الصفات العامة للبكتريا المستعملة في التعدين

تعد البكتريا والاركيا أكثر الاحياء المستعملة لاستخلاص المعادن وتتصف مجموعة بكتريا المعادن بعدد من المواصفات التي تؤهلها لأداء المهمة وهي مجموعة كيماوية – صخرية التغذية من البكتريا والاركيا. المجموعة تكون منتجة لأيون الحديديك وحامض الكبريتيك، وهي التفاعلات اللازمة لعمليات استخلاص المعادن ومن المواصفات الاخرى :

التغذية

ان تكون ذاتية التغذية اي تثبت ثنائي اوكسيد الكاربون الجوي لبناء كتلتها الحيوية، ومن اهم الاجناس Acidithiobacillus و Leptospirillum والاحياء تثبت ثنائي اوكسيد الكاربون عن طريق دورة كالفن (Calvin reductive pentose phosphate cycle) باستعمال انزيم RUBISCO وتحتاج الى طاقة كبيرة وكافئات مختزلة NAD(P)H بكميات كبيرة لغرض اختزال الكاربون لانتاج المواد الخلوية مثل النيوكلوتيدات والسكريات والحوامض الامينية وغيرها لبناء كتلتها الحيوية، ولذلك فهي تحتاج الى تدرج كبير للبروتونات عبر الأغشية الخلوية لتوليد القوة الدافعة للبروتون pmf للحصول على الطاقة لتخليق NAD(P)H وهذا ما يعرف بنقل الالكترونات العكسي (Uphill electron transfer pathway).

وغاز ثنائي اوكسيد الكاربون الموجود في الجو يكون كافيا بالنسبة للبكتريا At. Ferrooxidans عندما تنمو على ايونات الحديدوز ، وتستطيع البكتيريا تحسس قلة ثنائي اوكسيد الكاربون لذا تزيد من تركيز انزيم Rubisco  وابرونه يحوي على نسختين من الجين المسؤول عن تخليقة والنسختين مفصولة عن بعضهما بقطعة من DNA  تصل الى خمس كيلو قاعدة .

ويمكن لبكتيريا At.  Ferrooxidans المجبرة على التغذية الذاتية ان تستعمل حامض الفورميك مصدرا للكاربون في مزارع مستمرة على ان تزود بالحامض بتراكيز قليلة.

اما الجنس Leptospirillum فتحوي على الجينات الخاصة بالمعقد Format hydrogenlyase complex لذا تستطيع الخلايا النمو على الفورمات، وحامض الفورميك يحوي على ذرة واحدة من الكاربون لذلك عندما يتحلل يدخل في دورة كالفن مثل ثنائيا وكسيد الكاربون للتثبيت.

اما الاحياء متباينة التغذية فهي لا تحتاج الى كميات كبيرة من NAD(P)H وذلك لان الكاربون الذي تستعمله يكون مختزلا. والاحياء الاخرى مثل البكتريا المحبة للحرارة Sulfobacillus thermosulfidooxidans فتحتاج الى تراكيز عالية من ثنائي اوكسيد الكاربون تصل الى 1% نظراً لصعوبة ذوبان الغاز في الوسط عند درجة حرارة نموها المبالغة 50 م◦ اضافة الى ان البكتريا ليست كفوءة في قبط ثنائي اوكسيد الكاربون. والأنواع الاخرى العائدة للجنس Sulfobacillus تكون غير متشابه من ناحية التغذية فالبعض يمكن ان يعيش بطريقة تغذية متباينة

ومجموعة الاركيا ذات العلاقة بالمعادن بعض أفرادها متباينة التغذية ولكن توجد بعض الأنواع التابعة للجنس Sulfolobus تكون ذاتية التغذية.

وفي مجال التغذية يأتي النتروجين بالدرجة الثانية من الأهمية من حيث نسبته في الكتلة الحيوية التي تبنيها الخلايا، وتركيز الامونيوم 0.2 ملي مول يكون كافيا لتخليق الكتلة الحيوية بالنسبة للبكتريا At. Ferrooxidans . وعند زيادة تركيز النتروجين العضوي او اللاعضوي فانه يكون مثبطا لعملية اكسدة الحديد، ونظرا لكون الامونيا كثيرة الذوبان في المحاليل الحامضية لذلك يمكن للخلايا ان تنمو باستعمال الامونيا الموجودة في الجو ولذا يكون من الصعوبة تحديد احتياجاتها من النتروجين، وفي العمليات التجارية يضاد السماد الرخيص مثل كبريتات الامونيوم الى مفاعلات الاكسدة الحيوية او اكوام الغسل الحيوي Heap bioleaching لضمان توفر كمية كافية.

