Pistes de (bio)dégradation des explosifs nitroaromatiques
Le TNT, qui a un Θzz positif, subit principalement des (bio)transformations nucléophiles et réductrices en raison du caractère électrophile du noyau aromatique et de l’atome N du groupe nitro (Stenuit et Agathos, 2010). Le fractionnement isotopique C, N et H des composés nitroaromatiques dans les matériaux de subsurface a confirmé que le TNT subit principalement une transformation réductrice alors que la transformation du 2,4-DNT, qui se caractérise par une densité électronique plus élevée que le TNT, est principalement due à une oxygénation (Wijker et al., 2013).
En conséquence, le TNT est facilement réduit en dérivés nitroso, hydroxylamino et finalement amino aromatiques par trois transferts successifs d’une paire d’électrons (Stenuit et Agathos, 2010). L’étape initiale de nitroréduction à quatre électrons est catalysée par des nitroréductases typiques, insensibles à l’oxygène (type I), dépendantes du NAD(P)H (Stenuit et Agathos, 2010) et par des hydride-transférases de type I et II de la famille des enzymes jaunes anciennes (OYE) (van Dillewijn et al., 2008). Il a été suggéré que d’autres enzymes peuvent être encore impliquées dans la dernière étape de nitroréduction à deux électrons pour former l’aminoarène (Riefler et Smets, 2002).
En outre, le TNT n’est pas soumis à l’attaque électrophile classique des oxygénases. A l’inverse, le TNT est sujet à l’attaque nucléophile induite par les superoxydes comme cela a été observé avec le système biomimétique contenant des nucléotides pyridine réduits et de la pyocyanine, un métabolite redox-actif sécrété par Pseudomonas aeruginosa (Stenuit et al., 2009, Stenuit et al., 2012). De plus, les σ-adduits anioniques du TNT, également appelés complexes de Meisenheimer du TNT, sont facilement produits par la formation de liaisons covalentes entre des nucléophiles, tels que la forme chargée négativement de l’atome d’hydrogène, H- (ion hydrure), et le cycle aromatique du TNT. Jusqu’à présent, plusieurs enzymes provenant de bactéries et de plantes ont été caractérisées pour catalyser l’addition nucléophile d’ions hydrure au cycle aromatique du TNT, y compris des hydrure-transférases OYE de type II dépendantes du NAD(P)H (figure 3(a)). (Beynon et al., 2009, Durchschein et al., 2013) et, dans une bien moindre mesure, des hydride transférases actinomycétales spécifiques dépendantes du F420 (Heiss et Knackmuss, 2002). Après le transfert d’ions hydrure sur le cycle aromatique du TNT, des complexes de Meisenheimer d’hydrure et de dihydrure de TNT (-TNT et -TNT, respectivement) sont produits et peuvent ensuite donner du nitrite et divers métabolites dénaturés du TNT qui s’accumulent généralement dans le milieu réactionnel. Par conséquent, même si l’azote du TNT peut être assimilé via l’activité de la nitrite réductase et la voie de la glutamine synthétase-glutamate synthétase (GS-GOGAT), il a été couramment observé que les métabolites dénitrés du TNT ne peuvent pas être utilisés comme source de carbone. Le problème inhérent à un détournement chimique et métabolique important empêche l’émergence d’une voie de biodégradation bénéfique unique pour le TNT. Par exemple, les produits de condensation des métabolites du TNT peuvent être produits entre (i) les isomères nitroso- et hydroxylamino-dinitrotoluène pour former des composés tétranitroazoxytoluène comme le 4,4′,6,6′-tétranitro-2,2′-azoxytoluène et (ii) les isomères hydroxylamino-dinitrotoluène et les complexes protonés de Meisenheimer dihydride du TNT pour former des diarylamines secondaires (van Dillewijn et al., 2008). Les métabolites du TNT dérivés de la réduction de la fraction nitro peuvent également subir une oxydation de la fraction méthyle ou une acétylation de la fraction amino (Stenuit et Agathos, 2010). Ces divers composés sont communément appelés métabolites » cul-de-sac » car ils s’accumulent. En outre, la formation de métabolites suicides en raison des effets toxiques des intermédiaires et des produits secondaires qui sont générés par la réduction de la fraction nitro semble être un obstacle majeur à un métabolisme productif du TNT (Lenke et al., 2000).
