البكتيريا المؤكسدة للحديد

البكتيريا المؤكسدة للحديد (أو بكتيريا الحديد ) هي بكتيريا كيميائية التغذية تستمد طاقتها من أكسدة الحديد المذاب . ومن المعروف أنها تنمو وتتكاثر في المياه التي تحتوي على تركيزات منخفضة من الحديد تصل إلى 0.1 ملغم/لتر. ومع ذلك، يلزم وجود 0.3 جزء في المليون على الأقل من الأكسجين المذاب لإتمام عملية الأكسدة. ^{[ 1 ]} 

عندما تصل المياه منزوعة الأكسجين إلى مصدر للأكسجين، تقوم بكتيريا الحديد بتحويل الحديد المذاب إلى مادة لزجة غير قابلة للذوبان ذات لون بني محمر، مما يؤدي إلى تغير لون قيعان الجداول ويمكن أن يلطخ تجهيزات السباكة أو الملابس أو الأواني التي يتم غسلها بالماء الذي يحملها. ^{[ 2 ]}

غالباً ما تكون المواد العضوية الذائبة في الماء السبب الرئيسي لتكاثر البكتيريا المؤكسدة للحديد. وقد تُزال الأكسجين من المياه الجوفية بشكل طبيعي بفعل تحلل النباتات في المستنقعات . وقد تشكلت رواسب معدنية قيّمة من خام الحديد في المستنقعات حيث كانت المياه الجوفية تظهر تاريخياً وتتعرض للأكسجين الجوي. ^{[ 3 ]} وتُعدّ المخاطر البشرية، مثل عصارة مدافن النفايات ، وحقول تصريف مياه الصرف الصحي ، أو تسرب أنواع الوقود البترولي الخفيف كالبنزين، مصادر أخرى محتملة للمواد العضوية التي تسمح لميكروبات التربة بإزالة الأكسجين من المياه الجوفية. ^{[ 4 ]}

قد ينتج عن تفاعل مماثل ترسبات سوداء من ثاني أكسيد المنغنيز من المنغنيز المذاب، ولكنه أقل شيوعًا نظرًا لوفرة الحديد (5.4%) مقارنةً بالمنغنيز (0.1%) في التربة العادية. ^{[ 5 ]} وتنتج الرائحة الكبريتية للعفن أو التحلل، التي تُصاحب أحيانًا بكتيريا أكسدة الحديد، عن التحويل الأنزيمي لكبريتات التربة إلى كبريتيد الهيدروجين المتطاير كمصدر بديل للأكسجين في الماء اللاهوائي. ^{[ 6 ]}

يُعدّ الحديد عنصرًا كيميائيًا بالغ الأهمية، تحتاجه الكائنات الحية لإتمام العديد من التفاعلات الأيضية ، مثل تكوين البروتينات المشاركة في التفاعلات الكيميائية الحيوية . ومن أمثلة هذه البروتينات: بروتينات الحديد والكبريت ، والهيموجلوبين ، والمركبات التناسقية . ينتشر الحديد على نطاق واسع عالميًا، ويُعتبر من أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض وتربتها ورواسبها. كما يُعدّ الحديد عنصرًا نادرًا في البيئات البحرية . ^{[ 7 ]} ويُرجّح أن دوره كمانح للإلكترونات في بعض الكائنات الكيميائية ذاتية التغذية قديم جدًا. ^{[ 8 ]}

كانت الأكسدة الضوئية اللاهوائية للحديد أول عملية أيض لاهوائية تُوصف ضمن عملية أيض أكسدة الحديد اللاهوائية. تستخدم هذه البكتيريا الضوئية الحديدية أيونات الحديد الثنائي (Fe²⁺ ⁾ كمانح للإلكترونات، والطاقة الضوئية لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وتحويله _إلى كتلة حيوية عبر دورة كالفن بنسون-باسام (أو دورة حمض الستريك العكسية ) في بيئة متعادلة (درجة حموضة 5.5-7.2)، منتجةً أكاسيد الحديد ^{الثلاثي} (Fe³⁺ ) كمنتج ثانوي يترسب على شكل معدن، وفقًا للنسبة المولية التالية (4  ملي مول من Fe²⁺ ينتج 1  ملي مول من CH₂O ₎ :

