8.7: الدورات البيوجيوكيميائية
- Page ID
- 194775
أهداف التعلم
- تحديد ووصف أهمية الكائنات الحية الدقيقة في الدورات البيوجيوكيميائية للكربون والنيتروجين والكبريت
- تعريف وإعطاء مثال للمعالجة الحيوية
تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية، وتدخل كضوء الشمس للصور الضوئية أو كجزيئات غير عضوية للأوتوتروفات الكيميائية. تتخذ العناصر الستة الأكثر شيوعًا المرتبطة بالجزيئات العضوية - الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت - مجموعة متنوعة من الأشكال الكيميائية وقد توجد لفترات طويلة في الغلاف الجوي أو على الأرض أو في الماء أو تحت سطح الأرض. العمليات الجيولوجية، مثل التعرية، وتصريف المياه، وحركة الصفائح القارية، والعوامل الجوية، كلها تشارك في تدوير العناصر على الأرض. نظرًا لأن للجيولوجيا والكيمياء أدوارًا رئيسية في دراسة هذه العملية، فإن إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها غير الحية تسمى الدورة البيوجيوكيميائية. سنركز هنا على وظيفة الكائنات الحية الدقيقة في هذه الدورات، والتي تلعب أدوارًا في كل خطوة، وغالبًا ما تقوم بتحويل الإصدارات المؤكسدة من الجزيئات بأخرى مخفضة.
دورة الكربون
يعتبر الكربون أحد أهم العناصر للكائنات الحية، كما يتضح من وفرته ووجوده في جميع الجزيئات العضوية. تمثل دورة الكربون العلاقة بين الكائنات الحية في النظم البيئية المختلفة. يتم تبادل الكربون بين العناصر غير المتجانسة والأوتوتروفات داخل النظم البيئية وفيما بينها في المقام الأول عن طريق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وهو نسخة مؤكسدة بالكامل من الكربون تعمل كلبنة البناء الأساسية التي تستخدمها الأوتوتروفات لبناء جزيئات عضوية متعددة الكربون وعالية الطاقة مثل الجلوكوز. تسخّر الفوتوتروفات الضوئية والكيميائية الطاقة من الشمس ومن المركبات الكيميائية غير العضوية، على التوالي، لربط ذرات الكربون معًا بشكل تساهمي في مركبات عضوية مخفضة يمكن الوصول إلى طاقتها لاحقًا من خلال عمليات التنفس والتخمير (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
بشكل عام، هناك تبادل مستمر لثاني أكسيد الكربون بين العناصر غير المتجانسة (التي تنتج ثاني أكسيد الكربون نتيجة التنفس أو التخمير) والأوتوتروفات (التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون للتثبيت). تقوم الأوتوتروفات أيضًا بالتنفس أو التخمير، وتستهلك الجزيئات العضوية التي تشكلها؛ فهي لا تعمل على إصلاح الكربون في العناصر غير المتجانسة، بل تستخدمه لاحتياجاتها الأيضية الخاصة.
تسمى البكتيريا والعتيقة التي تستخدم الميثان كمصدر للكربون بالميثانوتروفس. تتراكم مركبات الكربون الواحد المخفضة مثل الميثان في بيئات لاهوائية معينة عندما يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون كمستقبل للإلكترون النهائي في التنفس اللاهوائي بواسطة مركبات تسمى الميثانوجين. تقوم بعض الميثانوجين أيضًا بتخمير الأسيتات (الكربونات) لإنتاج الميثان وثاني أكسيد الكربون. يحدث تراكم الميثان بسبب تكوين الميثان في كل من التربة اللاهوائية الطبيعية والبيئات المائية؛ يحدث تراكم الميثان أيضًا نتيجة لتربية الحيوانات لأن الميثانوجين أعضاء في الميكروبات الطبيعية للحيوانات المجترة. يعتبر تراكم الميثان البيئي بسبب تكوين الميثان نتيجة لأنه غاز دفيئة قوي، وتساعد الميثانوتروفس على تقليل مستويات الميثان في الغلاف الجوي.
التمارين الرياضية\(\PageIndex{1}\)
وصف التفاعل بين الأشكال المتغايرة والأوتوتروفات في دورة الكربون.
