8.7: Mzunguko wa Biogeochemical

Malengo ya kujifunza

• Kufafanua na kuelezea umuhimu wa microorganisms katika mizunguko biogeochemical ya kaboni, nitrojeni, na sulfuri
• Eleza na kutoa mfano wa bioremediation

Nishati inapita directionally kupitia mazingira, kuingia kama jua kwa phototrophs au kama molekuli isokaboni kwa chemoautotrophs. Vipengele sita vya kawaida vinavyohusishwa na molekuli za kikaboni-kaboni, hidrojeni, nitrojeni, oksijeni, fosforasi, na sulfuri-huchukua aina mbalimbali za kemikali na zinaweza kuwepo kwa muda mrefu katika anga, kwenye ardhi, katika maji, au chini ya uso wa dunia. Michakato ya kijiolojia, kama mmomonyoko wa maji, mifereji ya maji, harakati za sahani za bara, na hali ya hewa, zote zinahusika katika baiskeli ya mambo duniani. Kwa sababu jiolojia na kemia zina majukumu makubwa katika utafiti wa mchakato huu, kuchakata jambo isokaboni kati ya viumbe hai na mazingira yao yasiyo hai huitwa mzunguko wa biogeochemical. Hapa, tutazingatia kazi ya microorganisms katika mzunguko huu, ambayo hufanya majukumu kwa kila hatua, mara nyingi hubadilisha matoleo ya oksidi ya molekuli na kupunguzwa.

Carbon Cycle

Kaboni ni moja kati ya elementi muhimu zaidi kwa viumbe hai, kama inavyoonekana kwa wingi na uwepo wake katika molekuli zote za kikaboni. Mzunguko wa kaboni unaonyesha uhusiano kati ya viumbe katika mazingira mbalimbali. Kaboni hubadilishana kati ya heterotrofs na autotrophs ndani na kati ya mazingira hasa kwa njia ya CO ₂ ya anga, toleo la oksidi kikamilifu la kaboni ambalo hutumika kama kizuizi cha msingi ambacho autotrophs hutumia kujenga molekuli za kikaboni nyingi, zenye nishati ya juu kama vile glucose. Photoautotrophs na chemoautotrophs kuunganisha nishati kutoka jua na misombo ya kemikali isokaboni, kwa mtiririko huo, kwa covalently dhamana atomi kaboni pamoja katika kupunguzwa misombo ya kikaboni ambayo nishati inaweza baadaye kupatikana kupitia mchakato wa kupumua na Fermentation (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kwa ujumla, kuna kubadilishana mara kwa mara ya CO ₂ kati ya heterotrophs (ambayo huzalisha CO ₂ kutokana na kupumua au fermentation) na autotrophs (ambayo hutumia CO ₂ kwa fixation). Autotrophs pia hupunguza au kuvuta, kuteketeza molekuli za kikaboni wanazounda; hazitengeneze kaboni kwa heterotrofs, bali hutumia kwa mahitaji yao wenyewe ya kimetaboliki.

Bakteria na archaea zinazotumia methane kama chanzo chao cha kaboni huitwa methanotrofs. Kupunguza misombo ya kaboni moja kama methane hujilimbikiza katika mazingira fulani ya anaerobic wakati CO ₂ inatumiwa kama kibali cha elektroni cha terminal katika kupumua anaerobic na archaea inayoitwa methanogens. Baadhi ya methanojeni pia huvuta acetate (kaboni) ili kuzalisha methane na CO ₂. Mkusanyiko wa methane kutokana na methanogenesis hutokea katika udongo asilia wa anaerobic na mazingira ya majini; mkusanyiko wa methane hutokea pia kutokana na ufugaji wa wanyama kwa sababu methanojeni ni wanachama wa microbiota ya kawaida ya ruminants. Mkusanyiko wa methane ya mazingira kutokana na methanogenesis ni matokeo kwa sababu ni gesi kali ya chafu, na methanotrofs husaidia kupunguza viwango vya methane ya anga.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Takwimu hii inafupisha mzunguko wa kaboni. Eukaryotes kushiriki katika kupumua aerobic, fermentation, na photosynthesis oksijeni. Prokaryotes hushiriki katika hatua zote zilizoonyeshwa. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NOAA)

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Eleza mwingiliano kati ya heterotrophs na autotrophs katika mzunguko wa kaboni.

