Functional profiling of coastal microbial mats from the Yucatan Peninsula: methane, nitrogen and sulfur metabolism

تحت سطح البحيرات الشاطئية، حيث تلتقي المياه العذبة بالبحر، تكمن سجادات رقيقة من الميكروبات الحية التي تعمل كمحركات غير مرئية للكوكب. هذه الحصائر الميكروبية ليست مجرد مادة لزجة؛ بل هي مدن معقدة ومتعددة الطبقات، حيث تعمل مليارات الكائنات الحية بتنسيق وثيق لإعادة تدوير العناصر الأساسية للحياة: الكربون، والنيتروجين، والكبريت. في هذه الأحياء المجهرية، تتغير كيمياء البيئة بشكل جذري خلال بضعة مليمترات فقط. فضوء الشمس يغذي الطبقات العليا، مما ينتج الأكسجين، بينما تصبح الطبقات الأعمق مظلمة وخالية من الأكسجين، مما يسمح لفرق مختلفة من الميكروبات بتفكيك المواد العضوية وإطلاق الغازات. ومن بين أكثر هذه العمليات حيوية هي إنتاج واستهلاك الميثان، وهو غاز دفيئة قوي، وتحويل الكبريت والنيتروجين، اللذين يحددان كيفية تدفق المغذيات عبر النظام البيئي. إن فهم كيفية عمل هذه المجتمعات الصغيرة أمر ضروري لاستيعاب كيفية تنظيم البيئات الساحلية للمناخ ودعم العالم الأكبر من النباتات والحيوانات.

في شبه جزيرة يوكاتان، وهي منطقة تتميز بتضاريسها الجيرية وغابات المانغروف الواسعة، وجه الباحثون اهتمامهم إلى هذه الحصائر الميكروبية لفهم حياتها الأيضية الخفية. وبينما يعلم العلماء منذ فترة طويلة وجود هذه الحصائر على طول الساحل، حيث تشكل غالباً جزرًا عائمة، أو قشورًا مسطحة، أو تلالاً نتوئية، إلا أن التعليمات الجينية المحددة التي تسمح لها بمعالجة الميثان والكبريت والنيتروجين ظلت لغزاً. وقد شرع فريق من العلماء في فك شفرة هذه القدرة الجينية من خلال جمع عينات من ثلاثة مواقع متميزة: الحصائر العائمة في "سيسال"، والحصائر المسطحة والنتوئية في "بروغريسو"، والحصائر المسطحة في "ريا لاغارتوس". وباستخدام تقنية تسمى "تسلسل القراءة العشوائية" (shotgun sequencing)، والتي تقرأ الحمض النووي الجماعي لجميع الميكروبات في العينة دفعة واحدة، استطاع الباحثون إعادة بناء القدرات الأيضية لهذه المجتمعات دون الحاجة لزراعتها في المختبر. وكان هدفهم هو تحديد المسارات الكيميائية النشطة وكيف يمكن لأنواع مختلفة من الحصائر أن تؤثر على إطلاق غازات الدفيئة ودورة المغذيات.

كشفت الدراسة أن هذه الحصائر تعج بالنشاط، وتسيطر عليها مجموعات محددة من الميكروبات التي تقود دورة الميثان. ووجد الباحثون أن الميكروبات المسؤولة عن إنتاج الميثان، والمعروفة باسم "منتجات الميثان" (methanogens)، تنتمي أساساً إلى مجموعة تسمى Methanosarcina. وتفضل هذه الكائنات صنع الميثان عن طريق تفكيك الأسيتات، وهو مركب عضوي بسيط، بدلاً من استخدام طرق أخرى. ومن المثير للاهتمام أن الحصائر احتوت أيضاً على مجتمع غني من البكتيريا الآكلة للميثان، أو "آكلات الميثان" (methanotrophs)، وهي أكثر وفرة من منتجات الميثان. وكانت الفصيلة الأكثر شيوعاً من هذه الآكلات هي جنس يسمى Methylobacterium. ومع ذلك، فإن التوازن بين إنتاج الميثان واستهلاكه يختلف بشكل كبير اعتماداً على نوع الحصيرة وموقعها. فقد أظهرت الحصائر العائمة الموجودة في "سيسال"، المرتبطة بمناطق المانغروف المتدهورة، أعلى قدرة على إنتاج الميثان. وفي المقابل، كانت الحصائر المسطحة في "بروغريسو" و"ريا لاغارتوس" أكثر فعالية بكثير في استهلاك الميثان، حيث تعمل كمرشح يمنع تسرب الغاز إلى الغلاف الجوي. وهذا يشير إلى أن البنية الفيزيائية للحصيرة وملوحة المياه يلعبان دوراً حاسماً في تحديد ما إذا كان النظام البيئي الساحلي سيصبح مصدراً لغازات الدفيئة أو مستقبلاً يساعد في التخفيف منها.

