8.7: מחזורים ביוגיאוכימיים
- Page ID
- 209090
מטרות למידה
- הגדירו ותארו את חשיבותם של מיקרואורגניזמים במחזורים הביוגיאוכימיים של פחמן, חנקן וגופרית
- הגדירו ותנו דוגמה לביורמדיציה
אנרגיה זורמת בכיוון דרך מערכות אקולוגיות, נכנסת כאור שמש לפוטוטרופים או כמולקולות אנאורגניות לכימואוטוטרופים. ששת היסודות הנפוצים ביותר הקשורים למולקולות אורגניות - פחמן, מימן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית - לובשים מגוון צורות כימיות ועשויים להתקיים לתקופות ארוכות באטמוספירה, ביבשה, במים או מתחת לפני כדור הארץ. תהליכים גיאולוגיים, כגון שחיקה, ניקוז מים, תנועת הלוחות היבשתיים ובליה, כולם מעורבים במחזוריות של יסודות על פני כדור הארץ. מכיוון שלגיאולוגיה ולכימיה יש תפקידים מרכזיים בחקר תהליך זה, מיחזור של חומר אנאורגני בין אורגניזמים חיים לסביבתם הלא חיה נקרא מחזור ביוגיאוכימי. כאן, נתמקד בתפקודם של מיקרואורגניזמים במחזורים אלה, הממלאים תפקידים בכל שלב, וממירים לרוב גרסאות מחומצנות של מולקולות עם מופחתות.
מחזור פחמן
פחמן הוא אחד המרכיבים החשובים ביותר לאורגניזמים חיים, כפי שמוצג על ידי השפע והנוכחות שלו בכל המולקולות האורגניות. מחזור הפחמן מדגים את הקשר בין אורגניזמים במערכות אקולוגיות שונות. פחמן מוחלף בין הטרוטרופים ואוטוטרופים בתוך ובין מערכות אקולוגיות בעיקר באמצעות CO 2 אטמוספרי, גרסה מחומצנת לחלוטין של פחמן המשמשת כאבן הבניין הבסיסית שבה משתמשים האוטוטרופים לבניית מולקולות אורגניות רב-קרביות בעלות אנרגיה גבוהה כגון גלוקוז. פוטואוטוטרופים וכימואוטוטרופים רותמים אנרגיה מהשמש ומתרכובות כימיות אנאורגניות, בהתאמה, כדי לקשר באופן קוולנטי אטומי פחמן יחד לתרכובות אורגניות מופחתות שניתן לגשת מאוחר יותר לאנרגיה שלהן באמצעות תהליכי הנשימה והתסיסה (איור). \(\PageIndex{1}\)
בסך הכל, יש חילופי קבוע של CO 2 בין ההטרוטרופים (המייצרים CO 2 כתוצאה מנשימה או תסיסה) לבין האוטוטרופים (המשתמשים ב- CO 2 לקיבוע). אוטוטרופים גם נושמים או מתסיסים, צורכים את המולקולות האורגניות שהם יוצרים; הם לא מקבעים פחמן להטרוטרופים, אלא משתמשים בו לצרכים המטבוליים שלהם.
חיידקים וארכיאה המשתמשים במתאן כמקור הפחמן שלהם נקראים מתנוטרופים. תרכובות פחמן אחד מופחתות כמו מתאן מצטברות בסביבות אנאירוביות מסוימות כאשר CO 2 משמש כמקבל אלקטרונים סופני בנשימה אנאירובית על ידי ארכאה הנקראת מתנוגנים. חלק מהמתנוגנים מתסיסים גם אצטט (פחמנים) לייצור מתאן ו- CO 2. הצטברות מתאן עקב מתנוגנזה מתרחשת הן באדמה אנאירובית טבעית והן בסביבות מימיות; הצטברות מתאן מתרחשת גם כתוצאה מגידול בעלי חיים מכיוון שמתנוגנים הם חברים במיקרוביוטה הרגילה של מעלי גירה. הצטברות מתאן סביבתית עקב מתנוגנזה היא תוצאה מכיוון שמדובר בגז חממה חזק, ומתנוטרופים עוזרים להפחית את רמות המתאן האטמוספרי.
