บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของหัวข้อวิจัย “เทคโนโลยีการบำบัดทางชีวภาพขั้นสูงและกระบวนการรีไซเคิลสารประกอบอินทรีย์สังเคราะห์ (SOC)” ดูบทความทั้งหมด 14 บทความ
สารประกอบไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกหลายวงที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (PAHs) เช่น แนฟทาลีนและแนฟทาลีนที่ถูกแทนที่ (เมทิลแนฟทาลีน กรดแนฟโทอิก 1-แนฟทิล-เอ็น-เมทิลคาร์บาเมต เป็นต้น) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ และเป็นสารก่อกลายพันธุ์ ก่อกลายพันธุ์ และ/หรือก่อมะเร็งในสิ่งมีชีวิต สารประกอบอินทรีย์สังเคราะห์ (SOCs) หรือสารแปลกปลอมเหล่านี้ถือเป็นมลพิษลำดับความสำคัญและเป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อมโลกและสุขภาพของประชาชน ความเข้มข้นของกิจกรรมของมนุษย์ (เช่น การผลิตก๊าซจากถ่านหิน การกลั่นน้ำมัน การปล่อยมลพิษจากยานยนต์ และการใช้ในภาคเกษตรกรรม) เป็นตัวกำหนดความเข้มข้น ชะตากรรม และการเคลื่อนย้ายของสารประกอบเหล่านี้ซึ่งพบได้ทั่วไปและคงอยู่ยาวนาน นอกเหนือจากวิธีการบำบัด/กำจัดทางกายภาพและเคมีแล้ว เทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เช่น การบำบัดทางชีวภาพ ซึ่งใช้จุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลาย POCs ได้อย่างสมบูรณ์หรือเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่ไม่เป็นพิษ ได้เกิดขึ้นมาเป็นทางเลือกที่ปลอดภัย คุ้มค่า และมีแนวโน้มที่ดี แบคทีเรียหลายชนิดที่อยู่ในไฟลัม Proteobacteria (Pseudomonas, Comamonas, Burkholderia และ Neosphingobacterium), Firmicutes (Bacillus และ Paenibacillus) และ Actinobacteria (Rhodococcus และ Arthrobacter) ในจุลินทรีย์ในดินได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์ต่างๆ การศึกษาด้านเมตาบอลิซึม จีโนมิกส์ และการวิเคราะห์เมตาจีโนมิกส์ช่วยให้เราเข้าใจความซับซ้อนและความหลากหลายของการย่อยสลายในสิ่งมีชีวิตรูปแบบง่ายๆ เหล่านี้ ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้เพื่อการย่อยสลายทางชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพต่อไปได้ การคงอยู่ของสาร PAH ในระยะยาวส่งผลให้เกิดฟีโนไทป์การย่อยสลายแบบใหม่ๆ ผ่านการถ่ายทอดยีนในแนวนอนโดยใช้องค์ประกอบทางพันธุกรรม เช่น พลาสมิด ทรานสโพซอน แบคทีริโอเฟจ เกาะจีโนม และองค์ประกอบการถ่ายโอนยีนแบบบูรณาการ ชีววิทยาระบบและวิศวกรรมพันธุกรรมของจุลินทรีย์สายพันธุ์เฉพาะหรือกลุ่มจุลินทรีย์จำลอง (คอนซอร์เทีย) สามารถช่วยให้การบำบัดสาร PAH เหล่านี้ทางชีวภาพเป็นไปอย่างครอบคลุม รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพ ผ่านผลเสริมฤทธิ์กัน ในบทความนี้ เราจะเน้นไปที่เส้นทางการเผาผลาญและความหลากหลายที่แตกต่างกัน องค์ประกอบทางพันธุกรรมและความหลากหลายทางพันธุกรรม และการตอบสนอง/การปรับตัวของเซลล์ของแบคทีเรียที่ย่อยสลายแนฟทาลีนและแนฟทาลีนที่ถูกแทนที่ ซึ่งจะให้ข้อมูลทางนิเวศวิทยาสำหรับการประยุกต์ใช้ในภาคสนามและการปรับปรุงสายพันธุ์เพื่อการบำบัดทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ
การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมต่างๆ (ปิโตรเคมี การเกษตร ยา สีย้อมสิ่งทอ เครื่องสำอาง ฯลฯ) ได้ส่งเสริมความเจริญรุ่งเรืองทางเศรษฐกิจโลกและยกระดับมาตรฐานการครองชีพ การพัฒนาแบบก้าวกระโดดนี้ส่งผลให้มีการผลิตสารประกอบอินทรีย์สังเคราะห์ (SOCs) จำนวนมาก ซึ่งใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ สารประกอบแปลกปลอมหรือ SOCs เหล่านี้ ได้แก่ โพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAHs) สารกำจัดศัตรูพืช สารกำจัดวัชพืช สารทำให้พลาสติกอ่อนตัว สีย้อม ยา ออร์กาโนฟอสเฟต สารหน่วงไฟ ตัวทำละลายอินทรีย์ระเหยง่าย ฯลฯ สารเหล่านี้ถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ระบบนิเวศทางน้ำและทางบก ซึ่งส่งผลกระทบหลายมิติ ก่อให้เกิดผลเสียต่อสิ่งมีชีวิตต่างๆ ผ่านการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี และโครงสร้างของชุมชน (Petrie et al., 2015; Bernhardt et al., 2017; Sarkar et al., 2020) มลพิษที่มีกลิ่นหอมหลายชนิดส่งผลกระทบรุนแรงและทำลายล้างต่อระบบนิเวศที่สมบูรณ์/แหล่งความหลากหลายทางชีวภาพหลายแห่ง (เช่น แนวปะการัง แผ่นน้ำแข็งอาร์กติก/แอนตาร์กติก ทะเลสาบบนภูเขาสูง ตะกอนใต้ทะเลลึก เป็นต้น) (Jones 2010; Beyer et al. 2020; Nordborg et al. 2020) การศึกษาทางจุลชีววิทยาทางธรณีวิทยาเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าการสะสมของสารอินทรีย์สังเคราะห์ (เช่น มลพิษที่มีกลิ่นหอม) และอนุพันธ์ของสารเหล่านั้นบนพื้นผิวของโครงสร้างที่มนุษย์สร้างขึ้น (สิ่งแวดล้อมที่สร้างขึ้น) (เช่น แหล่งมรดกทางวัฒนธรรมและอนุสาวรีย์ที่ทำจากหินแกรนิต หิน ไม้ และโลหะ) เร่งการเสื่อมสภาพของสิ่งเหล่านั้น (Gadd 2017; Liu et al. 2018) กิจกรรมของมนุษย์สามารถเพิ่มความรุนแรงและทำให้การเสื่อมสภาพทางชีวภาพของอนุสาวรีย์และอาคารแย่ลงได้ผ่านมลพิษทางอากาศและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (Liu et al. 2020) สารปนเปื้อนอินทรีย์เหล่านี้ทำปฏิกิริยากับไอน้ำในบรรยากาศและตกตะกอนบนโครงสร้าง ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพทางกายภาพและเคมีของวัสดุ การย่อยสลายทางชีวภาพเป็นที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางว่าเป็นความเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึงประสงค์ในลักษณะและคุณสมบัติของวัสดุที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตซึ่งส่งผลต่อการอนุรักษ์ (Pochon และ Jaton, 1967) การกระทำของจุลินทรีย์เพิ่มเติม (การเผาผลาญ) ของสารประกอบเหล่านี้สามารถลดความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ประสิทธิภาพในการอนุรักษ์ และคุณค่าทางวัฒนธรรม (Gadd, 2017; Liu et al., 2018) ในทางกลับกัน ในบางกรณี การปรับตัวและการตอบสนองของจุลินทรีย์ต่อโครงสร้างเหล่านี้พบว่ามีประโยชน์ เนื่องจากพวกมันสร้างไบโอฟิล์มและเปลือกป้องกันอื่นๆ ที่ช่วยลดอัตราการผุพัง/การสลายตัว (Martino, 2016) ดังนั้น การพัฒนากลยุทธ์การอนุรักษ์ที่ยั่งยืนในระยะยาวที่มีประสิทธิภาพสำหรับอนุสาวรีย์หิน โลหะ และไม้ จึงจำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้ในกระบวนการสำคัญที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการทางธรรมชาติ (กระบวนการทางธรณีวิทยา ไฟป่า การระเบิดของภูเขาไฟ ปฏิกิริยาของพืชและแบคทีเรีย) กิจกรรมของมนุษย์ส่งผลให้มีการปล่อยสารโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAHs) และคาร์บอนอินทรีย์ (OC) อื่นๆ ในปริมาณมากสู่ระบบนิเวศ สาร PAH หลายชนิดที่ใช้ในภาคเกษตรกรรม (เช่น ยาฆ่าแมลงและสารกำจัดศัตรูพืช เช่น DDT, อะทราซีน, คาร์บาริล, เพนตาคลอโรฟีนอล เป็นต้น) อุตสาหกรรม (เช่น น้ำมันดิบ, กากน้ำมัน/ของเสีย, พลาสติกที่ได้จากปิโตรเลียม, PCBs, สารทำให้พลาสติกอ่อนตัว, ผงซักฟอก, สารฆ่าเชื้อ, สารรมควัน, น้ำหอม และสารกันบูด) ผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล (เช่น ครีมกันแดด, สารฆ่าเชื้อ, สารไล่แมลง และมัสก์โพลีไซคลิก) และกระสุนปืน (เช่น วัตถุระเบิด 2,4,6-TNT) เป็นสารแปลกปลอมที่อาจส่งผลกระทบต่อสุขภาพของโลก (Srogi, 2007; Vamsee-Krishna and Phale, 2008; Petrie et al., 2015) รายชื่อนี้สามารถขยายเพิ่มเติมได้ถึงสารประกอบที่ได้จากปิโตรเลียม (เช่น น้ำมันเชื้อเพลิง, สารหล่อลื่น, แอสฟัลทีน) พลาสติกชีวภาพที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง และของเหลวไอออนิก (Amde et al., 2015) ตารางที่ 1 แสดงรายการสารมลพิษที่มีกลิ่นหอมต่างๆ และการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) จากกิจกรรมของมนุษย์ รวมถึงคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ เริ่มเพิ่มขึ้น (Dvorak et al., 2017) อย่างไรก็ตาม ผลกระทบจากกิจกรรมของมนุษย์นั้นมากกว่าผลกระทบจากธรรมชาติอย่างมาก นอกจากนี้ เราพบว่าสารประกอบอินทรีย์ที่ระเหยง่าย (SOCs) จำนวนมากยังคงตกค้างอยู่ในสภาพแวดล้อมหลายแห่ง และถูกระบุว่าเป็นสารมลพิษที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งมีผลเสียต่อระบบนิเวศ (รูปที่ 1) หน่วยงานด้านสิ่งแวดล้อม เช่น สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (USEPA) ได้รวมสารมลพิษเหล่านี้จำนวนมากไว้ในรายการลำดับความสำคัญ เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นพิษต่อเซลล์ เป็นพิษต่อพันธุกรรม ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ และเป็นสารก่อมะเร็ง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีกฎระเบียบการกำจัดที่เข้มงวดและกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการบำบัด/กำจัดของเสียจากระบบนิเวศที่ปนเปื้อน วิธีการบำบัดทางกายภาพและเคมีต่างๆ เช่น การไพโรไลซิส การบำบัดด้วยความร้อนแบบออกซิเดชัน การเติมอากาศ การฝังกลบ การเผาทำลาย ฯลฯ นั้นไม่มีประสิทธิภาพ มีราคาแพง และก่อให้เกิดผลพลอยได้ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เป็นพิษ และยากต่อการบำบัด ด้วยความตระหนักด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มมากขึ้นทั่วโลก จุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายสารมลพิษเหล่านี้และอนุพันธ์ของมัน (เช่น ฮาโลเจน ไนโตร อัลคิล และ/หรือ เมทิล) กำลังได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น (Fennell et al., 2004; Haritash and Kaushik, 2009; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020; Schwanemann et al., 2020) การใช้จุลินทรีย์พื้นเมืองเหล่านี้เพียงอย่างเดียวหรือในรูปแบบการเพาะเลี้ยงแบบผสม (โคโลนี) เพื่อกำจัดสารมลพิษที่มีกลิ่นหอมนั้นมีข้อดีในแง่ของความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม ต้นทุน ประสิทธิภาพ ประสิทธิผล และความยั่งยืน นักวิจัยกำลังศึกษาการบูรณาการกระบวนการทางจุลชีววิทยากับวิธีการรีดอกซ์ทางไฟฟ้าเคมี หรือที่เรียกว่าระบบชีวไฟฟ้าเคมี (Bioelectrochemical Systems: BES) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพในการบำบัด/กำจัดมลพิษ (Huang et al., 2011) เทคโนโลยี BES ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม ทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง ใช้วัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ และสามารถกู้คืนผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่มีค่า (เช่น ไฟฟ้า เชื้อเพลิง และสารเคมี) (Pant et al., 2012; Nazari et al., 2020) การเกิดขึ้นของการจัดลำดับจีโนมแบบความเร็วสูงและเครื่องมือ/วิธีการทางโอไมซ์ (omics tools/methods) ได้ให้ข้อมูลใหม่มากมายเกี่ยวกับการควบคุมทางพันธุกรรม โปรตีโอมิกส์ และฟลักโซมิกส์ของปฏิกิริยาของจุลินทรีย์ย่อยสลายต่างๆ การผสมผสานเครื่องมือเหล่านี้เข้ากับชีววิทยาเชิงระบบได้ช่วยเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการคัดเลือกและการปรับแต่งเส้นทางการเผาผลาญเป้าหมายในจุลินทรีย์ (เช่น การออกแบบเมตาบอลิซึม) เพื่อให้เกิดการย่อยสลายทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผล ในการออกแบบกลยุทธ์การบำบัดทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพโดยใช้จุลินทรีย์ที่เหมาะสม เราจำเป็นต้องเข้าใจศักยภาพทางชีวเคมี ความหลากหลายทางเมตาบอลิซึม องค์ประกอบทางพันธุกรรม และนิเวศวิทยา (นิเวศวิทยาตนเอง/นิเวศวิทยาร่วม) ของจุลินทรีย์