HCO − 3 + 4Fe(II) + 10H2O _→ [ CH 2 _O ] + 4Fe(OH) ₃ + 7H ⁺ (∆G° > 0) ^{[ 7 ] [ 9 ]}

مع ذلك، لا تستخدم بعض البكتيريا عملية أكسدة الحديد الثنائي الضوئية الذاتية التغذية لأغراض النمو. ^{[ 10 ]} وبدلاً من ذلك، يُعتقد أن هذه المجموعات حساسة للحديد الثنائي، ولذلك تقوم بأكسدة الحديد الثنائي إلى أكسيد الحديد الثلاثي الأقل ذوبانًا لتقليل سميته، مما يُمكّنها من النمو في وجود الحديد الثنائي. ^{[ 10 ]} من ناحية أخرى، استنادًا إلى تجارب أُجريت على بكتيريا رودوباكتر كابسولاتوس SB1003 (غيرية التغذية الضوئية)، فقد ثبت أن أكسدة الحديد الثنائي قد تكون الآلية التي تُمكّن البكتيريا من الوصول إلى مصادر الكربون العضوية (الأسيتات، الساكسينات) التي يعتمد استخدامها على أكسدة الحديد الثنائي. ^{[ 11 ]} ومع ذلك، تستطيع العديد من البكتيريا المؤكسدة للحديد استخدام مركبات أخرى كمانحات للإلكترونات بالإضافة إلى الحديد الثنائي، أو حتى إجراء اختزال غير متجانس للحديد الثلاثي كما في بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز . ^{[ 10 ]}

إن اعتماد الكائنات الحية الضوئية الحديدية على الضوء كمورد أساسي ^{[ 12 ] [ 9 ] [ 13 ]} قد يضعها في موقف صعب، حيث قد تواجه منافسة من التفاعلات غير الحيوية بسبب وجود الأكسجين الجزيئي، وذلك نتيجةً لحاجتها إلى مناطق مضاءة خالية من الأكسجين (بالقرب من السطح) ^{[ 9 ]} . ولتجنب هذه المشكلة، تتحمل هذه الكائنات ظروف السطح قليلة الأكسجين، أو تُجري عملية أكسدة الحديد الثنائي الضوئية الحديدية في أعماق الرواسب/عمود الماء، حيث يكون الضوء شحيحًا. ^{[ 9 ]}

قد يحد اختراق الضوء من أكسدة الحديد الثنائي (Fe(II)) في عمود الماء. ^{[ 12 ]} مع ذلك، تُعد أكسدة الحديد الثنائي الميكروبية المعتمدة على النترات عملية أيض مستقلة عن الضوء، وقد ثبت أنها تدعم نمو الميكروبات في رواسب المياه العذبة والبحرية المختلفة (تربة حقول الأرز، الجداول، البحيرات قليلة الملوحة، الرواسب الحرارية المائية، رواسب أعماق البحار)، كما تم إثباتها لاحقًا كعملية أيض بارزة داخل عمود الماء في منطقة الحد الأدنى من الأكسجين . ^{[ 14 ] [ 13 ]} تنجح الميكروبات التي تقوم بهذا الأيض في البيئات المتعادلة أو القلوية، نظرًا للاختلاف الكبير بين جهد الأكسدة والاختزال لزوجي Fe²⁺ ^/ Fe³⁺ ^و NO₃⁻ _/ NO₂⁻ ^{( +200} _ملي فولت و+770 ملي فولت على التوالي) ^، مما يُطلق كمية كبيرة من الطاقة الحرة مقارنةً بعمليات أكسدة الحديد الأخرى. [ ^{10 ] [ 15 ]}  

2Fe ²⁺ + NO − 3 + 5H ₂ O → 2Fe(OH) ₃ + NO − 2 + 4H ⁺ (∆G°=-103.5  kJ/mol)