دورة النيتروجين
تحتوي العديد من الجزيئات البيولوجية الكبيرة، بما في ذلك البروتينات والأحماض النووية، على النيتروجين؛ ومع ذلك، فإن الحصول على النيتروجين في الكائنات الحية أمر صعب. تلعب بدائيات النواة أدوارًا أساسية في دورة النيتروجين (الشكل\(\PageIndex{2}\))، حيث تقوم بتحويل النيتروجين بين الأشكال المختلفة لاحتياجاتها الخاصة، مما يفيد الكائنات الحية الأخرى بشكل غير مباشر. لا يمكن للنباتات والعوالق النباتية دمج النيتروجين من الغلاف الجوي (حيث يوجد في صورة N2 التساهمي الثلاثي المرتبط بإحكام)، على الرغم من أن هذا الجزيء يشكل حوالي 78٪ من الغلاف الجوي. يدخل النيتروجين العالم الحي من خلال البكتيريا الحية والتكافلية، التي تدمج النيتروجين في جزيئاتها الكبيرة من خلال مسارات كيميائية حيوية متخصصة تسمى تثبيت النيتروجين. تقوم البكتيريا الزرقاء في النظم البيئية المائية بتثبيت النيتروجين غير العضوي (من غاز النيتروجين) في الأمونيا (NH 3) التي يمكن دمجها بسهولة في الجزيئات البيولوجية الكبيرة. تقوم بكتيريا الريزوبيوم (الشكل 8.1) أيضًا بتثبيت النيتروجين وتعيش بشكل تكافلي في العقيدات الجذرية للبقوليات (مثل الفول والفول السوداني والبازلاء)، مما يوفر لها النيتروجين العضوي المطلوب مع تلقي الكربون الثابت كسكر في المقابل. البكتيريا الحية الحرة، مثل أعضاء جنس Azotobacter، قادرة أيضًا على إصلاح النيتروجين.
يتم تحويل النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين في النهاية من النيتروجين العضوي مرة أخرى إلى غاز النيتروجين بواسطة الميكروبات من خلال ثلاث خطوات: التسميد والنترجة ونزع النتروجين. في الأنظمة الأرضية، تتمثل الخطوة الأولى في عملية التسميد بالأمونيا، حيث تقوم بعض البكتيريا والفطريات بتحويل النفايات النيتروجينية من الحيوانات الحية أو من بقايا الكائنات الحية الميتة إلى أمونيا (NH 3). تتأكسد هذه الأمونيا بعد ذلك إلى النتريت\((\ce{NO2-})\)، ثم إلى النترات\((\ce{NO3-})\)، عن طريق نيتروجين بكتيريا التربة مثل أعضاء جنس النيتروسوموناس، من خلال عملية النترجة. أخيرًا، تحدث عملية نزع النتروجين، حيث تستخدم بكتيريا التربة، مثل أعضاء أجناس Pseudomonas و Clostridium، النترات كمستقبل نهائي للإلكترون في التنفس اللاهوائي، وتحويلها إلى غاز نيتروجين يدخل الغلاف الجوي مرة أخرى. تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري، حيث يتم تنفيذ هذه العمليات الثلاث بواسطة البكتيريا البحرية والعتيقة.
يطلق النشاط البشري النيتروجين في البيئة عن طريق استخدام الأسمدة الاصطناعية التي تحتوي على مركبات النيتروجين والفوسفور، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات والأنهار والجداول عن طريق الجريان السطحي. يتمثل أحد الآثار الرئيسية لجريان الأسمدة في إغناء المياه المالحة والمياه العذبة بالمغذيات، حيث يتسبب جريان المغذيات في فرط نمو الطحالب المائية وموتها لاحقًا، مما يجعل مصادر المياه لاهوائية وغير مضيافة لبقاء الكائنات المائية.
التمارين الرياضية\(\PageIndex{2}\)
ما الخطوات الثلاث لدورة النيتروجين؟
لمعرفة المزيد عن دورة النيتروجين، قم بزيارة موقع PBS.
