Hydrogen-oxidizing bacteria
હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયા એ ફેકલ્ટેટિવ ઓટોટ્રોફ્સનો સમૂહ છે જે હાઇડ્રોજનનો ઇલેક્ટ્રોન દાતા તરીકે ઉપયોગ કરી શકે છે. તેમને એરોબ્સ અને એનારોબ્સમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. પહેલું ઇલેક્ટ્રોન દાતા તરીકે હાઇડ્રોજન અને સ્વીકારનાર તરીકે ઓક્સિજનનો ઉપયોગ કરે છે જ્યારે બીજું ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનાર તરીકે સલ્ફેટ અથવા નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડનો ઉપયોગ કરે છે. બંને પ્રકારની પ્રજાતિઓને તાજા પાણી, કાંપ, માટી, સક્રિય કાદવ, ગરમ ઝરણા, જળઉષ્મીય છીદ્રો અને પરકોલેટિંગ પાણી સહિત વિવિધ વાતાવરણમાંથી અલગ કરવામાં આવી છે. આ બેક્ટેરિયા હાઇડ્રોજનની હાજરીને કારણે મોલેક્યુલર હાઇડ્રોજનના વિશેષ ગુણધર્મો (દાખલા તરીકે રેડૉક્સ પોટેન્શિયલ અને પ્રસરણ ગુણાંક) નો ઉપયોગ કરવામાં સક્ષમ છે. એરોબિક હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયા ફેકલ્ટેટિવ ઓટોટ્રોફ્સ છે, પરંતુ તેમાં મિક્સોટ્રોફિક અથવા સંપૂર્ણપણે હેટરોટ્રોફિક વૃદ્ધિ પણ હોઈ શકે છે. તેમાંના મોટા ભાગના કાર્બનિક સબસ્ટ્રેટ્સ પર વધુ વૃદ્ધિ દર્શાવે છે. ઇલેક્ટ્રોન દાતા તરીકે હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ કાર્બનિક પદાર્થોનું સંશ્લેષણ કરવાની ક્ષમતા સાથે, CO2 ના રિડક્ટિવ એસિમિલેશન દ્વારા, હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયાને લાક્ષણિકતા આપે છે. આ સજીવોની સૌથી વધુ પ્રતિનિધિત્વ ધરાવતી જાતિઓમાં કેમિનિબેક્ટર, એક્વિફેક્સ, રાલ્સ્ટોનિયા અને પેરાકોક્કસ છે. હાઇડ્રોજનના સ્ત્રોતો હાઇડ્રોજન એ આપણી પૃથ્વી પર સૌથી વ્યાપક તત્વ છે, જે તમામ અણુઓના લગભગ ત્રણ ચતુર્થાંશ ભાગનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. વાતાવરણમાં, મોલેક્યુલર હાઇડ્રોજન (H2) ગેસની સાંદ્રતા લગભગ 0.5-0.6 પીપીએમ હોય છે, અને તેથી તે મિથેન પછી બીજા સૌથી વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં રહેલા ટ્રેસ ગેસને રજૂ કરે છે. H2 નો ઉપયોગ જૈવિક પ્રક્રિયાઓમાં ઊર્જા સ્ત્રોત તરીકે થઈ શકે છે કારણ કે તેમાં અત્યંત નકારાત્મક રેડૉક્સ ક્ષમતા (E0′ =-0.414 V) હોય છે. તેને O2 સાથે, ઓક્સિડેટીવ શ્વસનમાં (2H2 + O2 → 2H2O), અથવા કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અથવા સલ્ફેટ જેવા ઓક્સિડાઇઝ્ડ સંયોજનો સાથે જોડી શકાય છે. ઇકોસિસ્ટમમાં