يمكن أن تكون الأكسدة الميكروبية للحديدوز، المقترنة بنزع النتروجين (حيث يكون النتريت أو غاز النيتروجين الناتج النهائي)، ^{[ 7 ]} ذاتية التغذية باستخدام الكربون غير العضوي، أو باستخدام ركائز عضوية مشتركة (مثل الأسيتات، والبيوتيرات، والبيروفات، والإيثانول) حيث تقوم بنمو غيري التغذية في غياب الكربون غير العضوي. ^{[ 10 ] [ 15 ]} وقد أشير إلى أن أكسدة الحديدوز غيرية التغذية المعتمدة على النترات باستخدام الكربون العضوي قد تكون العملية الأكثر ملاءمة. ^{[ 16 ]} قد يكون هذا الأيض بالغ الأهمية لتنفيذ خطوة مهمة في الدورة البيوجيوكيميائية داخل منطقة الحد الأدنى للأكسجين . ^{[ 17 ]}

توجد استراتيجية الأيض لأكسدة الحديدوز الميكروبية (الموجودة في العتائق والبكتيريا) في 7 شعب ، وهي بارزة للغاية في شعبة الزائفة ( المعروفة سابقًا باسم البروتيوكتيريا ) ، وخاصة فئات ألفا وبيتا وجاما وزيتا بروتيوكتيريا ، ^{[ 10 ] [ 18 ]} وبين نطاق العتائق في شعبتي " يوريكياركيوتا " وثرموبروتيوتا ، ^وكذلك في شعب الأكتينوميسيتوتا والباسيلوتا والكلوروبيوتا والنيتروسبيروتا . ^{[ 18} ]

توجد أنواع بكتيرية مؤكسدة للحديد خضعت لدراسات مستفيضة، مثل Thiobacillus ferrooxidans و Leptospirillum ferrooxidans ، وبعضها الآخر، مثل Gallionella ferruginea و Mariprofundis ferrooxydans، قادر على إنتاج بنية شريطية خارجية مميزة غنية بالحديد، تُعرف بأنها مؤشر حيوي نموذجي لأكسدة الحديد الميكروبية. يمكن الكشف عن هذه البنى بسهولة في عينة من الماء، مما يدل على وجود بكتيريا مؤكسدة للحديد. وقد شكّل هذا المؤشر الحيوي أداةً لفهم أهمية استقلاب الحديد في تاريخ الأرض. ^{[ 19 ]}

تستوطن البكتيريا المؤكسدة للحديد المنطقة الانتقالية حيث يتدفق الماء منزوع الأكسجين من بيئة لاهوائية إلى بيئة هوائية. وقد تُزال الأكسجين من المياه الجوفية المحتوية على مواد عضوية ذائبة بواسطة الكائنات الدقيقة التي تتغذى على هذه المواد. في الظروف الهوائية، يلعب تغير الرقم الهيدروجيني دورًا هامًا في تحفيز تفاعل أكسدة Fe²⁺ ^/ Fe³⁺ ^. [ ^{7 ] [ 13 ] عند} قيم الرقم الهيدروجيني المتعادلة (كما في الفتحات الحرارية المائية، وبازلت أعماق المحيطات، وتسربات الحديد في المياه الجوفية)، تكون أكسدة الحديد بواسطة الكائنات الدقيقة منافسة بشدة للتفاعل اللاأحيائي السريع الذي يحدث في أقل من  دقيقة واحدة. ^{[ 20 ]} لذلك، يتعين على المجتمع الميكروبي أن يسكن المناطق قليلة الأكسجين حيث يسمح تركيز الأكسجين المنخفض للخلايا بأكسدة Fe²⁺ وإنتاج الطاقة اللازمة للنمو. ^{[ 21 ] [ 22 ]} مع ذلك، في ظل الظروف الحمضية، حيث يكون الحديدوز أكثر قابلية للذوبان والاستقرار حتى في وجود الأكسجين، فإن العمليات البيولوجية وحدها هي المسؤولة عن أكسدة الحديد، ^{[ 9 ]} مما يجعل أكسدة الحديدوز الاستراتيجية الأيضية الرئيسية في البيئات الحمضية الغنية بالحديد. ^{[ 18 ] [ 7 ]}

