैक्टोन हाइड्रोलेज़ सिस,सिस-म्यूकोनेट को 3-ऑक्सोएडिपेट में परिवर्तित करते हैं, जो सक्सिनिल-सीओए और एसिटाइल-सीओए के माध्यम से केंद्रीय कार्बन मार्ग में प्रवेश करता है (नोज़ाकी एट अल., 1968) (चित्र 3)।
जेंटिसैट (2,5-डाइहाइड्रॉक्सीबेंजोएट) मार्ग में, जेंटिसैट 1,2-डाइऑक्सीजिनेज (जीडीओ) द्वारा एरोमैटिक रिंग को तोड़कर मैलाइलपाइरुवेट बनाया जाता है। इस उत्पाद को सीधे पाइरुवेट और मैलेट में हाइड्रोलाइज किया जा सकता है, या इसे आइसोमेराइज करके फ्यूमरिलपाइरुवेट बनाया जा सकता है, जिसे फिर से पाइरुवेट और फ्यूमरेट में हाइड्रोलाइज किया जा सकता है (लार्किन और डे, 1986)। वैकल्पिक मार्ग का चुनाव ग्राम-नेगेटिव और ग्राम-पॉजिटिव दोनों बैक्टीरिया में जैव रासायनिक और आनुवंशिक स्तर पर देखा गया है (मोरावस्की एट अल., 1997; व्हाईट एट अल., 1997)। ग्राम-ऋणात्मक जीवाणु (स्यूडोमोनास) सैलिसिलिक अम्ल का उपयोग करना पसंद करते हैं, जो नेफ़थलीन चयापचय का प्रेरक है, और सैलिसिलेट 1-हाइड्रॉक्सिलेज़ का उपयोग करके इसे कैटेकोल में परिवर्तित करते हैं (गिब्सन और सुब्रमण्यन, 1984)। दूसरी ओर, ग्राम-सकारात्मक जीवाणु (रोडोकोकस) में, सैलिसिलेट 5-हाइड्रॉक्सिलेज़ सैलिसिलिक अम्ल को जेंटिसिक अम्ल में परिवर्तित करता है, जबकि सैलिसिलिक अम्ल का नेफ़थलीन जीन के प्रतिलेखन पर कोई प्रेरक प्रभाव नहीं होता है (ग्रंड एट अल., 1992) (चित्र 3)।
यह बताया गया है कि स्यूडोमोनास सीएसवी86, ओशनोबैक्टीरियम एनसीई312, मैरिनहोमोनास नेफ्थोट्रोफिकस, स्फिंगोमोनास पौसीमोबिलिस 2322, विब्रियो साइक्लोट्रोफस, स्यूडोमोनास फ्लोरेसेंस एलपी6ए, स्यूडोमोनास और माइकोबैक्टीरियम प्रजातियाँ मोनोमेथिलनेफ्थालीन या डाइमेथिलनेफ्थालीन को विघटित कर सकती हैं (डीन-रेमंड और बार्थ, 1975; केन और विलियम्स, 1982; महाजन एट अल., 1994; दत्ता एट अल., 1998; हेड्लंड एट अल., 1999)। इनमें से, स्यूडोमोनास एसपी. का 1-मेथिलनेफ्थालीन और 2-मेथिलनेफ्थालीन विघटन मार्ग CSV86 का जैव रासायनिक और एंजाइमेटिक स्तरों पर स्पष्ट रूप से अध्ययन किया गया है (महाजन एट अल., 1994)। 1-मिथाइलनेफ़थलीन दो मार्गों से चयापचय करता है। पहले, एरोमैटिक रिंग (मिथाइलनेफ़थलीन की अप्रतिस्थापित रिंग) का हाइड्रॉक्सिलेशन करके cis-1,2-डायहाइड्रॉक्सी-1,2-डायहाइड्रो-8-मिथाइलनेफ़थलीन बनाया जाता है, जो आगे ऑक्सीकृत होकर मिथाइल सैलिसिलेट और मिथाइलकेटचोल बनाता है, और फिर रिंग विखंडन के बाद केंद्रीय कार्बन मार्ग में प्रवेश करता है (चित्र 3)। इस मार्ग को "कार्बन स्रोत मार्ग" कहा जाता है। दूसरे "विषहरण मार्ग" में, मिथाइल समूह को NDO द्वारा हाइड्रॉक्सिलेटेड करके 1-हाइड्रॉक्सीमिथाइलनेफ़थलीन बनाया जा सकता है, जो आगे ऑक्सीकृत होकर 1-नेफ़्थोइक अम्ल बनाता है और एक मृत-अंत उत्पाद के रूप में कल्चर माध्यम में उत्सर्जित हो जाता है। अध्ययनों से पता चला है कि स्ट्रेन CSV86 1- और 2-नैफ्थोइक एसिड को एकमात्र कार्बन और ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करके विकसित होने में असमर्थ है, जो इसके विषहरण मार्ग की पुष्टि करता है (महाजन एट अल., 1994; बसु एट अल., 2003)। 2-मिथाइलनैफ्थेलीन में, मिथाइल समूह हाइड्रॉक्सिलेज द्वारा हाइड्रॉक्सिलेशन से गुजरता है और 2-हाइड्रॉक्सीमिथाइलनैफ्थेलीन बनाता है। इसके अतिरिक्त, नैफ्थेलीन वलय का अप्रतिस्थापित वलय हाइड्रॉक्सिलेशन से गुजरता है और डाइहाइड्रोडायोल बनाता है, जो एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में 4-हाइड्रॉक्सीमिथाइलकेटचोल में ऑक्सीकृत हो जाता है और मेटा-रिंग क्लीवेज मार्ग के माध्यम से केंद्रीय कार्बन मार्ग में प्रवेश करता है। इसी तरह, एस. पौसीमोबिलिस 2322 को 2-मिथाइलनेफ्थालीन को हाइड्रॉक्सिलेट करने के लिए एन.डी.ओ. का उपयोग करने की सूचना दी गई थी, जो आगे ऑक्सीकृत होकर मिथाइल सैलिसिलेट और मिथाइलकेटचोल बनाता है (दत्ता एट अल., 1998)।
नेफ्थोइक अम्ल (प्रतिस्थापित/अप्रतिस्थापित) मिथाइलनेफ्थालीन, फेनेंथ्रीन और एंथ्रासीन के अपघटन के दौरान बनने वाले विषहरण/जैवरूपरूपांतरण उप-उत्पाद हैं जो प्रयुक्त संवर्धन माध्यम में मुक्त हो जाते हैं। यह बताया गया है कि मृदा पृथक स्टेनोट्रोफोमोनास माल्टोफिलिया CSV89 1-नेफ्थोइक अम्ल को कार्बन स्रोत के रूप में चयापचयित करने में सक्षम है (फेल एट अल., 1995)। चयापचय की शुरुआत एरोमैटिक वलय के डाइहाइड्रॉक्सिलेशन से होती है जिससे 1,2-डाइहाइड्रॉक्सी-8-कार्बोक्सीनेफ्थालीन बनता है। परिणामी डायोल 2-हाइड्रॉक्सी-3-कार्बोक्सीबेंज़िलिडीनपाइरुवेट, 3-फॉर्मिलसैलिसिलिक अम्ल, 2-हाइड्रॉक्सीआइसोफ्थैलिक अम्ल और सैलिसिलिक अम्ल के माध्यम से कैटेकोल में ऑक्सीकृत हो जाता है और मेटा-रिंग विखंडन मार्ग के माध्यम से केंद्रीय कार्बन मार्ग में प्रवेश करता है (चित्र 3)।
कार्बेरिल एक नेफ्थाइल कार्बामाट कीटनाशक है। 1970 के दशक में भारत में हरित क्रांति के बाद से, रासायनिक उर्वरकों और कीटनाशकों के उपयोग से कृषि से संबंधित गैर-बिंदु स्रोतों से पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) उत्सर्जन में वृद्धि हुई है (पिंगली, 2012; दत्तागुप्ता एट अल., 2020)। भारत में कुल कृषि भूमि का अनुमानित 55% (85,722,000 हेक्टेयर) रासायनिक कीटनाशकों से उपचारित किया जाता है। पिछले पांच वर्षों (2015-2020) में, भारतीय कृषि क्षेत्र ने प्रतिवर्ष औसतन 55,000 से 60,000 टन कीटनाशकों का उपयोग किया है (सहकारिता एवं किसान कल्याण विभाग, कृषि मंत्रालय, भारत सरकार, अगस्त 2020)। उत्तरी और मध्य गंगा के मैदानी क्षेत्रों (सबसे अधिक जनसंख्या और जनसंख्या घनत्व वाले राज्य) में, फसलों पर कीटनाशकों का उपयोग व्यापक रूप से होता है, जिनमें कीटनाशकों का प्रभुत्व है। कार्बेरिल (1-नैफ्थिल-एन-मिथाइलकार्बामेट) एक व्यापक प्रभाव वाला, मध्यम से उच्च विषैला कार्बामेट कीटनाशक है जिसका उपयोग भारतीय कृषि में औसतन 100-110 टन की दर से किया जाता है। यह आमतौर पर सेविन व्यापार नाम से बेचा जाता है और इसका उपयोग विभिन्न फसलों (मक्का, सोयाबीन, कपास, फल