دورة الكبريت
يعتبر الكبريت عنصرًا أساسيًا للجزيئات الكبيرة للكائنات الحية. كجزء من الأحماض الأمينية السيستين والميثيونين، فإنه يشارك في تكوين البروتينات. يوجد أيضًا في العديد من الفيتامينات الضرورية لتخليق الجزيئات البيولوجية المهمة مثل الإنزيم المساعد A. عدة مجموعات من الميكروبات مسؤولة عن تنفيذ العمليات التي تنطوي عليها دورة الكبريت (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تستخدم بكتيريا التمثيل الضوئي اللاأكسجينية وكذلك الأركيا والبكتيريا ذات التغذية الكيميائية كبريتيد الهيدروجين كمتبرع للإلكترون، مما يؤكسده أولاً إلى الكبريت الأولي (S 0)، ثم إلى الكبريتات\((\ce{SO4^2-})\). وهذا يؤدي إلى التقسيم الطبقي لكبريتيد الهيدروجين في التربة، مع زيادة المستويات بشكل أعمق، أكثر الأعماق اللاهوائية.
يمكن للعديد من البكتيريا والنباتات استخدام الكبريتات كمصدر للكبريت. تقوم الكائنات الحية الميتة المتحللة بالفطريات والبكتيريا بإزالة مجموعات الكبريت من الأحماض الأمينية، وإنتاج كبريتيد الهيدروجين، وإعادة الكبريت غير العضوي إلى البيئة.
التمارين الرياضية\(\PageIndex{3}\)
ما هي مجموعات الميكروبات التي تنفذ دورة الكبريت؟
دورات بيوجيوكيميائية أخرى
بالإضافة إلى مشاركتها في دورات الكربون والنيتروجين والكبريت، تشارك بدائيات النوى في دورات بيوجيوكيميائية أخرى أيضًا. مثل دورات الكربون والنيتروجين والكبريت، فإن العديد من هذه الدورات البيوجيوكيميائية الإضافية، مثل دورات الحديد (Fe) والمنغنيز (Mn) والكروم (Cr)، تتضمن أيضًا كيمياء الأكسدة، حيث تلعب بدائيات النوى أدوارًا في كل من الأكسدة والاختزال. تخضع العديد من العناصر الأخرى لدورات كيميائية لا تتضمن كيمياء الأكسدة. ومن الأمثلة على ذلك دورات الفوسفور (P) والكالسيوم (Ca) والسيليكا (Si). إن تدوير هذه العناصر مهم بشكل خاص في المحيطات لأن كميات كبيرة من هذه العناصر يتم دمجها في الهياكل الخارجية للكائنات البحرية. لا تتضمن هذه الدورات البيوجيوكيميائية كيمياء الأكسدة ولكنها تتضمن بدلاً من ذلك تقلبات في قابلية ذوبان المركبات المحتوية على الكالسيوم والفوسفور والسيليكا. عادةً ما يكون فرط نمو المجتمعات الميكروبية التي تحدث بشكل طبيعي محدودًا بسبب توفر النيتروجين (كما ذكرنا سابقًا) والفوسفور والحديد. قد تؤدي الأنشطة البشرية التي تدخل كميات مفرطة من الحديد أو النيتروجين أو الفوسفور (عادةً من المنظفات) إلى التغذية بالمغذيات.
المعالجة الحيوية
يعزز العلاج الحيوي الميكروبي عملية التمثيل الغذائي الميكروبي لإزالة الكائنات الحية الغريبة أو الملوثات الأخرى. Xenobiotics هي مركبات يتم تصنيعها من قبل البشر وإدخالها إلى البيئة بتركيزات أعلى بكثير مما قد يحدث بشكل طبيعي. قد يشمل هذا التلوث البيئي المواد اللاصقة والأصباغ ومثبطات اللهب ومواد التشحيم والزيوت والمنتجات البترولية والمذيبات العضوية والمبيدات الحشرية ومنتجات احتراق البنزين والزيت. تقاوم العديد من الكائنات الحية الغريبة التحلل، ويتراكم بعضها في السلسلة الغذائية بعد استهلاكها أو امتصاصها من قبل الأسماك والحياة البرية، والتي بدورها قد يأكلها البشر. ومن الأمور المثيرة للقلق بشكل خاص الملوثات مثل الهيدروكربون العطري متعدد الحلقات (PAH)، وهو غاز حيوي مسرطن يوجد في النفط الخام، وثلاثي كلورو الإيثيلين (TCE)، وهو ملوث شائع للمياه الجوفية.
