বায়োডেসালফারাইজেশন

বায়োডেসালফারাইজেশন বা জৈব-গন্ধকহীনকরণ হলো এমন একটি প্রক্রিয়া যার মাধ্যমে অণুজীব বা তাদের এনজাইম ব্যবহার করে অপরিশোধিত তেল থেকে গন্ধক বা সালফার অপসারণ করা হয়।

 পটভূমি 
অপরিশোধিত তেলের উপাদানে গন্ধক থাকে; কার্বন ও হাইড্রোজেনের পর এটিই তেলের মধ্যে সবচেয়ে বেশি পরিমাণে থাকা রাসায়নিক মৌল। এর উৎসের ওপর নির্ভর করে অপরিশোধিত তেলে গন্ধকের পরিমাণ ০.০৫ থেকে ১০% পর্যন্ত হতে পারে। গন্ধকের ঘনত্ব ০.৫%-এর কম বা বেশি হলে সেই তেলকে যথাক্রমে সুইট বা সাউয়ার অপরিশোধিত তেল হিসেবে শ্রেণিবিভাগ করা হয়।

অপরিশোধিত তেলের দহনের ফলে বায়ুমণ্ডলে সালফার অক্সাইড (SOx) নির্গত হয়, যা জনস্বাস্থ্যের জন্য ক্ষতিকর এবং বায়ু দূষণ ও অ্যাসিড বৃষ্টির মতো গুরুতর পরিবেশগত প্রভাব সৃষ্টি করে। এছাড়া, তেলের মধ্যে গন্ধকের উপস্থিতি শোধনাগারগুলোর জন্য একটি বড় সমস্যা, কারণ এটি যন্ত্রপাতির ক্ষয় ত্বরান্বিত করে এবং উন্নত ধাতুর প্রভাবকগুলোকে (catalysts) বিষাক্ত করে তোলে। যেকোনো তেলক্ষেত্রে গন্ধকের মাত্রা এতটাই বেশি থাকে যে, সেখান থেকে প্রাপ্ত জীবাশ্ম জ্বালানি (যেমন পেট্রোল, ডিজেল বা জেট ফুয়েল) অন্তর্দহন ইঞ্জিনে ব্যবহারের আগে জৈব-সালফার যৌগ অপসারণের জন্য বিশেষ প্রক্রিয়াজাতকরণের প্রয়োজন হয়।

দহনের ফলে সৃষ্ট ক্ষতিকর স্বাস্থ্য ও পরিবেশগত প্রভাব প্রশমিত করার জন্য অপরিশোধিত তেলের গন্ধকের ঘনত্ব কমানো অত্যন্ত জরুরি। এই লক্ষ্যে ইউরোপীয় ইউনিয়ন ডিজেলে গন্ধকের পরিমাণ ১০ পিপিএম-এর নিচে নামিয়ে আনার পদক্ষেপ নিয়েছে, অন্যদিকে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র ডিজেল ও পেট্রোলে গন্ধকের পরিমাণ সর্বোচ্চ ১৫ পিপিএম-এ সীমাবদ্ধ করার চেষ্টা চালাচ্ছে। জ্বালানি তেলে গন্ধক যৌগের এই হ্রাসকরণকে 'ডেসালফারাইজেশন' বা গন্ধকহীনকরণ বলা হয়। এর পদ্ধতিগুলোর মধ্যে হাইড্রোডেসালফারাইজেশন, জারনমূলক গন্ধকহীনকরণ, নিষ্কাশনমূলক গন্ধকহীনকরণ, এবং আয়নিক তরল দ্বারা নিষ্কাশন অন্যতম।

