جمادي التغذي الكيميائي: ميكروبات تستمد الطاقة من المعادن

يشير المصطلح إلى كائن يحصل على الطاقة من التفاعلات الكيميائية، ويستخدم مواد غير عضوية مصدرًا للإلكترونات. والإلكترونات جسيمات تدخل حركتها بين المواد في تفاعلات الأكسدة والاختزال، وهي أساس كثير من عمليات إنتاج الطاقة داخل الخلايا. يُعرف هذا النمط بالإنجليزية باسم Chemolithotrophy.

كلمة «جمادي» هنا لا تعني أن الكائن يتغذى على الحجارة بالمعنى المعتاد، ولا أن جميع مواده الغذائية غير عضوية. المقصود تحديدًا هو طبيعة المواد المانحة للإلكترونات، ومنها الهيدروجين والأمونيا والنتريت وكبريتيد الهيدروجين والحديد الثنائي. وتختلف المادة المستخدمة باختلاف نوع الكائن والظروف المحيطة به.

تبدأ العملية بأكسدة مادة غير عضوية، أي فقدها إلكترونات تُنقل عبر منظومات خلوية متخصصة. ويمكن للخلية أن تستفيد من هذا الانتقال لتكوين فرق في تركيز الأيونات عبر غشائها. ويساعد ذلك على تصنيع الأدينوسين ثلاثي الفوسفات، المعروف اختصارًا باسم ATP، وهو جزيء تستخدمه الخلايا لتشغيل أنشطتها.

تحتاج العملية إلى مادة تستقبل الإلكترونات في نهايتها. قد تكون هذه المادة الأكسجين، لكن بعض الأنواع تستطيع استخدام بدائل، مثل النترات، في ظروف معينة. لذلك لا يصح افتراض أن جميع الكائنات جمادية التغذي الكيميائي تحتاج إلى الأكسجين، أو أنها تعيش جميعًا بعيدًا عنه.

ولا تصلح كل مادة غير عضوية مصدرًا للطاقة لأي ميكروب؛ إذ يتوقف ذلك على إنزيماته، وتوافر المواد المتفاعلة، ودرجة الحرارة والحموضة، وكمية الطاقة التي يتيحها التفاعل. ولهذا نجد أنواعًا مختلفة في بيئات متباينة، بدلًا من كائن واحد يؤدي جميع هذه الوظائف.

لفهم المصطلح بدقة، ينبغي فصل ثلاثة أمور: مصدر الطاقة، ومصدر الإلكترونات، ومصدر الكربون الذي تُبنى منه مكونات الخلية. قد ترتبط هذه المصادر ببعضها، لكنها ليست مترادفات. ويوضح التصنيف التالي الفروق الأساسية:

• كيميائي التغذي: يحصل على الطاقة من تفاعلات كيميائية، لا من الضوء.
• جمادي التغذي: يستخدم مواد غير عضوية مانحة للإلكترونات.
• ذاتي التغذي: يستطيع الاعتماد على ثاني أكسيد الكربون أو الكربون غير العضوي لبناء مادته العضوية.
• غير ذاتي التغذي: يحتاج إلى مركبات عضوية بوصفها مصدرًا للكربون.

كثير من الكائنات جمادية التغذي الكيميائي ذاتية التغذي أيضًا، ولذلك ترتبط في الشروح بعملية «التخليق الكيميائي». لكن هذا الارتباط ليس قاعدة مطلقة؛ فبعضها يستخدم الكربون العضوي، وبعضها يمتلك مرونة في مصادر التغذي. والقول إنها تصنع غذاءها جميعًا من ثاني أكسيد الكربون وحده تبسيط غير دقيق.

الكائنات المؤكسدة للأمونيا والنتريت

تشمل بكتيريا وعتائق تسهم في عملية النترجة. تؤكسد بعض الأنواع الأمونيا إلى نتريت، بينما تؤكسد أنواع أخرى النتريت إلى نترات. وهناك أنواع تستطيع تنفيذ المرحلتين. لهذه التحولات أهمية في دورة النيتروجين، وفي خصوبة التربة وتشغيل نظم المعالجة البيولوجية للمياه.

الكائنات المؤكسدة للكبريت

تستفيد أنواع معينة من أكسدة مركبات الكبريت المختزلة، مثل كبريتيد الهيدروجين. توجد في بيئات تشمل الرواسب والينابيع وبعض مناطق أعماق البحار. وقد ترتبط بعلاقات تكافلية مع حيوانات تعيش قرب الفوهات الحرارية المائية، فتسهم في توفير المادة العضوية ضمن نظام بيئي لا يعتمد مباشرة على ضوء الشمس.

