بلوم‌ های سیانوباکتریا

میزان رشد بلوم‌های سیانوباکتریا در سطح جهان در حال افزایش هستند. جمعی از محققان سراسر دنیا از جمله هلند، انگلیس، امریکا، چین و سوئیس؛ طی مطالعات فراوانی توانستند اطلاعات مفید و کاربردی را در این خصوص جمع‌آوری نمایند. آن‌ها دلایل افزایش این بلوم‌ها، شرایط محیطی رشد و راهبردهای مدیریتی کاهش و کنترل رشد آن‌ها را در قالب یک مقاله علمی بین‌المللی جمع‌آوری و منتشر کرده‌اند. سیانوباکتریا (Cyanobacteria) می‌تواند یک سری بلوم‌های متراکم و گاهی سمی در محیط‌های آب شیرین و دریایی ایجاد کند که عملکرد اکوسیستم را تغییر می‌دهد.

سیانوباکتری‌ها نوعی از باکتری‌های مولد اکسیژن هستند که از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای تبدیل کربن‎‌دی‌اکسید به زیست‌توده‌ها استفاده می‌کنند. آنها حدود سه میلیارد سال پیش به‌ وجود آمده‌اند و فعالیت فتوسنتزی آن‌ها یکی از مهمترین وقایع در طول تکامل سیاره ما یعنی اکسیداسیون اتمسفر زمین بوده است. سیانوباکتریا نیز به عنوان جلبک سبز آبی شناخته می‌شود، اما به عبارت دقیق‌تر، آن‌ها جلبک نیستند، بلکه این نام از یوکاریوت‌های نورپرورد (eukaryotic phototrophs) به‌ دست آمده است. علاوه بر این، بسیاری از سیانوباکتری‌ها به رنگ سبز آبی نیستند. برخی از آن‌ها به دلیل وجود رنگدانه‌هایی مانند فیکوسیانین، کارتینوئید و فایکوئیریدین به رنگ‌های بنفش، قرمز و نارنجی رنگ دیده می‌شوند.

سیانوباکتری‌ها می‌توانند بلوم‌های فشرده و متراکم ایجاد کنند که موجب تغییر رنگ قابل مشاهده در آب می‌شوند. بلوم‌های سیانوباکتری‌ها می‌تواند مشکلات عمده‌ای را برای کیفیت آب ایجاد کند. آن‌ها در آب تلاطم ایجاد می‌کنند و باعث فرو رفتن و غرق شدن گیاهان آبزی می‌شوند. هم‌چنین تخریب بلوم‌های پیرتر موجب کاهش اکسیژن آب و هیپوکسی و آنوکسی شده که در نهایت باعث مرگ ماهی‌ها و سایر آبزیان می‌شوند. سیانوباکتری‌ها با تولید ترکیبات بودار و مزه‌دار باعث اختلال عملکرد تفریحی دریاچه‌ها و استفاده از مخازن آب آشامیدنی می‌شود. علاوه بر این، بلوم‌های سیانوباکتری‌ها می‌توانند انواع مختلف سیانوتوکسین‌ها را تولید کنند که در هنگام مصرف توسط پرندگان، پستانداران و انسان‌ها باعث بیماری‌های کبدی، گوارشی و عصبی می‌شود.

در سال های اخیر، مطالعات متعدد نشان داده‌اند که اتروفیکاسیون، افزایش سطح کربن‌دی‌اکسید و گرم شدن کره زمین موجب افزایش فرکانس و فراوانی، شدت و مدت زمان زاد و ولد سیانوباکتری‌ها در بسیاری از اکوسیستم‌های آبی در سراسر جهان می‌شود. ادامه این روند موجب نگرانی‌های بزرگی است؛ زیرا ممکن است بر تنوع زیستی و بافت آبزیان تأثیر منفی داشته باشد و تهدید بزرگی در خصوص استفاده از این آب‌ها برای آب آشامیدنی، حمام کردن، ماهی‌گیری و دیگر موارد تفریحی به‌ شمار آید.

در این تحقیق آقای Jef Huisman و همکارانش، یک ارزیابی مختصر از شواهد موجود برای گسترش جهانی بلوم‌ها، صفات و ساز و کارهای تشکیل دهنده آن‌ها، سموم تولید شده توسط سیانوباکتری‌ها، تعامل آن‌ها با سایر موجودات و اقدامات احتمالی برای پیشگیری و کنترل بلوم‌ها؛ انجام داده‌اند.

رشد جهانی بلوم‌های سیانوباکتری‌

اگرچه بلوم‌های سیانوباکتری‌ از دوران باستان شناخته شده‌اند ولی مطالعات متعدد نشان می‌دهد که اکنون در سطح جهانی در حال افزایش هستند. به عنوان مثال، آنالیز رنگدانه‌های سیانوباکتریایی در هسته رسوب بیش از 100 دریاچه در امریکای شمالی و اروپا نشان می‌دهد که سیانوباکتری‌‌ها از زمان انقلاب صنعتی، تقریبا 60 درصد افزایش یافته‌اند، که فراوانی آن‌ها نسبت به دیگر فیتوپلانکتون‌ها نسبتاً زیاد است و این افزایش از سال 1945 تسریع شده است. این روند احتمالاً در دهه‌های آینده  نیز ادامه خواهد یافت. یک مدل جهانی تغییرات آب و هوایی پیش‌بینی می‌کند که در امریکا میانگین تعداد روزها با بلوم‌های سیانوباکتری‌ از حدود 7 روز در سال به 18 تا 39 روز در سال 2090 با شرایط فعلی افزایش می‌یابد.

ویژگی‌های توسعه دهنده بلوم‌های سیانوباکتری‌

برخی از ویژگی‌ها و صفات، جزو مزایای رقابتی سیانوباکتری‌‌ها نسبت به سایر فیتوپلانکتون‌های محسوب می‌شوند. برای مثال بعضی از قسمت‌های سیانوباکتری‌‌ها می‌توانند نیتروژن را تثبیت کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد به نیتروژن اتمسفر دسترسی پیدا کنند، درصورتی‌که این امکان برای سایر یوکاریوت‌ها فراهم نیست. تثبیت نیتروژن توسط مجموعه‌ای از آنزیم‌های نیتروژناز صورت می‌گیرد. سیانوباکتری‌‌های تثبیت‌کننده نیتروژن (diazotrophic) دارای مزیت رقابتی نسبت به سیانوباکتری‌‌های غیر دیازوتروپیک و فیتوپلانکتون‌های یوکاریوتی در آب‌هایی با نیتروژن محدود می‌باشند، که اگر سایر منابع غذایی به ویژه آهن و فسفر فراوان باشد، بلوم‌های سیانوباکتری‌‌ فشرده و متراکم ایجاد می‌شود.

مکانیسم تغلیظ کردن کربن‌دی‌اکسید

سیانوباکتری‌ها نیز مانند گیاهان و جلبک‌ها، به کربن‌دی‌اکسید برای فتوسنتز و رشد نیاز دارند. بلوم‌های سیانوباکتری‌ می‌توانند غلظت کربن‌دی‌اکسید حل شده در آب را به یک مول در لیتر کاهش دهند و در نتیجه پی‌هاش آب را به 9 یا حتی 10 افزایش دهند. این اتفاق، تعادل کربن معدنی آب را به سمت بی‌کربنات‌ها و کربنات‌ها تغییر می‌دهد. برای حفظ تثبیت کربن‌دی‌اکسید، سیانوباکتری‌ها مکانیسم تغلیظ کردن کربن‌دی‌اکسید (CCMs) را به کار می‌برند. این مکانیزم سلول‌ها را قادر می‌سازد تا غلظت کربن‌دی‌اکسید را در بخش‌های سلولی به نام carboxysomes افزایش دهند تا آنزیم تثبیت کربن (Rubisco) بتواند به صورت کارآمد عمل کند.

سیانوتوکسین‌ها

بلوم‌های سیانوباکتری‌ یک مجموعه متنوعی از متابولیت‌های ثانویه را تولید می‌کنند که بسیاری از آن‌ها برای انسان و سایر موجودات مضر و سمی است. تولید مواد سمی توسط بلوم‌های سیانوباکتری‌ در مکان و زمان‌های گوناگون متغیر است و نمی‌توان به راحتی ترکیب، نوع و فراوانی آن‌ها را پیش‌بینی کرد. مطالعات آزمایشگاهی نشان داده است که بسیاری از عوامل محیطی بر محتویات سیانوتوکسین‌های سلولی تأثیر می‌گذارد.

افزایش غلظت کربن‌دی‌اکسید

غلظت کربن‌دی‌اکسید حل شده در آب به ندرت در تعادل با فشار جزئی کربن‌دی‌اکسید اتمسفر است. به طور خاص، فعالیت فتوسنتزی بلوم‌های متراکم می‌تواند کربن‌دی‌اکسید حل شده در آب را کاهش دهد. همانگونه که ذکر گردید سیانوباکتری‌‌ها، مکانیسم CCMs دارند. بنابراین، سیانوباکتری‌‌ها اغلب به عنوان رقبای برتر در غلظت کربن‌دی‌اکسید پایین و پی‌هاش بالا نامیده می‌شوند؛ در حالی‌ که فیتوپلانکتون‌های یوکاریوتیک مانند جلبک سبز ممکن است بیشتر در غلظت‌های بالای کربن‌دی‌اکسید بهره‌مند شوند. به طور خلاصه، مطالعه‌های اخیر نشان می‌دهند که تنوع ژنتیکی و انعطاف‌پذیری فیزیولوژیکی CCM های سیانوباکتریایی، منجر به سازگاری سریع سینو باکتری‌ها با افزایش غلظت کربن‌دی‌اکسید در آب می‌شود. در واقع افزایش غلظت کربن‌دی‌اکسید اتمسفر، موجب افزایش گرادیان غلظت آن در آب‌های کم عمق می‌شود و موجب افزایش انتشار کربن‌دی‌اکسید به لایه زیرین می‌شود و در نهایت باعث افزایش بلوم‌های سیانوباکتری‌ خواهند شد. مدل‌های ریاضی و تحقیقات آزمایشگاهی نیز این موضوع را تأیید می‌کنند.

گرمایش جهانی

دماهای بالا موجب تحریک و افزایش فعالیت بلوم‌های سیانوباکتری‌ می‌شود. بسیاری از سیانوباکتری‌‌ها به حداکثر سرعت رشد خود در دمای نسبتاً بالا (اغلب بیش از 25 درجه سانتی‌گراد) می‌رسند. علاوه بر این، به نظر می‌رسد سرعت رشد سیانوباکتری‌‌ها با افزایش دما سریع‌تر از فیتوپلانکتون‌های یوکاریوتی افزایش می‌یابد. گرمایش سطح آب نیز منجر به طبقه‌بندی با ثبات‌تر ستون‌های آب و با اختلاط عمودی کمتر می‌شود. طبقه طبقه شدن آب، شرایط ایده‌آل برای سیانوباکتری‌‌های شناور را برای حرکت به سمت بالا را فراهم می‌کنند، در نتیجه دسترسی آ‌‌‌ن‌ها به نور بیشتر شده و هم‌چنین باعث سایه انداختن بر روی فیتوپلانکتون‌های غیر شناور می‌‌شوند. تغییرات دمایی و گرمایش کره زمین باعث می‌شود تا سطح دریاچه‌های مناطق سردسیر، مدت زمان کمتری از سال یخ بزنند. در نتیجه مدت زمان بیشتری برای رشد بلوم‌های سیانوباکتری‌ فراهم می‌شود.

جلوگیری و کنترل بلوم‌ها

استراتژی‌های متعددی برای جلوگیری از تشکیل و یا از بین بردن بلوم‌های سیانوباکتری‌ مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند که می‌توان به کاهش بار مواد مغذی، تغییرات هیدرودینامیکی و کنترل شیمیایی و بیولوژیکی اشاره نمود.  هرکدام از این استراتژی‌ها در برخی از دریاچه‌ها موفق بوده‌اند ولی نمی‌توان آن‌ها را به صورت عمومی تعمیم دهیم.

