البكتيريا المزيلة للنترات

لوحظت عملية نزع النيتروجين اللاهوائي المقترنة بأكسدة الميثان لأول مرة في عام 2008، وذلك بعزل سلالة بكتيرية مؤكسدة للميثان قادرة على أكسدة الميثان بشكل مستقل. ^{[ 7 ]} تستخدم هذه العملية الإلكترونات الزائدة الناتجة عن أكسدة الميثان لاختزال النترات، مما يؤدي إلى إزالة كل من النيتروجين المثبت والميثان من الأنظمة المائية في بيئات متنوعة، بدءًا من الرواسب وصولًا إلى مستنقعات الخث وأعمدة المياه الطبقية. ^{[ 8 ]}

قد تُساهم عملية نزع النيتروجين اللاهوائي بشكلٍ كبير في دورات الميثان والنيتروجين العالمية ، لا سيما في ضوء التدفق الأخير لكليهما نتيجةً للتغيرات البشرية المنشأ . ^{[ 9 ]} من المعروف أن مدى تأثير الميثان الناتج عن الأنشطة البشرية على الغلاف الجوي يُعدّ محركًا رئيسيًا لتغير المناخ ، نظرًا لكونه أقوى بكثير من ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 10 ]} يُعتبر التخلص من الميثان مفيدًا للبيئة على نطاق واسع، على الرغم من أن مدى دور نزع النيتروجين في التدفق العالمي للميثان غير مفهوم تمامًا. ^{[ 8 ]} وقد ثبت أن نزع النيتروجين اللاهوائي كآلية قادر على إزالة النترات الزائدة الناتجة عن جريان الأسمدة، حتى في الظروف منخفضة الأكسجين . ^{[ 11 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الكائنات الدقيقة التي تستخدم هذا النوع من الأيض في المعالجة الحيوية ، كما أظهرت دراسة أجريت عام 2006 حول تلوث الهيدروكربونات في القطب الجنوبي، ^{[ 10 ]} وكذلك دراسة أخرى أجريت عام 2016 نجحت في زيادة معدلات إزالة النتروجين عن طريق تغيير البيئة التي تعيش فيها البكتيريا. ^{[ 11 ]} وتُعتبر بكتيريا إزالة النتروجين من أفضل أنواع المعالجة الحيوية نظرًا لقدرتها على التكيف مع بيئات متنوعة، فضلاً عن عدم إنتاجها أي مخلفات سامة أو غير مرغوب فيها، على عكس أنواع الأيض الأخرى. ^{[ 12 ]}

وُجد أن البكتيريا المُزيلة للنترات تلعب دورًا هامًا في أكسدة الميثان (CH₄ ₎ (حيث يتحول الميثان إلى _ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة) في المسطحات المائية العذبة العميقة. ^{[ 8 ]} وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الميثان هو ثاني أهم غازات الدفيئة الناتجة عن الأنشطة البشرية، إذ تبلغ قدرته على إحداث الاحتباس الحراري 25 ضعفًا مقارنةً بثاني أكسيد الكربون، ^{[ 13 ]} وتُعد المياه العذبة مصدرًا رئيسيًا لانبعاثات الميثان العالمية . ^{[ 8 ]}

أظهرت دراسة أُجريت على بحيرة كونستانس الأوروبية أن أكسدة الميثان اللاهوائية المقترنة بإزالة النتروجين - والمعروفة أيضًا باسم أكسدة الميثان اللاهوائية المعتمدة على النترات/النتريت (n-damo) - تُعدّ مُستودعًا رئيسيًا للميثان في البحيرات العميقة. ولزمن طويل، كان يُعتقد أن الحدّ من انبعاثات الميثان يعود فقط إلى البكتيريا الهوائية المُستهلكة للميثان . إلا أن أكسدة الميثان تحدث أيضًا في المناطق الخالية من الأكسجين في المسطحات المائية العذبة. وفي حالة بحيرة كونستانس، تتم هذه العملية بواسطة بكتيريا شبيهة ببكتيريا M. oxyfera. [ 8 ^{] تُشبه هذه} البكتيريا بكتيريا Candidatus Methylomirabilis oxyfera ، وهي نوع من البكتيريا التي تعمل كمُستهلكة للميثان عن طريق إزالة النتروجين. ^{[ 14 ]}