الكائنات المؤكسدة للحديد أو الهيدروجين

تستخدم بعض الميكروبات الحديد الثنائي، فتحوّله إلى حديد ثلاثي، بينما تستخدم أنواع أخرى غاز الهيدروجين مانحًا للإلكترونات. ولا تعني هذه الأمثلة أن جميع بكتيريا الحديد أو جميع الكائنات الموجودة قرب المعادن متطابقة؛ فلكل مجموعة احتياجاتها وقدراتها الأيضية الخاصة.

توجد هذه الكائنات في التربة والمياه والرواسب والينابيع والبيئات الجوفية، وكذلك في منشآت صنعها الإنسان، مثل محطات معالجة مياه الصرف. وبعضها متكيف مع ظروف شديدة الحموضة أو الحرارة، لكن كثيرًا منها لا يحتاج إلى بيئة قاسية كي يعيش.

• تدوير العناصر: تساعد على تحويل النيتروجين والكبريت والحديد بين صور كيميائية مختلفة، فتؤثر في إتاحتها لكائنات أخرى.
• إنتاج المادة العضوية: تسهم الأنواع ذاتية التغذي في تثبيت الكربون، خصوصًا في بيئات محدودة الضوء.
• معالجة المياه: تُستخدم مجتمعات ميكروبية متخصصة لتحويل مركبات معينة ضمن عمليات معالجة مضبوطة.
• التطبيقات الصناعية: يمكن توظيف نشاط بعض الأنواع في استخلاص معادن من خاماتها، ضمن ظروف فنية ورقابية محددة.

ومع ذلك، ليست جميع نتائج نشاطها مفيدة في كل سياق. فقد تساعد أكسدة بعض المعادن الكبريتيدية على زيادة حموضة المياه وتحريك المعادن إلى البيئة المحيطة. ويتحدد الأثر النهائي بحسب نوع الصخور والميكروبات وتدفق المياه وطريقة إدارة الموقع.

التغذي الكيميائي الجمادي ليس مرضًا، ولا يحدد وحده قدرة الميكروب على إحداث العدوى. كذلك فإن الميكروب غير المسبب للمرض قد يؤثر في جودة الماء أو خصائص البيئة. ولهذا يجب الفصل بين تصنيف الكائن بحسب طريقة إنتاج الطاقة وتقييم مخاطره الصحية.

تأتي الصلة الصحية غالبًا بصورة غير مباشرة، من خلال جودة المياه والتغيرات الكيميائية فيها. فالنترات والنتريت وبعض المعادن لها حدود وإرشادات خاصة في تقييم مياه الشرب. ولا يمكن معرفة صلاحية الماء من لونه أو طعمه أو وجود رواسب فيه فقط؛ فقد يبدو الماء طبيعيًا مع احتوائه على ملوثات.

إذا اشتبهت في تلوث بئر أو مصدر مياه، فاعتمد على فحص معتمد وإرشادات الجهة الصحية المحلية، واستخدم مصدرًا مأمونًا عند وجود تحذير. غلي الماء لا يزيل النترات أو المعادن الذائبة، وقد يزيد تركيزها مع تبخر الماء. أما اختيار وسيلة المعالجة فيعتمد على الملوث المثبت بالتحليل.

لا تستدعي قراءة هذا المصطلح أو العثور عليه في تقرير بيئي تناول دواء أو إجراء فحوص طبية تلقائيًا. اطلب المشورة الطبية إذا ظهرت بعد شرب ماء مشكوك في سلامته أعراض مستمرة، مثل الإسهال أو القيء أو ألم البطن، خصوصًا لدى الأطفال وكبار السن وضعيفي المناعة.

• اطلب تقييمًا عاجلًا عند وجود دم في البراز، أو ألم شديد، أو عدم القدرة على الاحتفاظ بالسوائل.
• انتبه إلى علامات الجفاف، مثل قلة البول والخمول الشديد والدوخة.
• اطلب الإسعاف عند صعوبة التنفس أو ازرقاق الشفتين، وخاصة لدى الرضع، بغض النظر عن السبب المتوقع.

أخبر الطبيب بمصدر الماء وتوقيت التعرض وأي نتائج تحليل متاحة. ولا تستخدم المضادات الحيوية لمجرد الاشتباه بوجود ميكروبات؛ فالعلاج يتحدد بحسب السبب والحالة السريرية، وليس بحسب نمط التغذي الميكروبي.