Biochemical constraints to the incorporation of dihydrogen into alternative electron acceptors in in vitro ruminal fermentation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जबकि फ्युमरेट, ऐक्रेलिक और क्रोटोनिक एसिड जैसे कार्बोक्सिलिक एसिड मध्यवर्ती को रुमिनल किण्वन (ruminal fermentation) में मूल्यवान वाष्पशील फैटी एसिड में परिवर्तित किया जा सकता है, उनका अपचयन मुख्य रूप से इंट्रासेल्युलर इलेक्ट्रॉन दाताओं पर निर्भर करता है न कि एक्स्ट्रासेल्युलर डाइहाइड्रोजन पर, जो यह संकेत देता है कि केवल ऊष्मागतिक क्षमता (thermodynamic potential) ही मीथेन निषेध के कारण होने वाले हाइड्रोजन संचय को कम करने की वैकल्पिक इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ताओं की क्षमता की भविष्यवाणी नहीं कर सकती है।
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गाय की डकार और हाइड्रोजन का ट्रैफिक जाम
गाय के पेट, या रुमेन (rumen) की कल्पना एक हलचल भरे, उच्च-गति वाले किण्वन (fermentation) कारखाने के रूप में करें। इस गर्म, अवायवीय (ऑक्सीजन रहित) कक्ष के भीतर, खरबों सूक्ष्म जीव घास और भूसे को तोड़ने के काम में जुटे रहते हैं। जैसे ही वे इसे चबाते हैं, वे गाय के लिए फैटी एसिड के रूप में ऊर्जा उत्पन्न करते हैं, लेकिन वे बहुत अधिक "निकास गैस" (exhaust fumes) भी पैदा करते हैं—विशेष रूप से, हाइड्रोजन नामक एक गैस। एक स्वस्थ, सामान्य कारखाने में, मेथानोजेन्स (methanogens) नामक विशेषज्ञों की एक टीम अंतिम सफाई दल के रूप में कार्य करती है। वे उस अतिरिक्त हाइड्रोजन को पकड़ते हैं और उसे कार्बन डाइऑक्साइड के साथ मिलाकर मीथेन बनाते हैं, जिसे गाय अंततः डकार के रूप में बाहर निकाल देती है। यह सफाई अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि हाइड्रोजन जमा हो जाता है, तो यह असेंबली लाइन को जाम कर देता है, जिससे पूरी किण्वन प्रक्रिया धीमी हो जाती है और ऊर्जा बर्बाद होती है।
यहाँ समस्या यह है: मीथेन एक अत्यधिक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है, जो कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में हमारे वायुमंडल में गर्मी को कहीं अधिक प्रभावी ढंग से रोकती है। वैज्ञानिकों ने एक विशेष रासायनिक अवरोधक (inhibitor) का उपयोग करके मीथेन बनाने वाली टीम को रोकने का एक तरीका खोजा है (जैसे कि एक अस्थायी "काम में बाधा न डालें" का संकेत)। लेकिन जब आप मीथेन बनाने वाली टीम को रोक देते हैं, तो हाइड्रोजन निकास के पास जाने के लिए कोई जगह नहीं बचती। यह जमा होने लगता है, जिससे एक ट्रैफिक जाम पैदा होता है जो कारखाने की दक्षता को बंद कर सकता है। वैज्ञानिकों के लिए बड़ा सवाल यह है: क्या हम कारखाने को उस जमा हुए हाइड्रोजन का उपयोग कुछ उपयोगी बनाने के लिए करने के लिए चकमा दे सकते हैं, बजाय इसके कि उसे हवा में छोड़ने दिया जाए? विशेष रूप से, क्या हम कुछ विशिष्ट "इलेक्ट्रॉन एक्सेप्टर्स" (electron acceptors)—इन्हें वैकल्पिक निर्माण सामग्री के रूप में समझें—को जोड़ सकते हैं जो उस हाइड्रोजन को पकड़ लें और उसे गाय के लिए मूल्यवान पोषक तत्वों में बदल दें, बजाय इसके कि उसे हवा में निकलने दिया जाए?