يمكن تصنيف عمليات المعالجة الحيوية على أنها في الموقع أو خارج الموقع. يُطلق على المعالجة الحيوية التي تتم في موقع التلوث اسم المعالجة الحيوية في الموقع ولا تنطوي على حركة المواد الملوثة. وفي المقابل، تنطوي المعالجة البيولوجية خارج الموقع على إزالة المواد الملوثة من الموقع الأصلي بحيث يمكن معالجتها في مكان آخر، عادة في حفرة كبيرة مبطنة حيث يتم تحسين الظروف لتحلل الملوث.
تعتمد بعض عمليات المعالجة الحيوية على الكائنات الحية الدقيقة الأصلية للموقع أو المادة الملوثة. وتنطوي تقنيات المعالجة البيولوجية المحسنة، التي يمكن تطبيقها على المعالجة في الموقع أو خارج الموقع، على إضافة المغذيات و/أو الهواء لتشجيع نمو الميكروبات المسببة للتلوث؛ وقد تنطوي أيضاً على إضافة ميكروبات غير أصلية معروفة بقدرتها على تحلل الملوثات. على سبيل المثال، تُعرف بعض أنواع البكتيريا من أجناس Rhodococcus و Pseudomonas بقدرتها على تحلل العديد من الملوثات البيئية، بما في ذلك المركبات العطرية مثل تلك الموجودة في الزيت، وصولاً إلى ثاني أكسيد الكربون. توجد الجينات التي تشفر إنزيماتها المتحللة بشكل شائع في البلازميدات. ينتج البعض الآخر، مثل Alcanivorax borkumensis، مواد خافضة للتوتر السطحي مفيدة في إذابة الجزيئات الكارهة للماء الموجودة في الزيت، مما يجعلها في متناول الميكروبات الأخرى للتحلل.
التمارين الرياضية\(\PageIndex{4}\)
قارن وقارن بين فوائد المعالجة الحيوية في الموقع وخارج الموقع.
التركيز السريري: القرار
على الرغم من وجود اختبار الحمض النووي الخاص بالنيسرية السحائية، إلا أنه غير عملي للاستخدام في بعض البلدان النامية لأنه يتطلب معدات باهظة الثمن ومستوى عالٍ من الخبرة للقيام به. لم يكن المستشفى في بانجول مجهزًا لإجراء اختبار الحمض النووي. ومع ذلك، فإن الاختبارات البيوكيميائية أقل تكلفة بكثير ولا تزال فعالة لتحديد الميكروبات.
لحسن حظ هانا، بدأت أعراضها تتلاشى بالعلاج بالمضادات الحيوية. غالبًا ما يعاني المرضى الذين نجوا من التهاب السحايا البكتيري من مضاعفات طويلة الأمد مثل تلف الدماغ وفقدان السمع والنوبات، ولكن بعد عدة أسابيع من الشفاء، لم تظهر هانا أي آثار طويلة المدى وعاد سلوكها إلى طبيعته. بسبب عمرها، تم نصح والديها بمراقبتها عن كثب بحثًا عن أي علامات لمشاكل في النمو وتقييمها بانتظام من قبل طبيب الأطفال.
يوجد التهاب السحايا في الميكروبات التنفسية الطبيعية في 10% إلى 20% من السكان. 1 في معظم الحالات، لا يسبب المرض، ولكن لأسباب غير مفهومة تمامًا، يمكن للبكتيريا أحيانًا أن تغزو مجرى الدم وتسبب التهابات في مناطق أخرى من الجسم، بما في ذلك الدماغ. هذا المرض أكثر شيوعًا عند الرضع والأطفال، مثل هانا.
