Phân hủy sinh học các PAH có thể diễn ra theo hai cơ chế trao đổi chất và đồng trao đổi chất. Quá trình chuyển hóa PAH bởi vi sinh vật có thể phân hủy thành các dạng không độc hoặc chuyển hóa hoàn toàn thành CO2. Cerniglia cho rằng quá trình phân hủy PAH có thể theo ba chiều hướng: phân hủy hoàn toàn, đồng phân hủy và oxi hóa không đặc hiệu [16].
Cerniglia (1993) đã tóm lược phân hủy PAH bởi vi sinh vật theo 3 nhóm chính (hình 1.2). Theo Cerniglia, catechol là chất trung gian của phân hủy sinh học PAH bởi vi khuẩn và tảo, tiếp theo catechol lại được cắt vòng ở vị trí ortho và meta [16]. PAH Vi nấm, tảo Nấm tr¾ng Cyt P-450/Methan Monooxygenase Vi khuẩn, tảo Dioxygena se Dehydrogenase C¾t vßng C¾ t C¾ t Lignin peroxidase, laccase
Suntherland (1995) cũng đưa ra sơ đồ tương tự về các con đường phân hủy PAH bởi vi khuẩn và nấm (Hình 1.3)[51]. Cụ thể, các PAH được phân hủy bởi vi sinh vật như:
- Chuyển hóa PAH đến cis-dihydrodiol, phenol và các sản phẩm cắt vòng bởi vi khuẩn và vi khuẩn lam
- Chuyển hóa PAH đến phenol bởi vi khuẩn nhóm methylotrophic - Chuyển hóa PAH đến trans-dihydrodiol bởi vi nấm, vi khuẩn, và vi khuẩn lam
- Chuyển hóa PAH đến quinon bởi nấm mục trắng (white-rot fungi)
Hình 1.3. Ba con đường phân hủy hiếu khí PAH chính của vi khuẩn và nấm
Chuyển hóa PAH đến trans-dihydrodiol bởi vi nấm, vi khuẩn và vi khuẩn lam. Hiện nay người ta đã biết đến các enzyme cytochrome P450 monooxygenase được sinh ra bởi một loài vi nấm, vi khuẩn và vi khuẩn lam.
Các enzyme này tham gia chuyển hóa PAH đến dạng aren oxit, sau đó dạng hợp chất trung gian này được hydrat hóa bởi enzyme epoxyt hydrolase đến dạng trans-dihydrodiols hoặc được tái sắp xếp không có sự tham gia của enzyme tạo thành dạng phenol. Trong trường hợp các vi sinh vật chỉ có thể thực hiện theo cách chuyển hóa này, thì chúng sẽ không sử dụng PAH như nguồn cacbon mà chỉ có thể loại bỏ tính độc của PAH [16], [51].
Chuyển hóa PAH đến quinon bởi nấm trắng (white- rot fungi): Một số nấm trắng phân hủy lignin và cellulo (có trong gỗ) sẽ chuyển hóa PAH đến quinon và các chất khác mà không qua cis-dihydrodiol hoặc trans- dihydrodiol, trong một số trường hợp quá trình chuyển hóa này có sự tham gia của lignin peroxydase [16], [51].
Nhiều nghiên cứu cho thấy, trong vi khuẩn, các gen mã hóa các enzym tham gia vào quá trình chuyển hóa PAH có thể nằm trên plasmid hoặc chromosome [29]. Trong hai thập kỷ vừa qua, một nhóm các gen bảo thủ cao dị hóa PAH (các gen giống nah) từ các loài Pseudomonas đã được điều tra đầy đủ bao gồm cả quan hệ chức năng-cấu trúc và tiến hóa của các gen này [29]. Tuy nhiên, gần đây các gen dị hóa PAH mà có sự khác nhau về tiến hóa đối với gen giống nah đã được nghiên cứu ở các vi khuẩn Gram âm khác và cả vi khuẩn Gram dương [29].
