حذف نیتروژن با همکاری میکروب ها

به گزارش مجله خبری نگار، بر این اساس، انتظار می‌رود دریاچه‌ای که سریع‌تر گرم می‌شود، توانایی بیشتری برای پاکسازی خود داشته باشد. این فرضیه کاملاً منطقی به نظر می‌رسد، اما تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این تصور اشتباه است.

پژوهشگرانی که یک دریاچه در سوئیس را زیر نظر داشتند دریافتند بخش عمده فرآیند‌های مهم پاکسازی طبیعی در ماه‌های سرد سال رخ می‌دهد، نه در تابستان. همچنین گرمایش جهانی احتمالاً همان فصلی را که بیشترین نقش را در این فرآیند دارد، تضعیف خواهد کرد.

گروه پنهان پاکسازی در دریاچه‌ها

آلودگی مورد بحث در این پژوهش، نیتروژن است؛ ماده‌ای که از زمین‌های کشاورزی و خیابان‌های شهری وارد منابع آبی می‌شود. افزایش بیش از حد نیتروژن می‌تواند تعادل اکوسیستم‌های آبی را بر هم بزند. دریاچه‌ها با کمک میکروب‌های موجود در رسوبات کف، با این مشکل مقابله می‌کنند.

این میکروب‌ها نیتروژن محلول را تجزیه کرده، آن را به گاز نیتروژن بی‌ضرر تبدیل می‌کنند؛ همان گازی که بخش عمده هوای تنفسی ما را تشکیل می‌دهد. این گاز به شکل حباب از آب خارج می‌شود. دانشمندان این فرآیند را «دنیتریفیکاسیون» یا نیتروژن‌زدایی می‌نامند.

اهمیت این فرآیند بسیار زیاد است. حدود یک‌پنجم نیتروژنی که توسط آب‌های داخلی حذف می‌شود، از طریق همین مکانیسم از چرخه خارج می‌شود.

این پروژه تحت هدایت کامرون‌ام. کالبک، دانشمند علوم محیط زیست از دانشگاه بازل، با همکاری مؤسسه آب سوئیس Eawag انجام شد.

فرآیند خودپالایی دریاچه‌ها چگونه عمل می‌کند؟

پژوهشگران برای مطالعه خود، دریاچه بالدگ در مرکز سوئیس را انتخاب کردند؛ پهنه‌ای آبی و غنی از مواد مغذی با وسعتی حدود پنج کیلومتر مربع.

این دریاچه مانند بسیاری از دریاچه‌های مناطق سردسیر، تنها یک بار در سال و در ماه‌های سرد به طور کامل از سطح تا عمق مخلوط می‌شود.

در بیشتر روز‌های سال، آب در لایه‌های جداگانه قرار دارد؛ آب گرم در سطح، آب سرد در عمق و تماس اندکی میان آنها وجود دارد. اما با سرد شدن سطح آب در زمستان، کل دریاچه به هم می‌ریزد و لایه‌ها با یکدیگر مخلوط می‌شوند.

نتایج نشان داد همین اختلاط زمستانی عامل اصلی پاکسازی است. در دوره‌های اختلاط شدید، دریاچه تقریباً ۵۰ درصد سریع‌تر از روز‌های آرام تابستان نیتروژن را حذف می‌کند. در واقع بار اصلی پاکسازی بر دوش زمستان است.

«توانایی دریاچه‌ها برای حذف نیتروژن از آب به شدت به فصل وابسته است و این وابستگی اکنون تحت تأثیر تغییرات اقلیمی قرار گرفته است.»

مطالعات نشان می‌دهد گرمایش جهانی در حال تغییر زمان‌بندی طبیعی این چرخه سالانه است.

همکاری میکروب‌ها در حذف نیتروژن

علت دقیق اوج‌گیری فرآیند پاکسازی در زمستان در ابتدا مشخص نبود. اندازه‌گیری افزایش فعالیت ساده بود، اما توضیح دلیل آن دشوارتر به نظر می‌رسید.

با این حال، تیم تحقیقاتی موفق شد نوعی همکاری احتمالی میان میکروب‌های موجود در رسوبات کف دریاچه را شناسایی کند.

این فرآیند با کیتین آغاز می‌شود؛ ماده‌ای سخت که در پوسته موجودات ریز آبزی و پوشش جلبک‌های مرده یافت می‌شود. با فرورفتن این مواد به کف دریاچه، ذخیره‌ای غنی از کربن شکل می‌گیرد.

به نظر می‌رسد گروهی از باکتری‌ها از کیتین تغذیه کرده، آن را تجزیه می‌کنند. بقایای حاصل از فعالیت آنها نیز غذای گروه دوم می‌شود؛ همان میکروب‌هایی که فرآیند دنیتریفیکاسیون را انجام داده، حذف نهایی نیتروژن را ممکن می‌کنند.

پیش از این هیچ مطالعه‌ای چنین همکاری میکروبی را توصیف نکرده بود.

اندازه‌گیری فرآیندی که دیده نمی‌شود

مشاهده مستقیم حذف نیتروژن توسط میکروب‌ها در مقیاس یک دریاچه کامل کار دشواری است. گازی که در این فرآیند تولید می‌شود به سرعت وارد جو می‌شود و اثری برای اندازه‌گیری باقی نمی‌گذارد.