وتوجد سلالات مختلفة من At. Ferrooxidans لها القابلية على تثبيت النتروجين وهي صفة عامة لسلالات هذا النوع وتحوي على الجينات اللازمة لتثبيت النتروجين (nif HDK) وكذلك الحال بالنسبة لسلالات Lp. ferrooxidans وتوجد قابلية تثبيت النتروجين في أنواع اخرى من الجنس Leptospirillum وقد تم تحديد توالي القواعد النتروجينية تثبط بالأوكسجين لذلك فان At. Ferrooxidans لا تثبت النتروجين عندما تنمو على الحديد تحت ظروف هوائية، ولكن يبدأ تثبيت النتروجين عندما ينخفض تركيز الاوكسجين وعليه فان عمليات تثبيت النتروجين تحصل عند استعمال طريقة الاكوام  والتي تكون تهويتها غير متجانسة ويحصل التثبيت في المناطق التي ينخفض فيها تركيز الاوكسجين.

اما الحلزونيات Leptospirillum وهي هوائية مجبرة وتستخدم الحديد كمعط للإلكترونات، ونظام تثبيت النتروجين كما ذكر حساس للأوكسجين لذلك تتم حمايته بواسطة التنفس، اذ يتم استهلاك الاوكسجين بسرعة بواسطة Cytochrome oxidase السايتوكروم ccd3 مما يجعل تراكيز الاوكسجين واطئة وملائمة لتثبيت النتروجين، ويمكن للبكتريا At. Ferrooxidans استعمال الحماية التنفسية بواسطة السايتوكروم Cyt. Bd.

مصادر الطاقة

في فعاليات الاحياء المذكورة فان كل من الحديد والكبريت تعمل كمعطيات للإلكترونات (وبالتالي مصادرا للطاقة) اثناء عمليات التنفس.

• أكسدة الحديد

يؤكسد ايون الحديدوز الى حديديك اي يعمل معطيا للإلكترونات لأن جهد الاكسدة والاختزال للـ Fe²⁺ / Fe³⁺ له قيما عالية + 770 ملي فولت عند رقم هيدروجيني 2 ، وعليه فان الاوكسجين فقط يمكن ان يعمل مستلما للإلكترونات (جهد الاكسدة والاختزال للـ O₂ / H₂O يساوي + 820 ملي فولت) عند رقم هيدروجيني 7. لذا فالحديد كمعط للإلكترونات يمكن ان يستعمل تحت الظروف الهوائية فقط، وبشكل طبيعي فان ايون الحديدوز يتأكسد الى ايون الحديديك في الهواء ما لم يكن الرقم الهيدروجيني واطئا، والبكتريا المحبة لحموضة متطرفة يمكن ان تستعمل ايونات الحديدوز كمعط للإلكترونات بطريقة تكون غير ممكنة للبكتريا الاخرى التي تنمو عند رقم الهيدروجيني متعادل.

ونظرا لأن فرق جهد الاكسدة والاختزال بين Fe²⁺ / Fe³⁺ و O₂ / H₂O بسيط وان هناك مول واحد من الالكترونات يتحرر من اكسدة مول واحد من الحديدوز، لذلك فان اكسدة كميات كبيرة من الحديد تعطي كميات قليلة من الكتلة الحيوية. والحديد لا يدخل الى داخل الخلية وانما يبقى الى الخارج والالكترون الناتج من الحديدوز ينقل الى ناقل بروتيني يوجد على الغلاف الخارجي للخلايا.