Theo Wikstrom (1996), bước đầu tiên của phân hủy sinh học hiếu khí PAH phụ thuộc có sự tham gia của hệ enzyme đa thành phần xúc tác sự hydroxyl hóa các hợp chất PAH và tạo ra dạng cis-dihydrodiol [56]. Một số tác giả khác cho rằng, các con đường phân hủy hydrocarbon thơm trong điều kiện hiếu khí đều xảy ra qua các bước cắt vòng thơm, loại vòng theo con đường ở phần trên cùng (upper pathway) và tạo thành catechol [56], [46], [44]. Tiếp theo, quá trình cắt vòng của catechol bởi enzyme dioxygenase có thể xảy ra tại các vị trí meta và ortho. Cắt vòng catechol ở vị trí ortho được
thực hiện bởi enzym catechol 1,2-dioxygenase để tạo ra cis, cis-muconic acid, chất này sau đó được phân hủy theo con đường β-ketoadipate [34]. Cắt vòng tại vị trí meta của catechol được thực hiện bởi enzyme catechol 2,3- dioxygenase (C23O) tạo ra 2-hydroxymucomic semialdehyde [34], đây được coi là quá trình phổ biến nhất ở các giai đoạn tiếp sau ở con đường phía dưới (lower pathway) của quá trình phân hủy các PAH [56], [45], [44]. Enzyme catechol 2,3-dioxygenase là thành viên của liên họ enzyme Extradiol dioxygenase. Các enzyme extradiol dioxygenase được xem như là các enzyme chìa khóa trong rất nhiều con đường phân hủy các hợp chất thơm bởi vi khuẩn cũng như các phản ứng được xúc tác bởi các enzyme này [46]. Do vị trí quan trọng và trung tâm của catechol nên gen mã hóa cho enzyme catechol 2,3- dioxygenase được quan tâm đặc biệt trong các nghiên cứu đánh giá cũng như phát hiện ra khả năng phân hủy PAH của các chủng vi sinh vật, tập đoàn vi sinh vật tại các điểm ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ [45]. Đã có rất nhiều nghiên cứu khai thác các giá trị tiềm tàng ứng dụng và lý thuyết của C23O trong bảo vệ môi trường và trong các lĩnh vực khác. Các enzyme extradiol dioxygenase có hoạt tính tốt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự gia tăng các hoạt động đồng hóa PAH. Tính đến năm 2004 đã có trên 30 enzym C23O và nhiều trình tự nucleotide của các gen mã hóa C23O đã được xác định [34]. Hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫn đang khai thác các khía cạnh ứng dụng và học thuyết của C23O và gen mã hóa C23O trong các chủng đơn, tập đoàn và trong quá trình phân hủy các chất vòng thơm ở tự nhiên và trong xử lý làm sạch bằng phân hủy sinh học.
PAH là các chât gây ô nhiễm quan trọng trong nước ngầm. Các PAH có 2 và 3 vòng được quan tâm đặc biệt do khả năng hòa tan cao hơn trong nước và dễ di chuyển vào nước ngầm [43]. Hiện nay, có rất ít công bố về chuyển hóa PAH bởi vi khuẩn kỵ khí. Mặc dù naphthalene và acenaphthalene
đã được loại bỏ (rất ít) bởi hỗn hợp vi khuẩn khử nitrat, tuy nhiên cơ chế trao đổi chất của quá trình chưa được sáng tỏ. Gần đây, Coates và cộng sự đã công bố về khả năng oxy hóa PAH đến CO2 dưới điều kiện khử sulphat của các mẫu tràm tích vịnh San Diego [18]. Tuy nhiên quá trình này đòi hỏi nhiều thời gian và tốc độ rất chậm [16].
Phân hủy kỵ khí PAH đã được nghiên cứu với NO3-, ion Fe hoặc SO42- như là các chất nhận điện tử và dưới các điều kiện sinh methan. Các con đường phân hủy sinh hóa đã được nghiên cứu với các tập đoàn vi khuẩn hoặc chủng sạch phân hủy napthalene và cho thấy, 2-naphthoic acid là chất trao đổi chất trung gian. Naphthalene được họat hóa bởi bổ sung đơn vị C1 để tạo ra 2-naphthoic acid, trong khi đó methylnaphthalene được hoạt hóa bởi bổ sung fumarate đối với nhóm methyl và được phân hủy tiếp thành 2-naphthoic acid. Phân hủy 2-naphthoic acid được thực hiện qua khử và cắt vòng để tạo ra 5,6,7,8-tetrahydro-2-naphthoic acid. Sản phẩm trung gian cắt vòng như là 2- carboxyclohexylacetic acid cho thấy sự phân hủy diễn ra qua các dẫn xuất cyclohexan chứ không qua các hợp chất thơm. Phân hủy kỵ khí PAH cũng đã được chứng minh trong môi trường nước nhiễm bằng xác định các hợp chất trao đổi chất đặc hiệu và nghiên cứu đồng vị phóng xạ. Các sản phẩm trao đổi chất đặc hiệu phân hủy kỵ khí PAH như naphthyl-2-methylsuccinate đã được phát hiện chứng tỏ sự phân hủy kỵ khí của 2-methylnaphthalene, trong khi đó 2-naphthoic acid là dấu hiệu của phân hủy kỵ khí naphthalene và 2- methylnaphthalene [43].
1.5. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình phân hủy các hợp chất hydrocarbon thơm đa nhân