أظهرت نتائج الدراسة التي أُجريت على بحيرة كونستانس انخفاضًا في تركيز النترات في الماء عند نفس عمق انخفاض تركيز الميثان، مما يشير إلى أن أكسدة الميثان مرتبطة بعملية نزع النتروجين. ويمكن استنتاج أن بكتيريا شبيهة ببكتيريا M. oxyfera هي التي تقوم بأكسدة الميثان، نظرًا لذروة وفرتها عند نفس العمق الذي تلاقت فيه منحنيات تركيز الميثان والنترات. ^{[ 8 ]} تُعدّ هذه العملية (n-damo) ذات أهمية بالغة لأنها تُسهم في خفض انبعاثات الميثان من المسطحات المائية العذبة العميقة، كما تُساعد في تحويل النترات إلى غاز النيتروجين، مما يُقلل من فائض النترات.

يمكن أن تؤدي عملية نزع النيتروجين إلى انخفاض خصوبة التربة، حيث يُزال النيتروجين، وهو عامل مُحدد للنمو، من التربة ويتسرب إلى الغلاف الجوي. ويمكن استعادة هذا النيتروجين المفقود في الغلاف الجوي لاحقًا عبر المغذيات المُضافة، كجزء من دورة النيتروجين. كما قد تُثبّت بعض أنواع البكتيريا المُنتجة للنيتروجين والبكتيريا الزرقاء جزءًا من النيتروجين . ومن القضايا البيئية الهامة الأخرى المتعلقة بنزع النيتروجين، ميل هذه العملية إلى إنتاج كميات كبيرة من المُنتجات الثانوية. ومن أمثلة هذه المُنتجات الثانوية أكسيد النيتريك (NO) وأكسيد النيتروز (N₂O ₎ . يُعد أكسيد النيتريك من المواد المُستنفدة لطبقة الأوزون ، بينما يُعد أكسيد _{النيتروز} غازًا دفيئًا قويًا يُساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري . ^{[ 4 ]}

تُعدّ البكتيريا المُزيلة للنترات عنصرًا أساسيًا في معالجة مياه الصرف الصحي. غالبًا ما تحتوي مياه الصرف الصحي على كميات كبيرة من النيتروجين (على شكل أمونيوم أو نترات )، مما قد يُلحق الضرر بالعمليات البيئية إذا تُركت دون معالجة. وقد استُخدمت العديد من الطرق الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لإزالة المركبات النيتروجينية وتنقية مياه الصرف الصحي. ^{[ 15 ]} تختلف العمليات والأساليب، ولكنها تتضمن عمومًا تحويل الأمونيوم إلى نترات عبر عملية النترجة بواسطة بكتيريا مؤكسدة للأمونيوم (AOB، NH₄⁺ _→ NO₂⁻ ^{) وبكتيريا} مؤكسدة للنتريت (NOB، NO₂⁻ _{→ NO₃⁻} ) _، ^{وأخيرًا إلى غاز النيتروجين عبر عملية إزالة النترات. ومن الأمثلة على ذلك بكتيريا مؤكسدة للأمونيا، التي تتميز بخاصية أيضية، بالاشتراك مع أنشطة أيضية أخرى لدورة النيتروجين، مثل أكسدة النتريت وإزالة النترات} ، تُزيل النيتروجين من مياه الصرف الصحي في الحمأة المنشطة. ^{[ 16 ]} بما أن البكتيريا المختزلة للنترات غيرية التغذية ، يُزوَّد لها مصدر كربون عضوي في حوض خالٍ من الأكسجين. في غياب الأكسجين، تستخدم هذه البكتيريا تفاعل الأكسدة والاختزال للنترات لأكسدة الكربون. ينتج عن ذلك غاز النيتروجين من النترات، والذي يتصاعد على شكل فقاعات من مياه الصرف الصحي. ^{[ 17 ]}