હાઇડ્રોજન અજૈવિક અને જૈવિક પ્રક્રિયાઓ દ્વારા ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. અજૈવિક પ્રક્રિયાઓ મુખ્યત્વે ભૂઉષ્મીય ઉત્પાદન અને સર્પિનાઇઝેશનને કારણે થાય છે. ભૂઉષ્મીય પ્રક્રિયાઓમાં, હાઇડ્રોજન સામાન્ય રીતે વાયુ તરીકે હાજર હોય છે અને વિવિધ પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા મેળવી શકાય છેઃ પાણી ઊંચા તાપમાને સિલિકોન રેડિકલ સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છેઃ Si· + H2O → SiOH + H·H· + H· → H22. આયર્ન ઓક્સાઇડ અને પાણી વચ્ચે સૂચિત પ્રતિક્રિયા 800 ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ તાપમાન પર થઈ શકે છેઃ 2FeO + H2O → Fe2O3 + H2 2Fe3O4 + H2O → 3Fe2O3 + H2 આસપાસના તાપમાન પર થાય છે, સર્પિનાઇઝેશન એ એક એક્ઝોથર્મિક જિયોકેમિકલ મિકેનિઝમ છે જે ત્યારે થાય છે જ્યારે પૃથ્વીના ઊંડાણમાંથી અલ્ટ્રામાફિક ખડકો વધે છે અને પાણીનો સામનો કરે છે. આ પ્રક્રિયા મોટા પ્રમાણમાં H2, તેમજ મિથેન અને કાર્બનિક પદાર્થોનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. મુખ્ય જૈવિક પદ્ધતિઓ કે જે હાઇડ્રોજનની રચના તરફ દોરી જાય છે તે છે નાઇટ્રોજન સ્થિરીકરણ અને આથો. પ્રથમ બેક્ટેરિયામાં થાય છે, જેમ કે સાયનોબેક્ટેરિયા, જેમાં વિશિષ્ટ એન્ઝાઇમ, નાઇટ્રોજનઝ હોય છે, જે N2 ના NH4 + માં ઘટાડાને ઉત્પ્રેરિત કરે છે. વધુમાં, આ સુક્ષ્મસજીવોમાં અન્ય એક ઉત્સેચક, હાઇડ્રોજેનેઝ હોય છે, જે ઉપ-ઉત્પાદન તરીકે મુક્ત થતા H2 ને ઓક્સિડાઇઝ કરે છે. જો નાઇટ્રોજન-ફિક્સિંગ બેક્ટેરિયામાં હાઇડ્રોજનનું પ્રમાણ ઓછું હોય, તો વધારાનું H2 પર્યાવરણમાં મુક્ત થઈ શકે છે. છોડવામાં આવેલ હાઇડ્રોજનનું પ્રમાણ H2 ઉત્પાદન અને વપરાશ વચ્ચેના ગુણોત્તર પર આધારિત છે. બીજી પદ્ધતિ, ફર્મેન્ટેશન, કેટલાક એનારોબિક હેટરોટ્રોફિક બેક્ટેરિયા દ્વારા કરવામાં આવે છે, ખાસ કરીને ક્લોસ્ટ્રિડિયા, જે કાર્બનિક અણુઓનું અધઃપતન કરે છે, અને ઉત્પાદનોમાંના એક તરીકે હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરે છે. આ પ્રકારનું ચયાપચય મુખ્યત્વે એનોક્સિક સ્થળોમાં થાય છે, જેમ કે તળાવના કાંપ, ઊંડા સમુદ્રમાં જળઉષ્મીય છીદ્રો અને પ્રાણીઓના આંતરડામાં. સંભવતઃ આ જૈવિક પ્રક્રિયાઓના પરિણામે સમુદ્ર હાઇડ્રોજનથી સંતૃપ્ત થાય છે. નાઇટ્રોજન સ્થિરીકરણને મહાસાગરોમાં H2ના ઉત્પાદનમાં સામેલ મુખ્ય પદ્ધતિ માનવામાં આવે છે. મહાસાગરોમાં હાઇડ્રોજનનું પ્રકાશન સૌર કિરણોત્સર્ગ પર