תרגיל \(\PageIndex{1}\)
תאר את האינטראקציה בין הטרוטרופים לאוטוטרופים במחזור הפחמן.
מחזור חנקן
מקרומולקולות ביולוגיות רבות, כולל חלבונים וחומצות גרעין, מכילות חנקן; עם זאת, הכנסת חנקן לאורגניזמים חיים קשה. פרוקריוטים ממלאים תפקידים חיוניים במחזור החנקן (איור\(\PageIndex{2}\)), והופכים חנקן בין צורות שונות לצרכיהם, ומועילים לאורגניזמים אחרים בעקיפין. צמחים ופיטופלנקטון אינם יכולים לשלב חנקן מהאטמוספירה (שם הוא קיים כקשר הדוק, משולש קוולנטי N 2), למרות שמולקולה זו מהווה כ -78% מהאטמוספירה. חנקן נכנס לעולם החי באמצעות חיידקים חיים חופשיים וסימביוטיים, המשלבים חנקן במקרומולקולות שלהם דרך מסלולים ביוכימיים מיוחדים הנקראים קיבוע חנקן. ציאנובקטריה במערכות אקולוגיות מימיות מקבעות חנקן אנאורגני (מגז חנקן) לאמוניה (NH 3) שניתן לשלב בקלות במקרומולקולות ביולוגיות. חיידקי Rhizobium (איור 8.1) גם מקבעים חנקן וחיים באופן סימביוטי בגושי השורש של קטניות (כגון שעועית, בוטנים ואפונה), ומספקים להם חנקן אורגני נחוץ תוך קבלת פחמן קבוע כסוכר בתמורה. חיידקים חיים חופשיים, כמו בני הסוג אזוטובקטר, מסוגלים גם לתקן חנקן.
החנקן שנכנס למערכות חיות על ידי קיבוע חנקן הופך בסופו של דבר מחנקן אורגני בחזרה לגז חנקן על ידי חיידקים בשלושה שלבים: אמוניפיקציה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה. במערכות יבשתיות, השלב הראשון הוא תהליך האמוניפיקציה, בו חיידקים ופטריות מסוימים ממירים פסולת חנקנית מבעלי חיים חיים או משרידי אורגניזמים מתים לאמוניה (NH 3). אמוניה זו מתחמצנת לאחר מכן לניטריט\((\ce{NO2-})\), ואז לחנקה\((\ce{NO3-})\), על ידי ניטריזציה של חיידקי אדמה כמו בני הסוג Nitrosomonas, בתהליך של ניטריפיקציה. לבסוף, מתרחש תהליך הדניטריפיקציה, לפיו חיידקי קרקע, כגון בני הסוגים Pseudomonas ו- Clostridium, משתמשים בחנקה כמקבל אלקטרונים סופני בנשימה אנאירובית, והופכים אותו לגז חנקן שנכנס שוב לאטמוספירה. תהליך דומה מתרחש במחזור החנקן הימי, בו שלושת התהליכים הללו מבוצעים על ידי חיידקים ימיים וארכיאה.
פעילות אנושית משחררת חנקן לסביבה על ידי שימוש בדשנים מלאכותיים המכילים תרכובות חנקן וזרחן, אשר נשטפים לאחר מכן לאגמים, נהרות ונחלים על ידי נגר עילי. השפעה עיקרית מנגר דשנים היא אטרופיקציה של מים מלוחים ומים מתוקים, שבה נגר תזונתי גורם לצמיחת יתר ולמוות שלאחר מכן של אצות מימיות, מה שהופך את מקורות המים לאנאירוביים ובלתי מסבירי פנים להישרדותם של אורגניזמים מימיים.
תרגיל \(\PageIndex{2}\)
מהם שלושת השלבים של מחזור החנקן?
למידע נוסף על מחזור החנקן, בקר באתר PBS.
