تلعب الكائنات الحية الدقيقة دورًا حاسمًا في الحفاظ على دورة الكبريت، مما يؤثر على العمليات المناخية. اكتشف البحث كائنات دقيقة متنوعة ومتعددة الوظائف تعمل على تقليل الكبريتات، وقادرة على تقليل الكبريتات وتنفس الأكسجين في وقت واحد، مما يقلب الإجماع العلمي السابق. (المفهوم الفني.)
تُظهر دراسة الكائنات الحية الدقيقة ذات الصلة بالبيئة تنوعًا أكبر مما كان يُعتقد سابقًا.
أظهر فريق من الباحثين أن هناك تنوعًا بيولوجيًا مرتفعًا بشكل لا يصدق للكائنات الحية الدقيقة المهمة بيئيًا في الطبيعة. وهذا التنوع أكبر بـ 4.5 مرة على الأقل مما كان معروفًا سابقًا. وقد نشر الباحثون مؤخرًا نتائجهم في مجلات مرموقة الاتصالات الطبيعية وامتحانات علم الأحياء الدقيقة FEMS.
غالبًا ما يتم التغاضي عن العالم الخفي للكائنات الحية الدقيقة، على الرغم من أن العديد من العمليات المتعلقة بالمناخ تتأثر بالكائنات الحية الدقيقة، والتي غالبًا ما ترتبط بتنوع مذهل في الكائنات الحية. صِنف ضمن مجموعات البكتيريا والعتائق (“البكتيريا البدائية”). على سبيل المثال، تقوم الكائنات الحية الدقيقة التي تعمل على تقليل الكبريتات بتحويل ثلث الكربون العضوي الموجود في الرواسب البحرية إلى ثاني أكسيد الكربون. وهذا ينتج كبريتيد الهيدروجين السام. على الجانب الإيجابي، فإن الكائنات الحية الدقيقة المؤكسدة للكبريت تستخدمه بسرعة كمصدر للطاقة وتجعله غير ضار.
يوضح البروفيسور مايكل بيستر، رئيس قسم الكائنات الحية الدقيقة في معهد لايبنيز DSMZ والأستاذ في المعهد: “تلعب هذه العمليات أيضًا دورًا مهمًا في البحيرات والأراضي الخثية وحتى في الأمعاء البشرية للحفاظ على التوازن بين الطبيعة والصحة”. في علم الأحياء الدقيقة في الجامعة التقنية براونشفايغ. وقد بحثت دراسة بمزيد من التفصيل في عملية التمثيل الغذائي لواحدة من هذه الكائنات الحية الدقيقة الجديدة، وكشفت عن تعدد الوظائف الذي لم يكن من الممكن الوصول إليه سابقًا.
اكتشاف تنوع كبير للغاية في أنواع الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات. تم العثور الآن على مخفضات الكبريتات في إجمالي 27 شعبة داخل البكتيريا والعتائق بدلاً من الستة المعروفة سابقًا. الائتمان: DSMZ
التوازن الحرج لدورة الكبريت
تعد دورة الكبريت واحدة من أهم وأقدم الدورات البيوجيوكيميائية على كوكبنا. وفي الوقت نفسه، فهو يرتبط ارتباطاً وثيقاً بدورتي الكربون والنيتروجين، مما يبرز أهميته. ويرجع ذلك أساسًا إلى الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات وتؤكسد الكبريت. وعلى الصعيد العالمي، تقوم مخفضات الكبريتات بتحويل حوالي ثلث الكربون العضوي الذي يصل إلى قاع البحر كل عام. وفي المقابل، تستهلك مؤكسدات الكبريت حوالي ربع الأكسجين الموجود في الرواسب البحرية.