รูปที่ 1. แหล่งที่มาและเส้นทางการแพร่กระจายของสาร PAH โมเลกุลต่ำผ่านสภาพแวดล้อมต่างๆ และปัจจัยต่างๆ ที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต เส้นประแสดงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบของระบบนิเวศ
ในบทความนี้ เราได้พยายามสรุปข้อมูลเกี่ยวกับการย่อยสลายสาร PAH อย่างง่าย เช่น แนฟทาลีนและแนฟทาลีนที่มีหมู่แทนที่ โดยแบคทีเรียสายพันธุ์ต่างๆ ครอบคลุมถึงวิถีเมตาบอลิซึมและความหลากหลาย เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลาย องค์ประกอบ/ปริมาณและความหลากหลายของยีน การตอบสนองของเซลล์ และแง่มุมต่างๆ ของการบำบัดทางชีวภาพ การทำความเข้าใจในระดับชีวเคมีและโมเลกุลจะช่วยในการระบุสายพันธุ์โฮสต์ที่เหมาะสมและการดัดแปลงพันธุกรรมเพิ่มเติมเพื่อการบำบัดทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพสำหรับสารมลพิษสำคัญเหล่านี้ ซึ่งจะช่วยในการพัฒนากลยุทธ์สำหรับการสร้างกลุ่มแบคทีเรียเฉพาะพื้นที่เพื่อการบำบัดทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ
การมีอยู่ของสารประกอบอะโรมาติกที่เป็นพิษและอันตรายจำนวนมาก (ซึ่งเป็นไปตามกฎของฮักเคล 4n + 2π อิเล็กตรอน, n = 1, 2, 3, …) ก่อให้เกิดภัยคุกคามร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อมต่างๆ เช่น อากาศ ดิน ตะกอน และน้ำผิวดินและน้ำใต้ดิน (Puglisi et al., 2007) สารประกอบเหล่านี้มีวงแหวนเบนซีนเดี่ยว (โมโนไซคลิก) หรือวงแหวนเบนซีนหลายวง (โพลีไซคลิก) เรียงตัวในรูปแบบเชิงเส้น มุม หรือแบบคลัสเตอร์ และแสดงความเสถียร (เสถียรภาพ/ความไม่เสถียร) ในสิ่งแวดล้อมเนื่องจากพลังงานเรโซแนนซ์เชิงลบสูงและความเฉื่อย (ความเฉื่อย) ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติไม่ชอบน้ำและสถานะรีดิวซ์ของพวกมัน เมื่อวงแหวนอะโรมาติกถูกแทนที่ด้วยหมู่เมทิล (-CH3), คาร์บอกซิล (-COOH), ไฮดรอกซิล (-OH) หรือซัลโฟเนต (-HSO3) จะทำให้โครงสร้างมีความเสถียรมากขึ้น มีแรงดึงดูดต่อโมเลกุลขนาดใหญ่มากขึ้น และสะสมในระบบชีวภาพได้มากขึ้น (Seo et al., 2009; Phale et al., 2020) สารประกอบไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกหลายวงที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (LMWAHs) บางชนิด เช่น แนฟทาลีนและอนุพันธ์ของมัน [เมทิลแนฟทาลีน, กรดแนฟโทอิก, แนฟทาลีนซัลโฟเนต และ 1-แนฟทิล เอ็น-เมทิลคาร์บาเมต (คาร์บาริล)] ได้ถูกจัดอยู่ในรายชื่อสารมลพิษอินทรีย์ที่มีความสำคัญลำดับต้นๆ โดยสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา เนื่องจากมีฤทธิ์ก่อกลายพันธุ์ ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ และ/หรือก่อมะเร็ง (Cerniglia, 1984) การปล่อยสารกลุ่ม NM-PAHs เหล่านี้สู่สิ่งแวดล้อมอาจส่งผลให้เกิดการสะสมของสารประกอบเหล่านี้ในทุกระดับของห่วงโซ่อาหาร ซึ่งส่งผลกระทบต่อสุขภาพของระบบนิเวศ (Binkova et al., 2000; Srogi, 2007; Quinn et al., 2009)
แหล่งที่มาและเส้นทางการเข้าสู่สิ่งมีชีวิตของ PAH ส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนย้ายและการปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ของระบบนิเวศ เช่น ดิน น้ำใต้ดิน น้ำผิวดิน พืชผล และชั้นบรรยากาศ (Arey และ Atkinson, 2003) ภาพที่ 1 แสดงปฏิสัมพันธ์และการกระจายตัวของ PAH ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำต่างๆ ในระบบนิเวศ และเส้นทางการเข้าสู่สิ่งมีชีวิต/การสัมผัสของมนุษย์ PAH ถูกสะสมบนพื้นผิวอันเป็นผลมาจากมลพิษทางอากาศ และผ่านการเคลื่อนย้าย (การลอยตัว) ของไอเสียจากยานพาหนะ ไอเสียจากอุตสาหกรรม (การผลิตก๊าซจากถ่านหิน การเผาไหม้ และการผลิตโค้ก) และการตกตะกอน กิจกรรมทางอุตสาหกรรม เช่น การผลิตสิ่งทอสังเคราะห์ สีย้อม และสี การถนอมไม้ การแปรรูปยาง การผลิตซีเมนต์ การผลิตยาฆ่าแมลง และการใช้ในภาคเกษตรกรรม เป็นแหล่งที่มาหลักของ PAH ในระบบนิเวศบนบกและในน้ำ (Bamforth และ Singleton, 2005; Wick et al., 2011) จากการศึกษาพบว่าดินในเขตชานเมืองและเขตเมือง ใกล้ทางหลวง และในเมืองใหญ่ มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของสารโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAHs) มากกว่า เนื่องจากมีการปล่อยมลพิษจากโรงไฟฟ้า ระบบทำความร้อนในที่พักอาศัย มลพิษทางอากาศจากการจราจรทางอากาศและทางถนน และกิจกรรมการก่อสร้าง (Suman et al., 2016) (2008) แสดงให้เห็นว่า PAHs ในดินใกล้ถนนในเมืองนิวออร์ลีนส์ รัฐลุยเซียนา สหรัฐอเมริกา สูงถึง 7189 ไมโครกรัม/กิโลกรัม ในขณะที่ในพื้นที่โล่งมีเพียง 2404 ไมโครกรัม/กิโลกรัม ในทำนองเดียวกัน มีรายงานระดับ PAHs สูงถึง 300 ไมโครกรัม/กิโลกรัม ในพื้นที่ใกล้แหล่งผลิตก๊าซถ่านหินในหลายเมืองของสหรัฐอเมริกา (Kanaly and Harayama, 2000; Bamforth and Singleton, 2005) มีรายงานว่าดินจากเมืองต่างๆ ในอินเดีย เช่น เดลี (Sharma et al., 2008), อักรา (Dubey et al., 2014), มุมไบ (Kulkarni and Venkataraman, 2000) และวิศาขปัตนัม (Kulkarni et al., 2014) มีสาร PAH ในปริมาณสูง สารประกอบอะโรมาติกจะถูกดูดซับบนอนุภาคดิน สารอินทรีย์ และแร่ดินเหนียวได้ง่ายกว่า จึงกลายเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนที่สำคัญในระบบนิเวศ (Srogi, 2007; Peng et al., 2008) แหล่งที่มาหลักของ PAH ในระบบนิเวศทางน้ำ ได้แก่ ปริมาณน้ำฝน (ทั้งฝนเปียกและฝนแห้ง และไอน้ำ) น้ำเสียจากเขตเมือง การปล่อยน้ำเสีย การเติมน้ำใต้ดิน เป็นต้น (Srogi, 2007) มีการประมาณการว่าประมาณ 80% ของ PAH ในระบบนิเวศทางทะเลมาจากปริมาณน้ำฝน การตกตะกอน และการปล่อยของเสีย (Motelay-Massei et al., 2006; Srogi, 2007) ความเข้มข้นของ PAH ที่สูงขึ้นในน้ำผิวดินหรือน้ำชะล้างจากแหล่งกำจัดขยะมูลฝอยจะรั่วไหลลงสู่แหล่งน้ำใต้ดินในที่สุด ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อสุขภาพของประชาชนอย่างมาก เนื่องจากประชากรมากกว่า 70% ในเอเชียใต้และเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ดื่มน้ำใต้ดิน (Duttagupta et al., 2019) การศึกษาล่าสุดโดย Duttagupta et al. (2020) เกี่ยวกับการวิเคราะห์น้ำในแม่น้ำ (32) และน้ำใต้ดิน (235) จากรัฐเวสต์เบงกอล ประเทศอินเดีย พบว่าประมาณ 53% ของผู้อยู่อาศัยในเมืองและ 44% ของผู้อยู่อาศัยในชนบท (รวม 20 ล้านคน) อาจได้รับสารแนฟทาลีน (4.9–10.6 μg/L) และอนุพันธ์ของมัน รูปแบบการใช้ที่ดินที่แตกต่างกันและการสูบน้ำบาดาลที่เพิ่มขึ้นถือเป็นปัจจัยหลักที่ควบคุมการเคลื่อนย้ายในแนวดิ่ง (การไหลเวียน) ของสาร PAH ที่มีโมเลกุลน้ำหนักต่ำในชั้นใต้ดิน พบว่าการไหลบ่าของสารเคมีจากการเกษตร การปล่อยน้ำเสียจากเทศบาลและอุตสาหกรรม และการปล่อยขยะมูลฝอย ส่งผลกระทบต่อสาร PAH ในลุ่มน้ำและตะกอนใต้ดิน นอกจากนี้ ปริมาณน้ำฝนยังทำให้มลภาวะจากสาร PAH รุนแรงขึ้น มีรายงานความเข้มข้นสูงของสาร PAH และอนุพันธ์อัลคิล (รวม 51 ชนิด) ในแม่น้ำ/ลุ่มน้ำทั่วโลก เช่น แม่น้ำเฟรเซอร์ แม่น้ำลูอัน แม่น้ำเดนโซ แม่น้ำมิสซูรี แม่น้ำอนาคอสเทีย แม่น้ำอีโบร และแม่น้ำเดลาแวร์ (Yunker et al., 2002; Motelay-Massei et al., 2006; Li et al., 2010; Amoako et al., 2011; Kim et al., 2018) ในตะกอนลุ่มแม่น้ำคงคา พบว่าแนฟทาลีนและฟีนันทรีนเป็นสารที่มีปริมาณมากที่สุด (ตรวจพบใน 70% ของตัวอย่าง) (Duttagupta et al., 2019) นอกจากนี้ การศึกษาต่างๆ ยังแสดงให้เห็นว่าการเติมคลอรีนในน้ำดื่มอาจนำไปสู่การก่อตัวของสาร PAH ที่มีออกซิเจนและคลอรีนซึ่งเป็นพิษมากขึ้น (Manoli and Samara, 1999) สาร PAH สะสมอยู่ในธัญพืช ผลไม้ และผัก อันเป็นผลมาจากการดูดซึมของพืชจากดิน น้ำบาดาล และน้ำฝนที่ปนเปื้อน (Fismes et al., 2002) สิ่งมีชีวิตในน้ำหลายชนิด เช่น ปลา หอยแมลงภู่ หอยกาบ และกุ้ง ปนเปื้อนด้วยสาร PAH ผ่านการบริโภคอาหารและน้ำทะเลที่ปนเปื้อน รวมถึงผ่านเนื้อเยื่อและผิวหนัง (Mackay and Fraser, 2000) วิธีการปรุงอาหาร/แปรรูป เช่น การย่าง การอบ การรมควัน การทอด การอบแห้ง การอบ และการปรุงอาหารด้วยถ่าน สามารถทำให้มีสาร PAH ในอาหารในปริมาณมากได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ในการรมควัน ปริมาณฟีนอล/ไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก วิธีการปรุงอาหาร ชนิดของเตา ปริมาณความชื้น ปริมาณออกซิเจน และอุณหภูมิการเผาไหม้ (Guillén et al., 2000; Gomes et al., 2013) นอกจากนี้ยังตรวจพบสารโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAH) ในนมในความเข้มข้นที่แตกต่างกัน (0.75–2.1 มก./ลิตร) (Girelli et al., 2014) การสะสมของ PAH เหล่านี้ในอาหารยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของอาหาร ในขณะที่ผลกระทบที่เป็นพิษนั้นเกี่ยวข้องกับหน้าที่ทางสรีรวิทยา กิจกรรมเมตาบอลิซึม การดูดซึม การกระจายตัว และการแพร่กระจายในร่างกาย (Mechini et al., 2011)
ความเป็นพิษและผลกระทบที่เป็นอันตรายของสารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิก (PAHs) เป็นที่ทราบกันมานานแล้ว (Cherniglia, 1984) สารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิกที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (LMW-PAHs) (สองถึงสามวง) สามารถจับกับโมเลกุลขนาดใหญ่ต่างๆ เช่น DNA, RNA และโปรตีนได้ด้วยพันธะโควาเลนต์ และเป็นสารก่อมะเร็ง (Santarelli et al., 2008) เนื่องจากมีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ จึงถูกแยกออกจากกันด้วยเยื่อไขมัน ในมนุษย์ เอนไซม์ไซโตโครม P450 โมโนออกซิเจเนสจะออกซิไดซ์ PAHs ให้กลายเป็นอีพอกไซด์ ซึ่งบางชนิดมีปฏิกิริยาสูง (เช่น เบไดออลอีพอกไซด์) และสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของเซลล์ปกติให้กลายเป็นเซลล์มะเร็งได้ (Marston et al., 2001) นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์จากการเปลี่ยนแปลงของ PAHs เช่น ควิโนน ฟีนอล อีพอกไซด์ ไดออล เป็นต้น มีความเป็นพิษมากกว่าสารประกอบดั้งเดิม สาร PAH บางชนิดและสารตัวกลางในการเผาผลาญของพวกมันสามารถส่งผลกระทบต่อฮอร์โมนและเอนไซม์ต่างๆ ในกระบวนการเผาผลาญ ทำให้ส่งผลเสียต่อการเจริญเติบโต ระบบประสาทส่วนกลาง ระบบสืบพันธุ์ และระบบภูมิคุ้มกัน (Swetha และ Phale, 2005; Vamsee-Krishna และคณะ, 2006; Oostingh และคณะ, 2008) มีรายงานว่าการสัมผัสสาร PAH ที่มีโมเลกุลน้ำหนักต่ำในระยะสั้นอาจทำให้การทำงานของปอดบกพร่องและเกิดลิ่มเลือดในผู้ป่วยโรคหอบหืด และเพิ่มความเสี่ยงต่อมะเร็งผิวหนัง ปอด กระเพาะปัสสาวะ และระบบทางเดินอาหาร (Olsson และคณะ, 2010; Diggs และคณะ, 2011) การศึกษาในสัตว์ยังแสดงให้เห็นว่าการสัมผัสสาร PAH อาจส่งผลเสียต่อการทำงานและการพัฒนาของระบบสืบพันธุ์ และอาจทำให้เกิดต้อกระจก ความเสียหายต่อไตและตับ และดีซ่าน ผลิตภัณฑ์จากการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของ PAH หลายชนิด เช่น ไดออล อีพอกไซด์ ควิโนน และอนุมูลอิสระ (แคตไอออน) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถสร้างสารประกอบเชิงซ้อนกับ DNA ได้ สารประกอบเชิงซ้อนที่เสถียรแสดงให้เห็นว่าสามารถเปลี่ยนแปลงกลไกการจำลอง DNA ในขณะที่สารประกอบเชิงซ้อนที่ไม่เสถียรสามารถทำให้ DNA สูญเสียเบสพิวรีน (ส่วนใหญ่เป็นอะดีนีน และบางครั้งเป็นกัวนีน) ทั้งสองชนิดสามารถก่อให้เกิดข้อผิดพลาดที่นำไปสู่การกลายพันธุ์ได้ (Schweigert et al. 2001) นอกจากนี้ ควิโนน (เบนโซ-/แพน-) สามารถสร้างอนุมูลอิสระออกซิเจน (ROS) ซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่อ DNA และโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ จึงส่งผลกระทบต่อการทำงาน/ความอยู่รอดของเนื้อเยื่อ (Ewa and Danuta 2017) มีรายงานว่าการสัมผัสกับไพรีน ไบฟีนิล และแนฟทาลีนในความเข้มข้นต่ำเป็นเวลานานทำให้เกิดมะเร็งในสัตว์ทดลอง (Diggs et al. 2012) เนื่องจากความเป็นพิษร้ายแรง การทำความสะอาด/กำจัด PAH เหล่านี้ออกจากพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบ/ปนเปื้อนจึงเป็นสิ่งสำคัญลำดับแรก
