mở đầu sự phân hủy hiếu khí của hydrocarbon thơm [38]. Quá trình này vừa tăng độ tan của phân tử trong nước vừa hoạt hóa phản ứng. Nguyên tử oxy được đưa vào dưới dạng nhóm hydroxyl (-OH) và bắt nguồn từ oxy phân tử (O2) [38]. Phản ứng oxi hóa được xúc tác bởi các enzyme oxygenase.
Hai loại enzyme oxygenase bao gồm monooxygenase và dioxygenase. Enzyme monooxygenase đưa một nguyên tử oxy duy nhất vào cơ chất thơm. Trong khi đó dioxygenase đưa cả hai nguyên tử oxy vào cơ chất thơm, kích hoạt vòng thơm bằng cách hình thành các hợp chất dihydroxy và phá vỡ cấu trúc thơm. Ba con đường mở vòng chính đã được báo cáo đối với carbazole: Dioxy hóa bên ở vị trí carbon 3 và 4, monohydroxyl hóa ở vị trí carbon 1, 2 và 3 và oxy hóa góc ở vị trí carbon 1 và 9a [25, 38].
Dioxy hóa bên: Quá trình này hình thành hai nhóm hydroxyl ở vị trí bên của vòng benzen để tạo ra cis-dihydrodiol. Nhóm nghiên cứu của Grifoll đề xuất quá trình dioxy hóa carbazole bởi vi khuẩn Pseudomonas cepacia F297 ở cacbon C3 và C4. Carbazole được chuyển hóa tạo ra axit 4-(3′-hydroxy-2′-indoyl)-2-oxo-3- butenoic. Tuy nhiên, chủng F297 không thể sử dụng carbazole làm nguồn carbon và năng lượng [26].
Hydroxyl hóa: Biến đổi thông qua quá trình hydroxyl hóa là một phản ứng chuyển hóa carbazole phổ biến hơn ở vi khuẩn [26]. Sự chuyển đổi sinh học của carbazole thành hydroxycarbazole được đề cập trong nhiều báo cáo [21]. Aspergillus flavus VKM F-1024 đã monohydroxyl hóa carbazole ở vị trí 1, 2 và 3 10 tạo thành 1-, 2- và 3-hydroxycarbazole [21]. Sản phẩm chuyển hóa sinh học 3- hydroxycarbazole được xác định là sản phẩm chính trong khi 1-hydroxy- và 2- hydroxycarbazole là sản phẩm phụ.
Các dioxygenase của vi khuẩn như naphthalene 1,2-dioxygenase từ Pseudomonas sp. NCIB 9816-4 và biphenyl dioxygenase từ Beijerinckia sp. B8/36 xúc tác quá trình oxy hóa ban đầu của carbazole thành 3- hydroxycarbazole [26]. Dioxy hóa góc [26]: Khác với quá trình oxy hóa bên và monohydroxyl hóa, quá trình oxy hóa góc dẫn đến quá trình khoáng hóa hoàn toàn carbazole tạo thành catechol.
Carbazole được oxy hóa ở các nguyên tử carbon góc (C9a) và nguyên tử carbon liền kề (C1) để tạo ra 1-hydro-1,9a-dihydroxycarbazole. Sản phẩm tiếp tục được phân tách để tạo thành 2′-aminobiphenyl-2,3-diol. Chất trung gian này được chuyển thành axit anthranilic thông qua quá trình phân tách meta và quá trình thủy phân [21, 22]. Axit anthranilic được chuyển đổi thành catechol bằng cách dioxy hóa ở vị trí C1 và C2, sau đó là các phản ứng khử amin và khử carboxyl tự phát [21].
Catechol là hợp chất trung gian quan trọng tạo ra ở con đường ngoại vi được ghi nhận trong phần lớn các báo cáo phân tích chất trung gian chuyển hóa carbazole. Trong con đường trung tâm, catechol được chuyển đổi thành chất trung gian của chu trình axit tricarboxylic (TCA) thông qua quá trình phân cắt ortho (P. resinovorans CA10) hoặc quá trình phân cắt meta (P. Trên đây cũng là quy trình chung của các con đường phân cắt hydrocarbon, hydrocarbon thơm và các hợp chất POPs.
Các gen mã hóa các dioxygenase và monooxygenase là nền tảng cho các giai đoạn phân hủy của hydrocacbon thơm được báo cáo ở vi khuẩn bao gồm: bphAa, bphC, benA, pobA, carAa, antA, nahAa, nahAb, nahC, nagG, poxA, etbAa, nidA, phdF, pht3, phtAa, tphA2, cmtAb, cmtC, 11 hcaE và mhpB [38]. Trong đó carAa và bphC đã được chứng minh tham gia con đường phân hủy carbazole [25, 48]. Đa dạng vi khuẩn phân giải carbazole Vi khuẩn phân giải carbazole được tìm thấy chủ yếu từ mẫu đất, nước khu vực ô nhiễm do rác thải, hydrocarbon, tràn dầu hoặc ô nhiễm do chất diệt cỏ. Chúng có khả năng sử dụng carbazole làm nguồn carbon, nito và năng lượng.