Nitrogen mzunguko

Makromolekuli nyingi za kibiolojia, zikiwemo protini na asidi za nucleic, zina nitrojeni; hata hivyo, kupata nitrojeni katika viumbe hai ni vigumu. Prokaryotes hufanya majukumu muhimu katika mzunguko wa nitrojeni (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), kubadilisha nitrojeni kati ya aina mbalimbali kwa mahitaji yao wenyewe, na kufaidika viumbe vingine pasipo moja kwa moja. Mimea na phytoplanktoni haiwezi kuingiza nitrojeni kutoka angahewa (ambapo ipo kama tightly bonded, mara tatu covalent N ₂), ingawa molekuli hii inajumuisha takriban 78% ya anga. Nitrogen inaingia dunia hai kwa njia ya bakteria free-hai na symbiotic, ambayo kuingiza nitrojeni katika macromolecules yao kupitia njia maalumu biochemical iitwayo nitrojeni Cyanobacteria katika mazingira ya majini hutengeneza nitrojeni isokaboni (kutoka gesi ya nitrojeni) ndani ya amonia (NH ₃) ambayo inaweza kuingizwa kwa urahisi katika macromolecules ya kibiolojia. Bakteria ya Rhizobium (Kielelezo 8.1) pia hutengeneza nitrojeni na kuishi kwa usawa katika vinundu vya mizizi ya kunde (kama vile maharage, karanga, na mbaazi), kuwapa na nitrojeni hai zinazohitajika wakati wa kupokea kaboni fasta kama sukari kwa kubadilishana. Bakteria ya kuishi bure, kama vile wanachama wa Azotobacter ya jeni, pia wanaweza kurekebisha nitrojeni.

Nitrojeni inayoingia katika mifumo ya maisha na kuwabainishia nitrojeni hatimaye kubadilishwa kutoka nitrojeni hai nyuma katika gesi ya nitrojeni na microbes kupitia hatua tatu: amonification, nitrification, na denitrification. Katika mifumo ya dunia, hatua ya kwanza ni mchakato wa amonia, ambapo bakteria fulani na fungi hubadilisha taka za nitrojeni kutoka kwa wanyama hai au kutoka kwa mabaki ya viumbe wafu kuwa amonia (NH ₃). Amonia hii ni kisha oxidized kwa nitriti\((\ce{NO2-})\), kisha nitrate\((\ce{NO3-})\), na nitrifying bakteria udongo kama vile wanachama wa Nitrosomonas jenasi, kupitia mchakato wa nitrification. Mwisho, mchakato wa denitrification hutokea, ambapo bakteria ya udongo, kama vile wanachama wa genera Pseudomonas na Clostridium, hutumia nitrate kama receptor ya elektroni ya terminal katika kupumua anaerobic, kugeuza kuwa gesi ya nitrojeni ambayo inaingia tena anga. Mchakato kama huo hutokea katika mzunguko wa nitrojeni ya baharini, ambapo taratibu hizi tatu zinafanywa na bakteria ya baharini na archaea.

Shughuli za kibinadamu hutoa nitrojeni ndani ya mazingira kwa kutumia mbolea za bandia zilizo na misombo ya nitrojeni na fosforasi, ambazo huwashwa ndani ya maziwa, mito, na mito kwa kurudiwa kwa uso. Athari kubwa kutokana na kurudiwa kwa mbolea ni maji ya chumvi na maji safi eutrophication, ambapo kurudiwa kwa virutubisho husababisha upungufu na kifo baadae ya mwani wa majini, na kufanya vyanzo vya maji anaerobic na wasio na ukarimu kwa ajili ya maisha ya viumbe wa majini.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Takwimu hii inafupisha mzunguko wa nitrojeni. Kumbuka kwamba makundi maalum ya prokaryotes kila kushiriki katika kila hatua katika mzunguko. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NOAA)

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Je! Ni hatua tatu za mzunguko wa nitrojeni?

Unganisha na Kujifunza

Ili kujifunza zaidi kuhusu mzunguko wa nitrojeni, tembelea tovuti ya PBS.