מחזור גופרית
גופרית היא מרכיב חיוני למקרומולקולות של אורגניזמים חיים. כחלק מחומצות האמינו ציסטאין ומתיונין, הוא מעורב ביצירת חלבונים. הוא נמצא גם בכמה ויטמינים הנחוצים לסינתזה של מולקולות ביולוגיות חשובות כמו קואנזים A. מספר קבוצות של חיידקים אחראיות לביצוע תהליכים המעורבים במחזור הגופרית (איור\(\PageIndex{3}\)). חיידקים פוטוסינתטיים אנוקסיגניים כמו גם ארכאה וחיידקים כימואוטוטרופיים משתמשים במימן גופרתי כתורם אלקטרונים, ומחמצנים אותו תחילה לגופרית יסודית (S 0), ולאחר מכן לסולפט\((\ce{SO4^2-})\). זה מוביל לריבוד של מימן גופרתי באדמה, כאשר הרמות עולות בעומק עמוק יותר ואנאירובי יותר.
חיידקים וצמחים רבים יכולים להשתמש בסולפט כמקור גופרית. פירוק אורגניזמים מתים על ידי פטריות וחיידקים מסירים קבוצות גופרית מחומצות אמינו, מייצרים מימן גופרתי ומחזירים גופרית אנאורגנית לסביבה.
תרגיל \(\PageIndex{3}\)
אילו קבוצות של חיידקים מבצעות את מחזור הגופרית?
מחזורים ביוגיאוכימיים אחרים
מעבר למעורבותם במחזורי הפחמן, החנקן והגופרית, פרוקריוטים מעורבים גם במחזורים ביו-גיאוכימיים אחרים. בדומה למחזורי הפחמן, החנקן והגופרית, כמה מהמחזורים הביו-גיאוכימיים הנוספים הללו, כגון מחזורי הברזל (Fe), המנגן (Mn) והכרום (Cr), כוללים גם כימיה של חיזור, כאשר פרוקריוטים ממלאים תפקידים הן בחמצון והן בהפחתה. מספר יסודות אחרים עוברים מחזורים כימיים שאינם כרוכים בכימיה של חיזור. דוגמאות לכך הן מחזורי זרחן (P), סידן (Ca) וסיליקה (Si). מחזור האלמנטים הללו חשוב במיוחד באוקיינוסים מכיוון שכמויות גדולות של יסודות אלה משולבות בשלדים החיצוניים של אורגניזמים ימיים. מחזורים ביוגיאוכימיים אלה אינם כרוכים בכימיה של חיזור אלא כרוכים בתנודות במסיסות של תרכובות המכילות סידן, זרחן וסיליקה. צמיחת יתר של קהילות מיקרוביאליות המתרחשות באופן טבעי מוגבלת בדרך כלל על ידי הזמינות של חנקן (כאמור), זרחן וברזל. פעילויות אנושיות המציגות כמויות מוגזמות של ברזל, חנקן או זרחן (בדרך כלל מחומרי ניקוי) עלולות להוביל לאוטרופיקציה.
ביורמדיציה
ביו-מדיה מיקרוביאלית ממנפת את חילוף החומרים המיקרוביאלי להסרת קסנוביוטיקה או מזהמים אחרים. קסנוביוטיקה הם תרכובות המסונתזות על ידי בני אדם ומוכנסות לסביבה בריכוזים גבוהים בהרבה ממה שהיה מתרחש באופן טבעי. זיהום סביבתי כזה עשוי לכלול דבקים, צבעים, מעכבי בעירה, חומרי סיכה, נפט ומוצרי נפט, ממיסים אורגניים, חומרי הדברה ומוצרי בעירה של בנזין ושמן. קסנוביוטיקה רבים מתנגדים להתמוטטות, וחלקם מצטברים בשרשרת המזון לאחר שנצרכו או נקלטו על ידי דגים וחיות בר, אשר בתורם עלולים להיאכל על ידי בני אדם. מדאיגים במיוחד מזהמים כמו פחמימן ארומטי פוליציקלי (PAH), קסנוביוטי מסרטן המצוי בנפט גולמי וטריכלורואתילן (TCE), מזהם מי תהום נפוץ.