Chiếm tỷ lệ lớn trong đó là các loài sinh trưởng hiếu khí. SL1, Pseudomonas sp. SL4 và Microbacterium esteraromaticum SL6 được phân lập từ đất nhiễm hydrocarbon và kim loại nặng [7].123 được phân lập từ đất của nhà máy sản xuất than lâu năm [8]. Pseudomonas rhodesiae KK1 được phân lập từ đất nhiễm hắc ín than đá [9].
Bảy chủng vi khuẩn Pseudomonas sp. được phân lập từ bùn hoạt tính của một nhà máy xử lý nước thải luyện cốc [51]. Pseudomonas stutzeri OM1 được tìm thấy trong bùn khu vực ô nhiễm nước thải đô thị [37]. Số khác được phát hiện từ nguồn phân lập không ô nhiễm.
Chủng vi khuẩn Burkholderia IMP5GC (AY914317) chịu nhiệt lên tới 70°C được phân lập từ suối nước nóng Mexico, có khả năng phân giải carbazole trên cả môi trường nước và môi trường hai pha dầu-nước [31]. Nhóm vi khuẩn phân lập từ nước biển thuộc các chi Neptuniibacter, Erythrobacter, Marinobacter, Caulobacter, Hyphomonas, Lysobacter, Sphingosinicella, Kordiimonas và Terrabacter, cũng cho thấy khả năng sử dụng carbazole cho sinh trưởng [11]. Bên cạnh nhóm các vi sinh vật hiếu khi tiềm năng, chỉ số ít các báo cáo ghi nhận vi khuẩn phân giải carbazole ở điều kiện vi hiếu khí. Chủng Bacillus sp.
KUKK-4 đã phân hủy 31% carbazole khi được nuôi cấy 28 ngày trong môi trường ban đầu chứa 1000 ppm carbazole ở điều kiện vi hiếu khí [67]. Một cộng đồng vi sinh vật, trong đó Pseudomonas sp., và Diaphorobacter sp. chiếm ưu thế, cho thấy khả năng thích nghi cao và duy trì tốt hiệu quả phân giải carbazole trong lò phản ứng yếm khí tăng cường siêu âm 70°C để xử lý nước thải [46]. Phần lớn các vi khuẩn phân giải carbazole đã được báo cáo là các chủng Gram âm.
Trong đó được báo cáo nhiều nhất là Pseudomonas và Sphingomonas. Các vi 12 khuẩn Gram dương phân giải carbazole đã được báo cáo bao gồm: Nocardioides aromativorans IC177, Gordonia sp.8 và Microbacterium esteraromaticum SL6 [26]. Đa dạng gen chức năng tham gia phân giải carbazole ở vi khuẩn Hệ thống CARDO ở Pseudomonas resinovorans CA10 Con đường chuyển hóa carbazole của chủng vi khuẩn Pseudomonas resinovorans CA10 đã được nghiên cứu chi tiết trong hai thập kỷ [8, 10, 18, 19, 25]. CARDO ở Pseudomonas resinovorans CA10 là một hệ thống dioxygenase ba thành phần thuộc hệ thống Rieske nonheme iron oxygenase (ROS), bao gồm một terminal oxygenase và các protein vận chuyển điện tử (Hình 1.
Hệ thống protein và enzyme tham gia phân hủy sinh học của CA10 bao gồm carbazole 1,9a-dioxygenase được mã hóa bởi carAa (terminal oxygenase), carAc (ferredoxin), và carAd (ferredoxin reductase) (Hình 1. CarBa, carBb mã hóa các tiểu đơn vị cấu trúc và tham gia xúc tác của enzyme cắt vòng thơm vị trí meta (2′-aminobiphenyl-2,3- diol 1,2-dioxygenase) (Hình 1. CarC mã hóa hợp chất hydorlase cắt meta. Các thành phần này cùng nhau chuyển đổi carbazole thành axit anthranilic và 2- hydroxy-4-pentenoate (Hình 4).
2-Hydroxypenta-2,4-dienoate được chuyển đổi thành axit pyruvic và acetyl coenzym A bởi 2-hydroxypenta-2,4-dienoate hydratase (được mã hóa bởi carD), 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase (được mã hóa bởi carE), và acetaldehyde dehydrogenase (được mã hóa bởi carF). Gen carDFE mã hóa con đường phân cắt meta đã được xác định ở vùng cuối của carAd. Gen antABC mã hóa anthranilate 1,2-dioxygenase nằm trên carAa. Trong số nhiều dioxygenase của hợp chất thơm được báo cáo, CARDO là dioxygenase duy nhất có thể xúc tác quá trình cis-dihydroxyl hóa, monooxygen hóa và dioxygen hóa góc trên các hợp chất thơm khác nhau [18].
Chuỗi truyền điện tử bắt đầu con đường chuyển hóa carbazole và các protein liên quan của chủng Pseudomonas resinovorans CA10 [10] Hình 1. Con đường chuyển hóa carbazole của vi khuẩn Gram âm P. resinovorans CA10 và vi khuẩn Gram dương N. Cụm gen phân giải carbazole của chủng Sphingomonas sp.
KA1 Cụm gen car ở Sphingomonas sp. KA1 tương đồng <60% với cụm gen car ở Pseudomonas [25, 12]. KA1 có cụm gen car (carAaBaBbCAc), một gen ferredoxin (fdxI) và hai gen ferredoxin reductase (fdrII và fdrII). CarAa ở Sphingomonas sp.
KA1 và Pseudomonas resinovorans CA10 tương đồng hơn 55%. CarAc khác nhau giữa hai chi này [26]. Cụm gen phân giải carbazole ở Nocardioides aromaticivorans IC177 Cụm gen phân hủy carbazole của vi khuẩn Gram dương Nocardioides aromaticivorans IC177 bao gồm carAaCBaBbAcAd và carDFE [17, 23]. CarAa tương đồng 49% với CarAa từ Sphingomonas sp.
CarAc tương đồng 31% với CarAc từ P. Vị trí của carC so với carBaBb trong chủng IC177 nằm ngược lại với vị trí trong cụm gen car của Pseudomonas và Sphingomonas [26]. Dioxygenase ở IC177 có thể xúc tác đồng thời cho cả hai phản ứng hydroxyl hóa và oxy hóa góc. Các gen này mã hóa các enzym phân cắt 14 carbazole thành anthranilate và 2-hydroxypenta-2,4-dienoate (HPD) (hydroxyl hóa) và HPD thành pyruvate và acetyl coenzyme A.
Hệ thống protein và enzyme phân giải carbazole tham gia chuyển hóa dioxin và PAHs khác Carbazole và dioxin tương đồng về khung phân tử [33, 41]. Do đó, hai nhóm chất này cũng có chung một số cơ chế phân tách nhân thơm với hệ thống protein và enzyme chức năng tương tự (Hình 1. Hai cơ chế đầu tiên phá vỡ cấu trúc bền vững của dioxin là oxy hóa bên và oxy hóa góc [41, 34]. Trong quá trình oxy hóa bên, sự hydroxyl hóa vòng thơm xảy ra trên các nguyên tử carbon 1,2 hoặc 2,3 hoặc 3,4.
Hoạt động này tương tự với con đường chuyển hóa các hợp chất thơm đa vòng (PAHs), trong đó có carbazole [11, 41]. Quá trình oxy hóa góc xảy ra ở các nguyên tử carbon phụ thuộc vào cầu ether (4, 4a) nhờ các dioxygenase [34]. Hoạt động của dioxygenase dẫn đến sự phân cắt vòng phá hủy hoàn toàn cấu trúc phẳng và do đó dẫn đến giảm đáng kể độc tính của dioxin [11, 34]. Hệ dioxygenase chuyển hóa dioxin của chủng Sphingomonas wittichii RW1 [34].
Con đường chuyển hóa dioxin của Sphingomonas wittichii RW1 đã được nghiên cứu chi tiết [15, 34,41]. Enzyme dioxin dioxygenase phân cắt dibenzofuran được tạo ra bởi RW1 đã cho thấy hoạt động dị hóa tích cực trên phân tử carbazole 15 [15, 34]. Trong quá trình này, dioxin dioxygenase đã tấn công vào vị trí góc tiếp giáp với nguyên tử nitơ (vị trí 1 và 9a), chuyển đổi carbazole thành axit anthranilic và catechol. Chủng Pseudomonas resinovorans CA10 phân giải carbazole được báo cáo có khả năng phân hủy dibenzofuran và dibenzo-p-dioxin [10].
Các gen CARDO 1,9a-dioxygenase của CA10 có thể chuyển đổi dibenzo-p-dioxin và dibenzofuran thành 2,2′,3-THDE và 2,2′,3-THB tương ứng. Hoạt động chuyển hóa dibenzofuran và dibenzothiophene của vi khuẩn phân giải carbazole Sphingobium yanoikuyae XLDN2-5 được báo cáo bởi Zhonghui và cộng sự [6, 50]. XLDN2-5 phân hủy dibenzofuran thành axit 2-hydroxy-6-(2-hydroxyphenyl)-6-oxo-2,4-hexadienic và sau đó thành axit salicylic thông qua con đường oxy hóa góc. Trái ngược với dibenzofuran, chủng XLDN2-5 có thể biến đổi dibenzothiophene thông qua con đường phân cắt vòng và sulfoxid hóa [50].
Đặc biệt, XLDN2-5 có thể làm suy giảm dibenzofuran và dibenzothiophene bằng cách sử dụng carbazole làm chất nền khi cả ba cơ chất này có mặt đồng thời trong môi trường nuôi cấy. Những kết quả này chỉ ra rằng XLDN2-5 có phạm vi cơ chất rộng và xúc tác cho quá trình oxy hóa đa dạng. XLDN2-5 đã xúc tác đồng thời ba quá trình oxy hóa góc, dioxy hóa bên và oxy hóa đơn. KA1 cũng được chứng minh có khả năng loại bỏ dibenzofuran, dibenzo-p-dioxin và 2-chlorodibenzo-p- dioxin khỏi đất bị ô nhiễm [12].
Vi khuẩn phân hủy carbazole Lysobacter sp.