2. 1 Tình hìn hô nhiễm dầu trên thế giới:
2.5.1. Phân hủy hydrocacbon no:
* Phân hủy n-alkan mạch thẳng.
Hiện nay, các tài liệu công bố cho thấy có thể có ba con đƣờng tấn công của vi sinh vật đối với n-alkan mạch thẳng [12], [18],[ 19],[36].
Con đường 1 : Oxy hoá tại một nhóm methyl tận cùng.
+ Trƣờng hợp 1:
Phần lớn vi sinh vật mở đầu quá trình trao đổi chất ở n-alkan bằng một đầu tận cùng của nhóm methyl nhờ enzym hydrolaza ( monoxygenaza) tạo rƣợu andehyt, rồi sau đó là axit hữu cơ.
CH3(CH2)nCH3 CH3(CH2)nCH2OH CH3(CH2)nCHO
CH3(CH2)nCOOH
Giai đoạn này đòi hỏi sự tham gia của một phân tử oxy và chất cho điện tử NADPH2, oxy sẽ kết hợp với phân tử n-alkan và chuyển hoá n-alkan thành rƣợu, đồng thời giải phóng ra một phân tử H2O [10], [12].
R-CH3+ O2+ NAD(P)H + H+= R-CH2-OH + NAD(P) + H2O
+ Trƣờng hợp 2:
Ít xảy ra hơn, có sự tham gia của enzym dioxygenaza, khi đó các phân tử oxy sẽ đƣợc chuyển hoá vào trong phân tử n-alkan và biến đổi chúng sang một dạng khác hydro peroxit không bền và ngay lập tức chúng lại bị chuyển hoá thành rƣợu và nƣớc [10], [18] .
R-CH2-CH3+ O2 R-CH2-CH2-OOH
R-CH2-CH2-OOH + NADPH2 R-CH2-CH2-CH + NADP + H2O Trong hầu hết trƣờng hợp, bƣớc đầu tiên là sự tấn công trực tiếp vào nhóm methyl của phần cuối và tạo phân tử rƣợu. Nếu mức độ oxy hoá cao hơn có thể tạo ra tới aldehyt hay axit béo. Có trƣờng hợp nhóm methyl cuối cùng bị oxy hoá và lúc này sản phẩm tạo ra là axit dicacboxylic. Đây là cách để đi vòng qua sự ngăn cản tới chuỗi b-oxy hoá để thực hiện việc chuyển hóa tiếp theo đối với các chuỗi cacbon có mạch nhánh [14], [28].
Khi các axit béo đƣợc tạo thành, sự phân hủy tiếp tục xảy ra qua sự - oxy hoá. Các axit béo mạch dài đƣợc chuyển hoá tới axetylCoA, đƣợc hoạt hoá bởi một chuỗi các enzym và kết quả là nhóm axetylCoA bị chia cắt, axit béo sẽ có mạch ngắn đi hai nguyên tử C. Quá trình này đƣợc lặp lại và cuối cùng phân tử CoA qua chu trình Creb và đƣợc chuyển hoá tới CO2 Và H2O. Trong chuỗi -oxy hoá không nhất thiết có mặt của phân tử oxy và sau khi đƣợc hoạt hoá các axit béo có thể bị phân hủy trong điều kiện kỵ khí [12], [16], [18].
Ở một số nấm men nhƣ Candida maltosa, C.tropicalis và C.apicpla sử dụng n-alkan và hydrocarbon no mạch thẳng nhƣ là nguồn năng lƣợng duy nhất, quá trình oxi hoá có sự tham gia các dạng cytocrom P450 microsom. Theo Radwan và cộng sự [37] quá trình oxy hoá n-alkan có thể xảy ra theo hƣớng oxy hoá nhóm methyl cuối cùng và oxy hoá hai nhóm methyl ở hai đầu của chuỗi n-alkan với sự tham gia của các dạng cytocrom P450 microsom.
