Perfluorooctanoic Acid (PFOA) Inhibits Methane Emissions and Reshapes Microbial Communities in Thermokarst Sediments

تحمل المناظر الطبيعية المتجمدة في القطب الشمالي ما هو أكثر من مجرد الجليد؛ فهي عبارة عن خزائن قديمة شاسعة تخزن كميات هائلة من الكربون. لآلاف السنين، ظل هذا الكربون محبوساً في التربة المتجمدة، ولكن مع ارتفاع حرارة الكوكب، بدأت تلك التربة في الذوبان. وعندما تذوب الأرض، فإنها تطلق مواد عضوية تبدأ الميكروبات في التغذي عليها، وهي عملية تنتج الميثان، وهو غاز دفيئة قوي يسرع من وتيرة الاحترار. وهذا يخلق دورة خطيرة: الاحترار يذيب الجليد، مما يؤدي إلى إطلاق الغاز، مما يتسبب في مزيد من الاحترار. ومع ذلك، تعمل هذه المناظر الطبيعية المتجمدة نفسها أيضاً كفخ لنوع آخر من التهديدات: "المواد الكيميائية الأبدية". هذه مواد من صنع الإنسان تُستخدم في كل شيء، من أواني الطهي غير اللاصقة إلى رغوة مكافحة الحرائق، وهي لا تتحلل بسهولة. ومع ذوبان التربة الصقيعية، فهي لا تطلق الكربون القديم فحسب، بل تحرر أيضاً هذه الملوثات المحتبسة في التربة النشطة، حيث تختلط مع الميكروبات. لطالما عرف العلماء أن هذه المواد الكيميائية يمكن أن تكون سامة للحياة، لكنهم لم يفهموا تماماً كيف يمكن أن تتداخل مع العمليات البيولوجية الدقيقة التي تتحكم في إطلاق غازات الدفيئة من الأرض التي تذوب.

لقد شرع فريق من الباحثين في استقصاء هذا التفاعل الخفي في بركة تذوب في شمال النرويج، وهي مكان انهارت فيه الأرض لتشكل منخفضاً مليئاً بالماء يُعرف باسم "ثيرموكارست" (thermokarst). تعد هذه البرك بؤراً ساخنة لإنتاج الميثان، مما يجعلها أماكن حيوية للدراسة. جمع العلماء عينات من رواسب قاع البركة ونقلوها إلى المختبر لمحاكاة ما يحدث عندما تسخن هذه التربة المتجمدة. أنشأوا سلسلة من البيئات المحكومة، وأضافوا كميات مختلفة من حمض البيرفلوروكتانويك (PFOA)، وهو نوع شائع ومستمر من المواد الكيميائية الأبدية. تراوحت الكميات التي أضافوها من آثار ضئيلة، تشبه ما قد يوجد في المناطق النائية غير الملموسة في القطب الشمالي، إلى مستويات أعلى بكثير يمكن أن تمثل مناطق ذات تلوث تاريخي كثيف. ثم راقبوا عن كثب كيف استجابت الرواسب، حيث قاموا بقياس الغازات المنبعثة وتحليل الحياة المجهرية داخل الطين.

كشفت النتائج عن تأثير مفاجئ وقوي. فبينما كان الباحثون يزيدون كمية الـ PFOA في الرواسب، انخفض إنتاج الميثان بشكل ملحوظ. في العينات التي لم يُضف إليها أي مادة كيميائية، أنتجت الميكروبات تدفقاً مستمراً من الميثان. ولكن عند إدخال الـ PFOA، حتى بتركيزات منخفضة جداً، تباطأ إنتاج الغاز. وعند أعلى مستويات التلوث، انخفض إنتاج الميثان بأكثر من النصف. ومن الأهمية بمكان أن هذا التثبيط كان نوعياً للميثان؛ إذ ظل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن نفس الميكروبات دون تغيير إلى حد كبير، مما يشير إلى أن المادة الكيميائية لم تكن ببساطة تقتل جميع البكتيريا أو تمنعها من التغذي على المادة العضوية، بل كانت تستهدف المجموعة المحددة من الميكروبات المسؤولة عن صنع الميثان، مما أدى فعلياً إلى إسكات قدرتها على إنتاج الغاز.

