Các hợp chất thơm có ít nhất một mạch vòng bão hòa với cấu trúc chung C6R6 , trong đó R là bất kỳ nhóm chức nào (Hình 20.12 ) . Benzen
( C6H6 ) là hydrocarbon cơ bản tạo nên các hợp chất vòng chưa bão hòa . Hợp chất có chứa hai hoặc nhiều hợp nhất vòng benzene được gọi là hydrocarbon polyaromatic (PAH) .Các hydrocarbons thơm là những sản phẩm tự nhiên , chúng là một phần của lignin và được hình thành như các chất hữu cơ bị đốt cháy , ví dụ, trong các vụ cháy rừng . Tuy nhiên , việc bổ sung các hợp chất thơm cho môi trường đã tăng lên đáng kể thông qua các hoạt động như sử dụng nhiên liệu hóa thạch, utiliza hóa, đốt củi và than đá ( Cerniglia và Heitkamp , 1989).
Số lượng và thành phần của các hydrocarbon thơm trong các sản phẩm dầu khí là các chất chính liên quan đến cái mà khi đánh giá một vị trí bị ô nhiễm bởi một số thành phần của các phần tử chất thơm đã được chứng minh là gây ung thư cho con người. Các hợp chất thơm cũng có tác dụng độc hại đối với vi sinh vật.
Một loạt các vi khuẩn và nấm có thể thực hiện biến đổi các hợp chất thơm , cả thành phần và toàn bộ, dưới nhiều điều kiện môi trường (xem Thông tin Bảng 20.9 ) . Trong điều kiện hiếu khí , việc chuyển đổi ban đầu phổ biến nhất là sự hydroxyl hóa có liên quan đến tập hợp các oxy phân tử. Các enzym tham gia vào những biến đổi ban đầu là một trong hai enzyme monooxygenases hoặc dioxygenases. Nhìn chung, các vi sinh vật biến đổi procaryotic thơm bởi một tấn công của dioxygenase ban đầu để tạo cis-dihydrodiols. Cis-dihydrodiol được rearomatized để
tạo thành một dihydroxylated trung gian, catechol. Vòng catechol được phân tách bởi một dioxygenase thứ hai hoặc giữa hai nhóm hydroxyl (vị trí ortho) hoặc bên cạnh một trong những nhóm hydroxyl (vị trí meta) và tiếp tục phân hủy để hoàn thành quá trình( hình 20.20).
Hình 20.20 Kết hợp oxy vào vòng thơm bởi các enzyme dioxygenase , tiếp theo là meta hoặc ortho.
Đặc điểm chung của sự phân hủy các hợp chất thơm Điều kiện hiếu khí
Chất thơm bị phân hủy bởi một loạt các vi khuẩn, nấm và tảo Vi khuẩn sử dụng enzym
dioxygenase biến đổi chất thơm để tạo thành cis-dihydrodiols và sau đó là một catechol trung gian. Trong trường hợp này chất thơm được khoáng hóa và sử dụng như một nguồn carbon và năng lượng Các tế bào eucaryotes sử dụng một enzym monoxygenase ban đầu đầu biến đổi chất thơm để hình thành trans-dihydrodiols, thông qua một oxit arene. Trong trường hợp này chất thơm đang được xử lý để giải độc và bài tiết. Ngoài ra, một số nấm men sử dụng lignolytic và đã được chứng minh khoáng hóa chất thơm
nhưng không phải là một nguồn carbon và năng lượng duy nhất.
Điều kiện yếm khí
Quá trình khoáng thường đòi hỏi một tập đoàn benzoyl -CoA là sự suy thoái chung trung gian.
chất thơm MW thấp đang bị phân hủy nhanh chóng hơn nhiều so với các chất thơm MW cao. Chất thơm> ba vòng là khả năng chống phân hủy sinh học và có thể
không phục vụ như một nguồn carbon duy nhất và năng lượng thích ứng của vi sinh vật xảy ra khi tiếp xúc với các chất thơm bên ngoài.
nhiều gen liên quan đến các hợp chất thơm, đặc biệt là PAH, sự phân hủy là plasmid mã hóa
Hầu hết các vi sinh vật eucaryotic không khoáng hóa chất thơm ,mà là chúng xử lý để giải độc và bài tiết . Điều này được thực hiện bởi một quá trình oxy hóa ban đầu với một cytochrome P-450 monooxygenase trong đó kết hợp một nguyên tử oxy phân tử vào chất thơm và tiếp theo là giảm phân tử nước , dẫn đến sự hình thành của một oxit arene . Tiếp theo là việc bổ sung enzyme của nước để mang lại một trans -
dihydrodiol (Hình 20.21 ) . Ngoài ra, các oxit arene có thể được đồng phân hóa để tạo thành phenol , có thể được kết hợp với sulfate , acid
glucuronic và glutathione. Các hợp chất hình thành tương tự như trong sinh vật bậc cao được sử dụng trong việc loại bỏ các hợp chất thơm .