کاهش ورودی مواد مغذی خارجی به دریاچه‌ها، ریشه مشکل را مورد توجه قرار می‌دهد. مواد غذایی به وسیله طیف گسترده‌ای از منابع منتشر شده و به صورت نقطه‌ای وارد دریاچه‌ها و آب‌های ساحلی می‌شوند. بنابراین کاهش ورودی مواد مغذی نیازمند اقداماتی است که کل حوزه آبریز را در بر گیرد و بعضاً نیازمند تلاش‌های ملی یا بین‌المللی است.

هم زدن غیرطبیعی دریاچه‌ها می‌تواند یک روش نسبتاً گران قیمت اما بسیار مؤثر برای جلوگیری از ایجاد بلوم‌های سیانوباکتری‌ شناور باشد. اگر سرعت اختلاط عمودی آن‌ها بیش از سرعت شناورسازی باشد، سیانوباکتری‌‌ها نمی‌توانند شناور شوند. هم‌چنین از آن جایی‌ که تشکیل بلوم‌های سیانوباکتری‌ زمان‌بر است، کوتاه شدن زمان ماند با افزایش جریان آب نیز ممکن است رویکرد کاهشی امیدبخش را برای رودخانه‌ها و مخازن راکد فراهم کند.

استفاده از مواد شیمیایی نیز می‌تواند به سرعت بلوم‌های سیانوباکتری‌ را از بین ببرد، اما به‌ عنوان یک راه‌حل بلند مدت پیشنهاد نمی‌شود. استفاده از سولفات مس، دیورون و چندین ماده دیگر به دلیل پایداری طولانی در محیط‌زیست و اثرات سمی آن‌ها بر سایر موجودات آبزی توصیه نمی‌شود. علاوه بر این، استفاده از مواد شیمیایی منجر به تجزیه سلول و انتشار سیانوتوکسین‌ها در آب می‌شود که مشکلات کیفیت آب را تشدید می‌کند. استفاده از غلظت‌های پایین پراکسید هیدروژن یک روش بسیار مؤثر برای حذف بلوم‌های سیانوباکتری‌ است؛ زیرا سیانوباکتری‌‌ها حساسیت بیشتری به پراکسید هیدروژن نسبت به فیتوپلانکتون یوکاریوتی دارند.

اگرچه سیانوباکتری‌‌ها چندین از بین‌برنده طبیعی دارند ولی کنترل بیولوژیکی آن‌ها ساده نیست. جلوگیری از رشد بلوم‌های سیانوباکتری‌ توسط ویروس‌ها، باکتری‌های بیماری‌زا یا قارچ‌ها یک ایده جذاب است. با این حال، بسیاری از این آنتاگونیست‌های میکروبی، گروه خاصی هستند و نمی‌توانند مانع از حمله گونه‌های مقاوم شوند.

نتیجه‌گیری

با توجه به تمامی خصوصیات و راه‌های پیشگیری ذکر شده‌، مشکلات فعلی ناشی از بلوم‌های سیانوباکتری‌ نیازمند تحقیقات و تلاش‌های فراوان می‌باشد. هم‌چنین بررسی مکانیسم‌های ترکیب گونه‌ها و تولید سم از آن‌ها باید بیشتر مورد توجه محققین قرار گیرد. هم‌چنین در مقیاس‌های محلی و منطقه‌ای، پیشگیری از ایجاد بلوم‌های سیانوباکتری‌، نیاز به کنترل بیشتر ورود مواد مغذی به اکوسیستم‌های آبی دارد. در مقیاس جهانی، جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند کربن‌دی‌اکسید، منطقی‌ترین راه برای جلوگیری از تغییرات آب و هوا و جلوگیری از گرمایش زمین است زیرا همان‌طور که گفته شد با افزایش دمای آب‌ها، رشد بلوم‌های سیانوباکتری‌ افزایش میابد.

این مطلب در تاریخ 26  ژوئن 2018 در مجله Nature Reviews Microbiology منتشر شده است.

☑ نویسنده: Jef Huisman

☑ منبع