มีการใช้วิธีการทางกายภาพและเคมีต่างๆ เพื่อกำจัดสาร PAH ออกจากพื้นที่/สิ่งแวดล้อมที่ปนเปื้อน กระบวนการต่างๆ เช่น การเผา การกำจัดคลอรีน การออกซิเดชันด้วยรังสียูวี การตรึง และการสกัดด้วยตัวทำละลาย มีข้อเสียหลายประการ รวมถึงการเกิดสารพิษที่เป็นผลพลอยได้ ความซับซ้อนของกระบวนการ ปัญหาด้านความปลอดภัยและกฎระเบียบ ประสิทธิภาพต่ำ และต้นทุนสูง อย่างไรก็ตาม การย่อยสลายทางชีวภาพโดยจุลินทรีย์ (เรียกว่า การบำบัดทางชีวภาพ) เป็นแนวทางทางเลือกที่น่าสนใจ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้จุลินทรีย์ในรูปแบบของเชื้อบริสุทธิ์หรือกลุ่มจุลินทรีย์ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทางกายภาพและเคมี กระบวนการนี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ไม่รุกราน ต้นทุนต่ำ และยั่งยืน การบำบัดทางชีวภาพสามารถดำเนินการได้ ณ บริเวณที่ได้รับผลกระทบ (in situ) หรือ ณ สถานที่ที่เตรียมไว้เป็นพิเศษ (ex situ) ดังนั้นจึงถือว่าเป็นวิธีการบำบัดที่ยั่งยืนกว่าวิธีการทางกายภาพและเคมีแบบดั้งเดิม (Juhasz และ Naidu, 2000; Andreoni และ Gianfreda, 2007; Megharaj et al., 2011; Phale et al., 2020; Sarkar et al., 2020)
การทำความเข้าใจขั้นตอนการเผาผลาญของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายสารมลพิษที่มีกลิ่นหอมนั้น มีนัยสำคัญทางวิทยาศาสตร์และเศรษฐกิจอย่างมหาศาลต่อความยั่งยืนทางนิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อม ทั่วโลกมีคาร์บอน (C) ประมาณ 2.1 × 10¹⁸ กรัม สะสมอยู่ในตะกอนและสารประกอบอินทรีย์ (เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหิน หรือเชื้อเพลิงฟอสซิล) ซึ่งมีส่วนสำคัญต่อวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาอุตสาหกรรมอย่างรวดเร็ว การสกัดเชื้อเพลิงฟอสซิล และกิจกรรมของมนุษย์กำลังทำให้แหล่งกักเก็บคาร์บอนในชั้นธรณีภาคเหล่านี้ลดลง ส่งผลให้มีการปล่อยคาร์บอนอินทรีย์ (ในรูปของสารมลพิษ) ประมาณ 5.5 × 10¹⁵ กรัม สู่ชั้นบรรยากาศทุกปี (Gonzalez-Gaya et al., 2019) คาร์บอนอินทรีย์ส่วนใหญ่เข้าสู่ระบบนิเวศบนบกและในทะเลผ่านการตกตะกอน การขนส่ง และการไหลบ่า นอกจากนี้ มลพิษสังเคราะห์ชนิดใหม่ที่ได้จากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น พลาสติก สารทำให้พลาสติกอ่อนตัว และสารทำให้พลาสติกคงตัว (พทาเลตและไอโซเมอร์ของมัน) ก่อให้เกิดมลพิษอย่างร้ายแรงต่อระบบนิเวศทางทะเล ดิน และสัตว์น้ำ รวมถึงสิ่งมีชีวิตในนั้น ส่งผลให้ความเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกทวีความรุนแรงขึ้น ไมโครพลาสติก นาโนพลาสติก เศษพลาสติก และผลิตภัณฑ์โมโนเมอร์ที่เป็นพิษที่ได้จากโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) สะสมอยู่ในมหาสมุทรแปซิฟิกระหว่างทวีปอเมริกาเหนือและเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ก่อตัวเป็น "กองขยะมหาสมุทรแปซิฟิก" ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตในทะเล (Newell et al., 2020) การศึกษาทางวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าไม่สามารถกำจัดมลพิษ/ขยะดังกล่าวได้ด้วยวิธีการทางกายภาพหรือทางเคมีใดๆ ในบริบทนี้ จุลินทรีย์ที่มีประโยชน์มากที่สุดคือจุลินทรีย์ที่สามารถเผาผลาญมลพิษโดยการออกซิเดชั่นให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ พลังงานเคมี และผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่ไม่เป็นพิษอื่นๆ ซึ่งในที่สุดจะเข้าสู่กระบวนการหมุนเวียนสารอาหารอื่นๆ (H, O, N, S, P, Fe เป็นต้น) ดังนั้น การทำความเข้าใจสรีรวิทยาเชิงนิเวศของจุลินทรีย์ในการย่อยสลายสารมลพิษอะโรมาติกและการควบคุมทางสิ่งแวดล้อมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประเมินวัฏจักรคาร์บอนของจุลินทรีย์ งบประมาณคาร์บอนสุทธิ และความเสี่ยงด้านสภาพภูมิอากาศในอนาคต เนื่องจากมีความจำเป็นเร่งด่วนในการกำจัดสารประกอบเหล่านี้ออกจากสิ่งแวดล้อม อุตสาหกรรมเชิงนิเวศต่างๆ ที่มุ่งเน้นเทคโนโลยีสะอาดจึงเกิดขึ้นมากมาย ในทางกลับกัน การนำของเสียจากอุตสาหกรรม/สารเคมีเหลือทิ้งที่สะสมอยู่ในระบบนิเวศมาใช้ประโยชน์ (เช่น แนวทางเปลี่ยนของเสียให้เป็นความมั่งคั่ง) ถือเป็นหนึ่งในเสาหลักของเศรษฐกิจหมุนเวียนและเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (Close et al., 2012) ดังนั้น การทำความเข้าใจด้านเมตาบอลิซึม เอนไซม์ และพันธุกรรมของจุลินทรีย์ที่อาจย่อยสลายสารเหล่านี้ได้ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกำจัดและการบำบัดทางชีวภาพของสารมลพิษอะโรมาติกดังกล่าวอย่างมีประสิทธิภาพ
ในบรรดาสารมลพิษที่มีกลิ่นหอมจำนวนมาก เราให้ความสนใจเป็นพิเศษกับสาร PAH ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ เช่น แนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีน สารประกอบเหล่านี้เป็นส่วนประกอบหลักของเชื้อเพลิงที่ได้จากปิโตรเลียม สีย้อมสิ่งทอ ผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค สารกำจัดศัตรูพืช (ลูกเหม็นและสารไล่แมลง) สารทำให้พลาสติกอ่อนตัว และแทนนิน ดังนั้นจึงแพร่หลายในระบบนิเวศหลายแห่ง (Preuss et al., 2003) รายงานล่าสุดเน้นย้ำถึงการสะสมของความเข้มข้นของแนฟทาลีนในตะกอนชั้นหินอุ้มน้ำ น้ำบาดาล และดินใต้ผิวดิน เขตวาดอส และก้นแม่น้ำ ซึ่งบ่งชี้ถึงการสะสมทางชีวภาพในสิ่งแวดล้อม (Duttagupta et al., 2019, 2020) ตารางที่ 2 สรุปคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี การใช้งาน และผลกระทบต่อสุขภาพของแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีน เมื่อเปรียบเทียบกับสาร PAH ที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ แนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีนมีความชอบน้ำน้อยกว่า ละลายน้ำได้ดีกว่า และกระจายตัวอย่างกว้างขวางในระบบนิเวศ ดังนั้นจึงมักถูกใช้เป็นสารตั้งต้นแบบจำลองเพื่อศึกษากระบวนการเผาผลาญ พันธุกรรม และความหลากหลายทางเมตาบอลิซึมของสาร PAH จุลินทรีย์จำนวนมากสามารถเผาผลาญแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีนได้ และมีข้อมูลที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวิถีการเผาผลาญ เอนไซม์ และคุณลักษณะการควบคุมของจุลินทรีย์เหล่านี้ (Mallick et al., 2011; Phale et al., 2019, 2020) นอกจากนี้ แนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีนยังถูกกำหนดให้เป็นสารต้นแบบสำหรับการประเมินมลพิษทางสิ่งแวดล้อมเนื่องจากมีปริมาณมากและสามารถดูดซึมเข้าสู่สิ่งมีชีวิตได้ง่าย สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกาประเมินว่าระดับแนฟทาลีนโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 5.19 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรจากควันบุหรี่ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ และ 7.8 ถึง 46 ไมโครกรัมจากควันข้างเคียง ในขณะที่การสัมผัสกับครีโอโซตและแนฟทาลีนนั้นสูงกว่า 100 ถึง 10,000 เท่า (Preuss et al. 2003) โดยเฉพาะอย่างยิ่งแนฟทาลีนพบว่ามีพิษต่อระบบทางเดินหายใจและเป็นสารก่อมะเร็งที่จำเพาะต่อสายพันธุ์ ภูมิภาค และเพศ จากการศึกษาในสัตว์ทดลอง องค์การระหว่างประเทศเพื่อการวิจัยโรคมะเร็ง (IARC) ได้จัดประเภทแนฟทาลีนเป็น “สารก่อมะเร็งในมนุษย์ที่อาจเกิดขึ้นได้” (กลุ่ม 2B)1 การสัมผัสกับแนฟทาลีนที่ถูกแทนที่ โดยส่วนใหญ่โดยการสูดดมหรือการให้ทางหลอดเลือด (ทางปาก) ทำให้เกิดการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อปอดและเพิ่มอุบัติการณ์ของเนื้องอกในปอดในหนูและหนูทดลอง (โครงการพิษวิทยาแห่งชาติ 2) ผลกระทบเฉียบพลัน ได้แก่ คลื่นไส้ อาเจียน ปวดท้อง ท้องเสีย ปวดศีรษะ สับสน เหงื่อออกมาก มีไข้ หัวใจเต้นเร็ว เป็นต้น ในทางกลับกัน มีรายงานว่าสารฆ่าแมลงคาร์บาเมตชนิดออกฤทธิ์กว้างอย่างคาร์บาริล (1-แนฟทิล เอ็น-เมทิลคาร์บาเมต) เป็นพิษต่อสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังในน้ำ สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ ผึ้ง และมนุษย์ และพบว่ายับยั้งเอนไซม์อะเซทิลโคลีนเอสเทอเรส ทำให้เกิดอัมพาต (Smulders et al., 2003; Bulen and Distel, 2011) ดังนั้น การทำความเข้าใจกลไกการย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ การควบคุมทางพันธุกรรม ปฏิกิริยาของเอนไซม์และเซลล์ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนากลยุทธ์การบำบัดทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมที่ปนเปื้อน
ตารางที่ 2 ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี การใช้งาน วิธีการระบุ และโรคที่เกี่ยวข้องของแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีน
ในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษ สารมลพิษอะโรมาติกที่มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำและชอบไขมันสามารถก่อให้เกิดผลกระทบต่อเซลล์ของจุลินทรีย์ในสิ่งแวดล้อมได้หลากหลายรูปแบบ เช่น การเปลี่ยนแปลงความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์ การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ การบวมของชั้นไขมัน การรบกวนการถ่ายโอนพลังงาน (ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน/แรงขับเคลื่อนโปรตอน) และกิจกรรมของโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์ (Sikkema et al., 1995) นอกจากนี้ สารตัวกลางที่ละลายน้ำได้บางชนิด เช่น แคเทคอลและควิโนน ยังก่อให้เกิดอนุมูลอิสระ (ROS) และสร้างสารประกอบกับดีเอ็นเอและโปรตีน (Penning et al., 1999) ดังนั้น ความอุดมสมบูรณ์ของสารประกอบดังกล่าวในระบบนิเวศจึงสร้างแรงกดดันเชิงเลือกต่อชุมชนจุลินทรีย์ให้กลายเป็นผู้ย่อยสลายที่มีประสิทธิภาพในระดับสรีรวิทยาต่างๆ รวมถึงการดูดซึม/การขนส่ง การเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์ การดูดซึม/การใช้ประโยชน์ และการแบ่งส่วน