Hình 20.21 monooxygenase của nấm với sự tấncông oxy vào vòng thơm
Một nhóm nhỏ các eucaryotes , nấm lignolytic hoàn toàn có thể khoáng hóa các hợp chất thơm trong một quá trình được gọi là phân hủy
lignolytic . Như ta đã biết, cấu trúc lignin được dựa trên hai loại axit amin thơm là tyrosine và phenylalanine (Hình 14.6F ) . Để làm thay đổi cấu trúc thơm dựa trên cấu trúc như lignin , các loại nấm thối trắng tiết enzym ngoại bào không đặc hiệu như laccase hoặc H2O2 phụ thuộc vào lignin peroxidase . Các enzyme tạo ra các gốc tự do oxy dựa trên phản ứng với polymer lignin để tiết lượng dư được tạo nên bởi các tế bào và
phân hủy. . Từ khi cấu trúc lignin được dựa trên một cấu trúc thơm và các enzyme ban đầu được sử dụng để làm giảm hàm lượng lignin không đặc hiệu , các loại nấm thối trắng có thể sử dụng các hoạt động tương tự để phân hủy một loạt các hợp chất thơm gây ô nhiễm. nhất là của nấm thối trắng Phanerochaete chrysosporium , đã được chứng minh là làm giảm các hợp chất thơm (xem Trường hợp nghiên cứu 2.9)
Thường khả năng phân hủy các chất thơm là plasmid trung gian ( Ghosal et al. , 1985). Plasmid có thể mang cả hai gen cá nhân và operon mã hóa phân hủy sinh học một phần hoặc hoàn toàn một hợp chất thơm . Một ví dụ về sau này là các plasmid NAH7 mã hóa toàn bộ con đường phân hủynaphthalene . Các NAH7 plasmid được thu thập từ Pseudomonas putida và chứa gen mã hóa các enzyme trong 11 bước đầu tiên của quá trình oxy hóa naphthalene . Plasmid này hoặc plasmid liên quan chặt chẽ thường được tìm thấy trong những nơi bị nhiễm PAH ( Ahn et al. ,
1999). Như đã thảo luận trong chương 13 ,plasmid này cũng đã được sử dụng để tạo một hệ thống gen Biore - porter phát quang (Hình 13.24 ) . Ở đây các gen lux gây hiện tượng phát quang đã được đưa vào operon
nah trong plasmid NAH . Khi operon nah được hoạt hóa bởi sự hiện diện của naphthalene , cả hai gen làm phân hủy naphthlene và gen lux được thể hiện . Kết quả là, naphthalene phân hủy và xảy ra hiện tượng phát quang .Sự phát quang như vậy đang được sử dụng như cảm biến để nghiên cứu các hoạt động thời gian và không gian của các chất phát quang trong hệ thống đất.
Nhìn chung, chất thơm bao gồm một, hai, hoặc ba vòng đặc được chuyển nhanh chóng và thường bị khoáng hoàn toàn, trong khi đó chất thơm có chứa bốn hoặc nhiều vòng ngưng tụ được chuyển chậm hơn rất nhiều, thường là kết quả của cuộc tấn công cometabolic. Điều này là do sinh khả dụng hạn chế của các phân tửchất thơm có trọng lượng cao.
Như PAH rất hạn chế khả năng hòa tan dung dịch nước và ngấm vào bề mặt hạt trong đất và trầm tích. Tuy nhiên, nó đã được chứng minh d tiếp xúc lâu với các hợp chất thơm sẽ dẫn đến tăng tỷ lệ chuyển biến hóa vì thích ứng của một số tập hợp để tăng trưởng trên các hợp chất thơm.
• Điều kiện yếm khí
Như hydrocacbon các aliphatic,hợp chất thơm có thể được hoàn toàn bị phân hủy trong điều kiện yếm khí. Phân hủy kỵ khí chất thơm sản xuất benzoyl CoA như sự phân hủy chung trung gian (Hình 20.22).
Hình 20.22.phân hủy sinh học kỵ khí của benzoate và toluen hiển thị chung benzoyl -CoA trung gian.
Hình 20,23 phân hủy sinh học kỵ của các hợp chất thơm bởi một tập đoàn của vi khuẩn kỵ khí . Từ Pepper và các cộng sự . , 2006
Nếu các hợp chất thơm được oxy hóa như là benzoat, phân hủy sinh học xảy ra nhanh chóng và thậm chí có thể tương đương với điều kiện hiếu khí (Hình 20.14 ) . Tuy nhiên , trong điều kiện yếm khí một tập hợp vi sinh vật hỗn hợp làm việc với nhau mặc dù mỗi thành phần vi sinh vật đòi hỏi một điều kiện oxi hóa khử khác nhau. Ví dụ, phân hủy benzoate có thể đạt được bằng cách tăng điều kiện kỵ khí phân hủy benzoate trong kết hợp với một methanogen và giảm lượng muối sulfate. Những biến đổi ban đầu trong một hệ thống như vậy
thường được lên men, và kết quả hình thành các axit thơm , mà lần lượt được chuyển thành tiền thân của men vi sinh methanogenic như acetate, carbon dioxide, và format . Các phân tử nhỏ có thể được sử dụng bởi metan (Hình 20.23 ) . Tập hợp các hỗn hợp này được gọi là một tập đoàn .Người ta không biết làm thế nào tập đoàn này giải quyết vấn đề đòi hỏi phải mức oxi hóa khử khác nhau trong vùng lân cận cùng trong một hệ thống đất. Rõ ràng, thế oxi hóa khử cao hơn là cần thiết cho sự phân hủy của chất phức hợp hơn như benzoate , để lại axit hoặc rượu phân tử hữu cơ nhỏ hơn mà bị phân hủy ở thế oxi hóa khử thấp hơn. Để cuối cùng đạt được sự phân hủy có thể đòi hỏi các axit hữu cơ và rượu được hình thành ở thế oxy hóa khử cao hơn được vận chuyển bằng cách khuếch tán hoặc chuyển động với nước ( bình lưu ) đến một khu vực thế oxi hóa khử thấp hơn. Mặt khác , có thể màng sinh học hình thành trên bề mặt và
gradient oxi hóa khử được hình thành trong các màng sinh học cho phép phân hủy hoàn toàn xảy ra.