في البيئة البحرية، تُعدّ بكتيريا زيتابروتيو الأكثر شهرةً بين البكتيريا المؤكسدة للحديد ، ^{[ 23 ]} وهي عناصر أساسية في النظم البيئية البحرية. ونظرًا لكونها كائنات دقيقة الأكسجين، فهي مُتكيّفة للعيش في المناطق الانتقالية حيث تختلط المياه المؤكسدة وغير المؤكسدة . ^{[ 21 ]} تتواجد بكتيريا زيتابروتيو في بيئات مختلفة غنية بالحديد الثنائي، وتوجد في مواقع أعماق المحيط المرتبطة بالنشاط الحراري المائي ، وفي البيئات الساحلية والبرية، وقد تم رصدها على سطح الرواسب الضحلة، وفي طبقة المياه الجوفية الشاطئية، وفي المياه السطحية.

تُعدّ بكتيريا Mariprofundus ferrooxydans من أكثر أنواع بكتيريا زيتابروتيو شيوعًا ودراسةً. وقد عُزلت لأول مرة منحقل الفتحات الحرارية لجبل كامايهواكانالوا البحري (لويحي سابقًا)، بالقرب من هاواي ^{[ 18 ]} على عمق يتراوح بين 1100 و1325 مترًا، على قمة هذا البركان الدرعي . وتتراوح درجة حرارة هذه الفتحات من أعلى بقليل من درجة حرارة المحيط (10 درجات مئوية) إلى درجة حرارة عالية (167 درجة مئوية). وتتميز مياه هذه الفتحات بغناها _بثاني أكسيد الكربون ، والحديد الثنائي، والمنغنيز ^{[ 24 ]} . وتتكون طبقات كبيرة كثيفة ذات قوام هلامي بفعل بكتيريا مؤكسدة الحديد كمنتج ثانوي (ترسيب هيدروكسيد الحديد)، ويمكن أن تتواجد هذه الطبقات حول فتحات الفتحات الحرارية. ويمكن تصنيف الفتحات الحرارية الموجودة في جبل كامايهواكانالوا البحري إلى نوعين بناءً على تركيز ودرجة حرارة التدفق.الفتحات ذات التدفق المركز ودرجة الحرارة العالية (أعلى من 50 درجة مئوية) معدلات تدفق أعلى أيضًا. وتتميز هذه الفتحات بوجود طبقات متكتلة متجمعة حول فتحاتها. يبلغ متوسط ​​عمق هذه الطبقات في الفتحات المركزة ذات درجة الحرارة العالية عشرات السنتيمترات، ولكنه قد يختلف. في المقابل، يمكن أن تُكوّن الفتحات ذات التدفق البارد (10-30 درجة مئوية) والمنتشر طبقات يصل سمكها إلى متر واحد. وقد تُغطي هذه الطبقات مئات الأمتار المربعة من قاع البحر. ^{[ 18 ]} يمكن أن تستعمر مجتمعات بكتيرية أخرى كلا النوعين من الطبقات، مما قد يُغير التركيب الكيميائي وتدفق المياه المحلية. ^{[ 25 ]}