નિર્ભર છે, જે દરરોજ બપોરના સમયે ટોચ પર હોય છે. સૌથી વધુ સાંદ્રતા સપાટીની નજીકના પ્રથમ મીટરમાં હોય છે, જે થર્મોક્લાઇન સુધી ઘટી જાય છે અને ઊંડા મહાસાગરોમાં તેમના લઘુત્તમ સુધી પહોંચે છે. વૈશ્વિક સ્તરે, ઉષ્ણકટિબંધીય અને ઉપઉષ્ણકટિબંધીય મહાસાગરોમાં H2ની સૌથી વધુ વિપુલતા છે. ઉદાહરણો હાઇડ્રોથર્મલ વેન્ટ્સ H2 એ હાઇડ્રોથર્મલ વેન્ટ્સમાં મહત્વપૂર્ણ ઇલેક્ટ્રોન દાતા છે. આ વાતાવરણમાં હાઇડ્રોજન ઓક્સિડેશન ઊર્જાના નોંધપાત્ર મૂળનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, જે ATP સંશ્લેષણ અને ઓટોટ્રોફિક CO2 ફિક્સેશનનું સંચાલન કરવા માટે પૂરતું છે, તેથી હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયા ઊંડા દરિયાઈ વસવાટોમાં ઇકોસિસ્ટમનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ બનાવે છે. જળઉષ્મીય છીદ્રોમાં થતી મુખ્ય રસાયણ સંશ્લેષિત પ્રતિક્રિયાઓમાં, સલ્ફાઇડ અને હાઇડ્રોજનનું ઓક્સિડેશન કેન્દ્રિય ભૂમિકા ભજવે છે. ખાસ કરીને, ઓટોટ્રોફિક કાર્બન ફિક્સેશન માટે, હાઇડ્રોજન ઓક્સિડેશન ચયાપચય સલ્ફાઇડ અથવા થિયોસલ્ફેટ ઓક્સિડેશન કરતાં વધુ અનુકૂળ છે, જો કે ઓછી ઊર્જા મુક્ત થાય છે (-797 kJ/mol ની સરખામણીમાં માત્ર-237 kJ/mol). હાઇડ્રોજન ઓક્સિડેશન દરમિયાન કાર્બનના મોલને ઠીક કરવા માટે, સલ્ફાઇડ ઓક્સિડેશન માટે જરૂરી ઊર્જાનો એક તૃતીયાંશ ઉપયોગ થાય છે. આનું કારણ એ છે કે હાઇડ્રોજનમાં NAD (P) H કરતાં વધુ નકારાત્મક રેડૉક્સ ક્ષમતા હોય છે. સલ્ફાઇડ, હાઇડ્રોજન અને અન્ય પ્રજાતિઓની સંબંધિત માત્રાને આધારે, હાઇડ્રોજનના ઓક્સિડેશન દ્વારા ઊર્જા ઉત્પાદન સલ્ફાઇડના ઓક્સિડેશન દ્વારા ઉત્પાદન કરતા 10-18 ગણું વધારે હોઈ શકે છે. નલગાસ બેક્ટેરિયા એરોબિક હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયા, જેને કેટલીકવાર નલગાસ બેક્ટેરિયા કહેવામાં આવે છે, તે બેક્ટેરિયા છે જે અંતિમ ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનાર તરીકે ઓક્સિજન સાથે હાઇડ્રોજનને ઓક્સિડાઇઝ કરે છે. આ બેક્ટેરિયામાં હાઇડ્રોજનબોક્ટર થર્મોફિલસ, ક્યુપ્રીવીડસ નેકેટર અને હાઇડ્રોજનવીબ્રિયો મેરિનસનો સમાવેશ થાય છે. ગ્રામ પોઝિટિવ અને ગ્રામ નેગેટિવ નોલેગાસ બેક્ટેરિયા બંને છે. મોટાભાગના માઇક્રોએરોબિક પરિસ્થિતિઓમાં શ્રેષ્ઠ રીતે વૃદ્ધિ પામે છે કારણ કે હાઇડ્રોજનઝ એન્ઝાઇમ ઓક્સિજનની હાજરી દ્વારા અવરોધિત થાય છે અને તેમ છતાં ઊર્જા ચયાપચયમાં ટર્મિનલ ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનાર તરીકે ઓક્સિજન હજુ પણ જરૂરી છે. જર્મનમાં નલગાસ શબ્દનો અર્થ "ઓક્સિહાઇડ્રોજન" (હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનનું મિશ્રણ, શાબ્દિક રીતે "બેંગ-ગેસ") થાય છે. સ્ટ્રેઇન MH-110 મહાસાગરની સપાટીનું પાણી હાઇડ્રોજનની ઊંચી સાંદ્રતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. 1989માં, એરોબિક હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયમને દરિયાના પાણીમાંથી અલગ કરવામાં આવ્યું હતું. એમ. એચ.-110 તાણ (ઉર્ફ ડી. એસ. એમ. 11271, હાઇડ્રોજનોવિબ્રિયો મેરિનસનો પ્રકાર) સામાન્ય તાપમાનની પરિસ્થિતિઓમાં અને વાતાવરણમાં (સતત વાયુ પ્રવાહ પ્રણાલી હેઠળ) 40 ટકાના ઓક્સિજન સંતૃપ્તિ દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે (સમાન લાક્ષણિકતાઓ સપાટીના પાણીમાં હાજર છે જેમાંથી બેક્ટેરિયાને અલગ કરવામાં આવ્યા હતા, જે એકદમ વાયુયુક્ત માધ્યમ છે). આ હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયાના સામાન્ય વર્તનથી અલગ છે, જે સામાન્ય રીતે માઇક્રોએરોફિલિક પરિસ્થિતિઓ (<10 ટકા O2 સંતૃપ્તિ) હેઠળ ખીલે છે. આ તાણ થિયોસલ્ફેટ અને ટેટ્રાથિયોનેટ જેવા સલ્ફર સંયોજનોના ઘટાડા સાથે હાઇડ્રોજન ઓક્સિડેશનને જોડવામાં પણ સક્ષમ છે. ચયાપચય નલગાસ બેક્ટેરિયા તેમના રાસાયણિક ઉર્જા સ્ત્રોત તરીકે H2 નો ઉપયોગ કરીને કાર્બન ડાયોક્સાઇડને ઠીક કરવામાં સક્ષમ છે. નલગાસ બેક્ટેરિયા અન્ય હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ બેક્ટેરિયાથી અલગ પડે છે, જે ઊર્જા સ્ત્રોત તરીકે H2 નો ઉપયોગ કરતા હોવા છતાં, નલગાસની જેમ CO2 ને ઠીક કરવામાં સક્ષમ નથી. આ એરોબિક હાઇડ્રોજન ઓક્સિડેશન (H2 + O2 H2O), જેને નાલગાસ પ્રતિક્રિયા તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે નોંધપાત્ર માત્રામાં ઊર્જા મુક્ત કરે છે, જેમાં-237 kJ/mol ની ΔGo હોય છે. કોષ દ્વારા ઉપયોગ માટે ઊર્જાને પ્રોટોન પ્રેરક બળ તરીકે પકડવામાં આવે છે. આ પ્રતિક્રિયામાં સામેલ મુખ્ય ઉત્સેચકો હાઇડ્રોજન છે, જે પરમાણુ હાઇડ્રોજનને વિભાજીત કરે છે અને તેના ઇલેક્ટ્રોનને ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન સાંકળમાં ભરી દે છે, જ્યાં તેઓ પ્રક્રિયામાં ઊર્જા કાઢે છે અને અંતિમ સ્વીકારનાર, O2 સુધી લઈ જાય છે. હાઇડ્રોજન આખરે પાણીમાં ઓક્સિડાઇઝ થાય છે, જે અંતિમ ઉત્પાદન છે. સક્રિય સ્થળે હાજર ધાતુના પ્રકાર અનુસાર હાઇડ્રોજનને ત્રણ વર્ગોમાં વહેંચવામાં આવે છે. આ ઉત્સેચકો