Microbial Reductive Dechlorination of Hexachlorobutadiene by Dehalococcoides

हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी और पानी अक्सर अदृश्य जीवन से भरे होते हैं, सूक्ष्म समुदायों से जो प्रकृति के सफाई दल के रूप में कार्य करते हैं। इन नन्हे श्रमिकों में ऐसे बैक्टीरिया शामिल हैं जो एक उल्लेखनीय उपलब्धि हासिल कर सकते हैं: वे उन रसायनों को "साँस" ले सकते हैं जो लगभग हर किसी के लिए जहरीले होते हैं। ऑक्सीजन का उपयोग करने के बजाय, ये सूक्ष्मजीव विशिष्ट प्रदूषकों को ऊर्जा के स्रोत के रूपas उपयोग करते हैं, और एक प्रक्रिया के माध्यम से खतरनाक यौगिकों से क्लोरीन परमाणुओं को अलग करते हैं जिसे रिडक्टिव डीक्लोरिनेशन (reductive dechlorination) कहा जाता है। यह प्राकृतिक क्षमता औद्योगिक कचरे से दूषित स्थलों को साफ करने के लिए आशा की एक किरण प्रदान करती है, जो निरंतर रहने वाले जहरों को हानिरहित पदार्थों में बदल देती है। हालाँकि, कई जिद्दी प्रदूषकों के लिए, वैज्ञानिक सटीक रूप से इस बात को पहचानने में संघर्ष करते रहे हैं कि कौन से बैक्टीरिया यह काम करते हैं या वे इसे कैसे करते हैं, जिससे जैविक सफाई के वादे और दूषित जमीन की वास्तविकता के बीच एक अंतर बना हुआ है।

हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन (Hexachlorobutadiene) ऐसा ही एक जिद्दी प्रदूषक है। यह एक सिंथेटिक रसायन है, जो प्रकृति में कभी नहीं पाया जाता, जिसका उपयोग कभी विलायक (solvent) के रूप में किया जाता था और अब यह अन्य औद्योगिक रसायनों को बनाने का एक उपोत्पाद (byproduct) है। क्योंकि यह पानी में आसानी से नहीं घुलता है, इसलिए यह नदी के तलछट और मिट्टी में डूब जाता है, जहाँ यह दशकों तक बना रहता है। यह जलीय जीवन के लिए विषाक्त है और मनुष्यों के लिए गंभीर स्वास्थ्य जोखिम पैदा करता है, जिसमें गुर्दे की क्षति और कैंसर शामिल है। इसके खतरे को पहचानते हुए, दुनिया ने इसे एक 'पर्सिस्टेंट ऑर्गेनिक पोल्यूटेंट' (persistent organic pollutant) के रूप में वर्गीकृत किया है, जो इसे समाप्त करने के लिए वैश्विक प्रयासों की मांग करता है। जबकि वैज्ञानिक जानते थे कि कुछ बैक्टीरिया ऑक्सीजन-मुक्त स्थितियों में इस रसायन को तोड़ सकते हैं, लेकिन जिम्मेदार विशिष्ट सूक्ष्मजीव कौन से थे और वे इस अणु को नष्ट करने के लिए किन सटीक चरणों का पालन करते थे, यह एक रहस्य बना हुआ था। पिछले शोध ने सुझाव दिया था कि 'डीहेलोकोकोइड्स' (Dehalococcoides) नामक बैक्टीरिया का एक प्रसिद्ध समूह इसमें शामिल हो सकता है, लेकिन केवल अन्य रसायनों को खाने के एक दुष्प्रभाव के रूप में, न कि प्राथमिक भोजन के स्रोत के रूप में।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने शेनयांग, चीन में शी नदी (Xi River) से तलछट लेकर और एक नियंत्रित वातावरण बनाकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने सीलबंद बोतलों में तलछट रखी, लैक्टेट (lactate) नामक खाद्य स्रोत डाला, और हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन पेश किया। आठ महीनों के दौरान, उन्होंने बारीकी से निगरानी की कि क्या होता है। परिणाम स्पष्ट थे: हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन केवल वहीं पड़ा नहीं रहा। यह चरण दर चरण टूटने लगा। शोधकर्ताओं ने मध्यवर्ती उत्पादों के एक क्रम का पता लगाया, जिनमें से प्रत्येक में पिछले वाले की तुलना में कम क्लोरीन परमाणु थे, जब तक कि मूल जहरीला अणु क्लोरोब्यूटाडिएन (chlorobutadiene) नामक एक बहुत सरल यौगिक में परिवर्तित नहीं हो गया। इस प्रक्रिया में लगभग 240 दिन लगे, जिसके दौरान टीम ने शुरुआती रसायन के गायब होने और उसके टूटने वाले उत्पादों के प्रकट होने पर नज़र रखी, जिससे पुष्टि हुई कि एक जैविक रूपांतरण हो रहा था।