গন্ধক কমাতে কার্যকর হওয়া সত্ত্বেও, প্রচলিত গন্ধকহীনকরণ পদ্ধতিগুলো অপরিশোধিত তেল শোধন প্রক্রিয়ায় উল্লেখযোগ্য পরিমাণ CO2 নির্গমনের জন্য দায়ী (বছরে ৯০০০ মেট্রিক টন পর্যন্ত)। অধিকন্তু, এই প্রক্রিয়াগুলোতে প্রচুর শক্তির প্রয়োজন হয় এবং সংশ্লিষ্ট শিল্পগুলোর জন্য এটি বেশ ব্যয়বহুল। প্রচলিত গন্ধকহীনকরণ পদ্ধতির একটি পরিবেশবান্ধব ও পরিপূরক বিকল্প হলো বায়োডেসালফারাইজেশন।

 বায়োডেসালফারাইজেশন প্রয়োগ ও পথসমূহ 
এটি লক্ষ্য করা গেছে যে কিছু গন্ধক-নির্ভর ব্যাকটেরিয়া রয়েছে যারা তাদের জীবনচক্রে (বৃদ্ধি বা বিপাকীয় প্রক্রিয়ায়) সালফারযুক্ত যৌগ থেকে গন্ধক গ্রহণ করে এবং এর ফলে কম গন্ধকযুক্ত বা গন্ধকহীন অণু তৈরি হয়। বিশেষ করে হেটেরোঅ্যারোমেটিক যৌগ, যেমন থায়োফিন ও তাদের জাতকগুলো ব্যাকটেরিয়ার জন্য গুরুত্বপূর্ণ সাবস্ট্রেট হিসেবে কাজ করে।

বায়োডেসালফারাইজেশন গন্ধক অপসারণের জন্য একটি আকর্ষণীয় বিকল্প, বিশেষ করে অপরিশোধিত তেলের সেই অংশগুলোতে যেখানে প্রচুর পরিমাণে সালফার হেটেরোসাইক্লিক বিদ্যমান। এখন পর্যন্ত শিল্প ক্ষেত্রে পরীক্ষামূলক প্রয়োগে পূর্ণাঙ্গ ব্যাকটেরিয়া সিস্টেম ব্যবহার করা হয়েছে, কারণ বায়োডেসালফারাইজেশনে বিভিন্ন এনজাইম ও প্রচুর পরিমাণে কোফ্যাক্টর একটি ধারাবাহিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে অংশ নেয়। তবে এনজাইমের নিম্ন কার্যকারিতা, উৎপাদিত পণ্যের কারণে এনজাইম বাধাগ্রস্ত হওয়া (ফিডব্যাক ইনহিবিশন) এবং বিষাক্ততা বা দীর্ঘমেয়াদী ব্যাকটেরিয়া বৃদ্ধির প্রতিকূল পরিবেশের কারণে শিল্প স্তরে এর প্রয়োগ এখনো কাঙ্ক্ষিত মাত্রায় পৌঁছাতে পারেনি। কোষমুক্ত রিকম্বিন্যান্ট এনজাইম কাঙ্ক্ষিত হলেও, বর্তমানে পরিচিত পদ্ধতিগুলো পূর্ণাঙ্গ কোষ ব্যবহারের তুলনায় অনেক কম কার্যকর।