* Con đường 2: oxy hoá tại nhóm methyl gần tận cùng
( subtennỉnal oxidation)
R1CH2-CH2-CH2- R2 R1CH2-CH(OH)-CH2-R2
R1CH2-C(O)-CH2-R2 R1CH2-O-C(O)-CH2-R2
R1CH2OH + R2-CH2-COOH oxy hoá hoặc chu trình Creb và
các chu trình glycoxylat
R1COOH
Một số vi sinh vật có thể tấn công vào các phân tử n-alkan với sự có mặt của phân tử oxy và kết quả tạo ra rƣợu bậc hai đầu tiên, rồi sau đó tới keto và cuối cùng là este. Các phân tử este này lại bị hydrat hoá thành rƣợu bậc 1 và axit béo ( tổng số phân tử cacbon trong hai mảnh cắt này là cân bằng với số phân tử cacbon ban đầu). Rƣợu đƣợc tiếp tục oxy hoá tới andehyt và axit béo. axit béo lại tiếp tục chuyển hoá theo chuỗi -oxy hoá nhƣ cách trên [l], [18], [19].
* Con đường 3: oxy hoá hai nhóm methyl ở hai đầu xảy ra ở một số vi khuẩn và nấm [ 13],[ 20] ( biterminal oxidation ).
H3C-R-CH3 H3C-R-CH2OH HOCH2RCH2OH * Phân hủy n-alkan mạch nhánh
Một số vi sinh vật có khả năng oxy hoá alkan mạch nhánh nhƣng tốc độ oxy hoá thƣờng chậm hơn so với quá trình oxy hoá mạch thẳng ở cùng một cơ thể. Các n-alkan mạch nhánh đơn giản dễ bị phân hủy sinh học hơn so với n- alkan mạch nhánh phức tạp. Alkan có mạch nhánh methyl ở đầu chuỗi thƣờng khó bị phân hủy hơn so với methyl ở giữa mạch. Trƣớc kia, pristan ( 2, 6, 10, 1 4-tetramethyl pentadecan) đƣợc xem nhƣ là hợp chất chỉ thị “marker” trong nghiên cứu phân hủy sinh học dầu. Tuy nhiên hiện nay, có nhiều nghiên cứu về sự phân hủy của hợp chất này bởi vi sinh vật [15], [18], [32] do đó pristan đã đƣợc thay bằng hopan. Theo Pirnik, quá trình phần hủy pristan có thể theo hƣớng oxy hoá hoặc a [36], sản phẩm cuối có thể là succinat. Nghiên cứu của Rontani và Giusti [38] về phân hủy 2,2,4,4,6,8,8 - heptamethylnonan cho thấy oxy hoá hydrocarbon tại vị trí và tạo ra keton. Tiếp theo, keton đƣợc oxy hoá thành este, axit béo và rƣợu, các sản phẩm này tiếp tục tham gia vào quá trình oxy hoá .
* Phân hủy hydrocarbon no mạch vòng
Phân hủy sinh học hydrocarbon no mạch vòng thƣờng có sự tham gia đồng chuyển hoá ( co-metabolism) hoặc tập đoàn vi sinh vật cùng thực hiện quá trình đồng chuyển hoá [14], [31]. Trong cùng một dạng xyclo alkan, phân tử nào có mạch alkyl dài hơn sẽ dễ bị phân hủy hơn bởi vi sinh vật. Bƣớc đầu tiên trong quá trình đồng chuyển hoá do monooxygenase chuyển hoá hydrocarbon no mạch vòng thành rƣợu hoặc keto. Tiếp theo, các hợp chất này đƣợc chuyển hoá tiếp bởi vi sinh vật chuyên biệt khác trong quần thể vi sinh vật.
Phân hủy hydrocarbon no mạch vòng có chuỗi alkyl dài có thể xảy ra ở vòng hoặc chuỗi alkyl phụ thuộc vào đối tƣợng vi sinh vật hoặc cơ chất [41] .
Nghiên cứu khác của Beam và Perry [14] cho thấy, Mycobacterium và
Nocardia có thể phân hủy methyl- hoặc ethyl-cyclohexan và chuyển hoá
chuỗi cacbon bên cạnh bởi oxy hoá tạo ra axit béo cycloalkanoic tích luỹ ở màng tế bào. Oxy hoá hợp chất có chuỗi alkyl lẻ sẽ tạo ra cyclohexan carbonylCoA sau đó vòng thơm có thể đƣợc mở và chuyển hoá tiếp. Ngƣợc lại, hợp chất có chuỗi alkyl chẵn thƣờng đƣợc phân hủy thành axit cyclohexylacetic tích luỹ trong môi trƣờng.
Đối với các hợp chất đa vòng và cycloalken có rất ít nghiên cứu, tuy nhiên các bằng chứng cho thấy chúng có thể đƣợc đồng chuyển hoá [14],[31].