Sulfuri mzunguko

Sulfuri ni kipengele muhimu kwa macromolecules ya viumbe hai. Kama sehemu ya amino asidi cysteine na methionine, inashiriki katika malezi ya protini. Pia hupatikana katika vitamini kadhaa muhimu kwa ajili ya awali ya molekuli muhimu ya kibiolojia kama coenzyme A. makundi kadhaa ya microbes ni wajibu wa kutekeleza mchakato kushiriki katika mzunguko kiberiti (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Anoxygenic photosynthetic bakteria pamoja na chemoautotrophic archaea na bakteria kutumia sulfidi hidrojeni kama wafadhili elektroni, oxidizing yake ya kwanza kwa sulfuri watawala (S ⁰), kisha\((\ce{SO4^2-})\) sulfati.Hii inaongoza kwa stratification ya sulfidi hidrojeni katika udongo, na viwango vya kuongezeka kwa kina zaidi, zaidi kinaerobic kina.

Bakteria na mimea nyingi zinaweza kutumia sulfate kama chanzo cha sulfuri. Uharibifu viumbe vilivyokufa na fungi na bakteria huondoa vikundi vya sulfuri kutoka kwa amino asidi, huzalisha sulfidi hidrojeni, kurudi kiberiti isokaboni kwa mazingira

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Takwimu hii inafupisha mzunguko wa sulfuri. Kumbuka kwamba makundi maalum ya prokaryotes kila mmoja anaweza kushiriki katika kila hatua katika mzunguko. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NOAA)

Zoezi\(\PageIndex{3}\)

Ni makundi gani ya microbes hufanya mzunguko wa sulfuri?

Mzunguko mwingine wa Biogeochemical

Zaidi ya ushiriki wao katika mizunguko ya kaboni, nitrojeni, na sulfuri, prokaryotes huhusika katika mizunguko mingine ya biogeochemical pia. Kama mizunguko ya kaboni, nitrojeni, na sulfuri, kadhaa ya mizunguko hii ya ziada ya biogeochemical, kama vile chuma (Fe), manganese (Mn), na chromium (Cr) mzunguko, pia huhusisha kemia ya redox, huku prokaryotes kucheza majukumu katika vioksidishaji na kupunguza. Elementi nyingine kadhaa hupitia mizunguko ya kemikali ambayo haihusishi kemia ya redox. Mifano ya hizi ni fosforasi (P), kalsiamu (Ca), na mizunguko ya silika (Si). Baiskeli ya elementi hizi ni muhimu hasa katika bahari kwa sababu kiasi kikubwa cha elementi hizi huingizwa katika mifupa ya nje ya viumbe vya baharini. Mizunguko hii ya biogeochemical haihusishi kemia ya redox lakini badala yake inahusisha kushuka kwa thamani katika umumunyifu wa misombo yenye kalsiamu, fosforasi, na silika. overgrowth ya kawaida zinazotokea jamii microbial ni kawaida mdogo na upatikanaji wa nitrojeni (kama ilivyoelezwa hapo awali), fosforasi, na chuma. Shughuli za binadamu kuanzisha kiasi kikubwa cha chuma, nitrojeni, au fosforasi (kawaida kutoka sabuni) inaweza kusababisha eutrophication.

Bioremediation

Microbial bioremediation leverages kimetaboliki microbial kuondoa xenobiotics au uchafuzi mwingine. Xenobiotics ni misombo synthesized na binadamu na kuletwa katika mazingira katika viwango vya juu sana kuliko ingekuwa kawaida kutokea. Uchafuzi huo wa mazingira unaweza kuhusisha adhesives, dyes, retardants moto, mafuta na mafuta ya petroli, vimumunyisho hai, dawa za dawa, na bidhaa za mwako wa petroli na mafuta. Xenobiotics nyingi hupinga kuvunjika, na baadhi hujilimbikiza katika mlolongo wa chakula baada ya kutumiwa au kufyonzwa na samaki na wanyamapori, ambayo, kwa upande wake, inaweza kuliwa na wanadamu. Ya wasiwasi hasa ni uchafu kama hidrokaboni yenye kunukia polycyclic (PAH), xenobiotiki ya kansa inayopatikana katika mafuta yasiyosafishwa, na trichloroethilini (TCE), mchafuzi wa kawaida wa chini ya ardhi.

