الكائنات الحية الدقيقة مهمة في الحفاظ على دورة الكبريت، والتأثير على العمليات المناخية. دعمًا للإجماع العلمي السابق، حددت الأبحاث ميكروبات متنوعة ومتعددة الوظائف تعمل على تقليل الكبريتات وقادرة على تقليل الكبريتات وتنفس الأكسجين في وقت واحد. (المفهوم الفني.)
تُظهر دراسة الميكروبات ذات الصلة بالبيئة تنوعًا أكبر مما كان يُعتقد سابقًا.
أثبت فريق من الباحثين أن الطبيعة لديها تنوع كبير بشكل لا يصدق من الميكروبات ذات الصلة بالبيئة. وهذا التنوع أكبر بـ 4.5 مرة على الأقل مما كان معروفًا سابقًا. وقد نشر الباحثون مؤخرًا نتائجهم في مجلة مرموقة التواصل الطبيعي ومراجعات علم الأحياء الدقيقة FEMS.
عالم الميكروبات الخفي غالبًا ما يتم التغاضي عنه، حيث تتأثر العديد من العمليات المتعلقة بالمناخ بالميكروبات، والتي غالبًا ما ترتبط بتنوع لا يصدق. صِنف ضمن مجموعات البكتيريا والعتائق (“البكتيريا البدائية”). على سبيل المثال، تقوم الميكروبات المختزلة للكبريتات بتحويل حوالي ثلث الكربون العضوي الموجود في رواسب المحيطات إلى ثاني أكسيد الكربون. وتنتج كبريتيد الهيدروجين السام. على الجانب الإيجابي، فإن الميكروبات المؤكسدة للكبريت تستخدمه بسرعة كمصدر للطاقة وتجعله غير ضار.
يقول البروفيسور مايكل بيستر، رئيس قسم علم الأحياء الدقيقة في معهد ليبنيز DSMZ والأستاذ في المعهد: “تلعب هذه العمليات دورًا مهمًا في الحفاظ على توازن الطبيعة والصحة في البحيرات والأراضي الرطبة وحتى الأمعاء البشرية”. علم الأحياء الدقيقة في الجامعة التقنية. بحثت إحدى الدراسات في عملية التمثيل الغذائي لأحد هذه الميكروبات الجديدة بمزيد من التفصيل، وكشفت عن العديد من الوظائف التي لم يكن من الممكن تحقيقها سابقًا.
تم اكتشاف أعلى تنوع في الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات. تم العثور الآن على مخفضات الكبريتات في إجمالي 27 شعبة في البكتيريا والعتائق، لتحل محل الشعبة المعروفة سابقًا. الائتمان: DSMZ
توازن مهم لدورة الكبريت
تعد دورة الكبريت من أهم وأقدم الدورات البيوكيميائية على كوكبنا. وفي الوقت نفسه، فهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بدورتي الكربون والنيتروجين، مما يؤكد أهميته. يتم تشغيله بشكل أساسي عن طريق الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات وتؤكسد الكبريت. وعلى الصعيد العالمي، تحل مخفضات الكبريتات محل حوالي ثلث الكربون العضوي الذي يصل إلى قاع البحر كل عام. وفي المقابل، تستهلك مؤكسدات الكبريت حوالي ربع الأكسجين الموجود في الرواسب البحرية.
وعندما تصبح هذه النظم البيئية غير متوازنة، يمكن أن تؤدي أنشطة هذه الميكروبات إلى استنفاد الأكسجين بسرعة وتراكم كبريتيد الهيدروجين السام. ويؤدي هذا إلى تكوين “مناطق ميتة” حيث لم يعد بإمكان الحيوانات والنباتات البقاء على قيد الحياة. ويتسبب هذا في أضرار اقتصادية، على سبيل المثال لمصايد الأسماك، ولكنه يتسبب أيضًا في أضرار اجتماعية من خلال تدمير مناطق ترفيهية محلية مهمة. لذلك من المهم أن نفهم أي الميكروبات تحافظ على توازن دورة الكبريت وكيف تفعل ذلك.
تظهر النتائج المنشورة أن تنوع أنواع الكائنات الحية الدقيقة التي تقلل الكبريتات يشمل ما لا يقل عن 27 شعبة (سلالات). في وقت سابق، كانت ستة شعب فقط معروفة. وبالمقارنة، هناك 40 شعبة معروفة حاليًا في مملكة الحيوان الفقاريات وهو ينتمي إلى جنس واحد فقط، Chordata.
تمثيل تخطيطي لتحلل البكتين النباتي – اختزال الكبريتات والتنفس بالأكسجين في الأميلوباكتيريوم المكتشفة حديثًا. الائتمان: DSMZ
الأنواع البكتيرية متعددة الوظائف المكتشفة حديثًا
تمكن الباحثون من تخصيص أحد هذه “مخفضات الكبريتات” الجديدة إلى شعبة بحثية صغيرة من البكتيريا الحمضية ودراستها في مفاعل حيوي.
وباستخدام أساليب متطورة من علم الأحياء الدقيقة البيئي، تمكنا من إظهار أن هذه البكتيريا يمكنها استخلاص الطاقة من اختزال الكبريتات وتنفس الأكسجين. هذين المسارين متنافيان بشكل عام في جميع الكائنات الحية الدقيقة المعروفة. وفي الوقت نفسه، تمكن الباحثون من إظهار أن الأميلوباكتريوتا التي تقلل الكبريتات يمكنها تحطيم الكربوهيدرات النباتية المعقدة مثل البكتين، وهي خاصية أخرى غير معروفة لـ “مخفضات الكبريتات”.
وهكذا قلب الباحثون معرفة الكتب المدرسية رأسًا على عقب. لقد أظهروا أن المركبات النباتية المعقدة يمكن أن تتحلل تحت استبعاد الأكسجين، ليس فقط عن طريق التفاعلات التآزرية بين الميكروبات المختلفة، ولكن أيضًا عن طريق الأنواع البكتيرية عبر التقاطع، كما كان يُعتقد سابقًا.
دكتور. ستيفن ديشما (يسار) والأستاذ الدكتور. مايكل بيستر بجوار مفاعل حيوي في DSMZ حيث يمكن دراسة “مخفضات الكبريتات” الجديدة. الائتمان: DSMZ
اكتشاف جديد آخر هو أن هذه البكتيريا يمكنها استخدام الكبريتات والأكسجين لهذا الغرض. يقوم باحثون من DSMZ وجامعة براونشفايغ التقنية حاليًا بالتحقيق في كيفية تأثير النتائج الجديدة على التباعد بين دورات الكربون والكبريت وكيفية ارتباطها بالعمليات المتعلقة بالمناخ.
ملحوظات:
ستيفان ديكسما ومايكل بيستر، 10 أكتوبر 2023، “تنفس الأكسجين وتحلل السكاريد بواسطة البكتيريا الحمضية التي تقلل الكبريتات” التواصل الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41467-023-42074-z
موهي دياو، ستيفن ديكسما، إليف كوكسوي، ديفيد كاماندا نوجي، كارثيك أنانثارامان، ألكسندر لوي ومايكل بيستر، 05 أكتوبر 2020، “التنوع العالمي والفيزيولوجيا البيئية المستنبطة للكائنات الحية الدقيقة من أجل إمكانية تقليل الكبريتات/الكبريتات التفاضلية”. مراجعات علم الأحياء الدقيقة FEMS.
دوى: 10.1093/femsre/fuad058