ניתן לסווג תהליכי ביורמדיציה כמו באתרו או באתרו לשעבר. Bioremediation שנערך באתר של זיהום נקרא bioremediation in situ ואינו כרוך בתנועה של חומר מזוהם. לעומת זאת, ביורמדיציה ex situ כרוכה בהסרה של חומר מזוהם מהאתר המקורי, כך שניתן לטפל בו במקום אחר, בדרך כלל בבור גדול ומרופד שבו התנאים מותאמים לפירוק המזהם.
חלק מתהליכי הביו-מדיה מסתמכים על מיקרואורגניזמים שמקורם באתר או בחומר המזוהם. טכניקות ביולוגיות משופרות, שעשויות להיות מיושמות על עיבוד באתרו או באתרו, כוללות תוספת של חומרים מזינים ו/או אוויר כדי לעודד צמיחה של חיידקים משפילי זיהום; הם עשויים לכלול גם תוספת של חיידקים שאינם מקומיים הידועים ביכולתם לפרק מזהמים. לדוגמה, חיידקים מסוימים מהסוגים Rhodococcus ו- Pseudomonas ידועים ביכולתם להשפיל מזהמים סביבתיים רבים, כולל תרכובות ארומטיות כמו אלה המצויות בשמן, עד CO 2. הגנים המקודדים לאנזימים המשפילים שלהם נמצאים בדרך כלל על פלסמידים. אחרים, כמו Alcanivorax borkumensis, מייצרים חומרים פעילי שטח שימושיים בפירוק המולקולות ההידרופוביות המצויות בשמן, מה שהופך אותן לנגישות יותר לחיידקים אחרים לצורך פירוק.
תרגיל \(\PageIndex{4}\)
השווה והשוואה בין היתרונות של ביו-רמדיציה באתרו וב-ex situ.
מיקוד קליני: רזולוציה
למרות שיש בדיקת DNA ספציפית ל- Neisseria meningitidis, היא אינה מעשית לשימוש בחלק מהמדינות המתפתחות מכיוון שהיא דורשת ציוד יקר ורמת מומחיות גבוהה לביצוע. בית החולים בבנג'ול לא היה מצויד לביצוע בדיקות DNA. בדיקות ביוכימיות, לעומת זאת, הן הרבה פחות יקרות ועדיין יעילות לזיהוי מיקרוביאלי.
למזלה של חנה, הסימפטומים שלה החלו להיפתר עם טיפול אנטיביוטי. חולים ששורדים דלקת קרום המוח החיידקית סובלים לעתים קרובות מסיבוכים ארוכי טווח כמו נזק מוחי, אובדן שמיעה והתקפים, אך לאחר מספר שבועות של התאוששות, נראה כי חנה לא הראתה השפעות ארוכות טווח והתנהגותה חזרה לקדמותה. בגלל גילה, הומלץ להוריה לעקוב אחריה מקרוב אחר כל סימן לבעיות התפתחותיות ולהעריך אותה באופן קבוע על ידי רופא הילדים שלה.
N. meningitidis נמצא במיקרוביוטה הנשימה הרגילה אצל 10% — 20% מאוכלוסיית האדם. 1 ברוב המקרים הוא אינו גורם למחלות, אך מסיבות שאינן מובנות במלואן, החיידק יכול לפעמים לפלוש לזרם הדם ולגרום לזיהומים באזורים אחרים בגוף, כולל המוח. המחלה שכיחה יותר אצל תינוקות וילדים, כמו חנה.