وعند التعمق أكثر في العالم المجهري، وجد الباحثون أن المادة الكيميائية كانت تعيد تشكيل المجتمع الحيوي في الطين. فقد كانت الميكروبات التي تنتج الميثان، والمعروفة باسم "الميثانوغينات" (methanogens)، حساسة للغاية لوجود الـ PFOA، حيث انخفضت أعدادها بشكل حاد مع ارتفاع تركيز المادة الكيميائية. وفي الوقت نفسه، بدأت مجموعة أخرى من الميكروبات، وهي تلك التي تستهلك الميثان، في الازدهار. هذه الكائنات المستهلكة للميثان، والتي عادة ما تكون أقل نشاطاً في الطين الفقير بالأكسجين، وجدت ميزة جديدة في البيئة الملوثة. لقد عملت المادة الكيميائية كضغط انتقائي، حيث قمعت منتجي الغاز بينما سمحت لمستهلي الغاز بالبقاء بل والنمو في الأعداد النسبية. هذا العمل المزدوج — وقف إنتاج الميثان مع تشجيع استهلاكه — خلق حاجزاً قوياً منع الغاز من التسرب إلى الغلاف الجوي.

كما كشفت الدراسة عن كيفية تفاعل المجتمع الميكروبي الأوسع مع هذا الإجهاد. وبينما لم يتغير العدد الإجمالي للميكروبات في الرواسب بشكل كبير، إلا أن أنواع الكائنات الموجودة قد تغيرت بشكل جذري. فقد أصبحت عائلة من البكتيريا المعروفة بقدرتها على البقاء في الظروف القاسية وتفكيك الملوثات الصعبة هي المجموعة المهيمنة في العينات الأكثر تلوثاً. وفي المقابل، اختفت أو أصبحت مجموعات أخرى من البكتيريا الشائعة التي كانت وفيرة في العينات النظيفة نادرة. يشير هذا إلى أن المادة الكيميائية لم تقضِ على الحياة، بل فرضت إعادة تنظيم، مفضلةً الكائنات التي يمكنها تحمل البيئة السامة. وأشار الباحثون إلى أن هذا التحول حدث رغم أن التنوع الإجمالي للمجتمع ظل مستقراً، وهي ظاهرة حيث تتغير التركيبة بشكل جذري دون فقدان في تنوع الأنواع.

ولفهم ما كان يدفع هذه التغييرات بالضبط، استخدم العلماء نماذج إحصائية متقدمة لفصل تأثيرات المادة الكيميائية عن الاختلافات الطبيعية بين عينات الرواسب. ووجدوا أنه بينما لعبت البيئة الطبيعية للبركة دوراً رئيسياً في تحديد الميكروبات الموجودة، إلا أن وجود الـ PFOA كان له تأثير مباشر ومستقل على إنتاج الميثان. لقد عملت المادة الكيميائية مثل "مكبح فسيولوجي"، حيث ثبطت الإنزيمات والعمليات المحددة التي تحتاجها الميثانوغيناتات للقيام بوظائفها، بغض النظر عن الظروف البيئية المحيطة. وكان هذا التثبيط المباشر هو السبب الرئيسي لانخفاض الميثان، وليس مجرد عرض جانبي لتغير المجتمع.

تقدم هذه النتائج منظوراً جديداً لكيفية استجابة دورة الكربون في القطب الشمالي للمستقبل. فمع استمرار ذوبان التربة الصقيعية، ستطلق ليس فقط الكربون القديم، بل أيضاً إرث التلوث الصناعي المحتبس بداخلها. وتشير الدراسة إلى أن هذا التلوث قد يغير دون قصد حلقة التغذية الراجعة للمناخ. فمن خلال تثبيط إطلاق الميثان، قد يؤدي وجود هذه المواد الكيميائية الأبدية إلى تقليل كمية غازات الدفيئة التي تدخل الغلاف الجوي من التربص المذابة مؤقتاً. ومع ذلك، فإن هذا ليس حلاً أو فائدة؛ فالمادة الكيميائية سامة، وتعطل وظائف بيولوجية أساسية أخرى مثل دورة النيتروجين، وتعيد تشكيل النظم البيئية بطرق لا يمكن التنبؤ بها. إن انخفاض الميثان هو عرض لبيئة مجهدة ومتغيرة، وليس حالة صحية.

يسلط هذا البحث الضوء على واقع معقد حيث تصبح الملوثات من صنع الإنسان جزءاً لا يتجزأ من النظام المناخي الطبيعي. لم يعد القطب الشمالي مجرد ضحية لتغير المناخ، بل هو أيضاً مستودع للمواد الكيميائية التي ستتفاعل مع الجليد الذائب بطرق بدأنا للتو في فهمها. وتؤكد الدراسة على ضرورة مراعاة تفاعلات الملوثات والميكروبات عند التنبؤ بسيناريوهات المناخ المستقبلية؛ إذ إن تجاهل وجود هذه المواد الكيميائية قد يؤدي إلى توقعات غير دقيقة حول كمية غازات الدفيئة التي ستطلقها التربة الصقيعية الذائبة. ومع استمرار ذوبان الأرض المتجمدة، فإن التفاعل بين الكربون القديم، والملوثات الحديثة، والحياة المجهرية سيشكل مستقبل مناخ كوكبنا بطرق تتسم بالدقة والعمق في آن واحد.