יצירת טור וינוגרדסקי: שיטה להעשרת המינים המיקרוביאליים בדוגמת משקעים

מקור: אליזבת סוטר¹, כריסטופר קורבו¹, ג'ונתן בלייז^1
1 המחלקה למדעי הביולוגיה, מכללת וגנר, דרך הקמפוס 1, סטטן איילנד ניו יורק, 10301

הטור וינוגרדסקי הוא מערכת אקולוגית זעירה וסגורה המשמשת להעשרת קהילות מיקרוביות משקעים, במיוחד אלה המעורבות ברכיבה על אופניים גופרית. הטור שימש לראשונה את סרגיי וינוגרדסקי בשנות ה-80 של ה-19 ומאז הוא מיושם במחקר של מיקרואורגניזמים רבים ומגוונים המעורבים בביוגוכימיה, כגון פוטוסינתזה, מחמצני גופרית, מפחית גופרתיים, מתנוגנים, מחמצני ברזל, רוכבי חנקן ועוד (1,2).

רוב המיקרואורגניזמים על פני כדור הארץ נחשבים בלתי ניתנים לחישוב, כלומר הם לא יכולים להיות מבודדים במבחנה או על צלחת פטרי (3). הסיבה לכך היא גורמים רבים, כולל כי מיקרואורגניזמים תלויים אחרים עבור מוצרים מטבוליים מסוימים. התנאים בטור של וינוגרדסקי מחקים מקרוב את בית הגידול הטבעי של מיקרואורגניזם, כולל האינטראקציות שלהם עם אורגניזמים אחרים, ומאפשרים לגדל אותם במעבדה. לפיכך, טכניקה זו מאפשרת למדענים לחקור אורגניזמים אלה ולהבין כיצד הם חשובים למחזורים הביו-גיאוכימיים של כדור הארץ מבלי לגדל אותם בבידוד.

סביבות כדור הארץ מלאות במיקרואורגניזמים המשגשגים בכל סוגי בתי הגידול, כגון קרקעות, מי אוקיינוס, עננים ומשקעים במעמקי הים. בכל בתי הגידול, מיקרואורגניזמים תלויים זה בזה. ככל שהמיקרואורגניזם גדל, הוא צורך מצעים מסוימים, כולל דלקים עשירים בפחמן כמו סוכרים, כמו גם חומרים מזינים, ויטמינים וגזים נשימתיים כמו חמצן. כאשר משאבים חשובים אלה נגמרים, מיקרואורגניזמים שונים עם צרכים מטבוליים שונים יכולים לפרוח ולשגשג. לדוגמה, בעמודה וינוגרדסקי, חיידקים צורכים תחילה את החומר האורגני שנוסף תוך כדי פירוק החמצן בשכבות התחתונות של העמודה. ברגע שהחמצן מנוצל, אורגניזמים אנאירוביים יכולים להשתלט ולצרוך חומרים אורגניים שונים. התפתחות רצופה זו של קהילות מיקרוביות שונות לאורך זמן נקראת ירושה (4). ירושת מיקרוביאלית חשובה בטור וינוגרדסקי, שבו פעילות מיקרוביאלית משנה את הכימיה של המשקעים, אשר לאחר מכן משפיע על פעילות של חיידקים אחרים וכן הלאה. מיקרואורגניזמים רבים בקרקעות ובמ משקעים חיים גם לאורך שיפועים, שהם אזורי מעבר בין שני סוגים שונים של בתי גידול המבוססים על ריכוזי המצעים (5). בנקודה הנכונה במעבר הצבע, חיידק יכול לקבל כמויות אופטימליות של מצעים שונים. עם התפתחות טור וינוגרדסקי, הוא מתחיל לחקות את השיפועים הטבעיים הללו, במיוחד בחמצן וגופרית (איור 1).

איור 1: ייצוג של שיפועי חמצן (O₂) וגופרית (H₂S) המתפתחים בעמודה של וינוגרדסקי.

