Spatial distribution and molecular transformation pathways of dissolved organic matter along the Huai River basin (Anhui section) during the wet season

الماء ليس مجرد ماء أبداً. فحتى في النهر الصافي، يحمل في طياته حمولة خفية من المواد العضوية الذائبة، وهي عبارة عن حساء معقد من الجزيئات الصغيرة القائمة على الكربون التي جرفتها الأرض أو أطلقتها الكائنات الحية داخل الماء نفسه. يطلق العلماء على هذا المزيج اسم المادة العضوية الذائبة، أو DOM. وهي جزء حيوي من دورة الكربون في الكوكب، حيث تعمل كجسر بين التربة والغلاف الجوي والحياة داخل النهر. ولأن هذه المادة تأتي من مصادر متنوعة للغاية — مثل الأوراق المتحللة، أو مياه الصرف الصحي، أو تعرية التربة، أو فضلات الأسماك والنباتات — فإن تركيبها الكيميائي الدقيق يتغير باستمرار. إن فهم ماهية ما يوجد في هذا "الحساء"، ومن أين يأتي، وكيف يتغير أثناء تدفقه نحو المصب، أمر ضروري لإدارة جودة المياه وحماية الأنظمة البيئية. وعندما تهطل الأمطار الغزيرة، تتغير قصة هذا الماء بشكل دراماتيكي، حيث تؤدي موجة الجريان السطحي إلى جرف مواد جديدة إلى النهر، مما يؤدي إلى خلطها وتحويلها بطرق يصعب رؤيتها بالعين المجرة.

في حوض نهر هواي، وهو مجرى مائي رئيسي في وسط الصين، شرع الباحثون في تتبع هذه التغييرات غير المرئية خلال موسم الأمطار. تقع هذه المنطقة في منطقة انتقالية بين المناخات الشمالية والجنوبية، حيث تجلب أمطار الموسم الموسمي فترات من الهطول الغزير. وخلال أشهر الرطوبة هذه، ينتفخ النهر، وتنجرف المناظر الطبيعية نحو المجرى، حاملة معها حمولة جديدة من المواد العضوية. قام فريق من العلماء من جامعة آنوي للعلوم والتكنولوجيا بجمع عينات مياه من المنبع في فويانغ، مروراً بالمقاطع الوسطى، وصولاً إلى المصب بالقرب من بنغبو. كان هدفهم هو رسم خريطة لكيفية تغير طبيعة المادة العضوية الذائبة من المصدر إلى مصب النهر، والكشف عن العمليات الكيميائية التي تعيد تشكيلها في طريقها. لم يكتفوا بمراقبة كمية المادة العضوية الموجودة فحسب؛ بل استخدموا أدوات متطورة لتحديد الأنواع المحددة من الجزيئات الموجودة ومراقبة كيفية تغيرها أثناء تحرك الماء.

نظر الباحثون أولاً إلى الماء من خلال عدسة "الوميض الفلوري" (fluorescence)، وهي تقنية تجعل بعض الجزيئات العضوية تتوهج عند تعرضها لضوء محدد. ومن خلال تحليل هذه الإشارات المتوهجة، حددوا ثلاثة أنواع رئيسية من المكونات في النهر. أحد الأنواع يشبه المواد الموجودة في التربة، والمعروفة باسم أحماض الهيوميك، وهي مواد معقدة ومستقرة. ونوع آخر يشبه التريبتوفان، وهو لبنة بناء البروتينات، مما يشير إلى أنه ناتج عن كائنات حية أو نشاط بيولوجي حديث. أما النوع الثالث فهو مزيج من أحماض الفولفيك، وهي نسخ أصغر وأكثر تفاعلية من دبال التربة. وما وجدوه كان رحلة واضحة من أحد طرفي النهر إلى الطرف الآخر. ففي المناطق العليا، كان الماء يهيمن عليه الإشارات الشبيهة بالبروتين، مما يشير إلى أن الحياة داخل النهر نفسه — ربما الطحالب أو البكتيريا — كانت تنتج قدراً كبيراً من هذه المادة. ومع ذلك، ومع تدفق الماء نحو المصب، تغيرت الإشارة؛ حيث تلاشت التوهجات الشبيهة بالبروتين، وزادت الإشارات الشبيهة بالهيوميك والمستمدة من التربة قوة. هذا النمط يشير إلى أنه مع تحرك النهر، فإنه يلتقط المزيد من المواد من الأرض، مثل النباتات المتحللة والتربة، مما يؤدي إلى تخفيف الإنتاج البيولوجي المحلي وإضافة حمولة أثقل من المادة العضوية البرية.