यह पता लगाने के लिए कि यह काम कौन कर रहा था, वैज्ञानिकों ने बोतलों के भीतर मौजूद सूक्ष्मजीव समुदाय का अध्ययन किया। उन्होंने बैक्टीरिया के विभिन्न प्रकारों की गिनती करने के लिए जेनेटिक टूल्स का उपयोग किया। शुरुआत में, समुदाय विविध था, लेकिन जैसे ही हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन गायब होने लगा, बैक्टीरिया का एक विशिष्ट प्रकार संख्या में बढ़ने लगा। Dehalococcoides की एक नस्ल, प्रयोग के पहले चरण में पचास गुना से अधिक बढ़ गई। शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट सूक्ष्मजीव की वृद्धि और रसायन के टूटने के बीच सीधा संबंध पाया। जब उन्होंने मिश्रण में एक अन्य सामान्य प्रदूषक, ट्राइक्लोरोएथीन (trichloroethene), मिलाया, तो Dehalococcoides की आबादी और भी तेजी से बढ़ी, लगभग 150 गुना बड़ी हो गई, और दोनों रसायन पूरी तरह से हटा दिए गए। इसने साबित कर दिया कि बैक्टीरिया केवल गलती से रसायन को नहीं तोड़ रहे थे; वे इसे बढ़ने और संख्या बढ़ाने के लिए एक इलेक्ट्रॉन एक्सेप्टर (electron acceptor) के रूप में उपयोग कर रहे थे।

टीम ने फिर इस नव-खोजे गए स्ट्रेन के जेनेटिक ब्लूप्रिंट की गहराई से जांच की, जिसे उन्होंने 'Dehalococcoides sp. strain HCBD' नाम दिया। इसके जीनोम को अनुक्रमित (sequencing) करके, उन्होंने पाया कि यह अन्य औद्योगिक कचरे को साफ करने वाले ज्ञात बैक्टीरिया का एक करीबी रिश्तेदार है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने एक विशिष्ट जीन की पहचान की जो संभवतः हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन को तोड़ने के पहले चरण के लिए जिम्मेदार एंजाइम को कोड करता है। यह जीन संयुक्त राज्य अमेरिका में उपयोग किए जाने वाले एक प्रसिद्ध क्लीनअप कल्चर में पाए जाने वाले जीन के लगभग समान था, जो यह सुझाव देता है कि यह एंजाइम क्लोरीनेटेड रसायनों की एक विस्तृत श्रृंखला को तोड़ने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है। यह पुष्टि करने के लिए कि जीन वास्तव में सक्रिय था, शोधकर्ताओं ने कल्चर में मौजूद प्रोटीन का विश्लेषण किया और पाया कि एंजाइम वास्तव में उत्पादित हो रहा था।

यह खोज हमारे इस समझ को बदल देती है कि ये बैक्टीरिया कैसे काम करते हैं। पहले, यह माना जाता था कि Dehalococcoides केवल अन्य रसायनों को खाते समय गलती से हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन को तोड़ सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो उन्हें बढ़ने में मदद नहीं करती थी। यह अध्ययन दिखाता है कि वे वास्तव में हेक्साक्लोरोब्यूटाडिएन को एक प्राथमिक इलेक्ट्रॉन एक्सेप्टर के रूप में उपयोग कर सकते हैं, जिससे नई कोशिकाएं बनाने के लिए ऊर्जा प्राप्त होती है। यह एक महत्वपूर्ण बदलाव है, क्योंकि इसका अर्थ है कि ये बैक्टीरिया अकेले इस प्रदूषक पर जीवित रह सकते हैं, जिससे वे दूषित स्थलों की सफाई के लिए एक अधिक विश्वसनीय उम्मीदवार बन जाते हैं। हालाँकि, कहानी पूर्ण उन्मूलन के साथ समाप्त नहीं होती है। प्रक्रिया अंतिम चरण पर रुक गई, जिससे क्लोरोब्यूटाडिएन नामक कम क्लोरीनेटेड यौगिक पीछे रह गया। हालांकि यह मूल रसायन की तुलना में कम जहरीला है, लेकिन यह अभी भी एक प्रदूषक है जिसे संबोधित करने की आवश्यकता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि एक पूर्ण समाधान के लिए दो-चरणीय दृष्टिकोण की आवश्यकता हो सकती है: इन बैक्टीरिया का उपयोग भारी क्लोरीन भार को हटाने के लिए करना, और उसके बाद काम को पूरा करने के लिए एक अलग उपचार का उपयोग करना।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक रसायन तक सीमित नहीं हैं। विशिष्ट बैक्टीरिया और उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले जीन की पहचान करके, वैज्ञानिकों के पास अब एक बेहतर मानचित्र है कि कैसे प्रकृति कुछ सबसे कठिन औद्योगिक कचरे को नष्ट कर सकती है। तथ्य यह है कि चीन की एक नदी से निकला बैक्टीरिया संयुक्त राज्य अमेरिका में उपयोग किए जाने वाले स्ट्रेन के साथ इतना करीबी जेनेटिक मिलान रखता है, यह सुझाव देता है कि इन रसायनों को तोड़ने की यह क्षमता व्यापक और मजबूत है। हालांकि पूरी तरह से स्वच्छ वातावरण का मार्ग अभी भी बनाया जा रहा है, यह शोध पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रदान करता है, जो दिखाता है कि सही परिस्थितियों के साथ, सूक्ष्म जगत को मानव उद्योग द्वारा छोड़े गए नुकसान को भरने के लिए उपयोग किया जा सकता है।