จากการค้นหาในฐานข้อมูล Ribosomal Database Project-II (RDP-II) พบว่ามีการแยกสายพันธุ์แบคทีเรียทั้งหมด 926 สายพันธุ์จากอาหารเลี้ยงเชื้อหรือวัฒนธรรมที่ปนเปื้อนด้วยแนฟทาลีนหรืออนุพันธ์ของแนฟทาลีน กลุ่ม Proteobacteria มีจำนวนตัวแทนมากที่สุด (n = 755) รองลงมาคือ Firmicutes (52), Bacteroidetes (43), Actinobacteria (39), Tenericutes (10) และแบคทีเรียที่ไม่ได้รับการจำแนก (8) (ภาพที่ 2) ตัวแทนของ γ-Proteobacteria (Pseudomonadales และ Xanthomonadales) มีจำนวนมากที่สุดในกลุ่มแบคทีเรียแกรมลบที่มีปริมาณ G+C สูง (54%) ในขณะที่ Clostridiales และ Bacillales (30%) เป็นกลุ่มแบคทีเรียแกรมบวกที่มีปริมาณ G+C ต่ำ มีรายงานว่าแบคทีเรียสกุล Pseudomonas (จำนวนมากที่สุด 338 สายพันธุ์) สามารถย่อยสลายแนฟทาลีนและอนุพันธ์เมทิลของแนฟทาลีนได้ในระบบนิเวศที่ปนเปื้อนต่างๆ (น้ำมันดินจากถ่านหิน ปิโตรเลียม น้ำมันดิบ กากตะกอน คราบน้ำมัน น้ำเสีย ขยะอินทรีย์ และหลุมฝังกลบ) รวมถึงในระบบนิเวศที่สมบูรณ์ (ดิน แม่น้ำ ตะกอน และน้ำบาดาล) (ภาพที่ 2) ยิ่งไปกว่านั้น การศึกษาการเพิ่มจำนวนและการวิเคราะห์เมตาจีโนมิกส์ของบางพื้นที่เหล่านี้เผยให้เห็นว่าแบคทีเรียสกุล Legionella และ Clostridium ที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้อาจมีศักยภาพในการย่อยสลาย ซึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นในการเพาะเลี้ยงแบคทีเรียเหล่านี้เพื่อศึกษาเส้นทางใหม่ๆ และความหลากหลายทางเมตาบอลิซึม
รูปที่ 2 ความหลากหลายทางอนุกรมวิธานและการกระจายตัวทางนิเวศวิทยาของตัวแทนแบคทีเรียในสภาพแวดล้อมที่ปนเปื้อนด้วยแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีน
ในบรรดาจุลินทรีย์ที่ย่อยสลายไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกชนิดต่างๆ นั้น ส่วนใหญ่สามารถย่อยสลายแนฟทาลีนเพื่อใช้เป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงานเพียงอย่างเดียวได้ ลำดับเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญแนฟทาลีนได้รับการอธิบายไว้แล้วสำหรับ Pseudomonas sp. (สายพันธุ์: NCIB 9816-4, G7, AK-5, PMD-1 และ CSV86), Pseudomonas stutzeri AN10, Pseudomonas fluorescens PC20 และสายพันธุ์อื่นๆ (ND6 และ AS1) (Mahajan et al., 1994; Resnick et al., 1996; Annweiler et al., 2000; Basu et al., 2003; Dennis and Zylstra, 2004; Sota et al., 2006) กระบวนการเมตาบอลิซึมเริ่มต้นด้วยเอนไซม์ไดออกซิเจเนสหลายองค์ประกอบ [แนฟทาลีนไดออกซิเจเนส (NDO) ซึ่งเป็นไดออกซิเจเนสที่เติมหมู่ไฮดรอกซิลที่วงแหวน] ที่เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของวงแหวนอะโรมาติกวงหนึ่งของแนฟทาลีนโดยใช้ออกซิเจนโมเลกุลเป็นสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่ง เปลี่ยนแนฟทาลีนเป็น ซิส-แนฟทาลีนไดออล (รูปที่ 3) ซิส-ไดไฮโดรไดออลถูกเปลี่ยนเป็น 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนโดยเอนไซม์ดีไฮโดรจีเนส เอนไซม์ไดออกซิจีเนสที่ตัดวงแหวน 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนไดออกซิจีเนส (12DHNDO) เปลี่ยน 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนเป็นกรด 2-ไฮดรอกซีโครมีน-2-คาร์บอกซิลิก การไอโซเมอไรเซชันแบบซิส-ทรานส์โดยเอนไซม์ทำให้เกิดทรานส์-โอ-ไฮดรอกซีเบนซิลิดีนไพรูเวต ซึ่งถูกตัดโดยไฮดราเทสอัลโดเลสเป็นซาลิไซลิกอัลดีไฮด์และไพรูเวต กรดอินทรีย์ไพรูเวตเป็นสารประกอบ C3 ตัวแรกที่ได้จากโครงสร้างคาร์บอนของแนฟทาลีนและถูกนำเข้าสู่เส้นทางคาร์บอนกลาง นอกจากนี้ เอนไซม์ซาลิซิลอัลดีไฮด์ดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นอยู่กับ NAD+ เปลี่ยนซาลิซิลอัลดีไฮด์เป็นกรดซาลิไซลิก เมตาบอลิซึมในขั้นตอนนี้เรียกว่า “เส้นทางบน” ของการย่อยสลายแนฟทาลีน เส้นทางนี้พบได้ทั่วไปในแบคทีเรียที่ย่อยสลายแนฟทาลีนส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นอยู่บ้าง เช่น ในแบคทีเรียทนความร้อน Bacillus hamburgii 2 การย่อยสลายแนฟทาลีนเริ่มต้นโดยเอนไซม์ naphthalene 2,3-dioxygenase เพื่อสร้าง 2,3-dihydroxynaphthalene (Annweiler et al., 2000)
รูปที่ 3. เส้นทางการสลายตัวของแนฟทาลีน เมทิลแนฟทาลีน กรดแนฟโทอิก และคาร์บาริล ตัวเลขในวงกลมแสดงถึงเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการเปลี่ยนแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีนไปเป็นผลิตภัณฑ์ตามลำดับ 1 — แนฟทาลีนไดออกซิเจเนส (NDO); 2, ซิส-ไดไฮโดรไดออลดีไฮโดรเจเนส; 3, 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนไดออกซิเจเนส; 4, 2-ไฮดรอกซีโครมีน-2-คาร์บอกซิลิกแอซิดไอโซเมอเรส; 5, ทรานส์-โอ-ไฮดรอกซีเบนซิลิดีนไพรูเวตไฮดราเทสอัลโดเลส; 6, ซาลิซิลอัลดีไฮด์ดีไฮโดรเจเนส; 7, ซาลิไซเลต 1-ไฮดรอกซิเลส; 8, แคทเทคอล 2,3-ไดออกซิเจเนส (C23DO); 9, 2-ไฮดรอกซีมูโคเนตเซมิอัลดีไฮด์ดีไฮโดรเจเนส; 10, 2-ออกโซเพนท์-4-อีโนเอต ไฮดราเทส; 11, 4-ไฮดรอกซี-2-ออกโซเพนทาโนเอต อัลโดเลส; 12, อะเซทัลดีไฮด์ ดีไฮโดรจีเนส; 13, แคทเทคอล-1,2-ไดออกซิเจเนส (C12DO); 14, มูโคเนต ไซโคลไอโซเมอเรส; 15, มูโคโนแลคโตน เดลต้า-ไอโซเมอเรส; 16, β-คีโตอะดิพาเทโนแลคโตน ไฮโดรเลส; 17, β-คีโตอะดิเพต ซัคซินิล-CoA ทรานสเฟอเรส; 18, β-คีโตอะดิเพต-CoA ไทโอเลส; 19, ซัคซินิล-CoA: อะเซทิล-CoA ซัคซินิลทรานสเฟอเรส; 20, ซาลิไซเลต 5-ไฮดรอกซิเลส; 21 – เจนติเซต 1,2-ไดออกซิเจเนส (GDO); 22, มาเลอิลไพรูเวตไอโซเมอเรส; 23, ฟูมาริลไพรูเวตไฮโดรเลส; 24, เมทิลแนฟทาลีนไฮดรอกซิเลส (NDO); 25, ไฮดรอกซีเมทิลแนฟทาลีนดีไฮโดรจีเนส; 26, แนฟทาลดีไฮด์ดีไฮโดรจีเนส; 27, 3-ฟอร์มิลซาลิไซลิกแอซิดออกซิเดส; 28, ไฮดรอกซีไอโซฟทาเลตดีคาร์บอกซิเลส; 29, คาร์บาริลไฮโดรเลส (CH); 30, 1-แนฟทอล-2-ไฮดรอกซิเลส
ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตและองค์ประกอบทางพันธุกรรม กรดซาลิไซลิกที่เกิดขึ้นจะถูกเมตาบอไลซ์ต่อไปโดยผ่านทางวิถีแคทิโคลโดยใช้เอนไซม์ซาลิไซเลต 1-ไฮดรอกซิเลส (S1H) หรือผ่านทางวิถีเจนติเซตโดยใช้เอนไซม์ซาลิไซเลต 5-ไฮดรอกซิเลส (S5H) (รูปที่ 3) เนื่องจากกรดซาลิไซลิกเป็นสารตัวกลางหลักในการเมตาบอลิซึมของแนฟทาลีน (วิถีบน) ขั้นตอนจากกรดซาลิไซลิกไปยังสารตัวกลางของวัฏจักร TCA จึงมักเรียกว่าวิถีล่าง และยีนจะถูกจัดเรียงเป็นโอเปรอนเดียว โดยทั่วไปจะพบว่ายีนในโอเปรอนวิถีบน (nah) และโอเปรอนวิถีล่าง (sal) ถูกควบคุมโดยปัจจัยควบคุมร่วมกัน ตัวอย่างเช่น NahR และกรดซาลิไซลิกทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำ ทำให้ทั้งสองโอเปรอนสามารถเมตาบอไลซ์แนฟทาลีนได้อย่างสมบูรณ์ (Phale et al., 2019, 2020)
นอกจากนี้ แคทิโคลจะถูกแยกออกเป็นวงจรเพื่อสร้าง 2-ไฮดรอกซีมูโคเนตเซมิอัลดีไฮด์ผ่านทางวิถีเมตาโดยเอนไซม์แคทิโคล 2,3-ไดออกซิเจเนส (C23DO) (Yen et al., 1988) และถูกไฮโดรไลซ์เพิ่มเติมโดยเอนไซม์ 2-ไฮดรอกซีมูโคเนตเซมิอัลดีไฮด์ไฮโดรเลสเพื่อสร้าง 2-ไฮดรอกซีเพนท์-2,4-ไดเอโนอิกแอซิด จากนั้น 2-ไฮดรอกซีเพนท์-2,4-ไดเอโนเอตจะถูกเปลี่ยนเป็นไพรูเวตและอะเซทัลดีไฮด์โดยเอนไซม์ไฮดราเทส (2-ออกโซเพนท์-4-อีโนเอตไฮดราเทส) และเอนไซม์อัลโดเลส (4-ไฮดรอกซี-2-ออกโซเพนทาโนเอตอัลโดเลส) แล้วจึงเข้าสู่วิถีคาร์บอนกลาง (รูปที่ 3) หรืออีกทางหนึ่ง แคทิโคลจะถูกแยกออกเป็นวงจรเพื่อสร้างซิส,ซิส-มูโคเนตผ่านทางวิถีออร์โธโดยเอนไซม์แคทิโคล 1,2-ออกซิเจเนส (C12DO) เอนไซม์มิวโคเนตไซโคลไอโซเมอเรส มิวโคโนแลคโตนไอโซเมอเรส และ β-คีโตอะดิเพต-โนแลคโตนไฮโดรเลส จะเปลี่ยนซิส,ซิส-มิวโคเนตให้เป็น 3-ออกโซอะดิเพต ซึ่งเข้าสู่เส้นทางคาร์บอนกลางผ่านทางซัคซินิล-CoA และอะเซทิล-CoA (โนซากิและคณะ, 1968) (รูปที่ 3)
ในวิถีเมตาบอลิซึมของเจนติเซต (2,5-ไดไฮดรอกซีเบนโซเอต) วงแหวนอะโรมาติกจะถูกแยกออกโดยเอนไซม์เจนติเซต 1,2-ไดออกซิเจเนส (GDO) เพื่อสร้างมาเลอิลไพรูเวต ผลิตภัณฑ์นี้สามารถไฮโดรไลซ์โดยตรงเป็นไพรูเวตและมาเลต หรือสามารถเปลี่ยนไอโซเมอร์เป็นฟูมาริลไพรูเวต ซึ่งจากนั้นสามารถไฮโดรไลซ์เป็นไพรูเวตและฟูมาเรตได้ (Larkin and Day, 1986) การเลือกใช้วิถีเมตาบอลิซึมทางเลือกนี้พบได้ทั้งในแบคทีเรียแกรมลบและแกรมบวกในระดับชีวเคมีและพันธุกรรม (Morawski et al., 1997; Whyte et al., 1997) แบคทีเรียแกรมลบ (Pseudomonas) ชอบใช้กรดซาลิไซลิก ซึ่งเป็นตัวกระตุ้นการเผาผลาญแนฟทาลีน โดยเปลี่ยนแนฟทาลีนให้เป็นแคทิคอลโดยใช้เอนไซม์ซาลิไซเลต 1-ไฮดรอกซิเลส (Gibson และ Subramanian, 1984) ในทางกลับกัน ในแบคทีเรียแกรมบวก (Rhodococcus) เอนไซม์ซาลิไซเลต 5-ไฮดรอกซิเลสจะเปลี่ยนกรดซาลิไซลิกให้เป็นกรดเจนติซิก ในขณะที่กรดซาลิไซลิกไม่มีผลกระตุ้นต่อการถอดรหัสยีนแนฟทาลีน (Grund et al., 1992) (ภาพที่ 3)
มีรายงานว่าสายพันธุ์ต่างๆ เช่น Pseudomonas CSV86, Oceanobacterium NCE312, Marinhomonas naphthotrophicus, Sphingomonas paucimobilis 2322, Vibrio cyclotrophus, Pseudomonas fluorescens LP6a, Pseudomonas และ Mycobacterium สามารถย่อยสลายโมโนเมทิลแนฟทาลีนหรือไดเมทิลแนฟทาลีนได้ (Dean-Raymond and Bartha, 1975; Cane and Williams, 1982; Mahajan et al., 1994; Dutta et al., 1998; Hedlund et al., 1999) ในบรรดาสายพันธุ์เหล่านี้ เส้นทางการย่อยสลาย 1-เมทิลแนฟทาลีนและ 2-เมทิลแนฟทาลีนของ Pseudomonas sp. นั้นมีความโดดเด่นเป็นพิเศษ CSV86 ได้รับการศึกษาอย่างชัดเจนในระดับชีวเคมีและเอนไซม์ (Mahajan et al., 1994) 1-เมทิลแนฟทาลีนถูกเมตาบอไลซ์ผ่านสองเส้นทาง เส้นทางแรก วงแหวนอะโรมาติกจะถูกไฮดรอกซิเลชัน (วงแหวนที่ไม่มีหมู่แทนที่ของเมทิลแนฟทาลีน) เพื่อสร้าง cis-1,2-ไดไฮดรอกซี-1,2-ไดไฮโดร-8-เมทิลแนฟทาลีน ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นเมทิลซาลิไซเลตและเมทิลคาเทคอล จากนั้นเข้าสู่เส้นทางคาร์บอนกลางหลังจากวงแหวนแตกตัว (รูปที่ 3) เส้นทางนี้เรียกว่า "เส้นทางแหล่งคาร์บอน" ใน "เส้นทางล้างพิษ" เส้นทางที่สอง หมู่เมทิลสามารถถูกไฮดรอกซิเลชันโดย NDO เพื่อสร้าง 1-ไฮดรอกซีเมทิลแนฟทาลีน ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นกรด 1-แนฟโทอิกและขับออกสู่ตัวกลางเพาะเลี้ยงเป็นผลิตภัณฑ์ปลายทาง จากการศึกษาพบว่าเชื้อสายพันธุ์ CSV86 ไม่สามารถเจริญเติบโตได้โดยใช้กรด 1- และ 2-แนฟโทอิกเป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงานเพียงอย่างเดียว ซึ่งเป็นการยืนยันถึงกลไกการล้างพิษของเชื้อ (Mahajan et al., 1994; Basu et al., 2003) ใน 2-เมทิลแนฟทาลีน หมู่เมทิลจะเกิดปฏิกิริยาไฮดรอกซิเลชันโดยเอนไซม์ไฮดรอกซิเลส ทำให้เกิด 2-ไฮดรอกซีเมทิลแนฟทาลีน นอกจากนี้ วงแหวนแนฟทาลีนที่ไม่มีหมู่แทนที่ จะเกิดปฏิกิริยาไฮดรอกซิเลชันของวงแหวน ทำให้เกิดไดไฮโดรไดออล ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์เป็น 4-ไฮดรอกซีเมทิลคาเทคอลในชุดปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ และเข้าสู่เส้นทางคาร์บอนกลางผ่านทางเส้นทางการแตกวงแหวนเมตา ในทำนองเดียวกัน มีรายงานว่า S. paucimobilis 2322 ใช้ NDO ในการไฮดรอกซิเลชัน 2-เมทิลแนฟทาลีน ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเพื่อสร้างเมทิลซาลิไซเลตและเมทิลคาเทคอล (Dutta et al., 1998)