और सब्जियां) को प्रभावित करने वाले कीटों (एफिड्स, चींटियां, पिस्सू, घुन, मकड़ियां और कई अन्य बाहरी कीट) को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। कुछ सूक्ष्मजीव जैसे स्यूडोमोनास (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, स्यूडोमोनास पुटिडा XWY-1), रोडोकोकस (NCIB 12038), स्फिंगोबैक्टीरियम एसपीपी. (CF06), बर्खोल्डेरिया (C3), माइक्रोकोकस और आर्थ्रोबैक्टर का उपयोग अन्य कीटों को नियंत्रित करने के लिए भी किया जा सकता है। यह बताया गया है कि RC100 कार्बैरिल को विघटित कर सकता है (लार्किन और डे, 1986; चपलामाडुगु और चौधरी, 1991; हयात्सु एट अल., 1999; श्वेता और फाले, 2005; त्रिवेदी एट अल., 2017)। स्यूडोमोनास एसपी. स्ट्रेन C4, C5 और C6 के मृदा पृथकों में कार्बैरिल के विघटन मार्ग का जैव रासायनिक, एंजाइमेटिक और आनुवंशिक स्तर पर व्यापक अध्ययन किया गया है (श्वेता और फाले, 2005; त्रिवेदी एट अल., 2016) (चित्र 3)। चयापचय मार्ग कार्बैरिल हाइड्रोलेज (CH) द्वारा एस्टर बंध के जल अपघटन से शुरू होता है जिससे 1-नैफ्थोल, मिथाइलमाइन और कार्बन डाइऑक्साइड बनता है। 1-नैफ्थोल को 1-नैफ्थोल हाइड्रॉक्सिलेज़ (1-NH) द्वारा 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनैफ्थेलीन में परिवर्तित किया जाता है, जिसका आगे सैलिसिलेट और जेंटिसैट के माध्यम से केंद्रीय कार्बन मार्ग द्वारा चयापचय होता है। कुछ कार्बैरिल-अपघटनकारी जीवाणुओं द्वारा कैटेकोल ऑर्थो रिंग के विखंडन के माध्यम से इसे सैलिसिलिक अम्ल में परिवर्तित करने की सूचना मिली है (लार्किन और डे, 1986; चपलामादुगु और चौधरी, 1991)। विशेष रूप से, नैफ्थेलीन-अपघटनकारी जीवाणु मुख्य रूप से कैटेकोल के माध्यम से सैलिसिलिक अम्ल का चयापचय करते हैं, जबकि कार्बैरिल-अपघटनकारी जीवाणु जेंटिसैट मार्ग के माध्यम से सैलिसिलिक अम्ल का चयापचय करना पसंद करते हैं।
नेफ्थालीनसल्फोनिक एसिड/डिसल्फोनिक एसिड और नेफ्थाइलएमीनसल्फोनिक एसिड डेरिवेटिव का उपयोग एज़ो रंगों, वेटिंग एजेंटों, डिस्पर्सेंट आदि के उत्पादन में मध्यवर्ती के रूप में किया जा सकता है। हालांकि ये यौगिक मनुष्यों के लिए कम विषैले होते हैं, साइटोटॉक्सिसिटी आकलन से पता चला है कि ये मछलियों, डैफ्निया और शैवाल के लिए घातक हैं (ग्रीम एट अल., 1994)। स्यूडोमोनास जीनस (स्ट्रेन A3, C22) के प्रतिनिधियों को सल्फोनिक एसिड समूह युक्त एरोमैटिक रिंग के दोहरे हाइड्रॉक्सिलेशन द्वारा चयापचय शुरू करने के लिए रिपोर्ट किया गया है, जिससे एक डाइहाइड्रोडायोल बनता है, जो आगे सल्फाइट समूह के स्वतः विखंडन द्वारा 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनेफ्थालीन में परिवर्तित हो जाता है (ब्रिलॉन एट अल., 1981)। परिणामी 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनेफ्थालीन को क्लासिकल नेफ्थालीन मार्ग, यानी कैटेकोल या जेंटिसैट मार्ग (चित्र 4) के माध्यम से अपघटित किया जाता है। यह दिखाया गया है कि एमिनोनैफ्थेलीनसल्फोनीक अम्ल और हाइड्रॉक्सिनैफ्थेलीनसल्फोनीक अम्ल को पूरक अपचय मार्गों वाले मिश्रित जीवाणु संघों द्वारा पूर्णतः विघटित किया जा सकता है (नॉर्टमैन एट अल., 1986)। यह दिखाया गया है कि संघ का एक सदस्य 1,2-डाइऑक्सीजनीकरण द्वारा एमिनोनैफ्थेलीनसल्फोनीक अम्ल या हाइड्रॉक्सिनैफ्थेलीनसल्फोनीक अम्ल का डीसल्फ्यूराइजेशन करता है, जबकि एमिनोसैलिसिलेट या हाइड्रॉक्सिसैलिसिलेट एक डेड-एंड मेटाबोलाइट के रूप में कल्चर माध्यम में मुक्त हो जाता है और बाद में संघ के अन्य सदस्यों द्वारा ग्रहण कर लिया जाता है। नैफ्थेलीनडिसल्फोनीक अम्ल अपेक्षाकृत ध्रुवीय होता है लेकिन इसका जैवविघटन कम होता है और इसलिए इसे विभिन्न मार्गों से मेटाबोलाइज़ किया जा सकता है। पहला डीसल्फ्यूराइजेशन एरोमैटिक रिंग और सल्फोनिक अम्ल समूह के रीजियोसेलेक्टिव डाइहाइड्रॉक्सिलेशन के दौरान होता है; दूसरा डीसल्फराइजेशन सैलिसिलिक एसिड 5-हाइड्रॉक्सिलेज द्वारा 5-सल्फोसैलिसिलिक एसिड के हाइड्रॉक्सिलेशन के दौरान होता है, जिससे जेंटिसिक एसिड बनता है, जो केंद्रीय कार्बन मार्ग में प्रवेश करता है (ब्रिलोन एट अल., 1981) (चित्र 4)। नेफ़थलीन के अपघटन के लिए जिम्मेदार एंजाइम नेफ़थलीन सल्फोनेट चयापचय के लिए भी जिम्मेदार होते हैं (ब्रिलोन एट अल., 1981; केके एट अल., 2006)।
चित्र 4. नेफ़थलीन सल्फोनेट के अपघटन के लिए चयापचय मार्ग। वृत्तों के अंदर की संख्याएँ नेफ़थाइल सल्फोनेट चयापचय के लिए जिम्मेदार एंजाइमों को दर्शाती हैं, जो चित्र 3 में वर्णित एंजाइमों के समान/एक जैसे हैं।
कम आणविक भार वाले पीएएच (एलएमडब्ल्यू-पीएएच) अपचायक, जलदमनकारी और कम घुलनशील होते हैं, इसलिए प्राकृतिक रूप से विघटित/अपघटित नहीं होते। हालांकि, वायवीय सूक्ष्मजीव आणविक ऑक्सीजन (O2) को अवशोषित करके इन्हें ऑक्सीकृत करने में सक्षम होते हैं। ये एंजाइम मुख्य रूप से ऑक्सीडोरडक्टेस वर्ग से संबंधित होते हैं और विभिन्न अभिक्रियाएं कर सकते हैं जैसे कि एरोमैटिक रिंग हाइड्रॉक्सिलेशन (मोनो- या डाइहाइड्रॉक्सिलेशन), डीहाइड्रोजनीकरण और एरोमैटिक रिंग विखंडन। इन अभिक्रियाओं से प्राप्त उत्पाद उच्च ऑक्सीकरण अवस्था में होते हैं और केंद्रीय कार्बन मार्ग के माध्यम से अधिक आसानी से चयापचयित हो जाते हैं (फाले एट अल., 2020)। अपघटन मार्ग में शामिल एंजाइमों को प्रेरित करने योग्य बताया गया है। जब कोशिकाओं को ग्लूकोज या कार्बनिक अम्लों जैसे सरल कार्बन स्रोतों पर उगाया जाता है, तो इन एंजाइमों की गतिविधि बहुत कम या नगण्य होती है। तालिका 3 नेफ़थलीन और उसके व्युत्पन्न पदार्थों के चयापचय में शामिल विभिन्न एंजाइमों (ऑक्सीजिनेस, हाइड्रोलेस, डीहाइड्रोजिनेस, ऑक्सीडेस, आदि) का सारांश प्रस्तुत करती है।
तालिका 3. नेफ़थलीन और उसके व्युत्पन्नों के अपघटन के लिए जिम्मेदार एंजाइमों की जैव रासायनिक विशेषताएँ।
