Benzo(a)pyrene degradation pathway in Bacillus subtilis BMT4i (MTCC 9447)

Abstract

Background: Benzo(a)pyrene (BaP), a high molecularweight pentacyclic aromatic hydrocarbon, is a priority pollutantof extreme concern. Bacillus subtilis BMT4i (MTCC9447) degrades BaP through chromosomally encodedpathway. Nevertheless, inadequate information is availableon BaP degradation pathway in genus Bacillus despiteof its species being shown as potent BaP degrader. Theobjective of this study was to elucidate BaP degradationpathway in B. subtilis strain BMT4i by identifying metabolitesthrough UHPLC-MS.Materials and methods: Batch experiments were conductedto characterize metabolic pathway of BaP in thebacterium B. subtilis BMT4i. The metabolites were separatedand characterized by UHPLC-MS.Results: The major intermediates of BaP metabolismthat had accumulated in the culture media after 15 daysof incubation were benzo(a)pyrene-11,12-epoxide,7,8,9,10-tetrahydrobenzo[pqr]tetraphene-7,8,9,10-tetraol,benzo(a)pyrene-cis-7,8-dihydrodiol, 8-carboxy-7-hydroxypyrene, chrysene-4 or 5-carboxylic acid, cis-4-(8-hydroxypyrene-7yl)-2-oxobut-3-enoic acid, hydroxymethoxybenzo(a)pyrene and dimethoxybenzo(a)pyrene. Among above,8-carboxy-7-hydroxy pyrene, chrysene-4 or 5-carboxylicacid, and cis-4-(8-hydroxypyrene-7yl)-2-oxobut-3-enoic acidare ring cleavage products of BaP.Conclusion: The identified metabolites indicated thatBMT4i initially oxidized BaP with monooxygenases anddioxygenases at C-11,12 or and C-7,8 and C-9,10 positions,suggesting operation of multiple pathways for BaP degradationin B. subtilis. Further studies are essential to findout whether the entire biodegradation process in B. subtilisresults into metabolic detoxification of BaP or not.

Özet

Amaç: Yüksek moleküler ağırlıklı beş halkalı bir aromatik hidrokarbon olan benzo(a)piren (BaP), son derece ilgi çeken önemli bir kirletici maddedir. Bacillus subtilis BMT4i (MTCC 9447) BaP’ı kromozomal olarak kodlanmış yol ile bozar. Bununla birlikte, türleri güçlü BaP bozunducusu olarak gösterilmesine rağmen, Bacillus cinsinin BaP bozunma yolunda yetersiz bilgi mevcuttur. Bu çalışmanın amacı B. subtilis suşu BMT4i’de BaP yıkım yolunu, UHPLC- MS ile metabolitleri tanımlayarak, aydınlatmaktır. Gereç ve yöntem: Bacillus subtilis BMT4i bakterisinde BaP’nin metabolik yolunu karakterize etmek için bir grup deney yapıldı. Metabolitler UHPLC-MS ile ayrıldı ve karakterize edildi. Bulgular: 15 günlük inkübasyondan sonra kültür ortamında biriken BaP metabolizmasının başlıca ara maddeleri, benzo(a)piren-11,12-epoksit, 7,8,9,10-tetrahidrobenzo [pqr] tetrafen-7,8,9,10-tetraol, benzo(a)piren-cis-7,8-dihidrodiol, 8-karboksi-7-hidroksi piren, chrysene-4 veya 5-karboksilik asit, cis-4- (8-hidroksipiren-7-il) -2-oksobut-3-enoik asit, hidroksimetoksibenzo(a)piren ve dimetoksibenzo(a)piren. Yukardakiler arasında, 8-karboksi-7-hidroksi piren, chrysene -4 veya 5-karboksilik asit ve cis-4- (8-hidroksipiren- 7-il) -2-oksobut-3-enoik asit BaP’nin halka bölünme ürünleridir. Sonuç: Tanımlanan metabolitler BMT4i’nin başlangıçta BaP’ı C-11,12’de monoksijenazlar ve dioksijenazlarla veya C-7,8 ve C-9,10 pozisyonlarından okside ettiğini ve B. subtilis’de BaP yıkımı için çoklu yolların çalışıyor olabileceğini göstermiştir. Bacillus subtilis’deki tüm biyodegradasyon sürecinin BaP’nin metabolik detoksifikasyonuna yol açıp açmadığını anlamak için ileri çalışmalar gereklidir.