กรดแนฟโทอิก (ทั้งแบบมีหมู่แทนที่และไม่มีหมู่แทนที่) เป็นผลพลอยได้จากการกำจัดสารพิษ/การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพที่เกิดขึ้นระหว่างการย่อยสลายของเมทิลแนฟทาลีน ฟีนานทรีน และแอนทราซีน และถูกปล่อยออกมาในอาหารเลี้ยงเชื้อที่ใช้แล้ว มีรายงานว่าจุลินทรีย์ที่แยกได้จากดิน Stenotrophomonas maltophilia CSV89 สามารถเผาผลาญกรด 1-แนฟโทอิกเป็นแหล่งคาร์บอนได้ (Phale et al., 1995) การเผาผลาญเริ่มต้นด้วยการเติมหมู่ไฮดรอกซิลสองหมู่ลงบนวงแหวนอะโรมาติกเพื่อสร้าง 1,2-ไดไฮดรอกซี-8-คาร์บอกซีแนฟทาลีน ไดออลที่ได้จะถูกออกซิไดซ์เป็นแคทิคอลผ่านทาง 2-ไฮดรอกซี-3-คาร์บอกซีเบนซิลิดีนไพรูเวต กรด 3-ฟอร์มิลซาลิไซลิก กรด 2-ไฮดรอกซีไอโซฟทาลิก และกรดซาลิไซลิก และเข้าสู่เส้นทางคาร์บอนกลางผ่านทางเส้นทางการแตกวงแหวนเมตา (รูปที่ 3)
คาร์บาริลเป็นสารกำจัดศัตรูพืชประเภทแนฟทิลคาร์บาเมต นับตั้งแต่การปฏิวัติเขียวในอินเดียในช่วงทศวรรษ 1970 การใช้ปุ๋ยเคมีและสารกำจัดศัตรูพืชได้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการปล่อยสารโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAH) จากแหล่งกำเนิดมลพิษแบบไม่เฉพาะเจาะจงทางการเกษตร (Pingali, 2012; Duttagupta et al., 2020) คาดว่าประมาณ 55% (85,722,000 เฮกตาร์) ของพื้นที่เพาะปลูกทั้งหมดในอินเดียได้รับการบำบัดด้วยสารกำจัดศัตรูพืชทางเคมี ในช่วงห้าปีที่ผ่านมา (2015–2020) ภาคการเกษตรของอินเดียใช้สารกำจัดศัตรูพืชโดยเฉลี่ยปีละ 55,000 ถึง 60,000 ตัน (กรมสหกรณ์และสวัสดิการเกษตรกร กระทรวงเกษตร รัฐบาลอินเดีย สิงหาคม 2020) ในที่ราบลุ่มแม่น้ำคงคาตอนเหนือและตอนกลาง (รัฐที่มีประชากรและความหนาแน่นของประชากรสูงที่สุด) การใช้สารกำจัดศัตรูพืชในพืชผลเป็นที่แพร่หลาย โดยส่วนใหญ่เป็นยาฆ่าแมลง คาร์บาริล (1-แนฟทิล-เอ็น-เมทิลคาร์บาเมต) เป็นยาฆ่าแมลงคาร์บาเมตที่มีฤทธิ์กว้าง มีความเป็นพิษปานกลางถึงสูง ใช้ในภาคเกษตรกรรมของอินเดียในอัตราเฉลี่ย 100–110 ตัน โดยทั่วไปจำหน่ายภายใต้ชื่อทางการค้า Sevin และใช้ในการควบคุมแมลง (เพลี้ยอ่อน มดไฟ หมัด ไร แมงมุม และศัตรูพืชกลางแจ้งอื่นๆ อีกมากมาย) ที่ส่งผลกระทบต่อพืชผลหลากหลายชนิด (ข้าวโพด ถั่วเหลือง ฝ้าย ผลไม้ และผัก) จุลินทรีย์บางชนิด เช่น Pseudomonas (NCIB 12042, 12043, C4, C5, C6, C7, Pseudomonas putida XWY-1), Rhodococcus (NCIB 12038), Sphingobacterium spp. แบคทีเรียสกุล Pseudomonas sp. (CF06), Burkholderia (C3), Micrococcus และ Arthrobacter สามารถใช้ควบคุมศัตรูพืชชนิดอื่นได้เช่นกัน มีรายงานว่า RC100 สามารถย่อยสลายคาร์บาริลได้ (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991; Hayatsu et al., 1999; Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2017) กระบวนการย่อยสลายคาร์บาริลได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในระดับชีวเคมี เอนไซม์ และพันธุกรรมในแบคทีเรียที่แยกได้จากดินของ Pseudomonas sp. สายพันธุ์ C4, C5 และ C6 (Swetha and Phale, 2005; Trivedi et al., 2016) (รูปที่ 3) กระบวนการเมตาบอลิซึมเริ่มต้นด้วยการไฮโดรไลซิสของพันธะเอสเทอร์โดยคาร์บาริลไฮโดรเลส (CH) เพื่อสร้าง 1-แนฟทอล เมทิลอะมีน และคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้น 1-แนฟทอลจะถูกเปลี่ยนเป็น 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนโดยเอนไซม์ 1-แนฟทอลไฮดรอกซิเลส (1-NH) ซึ่งจะถูกเมตาบอไลซ์ต่อไปผ่านทางวิถีคาร์บอนกลางโดยผ่านซาลิไซเลตและเจนติเซต มีรายงานว่าแบคทีเรียที่ย่อยสลายคาร์บาริลบางชนิดสามารถเมตาบอไลซ์ 1-แนฟทอลเป็นกรดซาลิไซลิกได้โดยการแตกวงแหวนออร์โธของแคทิคอล (Larkin and Day, 1986; Chapalamadugu and Chaudhry, 1991) ที่น่าสังเกตคือ แบคทีเรียที่ย่อยสลายแนฟทาลีนส่วนใหญ่จะเมตาบอไลซ์กรดซาลิไซลิกผ่านทางแคทิคอล ในขณะที่แบคทีเรียที่ย่อยสลายคาร์บาริลจะชอบเมตาบอไลซ์กรดซาลิไซลิกผ่านทางวิถีเจนติเซตมากกว่า
อนุพันธ์ของกรดแนฟทาลีนซัลโฟนิก/กรดไดซัลโฟนิก และกรดแนฟทิลอะมีนซัลโฟนิก สามารถใช้เป็นสารตัวกลางในการผลิตสีย้อมเอโซ สารลดแรงตึงผิว สารกระจายตัว ฯลฯ แม้ว่าสารประกอบเหล่านี้จะมีพิษต่อมนุษย์ต่ำ แต่การประเมินความเป็นพิษต่อเซลล์แสดงให้เห็นว่าสารเหล่านี้เป็นอันตรายถึงชีวิตต่อปลา ไรน้ำ และสาหร่าย (Greim et al., 1994) มีรายงานว่าแบคทีเรียในสกุล Pseudomonas (สายพันธุ์ A3, C22) เริ่มกระบวนการเมตาบอลิซึมโดยการเติมหมู่ไฮดรอกซิลสองครั้งที่วงแหวนอะโรมาติกที่มีหมู่กรดซัลโฟนิกเพื่อสร้างไดไฮโดรไดออล ซึ่งจะถูกเปลี่ยนต่อไปเป็น 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนโดยการแตกตัวของหมู่ซัลไฟต์โดยธรรมชาติ (Brilon et al., 1981) 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนที่เกิดขึ้นจะถูกย่อยสลายผ่านวิถีแนฟทาลีนแบบดั้งเดิม กล่าวคือ วิถีแคทิคอลหรือวิถีเจนติเซต (รูปที่ 4) มีการแสดงให้เห็นว่ากรดอะมิโนแนฟทาลีนซัลโฟนิกและกรดไฮดรอกซีแนฟทาลีนซัลโฟนิกสามารถถูกย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์โดยกลุ่มแบคทีเรียผสมที่มีวิถีการย่อยสลายที่เสริมกัน (Nortemann et al., 1986) มีการแสดงให้เห็นว่าสมาชิกหนึ่งของกลุ่มแบคทีเรียจะกำจัดกำมะถันออกจากกรดอะมิโนแนฟทาลีนซัลโฟนิกหรือกรดไฮดรอกซีแนฟทาลีนซัลโฟนิกโดยการเติมออกซิเจนที่ตำแหน่ง 1,2 ในขณะที่อะมิโนซาลิไซเลตหรือไฮดรอกซีซาลิไซเลตจะถูกปล่อยออกมาในอาหารเลี้ยงเชื้อในฐานะเมตาบอไลต์ปลายทางและถูกดูดซึมโดยสมาชิกอื่น ๆ ของกลุ่มแบคทีเรียในภายหลัง กรดแนฟทาลีนไดซัลโฟนิกมีขั้วค่อนข้างสูงแต่ย่อยสลายได้ยาก จึงสามารถถูกเผาผลาญผ่านวิถีที่แตกต่างกันได้ การกำจัดกำมะถันครั้งแรกเกิดขึ้นระหว่างการเติมหมู่ไฮดรอกซิลแบบเลือกตำแหน่งของวงแหวนอะโรมาติกและหมู่กรดซัลโฟนิก การกำจัดกำมะถันครั้งที่สองเกิดขึ้นระหว่างการเติมหมู่ไฮดรอกซิลของกรด 5-ซัลโฟซาลิไซลิกโดยเอนไซม์กรดซาลิไซลิก 5-ไฮดรอกซิเลสเพื่อสร้างกรดเจนติซิก ซึ่งเข้าสู่เส้นทางคาร์บอนกลาง (Brilon et al., 1981) (รูปที่ 4) เอนไซม์ที่รับผิดชอบในการย่อยสลายแนฟทาลีนยังรับผิดชอบในการเผาผลาญแนฟทาลีนซัลโฟเนตด้วย (Brilon et al., 1981; Keck et al., 2006)
รูปที่ 4. วิถีการเผาผลาญสำหรับการย่อยสลายแนฟทาลีนซัลโฟเนต ตัวเลขภายในวงกลมแสดงถึงเอนไซม์ที่รับผิดชอบต่อการเผาผลาญแนฟทิลซัลโฟเนต ซึ่งคล้ายคลึง/เหมือนกับเอนไซม์ที่อธิบายไว้ในรูปที่ 3
สาร PAH ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (LMW-PAHs) สามารถรีดิวซ์ได้ ไม่ชอบน้ำ และละลายได้น้อย ดังนั้นจึงไม่ไวต่อการสลายตัว/การย่อยสลายตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม จุลินทรีย์แอโรบิกสามารถออกซิไดซ์สารเหล่านี้ได้โดยการดูดซับออกซิเจนโมเลกุล (O2) เอนไซม์เหล่านี้ส่วนใหญ่อยู่ในกลุ่มออกซิโดรีดักเทส และสามารถทำปฏิกิริยาต่างๆ ได้ เช่น การไฮดรอกซิเลชันของวงแหวนอะโรมาติก (โมโนหรือไดไฮดรอกซิเลชัน) การดีไฮโดรจีเนชัน และการแตกตัวของวงแหวนอะโรมาติก ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาเหล่านี้อยู่ในสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่าและถูกเมตาบอไลซ์ได้ง่ายขึ้นผ่านทางวิถีคาร์บอนกลาง (Phale et al., 2020) มีรายงานว่าเอนไซม์ในวิถีการย่อยสลายสามารถเหนี่ยวนำได้ กิจกรรมของเอนไซม์เหล่านี้ต่ำมากหรือไม่มีเลยเมื่อเซลล์เจริญเติบโตบนแหล่งคาร์บอนอย่างง่าย เช่น กลูโคสหรือกรดอินทรีย์ ตารางที่ 3 สรุปเอนไซม์ต่างๆ (ออกซิเจเนส ไฮโดรเลส ดีไฮโดรเจเนส ออกซิเดส เป็นต้น) ที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีน
ตารางที่ 3. ลักษณะทางชีวเคมีของเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการย่อยสลายแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของแนฟทาลีน
การศึกษาโดยใช้ไอโซโทปรังสี (18O2) แสดงให้เห็นว่าการรวมตัวของโมเลกุล O2 เข้าสู่วงแหวนอะโรมาติกโดยเอนไซม์ออกซิเจเนสเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการกระตุ้นการย่อยสลายทางชีวภาพของสารประกอบต่อไป (Hayaishi et al., 1955; Mason et al., 1955) การรวมตัวของอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอม (O) จากโมเลกุลออกซิเจน (O2) เข้าสู่สารตั้งต้นเริ่มต้นโดยเอนไซม์โมโนออกซิเจเนส (หรือเรียกว่าไฮดรอกซิเลส) ทั้งจากภายในหรือภายนอกร่างกาย อะตอมออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่งจะถูกรีดิวซ์เป็นน้ำ เอนไซม์โมโนออกซิเจเนสจากภายนอกร่างกายจะรีดิวซ์ฟลาวินด้วย NADH หรือ NADPH ในขณะที่ในเอนไซม์โมโนออกซิเจเนสภายในร่างกาย ฟลาวินจะถูกรีดิวซ์โดยสารตั้งต้น ตำแหน่งของการไฮดรอกซิเลชันส่งผลให้เกิดความหลากหลายในการสร้างผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น เอนไซม์ซาลิไซเลต 1-ไฮดรอกซิเลสจะไฮดรอกซิเลตกรดซาลิไซลิกที่ตำแหน่ง C1 ทำให้เกิดแคทิคอล ในทางกลับกัน เอนไซม์ซาลิไซเลต 5-ไฮดรอกซิเลสแบบหลายองค์ประกอบ (ซึ่งประกอบด้วยหน่วยย่อยรีดักเทส เฟอร์เรดอกซิน และออกซิเจเนส) จะเติมหมู่ไฮดรอกซิลให้กับกรดซาลิไซลิกที่ตำแหน่ง C5 ก่อให้เกิดกรดเจนติซิก (ยามาโมโตะและคณะ, 1965)
เอนไซม์ไดออกซิเจเนสจะรวมอะตอม O2 สองอะตอมเข้ากับสารตั้งต้น โดยแบ่งตามผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นเป็นไดออกซิเจเนสที่เติมหมู่ไฮดรอกซิลที่วงแหวน และไดออกซิเจเนสที่ตัดวงแหวน ไดออกซิเจเนสที่เติมหมู่ไฮดรอกซิลที่วงแหวนจะเปลี่ยนสารตั้งต้นอะโรมาติกให้เป็นซิส-ไดไฮโดรไดออล (เช่น แนฟทาลีน) และพบได้ทั่วไปในแบคทีเรีย ปัจจุบัน มีการแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่มีไดออกซิเจเนสที่เติมหมู่ไฮดรอกซิลที่วงแหวนสามารถเจริญเติบโตได้บนแหล่งคาร์บอนอะโรมาติกต่างๆ และเอนไซม์เหล่านี้ถูกจัดประเภทเป็น NDO (แนฟทาลีน), โทลูอีนไดออกซิเจเนส (TDO, โทลูอีน) และไบฟีนิลไดออกซิเจเนส (BPDO, ไบฟีนิล) ทั้ง NDO และ BPDO สามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันคู่และการไฮดรอกซิเลชันของโซ่ข้างของสารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิกต่างๆ (เช่น โทลูอีน, ไนโตรโทลูอีน, ไซลีน, เอทิลเบนซีน, แนฟทาลีน, ไบฟีนิล, ฟลูออรีน, อินโดล, เมทิลแนฟทาลีน, แนฟทาลีนซัลโฟเนต, ฟีนานทรีน, แอนทราซีน, อะซีโตฟีโนน เป็นต้น) (Boyd and Sheldrake, 1998; Phale et al., 2020) NDO เป็นระบบหลายองค์ประกอบที่ประกอบด้วยออกซิโดรีดักเทส เฟอร์เรดอกซิน และองค์ประกอบออกซิเจเนสที่มีตำแหน่งออกฤทธิ์ (Gibson and Subramanian, 1984; Resnick et al., 1996) หน่วยเร่งปฏิกิริยาของ NDO ประกอบด้วยหน่วยย่อย α ขนาดใหญ่และหน่วยย่อย β ขนาดเล็กที่จัดเรียงในโครงสร้าง α3β3 NDO เป็นเอนไซม์ในกลุ่มออกซิเจเนสขนาดใหญ่ และซับยูนิตอัลฟาของมันประกอบด้วยไซต์รีสเก [2Fe-2S] และเหล็กโมโนนิวเคลียร์ที่ไม่ใช่ฮีม ซึ่งเป็นตัวกำหนดความจำเพาะของสารตั้งต้นของ NDO (Parales et al., 1998) โดยทั่วไป ในหนึ่งรอบการเร่งปฏิกิริยา อิเล็กตรอนสองตัวจากการรีดิวซ์ของไพริดีนนิวคลีโอไทด์จะถูกถ่ายโอนไปยังไอออน Fe(II) ในไซต์ออกฤทธิ์ผ่านทางรีดักเทส เฟอร์เรดอกซิน และไซต์รีสเก สารรีดิวซ์เหล่านี้จะกระตุ้นโมเลกุลออกซิเจน ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการไดไฮดรอกซิเลชันของสารตั้งต้น (Ferraro et al., 2005) จนถึงปัจจุบัน มีเพียง NDO เพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ได้รับการทำให้บริสุทธิ์และศึกษาลักษณะเฉพาะอย่างละเอียดจากสายพันธุ์ต่างๆ และมีการศึกษาการควบคุมทางพันธุกรรมของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายแนฟทาลีนอย่างละเอียด (Resnick et al., 1996; Parales et al., 1998; Karlsson et al., 2003) เอนไซม์ไดออกซิเจเนสที่ตัดวงแหวน (เอนไซม์ตัดวงแหวนแบบเอนโดหรือออร์โธ และเอนไซม์ตัดวงแหวนแบบเอ็กโซไดออลหรือเมตา) ทำงานกับสารประกอบอะโรมาติกที่มีหมู่ไฮดรอกซิล ตัวอย่างเช่น เอนไซม์ไดออกซิเจเนสที่ตัดวงแหวนแบบออร์โธคือคาเทคอล-1,2-ไดออกซิเจเนส ในขณะที่เอนไซม์ไดออกซิเจเนสที่ตัดวงแหวนแบบเมตาคือคาเทคอล-2,3-ไดออกซิเจเนส (Kojima et al., 1961; Nozaki et al., 1968) นอกจากออกซิเจเนสหลายชนิดแล้ว ยังมีดีไฮโดรจีเนสหลายชนิดที่ทำหน้าที่ในการดีไฮโดรจีเนชันของไดไฮโดรไดออลอะโรมาติก แอลกอฮอล์ และอัลดีไฮด์ โดยใช้ NAD+/NADP+ เป็นตัวรับอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเมตาบอลิซึม (Gibson and Subramanian, 1984; Shaw and Harayama, 1990; Fahle et al., 2020)