عندما تصبح هذه النظم البيئية غير متوازنة، يمكن أن تؤدي أنشطة هذه الكائنات الحية الدقيقة بسرعة إلى استنفاد الأكسجين وتراكم كبريتيد الهيدروجين السام. ويؤدي هذا إلى تكوين “مناطق ميتة” لا تستطيع فيها الحيوانات والنباتات البقاء على قيد الحياة. ولا يتسبب ذلك في أضرار اقتصادية فقط، على سبيل المثال في مجال صيد الأسماك، بل يتسبب أيضًا في أضرار اجتماعية بسبب تدمير مناطق ترفيهية محلية مهمة. ولذلك من المهم أن نفهم أي الكائنات الحية الدقيقة تحافظ على توازن دورة الكبريت وكيف تحقق ذلك.
تظهر النتائج المنشورة أن تنوع أنواع الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات يشمل ما لا يقل عن 27 شعبة (سلالات). في السابق، كانت ستة شعب فقط معروفة. وللمقارنة، هناك 40 شعبة معروفة حاليًا في المملكة الحيوانية، بما في ذلك الفقاريات تنتمي إلى شعبة واحدة هي Chordata.
تمثيل تخطيطي لتحلل البكتين النباتي – سواء عن طريق اختزال الكبريتات أو التنفس مع الأكسجين في البكتيريا الحمضية المكتشفة مؤخرًا. الائتمان: DSMZ
الأنواع البكتيرية متعددة الوظائف المكتشفة حديثًا
تمكن الباحثون من تعيين أحد “مخفضات الكبريتات” الجديدة هذه إلى شعبة البكتيريا الحمضية التي لم تتم دراستها كثيرًا، ودراستها في مفاعل حيوي.
وباستخدام أحدث الأساليب في علم الأحياء الدقيقة البيئي، تمكنوا من إثبات أن هذه البكتيريا يمكنها الحصول على الطاقة من خلال تقليل الكبريتات وتنفس الأكسجين. عادةً ما يكون هذان المساران متنافيين في جميع الكائنات الحية الدقيقة المعروفة. وفي الوقت نفسه، تمكن الباحثون من إظهار أن البكتيريا الحمضية المختزلة للكبريتات يمكنها تحطيم الكربوهيدرات النباتية المعقدة مثل البكتين – وهي خاصية أخرى لم تكن معروفة سابقًا من “مخفضات الكبريتات”.
وهكذا قلب الباحثون المعرفة النظرية رأسًا على عقب. لقد أظهروا أن المركبات النباتية المعقدة يمكن أن تتحلل في غياب الأكسجين ليس فقط عن طريق التفاعل المنسق بين الكائنات الحية الدقيقة المختلفة، كما كان يعتقد سابقًا، ولكن أيضًا عن طريق نوع بكتيري واحد عبر اختصار.
الدكتور ستيفان ديسكما (يسار) والبروفيسور مايكل بيستر بجوار مفاعل حيوي في منطقة DSMZ، حيث يمكن دراسة “مخفضات الكبريتات” الجديدة. الائتمان: DSMZ
اكتشاف جديد آخر هو أن هذه البكتيريا يمكنها استخدام الكبريتات والأكسجين لهذا الغرض. يقوم الباحثون من DSMZ والجامعة التقنية في براونشفايغ حاليًا بالتحقيق في كيفية تأثير النتائج الجديدة على تفاعل دورات الكربون والكبريت وكيفية ارتباطها بالعمليات المتعلقة بالمناخ.
المراجع:
“تنفس الأكسجين وتحلل السكريات بواسطة البكتيريا الحمضية التي تقلل الكبريتات” بقلم ستيفان ديكسما ومايكل بيستر، 10 أكتوبر 2023، الاتصالات الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41467-023-42074-z
“التنوع العالمي والفيزيولوجيا البيئية المستنبطة للكائنات الحية الدقيقة مع إمكانية تقليل الكبريتات/الكبريتات المتباينة” بقلم موهي دياو، وستيفان ديكسما، وإليف كوكسوي، وديفيد كاماندا نغوغي، وكارثيك أنانثارامان، وألكسندر لوي ومايكل بيستر، 5 أكتوبر 2023، مراجعات حول علم الأحياء الدقيقة FEMS.
دوى: 10.1093/femsre/fuad058