وفي النموذج الدراسي لهذه الاغراض وهي At. ferrooxidans يوجد اوبرون rus المسئول عن اكسدة الحديد والسلسلة التنفسية الخاصة به ومن مكوناته بروتين النحاس الأزرق Rusticyanin وهو C₄ type cytochrome وتصل نسبته الى 4% من بروتينات الخلية عند نموها على الحديد، والبروتين يعمل كمستودع للإلكترونات، اذ يقوم بأخذ الالكترونات الآتية من خارج الغشاء الخارجي ويدخلها الى السلسلة التنفسية، ولهذا يعمل دارئا للأكسدة والاختزال Redox buffer مما يجعل مستلمات الالكترونات على سطح الخلية بشكل مؤكسد دائماً لتكون مهيئة لاستلام الالكترونات من الحديدوز خارج الخلايا حتى عند وجود نقص في الاوكسجين. ويساعد الجزء الرئيس من البروتين Aporusticyanin في الالتصاق الى خامات الحديد. ويساعده في ذلك جين iro الذي ينتج الانزيم (Hip Ip) High redox potential iron oxidase وان كان للأخير دور اكبر في أكسدة الكبريت. وعلى العموم فان انظمة أكسدة الحديد يمكن ان تختلف عن النموذج المذكور في السلالات المختلفة سواء في البكتريا او الاركيا.

• أكسدة الكبريت

يعد حامض الكبريتيك المسئول عن خفض الارقام الهيدروجينية في البيئات التي توجد فيها الاحياء المحبة للحموضة، وينتج من أكسدة مركبات الكبريت اللاعضوية المختزلة Reduced  (RISCs) inorganic sulfur compounds، وعند عمليات الاكسدة الحيوية فان هذه المركبات تعمل معطيات للإلكترونات ويعمل الاوكسجين كأفضل مستلم للإلكترونات, وعند اكسدة ذرة الكبريت في خام الكبريتيد الى كبريتات تكون الطاقة الناتجة اكبر من أكسدة الحديد. والاملاح التي تحوي على الكبريتيدات توجد في المواد عند المناطق السطحية وكميات كبيرة منها تنتج نتيجة التفاعلات الكيماوية بين املاح الكبريتيدات والماء وأيون الحديديك والأوكسجين.

وفي الاحياء العاملة في هذه البيئات يتم تحريك عنصر الكبريت الموجود خارج الخلية بواسطة مجاميع البروتينات الثايولية الخاصة الموجودة على سطوح الخلايا وخاصة الغشاء الخارجي وينقل الى داخل الخلية على شكل Persulfide sulfane sulfur والمركب يؤكسد أكثر الى الكبريتات بواسطة Sulfite : acceptor oxidoreductase وتنقل الالكترونات الى السايتوكرومات، ويساعد في ذلك الكلوتاثايون من خلال تنشيط الكبريتيد ولكنه لا يستهلك اثناء الاكسدة الانزيمية، لان اكسدة الكبريتيد تحتاج الى جسور الكبريتيدية الثنائية للكلوتاثايون التي تتفاعل بشكل لا انزيمي مع الكبريتيد لتعطي Glutathione persulfide قبل الاكسدة الإنزيمية.

والكبريتيد الحر يؤكسد الى الكبريت في الفسحة المحيط بواسطة Sulfide : quinone oxidoreductase والتفاعل مع مجاميع الثايول لبروتينات الغشاء الخارجي تحافظ على الكبريت بتكافؤ صفر وتمنع ترسبه في الفسحة المحيطة. وعند نمو الخلايا بوجود الكبريت يتم حث العديد من البروتينات اللازمة لأجراء عمليات الاكسدة وانتاج السكريات المكوثرة. وعلى العموم وبالرغم من وجود اختلاف بين السلالات والاجناس او بين البكتريا والاركيا الا ان صافي اكسدة مركبات الكبريت هو تكوين الكبريتات التي تؤدي الى خفض الارقام الهيدروجينية.

وفي العمليات الصناعية عند استعمال الاحياء لابد ان تكون الاخيرة قادرة على النمو بأرقام هيدروجينية واطئة وتتحمل تراكيز عالية من الحوامض، وكما لوحظ أعلاه فان الرقم الهيدروجيني الواطئ يكون ضروريا لدورة الحديد، اذ ان الحديدوز يعمل كمعط للإلكترونات تحت الظروف الهوائية، والحديديك يكون مستلما للإلكترونات بديلا عند انخفاض تراكيز الاوكسجين، وايون الحديديك يكون غير ذائب عند الارقام الهيدروجينية المتعادلة ويزداد الذوبان في الارقام الحامضية، لذا فان جاهزية ايون الحديديك كمستلم للإلكترونات يكون متوفرا للأحياء المحبة للحموضة، ويكون اقل جاهزية بالنسبة للأحياء الهوائية تحت ظروف التعادل. وفي البيئات التي تستعمل فيها الاحياء المجهرية للتعدين الحيوي يكون الرقم الهيدروجيني 1-2 في حين ان الرقم الهيدروجيني داخل الخلايا يكون قريباً من التعادل وهذا يعني وجود فرق كبير في تدرج الرقم الهيدروجيني عبر الأغشية الخلوية، وهذا التدرج يكون مهما لأغراض التغذية خاصة عند استعمال مختزلات ضعيفة مثل أيونات الحديدوز كمعطيات للإلكترونات.