เอนไซม์ เช่น ไฮโดรเลส (เอสเทอเรส, อะมิเดส) เป็นเอนไซม์กลุ่มที่สองที่สำคัญ ซึ่งใช้น้ำในการตัดพันธะโควาเลนต์และมีความจำเพาะต่อสารตั้งต้นหลากหลายชนิด คาร์บาริลไฮโดรเลสและไฮโดรเลสอื่นๆ ถือเป็นส่วนประกอบของเพริพลาสม์ (ทรานส์เมมเบรน) ในแบคทีเรียแกรมลบ (Kamini et al., 2018) คาร์บาริลมีทั้งพันธะอะไมด์และเอสเทอร์ ดังนั้นจึงสามารถถูกไฮโดรไลซ์โดยเอสเทอเรสหรืออะมิเดสเพื่อสร้าง 1-แนฟทอล มีรายงานว่าคาร์บาริลใน Rhizobium rhizobium สายพันธุ์ AC10023 และ Arthrobacter สายพันธุ์ RC100 ทำหน้าที่เป็นเอสเทอเรสและอะมิเดสตามลำดับ นอกจากนี้ คาร์บาริลใน Arthrobacter สายพันธุ์ RC100 ยังทำหน้าที่เป็นอะมิเดสด้วย RC100 ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถไฮโดรไลซ์สารฆ่าแมลงในกลุ่ม N-methylcarbamate ได้ 4 ชนิด ได้แก่ คาร์บาริล เมโทมิล เมเฟนามิกแอซิด และ XMC (Hayaatsu et al., 2001) มีรายงานว่า CH ใน Pseudomonas sp. C5pp สามารถออกฤทธิ์ต่อคาร์บาริล (ประสิทธิภาพ 100%) และ 1-แนฟทิลอะซิเตต (ประสิทธิภาพ 36%) แต่ไม่สามารถออกฤทธิ์ต่อ 1-แนฟทิลอะซิตาไมด์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเป็นเอสเตอเรส (Trivedi et al., 2016)
การศึกษาทางชีวเคมี รูปแบบการควบคุมเอนไซม์ และการวิเคราะห์ทางพันธุกรรมแสดงให้เห็นว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายแนฟทาลีนประกอบด้วยหน่วยควบคุมที่เหนี่ยวนำได้สองหน่วยหรือ “โอเปรอน” ได้แก่ nah (“เส้นทางต้นน้ำ” ซึ่งเปลี่ยนแนฟทาลีนเป็นกรดซาลิไซลิก) และ sal (“เส้นทางปลายน้ำ” ซึ่งเปลี่ยนกรดซาลิไซลิกไปสู่เส้นทางคาร์บอนกลางผ่านทางแคทิคอล) กรดซาลิไซลิกและอนุพันธ์ของมันสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำได้ (Shamsuzzaman และ Barnsley, 1974) ในกรณีที่มีกลูโคสหรือกรดอินทรีย์ โอเปรอนจะถูกยับยั้ง รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างทางพันธุกรรมที่สมบูรณ์ของการย่อยสลายแนฟทาลีน (ในรูปแบบโอเปรอน) มีการอธิบายรูปแบบ/ตัวแปรหลายแบบของยีน nah (ndo/pah/dox) และพบว่ามีความคล้ายคลึงกันของลำดับสูง (90%) ในทุกสายพันธุ์ของ Pseudomonas (Abbasian et al., 2016) ยีนในวิถีการเผาผลาญแนฟทาลีนต้นน้ำโดยทั่วไปเรียงลำดับตามความเห็นพ้องดังแสดงในรูปที่ 5A ยีนอีกตัวหนึ่งคือ nahQ ก็มีรายงานว่าเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญแนฟทาลีนเช่นกัน และมักจะอยู่ระหว่าง nahC และ nahE แต่หน้าที่ที่แท้จริงของมันยังคงต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม ในทำนองเดียวกัน ยีน nahY ซึ่งรับผิดชอบต่อการเคลื่อนที่แบบเคมีที่ไวต่อแนฟทาลีน พบอยู่ที่ปลายสุดของโอเปรอน nah ในสมาชิกบางตัว ใน Ralstonia sp. พบว่ายีน U2 ที่เข้ารหัสกลูตาไธโอน เอส-ทรานสเฟอเรส (gsh) ตั้งอยู่ระหว่าง nahAa และ nahAb แต่ไม่มีผลต่อลักษณะการใช้แนฟทาลีน (Zylstra et al., 1997)
รูปที่ 5. โครงสร้างทางพันธุกรรมและความหลากหลายที่สังเกตได้ระหว่างการย่อยสลายแนฟทาลีนในกลุ่มแบคทีเรีย (A) เส้นทางแนฟทาลีนตอนบน การเผาผลาญแนฟทาลีนเป็นกรดซาลิไซลิก (B) เส้นทางแนฟทาลีนตอนล่าง กรดซาลิไซลิกผ่านแคทิคอลไปยังเส้นทางคาร์บอนกลาง (C) กรดซาลิไซลิกผ่านเจนติเซตไปยังเส้นทางคาร์บอนกลาง
“เส้นทางล่าง” (sal operon) โดยทั่วไปประกอบด้วย nahGTHINLMOKJ และเปลี่ยนซาลิไซเลตเป็นไพรูเวตและอะเซทัลดีไฮด์ผ่านเส้นทางการแตกตัวของเมตาโบไลต์คาเทคอล ยีน nahG (ที่เข้ารหัสเอนไซม์ซาลิไซเลตไฮดรอกซิเลส) พบว่ามีการอนุรักษ์ไว้ที่ปลายด้านใกล้ของโอเปรอน (รูปที่ 5B) เมื่อเปรียบเทียบกับสายพันธุ์ที่ย่อยสลายแนฟทาลีนอื่นๆ ใน P. putida CSV86 โอเปรอน nah และ sal อยู่เรียงกันและมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันมาก (ประมาณ 7.5 กิโลเบส) ในแบคทีเรียแกรมลบบางชนิด เช่น Ralstonia sp. U2, Polaromonas naphthalenivorans CJ2 และ P. putida AK5 แนฟทาลีนจะถูกเมตาโบไลซ์เป็นเมตาโบไลต์คาร์บอนหลักผ่านเส้นทางเจนติเซต (ในรูปแบบของ sgp/nag operon) โดยทั่วไปแล้ว ยีนแคสเซ็ตจะแสดงในรูปแบบ nagAaGHAbAcAdBFCQEDJI โดยที่ nagR (ซึ่งเข้ารหัสตัวควบคุมชนิด LysR) จะอยู่ที่ปลายด้านบน (รูปที่ 5C)
คาร์บาริลเข้าสู่กระบวนการสร้างคาร์บอนในแกนกลางผ่านกระบวนการเมตาบอลิซึมของ 1-แนฟทอล, 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีน, กรดซาลิไซลิก และกรดเจนติซิก (รูปที่ 3) จากการศึกษาทางพันธุกรรมและเมตาบอลิซึม ได้มีการเสนอให้แบ่งเส้นทางนี้ออกเป็น "ต้นน้ำ" (การเปลี่ยนคาร์บาริลเป็นกรดซาลิไซลิก), "กลางน้ำ" (การเปลี่ยนกรดซาลิไซลิกเป็นกรดเจนติซิก) และ "ปลายน้ำ" (การเปลี่ยนกรดเจนติซิกเป็นสารตัวกลางในเส้นทางการสร้างคาร์บอนในแกนกลาง) (Singh et al., 2013) การวิเคราะห์จีโนมของ C5pp (ซูเปอร์คอนติก A, 76.3 กิโลเบส) เผยให้เห็นว่ายีน mcbACBDEF มีส่วนเกี่ยวข้องในการเปลี่ยนคาร์บาริลเป็นกรดซาลิไซลิก ตามด้วยยีน mcbIJKL ในการเปลี่ยนกรดซาลิไซลิกเป็นกรดเจนติซิก และยีน mcbOQP ในการเปลี่ยนกรดเจนติซิกเป็นสารตัวกลางคาร์บอนกลาง (ฟูมาเรตและไพรูเวต, Trivedi et al., 2016) (รูปที่ 6)
มีรายงานว่าเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก (รวมถึงแนฟทาลีนและกรดซาลิไซลิก) สามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยสารประกอบที่เกี่ยวข้อง และถูกยับยั้งได้ด้วยแหล่งคาร์บอนอย่างง่าย เช่น กลูโคสหรือกรดอินทรีย์ (Shingler, 2003; Phale et al., 2019, 2020) ในบรรดาวิถีเมตาบอลิซึมต่างๆ ของแนฟทาลีนและอนุพันธ์ของมัน คุณลักษณะการควบคุมของแนฟทาลีนและคาร์บาริลได้รับการศึกษามาบ้างแล้ว สำหรับแนฟทาลีน ยีนในทั้งวิถีต้นน้ำและปลายน้ำถูกควบคุมโดย NahR ซึ่งเป็นตัวควบคุมเชิงบวกแบบทรานส์แอคติ้งชนิด LysR จำเป็นสำหรับการกระตุ้นยีน nah โดยกรดซาลิไซลิกและการแสดงออกในระดับสูงที่ตามมา (Yen and Gunsalus, 1982) นอกจากนี้ การศึกษาต่างๆ ยังแสดงให้เห็นว่าปัจจัยโฮสต์แบบบูรณาการ (IHF) และ XylR (ตัวควบคุมการถอดรหัสที่ขึ้นอยู่กับซิกมา 54) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกระตุ้นการถอดรหัสของยีนในกระบวนการเมตาบอลิซึมของแนฟทาลีน (Ramos et al., 1997) การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ในเส้นทางการเปิดวงแหวนเมตาของคาเทคอล ได้แก่ คาเทคอล 2,3-ไดออกซิเจเนส จะถูกกระตุ้นเมื่อมีแนฟทาลีนและ/หรือกรดซาลิไซลิกอยู่ (Basu et al., 2006) การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ในเส้นทางการเปิดวงแหวนออร์โธของคาเทคอล ได้แก่ คาเทคอล 1,2-ไดออกซิเจเนส จะถูกกระตุ้นเมื่อมีกรดเบนโซอิกและซิส,ซิส-มิวโคเนตอยู่ (Parsek et al., 1994; Tover et al., 2001)
ในสายพันธุ์ C5pp ยีน 5 ยีน ได้แก่ mcbG, mcbH, mcbN, mcbR และ mcbS เข้ารหัสโปรตีนควบคุมการถอดรหัสที่อยู่ในกลุ่ม LysR/TetR ซึ่งมีหน้าที่ควบคุมการย่อยสลายคาร์บาริล ยีน mcbG ที่มีความคล้ายคลึงกันมากที่สุด พบว่ามีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับโปรตีนควบคุมชนิด LysR ที่ชื่อ PhnS (มีความเหมือนของกรดอะมิโน 58%) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญฟีนานเทรนใน Burkholderia RP00725 (Trivedi et al., 2016) ส่วนยีน mcbH พบว่าเกี่ยวข้องกับวิถีทางกลาง (การเปลี่ยนกรดซาลิไซลิกเป็นกรดเจนติซิก) และอยู่ในกลุ่มโปรตีนควบคุมการถอดรหัสชนิด LysR ที่ชื่อ NagR/DntR/NahR ใน Pseudomonas และ Burkholderia มีรายงานว่าสมาชิกในกลุ่มนี้สามารถจดจำกรดซาลิไซลิกเป็นโมเลกุลตัวกระตุ้นเฉพาะสำหรับการเหนี่ยวนำยีนที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายได้ ในทางกลับกัน ยีนสามตัว ได้แก่ mcbN, mcbR และ mcbS ซึ่งเป็นของตัวควบคุมการถอดรหัสประเภท LysR และ TetR ถูกระบุในเส้นทางปลายทาง (เมตาบอไลต์ของเส้นทางคาร์บอนกลางของเจนติเซต)
ในโปรคาริโอต กระบวนการถ่ายโอนยีนในแนวนอน (การได้มา การแลกเปลี่ยน หรือการถ่ายโอน) ผ่านพลาสมิด ทรานสโพซอน โปรฟาจ เกาะจีโนม และองค์ประกอบคอนจูเกทีฟแบบบูรณาการ (ICE) เป็นสาเหตุหลักของความยืดหยุ่นในจีโนมของแบคทีเรีย ซึ่งนำไปสู่การได้มาหรือการสูญเสียหน้าที่/ลักษณะเฉพาะบางอย่าง ทำให้แบคทีเรียสามารถปรับตัวได้อย่างรวดเร็วต่อสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน โดยให้ข้อได้เปรียบทางเมตาบอลิซึมในการปรับตัวแก่โฮสต์ เช่น การย่อยสลายสารประกอบอะโรมาติก การเปลี่ยนแปลงทางเมตาบอลิซึมมักเกิดขึ้นจากการปรับแต่งโอเปรอนการย่อยสลาย กลไกการควบคุม และความจำเพาะของเอนไซม์ ซึ่งอำนวยความสะดวกในการย่อยสลายสารประกอบอะโรมาติกที่หลากหลายมากขึ้น (Nojiri et al., 2004; Phale et al., 2019, 2020) พบว่ายีนแคสเซ็ตสำหรับการย่อยสลายแนฟทาลีนนั้นตั้งอยู่บนองค์ประกอบเคลื่อนที่ได้หลากหลายชนิด เช่น พลาสมิด (ทั้งแบบถ่ายทอดยีนได้และถ่ายทอดยีนไม่ได้) ทรานสโพซอน จีโนม ไอซี และการรวมกันของแบคทีเรียสายพันธุ์ต่างๆ (รูปที่ 5) ใน Pseudomonas G7 โอเปรอน nah และ sal ของพลาสมิด NAH7 ถูกถอดรหัสในทิศทางเดียวกันและเป็นส่วนหนึ่งของทรานสโพซอนที่บกพร่องซึ่งต้องการทรานสโพเซส Tn4653 สำหรับการเคลื่อนย้าย (Sota et al., 2006) ในสายพันธุ์ Pseudomonas NCIB9816-4 พบว่ายีนดังกล่าวอยู่บนพลาสมิดแบบถ่ายทอดยีนได้ pDTG1 ในรูปของสองโอเปรอน (ห่างกันประมาณ 15 กิโลเบส) ซึ่งถูกถอดรหัสในทิศทางตรงกันข้าม (Dennis and Zylstra, 2004) ใน Pseudomonas putida สายพันธุ์ AK5 พลาสมิดที่ไม่สามารถถ่ายทอดได้ pAK5 เข้ารหัสเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการย่อยสลายแนฟทาลีนผ่านทางวิถีเจนติเซต (Izmalkova et al., 2013) ใน Pseudomonas สายพันธุ์ PMD-1 โอเปรอน nah ตั้งอยู่บนโครโมโซม ในขณะที่โอเปรอน sal ตั้งอยู่บนพลาสมิดที่สามารถถ่ายทอดได้ pMWD-1 (Zuniga et al., 1981) อย่างไรก็ตาม ใน Pseudomonas stutzeri AN10 ยีนย่อยสลายแนฟทาลีนทั้งหมด (โอเปรอน nah และ sal) ตั้งอยู่บนโครโมโซมและคาดว่าถูกดึงเข้ามาผ่านกระบวนการทรานสโพซิชัน รีคอมบิเนชัน และการจัดเรียงใหม่ (Bosch et al., 2000) ใน Pseudomonas sp. CSV86 ซึ่งเป็นโอเปรอน nah และ sal นั้นตั้งอยู่ในจีโนมในรูปแบบของ ICE (ICECSV86) โครงสร้างนี้ได้รับการปกป้องโดย tRNAGly ตามด้วยลำดับซ้ำโดยตรงที่บ่งชี้ถึงตำแหน่งการรวมตัว/การยึดเกาะ (attR และ attL) และอินทิเกรสคล้ายฟาจซึ่งตั้งอยู่ที่ปลายทั้งสองข้างของ tRNAGly ดังนั้นจึงมีโครงสร้างคล้ายกับองค์ประกอบ ICEclc (ICEclcB13 ใน Pseudomonas knackmusii สำหรับการย่อยสลายคลอโรคาทีคอล) มีรายงานว่ายีนบน ICE สามารถถ่ายโอนได้โดยการคอนจูเกชันด้วยความถี่ในการถ่ายโอนที่ต่ำมาก (10-8) จึงถ่ายทอดคุณสมบัติการย่อยสลายไปยังผู้รับ (Basu และ Phale, 2008; Phale et al., 2019)