प्रयोग: हाइड्रोजन की नदी को मोड़ने की कोशिश
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ डाला कि क्या वे रुमेन मिश्रण में तीन विशिष्ट प्रकार के एसिड—फ्यूमारिक (fumaric), ऐक्रेलिक (acrylic), और क्रोटोनिक (crotonic)—को जोड़कर इस हाइड्रोजन ट्रैफिक जाम को हल कर सकते हैं। विचार सरल और आशावादी था: यदि आप सूक्ष्मजीवों को ये एसिड देते हैं, तो वे शायद अतिरिक्त हाइड्रोजन को पकड़ लेंगे और उसका उपयोग अधिक प्रोपियोनेट और ब्यूटिरेट (पोषक फैटी एसिड जिन्हें गाय वास्तव में उपयोग कर सकती है) बनाने के लिए करेंगे, जिससे अपशिष्ट का प्रभावी ढंग से पुनर्चक्रण (recycling) होगा।
टीम ने दो मुख्य प्रयोग चलाए। सबसे पहले, उन्होंने रुमेन फ्लूइड का एक बैच लिया, मीथेन उत्पादन को रोकने के लिए अवरोधक मिलाया, और फिर इन तीन एसिडों की विभिन्न मात्रा डाली। उन्होंने बारीकी से देखा कि क्या हाइड्रोजन का स्तर गिरता है और क्या उपयोगी फैटी एसिड का उत्पादन बढ़ता है। परिणाम थोड़े निराशाजनक रहे। हालांकि एसिड वांछित फैटी एसिड में परिवर्तित हो गए (सूक्ष्मजीव इन्हें खाने के शौकीन थे), लेकिन वे ऐसा करने के लिए अतिरिक्त हाइड्रोजन का उपयोग नहीं करते दिखे। उदाहरण के लिए, जब उन्होंने फ्यूमारिक एसिड मिलाया, तो हाइड्रोजन का स्तर शायद ही बदला, भले ही एसिड गायब हो रहा था। ऐसा प्रतीत हुआ कि सूक्ष्मजीव काम करने के लिए अपने स्वयं के आंतरिक ऊर्जा भंडार (जैसे कोशिका के अंदर एक बैटरी) का उपयोग कर रहे थे, बजाय इसके कि वे रुमेन में तैरने वाली बाहरी हाइड्रोजन गैस को पकड़ें।
शोधकर्ताओं ने फिर एक दूसरा दृष्टिकोण अपनाया, इस उम्मीद में कि यदि वे सूक्ष्मजीवों को बार-बार ये एसिड खिलाते रहेंगे, तो सूक्ष्मजीव अंततः हाइड्रोजन का उपयोग करना "सीख" जाएंगे। उन्होंने एक सीरियल कल्चर (serial culture) स्थापित किया, जिसमें वे हर कुछ दिनों में सूक्ष्मजीवों को ताजा भोजन देते रहे, जबकि मीथेन अवरोधक चालू रहा। उन्हें उम्मीद थी कि पांचवें दौर तक, सूक्ष्मजीव उच्च हाइड्रोजन स्तरों के अनुकूल हो जाएंगे और क्रोटोनिक एसिड से ब्यूटिरेट बनाने के लिए हाइड्रोजन का उपयोग करना शुरू कर देंगे। जबकि सूक्ष्मजीव क्रोटोनिक एसिड को ब्यूटिरेट में बदलने में बहुत कुशल हो गए (उत्पादन तीन गुना से अधिक बढ़ गया!), वे फिर भी इसे करने के लिए हाइड्रोजन गैस का उपयोग करना शुरू नहीं कर पाए। हाइड्रोजन का स्तर पहले की तरह ही उच्च बना रहा।
यह हमें क्या बताता है
अध्ययन बताता है कि केवल इन एसिडों को जोड़ना हाइड्रोजन ट्रैफिक जाम को साफ करने के लिए पर्याप्त नहीं है। भले ही रसायन विज्ञान के अनुसार यह कागज़ पर काम करना चाहिए (यह थर्मोडायनामिक रूप से संभव है), लेकिन रुमेन सूक्ष्मजीवों का वास्तविक जीव विज्ञान इस प्रक्रिया को बाहरी हाइड्रोजन गैस से जोड़ने में सक्षम नहीं दिखता है जो इन एसिडों को फैटी एसिड में बदलने का काम करती है। सूक्ष्मजीव अपने स्वयं के आंतरिक ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करना पसंद करते हैं।
लेखक बताते हैं कि हालांकि कुछ विशिष्ट बैक्टीरिया फ्यूमरेट को कम करने के लिए हाइड्रोजन का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन वे शायद रुमेन में प्रमुख खिलाड़ी नहीं हैं, या वे हाइड्रोजन के संचय का मुकाबला करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि केवल इसलिए कि कोई प्रतिक्रिया सैद्धांतिक रूप से संभव है, इसका मतलब यह नहीं है कि सूक्ष्मजीवों का मिश्रित समुदाय वास्तव में उसे करेगा। इस हाइड्रोजन समस्या को वास्तव में हल करने के लिए, हमें उन विशिष्ट सूक्ष्मजीवों को खोजने या पेश करने की आवश्यकता हो सकती है जो वास्तव में बाहरी हाइड्रोजन को पकड़ने के लिए बने हैं, बजाय इसके कि केवल यह उम्मीद की जाए कि मौजूदा सूक्ष्मजीव अनुकूलित हो जाएंगे। फिलहाल, यह विचार कि ये एसिड मीथेन-अवरुद्ध रुमेन में हाइड्रोजन को उपयोगी पोषक तत्वों में स्वतः पुनर्चक्रित करेंगे, एक स्वतंत्र समाधान के रूप में काम करने की संभावना कम ही लगती है।
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