সালফারযুক্ত যৌগ থেকে ব্যাকটেরিয়া প্রধানত দুটি উপায়ে সালফার অপসারণ করে: বলয় ধ্বংসকারী পথ (ring destructive pathways) এবং সালফার-নির্দিষ্ট পথ (sulfur-specific pathways)। বলয় ধ্বংসকারী পদ্ধতিতে কার্বন-কার্বন বন্ধনের সুনির্দিষ্ট বিভাজনের মাধ্যমে ক্ষুদ্র জৈব সালফাইড উৎপন্ন হয়, যা চারপাশের জলীয় পরিবেশে দ্রবীভূত হতে পারে। অন্যদিকে, সালফার-নির্দিষ্ট পদ্ধতিগুলো ক্রমাগত সালফার রেডক্স (জারণ-বিজারণ) বিক্রিয়ার ওপর নির্ভর করে উপজাত হিসেবে সালফাইড বা সালফাইট অ্যানায়ন হিসেবে সালফার মুক্ত করে। এ কারণে পরবর্তী পদ্ধতিটিকে উচ্চ ক্যালোরিমান সম্পন্ন সালফারমুক্ত যৌগ তৈরির জন্য একটি অত্যন্ত প্রতিশ্রুতিশীল উপায় হিসেবে বিবেচনা করা হয়, বিশেষ করে অম্লীয় অপরিশোধিত তেলের বিভিন্ন অংশে প্রচুর পরিমাণে থাকা সালফার হেটারোসাইকেলের সালফার অপসারণের (ডিসালফারাইজেশন) ক্ষেত্রে।
সবচেয়ে বেশি আলোচিত বলয় ধ্বংসকারী পথটি হলো কোদামা পথ এবং এটি প্রাথমিকভাবে Pseudomonas abikonensis এবং Pseudomonas jijani-তে শনাক্ত করা হয়েছিল। এই পদ্ধতিটি চারটি প্রধান ধাপ নিয়ে গঠিত: i) NADH-নির্ভর ডাইঅক্সিজেনেস দ্বারা অ্যারোমেটিক বলয়ের কার্বনগুলোতে ক্রমাগত হাইড্রোক্সিলেশন, এরপর ii) একটি NAD+ সহ-উপাদান (cofactor) দ্বারা বলয়টির ডিহাইড্রোজেনেশন এবং পরবর্তী iii) অক্সিজেনেশনের মাধ্যমে বলয় বিভাজন এবং একটি পাইরুভিল শাখা গঠন; সবশেষে iv) পাইরুভিল প্রতিস্থাপকের আর্দ্রবিশ্লেষণ (হাইড্রোলাইসিস) করে পাইরুভেট এবং অবশিষ্ট সাবস্ট্রেট উৎপন্ন হয়। যেহেতু এই পদ্ধতির শেষ পণ্যগুলোও পানিতে দ্রবণীয় সালফার যৌগ, তাই এই পদ্ধতিটি শিল্পক্ষেত্রে ব্যবহারের জন্য, বিশেষ করে তেল শিল্পে খুব একটা আকর্ষণীয় বলে গণ্য করা হয় না।

সবচেয়ে সুপরিচিত সালফার-নির্দিষ্ট পথটি হলো ৪এস পথ, যা প্রথম Rhodococcus erythropolis (strain IGTS8) নামক ব্যাকটেরিয়াতে আবিষ্কৃত হয়। এটি তিনটি ধাপে ডাইবেনজোথিওফিন এবং এর ডেরিভেটিভ থেকে সালফার অপসারণ করে: i) একটি ফ্লাভিন-নির্ভর মনোক্সিজেনেস দ্বারা সালফারের দ্বিগুণ জারণ (প্রথমে সালফোক্সাইড এবং পরে সালফোন-এ), এরপর ii) দ্বিতীয় আরেকটি ফ্লাভিন-নির্ভর মনোক্সিজেনেস দ্বারা কার্বন-সালফার বন্ধন বিভাজন এবং iii) একটি ডিসালফিনেশন বিক্রিয়া যার মাধ্যমে ২-হাইড্রক্সিবাইফিনাইল এবং সালফাইট উৎপন্ন হয়। এই প্রক্রিয়ার জন্য মোট চারটি এনজাইম প্রয়োজন: এর মধ্যে তিনটি dszABC জিন দ্বারা এনকোড করা হয় (ফ্লাভিন-নির্ভর মনোক্সিজেনেস DszA ও DszC এবং ডিসালফিনেজ DszB) এবং চতুর্থ এনজাইমটি ক্রোমোজোম এনকোড করা DszD, যা DszA এবং DszC-এর জন্য প্রয়োজনীয় ফ্লাভিন মনোনুক্লিওটাইড কোফ্যাক্টর পুনরুৎপাদন এবং সরবরাহ করে।

