Algal-associated Providencia rustigianii PMRU2.7 for azo dye bioremediation and detoxification

تتعرض أنهار وبحيرات العالم بشكل متزايد لعبء النفايات الملونة الناتجة عن الصناعة الحديثة. ومن بين الملوثات الأكثر استمراراً هي صبغات الآزو الاصطناعية، وهي فئة ضخمة من المواد الكيميائية المستخدمة لتلوين كل شيء، من الملابس إلى الجلود. تُبنى هذه المركبات حول بنية كيميائية محددة تجعلها مستقرة للغاية ومقاومة للتحلل في الطبيعة. وعندما تدخل المجاري المائية، فإنها لا تختفي ببساطة؛ بل تعمل بدلاً من ذلك على حجب ضوء الشمس عن النباتات المائية، ويمكن أن تتحول إلى مواد كيميائية أخرى سامة للأسماك والحشرات وحتى البشر. وغالباً ما تتضمن الطرق التقليدية لتنظيف هذه المياه مرشحات فيزيائية تحجز الصبغة ولكنها تترك السم خلفها، أو معالجات كيميائية قاسية تتطلب طاقة كبيرة ويمكن أن تخلق نواتج ثانوية خطيرة خاصة بها. ولأن هذه الصبغات عنيدة للغاية، فقد لجأ العلماء إلى الطبيعة بحثاً عن نوع مختلف من الحلول: استخدام بكتيريا حية تطورت لديها القدرة على أكل وتفكيك هذه الجزيئات المعقدة، وتحويل النفايات السامة إلى مواد غير ضارة.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون من كلية سانت كزافييه في الهند مصدراً جديداً لهذه البكتيريا المنظفة. لقد نظروا إلى المحيط، وتحديداً إلى نوع من الطحالب الخضراء يسمى "تشيتومورفا لينيوم" (Chaetomorpha linum)، الموجود على طول ساحل تاميل نادو. تُعرف الطحالب البحرية باستضافتها لمجتمعات فريدة من البكتيريا على أسطحها، وافترض الباحثون أن جيرانها المجهريين قد يمتلكون مهارات خاصة للتعامل مع الظروف المالحة القاسية في البحر، مما قد يجعلهم فعالين أيضاً ضد النفايات الصناعية. ومن هذا الطحلب، عزلوا سلالة واحدة من البكتيريا، وأطلقوا عليها اسم "بروفيدنسيا روستيجانيي" PMRU2.7 (Providencia rustigianii PMRU2.7). وسعى الفريق لمعرفة ما إذا كان هذا الميكروب البحري يمكنه البقاء على قيد الحياة في بيئة مختبرية، والأهم من ذلك، ما إذا كان بإمكانه تفكيك أربعة أنواع مختلفة من صبغات الآزو التي تختلف في تعقيدها الكيميائي.

أظهرت النتائج أن البكتيريا كانت بالفعل منظفاً قوياً. فعند وضعها في سائل غني بالمغذيات يحتوي على الصبغات، بدأت البكتيريا في تجريد الماء من اللون. وعلى مدار أربعة أيام، قامت السلالة بإزالة ما بين 65 و90 في المائة من لون الصبغات المختلفة، اعتماداً على البنية الكيميائية لكل منها. ولم تكن العملية مجرد مسألة إخفاء للون من قبل البكتيريا؛ فقد استخدم الباحثون أدوات متطورة للنظر داخل الجزيئات نفسها. ووجدوا أن البكتيريا نجحت في قطع الروابط الكيميائية الرئيسية التي تمسك جزيئات الصبغة معاً. وقد أدى هذا الانشطار إلى تكسير هياكل الصبغة الكبيرة والسامة إلى قطع أصغر وأبسط بكثير. وحددت الدراسة واحد وعشرين مركباً كيميائياً وسيطاً مختلفاً نتجت خلال هذه العملية، مما أكد أن البكتيريا كانت تعمل بنشاط على تحويل النفايات بدلاً من مجرد امتصاصها.

ولفهم كيفية تحقيق البكتيريا لذلك، فحص الفريق الإنزيمات، أو الأدوات البيولوجية، التي استخدمها الميكروبات للقيام بالعمل. واكتشفوا أن البكتيريا لم تعتمد على طريقة واحدة، بل نشرت فريقاً منسقاً من ثلاثة إنزيمات مختلفة. حيث ساعد إنزيم واحد، يوجد خارج الخلية البكتيرية، في أكسدة أجزاء من الصبغة، بينما عمل إنزيمان آخران داخل الخلية على اختزال وكسر الروابط الكيميائية. سمح هذا النهج متعدد الخطوات للبكتيريا بالتعامل مع مجموعة واسعة من هياكل الصبغات، من البسيطة منها إلى الجزيئات الضخمة والمعقدة جداً. وقد أدت البكتيريا عملها على أفضل وجه في ظروف تحاكي موطنها الطبيعي: مياه مالحة قلياً مع مستوى حموضة (pH) قاعدي خفيف، وهو أمر شائع في العديد من مخلفات مصانع النسيج.

ومع ذلك، فإن قصة هذا الاكتشاف ليست قصة علاج كامل، بل هي خطوة هامة للأمام. فبينما نجحت البكتيريا في إزالة اللون وتقليل سمية المياه، وجدت الدراسة أن المياه لم تكن آمنة تماماً للحياة فور المعالجة. فعندما اختبر الباحثون المياه المعالجة على بذور فول المونج، نمت النباتات بشكل أفضل بكثير مما كانت عليه في مياه الصبغة غير المعالجة، مما أظهر أن التهديد المباشر لحياة النبات قد انخفض بشكل كبير. ومع ذلك، عندما اختبروا المياه على رتفليات الملح (برين شريمب)، وهي قشريات بحرية صغيرة تُستخدم غالباً لقياس السمية، أظهرت المياه لا تزال علامات على سمية متوسطة. ويعود ذلك إلى أن عملية التفكك تركت وراءها بعض الشظايا الكيميائية الأصغر، بما في ذلك بعض الأمينات العطرية، المعروفة بضررها. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما تعد هذه البكتيريا البحرية خط دفاع أول فعال لتنظيف مياه الصرف الصناعي، فإن المياه ستتطلب على الأرجح مرحلة ثانية من المعالجة لإزالة هذه الشظايا السامة المتبقية قبل أن يمكن إطلاقها بأمان مرة أخرى في البيئة.

يقدم اكتشاف "بروفيدنسيا روستيجانيي" PMRU2.7 أداة واعدة لإدارة التلوث الصناعي. فمن خلال تسخير بكتيريا تزدهر في الظروف المالحة والقاعدية، قد يتمكن المهندسون من معالجة الأنواع المحددة من مياه الصرف الناتجة عن مصانع النسيج بكفاءة أكبر من الطرق الحالية. يسلط هذا البحث الضوء على أن المحيط، وما يحتويه من حياة، يحمل مخزناً من الحلول البيولوجية التي تنتظر الفهم. وبينما لا يعد العمل حلاً نهائياً لجميع مشاوهات الصبغات، إلا أنه يوضح أن الطبيعة توفر نظاماً متطوراً متعدد الإنزيمات قادراً على تفكيك بعض من أكثر ملوثاتنا الاصطناعية استعصاءً، مما يمهد الطريق لمياه أنظف وبيئة أكثر صحة.