مصادر الطاقة الاخرى : تحوي البيئات التي توجد فيها المعادن والتي تكون حامضية وجهود الاكسدة والاختزال فيها أكثر سالبيه من المزدوج O₂ / H₂O على العديد من المركبات يمكن ان تعمل معطيات للإلكترونات للأحياء المحبة للحموضة من عمليات عدة ومنها :

• أكسدة النحاسوز الى نحاسيك.
• اكسدة اليورانيوم U⁴⁺ الى U⁶⁺.
• اكسدة الموليبدنم Mo⁵⁺ الى Mo⁶⁺.

وتكون هذه الحالات تحت الظروف الهوائية والتي يرافقها في معظم الأحيان عمليات تثبيت لثنائيا وكسيد الكاربون, وهناك امكانية استعمال الايونات الاوكسجينية مثل (As³⁺) AsO₂^- الذي يؤكسد الى (As⁵⁺) AsO₄ ^3- لتعمل كمعطيات للإلكترونات للأحياء المحبة للحموضة. وتوجد بعض السلالات التي تستطيع اكسدة الهيدروجين عند رقم هيدروجيني يتراوح بين 3 – 5.8 ولا تنمو هذه السلالات عند انخفاض الرقم الهيدروجيني الى 2 ولا عند الارتفاع الى 6.5، كما ان اكسدة الهيدروجين تثبط بوجود عنصر الكبريت وايون الحديدوز. وهذه السلالات تستعمل الهيدروجين كمعط للإلكترونات لتثبيت ثنائي اوكسيد الكاربون وتنمو الخلايا بوجود الاوكسجين مستلما للإلكترونات.

العلاقة بين الاوكسجين ومستلمات الالكترونات البديلة

ان نمط عيش الاحياء كيماوية – صخرية التغذية للحموضة يحتاج الى كميات كبيرة من الطاقة لغرض اسناد نمط حياتها ذاتي التغذية، ومن المعروف ان الاوكسجين هو الاكثر ملائمة وشيوعا لاستلام الالكترونات في الانظمة الحيوية لأنه المفضل من ناحية انتاج الطاقة.

وكما ذكر آنفا ان جهد الاكسدة والاختزال للمزدوج Fe²⁺ / Fe³⁺ يكون موجبا وقريبا من O₂ / H₂O ، لذلك فان ايونات الحديديك يمكن ان تستعمل مستلمات للإلكترونات. والاحياء المحبة للحموضة ذاتية التغذية حتى تستعمل ايونات الحديديك مستلما للإلكترونات لابد ان تستعمل مواد عديدة اخرى كمعطيات للإلكترونات مثل مركبات الكبريت اللاعضوية المختزلة RISCs او اي ذرة عدا الحديدوز ، ولذلك تستعمل الاحياء الكبريت و Tetrathionate تحت الظروف اللاهوائية لاختزال ايونات الحديديك، وكما يمكن لبعض السلالات اختزال ايونات اخرى مثل Co²⁺ , Cu²⁺ , Mo⁶⁺ عند استعمال الكبريت معطيا للإلكترونات لذلك تستعمل في تعدينه. وتستطيع At. thiooxidans و At. ferrooxidans اختزال الفناديوم V⁵⁺ الى V⁴⁺ اي يستعمل كمستلم للإلكترونات.

وتستطيع بعض الاحياء متباينة التغذية Extremely acidophilic heterotrophs استعمال تنفس الحديديك وذلك لان اختزال الايون الاخير يمن ان يرافق اكسدة المواد العضوية وبعض الانواع التابعة للجنس Acidiphilium تختزل الحديديك تحت الظروف الهوائية ولكن نموها يزداد عند نقص الاوكسجين.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .