النفط

النفط او البترول او غيره من التسميات تعرف على انها خليط من الهيدروكربونات ومركبات عضوية معدنية Organometallo- والأخيرة أكثرها مركبات الفناديوم والنيكل. وعلاقة الاحياء المجهرية مع النفط تتخذ عدة أوجه، منها ما يصب في صالح الصناعة النفطية من ناحية الاستخلاص والتكوير الكفؤ، والخط الثاني استعمال الاحياء المجهرية لمعالجة التلوث بهذا المنتج المهم كمصدر للطاقة. وتعد مركبات النفط من المركبات العصية للتحلل الميكروبي في الانظمة البيئية لطبيعتها الكارهة للماء وقلة تطايرها ولذا تعد ذات تهديد كبير للبيئة حتى عند العناية بصناعة النفط بكافة خطواتها وذلك لان حرقه واستعماله يؤدي الى تلوث البيئة.

ومن جهة ثانية فان النفط من نوع الطاقة الحفرية المعرضة للنفاد في وقت ليس بالبعيد لذلك يهتم المعنيون بإيجاد بدائل للطاقة. ولكن على أرض الواقع فان النفط بحالته الحاضرة يشكل احدى مشاكل البيئة التي أدت الى كوارث بيئة من حوادث ناقلات النفط العملاقة وتلويثها لمياه البحار والمحيطات، اضافة الى فضلات التصنيع والتكوير وثالثة الاثافي نواتج حرقه واستعماله خاصة الوقود الحاوي على الكبريت التي تقدم التلوث طواعية للبيئة المنكوبة.

يستخرج النفط من مخازن على طول وعرض العالم ومكوناته مختلفة التركيب ومختلفة الصفات الفيزياوية، ويحوي على مركبات مستقيمة السلسلة واخرى متفرعة ويحوي على مركبات حلقية وغيرها من المركبات المعقدة. ويستطيع عدد من الاحياء المجهرية استخدام مركبات النفط للنمو اي استخدامه مصدرا للكاربون والطاقة. ومركبات النفط عند استخدامها تدعم نمو جيد للأحياء وذلك لأنها مركبات مختزلة جدا، وعند نمو الاحياء عليه تؤدي الى تغيير صفاته الفيزياوية والكيماوية، وبصورة عامة فان الاحياء المستهلكة لمركبات النفط لها ميزات عامة التي تؤخذ بنظر الاعتبار عند الاختيار ومنها :

• ان تكون مقاومة للمذيبات العضوية.
• ان تكون محبة للحرارة وأنزيماتها ثابتة بالحرارة.
• ان تتحمل تراكيز واطئة من الاوكسجين.

ومثل هذه الاحياء استعملت في معالجة التلوث النفطي ضمن برامج التحول الحيوي Biotransformation لتحويل مركباته المؤذية والتي أغلبها مواد مسرطنة، او يستهدف استعمالها ضمن عمليات التفكك الحيوي للوصول الى  عناصره الأولى من الكاربون والهيدروجين، او ضمن برامج المعالجة الحيوية التي تتشعب فروعها ثم تجتمع في النهاية لتصب في مجال التخلص من التلوث، ويمكن ان تضم كل هذه الحقول والفعاليات في عنوان كبير هو علم احياء النفط المجهرية Petroleum Microbiology.

وتركز الدراسات القديمة والحديثة على البحث عن الاحياء المفككة لمركبات النفط ومحاولة تحسين صفاتها بعمليات الهندسة الوراثية، وتطوير وسائل للكشف عن النفط وكذلك الكشف عن ملوثاته، وتحديد المواد الغذائية الملائمة لزيادة معدل تفكيك النفط، ودراسة العوامل الاخرى المؤثر مثل الحرارة أو الأوكسجين والملوحة والضغط والحالة الفيزياوية للمواد المراد تفكيكها.

وتنتشر الاحياء المفككة او التي تتعامل مع النفط في البيئات التي يوجد فيها النفط وتكون بشكل خليط أمكن الكشف عنها بطرق الزراعة، وهي تشمل احياء هوائية ولا هوائية وغيرها من المواصفات والتي تعيش بتناغم مع بعضها ويكمل احدها عمل الاخرى. ومن الاحياء او البكتريا التي عزلت هي محبات للحرارة والمحبة لحرارة متوسطة وبكتريا مختزلة للكبريت واخرى مختزلة للحديد وبكتريا مولدة للميثان وغيرها من المجاميع.

وبعد توفير الاحياء المطلوبة ومعرفة أبعاد تأثيراتها ستكون الفرصة سانحة لاستعمالها في المعالجات الحيوية باستعمال طرق مختلفة مثل المعاملة الموقعية كما في استعمال معالجة الأراضي الرطبة، او استعمال طرق الترشيح الحيوي، او استعمال الطرق التي تؤدي الى تطاير مركبات النفط. اضافة الى توفير المعلومات سيساعد في تحسين استخلاص النفط مثل استعمال المواد التي تقلل الشد السطحي، وكذلك تحسين نوعية الوقود الناتجة من تكوير النفط وذلك بإزالة مركبات الكبريت والنتروجين وتحسين انتاج المواد الكيماوية من النفط وتحسين معاملة فضلات صناعة النفط سواء في البيئات المائية او التربة.

واستخلاص النفط وخاصة الثقيل وتسهيل عمليات الاستخلاص باستعمال الاحياء المجهرية استعمل لأول مرة في عشرينات القرن الماضي ولكن ازدهر استعماله وزاد الاهتمام به في الثمانينيات، والنفوط الثقيلة تمتاز باحتوائها على تراكيز عالية من النيكل والفناديوم. وتمتاز الاحياء المجهرية المستعملة باحتوائها على انزيمات Cytochrome C reductase , Chloroperoxidase التي تلعب دورا مهما في ازالة المعادن من النفط.

وتستطيع الاحياء المجهرية استهلاك مركبات النفط بأنماط مختلفة من الايض ولكل من أنواع المركبات ومنها :

الايض الهوائي للـ Alkanes

العديد من الاحياء المجهرية لها القابلية على استهلاك المركبات المختلفة للنفط بصفتها مصادر للكاربون والطاقة، وبعض السلالات تمتلك عددا من الجينات التي تشفر لعدد من الانزيمات العاملة في عمليات التفكيك. واكثر مسارات تفكيك النفط تكون جيناتها محمولة على البلازميدات مثل OCT plasmid الموجودة في البكتريا Ps. putida Gpo 1 (والتي كانت تسمى سابقا Ps. Oleovorans Gpo I). وتقوم الاحياء بتحويل مركبات النفط الى كحولات التي تحول الى الديهايدات ثم الى حوامض عضوية وصولا الى مرحلة الاكسدة – بتا (β – oxidation) والدخول الى دورة الحوامض ثلاثية الكاربوكسيل TCA cycle. وتتم العمليات بواسطة مكونات مرتبطة بالأغشية  واخرى ذائبة في السايتوبلازم ومنها Monooxygenases المرتبطة للغشاء الخلوي والمكونات الذائبة مثل Ruberdoxin وانزيم اختزال مركب النفط Alkanes الى كحول . والبلازميد يحوي على الاوبرون alkBFGHJKL الذي يشفر للإنزيمات اللازمة لتحويل Alkanes  الى Acetyl – CoA . ويحوي الاوبرون على جين alkN الذي يعمل متحسسا من نوع MCPs في الانجذاب الكيماوي للمركبات. ويحوي الاوبرون أيضاً على جينات منظمة alkT , alkS.

وتوجد بلازميدات اخرى في احياء اخرى مسئولة عن تفكيك مركبات النفط مثل pDEC الموجودة في سلالات Pseudomonas C12B و pWWO , Tol plasmid الموجودة في  سلالات اخرى من الجنس نفسه. وقد لا تكون الجينات المسئولة عن التفكيك في اوبرون واحد كما في البكتريا Burkhoderia cepacia . كما انها تختلف في عمليات التنظيم، فجينات التنظيم تعتمد على نوعية المادة النفطية فهناك جينات تحث بالمواد الصلبة التي يكون عدد ذرات الكاربون يزيد عن 22 ذرة من الكاربون. كما ان بعض الجينات تكون كروموسومية.

وهناك ظاهرة شائعة في الاحياء المفككة لمركبات النفط وهو وجود أكثر من انزيم لأداء عمل واحد مثل انزيمات الاكسدة Cu-monooxygenases , Fe – dioxygenases وهي تحفز بمركبات مختلفة من النفط. والانزيمات المؤكسدة Dioxygenases تحتاج الى الاوكسجين الجزيئي لأكسدة مركبات مختلفة في النفط مثل (Alkenes) C12 –C 20 و ((C10 – C30)n Alkanes دون انتاج جذور الاوكسجين.

الايض الهوائي للمركبات متعددة الحلقات

 المركبات متعددة الحلقات Polycyclic aromatic  hydrocarbon(PAHs) تعد من أخطر المواد وتبقى في البيئة لمدة طويلة، البعض منها بسيط ويتكون من حلقات قليلة واخرى معقدة وتحوي على أكثر من 4 حلقات مثل Naphthalene وغيره. واكثر البكتريا والفطريات والطحالب والبكتريا المزرقة تستطيع استهلاك المركبات ذات ثلاث حلقات أو أقل. اما المركبات التي تحوي على حلقات أكثر من 4 مثل النفثالين  و Pyrene , Chrysene, Acenaphthene , Fluoranthene , Anthracene فتستطيع مجموعة قليلة من الاحياء استهلاكها ولكن هناك بعض المركبات المعقدة مثل Benzo[ a] pyrene قد لا توجد احياء تفككها.

وعملية تفكيك المركبات متعددة الحلقات تكون صعبة لأنها قليلة الذوبان في الماء ولها سعة امتزازيه عالية، كما ان تفكيكها يؤدي الى انتاج مواد سامة، وكذلك تظهر فيها ظاهرة الكبح بمواد الايض، لذلك طورت الخلايا عملية الايض المرافق او المشترك Co-metabolism لمعالجة الظواهر المذكورة. والجينات المسئولة عن تفكيك المركبات الحلقية توجد على بلازميدات خاصة مثل بلازميد NAH7 الخاص بتفكيك النفثالين في البكتريا Ps. putida G7 ويحوي على الاوبرون nahAaAbAcAdBFCED فيه الجينات اللازمة لتحويل النفثالين الى الساليسيلات Salicylate . والاوبرون الثاني nahGTHINLOMKJ يساهم في تحويل الناتج الاخير الى الديهايد و بايروفات. وتنظيم الاثنين يتم باوبرون ثالث يحوي على الجين nahR الذي يحث بالساليسيلات.

والانزيم Naphthalene dioxygenase واسع الانتشار يمكن ان يساعد في تفكيك عددا اخر من المركبات الحلقية مثل Phenathrene و Anthracene. وتوجد بلازميدات اخرى مثل pah , dox , ndo منتشرة في البكتريا التي تتعايش مع النفط ومركباته، اضافة الى وجود جينات كروموسومية تساعد في فعاليات التفكيك ومنها المذكورة في الجدول (1).

جدول 1 : الجينات الكروموسومية والبلازميدية المسئولة عن تفكيك الهايدروكاربونات

ويوضح الجدول الاختلافات في الجينات العديدة المسئولة عن تفكيك المركبات الحلقية، كما يتضح وجود انتقال افقي للجينات والتي تشفر لإنزيمات متشابهة، كما انها يمكن ان توجد على الكروموسومات او البلازميدات.

ان وجود عددا من المركبات الحلقية في تركيبة النفط والتي تكون مختلفة من حيث الوزن الجزيئي وعدد الحلقات يؤدي اما الى تآزر او تضاد في عمليات ايضها. والتثبيط ربما يعود الى التنافس على الانزيمات العاملة في الاكسدة او النقل الى داخل الخلايا او نتيجة تراكم نواتج الايض العرضية مما يؤدي الى حالة التسمم الخلوي وغلق عمليات حث الانزيمات.

الايض اللاهوائي للهيدروكربونات

تعد عمليات الايض اللاهوائي من العمليات المهمة في تفكيك الهيدروكربونات التي تكون فاعلة في المعالجات الحيوية للبيئة. وتتم عمليات الايض اللاهوائي على حساب عمليات اخرى مثل اختزال مركبات الحديد او اختزال الكبريتات وكذلك ازالة النتروجين من بعض المركبات. واغلبها تتم بواسطة البكتريا التي تقوم بعملية التخليق الضوئي غير المنتج للأوكسجين وكذلك الاحياء المولدة للميثان. ويمكن ان تعمل اكاسيد المنغنيز كمستلمات نهائية للإلكترونات، وتستعمل البكتريا أيضاً حوامض التربة الدبالية Soil humic acids والفيوميرات وغيرها من المركبات لتفكيك مركبات النفط كما موضح في الجدول (2)

جدول 2 : الاحياء اللاهوائية المحللة لهيدروكربونات النفط

ويلاحظ من الجدول انه لا توجد فطريات مدروسة في هذا المجال لان النمط العام لأيض الفطريات هو ايض هوائي، كما ان أكثر الدراسات تركز على التولوين، وتوجد اختلافات كبيرة في العمليات الايضية التي تقوم بها البكتريا تحت الظروف اللاهوائية، ولكن اهم المركبات الوسطية التي تنتج هي Benzyl – CoA عند تفكيك المركبات الحلقية.

اجهاد الهيدروكربونات على الخلايا

تعاني الخلايا التي تتعرض للهيدروكربونات الى اجهادات كبيرة اضطرتها الى تطوير آليات تجنبها التأثيرات السامة للمركبات الموجودة في البيئة المباشرة التي توجد فيها، وكذلك تمكنها من الوصول الى المركبات غير الذائبة وادخالها الى الخلايا كي تستفيد منها كمصادر للعناصر التي تعيش عليها. ومن هذه الآليات:

التغيرات في الأغشية الخلوية

تبين مما مر سابقا ان الطبقة الكارهة للماء في الأغشية الخلوية تقع الى الداخل من الغشاء الخلوي ثنائي الطبقة، اضافة الى البكتريا السالبة لصبغة كرام تحوي على طبقة كارهة للماء اخرى في الغشاء الخارجي، ولذلك فان الهيدروكربونات المحبة للدهون والكارهة للماء يمكن ان تحتجز بسهولة داخل الأغشية الخلوية مسببة التسمم كما هو الحال مع المواد المشابه مثل بعض المضادات الميكروبية وغيرها من المواد المحبة للدهون. وتميل الهيدروكربونات الى الاستقرار في المنطقة الكارهة للماء بين Acyl chains للدهون الفوسفاتية، وعملية الانحشار تؤدي الى تغيير ميوعة الأغشية وكذلك تؤثر على التوزيع الفراغي للبروتينات الموجودة في الأغشية وبالتالي اضطراب الغشاء الخلوي والذي يتبعه اضطراب وظائف مكونات الغشاء من الانزيمات المرتبطة به وأنظمة انتاج الطاقة على وجه الخصوص.

ولذلك ونتيجة لهذا الاجهاد تكون الاحياء الأغشية الحيوية Biofilms   ، او تقوم الخلايا بتغير كراهية سطوحها للماء لتعمل على تنظيم احتجاز الهيدروكربونات. وفي البكتريا السالبة لصبغة كرام تستفاد الخلايا من مكونات الغشاء الخارجي وهي LPS  المحبة للماء في مقاومة انتقال الجزيئات المحبة للدهون إليها. وتنشط الخلايا عمليات وآليات الإصلاح المعتمدة على الطاقة لتعويض ما يفقد نتيجة احتجاز الهيدروكربونات في الأغشية الخلوية وبالتالي المحافظة قدر الامكان على سلامة أغشيتها.

ومن آليات توفير الحماية تقوم الخلايا بزيادة نسبة النظير Trans الى النظير Cis في الحوامض الدهنية للدهون الفوسفاتية بعملية المزامرة للحوامض الدهنية الحاوية على آصرة مزدوجة واحدة، وكذلك تقلل من نسبة الحوامض الدهنية غير المشبعة. وتقوم الخلايا أيضاً بتغيير المجاميع الرأسية في الدهون الفوسفاتية. كل هذه التغييرات تكون في النهاية مصاحبة لزيادة الدهون الفوسفاتية في الأغشية كما في حالة البكتريا التي تعاني من اجهادات المذيبات، والتغييرات الحاصلة في النهاية تؤدي الى وجود حواجز فيزياوية أمام انحشار الهيدروكربونات في الأغشية الخلوية، وبذلك تعيق دخولها وممارسة تأثيرها السام الذي يحتاج ان تكون المركبات داخل الخلية.

آلية التحمل : يمكن ان تظهر الخلايا تحملا الهيدروكربونات بأكثر من وسيلة، البعض منها سريعة تحصل في دقيقة وأخرى بطيئة تحصل بعد مرور 15 – 20 دقيقة، ويمكن ان تعمل الاثنين عند تعرض الخلايا للهيدروكربونات فبعض سلالات Ps. Putida يمكن ان تتحمل وجود التولوين بتركيز 90% (حجم / حجم) والاستجابات التي تحصل:

• التغيرات السريعة تنتج عن طريق مزامرة النظائر فتزداد نسبة النظير Trans الى النظير Cis والجين cti مسئول عن مزامرة بعض الحوامض الدهنية المؤسترة، والانزيم الذي ينتجه المسئول عن المزامرة من الانزيمات الغشائية.
• ومن الاستجابات البطيئة هي التي تحدث تغيير في الدهون الفوسفاتية اذ تقلل الخلايا من Phosphatidylethanolamine في مجاميع الرأسية القطبية للدهون الفوسفاتية وتزيد من مستويات Cardiolipids وذلك لزيادة صلادة الأغشية.
• عمليات الدفق الخارجي للمركبات وتكون الخلايا المدربة الافضل في الاستعمال وتتم العمليات بواسطة مضخات خاصة فعالة في ضخ الهيدروكربونات وكذلك المذيبات ومثل هذه توجد في Ps. Putida ، اما البكتريا Ps. aeruginosa فتوجد  تyrene , النفثالين و ى حلقات اكثر ريا المزرقة تستطيع استهلاك المركبات ذات ثلاث حلقات أو أقل. عقدة وتحوي على اكثر عدد ذرات الكاربفيها ثلاث انواع من مضخات RND المستعملة لضخ المضادات الحيوية الى الخارج وتستعمل بعضها في ضخ الهيدروكربونات والمذيبات، وفي هذه البكتريا المهمة (Pseudomonas) يمكن تقسيم مضخاتها بصورة عامة الى :
• مضخات المذيبات العضوية.
• مضخات المضادات الحيوية.
• مضخات تضخ الاثنين.

الأحياء المستهلكة للهيدروكربونات

هناك العديد من الاحياء المجهرية التي يمكن ان تستهلك النفط الخام او المركبات المشتقة منه مثل المركبات متعددة الحلقات والمركبات الفينولية والمركبات الفينولية الحاوية على الكلور وغيرها. وهذه عادة توجد في البيئات التي تكثر فيها المواد المعينة اي انها من الفلورا الطبيعية ومعرفة الاحياء وتشخيصها يكون ضروريا لتطوير أنظمة المعالجة الحيوية، والاحياء المحللة يجب ان تكون بملامسة المواد، وهذا يمكن ان يتم بأكثر من طريقة ومنها :

• يمكن ان تذاب الهيدروكربونات بمواد تقلل من الشد السطحي التي تنتجها الاحياء مثل المشتتات الحيوية.
• اقتناص الهيدروكربونات في أجسام دهنية.

وبعض الهيدروكربونات تنتقل الى الخلايا بواسطة الانتشار البسيط نظراً لأنها تذوب وذلك لكونها محبة للدهون، ولكن هناك بعض الهيدروكربونات تدخل الخلايا بالنقل الفعال في بعض السلالات البكتيرية، وعمليات قبط الهيدروكربونات تكون مسئولية بعض الجينات الخاصة.

المصادر

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