ยีนส่วนใหญ่ที่รับผิดชอบในการย่อยสลายคาร์บาริลนั้นตั้งอยู่บนพลาสมิด แบคทีเรียสกุล Arthrobacter sp. RC100 มีพลาสมิดสามตัว (pRC1, pRC2 และ pRC300) ซึ่งพลาสมิดแบบถ่ายทอดได้สองตัวคือ pRC1 และ pRC2 นั้นเข้ารหัสเอนไซม์ที่เปลี่ยนคาร์บาริลเป็นเจนติเซต ในทางกลับกัน เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนเจนติเซตไปเป็นเมตาโบไลต์คาร์บอนหลักนั้นตั้งอยู่บนโครโมโซม (Hayaatsu et al., 1999) แบคทีเรียในสกุล Rhizobium สายพันธุ์ AC100 ซึ่งใช้ในการเปลี่ยนคาร์บาริลเป็น 1-แนฟทอล มีพลาสมิด pAC200 ซึ่งมียีน cehA ที่เข้ารหัส CH เป็นส่วนหนึ่งของทรานสโพซอน Tnceh ที่ล้อมรอบด้วยลำดับคล้ายองค์ประกอบแทรก (istA และ istB) (Hashimoto et al., 2002) ในสายพันธุ์ Sphingomonas CF06 เชื่อกันว่ายีนย่อยสลายคาร์บาริลมีอยู่ในพลาสมิด 5 ตัว ได้แก่ pCF01, pCF02, pCF03, pCF04 และ pCF05 ความคล้ายคลึงกันของดีเอ็นเอในพลาสมิดเหล่านี้สูง บ่งชี้ว่ามีการเกิดการจำลองยีน (Feng et al., 1997) ในซิมไบโอต์ที่ย่อยสลายคาร์บาริลซึ่งประกอบด้วย Pseudomonas สองชนิด สายพันธุ์ 50581 มีพลาสมิดแบบถ่ายทอดได้ pCD1 (50 kb) ที่เข้ารหัสยีนไฮโดรเลสคาร์บาริล mcd ในขณะที่พลาสมิดแบบถ่ายทอดได้ในสายพันธุ์ 50552 เข้ารหัสเอนไซม์ย่อยสลาย 1-แนฟทอล (Chapalamadugu and Chaudhry, 1991) ในสายพันธุ์ Achromobacter WM111 ยีน mcd furadan hydrolase ตั้งอยู่บนพลาสมิดขนาด 100 กิโลเบส (pPDL11) มีการแสดงให้เห็นว่ายีนนี้มีอยู่บนพลาสมิดขนาดต่างๆ (100, 105, 115 หรือ 124 กิโลเบส) ในแบคทีเรียต่างชนิดจากภูมิภาคทางภูมิศาสตร์ที่แตกต่างกัน (Parekh et al., 1995) ใน Pseudomonas sp. C5pp ยีนทั้งหมดที่รับผิดชอบในการย่อยสลายคาร์บาริลตั้งอยู่ในจีโนมที่มีลำดับเบสยาว 76.3 กิโลเบส (Trivedi et al., 2016) การวิเคราะห์จีโนม (6.15 Mb) เผยให้เห็นการมีอยู่ของ MGE จำนวน 42 ตัว และ GEI จำนวน 36 ตัว ซึ่งในจำนวนนี้ 17 MGE อยู่ใน supercontig A (76.3 kb) โดยมีปริมาณ G+C ที่ไม่สมมาตรโดยเฉลี่ย (54–60 mol%) ซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ของการถ่ายโอนยีนในแนวนอน (Trivedi et al., 2016) P. putida XWY-1 แสดงการจัดเรียงยีนที่ย่อยสลายคาร์บาริลในลักษณะเดียวกัน แต่ยีนเหล่านี้ตั้งอยู่บนพลาสมิด (Zhu et al., 2019)
นอกเหนือจากประสิทธิภาพในการเผาผลาญในระดับชีวเคมีและจีโนมแล้ว จุลินทรีย์ยังแสดงคุณสมบัติหรือการตอบสนองอื่นๆ เช่น การเคลื่อนที่เข้าหาสารเคมี คุณสมบัติการปรับเปลี่ยนพื้นผิวเซลล์ การแบ่งส่วน การใช้ประโยชน์อย่างเลือกสรร การผลิตสารลดแรงตึงผิวทางชีวภาพ เป็นต้น ซึ่งช่วยให้พวกมันสามารถเผาผลาญสารมลพิษที่มีกลิ่นหอมในสภาพแวดล้อมที่ปนเปื้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น (รูปที่ 7)
รูปที่ 7. กลยุทธ์การตอบสนองของเซลล์ที่แตกต่างกันของแบคทีเรียที่ย่อยสลายไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกในอุดมคติ เพื่อการย่อยสลายสารมลพิษแปลกปลอมอย่างมีประสิทธิภาพ
การตอบสนองแบบเคโมแท็กติกถือเป็นปัจจัยที่ช่วยเพิ่มการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ในระบบนิเวศที่มีมลพิษไม่สม่ำเสมอ (2002) แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่แบบเคโมแท็กติกของ Pseudomonas sp. G7 ไปยังแนฟทาลีนช่วยเพิ่มอัตราการย่อยสลายแนฟทาลีนในระบบน้ำ สายพันธุ์ G7 ดั้งเดิมย่อยสลายแนฟทาลีนได้เร็วกว่าสายพันธุ์กลายพันธุ์ที่ขาดเคโมแท็กติก โปรตีน NahY (538 กรดอะมิโนที่มีโครงสร้างแบบเยื่อหุ้มเซลล์) พบว่ามีการถอดรหัสร่วมกับยีนในวิถีเมตาคลีเวจบนพลาสมิด NAH7 และเช่นเดียวกับตัวส่งสัญญาณเคโมแท็กติก โปรตีนนี้ดูเหมือนจะทำหน้าที่เป็นตัวรับเคโมแท็กติกสำหรับการย่อยสลายแนฟทาลีน (Grimm และ Harwood 1997) การศึกษาอีกชิ้นหนึ่งโดย Hansel et al. (2009) แสดงให้เห็นว่าโปรตีนนี้มีการเคลื่อนที่แบบเคโมแท็กติก แต่มีอัตราการย่อยสลายสูง (2011) ได้แสดงให้เห็นถึงการตอบสนองแบบเคโมแท็กติกของแบคทีเรีย Pseudomonas (P. putida) ต่อแนฟทาลีนในรูปก๊าซ โดยการแพร่กระจายในเฟสก๊าซส่งผลให้แนฟทาลีนไหลไปยังเซลล์อย่างต่อเนื่อง ซึ่งควบคุมการตอบสนองแบบเคโมแท็กติกของเซลล์ นักวิจัยได้ใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมเคโมแท็กติกนี้ในการดัดแปลงจุลินทรีย์เพื่อเพิ่มอัตราการย่อยสลาย การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าวิถีการรับรู้ทางเคมียังควบคุมการทำงานของเซลล์อื่นๆ เช่น การแบ่งเซลล์ การควบคุมวงจรเซลล์ และการสร้างไบโอฟิล์ม จึงช่วยควบคุมอัตราการย่อยสลาย อย่างไรก็ตาม การใช้คุณสมบัตินี้ (เคโมแท็กติก) เพื่อการย่อยสลายที่มีประสิทธิภาพนั้นถูกขัดขวางด้วยอุปสรรคหลายประการ อุปสรรคสำคัญ ได้แก่: (ก) ตัวรับพาราโลจัสที่แตกต่างกันรู้จักสารประกอบ/ลิแกนด์เดียวกัน (ข) การมีอยู่ของตัวรับทางเลือก เช่น ทรอปิซึมเชิงพลังงาน (ค) ความแตกต่างของลำดับอย่างมีนัยสำคัญในโดเมนรับรู้ของตระกูลตัวรับเดียวกัน และ (d) ขาดข้อมูลเกี่ยวกับโปรตีนเซนเซอร์แบคทีเรียหลัก (Ortega et al., 2017; Martin-Mora et al., 2018) บางครั้ง การย่อยสลายทางชีวภาพของไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกจะสร้างเมตาบอไลต์/สารตัวกลางหลายชนิด ซึ่งอาจดึงดูดแบคทีเรียกลุ่มหนึ่งแต่ขับไล่แบคทีเรียกลุ่มอื่น ทำให้กระบวนการซับซ้อนยิ่งขึ้น เพื่อระบุปฏิสัมพันธ์ของลิแกนด์ (ไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก) กับตัวรับทางเคมี เราได้สร้างโปรตีนเซนเซอร์ลูกผสม (PcaY, McfR และ NahY) โดยการรวมโดเมนเซนเซอร์และโดเมนส่งสัญญาณของ Pseudomonas putida และ Escherichia coli ซึ่งกำหนดเป้าหมายตัวรับสำหรับกรดอะโรมาติก สารตัวกลาง TCA และแนฟทาลีน ตามลำดับ (Luu et al., 2019)
ภายใต้อิทธิพลของแนฟทาลีนและสารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิก (PAHs) อื่นๆ โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียและความสมบูรณ์ของจุลินทรีย์จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าแนฟทาลีนรบกวนการทำงานร่วมกันของโซ่แอซิลผ่านปฏิกิริยาไฮโดรโฟบิก ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์บวมและมีความยืดหยุ่นมากขึ้น (Sikkema et al., 1995) เพื่อต่อต้านผลเสียนี้ แบคทีเรียจึงควบคุมความยืดหยุ่นของเยื่อหุ้มเซลล์โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนและองค์ประกอบของกรดไขมันระหว่างกรดไขมันแบบโซ่กิ่งไอโซ/แอนติไอโซ และการเปลี่ยนกรดไขมันไม่อิ่มตัวแบบซิสให้เป็นไอโซเมอร์แบบทรานส์ที่สอดคล้องกัน (Heipieper and de Bont, 1994) ใน Pseudomonas stutzeri ที่เจริญเติบโตบนอาหารเลี้ยงเชื้อแนฟทาลีน อัตราส่วนของกรดไขมันอิ่มตัวต่อกรดไขมันไม่อิ่มตัวเพิ่มขึ้นจาก 1.1 เป็น 2.1 ในขณะที่ใน Pseudomonas JS150 อัตราส่วนนี้เพิ่มขึ้นจาก 7.5 เป็น 12.0 (Mrozik et al., 2004) เมื่อเจริญเติบโตบนแนฟทาลีน เซลล์ Achromobacter KAs 3–5 แสดงการรวมกลุ่มของเซลล์รอบผลึกแนฟทาลีนและการลดลงของประจุบนพื้นผิวเซลล์ (จาก -22.5 เป็น -2.5 mV) พร้อมกับการควบแน่นของไซโตพลาสซึมและการเกิดแวคิวโอล ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างเซลล์และคุณสมบัติของพื้นผิวเซลล์ (Mohapatra et al., 2019) แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงของเซลล์/พื้นผิวจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับการดูดซับสารมลพิษอะโรมาติกได้ดีขึ้น แต่กลยุทธ์ทางวิศวกรรมชีวภาพที่เกี่ยวข้องยังไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างละเอียดถี่ถ้วน การปรับเปลี่ยนรูปร่างของเซลล์นั้นแทบจะไม่เคยถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการทางชีวภาพเลย (Volke and Nikel, 2018) การลบยีนที่มีผลต่อการแบ่งเซลล์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ ในแบคทีเรีย Bacillus subtilis พบว่าโปรตีน SepF ซึ่งเป็นโปรตีนในผนังกั้นเซลล์ มีส่วนเกี่ยวข้องกับการสร้างผนังกั้นเซลล์และจำเป็นสำหรับขั้นตอนการแบ่งเซลล์ในลำดับถัดไป แต่ไม่ใช่ยีนที่จำเป็นต่อการอยู่รอด การลบยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ไฮโดรไลซ์ไกลแคนของเปปไทด์ใน Bacillus subtilis ส่งผลให้เซลล์ยืดตัวขึ้น อัตราการเจริญเติบโตจำเพาะเพิ่มขึ้น และความสามารถในการผลิตเอนไซม์ดีขึ้น (Cui et al., 2018)
มีการเสนอแนวคิดเรื่องการแบ่งส่วนของกระบวนการย่อยสลายคาร์บาริลเพื่อให้เกิดการย่อยสลายที่มีประสิทธิภาพในสายพันธุ์ Pseudomonas C5pp และ C7 (Kamini et al., 2018) โดยเสนอว่าคาร์บาริลจะถูกลำเลียงเข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกและ/หรือผ่านทางเยื่อกั้นของเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกและ/หรือผ่านทางโปรตีนที่สามารถแพร่ผ่านได้ เอนไซม์ CH เป็นเอนไซม์ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ที่เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของคาร์บาริลให้กลายเป็น 1-แนฟทอล ซึ่งมีความเสถียรมากกว่า มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำมากกว่า และเป็นพิษมากกว่า เอนไซม์ CH อยู่ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และมีความสัมพันธ์กับคาร์บาริลต่ำ จึงควบคุมการเกิด 1-แนฟทอล ป้องกันการสะสมในเซลล์ และลดความเป็นพิษต่อเซลล์ (Kamini et al., 2018) 1-แนฟทอลที่เกิดขึ้นจะถูกลำเลียงเข้าสู่ไซโตพลาซึมผ่านเยื่อหุ้มชั้นในโดยการแบ่งส่วนและ/หรือการแพร่ และจากนั้นจะถูกไฮดรอกซิเลชันเป็น 1,2-ไดไฮดรอกซีแนฟทาลีนโดยเอนไซม์ 1NH ที่มีความสัมพันธ์สูง เพื่อการเผาผลาญต่อไปในเส้นทางคาร์บอนกลาง