এটিও দেখা গেছে যে কিছু অবাত ব্যাকটেরিয়া এর পরিবর্তে হাইড্রোজেন সালফাইড তৈরি করতে বিকল্প সালফার-নির্দিষ্ট পথ ব্যবহার করতে পারে। তবে, আজ পর্যন্ত বিটুমেন, ভ্যাকুয়াম গ্যাস অয়েল বা ডিঅ্যাসফাল্টেড তেলের মতো অংশের সালফার অপসারণ লক্ষ্য করা যায়নি।

 সবাত ৪এস পথ 
৪এস পথ হলো জারণমূলক সালফার অপসারণের একটি সালফার-নির্দিষ্ট বিপাকীয় পথ যা ডাইবেনজোথিওফিনকে (DBT) ২-হাইড্রক্সিবাইফিনাইল এবং সালফাইটে রূপান্তরিত করে। এটি মোট চারটি NADH অণু (তিনটি FMNH2 তৈরির জন্য DszD-এর প্রয়োজন এবং চতুর্থটি DszA-এর FMN-অক্সাইড উপজাত পুনরুৎপাদনের জন্য) এবং তিনটি অক্সিজেন অণু ব্যবহার করে; ফলে উপজাত হিসেবে NAD+ এবং পানি উৎপন্ন হয়।


DszC হলো এই পথের প্রথম এনজাইম যা দুটি ক্রমানুযায়ী ধাপে কাজ করে; এটি প্রথমে DBT-কে DBT-সালফোক্সাইড এবং পরে DBT-সালফোনে জারিত করে। এর জন্য কোফ্যাক্টর হিসেবে FMNH2 প্রয়োজন যা DszD সরবরাহ করে এবং আণবিক অক্সিজেনের উপস্থিতিও প্রয়োজন। একারণে এই এনজাইমের দক্ষতা DszD-এর সক্রিয়তা এবং পরিবেশের অক্সিজেনেশনের ওপর নির্ভরশীল। DszC দ্বারা প্রভাবিত বিক্রিয়াটি তিনটি পর্যায় নিয়ে গঠিত: ১) আণবিক অক্সিজেন সক্রিয়করণ যার ফলে হাইডরোপেরক্সিফ্লাভিন-ইন্টারমিডিয়েট (C4aOOH) গঠিত হয়; ২) DBT-কে DBTO-তে জারণ এবং ৩) FMN-এর নির্জলায়ন (dehydration)। DszC হলো এই পথের দ্বিতীয় সর্বনিম্ন দক্ষ এনজাইম যার kcat মান মাত্র ১.৬ ± ০.৩ মিনিট−১। এটি HPBS এবং ২-HBP (যথাক্রমে DszA এবং DszB-এর উৎপাদ) দ্বারা ফিডব্যাক ইনহিবিশনের শিকার হয়। একারণে এনজাইম প্রকৌশলের মাধ্যমে একে উন্নত করার চেষ্টা করা হচ্ছে।


DszA এই পথের তৃতীয় ধাপের জন্য দায়ী। এটি প্রথম কার্বন-সালফার বন্ধন বিভাজন ঘটায় এবং DBT-সালফোনকে ২-হাইড্রক্সিবাইফিনাইল-২-সালফিনেটে রূপান্তরিত করে। DszC-এর মতো DszA-রও তার অনুঘটন চক্রের জন্য DszD সরবরাহকৃত FMNH2 এবং আণবিক অক্সিজেন প্রয়োজন। তবে DszA-এর বিক্রিয়ার হার DszC-এর তুলনায় প্রায় সাত গুণ দ্রুত। তা সত্ত্বেও DszC-এর মতো এটিও এই পথের শেষ উৎপাদ ২-HBP দ্বারা ফিডব্যাক ইনহিবিশনের শিকার হয়।

সবশেষে ডিসালফিনেজ (DszB) একটি দুই ধাপের প্রক্রিয়ায় ২-হাইড্রক্সিবাইফিনাইল-২-সালফিনেটের অবশিষ্ট কার্বন-সালফার বন্ধনটি ভেঙে একে সালফারমুক্ত ২-হাইড্রক্সিবাইফিনিলে রূপান্তরিত করে। প্রথম এবং হার-নির্ধারক ধাপে, ২-হাইড্রক্সিবাইফিনাইল-২-সালফিনেট এর ইলেকট্রোফিলিক কার্বনে Cys27 দ্বারা প্রোটোনেটেড হয়, যা কার্বন-সালফার বন্ধনের বিভাজন ঘটায় এবং SO2 স্থানচ্যুত করে। দ্বিতীয় ধাপে Cys27 দ্বারা একটি পানির অণু ডিপ্রোটোনেটেড হয় এবং পরবর্তীতে হাইড্রোক্সাইড SO2-কে আক্রমণ করে HSO3− তৈরি করে। DszB হলো এই পথের সবচেয়ে কম দক্ষ এনজাইম, যা একে প্রোটিন প্রকৌশলের মাধ্যমে উন্নত করার একটি গুরুত্বপূর্ণ লক্ষ্যবস্তু করে তোলে।

NADH-FMN অক্সিডোরেডাক্টেজ (DszD) দুই ধাপের প্রক্রিয়ায় NADH-কে NAD+-এ জারিত করার মাধ্যমে DszC এবং DszA-এর বিক্রিয়ার জন্য প্রয়োজনীয় FMNH2 কোফ্যাক্টর তৈরি করে। প্রথম ধাপে NADH-এর নিকোটিনামাইড অংশ থেকে একটি হাইড্রাইড জারিত FMN-এর আইসোঅ্যালোক্সাজিন অংশের কেন্দ্রীয় নাইট্রোজেনে স্থানান্তরিত হয়ে FMNH গঠন করে। দ্বিতীয় ধাপে একটি পানির অণু FMNH-এর N1 পরমাণুকে প্রোটোনেটেড করে FMNH2 তৈরি করে।

 ৪এস পথ এনজাইমের প্রকৌশল 
শিল্পক্ষেত্রে ব্যবহারের জন্য ৪এস পথ এনজাইমগুলোর সালফার অপসারণের হার প্রাকৃতিক অবস্থার তুলনায় অনেক বেশি হতে হয়। জৈব-সালফার অপসারণের (biodesulfurization) এই পদ্ধতিটি কার্যকরভাবে প্রয়োগ করার জন্য সামগ্রিক হার ৫০০ গুণ বৃদ্ধি করা প্রয়োজন।

নির্দেশিত বিবর্তন, যৌক্তিক নকশা বা উভয় কৌশলের সমন্বয় ব্যবহার করে ৪এস এনজাইমগুলোর অনুঘটন দক্ষতা এবং স্থায়িত্ব বৃদ্ধির চেষ্টা করা হচ্ছে। ৪এস পথের এখন পর্যন্ত সবচেয়ে ভালো উন্নয়নটি হয়েছে নির্দেশিত বিবর্তন পদ্ধতির মাধ্যমে যেখানে Rhodococcus ব্যাকটেরিয়াকে একটি প্লাজমিডের মাধ্যমে পরিবর্তিত dsz অপারন (যা DszA, DszB এবং DszC এনকোড করে) প্রদান করা হয়। এমন একটি পরিবেশে যেখানে DBT ছিল সালফারের একমাত্র উৎস, সেখানে ৪০ বার সাব-কালচার করার পর পরিবর্তিত Rhodococcus ব্যাকটেরিয়ার দক্ষতা ৩৫ গুণ বৃদ্ধি পায়।