پژوهشگران از نوعی نیتروژن ردیابی‌پذیر استفاده کردند و مسیر آن را در رسوبات دنبال کردند.

با اندازه‌گیری مقدار نیتروژنی که به گاز تبدیل شد، آنها توانستند میزان واقعی پاکسازی را تعیین کنند. سپس یک مدل رایانه‌ای از کل دریاچه ساختند تا بررسی کنند آیا نمونه‌های کوچک با شرایط کلی دریاچه مطابقت دارند یا خیر.

نتایج کاملاً هماهنگ بود. داده‌های میدانی و مدل رایانه‌ای هر دو نشان دادند زمستان فعال‌ترین دوره سال برای حذف نیتروژن است.

دریاچه‌هایی که زمان پاکسازی خود را از دست می‌دهند

پس از ساخت مدل، پژوهشگران بررسی کردند که آینده‌ای گرم‌تر چه تأثیری خواهد داشت. آنها بدترین سناریوی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را شبیه‌سازی کردند؛ سناریویی که در آن انتشار بالا برای دهه‌ها ادامه پیدا می‌کند.

در این وضعیت، بازه اختلاط زمستانی دریاچه حدود ۲۷ روز کوتاه‌تر می‌شود. به عبارت دیگر، تقریباً یک ماه از مؤثرترین زمان پاکسازی طبیعی دریاچه از بین می‌رود.

در نتیجه، میزان حذف نیتروژن حدود ۱۰ درصد کاهش پیدا می‌کند. این رقم شاید در نگاه اول کوچک به نظر برسد، اما در مقیاس جهانی اهمیت زیادی دارد.

در هزاران دریاچه‌ای که هر سال دچار اختلاط فصلی می‌شوند، حتی کاهش اندک فصل پاکسازی می‌تواند مقدار نیتروژنی را که در سیستم باقی می‌ماند افزایش دهد.

این روند صرفاً یک پیش‌بینی نظری نیست. مطالعات مختلف نشان می‌دهد دریاچه‌های سراسر جهان هم‌اکنون در حال گرم‌تر شدن هستند و میزان اختلاط آب در آنها کاهش یافته است.

مشکلاتی که به پایین‌دست منتقل می‌شوند

نیتروژنی که توسط دریاچه حذف نمی‌شود، ناپدید نخواهد شد. این ماده همراه رودخانه‌ها به سمت مناطق ساحلی حرکت می‌کند.

در دریاها، نیتروژن اضافی باعث رشد انفجاری جلبک‌ها می‌شود. پس از مرگ و تجزیه این جلبک‌ها، اکسیژن آب مصرف می‌شود و مناطقی با کمبود شدید اکسیژن شکل می‌گیرد که به آنها «مناطق مرده» گفته می‌شود.

این مناطق کم‌اکسیژن هم‌اکنون در نزدیکی دهانه بسیاری از رودخانه‌های بزرگ جهان مشاهده می‌شوند؛ بنابراین افزایش عبور نیتروژن از یک دریاچه می‌تواند فشار بیشتری بر اکوسیستم‌های ساحلی وارد کند و تغییراتی که در یک دریاچه سوئیسی رخ می‌دهد را به آب‌های دوردست اقیانوسی مرتبط سازد.

گام بعدی پژوهشگران چیست؟

پیش از این مطالعه، دانشمندان می‌دانستند که دریاچه‌ها نیتروژن را از آب حذف می‌کنند، اما هیچ‌کس این فرآیند را تا این حد به یک فصل خاص مرتبط نکرده بود.

اکنون شواهد روشنی وجود دارد که نشان می‌دهد اختلاط زمستانی بخش عمده این کار را انجام می‌دهد و گرمایش جهانی این بازه زمانی را کوتاه‌تر خواهد کرد.

این یافته‌ها مسیر جدیدی برای پایش محیط زیست فراهم می‌کند. مدیران منابع آب می‌توانند طول دوره اختلاط زمستانی را به عنوان شاخصی مهم زیر نظر بگیرند و مدل‌های جهانی چرخه نیتروژن نیز می‌توانند این الگوی فصلی را در محاسبات خود لحاظ کنند.

سؤال بعدی پژوهشگران این است که آیا همین فرآیند‌ها باعث آزاد شدن اکسید نیتروس نیز می‌شوند یا خیر؛ گازی گلخانه‌ای بسیار قدرتمند که با چرخه نیتروژن ارتباط دارد.

اگر پاسخ مثبت باشد، دریاچه‌های گرم‌تر ممکن است هم‌زمان با کاهش توان پاکسازی خود، به تشدید تغییرات اقلیمی نیز کمک کنند. چرخه‌ای که شناخت دقیق آن اهمیت زیادی دارد.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Microbiology منتشر شده است.

جمع‌بندی

تحقیقات جدید نشان می‌دهد توان خودپالایی دریاچه‌ها بیش از آنچه تصور می‌شد به اختلاط زمستانی وابسته است. تغییرات اقلیمی با کوتاه کردن این دوره، ظرفیت حذف نیتروژن را کاهش داده، پیامد‌هایی گسترده برای اکوسیستم‌های آب شیرین و دریایی ایجاد می‌کند. 

منیع:فوت و فن