ABSTRACT. Several aerobic metabolic

ABSTRACT. Several aerobic metabolic pathways for the degradation of benzene, toluene, ethylbenzene

and xylene (BTEX), which are provided by two enzymic systems (dioxygenases and monooxygenases),

have been identified. The monooxygenase attacks methyl or ethyl substituents of the aromatic ring, which

are subsequently transformed by several oxidations to corresponding substituted pyrocatechols or phenyl-
glyoxal, respectively. Alternatively, one oxygen atom may be first incorporated into aromatic ring while the

second atom of the oxygen molecule is used for oxidation of either aromatic ring or a methyl group to cor-
responding pyrocatechols or protocatechuic acid, respectively. The dioxygenase attacks aromatic ring with

the formation of 2-hydroxy-substituted compounds. Intermediates of the "upper" pathway are then minera-
lized by either ortho- or meta-ring cleavage ("lower" pathway). BTEX are relatively water-soluble and there-
fore they are often mineralized by indigenous microflora. Therefore, natural attenuation may be considered

as a suitable way for the clean-up of BTEX contaminants from gasoline-contaminated soil and groundwater.

CONTENTS

1 Introduction 83

2 Aerobic degradation of B'ITX 84

2.1 Transformation by monooxygenase 84

2.2 l'ranstbrnlation by dioxygenase 87

2.3 BTEX degraders isolated by enrichment on other substrates 89

3 Effect of physical and chemical factors on bacterial degradation of BTEX

4 Natural attenuation of BTEX contaminated sites 91

References 91

I INTRODUCTION

Benzene, toluene, ethylbenzene and xylene (BTEX) are volatile simple aromatic hydrocarbons com-
monly present in crude petroleum and petroleum products such as gasoline. They are also produced in Tg

(i.e. megatons) per year as bulk chemicals for industrial use as solvents and starting materials for the manu-
facture of pesticides, plastics and synthetic fibers (Harwood et al. 1997). BTEX are considered to be one of

the major causes of environmental pollution because of widespread occurrence of leakage from underground

petroleum storage tanks and spills at petroleum production wells, refineries, pipelines and distribution ter-
minals (Fries et al. 1994). Contamination of groundwater with the BTEX compounds is difficult to remedy

because these compounds are relatively water-insoluble (Table i) and can diffuse rapidly once introduced

into aquifers. Techniques for in situ bioremediation are used to eliminate or reduce contamination levels

in aquifers (see, e.g., Damborsk~ et al. 2000; Obuekwe et al. 2001).

BTEX compounds are included in European priority lists and are frequently observed as groun-
dwater pollutants due to their widespread use in petroleum industry or as solvents. Despite the toxicity and

persistence, many microorganisms are able to transform or mineralize these compounds and use them as

a sole source of carbon and energy (Damborsk~' et al. 2000).

Mineralization of BTEX has been reported under aerobic conditions as well as in the presence of

other electron acceptors. However, diverse pathways are assumed to be responsible for a productive break-
down of BTEX components under aerobic conditions. Therefore, complete BTEX mineralization involves

84 L .IINI)ROVA et al Vol. 47

a complex community of microorganisms including those responsible for the degradation of misrouted sub-
strates that have not been characterized until present.

Fable I. Water solubility (Wva q, %) and octanol-watcr partition coefficients (Kow) ot BTEX

Compound Benzene Toluene Ethylbenzene o-Xylene m-Xylene p-Xylene

log Kow 2.130 2.690 3.150 2.770-3.120 3.200 3.150

Wva q 0.178 0.0627 0.0152 0.0175 0.0196 0.019

Aerobic degradation of these compounds is usually initiated by progressive oxidation of the alkyl

side chain of the aromatic ring to produce carboxylic acids, or ring oxidation which produces substituted

pyrocatechols. Carboxylic acids and pyrocatechols are then transformed to substrates of the citrate cycle

through cleavage of the aromatic ring.

Anaerobic metabolism is important, because BTEX are frequently found under oxygen-limiting

conditions in sediments, groundwater and soil. No single organism has been reported to mineralize benzene

completely under anaerobic conditions. However, it has been shown to be degraded anaerobically by enri-
ched mixed culture. Both toluene and ethylbenzene have been shown to have a common metabolic inter-
mediate, benzoyI-CoA, which is the most frequent central intermediate of anaerobic aromatic metabolism (Hei-
der et al. 1997). The aromatic ring of benzoyI-CoA is reduced and eventually transformed to acetyI-CoA.

Few organisms are capable to metabolize xylene anaerobically. They include strains of denitrifying bacteria

capable of using m-xylene as growth substrate (Harwood et al. 1997). This review will focus on aerobic

metabolism of BTEX.

AEROBIC DEGRADATION OF BTEX

Two bacterial multicomponent enzymic systems, monooxygenases and dioxygenases, were found

to be responsible for the degradation of BTEX in the environment. Monooxygenases produce arene oxides

as intermediates and use only one oxygen atom from the oxygen molecule during oxidation. They must be

coupled with a hydratase or they need the presence of peroxide to produce trans-diols. Toluene-xylene

monooxygenases of Pseudomonas mendocina KRI and Burkholderia cepacia G4 use non-heme iron as

electron acceptor. Dioxygenases were found only in bacteria and generate peroxide intermediates, which are

spontaneously transformed into cis-diols. They use both oxygen atoms from an oxygen molecule. Dioxy-
genases are non-heme Fe3+-containing enzymes and more substrate-specific than monooxygenases. Staple-
ton et al. (1998) have used several DNA probes to understand the distribution of known enzymic systems in

the jet-fuel field. The average percentage of community values were 10.8 % alkB (alkane hydroxylase),

7.6 % nahA (naphthalene dioxygenase), I 1.1% nahH/xylE (pyrocatechol-2,3-dioxygenase), 7.3 % todCIC2

(toluene dioxygenase), 5.3 % tomA (toluene monooxygenase) and 2.5 % xylA (xylene monooxygenase)

genotypes.

Kết quả (Việt) 2:

TÓM TẮT. Một số con đường chuyển hóa hiếu khí cho sự xuống cấp của benzene, toluene, ethylbenzene và xylene (BTEX), được cung cấp bởi hai hệ thống enzym (dioxygenases và monooxygenases), đã được xác định. Các cuộc tấn công monooxygenase methyl hoặc ethyl thế của vòng thơm, mà sau đó được biến đổi bởi nhiều oxy hóa để thay thế hoặc phenylglycine pyrocatechols tương ứng glyoxal, tương ứng. Ngoài ra, một nguyên tử oxy có thể được đầu tiên đưa vào vòng thơm trong khi các nguyên tử thứ hai của các phân tử oxy được sử dụng cho quá trình oxy hóa của một trong hai vòng thơm hoặc một nhóm methyl vào nhũng đáp ứng pyrocatechols hoặc acid protocatechuic, tương ứng. Các cuộc tấn công dioxygenase vòng thơm với sự hình thành các hợp chất 2-hydroxy-thay thế. Trung gian của con đường "thượng" là sau đó minera- lized bởi một trong hai ortho hoặc meta-ring bào phân chia (con đường "thấp hơn"). BTEX là tương đối hòa tan trong nước và there- fore họ thường là khoáng hóa bởi vi bản địa. Do đó, sự suy giảm tự nhiên có thể được coi như là một cách thích hợp cho việc thu dọn các chất gây ô nhiễm từ đất BTEX xăng bị ô nhiễm và nước ngầm. NỘI DUNG 1 Giới thiệu 83 2 Aerobic suy thoái của B'ITX 84 2.1 chuyển đổi bởi monooxygenase 84 2.2 l'ranstbrnlation bởi dioxygenase 87 2.3 degraders BTEX cô lập bằng cách làm giàu trên bề mặt khác 89 3 Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học trên xuống cấp do vi khuẩn của BTEX 4 suy giảm tự nhiên của các trang web BTEX bị ô nhiễm 91 Tài liệu tham khảo 91 I GIỚI THIỆU Benzen, toluene, ethylbenzene và xylene (BTEX) là hydrocacbon thơm đơn giản dễ bay hơi com- monly hiện diện trong dầu mỏ và sản phẩm dầu thô như xăng. Họ cũng được sản xuất tại Tg (tức là megaton) mỗi năm là hóa chất số lượng lớn dùng trong công nghiệp như các dung môi và vật liệu khởi đầu cho manu- facture của thuốc trừ sâu, chất dẻo và sợi tổng hợp (Harwood et al. 1997). BTEX được coi là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường do lớn xảy ra rò rỉ từ dưới lòng đất bể chứa xăng dầu và tràn tại giếng sản xuất dầu mỏ, nhà máy lọc dầu, đường ống và thổ phân phối minals (Fries et al., 1994). Ô nhiễm nguồn nước ngầm với các hợp chất BTEX là khó khăn để khắc phục vì các hợp chất này là tương đối không tan trong nước (Bảng I) và có thể khuyếch tán nhanh chóng khi được giới thiệu vào các màng lọc. Các kỹ thuật tại chỗ xử lý sinh học được sử dụng để loại bỏ hoặc làm giảm mức độ ô nhiễm trong các tầng ngậm nước (xem, ví dụ, Damborsk ~ et al 2000;. Obuekwe et al 2001).. Hợp chất BTEX nằm trong danh sách ưu tiên của châu Âu và được quan sát thường xuyên như groun- dwater chất ô nhiễm do sử dụng rộng rãi ở các ngành công nghiệp dầu khí hoặc làm dung môi. Mặc dù độc tính và bền bỉ, nhiều vi sinh vật có khả năng biến đổi hoặc khoáng hóa các hợp chất này và sử dụng chúng như một nguồn carbon duy nhất và năng lượng. (Et al., 2000 Damborsk ~ ') Khoáng của BTEX đã được báo cáo trong điều kiện hiếu khí cũng như trong sự hiện diện của các chất nhận electron. Tuy nhiên, con đường khác nhau được cho là chịu trách nhiệm cho một bứt phá suất xuống các thành phần BTEX trong điều kiện hiếu khí. Vì vậy, hoàn khoáng BTEX liên quan đến 84 L .IINI) ROVA et al Vol. 47 một cộng đồng phức tạp của các vi sinh vật bao gồm cả những người chịu trách nhiệm về sự suy thoái của phụ misrouted strates chưa được đặc trưng cho đến hiện tại. Fable I. Độ tan trong nước (WVA q,%) và octanol-watcr hệ số phân vùng (Kow) ot BTEX Compound Benzen Toluene ethylbenzene o-Xylene m-Xylene p-Xylene log Kow 2.130 2.690 3,150 2,770-3,120 3,200 3,150 WVA q 0,0627 0,0152 0,0175 0,178 0,0196 0,019 Aerobic suy thoái của các hợp chất này thường được khởi xướng bởi quá trình oxy hóa tiến bộ của các alkyl chuỗi bên của vòng thơm để sản xuất axit cacboxylic, hoặc quá trình oxy hóa nhẫn trong đó sản xuất thay pyrocatechols. Axit cacboxylic và pyrocatechols sau đó được chuyển thành các chất nền của chu kỳ citrate qua phân cắt của vòng thơm. Trao đổi chất kỵ khí là quan trọng, bởi vì BTEX thường được tìm thấy dưới oxy hạn chế điều kiện trong trầm tích, nước ngầm và đất. Không một sinh vật duy nhất đã được báo cáo là khoáng hóa benzen hoàn toàn trong điều kiện yếm khí. Tuy nhiên, nó đã được chứng minh có sự xuống cấp kỵ khí bằng enri- pha trộn văn hóa CHED. Cả hai toluene và ethylbenzene đã được chứng minh là có một trao đổi chất thông thường liên hòa giải, benzoyI-CoA, mà là trung tâm trung gian của quá trình chuyển hóa kỵ khí thơm thường xuyên nhất (Hei- der et al. 1997). Vòng thơm của benzoyI-CoA được giảm và cuối cùng chuyển thành acetyI-CoA. Rất ít sinh vật có khả năng chuyển hóa chất xylene kỵ khí. Chúng bao gồm các chủng vi khuẩn khử Nitơ có khả năng sử dụng m-xylen như chất nền tăng trưởng (Harwood et al. 1997). Đánh giá này sẽ tập trung vào aerobic sự trao đổi chất của BTEX. SUY THOÁI AEROBIC HÀNH BTEX Hai vi khuẩn đa thành phần enzym hệ thống, monooxygenases và dioxygenases, đã được tìm thấy để chịu trách nhiệm cho sự xuống cấp của BTEX trong môi trường. Monooxygenases sản xuất oxit arene như trung gian và chỉ sử dụng một nguyên tử oxy từ phân tử oxy trong quá trình oxy hóa. Họ phải được kết hợp với một hydratase hoặc họ cần sự hiện diện của peroxide để sản xuất trans-diol. Toluene-xylene monooxygenases Pseudomonas mendocina Kri và Burkholderia cepacia sử dụng G4 sắt non-heme là chất nhận electron. Dioxygenases chỉ được tìm thấy ở vi khuẩn và tạo ra peroxide trung gian, mà đang tự biến thành cis-diol. Họ sử dụng cả hai nguyên tử oxy từ một phân tử oxy. Dioxy- genases là phi-heme Fe3 + -containing enzyme và nhiều chất nền cụ thể hơn monooxygenases. Staple- tấn et al. (1998) đã sử dụng nhiều đầu dò DNA để hiểu sự phân bố của các hệ thống enzym được biết đến trong lĩnh vực máy bay phản lực nhiên liệu. Tỷ lệ trung bình của các giá trị cộng đồng là 10,8% alkB (hydroxylase ankan), 7,6% Naha (naphthalene dioxygenase), tôi 1.1% Nahh / xylE (pyrocatechol-2,3-dioxygenase), 7,3% todCIC2 (toluene dioxygenase), 5,3% Toma (toluene monooxygenase) và 2,5% xylA (xylene monooxygenase) kiểu gen.