DszC-এর শক্তিশালী ফিডব্যাক ইনহিবিশন কাটিয়ে ওঠার জন্যও নির্দেশিত বিবর্তন এবং যৌক্তিক নকশার সমন্বয় ব্যবহার করা হয়েছে যাতে এটি শেষ পণ্য HBP-এর প্রতি কম সংবেদনশীল হয়। DszC A101K মিউট্যান্ট প্রকাশকারী ব্যাকটেরিয়া প্রাকৃতিকভাবে থাকা ব্যাকটেরিয়ার তুলনায় উচ্চতর সক্রিয়তা দেখিয়েছে। অতিরিক্তভাবে প্রোটিনের সাথে HBP-এর ডকিং থেকে দেখা গেছে যে HBP, Trp327-এর সাথে একটি π-ইন্টারঅ্যাকশন তৈরি করে DszC-কে বাধা দেয়। A101K/W327C (AKWC) ডাবল মিউট্যান্টটি নিম্ন ঘনত্বের HBP-তে অসংবেদনশীল প্রমাণিত হয়েছে এবং AKWC DszC প্রকাশকারী ব্যাকটেরিয়া প্রাকৃতিক ব্যাকটেরিয়ার তুলনায় ১৪ গুণ বেশি দক্ষ ছিল।

DszB এই পথের শেষ এনজাইম এবং এটি ১.৭ ± ০.২ মিনিট−১ হারের কারণে ৪এস পথের অন্যতম প্রধান প্রতিবন্ধকতা (bottleneck)। একটি কম্পিউটেশনাল যৌক্তিক নকশা পদ্ধতির মাধ্যমে কিছু মিউটেশন নির্ধারণ করা হয়েছে যা বিক্রিয়া চলাকালীন সক্রিয় সাইটে চার্জ স্থানান্তরকে ত্বরান্বিত করতে পারে, ফলে বিক্রিয়ার জন্য প্রয়োজনীয় সক্রিয়করণ শক্তি হ্রাস পায় এবং বিক্রিয়ার হার বৃদ্ধি পাওয়ার সম্ভাবনা থাকে।

DszB-এর অনুঘটন দক্ষতা এবং তাপীয় স্থায়িত্ব বৃদ্ধির জন্য পরীক্ষামূলক মিউটাজেনেসিস পদ্ধতিও প্রয়োগ করা হয়েছে। Y63F/Q65H ডাবল মিউট্যান্টটি দক্ষতা না কমিয়েই এনজাইমটির তাপীয় স্থায়িত্ব বৃদ্ধি করতে সক্ষম হয়েছে।

DszD-এর থ্রিওনিন-৬২ (Thr62) অ্যামিনো অ্যাসিডের মিউটেশনের মাধ্যমেও বিক্রিয়ার হার বৃদ্ধির চেষ্টা করা হয়েছে। Thr62-কে অ্যাসপারাজিন (Asn) এবং অ্যালানিন (Ala) দ্বারা প্রতিস্থাপন করলে এর সক্রিয়তা যথাক্রমে ৫ ও ৭ গুণ বৃদ্ধি পায়।

একটি কম্পিউটেশনাল গবেষণায় দেখা গেছে যে DszD সিকোয়েন্সের ৬২ নম্বর অবস্থানে পরিবর্তন আনলে NADH থেকে FAD-এ হাইড্রাইড স্থানান্তরের জন্য প্রয়োজনীয় সক্রিয়করণ শক্তিতে ব্যাপক প্রভাব পড়ে। Thr62-কে একটি অ্যাসপার্টেট (Asp) অবশিষ্টাংশ দ্বারা প্রতিস্থাপন করলে এই অবস্থানের সকল মিউট্যান্টের মধ্যে সর্বনিম্ন সক্রিয়করণ শক্তি পাওয়া যায়।

 আরও দেখুন 
 সালফার অপসারণ

 তথ্যসূত্র 

বিষয়শ্রেণী:সালফার অপসারণ
বিষয়শ্রেণী:জৈব-রাসায়নিক প্রকৌশল