Figure 3. Biodégradation des explosifs nitrés catalysée par (a) certains membres de la famille OYE (par ex, PETN réductase), (b) les réductases F420-dépendantes du cluster npd, et (c) le système XplA-XplB.
Cependant, certains auteurs ont récemment rapporté des voies de biodégradation bénéfiques du TNT avec (i) la production du composé métabolisable 2,4-dinitrotoluène (2,4-DNT) à partir du complexe monohydride de Meisenheimer du TNT (Stenuit et Agathos, 2010, Ziganshin et al, 2010a,b) et (ii) la preuve par sondage isotopique stable (SIP) de l’assimilation du 15 N et du 13C du TNT dans l’ADN bactérien (Gallagher et al, 2010).
Profitant des capacités cataboliques des levures Yarrowia lipolytica et Geotrichum candidum et de l’acidification du milieu de culture par la production d’acides organiques, Ziganshin et al. (2010a,b) ont rapporté la transformation en conditions acides (c’est-à-dire, à un pH < 4,2) du C3–TNT en 2,4-DNT, un métabolite minéralisable du TNT-dénitré (Johnson et al., 2002), avec libération concomitante de nitrites.
En utilisant l’ADN-SIP et le T-RFLP, Gallagher et al. (2010) ont rapporté l’utilisation du TNT à la fois comme source de carbone et d’azote dans des conditions sulfogéniques par une souche de Lysobacter taiwanensis initialement présente dans des sédiments estuariens anaérobies riches en matières organiques. Cependant, l’incorporation du TNT dans la biomasse cellulaire de Lysobacter en tant que substrat primaire ou co-substrat (cométabolisme) reste à élucider. Même si des expériences supplémentaires dans des cultures axéniques sont nécessaires pour déchiffrer les voies complètes de biodégradation catalysées par L. taiwanensis, la démonstration sans ambiguïté de l’assimilation bactérienne anaérobie à la fois de N et de C à partir du TNT offre de nouvelles possibilités de remédiation prometteuses, telles que des essais de bioaugmentation des environnements anaérobies contaminés par le TNT.
Bien que les voies de biodégradation du TNT rapportées dans la littérature soient exclusivement soutenues par le cométabolisme, des bactéries spécifiques de l’ordre des Actinomycetales ont été rapportées pour utiliser le TNP comme seule source d’azote, de carbone et d’énergie sans réduction de la fraction nitro (ex, acide picramique, un dérivé monoamino du TNP) (Hofmann et al., 2004). La principale voie catabolique du TNP est le transfert enzymatique d’hydrure vers le noyau aromatique, suivi de réactions de dénitration successives et de l’acheminement des métabolites clivés vers le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA). Le cluster de gènes de dégradation du TNP (cluster npd) a été caractérisé, avec l’identification de différents inducteurs et du régulateur transcriptionnel NpdR (Nga et al., 2004). Les enzymes impliquées dans les voies cataboliques périphériques du TNP chez Rhodococcus opacus HL PM-1 sont l’hydrure transférase II (HTII), codée par npdI, et l’hydrure transférase I (HTI), codée par npdC, qui produisent respectivement le complexe de Meisenheimer monohydride du TNP (-TNP) et le complexe de Meisenheimer dihydride du TNP (-TNP) (Nga et al., 2004). L’activité de l’HTII et de l’HTI dépend d’une réductase F420 dépendante du NADPH (NdfR), codée par npdG, qui agit comme une navette électronique entre le NADPH et le F420. Comme le montre la figure 3(b), le transfert d’hydrure du coenzyme F420H2 réduit vers le cycle aromatique du TNP est catalysé par HTII/HTI (Nga et al., 2004). Chez