على عكس معظم عمليات الأيض الليثوتروفية، فإن أكسدة الحديد الثنائي (Fe²⁺ ⁾ إلى الحديد ^{الثلاثي} (Fe³⁺) تُنتج طاقة ضئيلة جدًا للخلية (∆G° = 29  كيلوجول/مول  في البيئات الحمضية و∆G° = -90 كيلوجول/مول في البيئات المتعادلة) مقارنةً بعمليات الأيض الكيميائية الليثوتروفية الأخرى . ^{[ 18 ]} لذلك، يجب على الخلية أكسدة كميات كبيرة من الحديد الثنائي (Fe²⁺ ⁾ لتلبية احتياجاتها الأيضية، مع المساهمة في عملية التمعدن (عن طريق إفراز سيقان ملتوية). ^{[ 7 ] [ 26 ]} يُعتقد أن عملية الأيض البكتيرية الهوائية المؤكسدة للحديد قد ساهمت بشكل ملحوظ في تكوين أكبر رواسب الحديد ( تكوين الحديد المخطط (BIF) ) نتيجةً لظهور الأكسجين في الغلاف الجوي قبل 2.7 مليار سنة (الذي أنتجته البكتيريا الزرقاء ). ^{[ 13 ]}

However, with the discovery of Fe(II) oxidation carried out under anoxic conditions in the late 1990s^[16] using light as an energy source or chemolithotrophically, using a different terminal electron acceptor (mostly NO₃⁻),^[9] the suggestion arose that anoxic Fe²⁺ metabolism may pre-date aerobic Fe²⁺ oxidation and that the age of the BIF pre-dates oxygenic photosynthesis.^[7] This suggests that microbial anoxic phototrophic and anaerobic chemolithotrophic metabolism may have been present on the ancient earth, and together with Fe(III) reducers, they may have been responsible for the BIF in the Precambrian eon.^[9]

In open ocean systems full of dissolved iron, iron-oxidizing bacterial metabolism is ubiquitous and influences the iron cycle. Nowadays, this biochemical cycle is undergoing modifications due to pollution and climate change; nonetheless, the normal distribution of ferrous iron in the ocean could be affected by global warming under the following conditions: acidification, shifting of ocean currents, and ocean water and groundwater hypoxia trend.^[20]

These are all consequences of the substantial increase of CO₂ emissions into the atmosphere from anthropogenic sources. Currently the concentration of carbon dioxide in the atmosphere is around 420 ppm (120 ppm more than 20 million years ago), and about a quarter of the total CO₂ emission enters the oceans (2.2 pg C year⁻¹). Reacting with seawater it produces bicarbonate ion (HCO₃⁻) and thus the ocean acidity increases. Furthermore, the temperature of the ocean has increased by almost one degree (0.74 °C) causing the melting of big quantities of glaciers contributing to the sea-level rise. This lowers the O₂ solubility by inhibiting the oxygen exchange between surface waters, where O₂ is very abundant, and anoxic deep waters.^[27][28]

تؤثر جميع هذه التغيرات في المعايير البحرية (درجة الحرارة، والحموضة، والأكسجة) على دورة الحديد البيوجيوكيميائية، وقد يكون لها آثار بالغة الأهمية على الميكروبات المؤكسدة للحديدوز؛ إذ قد تُحسّن الظروف منخفضة الأكسجين والحموضة الإنتاجية الأولية في المياه السطحية والساحلية، لأنها تزيد من توافر الحديدوز (Fe(II)) لأكسدة الحديد الميكروبية. مع ذلك، قد يُخلّ هذا السيناريو في الوقت نفسه بالتأثير المتسلسل للرواسب في المياه العميقة، ويتسبب في نفوق الحيوانات القاعية. علاوة على ذلك، من المهم جدًا مراعاة أن دورات الحديد والفوسفات مترابطة ومتوازنة بشكل وثيق، بحيث أن أي تغيير طفيف في الأولى قد يكون له عواقب وخيمة على الثانية. ^{[ 29 ]}

يمكن أن تشكل البكتيريا المؤكسدة للحديد مشكلة لإدارة آبار إمدادات المياه ، حيث يمكنها إنتاج أكسيد الحديديك غير القابل للذوبان ، والذي يظهر على شكل مادة لزجة بنية اللون تلطخ تجهيزات السباكة والملابس أو الأواني التي يتم غسلها بالماء الذي يحمله.