שכיחות דלקת קרום המוח הנגרמת על ידי N. meningitidis גבוהה במיוחד בחגורת דלקת קרום המוח, אזור באפריקה שמדרום לסהרה הכולל 26 מדינות המשתרעות מסנגל לאתיופיה (איור). \(\PageIndex{4}\) הסיבות לשכיחות גבוהה זו אינן ברורות, אך מספר גורמים עשויים לתרום לשיעורי העברה גבוהים יותר, כמו האקלים היבש והמאובק; צפיפות ורמת חיים נמוכה; ויכולת החיסון הנמוכה יחסית ומצבה התזונתי של האוכלוסייה. 2 חיסון נגד ארבעה זני חיידקים של N. meningitidis זמין. חיסון מומלץ לילדים בני 11 ו -12, עם בוסטר בגיל 16 שנים. חיסון מומלץ גם לצעירים המתגוררים במגורים קרובים עם אחרים (למשל, מעונות מכללות, צריפים צבאיים), שם המחלה מועברת ביתר קלות. יש לחסן גם מטיילים המבקרים ב"חגורת דלקת קרום המוח ", במיוחד בעונה היבשה (דצמבר עד יוני) כאשר השכיחות היא הגבוהה ביותר. 3 4
מושגי מפתח וסיכום
- מיחזור של חומר אנאורגני בין אורגניזמים חיים לסביבתם הלא-חיה נקרא מחזור ביוגיאוכימי. חיידקים ממלאים תפקידים משמעותיים במחזורים אלה.
- במחזור הפחמן, הטרוטרופים מפרקים מולקולה אורגנית מופחתת לייצור פחמן דו חמצני, ואילו אוטוטרופים מקבעים פחמן דו חמצני לייצור אורגני. מתנוגנים יוצרים בדרך כלל מתאן על ידי שימוש ב- CO 2 כמקבל אלקטרונים סופי במהלך נשימה אנאירובית; מתנוטרופים מחמצנים את המתאן ומשתמשים בו כמקור הפחמן שלהם.
- במחזור החנקן, חיידקים מקבעים חנקן ממירים חנקן אטמוספרי לאמוניה (אמוניפיקציה). לאחר מכן ניתן לחמצן את האמוניה לניטריט וחנקה (ניטריפיקציה). לאחר מכן ניתן להטמיע חנקות על ידי צמחים. חיידקי קרקע ממירים חנקה בחזרה לגז חנקן (דניטריפיקציה).
- במחזוריות גופרית, פוטוסינתזיזרים וכימואוטוטרופים אנוקסיגניים רבים משתמשים במימן גופרתי כתורם אלקטרונים, ומייצרים גופרית אלמנטרית ולאחר מכן סולפט; חיידקים וארכיאה מפחיתים סולפט משתמשים בסולפט כמקבל אלקטרונים סופי בנשימה אנאירובית, וממירים אותו בחזרה למימן גופרתי.
- פעילויות אנושיות המכניסות כמויות מוגזמות של חומרים מזינים מוגבלים באופן טבעי (כמו ברזל, חנקן או זרחן) למערכות מימיות עלולות להוביל לאוטרופיקציה.
- ביורמדיציה מיקרוביאלית היא שימוש בחילוף חומרים מיקרוביאלי כדי להסיר או לפרק קסנוביוטיקה ומזהמים סביבתיים אחרים ומזהמים. טכניקות ביולוגיות משופרות עשויות לכלול הכנסת חיידקים שאינם מקומיים שנבחרו או הונדסו במיוחד ליכולתם לפרק מזהמים.
הערות שוליים
- 1 מרכזים לבקרת מחלות ומניעתן. "מחלת מנינגוקוק: גורמים והעברה." www.cdc.gov/מנינגוקוקאל/אבו... nsmission.html. גישה ל -12 בספטמבר 2016.
- 2 מרכזים לבקרת מחלות ומניעתן. "מחלת מנינגוקוק במדינות אחרות." http://www.cdc.gov/meningococcal/global.html. גישה ל -12 בספטמבר 2016.
- 3 מרכזים לבקרת מחלות ומניעתן. "מידע בריאותי למטיילים בגמביה: תצוגת מטיילים." wwwnc.cdc.gov/travel/destinat... אחד/the-גמביה. גישה ל -12 בספטמבר 2016.
- 4 מרכזים לבקרת מחלות ומניעתן. "מנינגוקוק: מי צריך להתחסן?" www.cdc.gov/חיסונים/vpd-vac/... -vaccinate.htm. גישה ל -12 בספטמבר 2016.