रेडियोआइसोटोप अध्ययनों (18O2) से पता चला है कि ऑक्सीजिनेस द्वारा एरोमैटिक रिंगों में आणविक O2 का समावेश किसी यौगिक के आगे के जैवअपघटन को सक्रिय करने में सबसे महत्वपूर्ण चरण है (हयाशी एट अल., 1955; मेसन एट अल., 1955)। आणविक ऑक्सीजन (O2) से एक ऑक्सीजन परमाणु (O) का सब्सट्रेट में समावेश अंतर्जात या बहिर्जात मोनोऑक्सीजिनेस (जिन्हें हाइड्रॉक्सिलेज भी कहा जाता है) द्वारा शुरू किया जाता है। एक अन्य ऑक्सीजन परमाणु जल में अपचयित हो जाता है। बहिर्जात मोनोऑक्सीजिनेस NADH या NADPH के साथ फ्लेविन को अपचयित करते हैं, जबकि अंतर्जात मोनोऑक्सीजिनेस में फ्लेविन सब्सट्रेट द्वारा अपचयित होता है। हाइड्रॉक्सिलेशन की स्थिति उत्पाद निर्माण में विविधता लाती है। उदाहरण के लिए, सैलिसिलेट 1-हाइड्रॉक्सिलेज सैलिसिलिक एसिड को C1 स्थिति पर हाइड्रॉक्सिलेट करता है, जिससे कैटेकोल बनता है। दूसरी ओर, बहुघटक सैलिसिलेट 5-हाइड्रॉक्सिलेज़ (जिसमें रिडक्टेस, फेरेडॉक्सिन और ऑक्सीजिनेस सबयूनिट होते हैं) सैलिसिलिक एसिड को C5 स्थिति पर हाइड्रॉक्सिलेट करता है, जिससे जेंटिसिक एसिड बनता है (यामामोटो एट अल., 1965)।
डायऑक्सीजिनेस एंजाइम सब्सट्रेट में दो ऑक्सीजन परमाणु जोड़ते हैं। बनने वाले उत्पादों के आधार पर, इन्हें रिंग हाइड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सीजिनेस और रिंग क्लीविंग डायऑक्सीजिनेस में विभाजित किया जाता है। रिंग हाइड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सीजिनेस एरोमैटिक सब्सट्रेट को सिस-डाइहाइड्रोडायोल (जैसे, नेफ़थलीन) में परिवर्तित करते हैं और बैक्टीरिया में व्यापक रूप से पाए जाते हैं। अब तक यह सिद्ध हो चुका है कि रिंग हाइड्रॉक्सिलेटिंग डायऑक्सीजिनेस युक्त जीव विभिन्न एरोमैटिक कार्बन स्रोतों पर विकसित होने में सक्षम हैं, और इन एंजाइमों को एनडीओ (नेफ़थलीन), टोल्यून डायऑक्सीजिनेस (टीडीओ, टोल्यून) और बाइफेनिल डायऑक्सीजिनेस (बीपीडीओ, बाइफेनिल) के रूप में वर्गीकृत किया गया है। एनडीओ और बीपीडीओ दोनों ही विभिन्न बहुचक्रीय सुगंधित हाइड्रोकार्बन (टोल्यून, नाइट्रोटोल्यून, ज़ाइलीन, एथिलबेंजीन, नेफ़थलीन, बाइफेनिल, फ्लूओरीन, इंडोल, मिथाइलनेफ़थलीन, नेफ़थलीनसल्फोनेट, फ़ेनेन्थ्रीन, एन्थ्रासीन, एसीटोफेनोन, आदि) के दोहरे ऑक्सीकरण और पार्श्व श्रृंखला हाइड्रॉक्सिलेशन को उत्प्रेरित कर सकते हैं (बॉयड और शेल्ड्रेक, 1998; फ़ेल एट अल., 2020)। एनडीओ एक बहुघटक प्रणाली है जिसमें एक ऑक्सीडोरडक्टेस, एक फेरेडॉक्सिन और एक सक्रिय स्थल युक्त ऑक्सीजिनेस घटक शामिल होते हैं (गिब्सन और सुब्रमण्यन, 1984; रेसनिक एट अल., 1996)। एनडीओ की उत्प्रेरक इकाई में एक बड़ी α उपइकाई और एक छोटी β उपइकाई होती है जो α3β3 विन्यास में व्यवस्थित होती हैं। एनडीओ ऑक्सीजिनेस के एक बड़े परिवार से संबंधित है और इसकी α-उपइकाई में एक रीस्के साइट [2Fe-2S] और एक मोनो न्यूक्लियर नॉन-हीम आयरन होता है, जो एनडीओ की सब्सट्रेट विशिष्टता निर्धारित करता है (पैरालेस एट अल., 1998)। आमतौर पर, एक उत्प्रेरक चक्र में, पाइरिडीन न्यूक्लियोटाइड के अपचयन से दो इलेक्ट्रॉन एक रिडक्टेस, एक फेरेडॉक्सिन और एक रीस्के साइट के माध्यम से सक्रिय स्थल में Fe(II) आयन में स्थानांतरित होते हैं। अपचायक समतुल्य आणविक ऑक्सीजन को सक्रिय करते हैं, जो सब्सट्रेट डाइहाइड्रॉक्सिलेशन के लिए एक पूर्वापेक्षा है (फेरारो एट अल., 2005)। आज तक, विभिन्न उपभेदों से केवल कुछ ही एनडीओ को शुद्ध किया गया है और उनका विस्तृत लक्षण वर्णन किया गया है, तथा नेफ़थलीन अपघटन में शामिल मार्गों के आनुवंशिक नियंत्रण का विस्तृत अध्ययन किया गया है (रेस्निक एट अल., 1996; पैरालेस एट अल., 1998; कार्लसन एट अल., 2003)। वलय-विभाजन करने वाले डाइऑक्सीजिनेस (एंडो- या ऑर्थो-वलय-विभाजन करने वाले एंजाइम और एक्सोडिओल- या मेटा-वलय-विभाजन करने वाले एंजाइम) हाइड्रॉक्सिलेटेड एरोमैटिक यौगिकों पर कार्य करते हैं। उदाहरण के लिए, ऑर्थो-वलय-विभाजन करने वाला डाइऑक्सीजिनेस कैटेकोल-1,2-डाइऑक्सीजिनेस है, जबकि मेटा-वलय-विभाजन करने वाला डाइऑक्सीजिनेस कैटेकोल-2,3-डाइऑक्सीजिनेस है (कोजिमा एट अल., 1961; नोज़ाकी एट अल., 1968)। विभिन्न ऑक्सीजिनेस के अलावा, विभिन्न डीहाइड्रोजिनेस भी होते हैं जो एरोमैटिक डाइहाइड्रोडायोल, अल्कोहल और एल्डिहाइड के डीहाइड्रोजनीकरण के लिए जिम्मेदार होते हैं और इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में NAD+/NADP+ का उपयोग करते हैं, जो चयापचय में शामिल कुछ महत्वपूर्ण एंजाइम हैं (गिब्सन और सुब्रमण्यन, 1984; शॉ और हारायामा, 1990; फाहले एट अल., 2020)।
हाइड्रोलेज़ (एस्टरेज़, एमिडेज़) जैसे एंजाइम एंजाइमों का दूसरा महत्वपूर्ण वर्ग हैं जो सहसंयोजक बंधों को तोड़ने के लिए पानी का उपयोग करते हैं और व्यापक सब्सट्रेट विशिष्टता प्रदर्शित करते हैं। कार्बैरिल हाइड्रोलेज़ और अन्य हाइड्रोलेज़ को ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं के सदस्यों में पेरिप्लाज़्म (ट्रांसमेम्ब्रेन) के घटक माना जाता है (कामिनी एट अल., 2018)। कार्बैरिल में एमाइड और एस्टर दोनों लिंकेज होते हैं; इसलिए, इसे एस्टरेज़ या एमिडेज़ द्वारा हाइड्रोलाइज़ करके 1-नैफ्थोल बनाया जा सकता है। राइज़ोबियम राइज़ोबियम स्ट्रेन AC10023 और आर्थ्रोबैक्टर स्ट्रेन RC100 में कार्बैरिल को क्रमशः एस्टरेज़ और एमिडेज़ के रूप में कार्य करते हुए पाया गया है। आर्थ्रोबैक्टर स्ट्रेन RC100 में कार्बैरिल एमिडेज़ के रूप में भी कार्य करता है। RC100 को चार एन-मिथाइलकार्बामेट वर्ग के कीटनाशकों जैसे कार्बैरिल, मेथॉमिल, मेफेनैमिक एसिड और XMC को हाइड्रोलाइज़ करने में सक्षम दिखाया गया है (हायात्सु एट अल., 2001)। यह बताया गया कि स्यूडोमोनास एसपी. C5pp में CH कार्बैरिल (100% गतिविधि) और 1-नैफ्थिल एसीटेट (36% गतिविधि) पर कार्य कर सकता है, लेकिन 1-नैफ्थिलएसिटामाइड पर नहीं, जो दर्शाता है कि यह एक एस्टेरेज़ है (त्रिवेदी एट अल., 2016)।
जैव रासायनिक अध्ययनों, एंजाइम विनियमन पैटर्न और आनुवंशिक विश्लेषण से पता चला है कि नेफ़थलीन अपघटन जीन में दो प्रेरक विनियामक इकाइयाँ या "ऑपेरॉन" होते हैं: nah ("अपस्ट्रीम पाथवे", जो नेफ़थलीन को सैलिसिलिक एसिड में परिवर्तित करता है) और sal ("डाउनस्ट्रीम पाथवे", जो सैलिसिलिक एसिड को कैटेकोल के माध्यम से केंद्रीय कार्बन पाथवे में परिवर्तित करता है)। सैलिसिलिक एसिड और इसके अनुरूप प्रेरक के रूप में कार्य कर सकते हैं (शम्सुज्जमान और बार्न्सली, 1974)। ग्लूकोज या कार्बनिक अम्लों की उपस्थिति में, ऑपेरॉन दमित हो जाता है। चित्र 5 नेफ़थलीन अपघटन (ऑपेरॉन रूप में) के संपूर्ण आनुवंशिक संगठन को दर्शाता है। nah जीन के कई नामित वेरिएंट/रूप (ndo/pah/dox) वर्णित किए गए हैं और सभी स्यूडोमोनास प्रजातियों में इनमें उच्च अनुक्रम समरूपता (90%) पाई गई है (अब्बासियन एट अल., 2016)। नेफ़थलीन अपस्ट्रीम पाथवे के जीन आमतौर पर एक सहमति क्रम में व्यवस्थित थे, जैसा कि चित्र 5A में दिखाया गया है। एक अन्य जीन, nahQ, भी नेफ़थलीन चयापचय में शामिल होने की सूचना दी गई थी और यह आमतौर पर nahC और nahE के बीच स्थित होता था, लेकिन इसका वास्तविक कार्य अभी तक स्पष्ट नहीं हो पाया है। इसी प्रकार, नेफ़थलीन-संवेदनशील कीमोटैक्सिस के लिए जिम्मेदार nahY जीन, कुछ सदस्यों में nah ऑपेरॉन के दूरस्थ छोर पर पाया गया था। राल्स्टोनिया प्रजाति में, ग्लूटाथियोन एस-ट्रांसफरेज़ (gsh) को एन्कोड करने वाला U2 जीन nahAa और nahAb के बीच स्थित पाया गया था, लेकिन इसने नेफ़थलीन उपयोग विशेषताओं को प्रभावित नहीं किया (ज़िल्स्ट्रा एट अल., 1997)।
चित्र 5. जीवाणु प्रजातियों के बीच नेफ़थलीन अपघटन के दौरान देखी गई आनुवंशिक संरचना और विविधता; (A) ऊपरी नेफ़थलीन मार्ग, नेफ़थलीन का सैलिसिलिक अम्ल में चयापचय; (B) निचला नेफ़थलीन मार्ग, सैलिसिलिक अम्ल का कैटेकोल के माध्यम से केंद्रीय कार्बन मार्ग तक चयापचय; (C) सैलिसिलिक अम्ल का जेंटिसैट के माध्यम से केंद्रीय कार्बन मार्ग तक चयापचय।
निम्न मार्ग (sal ऑपेरॉन) में आमतौर पर nahGTHINLMOKJ जीन होते हैं और यह कैटेकोल मेटारिंग क्लीवेज मार्ग के माध्यम से सैलिसिलेट को पाइरुवेट और एसीटैल्डिहाइड में परिवर्तित करता है। nahG जीन (जो सैलिसिलेट हाइड्रॉक्सिलेज को एनकोड करता है) ऑपेरॉन के समीपस्थ सिरे पर संरक्षित पाया गया (चित्र 5B)। अन्य नेफ़थलीन-अपघटन करने वाले उपभेदों की तुलना में, P. putida CSV86 में nah और sal ऑपेरॉन एक साथ स्थित हैं और बहुत निकट से संबंधित हैं (लगभग 7.5 kb)। कुछ ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं, जैसे कि Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2, और P. putida AK5 में, नेफ़थलीन को जेंटिसैट मार्ग (sgp/nag ऑपेरॉन के रूप में) के माध्यम से एक केंद्रीय कार्बन मेटाबोलाइट के रूप में मेटाबोलाइज़ किया जाता है। जीन कैसेट को आमतौर पर nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI के रूप में दर्शाया जाता है, जहां nagR (एक LysR-प्रकार के नियामक को एन्कोड करता है) ऊपरी छोर पर स्थित होता है (चित्र 5C)।
कार्बेरिल, 1-नैफ्थोल, 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनैफ्थेलीन, सैलिसिलिक एसिड और जेंटिसिक एसिड के चयापचय के माध्यम से केंद्रीय कार्बन चक्र में प्रवेश करता है (चित्र 3)। आनुवंशिक और चयापचय संबंधी अध्ययनों के आधार पर, इस मार्ग को "अपस्ट्रीम" (कार्बेरिल का सैलिसिलिक एसिड में रूपांतरण), "मिडिल" (सैलिसिलिक एसिड का जेंटिसिक एसिड में रूपांतरण) और "डाउनस्ट्रीम" (जेंटिसिक एसिड का केंद्रीय कार्बन मार्ग मध्यवर्ती में रूपांतरण) में विभाजित करने का प्रस्ताव दिया गया है (सिंह एट अल., 2013)। C5pp (सुपरकॉन्टिग A, 76.3 kb) के जीनोमिक विश्लेषण से पता चला कि mcbACBDEF जीन कार्बैरिल को सैलिसिलिक एसिड में परिवर्तित करने में शामिल है, इसके बाद mcbIJKL सैलिसिलिक एसिड को जेंटिसिक एसिड में परिवर्तित करने में और mcbOQP जेंटिसिक एसिड को केंद्रीय कार्बन मध्यवर्ती (फ्यूमरेट और पाइरुवेट, त्रिवेदी एट अल., 2016) में परिवर्तित करने में शामिल है (चित्र 6)।
यह बताया गया है कि एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (नेफ़थलीन और सैलिसिलिक एसिड सहित) के अपघटन में शामिल एंजाइम संबंधित यौगिकों द्वारा प्रेरित हो सकते हैं और ग्लूकोज़ या कार्बनिक अम्लों जैसे सरल कार्बन स्रोतों द्वारा बाधित हो सकते हैं (शिंग्लर, 2003; फाले एट अल., 2019, 2020)। नेफ़थलीन और इसके व्युत्पन्नों के विभिन्न चयापचय मार्गों में, नेफ़थलीन और कार्बैरिल की विनियामक विशेषताओं का कुछ हद तक अध्ययन किया गया है। नेफ़थलीन के लिए, अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम दोनों मार्गों में जीन, लाइसिन-आर-प्रकार के ट्रांस-एक्टिंग पॉजिटिव रेगुलेटर, NahR द्वारा विनियमित होते हैं। यह सैलिसिलिक एसिड द्वारा nah जीन के प्रेरण और उसके बाद के उच्च-स्तरीय अभिव्यक्ति के लिए आवश्यक है (येन और गनसालस, 1982)। इसके अलावा, अध्ययनों से पता चला है कि इंटीग्रेटिव होस्ट फैक्टर (IHF) और XylR (सिग्मा 54-निर्भर ट्रांसक्रिप्शनल रेगुलेटर) नेफ़थलीन चयापचय में जीन के ट्रांसक्रिप्शनल सक्रियण के लिए भी महत्वपूर्ण हैं (रामोस एट अल., 1997)। अध्ययनों से पता चला है कि कैटेकोल मेटा-रिंग ओपनिंग पाथवे के एंजाइम, विशेष रूप से कैटेकोल 2,3-डाइऑक्सीजिनेज, नेफ़थलीन और/या सैलिसिलिक एसिड की उपस्थिति में प्रेरित होते हैं (बासु एट अल., 2006)। अध्ययनों से पता चला है कि कैटेकोल ऑर्थो-रिंग ओपनिंग पाथवे के एंजाइम, विशेष रूप से कैटेकोल 1,2-डाइऑक्सीजिनेज, बेंजोइक एसिड और सिस,सिस-म्यूकोनेट की उपस्थिति में प्रेरित होते हैं (पारसेक एट अल., 1994; टोवर एट अल., 2001)।