تظهر الآثار الخطيرة لبكتيريا الحديد في المياه السطحية على شكل كتل بنية لزجة في قيعان الجداول وشواطئ البحيرات، أو على شكل طبقة زيتية لامعة على سطح الماء. وتتفاقم المشاكل عندما تتراكم هذه البكتيريا في أنظمة الآبار. لا تُسبب بكتيريا الحديد في الآبار مشاكل صحية، ولكنها قد تُقلل من إنتاجية الآبار عن طريق انسداد المرشحات والأنابيب.

تشمل تقنيات المعالجة التي قد تنجح في إزالة أو تقليل بكتيريا الحديد الإزالة الفيزيائية، والبسترة، والمعالجة الكيميائية. قد تكون معالجة الآبار شديدة التلوث صعبة ومكلفة، وناجحة جزئيًا فقط. ^{[ 30 ]} وقد ثبت مؤخرًا أن استخدام أجهزة الموجات فوق الصوتية التي تدمر وتمنع تكوّن الأغشية الحيوية في الآبار يمنع عدوى بكتيريا الحديد وما يصاحبها من انسداد بنجاح كبير. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

تُجرى عملية الإزالة المادية عادةً كخطوة أولى. تُنظف الأنابيب ذات الأقطار الصغيرة أحيانًا بفرشاة سلكية، بينما يمكن تنظيف الأنابيب الأكبر حجمًا بالفرك والشطف باستخدام جهاز تنظيف المجاري بالضغط العالي . ^{[ 33 ]} يجب أيضًا إزالة معدات الضخ الموجودة في البئر وتنظيفها. ^{[ 34 ]}

تُستخدم مرشحات الحديد لمعالجة بكتيريا الحديد. تشبه هذه المرشحات في شكلها وحجمها أجهزة تنقية المياه التقليدية، ولكنها تحتوي على طبقات من مواد ذات قدرة أكسدة معتدلة. عند مرور الماء المحتوي على الحديد عبر هذه الطبقات، يتحول الحديدوز الذائب إلى الحديديك غير الذائب، ثم يُرشح من الماء. يُزال أي حديد مُترسب سابقًا عن طريق الترشيح الميكانيكي البسيط. يمكن استخدام عدة أنواع من مواد الترشيح في هذه المرشحات، بما في ذلك رمل المنغنيز الأخضر، وBirm، وMTM، والوسائط المتعددة، والرمل، ومواد اصطناعية أخرى. في معظم الحالات، تُنتج أكاسيد المنغنيز الأعلى التأثير المؤكسد المطلوب. مع ذلك، تُعاني مرشحات الحديد من بعض القيود؛ فنظرًا لأن تأثير الأكسدة فيها معتدل نسبيًا، فإنها لا تعمل بكفاءة عند وجود مواد عضوية في الماء، سواء كانت مُختلطة بالحديد أو منفصلة عنه تمامًا. ونتيجة لذلك، لن تُقتل بكتيريا الحديد. قد تتطلب التركيزات العالية جدًا من الحديد عمليات غسيل عكسي و/أو تجديد متكررة، وهو أمر غير مريح. أخيرًا، تتطلب مواد ترشيح الحديد معدلات تدفق عالية لإجراء الغسيل العكسي بشكل صحيح، وهذه التدفقات المائية ليست متوفرة دائمًا.

قد تُطلق حرائق الغابات مركبات تحتوي على الحديد من التربة إلى الجداول الصغيرة في المناطق البرية، مما يُسبب تكاثرًا سريعًا، وإن كان مؤقتًا في الغالب، للبكتيريا المؤكسدة للحديد، مصحوبًا بتغير لون الماء إلى البرتقالي، وتكوّن طبقات هلامية، وانبعاث روائح كبريتية. يُمكن استخدام فلاتر شخصية عالية الجودة لإزالة البكتيريا والروائح واستعادة نقاء الماء.

• البكتيريا المختزلة للمعادن غير المتجانسة
• دورة الحديد
• البكتيريا المحبة للحديد

• لقطات فيديو وتفاصيل عن البكتيريا المؤكسدة للحديد
• بكتيريا الحديد في مجرى مائي، مونتغرينان، أيرشاير