ولفهم حجم وطبيعة هذه الجزيئات، استخدم الفريق طريقة تفصل الكربون العضوي بناءً على حجم الجزيئات. ووجدوا أن الجداول الصغيرة والروافد التي تغذي النهر الرئيسي تحمل تركيزات أعلى بكثير من الكربون العضوي مقارنة بالمجرى الرئيسي نفسه. كانت هذه الروافد غنية بالبوليمرات الحيوية، وهي جزيئات كبيرة ومعقدة ترتبط غالباً بالخلايا الحية، بالإضافة إلى المواد الهيومية من التربة. وهذا يشير إلى تأثير قوي للجريان السطحي الزراعي ومياه الصرف الصحي المنزلية في المناطق المحيطة بهذه المجاري المائية الصغيرة. وفي المقابل، أظهر مجرى النهر الرئيسي بصمة مختلفة؛ فبينما كان يحمل مستويات أقل من الجزيئات البيولوجية الكبيرة، فقد احتوى على مستويات أعلى من الكربون العضوي الكاره للماء (hydrophobic organic carbon)، وهو نوع من المواد لا يمتزج جيداً مع الماء ويميل للالتصاق بالجسيمات. ولاحظ الباحثون أن موقعاً واحداً محدداً في النهر الرئيسي، حيث تزداد حركة السفن، كان يحتوي على مستويات عالية بشكل خاص من هذه المادة الكارهة للماء، مما يشير إلى أن أنشطة السفن والوقود الذي تستخدمه تساهم بنوع متميز من التلوث في المزيج الكيميائي للنهر.

جاءت النظرة الأكثر تفصيلاً من جهاز مطياف الكتلة عالي الدقة، وهو جهاز قادر على تحديد الصيغة الكيميائية الدقيقة لآلاف الجزيئات الفردية في قطرة واحدة من الماء. كشف هذا التحليل أن المادة العضوية الذائبة تتكون أساساً من نوعين من المركبات: تلك التي تحتوي فقط على الكربون والهيدروجين والأكسجين، وتلك التي تشمل النيتروجين أيضاً. كانت الجزيئات في الغالب تشبه اللجنين، وهي المادة الصلبة التي تمنح الخشب قوته، أو تشبه الدهون (lipids). ومع انتقال الماء من المنبع إلى المصب، تغير التركيب الكيميائي مرة أخرى. احتوت عينات المصب على نسبة أعلى من الجزيئات التي تتضمن النيتروجين والكبريت. وبما أن هذه العناصر شائعة في النفايات البشرية والأسمدة الزراعية، فإن زيادة وجودها في اتجاه المصب كانت بمثابة بصمة كيميائية للتأثير البشري، مما أكد أن مياه الصرف الصحي الحضرية والجريان الزراعي يغيران كيمياء النهر أثناء تدفقه نحو البحر.

أخيراً، استخدم الباحثون البيانات لرسم خريطة لكيفية تحول هذه الجزيئات أثناء انتقالها. ومن خلال النظر في الاختلافات بين الجزيئات الموجودة في نقاط مختلفة، استطاعوا استنتاج التفاعلات الكيميائية التي تحدث. بدت التغييرات الأكثر شيوعاً هي فقدان مجموعات الميثيل، وهي عملية تسمى "نزع الميثيل" (demethylation)، وإضافة ذرات الهيدروجين، المعروفة باسم "الهدرجة" (hydrogenation). تشير هذه التفاعلات إلى أن الجزيئات أصبحت أكثر استقراراً وأقل تفاعلاً مع تحركها نحو المصب. ويبدو أن عملية نزع الميثيل، على وجه الخصوص، تعمل على تفكيك الهياكل المعقدة لـ "اللجنين" المستمد من التربة، بينما تعمل الهدرجة على إشباع الروابط الكيميائية، مما يجعل الجزيئات أقل عرضة للتفكك. كان هذا التحول مدفوعاً بمزيج من الحركة الفيزيائية للنهر والنشاط البيولوجي بداخله. وتخلص الدراسة إلى أن نهر هواي خلال موسم الأمطار هو نظام ديناميكي حيث يتغير التوازن بين الحياة داخل الماء والمدخلات من الأرض باستمرار، مما يخلق مشهداً كيميائياً معقداً ومتغيراً يعكس كلاً من العمليات الطبيعية والنشاط البشري.