स्ट्रेन C5pp में, पाँच जीन, mcbG, mcbH, mcbN, mcbR और mcbS, LysR/TetR परिवार के ट्रांसक्रिप्शनल रेगुलेटरों को एनकोड करते हैं जो कार्बैरिल के अपघटन को नियंत्रित करने के लिए जिम्मेदार हैं। समरूप जीन mcbG, Burkholderia RP00725 में फेनेंथ्रीन चयापचय में शामिल LysR-प्रकार के रेगुलेटर PhnS (58% अमीनो एसिड समानता) से सबसे निकट से संबंधित पाया गया (त्रिवेदी एट अल., 2016)। mcbH जीन मध्यवर्ती मार्ग (सैलिसिलिक एसिड का जेंटिसिक एसिड में रूपांतरण) में शामिल पाया गया और यह स्यूडोमोनास और बर्कहोल्डरिया में LysR-प्रकार के ट्रांसक्रिप्शनल रेगुलेटर NagR/DntR/NahR से संबंधित है। इस परिवार के सदस्यों को अपघटन जीनों के प्रेरण के लिए सैलिसिलिक एसिड को एक विशिष्ट प्रभावकारी अणु के रूप में पहचानने की सूचना दी गई है। दूसरी ओर, LysR और TetR प्रकार के ट्रांसक्रिप्शनल रेगुलेटर से संबंधित तीन जीन, mcbN, mcbR और mcbS, डाउनस्ट्रीम मार्ग (जेंटिसेट-सेंट्रल कार्बन मार्ग मेटाबोलाइट्स) में पहचाने गए।
प्रोकेरियोट्स में, प्लास्मिड, ट्रांसपोज़ोन, प्रोफेज, जीनोमिक आइलैंड और इंटीग्रेटिव कंजुगेटिव एलिमेंट्स (ICE) के माध्यम से क्षैतिज जीन स्थानांतरण प्रक्रियाएं (अधिग्रहण, विनिमय या स्थानांतरण) जीवाणु जीनोम में प्लास्टिसिटी के प्रमुख कारण हैं, जिससे विशिष्ट कार्यों/विशेषताओं का लाभ या हानि होती है। यह जीवाणुओं को विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों के अनुकूल तेजी से ढलने में सक्षम बनाता है, जिससे मेजबान को संभावित अनुकूली चयापचय संबंधी लाभ मिलते हैं, जैसे कि सुगंधित यौगिकों का अपघटन। चयापचय संबंधी परिवर्तन अक्सर अपघटन ऑपेरॉन, उनके नियामक तंत्र और एंजाइम विशिष्टताओं के सूक्ष्म समायोजन के माध्यम से प्राप्त किए जाते हैं, जो सुगंधित यौगिकों की एक विस्तृत श्रृंखला के अपघटन को सुगम बनाते हैं (नोजिरी एट अल., 2004; फाले एट अल., 2019, 2020)। नेफ़थलीन अपघटन के लिए जीन कैसेट विभिन्न गतिशील तत्वों जैसे प्लास्मिड (संयुग्मनशील और गैर-संयुग्मनशील), ट्रांसपोज़ोन, जीनोम, आईसीई और विभिन्न जीवाणु प्रजातियों के संयोजन पर स्थित पाए गए हैं (चित्र 5)। स्यूडोमोनास जी7 में, प्लास्मिड NAH7 के nah और sal ऑपेरॉन एक ही दिशा में प्रतिलेखित होते हैं और एक दोषपूर्ण ट्रांसपोज़ोन का हिस्सा हैं जिसके संचलन के लिए ट्रांसपोज़ेज़ Tn4653 की आवश्यकता होती है (सोटा एट अल., 2006)। स्यूडोमोनास स्ट्रेन NCIB9816-4 में, जीन संयुग्मनशील प्लास्मिड pDTG1 पर दो ऑपेरॉन (लगभग 15 केबी की दूरी पर) के रूप में पाया गया था जो विपरीत दिशाओं में प्रतिलेखित होते थे (डेनिस और ज़िल्स्ट्रा, 2004)। स्यूडोमोनास पुटिडा स्ट्रेन AK5 में, गैर-संयुग्मनशील प्लास्मिड pAK5, जेंटिसैट मार्ग के माध्यम से नेफ़थलीन के अपघटन के लिए जिम्मेदार एंजाइम को एन्कोड करता है (इज़मालकोवा एट अल., 2013)। स्यूडोमोनास स्ट्रेन PMD-1 में, nah ऑपेरॉन गुणसूत्र पर स्थित होता है, जबकि sal ऑपेरॉन संयुग्मनशील प्लास्मिड pMWD-1 पर स्थित होता है (ज़ुनिगा एट अल., 1981)। हालांकि, स्यूडोमोनास स्टुट्ज़ेरी AN10 में, सभी नेफ़थलीन अपघटन जीन (nah और sal ऑपेरॉन) गुणसूत्र पर स्थित होते हैं और संभवतः स्थानांतरण, पुनर्संयोजन और पुनर्व्यवस्था घटनाओं के माध्यम से भर्ती किए जाते हैं (बॉश एट अल., 2000)। स्यूडोमोनास प्रजाति CSV86 में, nah और sal ऑपेरॉन जीनोम में ICE (ICECSV86) के रूप में स्थित होते हैं। यह संरचना tRNAGly द्वारा संरक्षित है, जिसके बाद प्रत्यक्ष दोहराव होते हैं जो पुनर्संयोजन/संलग्नता स्थलों (attR और attL) को दर्शाते हैं, और tRNAGly के दोनों सिरों पर एक फ़ेज-जैसे इंटीग्रेस स्थित होता है, इस प्रकार संरचनात्मक रूप से ICEclc तत्व (क्लोरोकैटेकॉल अपघटन के लिए स्यूडोमोनास नैकमुसी में ICEclcB13) के समान है। यह बताया गया है कि ICE पर मौजूद जीन को अत्यंत कम स्थानांतरण आवृत्ति (10-8) के साथ संयुग्मन द्वारा स्थानांतरित किया जा सकता है, जिससे अपघटन गुण प्राप्तकर्ता को स्थानांतरित हो जाते हैं (बासु और फाले, 2008; फाले एट अल., 2019)।
कार्बेरिल अपघटन के लिए जिम्मेदार अधिकांश जीन प्लास्मिड पर स्थित होते हैं। आर्थ्रोबैक्टर एसपी. RC100 में तीन प्लास्मिड (pRC1, pRC2 और pRC300) होते हैं, जिनमें से दो संयुग्मनशील प्लास्मिड, pRC1 और pRC2, कार्बेरिल को जेंटिसैट में परिवर्तित करने वाले एंजाइमों को एन्कोड करते हैं। दूसरी ओर, जेंटिसैट को केंद्रीय कार्बन मेटाबोलाइट्स में परिवर्तित करने में शामिल एंजाइम गुणसूत्र पर स्थित होते हैं (हायात्सु एट अल., 1999)। राइजोबियम जीनस के जीवाणु, स्ट्रेन AC100, जिसका उपयोग कार्बेरिल को 1-नैफ्थोल में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है, में प्लास्मिड pAC200 होता है, जिसमें CH को एन्कोड करने वाला cehA जीन होता है, जो Tnceh ट्रांसपोज़ोन का हिस्सा है और सम्मिलन तत्व-जैसे अनुक्रमों (istA और istB) से घिरा हुआ है (हाशिमोटो एट अल., 2002)। स्फिंगोमोनास स्ट्रेन CF06 में, कार्बैरिल अपघटन जीन पाँच प्लास्मिड में मौजूद माना जाता है: pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 और pCF05। इन प्लास्मिड की डीएनए समरूपता उच्च है, जो जीन डुप्लिकेशन घटना के अस्तित्व को इंगित करती है (फेंग एट अल., 1997)। दो स्यूडोमोनास प्रजातियों से बने कार्बैरिल-अपघटन करने वाले सहजीवी में, स्ट्रेन 50581 में एक संयुग्मन प्लास्मिड pCD1 (50 kb) होता है जो mcd कार्बैरिल हाइड्रोलिस जीन को एन्कोड करता है, जबकि स्ट्रेन 50552 में संयुग्मन प्लास्मिड 1-नैफ्थोल-अपघटन एंजाइम को एन्कोड करता है (चपलामादुगु और चौधरी, 1991)। एक्रोमोबैक्टर स्ट्रेन WM111 में, mcd फुराडान हाइड्रोलिस जीन 100 kb प्लास्मिड (pPDL11) पर स्थित है। यह जीन विभिन्न भौगोलिक क्षेत्रों के विभिन्न जीवाणुओं में अलग-अलग प्लास्मिड (100, 105, 115 या 124 kb) पर मौजूद पाया गया है (पारेख एट अल., 1995)। स्यूडोमोनास एसपी. C5pp में, कार्बैरिल अपघटन के लिए जिम्मेदार सभी जीन 76.3 kb अनुक्रम वाले जीनोम में स्थित हैं (त्रिवेदी एट अल., 2016)। जीनोम विश्लेषण (6.15 एमबी) से 42 एमजीई और 36 जीईआई की उपस्थिति का पता चला, जिनमें से 17 एमजीई सुपरकॉन्टिग ए (76.3 केबी) में स्थित थे, जिनमें औसत असममित जी+सी सामग्री (54-60 मोल%) थी, जो संभावित क्षैतिज जीन स्थानांतरण घटनाओं का संकेत देती है (त्रिवेदी एट अल., 2016)। पी. पुटिडा एक्सडब्ल्यूवाई-1 में कार्बैरिल-अपघटन जीन की समान व्यवस्था पाई जाती है, लेकिन ये जीन प्लास्मिड पर स्थित होते हैं (झू एट अल., 2019)।