בעמוד וינוגרדסקי, בוץ ומים מבריכה או ביצות מעורבבים בעמוד שקוף ומותר להם לדגור, בדרך כלל באור. מצעים נוספים מתווספים לעמודה כדי לתת למקורות הקהילה של פחמן, בדרך כלל בצורה של תאית, וגופרית. פוטוסינתזות בדרך כלל מתחילות לגדול בשכבות העליונות של המשתך. מיקרואורגניזמים פוטוסינתזה אלה מורכבים ברובם ציאנובקטריה, המייצרים חמצן ומופיע כשכבה ירוקה או אדומה-חומה (איור 2, טבלה 1). בעוד הפוטוסינתזה מייצרת חמצן, חמצן אינו מסיס מאוד במים והוא יורד מתחת לשכבה זו (איור 1). זה יוצר שיפוע של חמצן, החל בריכוזים גבוהים של חמצן בשכבות העליונות לאפס חמצן בשכבות התחתונות. השכבה המחומצנת נקראת השכבה האירובית והשכבה ללא חמצן נקראת השכבה ה אנאירובית.

בשכבה אנאירובית, קהילות מיקרוביות רבות ושונות יכולות להתרבות בהתאם לסוג וכמות המצעים הזמינים, למקור החיידקים הראשוניים ולנקבוביות המשקעים. בתחתית העמוד, אורגניזמים שמפרקים חומר אורגני באופן אנאירובי יכולים לשגשג. תסיסה מיקרוביאלית מייצרת חומצות אורגניות מפירוק תאית. חומצות אורגניות אלה יכולות לשמש לאחר מכן על ידי מפחית סולפט, אשר מחמצנים את אותם אורגנים באמצעות סולפט, ומייצרים גופרתיתו כיוצר לוואי. הפעילות של מפחית גופרתיים מסומנת אם המשתך הופך שחור, כי ברזל וגופרית מגיבים ליצירת מינרלים שחורים מברזל גופרתי (איור 2, טבלה 1). הגופרית גם מתפזרת כלפי מעלה ויוצרת שיפוע נוסף שבו ריכוזי הגופרית גבוהים בתחתית העמוד ונמוכים בחלק העליון של העמודה (איור 1).

בסמוך לאמצע העמוד, מחמצני גופרית מנצלים את אספקת החמצן מלמעלה וגופרית מלמטה. עם הכמות הנכונה של אור, חמצון גופרית פוטוסינתזה יכול להתפתח בשכבות אלה. אורגניזמים אלה ידועים כחיידק גופרית ירוק וסגול , ולעתים קרובות מופיעים כחיתים וכתמים ירוקים, סגולים או סגולים-אדומים (איור 2, טבלה 1). חיידקי גופרית ירוקה יש סובלנות גבוהה יותר עבור גופרית ובדרך כלל לפתח בשכבה ישירות מתחת חיידקי גופרית סגולה. מעל חיידקי הגופרית הסגולה, חיידקים סגולים שאינם גופרית עשויים להתפתח גם. אורגניזמים אלה פוטוסינתזה באמצעות חומצות אורגניות כתורמים אלקטרונים במקום גופרתי ולעתים קרובות מופיעים כמו שכבה אדומה, סגולה, כתומה או חומה. מחמצני גופרית לא-פוטוסינתטיים יכולים להתפתח מעל החיידקים הסגולים שאינם גופרית, ואלה מופיעים בדרך כלל כחיתים לבנים (איור 2, טבלה 1). בנוסף, בועות עשויות להיווצר גם בעמודה וינוגרדסקי. בועות בשכבות האירוביות מצביעות על ייצור חמצן על ידי הציאנובקטריה. בועות בשכבות אנאירוביות נובעות ככל הנראה מפעילות של מתנוגנים, אורגניזמים אשר באופן אנאירובי לשבור חומר אורגני וליצור מתאן כמו תוצר לוואי.

טבלה 1: הקבוצות העיקריות של חיידקים שעשויים להופיע בעמודה וינוגרדסקי קלאסית, מלמעלה למטה. דוגמאות של אורגניזמים מכל קבוצה ניתנות, ואת האינדיקטורים החזותיים של כל שכבה של אורגניזמים מפורטים. מבוסס על פרי ואח ' (2002) ורוגן ואח ' (2005).