كما أظهرت عملية أيض الكبريت، وهي عملية حيوية أخرى في هذه البيئات المالحة، أنماطاً متميزة عبر المواقع المختلفة. وحدد الباحثون مجموعة متنوعة من البكتيريا القادرة على معالجة الكبريت، وكانت المجموعات الأكثر وفرة هي Desulfosarcina و Pseudodesulfovibrio. وفي معظم الحصائر، كانت الميكروبات تستخدم الكبريت بشكل أساسي لبناء هياكلها الخلوية، وهي عملية تُعرف باسم "الاختزال الاستيعابي". ومع ذلك، كانت الحصائر المسطحة في "ريا لاغارتوس" مختلفة؛ إذ أظهرت هذه الحصائر، مدفوعة بالمحتوى الملحي العالي لبيئتها، قدرة أعلى بكثير على "اختزال الكبريتات غير الاستيعابي"، حيث يُستخدم الكبريت لتوليد الطاقة، وعلى إعادة أكسدة الكبريتيد الناتج إلى كبريتات. ويشير هذا إلى دورة كبريت سريعة وعالية الكفاءة في الظروف شديدة الملوحة في "ريا لاغارتوس". وفي الوقت نفسه، أظهرت الحصائر العائمة في "سيسال" قدرة فريدة على نظام "ترحيل الكبريت"، والذي يساعد المجتمع على حد سواء في إزالة سمية مركبات الكبريت الضارة، وهو تكيف ضروري للبقاء في الظروف المتقلبة لمنطقة المانغروف المتدهورة.

وُجد أن النيتروجين، وهو المغذي الضروري لنمو النباتات، كان الموضوع الأيضي الأكثر وفرة في هذه الحصائر، حيث شكلت الميكروبات المرتبطة بالنيتروجين ما يقرب من ربع المجتمع الإجمالي. وكانت اللاعبون المهيمنون في هذه الدورة هي بكتيريا من أجناس Streptomyces و Pseudomonas، وهي كائنات متعددة القدرات قادرة على تحويل النيتروجين بطرق متعددة. ووجدت الدراسة أن الحصائر في "بروغريسو"، وخاصة تلك الموجودة في مناطق المانغروف المستصلحة، تمتلك قدرة قوية على "تثبيت النيتروجين"، وهي عملية سحب النيتروجين من الهواء لجعله متاحاً للنباتات. ويشير هذا إلى أن هذه الحصائر تعمل بنشاط على إغناء التربة. وعلى العكس من ذلك، أظهرت الحصائر في "سيسال" و"ريا لاغارتوس" إمكانات أعلى بكثير لعملية "نزع النيتروجين" (denitrification)، وهي عملية تحول مركبات النيتروجين مرة أخرى إلى غازات تغادر النظام البيئي. ويمكن لهذا المسار أن يطلق أكسيد النيتروز، وهو غاز دفيئة قوي آخر، مما يعني أنه بينما تعد هذه الحصائر حيوية لدورة المغذيات، فقد تساهم أيضاً في الانبعاثات الجوية بطرق تختلف عن الحصائر الأكثر استقراراً في "بروغريسو".

في النهاية، ترسم هذه الدراسة صورة للتنوع الوظيفي حيث تُستخدم نفس الأدوات الميكروبية الأساسية بشكل مختلف اعتماداً على البيئة. وتؤكد الدراسة أنه بينما تشترك هذه الحصائر في مجموعة أساسية من الميكروبات القادرة على التعامل مع الميثان والكبريت والنيتروجين، فإن استراتيجياتها الأيضية المحددة مضبوطة بدقة لتناسب ظروفها المحلية. فالحصائر المسطحة في "ريا لاغارتوس" و"بروغريسو" تبدو كمرشحات قوية، تستهلك الميثان وتحتفظ بالنيتروجين، في حين أن الحصائر العائمة في "سيسال" أكثر عرضة لإنتاج الميثان وإطلاق غازات النيتروجين. وتسلط هذه النتات الضوء على أن صحة وبنية أنظمة المانغروف تؤثر بشكل مباشر على السلوك الكيميائي للحصائر الميكروبية تحتها. ومن خلال فهم هذه الإمكانات الجينية، يمكن للعلماء التنبؤ بشكل أفضل بكيفية استجابة البيئات الساحلية للتغيرات في الملوحة والغطاء النباتي، مما يوفر مساراً أوضح لإدارة هذه الأنظمة البيئية الحرجة لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة ودعم التنوع البيولوجي.