जैव रासायनिक और जीनोमिक स्तरों पर चयापचय दक्षता के अलावा, सूक्ष्मजीव अन्य गुण या प्रतिक्रियाएं भी प्रदर्शित करते हैं जैसे कि कीमोटैक्सिस, कोशिका सतह संशोधन गुण, कम्पार्टमेंटलाइज़ेशन, अधिमान्य उपयोग, बायोसरफैक्टेंट उत्पादन, आदि, जो उन्हें दूषित वातावरण में सुगंधित प्रदूषकों को अधिक कुशलता से चयापचय करने में मदद करते हैं (चित्र 7)।
चित्र 7. विदेशी प्रदूषक यौगिकों के कुशल जैवअपघटन के लिए आदर्श सुगंधित हाइड्रोकार्बन-अपघटनकारी जीवाणुओं की विभिन्न कोशिकीय प्रतिक्रिया रणनीतियाँ।
विषम रूप से प्रदूषित पारिस्थितिक तंत्रों में कार्बनिक प्रदूषकों के अपघटन को बढ़ाने वाले कारकों के रूप में कीमोटैक्टिक प्रतिक्रियाओं को माना जाता है। (2002) ने प्रदर्शित किया कि स्यूडोमोनास एसपी. जी7 का नेफ़थलीन के प्रति कीमोटैक्सिस जलीय प्रणालियों में नेफ़थलीन के अपघटन की दर को बढ़ाता है। वाइल्ड-टाइप स्ट्रेन जी7 ने कीमोटैक्सिस-कमी वाले उत्परिवर्ती स्ट्रेन की तुलना में नेफ़थलीन को बहुत तेज़ी से अपघटित किया। एनएएच7 प्लास्मिड पर मेटाक्लीवेज पाथवे जीन के साथ एनएएचवाई प्रोटीन (538 अमीनो एसिड युक्त) सह-प्रतिलेखित पाया गया, और कीमोटैक्सिस ट्रांसड्यूसर की तरह, यह प्रोटीन नेफ़थलीन अपघटन के लिए एक कीमोरेसेप्टर के रूप में कार्य करता प्रतीत होता है (ग्रिम और हारवुड 1997)। हैंसेल एट अल. (2009) के एक अन्य अध्ययन से पता चला कि प्रोटीन कीमोटैक्टिक है, लेकिन इसकी अपघटन दर उच्च है। (2011) ने गैसीय नेफ़थलीन के प्रति स्यूडोमोनास (पी. पुटिडा) की कीमोटैक्टिक प्रतिक्रिया का प्रदर्शन किया, जिसमें गैस चरण प्रसार के परिणामस्वरूप कोशिकाओं तक नेफ़थलीन का एक स्थिर प्रवाह हुआ, जिसने कोशिकाओं की कीमोटैक्टिक प्रतिक्रिया को नियंत्रित किया। शोधकर्ताओं ने इस कीमोटैक्टिक व्यवहार का उपयोग करके ऐसे सूक्ष्मजीवों को विकसित किया जो अपघटन की दर को बढ़ा सकते हैं। अध्ययनों से पता चला है कि कीमोसेंसरी मार्ग कोशिका विभाजन, कोशिका चक्र विनियमन और बायोफिल्म निर्माण जैसे अन्य कोशिकीय कार्यों को भी नियंत्रित करते हैं, जिससे अपघटन की दर को नियंत्रित करने में मदद मिलती है। हालांकि, कुशल अपघटन के लिए इस गुण (कीमोटैक्सिस) का उपयोग कई बाधाओं के कारण बाधित है। प्रमुख बाधाएं हैं: (क) विभिन्न पैरालॉगस रिसेप्टर्स समान यौगिकों/लिगैंड्स को पहचानते हैं; (ख) वैकल्पिक रिसेप्टर्स का अस्तित्व, यानी ऊर्जावान ट्रॉपिज्म; (ग) एक ही रिसेप्टर परिवार के संवेदी डोमेन में महत्वपूर्ण अनुक्रम अंतर; और (d) प्रमुख जीवाणु संवेदक प्रोटीनों के बारे में जानकारी का अभाव (ओर्टेगा एट अल., 2017; मार्टिन-मोरा एट अल., 2018)। कभी-कभी, सुगंधित हाइड्रोकार्बन के जैवअपघटन से कई चयापचय/मध्यवर्ती पदार्थ उत्पन्न होते हैं, जो जीवाणुओं के एक समूह के लिए रासायनिक रूप से अभिकारक हो सकते हैं लेकिन दूसरों के लिए प्रतिकारक, जिससे प्रक्रिया और भी जटिल हो जाती है। रासायनिक ग्राही के साथ लिगैंड (सुगंधित हाइड्रोकार्बन) की अंतःक्रियाओं की पहचान करने के लिए, हमने स्यूडोमोनास पुटिडा और एस्चेरिचिया कोलाई के संवेदक और संकेतन डोमेन को मिलाकर संकर संवेदक प्रोटीन (PcaY, McfR, और NahY) का निर्माण किया, जो क्रमशः सुगंधित अम्लों, TCA मध्यवर्ती और नेफ़थलीन के ग्राही को लक्षित करते हैं (लू एट अल., 2019)।
नेफ़थलीन और अन्य पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (पीएएच) के प्रभाव में, जीवाणु झिल्ली की संरचना और सूक्ष्मजीवों की अखंडता में महत्वपूर्ण परिवर्तन होते हैं। अध्ययनों से पता चला है कि नेफ़थलीन हाइड्रोफोबिक अंतःक्रियाओं के माध्यम से एसिल श्रृंखला की अंतःक्रिया में बाधा डालता है, जिससे झिल्ली की सूजन और तरलता बढ़ जाती है (सिक्केमा एट अल., 1995)। इस हानिकारक प्रभाव को कम करने के लिए, जीवाणु आइसो/एंटीआइसो शाखित-श्रृंखला वसा अम्लों के बीच अनुपात और वसा अम्ल संरचना को बदलकर और सिस-असंतृप्त वसा अम्लों को संबंधित ट्रांस-आइसोमर्स में आइसोमेराइज़ करके झिल्ली की तरलता को नियंत्रित करते हैं (हेइपीपर और डी बॉन्ट, 1994)। नेफ़थलीन उपचार पर उगाए गए स्यूडोमोनास स्टुट्ज़ेरी में संतृप्त और असंतृप्त वसा अम्ल का अनुपात 1.1 से बढ़कर 2.1 हो गया, जबकि स्यूडोमोनास जेएस150 में यह अनुपात 7.5 से बढ़कर 12.0 हो गया (मरोज़िक एट अल., 2004)। नेफ़थलीन पर उगाए जाने पर, एक्रोमोबैक्टर केएएस 3-5 कोशिकाओं ने नेफ़थलीन क्रिस्टल के चारों ओर कोशिका एकत्रीकरण और कोशिका सतह आवेश में कमी (-22.5 से -2.5 mV तक) प्रदर्शित की, जिसके साथ कोशिका द्रव्य संघनन और रिक्तिका निर्माण भी हुआ, जो कोशिका संरचना और कोशिका सतह गुणों में परिवर्तन को दर्शाता है (मोहपात्रा एट अल., 2019)। यद्यपि कोशिकीय/सतही परिवर्तन सीधे सुगंधित प्रदूषकों के बेहतर अवशोषण से जुड़े हैं, फिर भी प्रासंगिक जैव-इंजीनियरिंग रणनीतियों को पूरी तरह से अनुकूलित नहीं किया गया है। जैविक प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए कोशिका आकार में हेरफेर का उपयोग शायद ही कभी किया गया है (वोल्के और निकेल, 2018)। कोशिका विभाजन को प्रभावित करने वाले जीनों के विलोपन से कोशिका आकृति में परिवर्तन होता है। बैसिलस सबटिलिस में, कोशिका सेप्टम प्रोटीन SepF को सेप्टम निर्माण में शामिल दिखाया गया है और यह कोशिका विभाजन के बाद के चरणों के लिए आवश्यक है, लेकिन यह एक अनिवार्य जीन नहीं है। बैसिलस सबटिलिस में पेप्टाइड ग्लाइकन हाइड्रोलिसिस को एनकोड करने वाले जीनों के विलोपन के परिणामस्वरूप कोशिका का विस्तार, विशिष्ट वृद्धि दर में वृद्धि और एंजाइम उत्पादन क्षमता में सुधार हुआ (कुई एट अल., 2018)।