إن انتشار التهاب السحايا الناجم عن التهاب السحايا الناجم عن التهاب السحايا مرتفع بشكل خاص في ما يسمى بحزام التهاب السحايا، وهي منطقة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى تضم 26 دولة تمتد من السنغال إلى إثيوبيا (الشكل\(\PageIndex{4}\)). أسباب هذا الانتشار المرتفع ليست واضحة، ولكن هناك عدة عوامل قد تساهم في ارتفاع معدلات انتقال العدوى، مثل المناخ الجاف والمغبر؛ والاكتظاظ وانخفاض مستويات المعيشة؛ وانخفاض الكفاءة المناعية والحالة التغذوية للسكان نسبياً. 2 يتوفر لقاح ضد أربع سلالات بكتيرية من N. meningitidis. يوصى بالتطعيم للأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 11 و 12 عامًا، مع جرعة معززة في سن 16 عامًا. يوصى أيضًا بالتطعيم للشباب الذين يعيشون في أماكن قريبة مع الآخرين (على سبيل المثال، المهاجع الجامعية والثكنات العسكرية)، حيث ينتقل المرض بسهولة أكبر. يجب أيضًا تطعيم المسافرين الذين يزورون «حزام التهاب السحايا»، خاصة خلال موسم الجفاف (ديسمبر حتى يونيو) عندما يكون معدل الانتشار أعلى. 3 4
المفاهيم الأساسية والملخص
- تسمى إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها غير الحية بالدورة البيوجيوكيميائية. تلعب الميكروبات أدوارًا مهمة في هذه الدورات.
- في دورة الكربون، تتحلل العناصر غير المتجانسة الجزيء العضوي المخفض لإنتاج ثاني أكسيد الكربون، بينما تقوم الأوتوتروفات بإصلاح ثاني أكسيد الكربون لإنتاج المواد العضوية. عادة ما تشكل الميثانوجينات الميثان باستخدام ثاني أكسيد الكربون كمستقبل إلكتروني نهائي أثناء التنفس اللاهوائي؛ وتؤكسد الميثانوتروفس الميثان، وتستخدمه كمصدر للكربون.
- في دورة النيتروجين، تقوم البكتيريا المثبتة للنيتروجين بتحويل النيتروجين الجوي إلى أمونيا (الأمونيا). يمكن بعد ذلك أكسدة الأمونيا إلى النتريت والنترات (النترجة). يمكن بعد ذلك استيعاب النترات بواسطة النباتات. تقوم بكتيريا التربة بتحويل النترات مرة أخرى إلى غاز النيتروجين (نزع النتروجين).
- في دورة الكبريت، تستخدم العديد من أجهزة التمثيل الضوئي اللاأكسجين والمواد الكيميائية كبريتيد الهيدروجين كمتبرع للإلكترون، مما ينتج الكبريت الأولي ثم الكبريتات؛ ثم تستخدم البكتيريا والأثرية التي تقلل الكبريتات الكبريتات كمستقبل نهائي للإلكترون في التنفس اللاهوائي، وتحولها مرة أخرى إلى كبريتيد الهيدروجين.
- قد تؤدي الأنشطة البشرية التي تدخل كميات مفرطة من العناصر الغذائية المحدودة بشكل طبيعي (مثل الحديد أو النيتروجين أو الفوسفور) إلى الأنظمة المائية إلى التغذية بالمغذيات.
- المعالجة الحيوية الميكروبية هي استخدام الأيض الميكروبي لإزالة أو تحلل الكائنات الحية الغريبة وغيرها من الملوثات والملوثات البيئية. قد تتضمن تقنيات المعالجة الحيوية المحسنة إدخال ميكروبات غير أصلية تم اختيارها أو هندستها خصيصًا لقدرتها على تحلل الملوثات.
الحواشي
- 1 مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها. «مرض المكورات السحائية: الأسباب والانتقال». www.cdc.gov/siminogoccal/abo... nsmission.html. تم الوصول إليه في 12 سبتمبر 2016.
- 2 مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها. «مرض المكورات السحائية في بلدان أخرى.» http://www.cdc.gov/meningococcal/global.html. تم الوصول إليه في 12 سبتمبر 2016.
- 3 مراكز للسيطرة على الأمراض والوقاية منها. «معلومات صحية للمسافرين إلى غامبيا: عرض المسافر.» wwwnc.cdc.gov/travel/destinat... one/the-gambia. تم الوصول إليه في 12 سبتمبر 2016.
- 4 مراكز للسيطرة على الأمراض والوقاية منها. «المكورات السحائية: من يحتاج إلى التطعيم؟» www.cdc.gov/vaccies/vpd-vac -vaccinate.htm. تم الوصول إليه في 12 سبتمبر 2016.