Michakato ya bioremediation inaweza kuwa jumuishwa kama katika situ au ex situ. Bioremediation uliofanywa kwenye tovuti ya uchafuzi huitwa katika bioremediation ya situ na haihusishi harakati za nyenzo zilizochafuliwa. Kwa upande mwingine, ex situ bioremediation inahusisha kuondolewa kwa nyenzo zilizochafuliwa kutoka tovuti ya awali ili iweze kutibiwa mahali pengine, kwa kawaida katika shimo kubwa, lined ambapo hali ni optimized kwa uharibifu wa uchafuzi.

Baadhi ya michakato ya bioremediation hutegemea microorganisms ambazo ni asili kwa tovuti iliyosababishwa au nyenzo. Mbinu zilizoimarishwa za bioremediation, ambazo zinaweza kutumika kwa usindikaji wa situ au wa zamani, zinahusisha kuongeza virutubisho na/au hewa ili kuhamasisha ukuaji wa viumbe vidudu vya uchafuzi wa mazingira; zinaweza pia kuhusisha kuongeza viumbe visivyo na asili vinavyojulikana kwa uwezo wao wa kuharibu uchafu. Kwa mfano, bakteria fulani za genera Rhodococcus na Pseudomonas zinajulikana kwa uwezo wao wa kuharibu uchafu wengi wa mazingira, ikiwa ni pamoja na misombo yenye kunukia kama yale yanayopatikana katika mafuta, hadi CO ₂. Jeni za encoding enzymes zao za uharibifu hupatikana kwa kawaida kwenye plasmidi. Wengine, kama Alcanivorax borkumensis, huzalisha wasaafu ambao ni muhimu katika umumunyifu wa molekuli za hydrophobic zilizopatikana katika mafuta, na kuzifanya kupatikana zaidi kwa microbes nyingine kwa uharibifu.

Zoezi\(\PageIndex{4}\)

Kulinganisha na kulinganisha faida za katika situ na ex situ bioremediation.

Mtazamo wa Hospitali

Ingawa kuna mtihani wa DNA maalum kwa ajili ya Neisseria meningitidis, si vitendo kwa matumizi katika baadhi ya nchi zinazoendelea kwa sababu inahitaji vifaa vya gharama kubwa na kiwango cha juu cha utaalamu wa kufanya. Hospitali ya Banjul haikuwa na vifaa vya kufanya upimaji wa DNA. Upimaji wa biochemical, hata hivyo, ni ghali sana na bado ni bora kwa kitambulisho cha microbial.

Kwa bahati nzuri kwa Hana, dalili zake zilianza kutatua kwa tiba ya antibiotic. Wagonjwa wanaoishi meningitis ya bakteria mara nyingi wanakabiliwa na matatizo ya muda mrefu kama vile uharibifu wa ubongo, kupoteza kusikia, na kukamata, lakini baada ya wiki kadhaa za kupona, Hannah hakuonekana kuwa akionyesha madhara yoyote ya muda mrefu na tabia yake ikarudi kawaida. Kwa sababu ya umri wake, wazazi wake walishauriwa kufuatilia kwa karibu kwa ishara yoyote ya masuala ya maendeleo na kumfanya mara kwa mara tathmini na daktari wa watoto wake.

N. meningitidis hupatikana katika microbiota ya kawaida ya kupumua katika 10% — 20% ya idadi ya watu. ¹ Katika hali nyingi, haina kusababisha ugonjwa, lakini kwa sababu hazieleweki kikamilifu, bakteria wakati mwingine huvamia damu na kusababisha maambukizi katika maeneo mengine ya mwili, ikiwa ni pamoja na ubongo. Ugonjwa huo ni wa kawaida zaidi kwa watoto wachanga na watoto, kama Hana.