स्यूडोमोनास स्ट्रेन C5pp और C7 के कुशल अपघटन को प्राप्त करने के लिए कार्बैरिल अपघटन मार्ग के विखंडन का प्रस्ताव दिया गया है (कामिनी एट अल., 2018)। यह प्रस्तावित है कि कार्बैरिल बाहरी झिल्ली सेप्टम और/या विसरणीय पोरिन के माध्यम से पेरिप्लाज्मिक स्थान में पहुँचाया जाता है। CH एक पेरिप्लाज्मिक एंजाइम है जो कार्बैरिल के जल अपघटन को 1-नैफ्थोल में उत्प्रेरित करता है, जो अधिक स्थिर, अधिक जलविरोधी और अधिक विषैला होता है। CH पेरिप्लाज्म में स्थित होता है और कार्बैरिल के लिए इसकी कम आत्मीयता होती है, इस प्रकार यह 1-नैफ्थोल के निर्माण को नियंत्रित करता है, जिससे कोशिकाओं में इसका संचय रोका जा सकता है और कोशिकाओं के लिए इसकी विषाक्तता कम हो जाती है (कामिनी एट अल., 2018)। परिणामस्वरूप बनने वाला 1-नैफ्थोल विभाजन और/या प्रसार द्वारा आंतरिक झिल्ली के पार कोशिका द्रव्य में पहुँचाया जाता है, और फिर केंद्रीय कार्बन मार्ग में आगे के चयापचय के लिए उच्च-आत्मीयता वाले एंजाइम 1NH द्वारा 1,2-डाइहाइड्रॉक्सीनैफ्थेलीन में हाइड्रॉक्सिलेटेड किया जाता है।
हालाँकि सूक्ष्मजीवों में ज़ेनोबायोटिक कार्बन स्रोतों को विघटित करने की आनुवंशिक और चयापचय क्षमता होती है, लेकिन उनके उपयोग की पदानुक्रमित संरचना (अर्थात, जटिल कार्बन स्रोतों की तुलना में सरल कार्बन स्रोतों का अधिमान्य उपयोग) जैवविघटन में एक प्रमुख बाधा है। सरल कार्बन स्रोतों की उपस्थिति और उपयोग उन एंजाइमों को एन्कोड करने वाले जीनों को डाउनरेगुलेट करता है जो जटिल/गैर-अधिमान्य कार्बन स्रोतों जैसे कि पीएएच को विघटित करते हैं। एक सुप्रसिद्ध उदाहरण यह है कि जब एस्चेरिचिया कोलाई को ग्लूकोज और लैक्टोज एक साथ खिलाया जाता है, तो ग्लूकोज का उपयोग लैक्टोज की तुलना में अधिक कुशलता से होता है (जैकोब और मोनोड, 1965)। स्यूडोमोनास को विभिन्न प्रकार के पीएएच और ज़ेनोबायोटिक यौगिकों को कार्बन स्रोतों के रूप में विघटित करने के लिए जाना जाता है। स्यूडोमोनास में कार्बन स्रोत उपयोग का पदानुक्रम कार्बनिक अम्ल > ग्लूकोज > सुगंधित यौगिक है (हाइलेमोन और फिब्स, 1972; कोलियर एट अल., 1996)। हालाँकि, एक अपवाद है। दिलचस्प बात यह है कि स्यूडोमोनास एसपी. CSV86 एक अद्वितीय पदानुक्रमित संरचना प्रदर्शित करता है जो ग्लूकोज की तुलना में एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (बेंजोइक एसिड, नेफ़थलीन, आदि) का प्राथमिकता से उपयोग करता है और एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन को कार्बनिक अम्लों के साथ सह-चयापचयित करता है (बासु एट अल., 2006)। इस जीवाणु में, ग्लूकोज या कार्बनिक अम्लों जैसे दूसरे कार्बन स्रोत की उपस्थिति में भी एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन के अपघटन और परिवहन के जीन डाउनरेगुलेटेड नहीं होते हैं। ग्लूकोज और एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन माध्यम में विकसित होने पर, यह देखा गया कि ग्लूकोज परिवहन और चयापचय के जीन डाउनरेगुलेटेड थे, पहले लॉग चरण में एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन का उपयोग किया गया था, और दूसरे लॉग चरण में ग्लूकोज का उपयोग किया गया था (बासु एट अल., 2006; चौधरी एट अल., 2017)। दूसरी ओर, कार्बनिक अम्लों की उपस्थिति ने एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन चयापचय की अभिव्यक्ति को प्रभावित नहीं किया, इसलिए इस जीवाणु को जैवअपघटन अध्ययनों के लिए एक उपयुक्त स्ट्रेन माना जा रहा है (फाले एट अल., 2020)।
यह सर्वविदित है कि हाइड्रोकार्बन जैव-रूपांतरण सूक्ष्मजीवों में ऑक्सीडेटिव तनाव और एंटीऑक्सीडेंट एंजाइमों के स्तर में वृद्धि का कारण बन सकता है। स्थिर अवस्था कोशिकाओं में और विषैले यौगिकों की उपस्थिति में नेफ़थलीन का अक्षम जैव-अपघटन प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) के निर्माण की ओर ले जाता है (कांग एट अल. 2006)। चूंकि नेफ़थलीन-अपघटनकारी एंजाइमों में आयरन-सल्फर क्लस्टर होते हैं, इसलिए ऑक्सीडेटिव तनाव के तहत, हीम और आयरन-सल्फर प्रोटीन में मौजूद आयरन ऑक्सीकृत हो जाता है, जिससे प्रोटीन निष्क्रिय हो जाता है। फेरेडॉक्सिन-एनएडीपी+ रिडक्टेस (एफपीआर), सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेस (एसओडी) के साथ मिलकर, एनएडीपी+/एनएडीपीएच और फेरेडॉक्सिन या फ्लेवोडॉक्सिन के दो अणुओं के बीच प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रिया को मध्यस्थता करता है, जिससे आरओएस का अपघटन होता है और ऑक्सीडेटिव तनाव के तहत आयरन-सल्फर केंद्र बहाल हो जाता है (ली एट अल. 2006)। रिपोर्ट में बताया गया है कि स्यूडोमोनास में Fpr और SodA (SOD) दोनों ऑक्सीडेटिव तनाव से प्रेरित हो सकते हैं, और नेफ़थलीन युक्त परिस्थितियों में वृद्धि के दौरान चार स्यूडोमोनास उपभेदों (O1, W1, As1 और G1) में SOD और कैटालेज़ गतिविधियों में वृद्धि देखी गई (कांग एट अल., 2006)। अध्ययनों से पता चला है कि एस्कॉर्बिक एसिड या फेरस आयरन (Fe2+) जैसे एंटीऑक्सिडेंट मिलाने से नेफ़थलीन की वृद्धि दर बढ़ सकती है। जब रोडोकोकस एरिथ्रोपोलिस नेफ़थलीन माध्यम में विकसित हुआ, तो ऑक्सीडेटिव तनाव से संबंधित साइटोक्रोम P450 जीन, जिनमें sodA (Fe/Mn सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़), sodC (Cu/Zn सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़) और recA शामिल हैं, का प्रतिलेखन बढ़ गया (साज़ीकिन एट अल., 2019)। नेफ़थलीन में संवर्धित स्यूडोमोनास कोशिकाओं के तुलनात्मक मात्रात्मक प्रोटीओमिक विश्लेषण से पता चला कि ऑक्सीडेटिव तनाव प्रतिक्रिया से जुड़े विभिन्न प्रोटीनों का अपग्रेडेशन एक तनाव से निपटने की रणनीति है (हर्बस्ट एट अल., 2013)।