સૌપ્રથમ સ્યુડોમોનાસ સૅકરોફિલા, આલ્કલીજીન્સ રુહ્લાન્ડી અને આલ્કલીજીન્સ યુટ્રોફસમાં જોવા મળ્યા હતા, જેમાં બે પ્રકારના હાઇડ્રોજેનેસિસ છેઃ સાયટોપ્લાઝમિક અને મેમ્બ્રેન-બાઉન્ડ. જ્યારે પ્રથમ ઉત્સેચક હાઇડ્રોજન લે છે અને કાર્બન સ્થિરીકરણ માટે NAD + ને NADH માં ઘટાડે છે, ત્યારે બીજું પ્રોટોન પ્રેરક બળના નિર્માણમાં સામેલ છે. મોટાભાગના નલગાસમાં માત્ર બીજા બેક્ટેરિયા જોવા મળે છે. જ્યારે આ સુક્ષ્મસજીવો ફેકલ્ટેટિવ ઓટોટ્રોફ્સ છે, ત્યારે કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન દાતાઓ તરીકે કાર્બનિક પદાર્થોનો ઉપયોગ કરીને હેટેરોટ્રોફિક રીતે જીવવા માટે પણ સક્ષમ છે; આ કિસ્સામાં, હાઇડ્રોજન પ્રવૃત્તિ ઓછી મહત્વપૂર્ણ અથવા સંપૂર્ણપણે ગેરહાજર છે. જો કે, નોલગેસ બેક્ટેરિયા, જ્યારે કેમોલિથોઆટોટ્રોફ્સ તરીકે વૃદ્ધિ પામે છે, ત્યારે કેલ્વિન-બેન્સન ચક્ર દ્વારા, કોષ માટે જરૂરી બાયોમોલેક્યુલ્સ ઉત્પન્ન કરવા માટે CO2 ના પરમાણુને એકીકૃત કરી શકે છેઃ 6H2 + 2O2 + CO2 (CH2O) + 5H2O એક પ્રતિનિધિ નોલગેસ બેક્ટેરિયમ, એલ્કેલિજીન્સ યુટ્રોફાના અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે O2 ની ઓછી સાંદ્રતા (લગભગ 10 મોલ%) અને પરિણામે નીચા αH2/α2 મોલર રેશિયો (3.3) સાથે, CO2 ફિક્સેશનની ઊર્જા કાર્યક્ષમતા 50 ટકા સુધી વધે છે. એકવાર આત્મસાત થયા પછી, કેટલાક કાર્બનને પોલીહાઇડ્રોક્સિબ્યુટેરેટ તરીકે સંગ્રહિત કરી શકાય છે. ઉપયોગો પૂરતા પ્રમાણમાં પોષક તત્ત્વો, H2, O2 અને CO2ને જોતાં, ઘણા નાલ્ગાસ બેક્ટેરિયાને માત્ર થોડી જમીન વિસ્તારનો ઉપયોગ કરીને વટમાં ઝડપથી ઉગાડી શકાય છે. આનાથી તેમને ખોરાક અને અન્ય ઉત્પાદનોના પર્યાવરણીય રીતે ટકાઉ સ્રોત તરીકે કેળવવાનું શક્ય બને છે. ઉદાહરણ તરીકે, બેક્ટેરિયા પેદા કરતા પોલીહાઇડ્રોક્સિબ્યુટેરેટનો ઉપયોગ વિવિધ પર્યાવરણ-ટકાઉ કાર્યક્રમોમાં બાયોડિગ્રેડેબલ પ્લાસ્ટિકનું ઉત્પાદન કરવા માટે ફીડસ્ટોક તરીકે થઈ શકે છે. સોલર ફૂડ્સ એ એક સ્ટાર્ટઅપ છે જેણે કૃત્રિમ માંસ જેવા ઉત્પાદનોમાં ઉપયોગ માટે તટસ્થ-સ્વાદ, પ્રોટીનથી સમૃદ્ધ ખાદ્ય સ્રોત વિકસાવવા માટે હાઇડ્રોજનને વિભાજિત કરવા માટે નવીનીકરણીય ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને ખાદ્ય ઉત્પાદન માટે નલગેસ બેક્ટેરિયાનું વ્યાપારીકરણ કરવાની માંગ કરી છે. સંશોધન અભ્યાસોએ સૂચવ્યું છે કે નલગાની ખેતી પરંપરાગત ખેતી કરતાં વધુ પર્યાવરણને અનુકૂળ છે. સંદર્ભો બેક્ટેરિયા હાઇડ્રોજન લિથોટ્રોફ્સ