Maambukizi ya meningitis yanayosababishwa na N. meningitidis ni ya juu hasa katika kile kinachojulikana kama ukanda wa meningitis, eneo la Afrika kusini mwa Sahara linalojumuisha nchi 26 zinazoenea kutoka Senegal hadi Ethiopia\(\PageIndex{4}\) (Kielelezo Sababu za kuenea kwa hali hii ya juu si wazi, lakini sababu kadhaa zinaweza kuchangia viwango vya juu vya maambukizi, kama vile hali ya hewa kavu, yenye vumbi; msongamano na viwango vya chini vya maisha; na ukosefu wa uwezo mdogo wa kinga na hali ya lishe ya idadi ya watu. ² Chanjo dhidi ya matatizo manne ya bakteria ya N. meningitidis inapatikana. Chanjo inapendekezwa kwa watoto wenye umri wa miaka 11 na 12, na nyongeza ya umri wa miaka 16. Chanjo pia inapendekezwa kwa vijana wanaoishi katika robo za karibu na wengine (kwa mfano, mabweni ya chuo kikuu, kambi ya kijeshi), ambapo ugonjwa unaambukizwa kwa urahisi zaidi. Wasafiri wanaotembelea “ukanda wa meningitis” wanapaswa pia kupewa chanjo, hasa wakati wa msimu wa kavu (Desemba hadi Juni) wakati kiwango cha maambukizi ni cha juu zaidi. ^{3 4}

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): (a) Neisseria meningitidis ni diplococcus ya gramu-hasi, kama inavyoonekana katika sampuli hii ya gramu-kubadilika. (b) “Ukanda wa meninjitisi” ni eneo la Afrika kusini kwa Sahara lenye uenezi mkubwa wa meninjitisi unaosababishwa na N. meningitidis. (mikopo a, b: mabadiliko ya kazi na Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa)

Dhana muhimu na Muhtasari

• Kusindika kwa jambo isokaboni kati ya viumbe hai na mazingira yao yasiyo ya kuishi huitwa mzunguko wa biogeochemical. Microbes hufanya majukumu muhimu katika mzunguko huu.
• Katika mzunguko wa kaboni, heterotrophs hupunguza molekuli ya kikaboni iliyopungua ili kuzalisha dioksidi kaboni, wakati autotrophs hutengeneza dioksidi kaboni ili kuzalisha viumbe hai. Methanogens kawaida huunda methane kwa kutumia CO ₂ kama mpokeaji wa mwisho wa elektroni wakati wa kupumua anaerobic; methanotrofs huoksidisha methane, ikitumia kama chanzo chao cha kaboni.
• Katika mzunguko wa nitrojeni, bakteria ya kurekebisha nitrojeni hubadilisha nitrojeni ya anga ndani ya amonia (ammonification). Amonia inaweza kisha kuwa oxidized kwa nitriti na nitrate (nitrification). Nitrati inaweza kufanana na mimea. Bakteria ya udongo hubadilisha nitrate nyuma ya gesi ya nitrojeni (denitrification).
• Katika baiskeli ya sulfuri, photosynthesizers nyingi za anoxygenic na chemoautotrophs hutumia sulfidi hidrojeni kama wafadhili wa elektroni, huzalisha sulfuri ya msingi na kisha sulfate; bakteria ya kupunguza sulfate na archaea kisha kutumia sulfate kama mpokeaji wa mwisho wa elektroni katika kupumua anaerobic, kugeuza tena sulfidi hidrojeni.
• Shughuli za binadamu zinazoanzisha kiasi kikubwa cha virutubisho vya kawaida (kama chuma, nitrojeni, au fosforasi) kwa mifumo ya majini zinaweza kusababisha eutrophication.
• Microbial bioremediation ni matumizi ya kimetaboliki microbial kuondoa au kuharibu xenobiotics na uchafu mwingine wa mazingira na uchafuzi wa mazingira. Mbinu za bioremediation zilizoimarishwa zinaweza kuhusisha kuanzishwa kwa microbes zisizo za asili hasa waliochaguliwa au engineered kwa uwezo wao wa kuharibu uchafu.

maelezo ya chini

1. 1 Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa. “Ugonjwa wa Meningococcal: Sababu na Uhamisho.” www.cdc.gov/meningococcal/abo... nsmission.html. Ilifikia Septemba 12, 2016.
2. 2 Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa. “Ugonjwa wa Meningococcal katika Nchi nyingine.” http://www.cdc.gov/meningococcal/global.html. Ilifikia Septemba 12, 2016.
3. 3 Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa. “Taarifa za Afya kwa Wasafiri kwenda Gambia: Mtazamo wa Wasafiri.” wwwnc.cdc.gov/travel/destinat... one/the-Gambia. Ilifikia Septemba 12, 2016.
4. 4 Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa. “Meningococcal: Nani anahitaji kupatiwa chanjo?” www.cdc.gov/chanjo/vpd-vac/... -vaccinate.htm. Ilifikia Septemba 12, 2016.