सूक्ष्मजीवों द्वारा जल-विरोधी कार्बन स्रोतों की क्रिया से बायोसरफैक्टेंट उत्पन्न करने की सूचना मिली है। ये सरफैक्टेंट उभयलिंगी सतह सक्रिय यौगिक होते हैं जो तेल-जल या वायु-जल अंतर्संबंधों पर समूह बना सकते हैं। इससे छद्म-घुलनशीलता को बढ़ावा मिलता है और सुगंधित हाइड्रोकार्बन के अधिशोषण में सहायता मिलती है, जिसके परिणामस्वरूप कुशल जैव-अपघटन होता है (रहमान एट अल., 2002)। इन गुणों के कारण, बायोसरफैक्टेंट का व्यापक रूप से विभिन्न उद्योगों में उपयोग किया जाता है। जीवाणु संवर्धनों में रासायनिक सरफैक्टेंट या बायोसरफैक्टेंट मिलाने से हाइड्रोकार्बन अपघटन की दक्षता और दर में वृद्धि हो सकती है। बायोसरफैक्टेंट में, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा द्वारा उत्पादित रहमनोलिपिड्स का व्यापक रूप से अध्ययन और लक्षण वर्णन किया गया है (हिसात्सुका एट अल., 1971; रहमान एट अल., 2002)। इसके अतिरिक्त, अन्य प्रकार के बायोसरफैक्टेंट में लिपोपेप्टाइड्स (स्यूडोमोनास फ्लोरेसेंस से म्यूसिन), इमल्सीफायर 378 (स्यूडोमोनास फ्लोरेसेंस से) (रोसेनबर्ग और रॉन, 1999), रोडोकोकस से ट्रेहलोज डिसैकराइड लिपिड (रामडाहल, 1985), बैसिलस से लाइकेनिन (सरस्वथी और हॉलबर्ग, 2002), और बैसिलस सबटिलिस (सीगमंड और वैगनर, 1991) और बैसिलस एमाइलोलिकेफैसिन्स (झी एट अल., 2017) से सरफैक्टेंट शामिल हैं। इन शक्तिशाली सरफैक्टेंट को सतह तनाव को 72 डाइन/सेमी से घटाकर 30 डाइन/सेमी से कम करने में सक्षम दिखाया गया है, जिससे हाइड्रोकार्बन का बेहतर अवशोषण संभव हो पाता है। यह बताया गया है कि स्यूडोमोनास, बैसिलस, रोडोकोकस, बर्खोल्डेरिया और अन्य जीवाणु प्रजातियाँ नेफ़थलीन और मिथाइलनेफ़थलीन माध्यमों में विकसित होने पर विभिन्न रहमनोलिपिड और ग्लाइकोलिपिड-आधारित बायोसरफैक्टेंट उत्पन्न कर सकती हैं (कांगा एट अल., 1997; पुंटस एट अल., 2005)। स्यूडोमोनास माल्टोफिलिया CSV89, नेफ्थोइक अम्ल जैसे सुगंधित यौगिकों पर विकसित होने पर बाह्यकोशिकीय बायोसरफैक्टेंट बायोसुर-पीएम उत्पन्न कर सकता है (फाले एट अल., 1995)। बायोसुर-पीएम निर्माण की गतिकी से पता चला कि इसका संश्लेषण वृद्धि और पीएच पर निर्भर प्रक्रिया है। यह पाया गया कि उदासीन पीएच पर कोशिकाओं द्वारा उत्पादित बायोसुर-पीएम की मात्रा पीएच 8.5 की तुलना में अधिक थी। पीएच 8.5 पर विकसित कोशिकाएँ अधिक जलभक्षी थीं और पीएच 7.0 पर विकसित कोशिकाओं की तुलना में सुगंधित और एलिफैटिक यौगिकों के प्रति अधिक आकर्षण रखती थीं। रोडोकोकस एसपीपी. एन6 में, उच्च कार्बन से नाइट्रोजन (सी:एन) अनुपात और लौह की कमी बाह्य कोशिकीय बायोसरफैक्टेंट के उत्पादन के लिए अनुकूलतम परिस्थितियाँ हैं (मुतालिक एट अल., 2008)। स्ट्रेन और किण्वन को अनुकूलित करके बायोसरफैक्टेंट (सरफैक्टिन) के जैवसंश्लेषण को बेहतर बनाने के प्रयास किए गए हैं। हालांकि, संवर्धन माध्यम में सरफैक्टेंट की मात्रा कम (1.0 ग्राम/लीटर) है, जो बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक चुनौती है (जियाओ एट अल., 2017; वू एट अल., 2019)। इसलिए, इसके जैवसंश्लेषण को बेहतर बनाने के लिए आनुवंशिक अभियांत्रिकी विधियों का उपयोग किया गया है। हालांकि, ऑपेरॉन के बड़े आकार (लगभग 25 केबी) और क्वोरम सेंसिंग सिस्टम के जटिल जैवसंश्लेषण विनियमन के कारण इसका अभियांत्रिकी संशोधन कठिन है (जियाओ एट अल., 2017; वू एट अल., 2019)। बैसिलस बैक्टीरिया में कई आनुवंशिक अभियांत्रिकी संशोधन किए गए हैं, जिनका मुख्य उद्देश्य प्रमोटर (srfA ऑपेरॉन) को बदलकर, सर्फेक्टिन निर्यात प्रोटीन YerP और नियामक कारकों ComX और PhrC को अति-अभिव्यक्त करके सर्फेक्टिन उत्पादन को बढ़ाना है (जियाओ एट अल., 2017)। हालांकि, इन आनुवंशिक अभियांत्रिकी विधियों से केवल एक या कुछ ही आनुवंशिक संशोधन प्राप्त हुए हैं और अभी तक व्यावसायिक उत्पादन तक नहीं पहुंचे हैं। इसलिए, ज्ञान-आधारित अनुकूलन विधियों का आगे अध्ययन आवश्यक है।
पीएएच जैवअपघटन संबंधी अध्ययन मुख्यतः मानक प्रयोगशाला स्थितियों में किए जाते हैं। हालांकि, दूषित स्थलों या दूषित वातावरणों में, कई अजैविक और जैविक कारक (तापमान, पीएच, ऑक्सीजन, पोषक तत्वों की उपलब्धता, सब्सट्रेट की जैव उपलब्धता, अन्य ज़ेनोबायोटिक्स, अंतिम उत्पाद अवरोधन आदि) सूक्ष्मजीवों की अपघटन क्षमता को परिवर्तित और प्रभावित करते हैं।
तापमान का पीएएच के जैव अपघटन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। तापमान बढ़ने पर घुलित ऑक्सीजन की सांद्रता कम हो जाती है, जिससे वायवीय सूक्ष्मजीवों के चयापचय पर असर पड़ता है, क्योंकि उन्हें हाइड्रॉक्सिलेशन या वलय विखंडन अभिक्रियाओं को अंजाम देने वाले ऑक्सीजिनेस एंजाइमों के लिए आणविक ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। अक्सर यह देखा गया है कि उच्च तापमान मूल पीएएच को अधिक विषैले यौगिकों में परिवर्तित कर देता है, जिससे जैव अपघटन बाधित होता है (मुलर एट अल., 1998)।
यह देखा गया है कि कई पीएएच संदूषित स्थलों में पीएच मान अत्यधिक होते हैं, जैसे कि अम्लीय खदान जल निकासी से संदूषित स्थल (पीएच 1-4) और क्षारीय लीचेट से संदूषित प्राकृतिक गैस/कोयला गैसीकरण स्थल (पीएच 8-12)। ये स्थितियाँ जैव अपघटन प्रक्रिया को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकती हैं। इसलिए, जैव उपचार के लिए सूक्ष्मजीवों का उपयोग करने से पहले, उपयुक्त रसायनों (मध्यम से बहुत कम ऑक्सीकरण-अपचयन क्षमता वाले) जैसे कि क्षारीय मिट्टी के लिए अमोनियम सल्फेट या अमोनियम नाइट्रेट या अम्लीय स्थलों के लिए कैल्शियम कार्बोनेट या मैग्नीशियम कार्बोनेट के साथ चूना मिलाकर पीएच को समायोजित करने की सलाह दी जाती है (बोलेन एट अल. 1995; गुप्ता और सार 2020)।
प्रभावित क्षेत्र में ऑक्सीजन की आपूर्ति पीएएच के जैव अपघटन के लिए एक निर्णायक कारक है। पर्यावरण की रेडॉक्स स्थितियों के कारण, इन सीटू जैव उपचार प्रक्रियाओं में आमतौर पर बाहरी स्रोतों (जुताई, वायु प्रवाह और रासायनिक मिश्रण) से ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है (पार्डिएक एट अल., 1992)। ओडेनक्रांज़ एट अल. (1996) ने प्रदर्शित किया कि दूषित जलभृत में मैग्नीशियम पेरोक्साइड (ऑक्सीजन मुक्त करने वाला यौगिक) मिलाने से बीटीईएक्स यौगिकों का प्रभावी जैव उपचार हो सकता है। एक अन्य अध्ययन में सोडियम नाइट्रेट इंजेक्ट करके और निष्कर्षण कुओं का निर्माण करके प्रभावी जैव उपचार प्राप्त करने हेतु दूषित जलभृत में फिनोल और बीटीईएक्स के इन सीटू अपघटन की जांच की गई (बेवली और वेब, 2001)।