แม้ว่าจุลินทรีย์จะมีศักยภาพทางพันธุกรรมและเมตาบอลิซึมในการย่อยสลายแหล่งคาร์บอนแปลกปลอม แต่โครงสร้างลำดับชั้นของการใช้ประโยชน์ (เช่น การใช้แหล่งคาร์บอนอย่างง่ายมากกว่าแหล่งคาร์บอนที่ซับซ้อน) เป็นอุปสรรคสำคัญต่อการย่อยสลายทางชีวภาพ การมีอยู่และการใช้แหล่งคาร์บอนอย่างง่ายจะลดการทำงานของยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ที่ย่อยสลายแหล่งคาร์บอนที่ซับซ้อน/ไม่เป็นที่ต้องการ เช่น สาร PAH ตัวอย่างที่ได้รับการศึกษาอย่างดีคือ เมื่อป้อนกลูโคสและแลคโตสร่วมกันให้แก่ Escherichia coli กลูโคสจะถูกนำไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแลคโตส (Jacob และ Monod, 1965) มีรายงานว่า Pseudomonas สามารถย่อยสลายสาร PAH และสารประกอบแปลกปลอมหลายชนิดเป็นแหล่งคาร์บอน ลำดับชั้นของการใช้แหล่งคาร์บอนใน Pseudomonas คือ กรดอินทรีย์ > กลูโคส > สารประกอบอะโรมาติก (Hylemon และ Phibbs, 1972; Collier et al., 1996) อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นอยู่ ที่น่าสนใจคือ Pseudomonas sp. CSV86 แสดงโครงสร้างลำดับชั้นที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งใช้ประโยชน์จากไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก (กรดเบนโซอิก แนฟทาลีน ฯลฯ) มากกว่ากลูโคส และร่วมเผาผลาญไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกกับกรดอินทรีย์ (Basu et al., 2006) ในแบคทีเรียชนิดนี้ ยีนสำหรับการย่อยสลายและการขนส่งไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกจะไม่ถูกลดระดับการแสดงออกแม้จะมีแหล่งคาร์บอนที่สอง เช่น กลูโคสหรือกรดอินทรีย์ เมื่อเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีกลูโคสและไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก พบว่ายีนสำหรับการขนส่งและการเผาผลาญกลูโคสถูกลดระดับการแสดงออก ไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกถูกนำไปใช้ในระยะแรกของการเจริญเติบโต และกลูโคสถูกนำไปใช้ในระยะที่สองของการเจริญเติบโต (Basu et al., 2006; Choudhary et al., 2017) ในทางกลับกัน การมีอยู่ของกรดอินทรีย์ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อการแสดงออกของกระบวนการเผาผลาญไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก ดังนั้นแบคทีเรียชนิดนี้จึงคาดว่าจะเป็นสายพันธุ์ที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาการย่อยสลายทางชีวภาพ (Phale et al., 2020)
เป็นที่ทราบกันดีว่าการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของไฮโดรคาร์บอนสามารถก่อให้เกิดความเครียดจากออกซิเดชันและการเพิ่มขึ้นของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระในจุลินทรีย์ การย่อยสลายแนฟทาลีนที่ไม่มีประสิทธิภาพทั้งในเซลล์ระยะหยุดนิ่งและในสภาวะที่มีสารประกอบที่เป็นพิษนำไปสู่การก่อตัวของอนุมูลอิสระ (ROS) (Kang et al. 2006) เนื่องจากเอนไซม์ที่ย่อยสลายแนฟทาลีนมีคลัสเตอร์เหล็ก-กำมะถัน ภายใต้ความเครียดจากออกซิเดชัน เหล็กในฮีมและโปรตีนเหล็ก-กำมะถันจะถูกออกซิไดซ์ ทำให้โปรตีนไม่ทำงาน เฟอร์เรดอกซิน-NADP+ รีดักเทส (Fpr) ร่วมกับซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส (SOD) ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์แบบผันกลับได้ระหว่าง NADP+/NADPH และโมเลกุลของเฟอร์เรดอกซินหรือฟลาโวดอกซินสองโมเลกุล จึงช่วยกำจัด ROS และฟื้นฟูศูนย์กลางเหล็ก-กำมะถันภายใต้ความเครียดจากออกซิเดชัน (Li et al. 2006) มีรายงานว่าทั้ง Fpr และ SodA (SOD) ใน Pseudomonas สามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยความเครียดจากออกซิเดชัน และพบว่ากิจกรรมของ SOD และ catalase เพิ่มขึ้นใน Pseudomonas สี่สายพันธุ์ (O1, W1, As1 และ G1) ในระหว่างการเจริญเติบโตภายใต้สภาวะที่มีการเติมแนฟทาลีน (Kang et al., 2006) การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเติมสารต้านอนุมูลอิสระ เช่น กรดแอสคอร์บิกหรือเหล็กเฟอร์รัส (Fe2+) สามารถเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตของแนฟทาลีนได้ เมื่อ Rhodococcus erythropolis เจริญเติบโตในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีแนฟทาลีน การถอดรหัสของยีนไซโตโครม P450 ที่เกี่ยวข้องกับความเครียดจากออกซิเดชัน ได้แก่ sodA (Fe/Mn superoxide dismutase), sodC (Cu/Zn superoxide dismutase) และ recA เพิ่มขึ้น (Sazykin et al., 2019) การวิเคราะห์โปรตีนเชิงปริมาณเปรียบเทียบของเซลล์ Pseudomonas ที่เพาะเลี้ยงในแนฟทาลีนแสดงให้เห็นว่า การเพิ่มขึ้นของโปรตีนต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชันนั้นเป็นกลยุทธ์ในการรับมือกับความเครียด (Herbst et al., 2013)
มีรายงานว่าจุลินทรีย์สามารถผลิตไบโอเซอร์แฟกแทนท์ได้ภายใต้การทำงานของแหล่งคาร์บอนที่ไม่ชอบน้ำ เซอร์แฟกแทนท์เหล่านี้เป็นสารประกอบพื้นผิวที่มีคุณสมบัติทั้งชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ ซึ่งสามารถรวมตัวกันที่ส่วนต่อประสานระหว่างน้ำมันกับน้ำหรืออากาศกับน้ำ ทำให้เกิดการละลายเทียมและอำนวยความสะดวกในการดูดซับไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก ส่งผลให้เกิดการย่อยสลายทางชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพ (Rahman et al., 2002) ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ ไบโอเซอร์แฟกแทนท์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ การเติมสารลดแรงตึงผิวทางเคมีหรือไบโอเซอร์แฟกแทนท์ลงในวัฒนธรรมแบคทีเรียสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและอัตราการย่อยสลายไฮโดรคาร์บอนได้ ในบรรดาไบโอเซอร์แฟกแทนท์นั้น แรมโนลิปิดที่ผลิตโดย Pseudomonas aeruginosa ได้รับการศึกษาและระบุลักษณะอย่างกว้างขวาง (Hisatsuka et al., 1971; Rahman et al., 2002) นอกจากนี้ สารลดแรงตึงผิวชีวภาพประเภทอื่นๆ ได้แก่ ไลโปเปปไทด์ (มิวซินจาก Pseudomonas fluorescens), อิมัลซิไฟเออร์ 378 (จาก Pseudomonas fluorescens) (Rosenberg และ Ron, 1999), ไขมันไดแซ็กคาไรด์เทรฮาโลสจาก Rhodococcus (Ramdahl, 1985), ไลเคนินจาก Bacillus (Saraswathy และ Hallberg, 2002) และสารลดแรงตึงผิวจาก Bacillus subtilis (Siegmund และ Wagner, 1991) และ Bacillus amyloliquefaciens (Zhi et al., 2017) สารลดแรงตึงผิวที่มีประสิทธิภาพเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถลดแรงตึงผิวจาก 72 ไดน์/ซม. เหลือต่ำกว่า 30 ไดน์/ซม. ทำให้การดูดซับไฮโดรคาร์บอนดีขึ้น มีรายงานว่าแบคทีเรียสกุล Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Burkholderia และแบคทีเรียชนิดอื่นๆ สามารถผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพชนิดแรมโนลิปิดและไกลโคลิปิดได้หลากหลายชนิดเมื่อเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีแนฟทาลีนและเมทิลแนฟทาลีน (Kanga et al., 1997; Puntus et al., 2005) Pseudomonas maltophilia CSV89 สามารถผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพนอกเซลล์ Biosur-Pm ได้เมื่อเลี้ยงในสารประกอบอะโรมาติก เช่น กรดแนฟโทอิก (Phale et al., 1995) จลนศาสตร์ของการสร้าง Biosur-Pm แสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์ขึ้นอยู่กับการเจริญเติบโตและค่า pH พบว่าปริมาณ Biosur-Pm ที่ผลิตโดยเซลล์ที่ค่า pH เป็นกลางนั้นสูงกว่าที่ค่า pH 8.5 เซลล์ที่เลี้ยงที่ค่า pH 8.5 มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำมากกว่าและมีความสัมพันธ์กับสารประกอบอะโรมาติกและอะลิฟาติกสูงกว่าเซลล์ที่เลี้ยงที่ค่า pH 7.0 ในแบคทีเรียสกุล Rhodococcus สายพันธุ์ N6 อัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน (C:N) ที่สูงขึ้นและการจำกัดธาตุเหล็กเป็นสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตสารลดแรงตึงผิวชีวภาพนอกเซลล์ (Mutalik et al., 2008) มีความพยายามที่จะปรับปรุงการสังเคราะห์สารลดแรงตึงผิวชีวภาพ (surfactins) โดยการปรับสายพันธุ์และการหมักให้เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ปริมาณสารลดแรงตึงผิวในอาหารเลี้ยงเชื้อมีน้อย (1.0 กรัม/ลิตร) ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการผลิตในปริมาณมาก (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019) ดังนั้นจึงมีการใช้วิธีทางวิศวกรรมพันธุกรรมเพื่อปรับปรุงการสังเคราะห์สารลดแรงตึงผิว อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงทางวิศวกรรมทำได้ยากเนื่องจากขนาดของโอเปรอนมีขนาดใหญ่ (ประมาณ 25 กิโลเบส) และการควบคุมการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่ซับซ้อนของระบบการรับรู้จำนวนประชากร (quorum sensing system) (Jiao et al., 2017; Wu et al., 2019) มีการดัดแปลงพันธุกรรมในแบคทีเรีย Bacillus หลายวิธี โดยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มการผลิตเซอร์แฟคตินโดยการแทนที่โปรโมเตอร์ (srfA operon) การแสดงออกมากเกินไปของโปรตีนส่งออกเซอร์แฟคติน YerP และปัจจัยควบคุม ComX และ PhrC (Jiao et al., 2017) อย่างไรก็ตาม วิธีการทางวิศวกรรมพันธุกรรมเหล่านี้ประสบความสำเร็จในการดัดแปลงพันธุกรรมเพียงหนึ่งหรือสองอย่างเท่านั้น และยังไม่ถึงขั้นการผลิตเชิงพาณิชย์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพโดยอาศัยองค์ความรู้
การศึกษาการย่อยสลายสาร PAH ทางชีวภาพส่วนใหญ่ดำเนินการภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ในพื้นที่ปนเปื้อนหรือสภาพแวดล้อมที่ปนเปื้อน พบว่าปัจจัยทางชีวภาพและอชีวภาพหลายอย่าง (อุณหภูมิ ค่า pH ออกซิเจน ความพร้อมของสารอาหาร ความพร้อมของสารตั้งต้น สารแปลกปลอมอื่นๆ การยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์สุดท้าย ฯลฯ) สามารถเปลี่ยนแปลงและส่งผลต่อความสามารถในการย่อยสลายของจุลินทรีย์ได้
อุณหภูมิมีผลอย่างมากต่อการย่อยสลายทางชีวภาพของ PAH เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเข้มข้นของออกซิเจนละลายจะลดลง ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการเผาผลาญของจุลินทรีย์แอโรบิก เนื่องจากจุลินทรีย์เหล่านี้ต้องการออกซิเจนโมเลกุลเป็นหนึ่งในสารตั้งต้นสำหรับเอนไซม์ออกซิเจเนสที่ทำหน้าที่ในการเติมหมู่ไฮดรอกซิลหรือการแตกวงแหวน มักพบว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเปลี่ยน PAH ดั้งเดิมให้กลายเป็นสารประกอบที่มีความเป็นพิษมากขึ้น จึงยับยั้งการย่อยสลายทางชีวภาพ (Muller et al., 1998)
เป็นที่ทราบกันดีว่าพื้นที่ปนเปื้อนสาร PAH หลายแห่งมีค่า pH ที่สุดขั้ว เช่น พื้นที่ปนเปื้อนจากน้ำเสียจากเหมืองแร่ที่เป็นกรด (pH 1–4) และพื้นที่ปนเปื้อนจากก๊าซธรรมชาติ/การผลิตก๊าซจากถ่านหินที่ปนเปื้อนด้วยน้ำชะล้างที่เป็นด่าง (pH 8–12) สภาวะเหล่านี้สามารถส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ ดังนั้น ก่อนที่จะใช้จุลินทรีย์ในการบำบัดทางชีวภาพ จึงแนะนำให้ปรับค่า pH โดยการเติมสารเคมีที่เหมาะสม (ที่มีศักยภาพในการลดออกซิเดชันปานกลางถึงต่ำมาก) เช่น แอมโมเนียมซัลเฟตหรือแอมโมเนียมไนเตรตสำหรับดินที่เป็นด่าง หรือการเติมปูนขาวด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตหรือแมกนีเซียมคาร์บอเนตสำหรับพื้นที่ที่เป็นกรด (Bowlen et al. 1995; Gupta and Sar 2020)
ปริมาณออกซิเจนที่ส่งไปยังพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบเป็นปัจจัยจำกัดอัตราการย่อยสลายทางชีวภาพของ PAH เนื่องจากสภาวะรีดอกซ์ของสิ่งแวดล้อม กระบวนการบำบัดทางชีวภาพในแหล่งกำเนิดมักต้องมีการนำออกซิเจนจากแหล่งภายนอก (การไถพรวน การเติมอากาศ และการเติมสารเคมี) (Pardieck et al., 1992) Odenkranz et al. (1996) แสดงให้เห็นว่าการเติมแมกนีเซียมเปอร์ออกไซด์ (สารประกอบที่ปล่อยออกซิเจน) ลงในแหล่งน้ำบาดาลที่ปนเปื้อนสามารถบำบัดสารประกอบ BTEX ได้อย่างมีประสิทธิภาพ งานวิจัยอีกชิ้นหนึ่งได้ศึกษาการย่อยสลายฟีนอลและ BTEX ในแหล่งน้ำบาดาลที่ปนเปื้อนในแหล่งกำเนิดโดยการฉีดโซเดียมไนเตรตและสร้างบ่อสูบน้ำเพื่อให้เกิดการบำบัดทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ (Bewley and Webb, 2001)