Enhancement of anthracene and chrysene biodegradation in contaminated agricultural soil through bacterial bioaugmentation and organic amendments

غالباً ما يُنظر إلى التربة على أنها مجرد وسط بسيط وخامل لحمل النباتات، ولكن تحت السطح يكمن عالم صاخب من الحياة المجهرية. هذه الكائنات الدقيقة هي فريق التنظيف الطبيعي للكوكب، وهي قادرة على تفكيك المواد الكيميائية المعقدة التي قد تؤدي بخلاف ذلك إلى تسميم الأرض. ومن بين أكثر هذه الملوثات استعصاءً هي الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، وهي مجموعة من المواد الكيميائية التي تتشكل عند احتراق المواد العضوية مثل النفط أو الخشب احتراقاً غير كامل. وتشتهر هذه المواد بقدرتها على الالتصاق بقوة بجزيئات التربة ومقاومة التحلل، مما يجعلها تظل عالقة لسنوات وتهدد صحة النظام البيئي. وبينما تمتلك الطبيعة طرقها الخاصة لتنظيف مثل هذه الفوضى، إلا أن العملية يمكن أن تكون بطيئة للغاية، خاصة عندما تكون التربة ملوثة بشدة. وقد سعى العلماء منذ فترة طويلة لإيجاد طرق لتسريع هذا التعافي الطبيعي، مستكشفين أساليب تعتمد إما على تغذية ميكروبات التربة الموجودة أو إدخال ميكروبات جديدة ومتخصصة للقيام بالمهمة.

في دراسة حديثة ركزت على الأراضي الزراعية في الكاميرون، بحث الباحثون في أفضل السبل لتسريع إزالة ملوثين محددين ومستعصيين: الأنثراسين والكريسين. هذه المواد الكيميائية شائعة في التربة الملوثة وتعمل كمؤشرات على تلوث هيدروكربوني أوسع نطاقاً. وضع الفريق خطة لاختبار استراتيجية تجمع بين نهجين: التعزيز الحيوي (bioaugmentation)، والذي يتضمن إضافة مزيج محدد من البكتيريا المصممة "لأكل" الملوثات، والتحفيز الحيوي (biostimulation)، والذي يعني إضافة مغذيات عضوية لتشجيع تلك البكتيريا على النمو والعمل بجهد أكبر. لقد اختبروا هذه الأساليب في بيئة محكومة باستخدام تربة تم تلويثها اصطناعياً بمستويات عالية من هذه المواد الكيميائية. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان إضافة فريق بكتيري وحده كافياً، أم أن تغذيتهم بمواد عضوية مثل السماد أو روث الدواجن سيحدث فرقاً جورياً. كما قارنوا بين كيفية عمل هذه الأساليب في تربة تم تعقيمها لقتل جميع أشكال الحياة الموجودة مقابل تربة لا تزال تحتوي على ميكروباتها الأصلية والمحلية.

تضمنت التجربة معالجة التربة الملوثة لمدة عشرة أسابيع بمجموعات مختلفة من العلاجات. تلقت بعض القطع مزيجاً بكتيرياً فقط، بينما تلقت قطع أخرى أسمدة عضوية مثل السماد (الكومبوست) أو روث الدواجن المجفف فقط، وتلقى بعضها كليهما. راقب الفريق حموضة التربة، ونمو البكتيريا، والأهم من ذلك، مقدار اختفاء الأنثراسين والكريسين بمرور الوقت. وأظهرت النتائج أن عدم فعل أي شيء ترك الملوثات دون مساس تقريباً، حيث تحلل أقل من اثنين بالمائة من الأنثراسين وأقل من نصف بالمائة من الكريسين من تلقاء نفسهما. وقد أكد ذلك أنه بدون مساعدة، ستكون قدرة التربة الطبيعية على تنظيف نفسها غير كافية لهذا المستوى من التلوث.

عندما أدخل الباحثون المعالجات البكتيرية، تحسن الوضع، لكن طريقة التوصيل كانت مهمة للغاية. ففي التربة التي تم تعقيمها، أدت إضافة البكتيريا وحدها إلى تحسينات متواضلة، حيث أزالت حوالي عشرين بالمائة من الأنثراسين وحوالي أحد عشر بالمائة من الكريسين. ومع ذلك، عندما تم إطعام البكتيريا بمغذيات عضوية، قفزت النتائج بشكل كبير. وكان المزيج الأكثر فعالية هو مزيج البكتيريا المقترن بروث الدواجن؛ ففي هذا السيناريو، أزالت البكتيريا ما يقرب من أربعة وأربعين بالمائة من الأنثراسين وسبعة وثلاثين بالمائة من الكريسين. كما ساعد السماد (الكومبوست) أيضاً، لكنه كان أقل فعالية من روث الدواجن، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الروث وفر مغذيات كانت متاحة للميكروبات بشكل أكثر فورية.

كانت القصة أكثر إثارة للإعجاب في التربة غير المعقمة، حيث كانت الكائنات المجهرية الأصلية لا تزال حية ونشطة. هنا، انضمت الحياة الطبيعية للتربة إلى البكتيريا المضافة والمغذيات. وقد ثبت أن الجمع بين روث الدواجن والمزيج البكتيري هو الأداة الأكثر قوة، حيث أزال ما يقرب من خمسة وسبعين بالمائة من الأنثراسين وستة وخمسين بالمائة من الكريسين خلال فترة العشرة أسابيع. كان هذا دليلاً واضحاً على أن الميكروبات الأصلية لم تكن مجرد متفرجة بل مشاركة نشطة، تعمل بتآزر مع البكتيريا المدخلة. كما لاحظت الدراسة أن التربة أصبحت أكثر حمضية مع عمل البكتيريا، وهي علامة على حدوث نشاط أيضي مكثف أثناء قيام الميكروبات بتفكيك المواد الكيميائية.

ظهر نمط ثابت عبر جميع الاختبارات: كان الأنثراسين دائماً أسهل في التحلل من الكريسين. ويعود هذا الاختلاف إلى البنية الفيزيائية للجزيئات؛ فالأنثراسين له بنية أبسط بعدد حلقات أقل، مما يجعله أكثر قابلية للذوبان وأسهل وصولاً للبكتيريا. أما الكريسين، ببنيته الأكثر تعقيداً المكونة من أربع حلقات، فهو أكثر كرهًا للماء (hydrophobic) ويلتصق بالتربة بقوة أكبر، مما يجعل من الصعب على الميكروبات الوصول إليه وهضمه. ورغم هذه الصعوبة، فإن النهج المشترك المتمثل في إضافة بكتيريا متخصصة وتغذيتها بروث الدواجن قد سرع بشكل كبير من تحلل كلا المادتين.

تخلص الدراسة إلى أن الطريقة الأكثر فعالية لاستعادة التربة الملوثة بهذه الهيدروكربونات الصعبة ليست بالاعتماد على طريقة واحدة، بل بدمجها. فمن خلال الجمع بين إدخال بكتيريا متخصصة وإضافة محسنات عضوية مثل روث الدواجن، يمكن تعزيز قدرة التنظيف الطبيعية للتربة بشكل كبير. ويقدم هذا النهج حلاً مستداماً وعملياً للأراضي الزراعية، محولاً إحدى النفايات إلى مورد يساعد في شفاء البيئة. وتشير النتائج إلى أنه في المناطق الاستوائية حيث تتوفر هذه المواد العضوية بسهولة، يمكن أن يكون هذا الأسلوب استراتيجية رئيسية لعكس الضرر الناجم عن التلوث الصناعي وحماية خصوبة الأرض.