Nocardioides simplex FJ2-1A, les mêmes voies cataboliques périphériques du TNP se produisent, sauf qu’une hydrure transférase (HT) unique catalyse la production de -TNP et -TNP (Hofmann et al., 2004). Ensuite, la tautomérase NpdH, codée par npdH, catalyse un tautomérisme à déplacement de protons de -TNP pour produire la forme nitro (R2C(- H)NO2) et la forme aci-nitro (R2C=N+(- O-)OH) en équilibre. Cette dernière subit une réaction de dénitration enzymatique catalysée par des extraits acellulaires de R. opacus HL PM-1 ou de N. simplex FJ2-1A (contenant une dénitrase orpheline) pour former le complexe monohydride de Meisenheimer du 2,4-dinitrophénol (2,4-DNP) (Hofmann et al., 2004). Après une seconde hydrogénation par le système HTI-NdfR (ou HT-NdfR), l’intermédiaire dihydride est protoné à pH 7,5 pour former la 2,4-dinitrocyclohexanone, qui subit un clivage catalysé par une hydrolase en 4,6-dinitrohexanoate. Comme ce dernier peut être finalement canalisé vers le cycle TCA, la biodégradation du TNP est auto-entretenue et peut fournir, sur des sites contaminés par de fortes concentrations de TNP, des avantages sélectifs aux microorganismes de dégradation.
Pour la biodégradation de l’analogue du TNT, le tetryl, il est reconnu que son hydrolyse peut produire du TNP, qui peut subir une biodégradation microbienne complète (Lewis et al., 2004). La N-dénitration enzymatique du tetryl en conditions anaérobies a également été observée avec la formation de N-méthyl-2,4,6-trinitroaniline (Myers et Spinnato, 2007), un composé trinitroaromatique pour lequel des expériences de biodégradabilité doivent être réalisées.
En conclusion, aucun microbe ne réalise suffisamment de réactions pour tirer un bénéfice de la biodégradation du TNT (Copley, 2009). L’émergence d’une voie de minéralisation peut être plus rapide lorsque plusieurs réactions consécutives se retrouvent au sein d’un même microbe. Bien qu’une élimination des nitrites catalysée par une dioxygénase ait été rapportée comme réaction initiale pour le 2,6-DNP (Ecker et al., 1992), l’attaque électrophile du 2,4-DNP n’a pas été décrite jusqu’à présent en raison de l’effet inductif négatif du groupe hydroxyle et de l’encombrement stérique spécifique. Par conséquent, une hydrogénation initiale du système cyclique aromatique est généralement observée pour le 2,4-DNP et le TNP, de sorte que leur biodégradation est catalysée par la même machinerie enzymatique dans un seul microbe. À l’inverse, des voies de biodégradation dissemblables ont été observées pour les isomères du TNT et du DNT. En effet, le 2,4-DNT et le 2,6-DNT sont complètement dégradés via une réaction initiale de dioxygénase (Johnson et al., 2002). Par conséquent, les processus syntrophiques, par exemple la dénitration réductrice du TNT en 2,4-DNT suivie d’une biotransformation oxydative du 2,4-DNT, ont été proposés comme une stratégie appropriée pour obtenir la minéralisation du TNT (Tront et Hughes, 2005). Cependant, de multiples voies compétitives se produisent au cours de la dénitration du TNT dans les cultures pures et mixtes et, par conséquent, elles conduisent à des métabolites dénitrés sans issue plutôt qu’à des isomères du DNT. Dans ce contexte, la preuve expérimentale de la production de 2,4-DNT à partir de la biodégradation du TNT catalysée par des souches de levure (Ziganshin et al., 2010a,b) peut être d’une importance primordiale pour mettre en œuvre un processus axé sur la minéralisation du TNT.