Microbiology of oxygen minimum zones
آکسیجن کم از کم زون (او ایم زیڈ) کو دنیا کے سمندروں میں آکسیجن کی کمی والی پرت کے طور پر پیش کیا جاتا ہے۔ عام طور پر اعلی پیداواری علاقوں جیسے براعظموں کے مغربی ساحلوں سے نیچے 200 میٹر سے 1500 میٹر کے درمیان پایا جاتا ہے۔ او ایم زیڈ موسم بہار کے موسم گرما کے بعد موسمی ہو سکتے ہیں۔ غذائیت سے بھرپور پانی کے اوپر اٹھنے سے اعلی پیداواری صلاحیت اور غیر فعال نامیاتی مادے پیدا ہوتے ہیں، جو کہ ہیٹروٹروفس کے ذریعے سانس لیتے ہیں کیونکہ یہ پانی کے کالم سے نیچے ڈوب جاتا ہے۔ زیادہ تنفس کی شرح پانی کے کالم میں آکسیجن کو 2 ملی گرام/ایل یا اس سے کم کے ارتکاز تک ختم کر دیتی ہے جس سے او ایم زیڈ بنتا ہے۔ سمندری ڈی آکسیجینیشن میں اضافے کے ساتھ او ایم زیڈ پھیل رہے ہیں۔ آکسیجن کی قلت کے ان حالات میں، توانائی کو اعلی ٹرافک سطحوں سے مائکروبیل کمیونٹیز کی طرف موڑ دیا جاتا ہے جو آکسیجن کے بجائے دیگر بائیو جیو کیمیکل پرجاتیوں کو استعمال کرنے کے لیے تیار ہوئے ہیں، ان پرجاتیوں میں نائٹریٹ، نائٹریٹ، سلفیٹ وغیرہ شامل ہیں۔ کئی بیکٹیریا اور آرکیا نے ان متبادل کیمیائی انواع کا استعمال کرکے ان ماحول میں رہنے کے لیے موافقت اختیار کی ہے اور پھل پھول رہے ہیں۔ او ایم زیڈز میں سب سے زیادہ وافر مقدار میں پائے جانے والے فائیلا سیوڈوموناڈوٹا، بیکٹیریوڈوٹا، ایکٹینومائسیٹوٹا، اور پلانکٹومائسیٹوٹا ہیں۔ آکسیجن کی عدم موجودگی میں، جرثومے برقی کیمیائی سلسلے کی ترتیب میں سانس لینے کے لیے دیگر کیمیائی انواع کا استعمال کرتے ہیں۔ نائٹریٹ اور نائٹریٹ کی کمی سے اتنی ہی توانائی حاصل ہوتی ہے جتنی آکسیجن کی سانس لینے سے ہوتی ہے، اس کے بعد مینگنیج اور آیوڈیٹ کی سانس لینے سے اور سیریز کے نچلے حصے میں کم سے کم توانائی حاصل کرنے سے آئرن اور سلفیٹ کم کرنے والے ہوتے ہیں۔ جرثوموں کے ذریعہ ان کیمیائی انواع کا استعمال دنیا کے سمندروں میں ان کے بائیو جیو کیمیکل سائیکلنگ میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ سمندری ماحولیاتی نظام میں حیاتیاتی پیداواریت (فوٹو سنتھیسز) اکثر نائٹروجن کی حیاتیاتی دستیابی کی وجہ سے محدود ہوتی ہے۔ حیاتیاتی طور پر دستیاب نائٹروجن (نائٹریٹ (این او 3−)، نائٹریٹ (این او 2−)، اور امونیم (این ایچ 4 +)) کی مقدار نائٹروجن فکسشن سے آنے والے آدانوں اور ڈینیٹروجن گیس (این 2) کے طور پر ڈینیٹریفیکیشن اور اناموکس سے ہونے والے نقصانات پر منحصر ہے، یہ مرکب صرف نائٹروجن فکسنگ بیکٹیریا کے لیے قابل رسائی ہے۔ ڈی نائٹریفیکیشن اور اناموکس سے N2 کی پیداوار سطح سمندر پر فائٹوپلانکٹن کے ذریعہ طے شدہ نامیاتی مادے میں دستیاب نائٹروجن کو کم کرکے نائٹروجن سائیکل کو بند کر دیتی ہے۔ او ایم زیڈ میں ڈی نائٹریفیکیشن سمندروں سے غیر نامیاتی نائٹروجن کے نمایاں نقصان کا باعث بنتا ہے، جس سے دنیا بھر کے بہت سے خطوں میں ترقی/پیداواری صلاحیت محدود ہو جاتی ہے۔ او ایم زیڈ عالمی نائٹروجن سائیکل میں اپنے کردار کے لیے جانے جاتے ہیں۔ چونکہ ایروبک تنفس کو ایندھن دینے کے لیے کوئی آکسیجن موجود نہیں ہے، اس لیے اینوکسک نظاموں پر بنیادی طور پر مائکروبائل ثالثی نائٹروجن سائیکلنگ کا غلبہ ہے۔ این 2 فکسشن ڈیازوٹروفس (این 2 فکسنگ بیکٹیریا اور آرکیا) کے ذریعے کیا جاتا ہے، جو این 2 گیس کو امونیا (این ایچ 3) میں تبدیل کرتے ہیں۔ N2 فکسشن کی مقدار اور سمندر میں ڈیازوٹروفس کی تقسیم کا تعین آکسیجن (O2)، روشنی، فاسفورس (P)، آئرن (Fe)، اور نامیاتی مادے کے ساتھ ساتھ رہائش گاہ کے درجہ حرارت کی دستیابی سے ہوتا ہے۔ N2 فکسشن کچھ اینوکسک نظاموں میں پایا گیا ہے، جو عام طور پر سلفیٹ کم کرنے والے یا آکسیڈائزر سے وابستہ ہوتے ہیں۔ تاہم، اینوکسک حالات میں ہیٹروٹروفک ڈینیٹریفیکیشن ایک زیادہ غالب عمل ہے۔ ڈینیٹریفیکیشن NO3− اور NO2− کی نائٹروجن (N2) کی گیسی شکل میں کمی ہے، بشمول گرین ہاؤس گیس نائٹروس آکسائڈ (N2O)۔ ہیٹروٹروفک ڈینیٹریفیکیشن ایک کثیر الجہتی عمل ہے جو او ایم زیڈ اور تلچھٹ جیسے آکسیجن سے ختم ہونے والے ماحول میں NO3− سے N2 کو کم کرنے کے لیے نامیاتی مادے کا استعمال کرتا ہے۔ او ایم زیڈز میں، ڈینیٹریفیکیشن کے عمل میں مختلف مراحل بیکٹیریا کے الگ الگ گروپوں کے ذریعے انجام دیے جاتے ہیں، اور یہ ڈینیٹریفائر اکثر براہ راست ڈوبتے ہوئے نامیاتی مادے کے ذرات پر پائے جاتے ہیں، جو مائکروبیل سرگرمی کے ہاٹ سپاٹ ہیں۔ ڈینیٹریفیکیشن کا پہلا مرحلہ نائٹریٹ میں کمی ہے جہاں NO3− کو پروٹین نائٹریٹ ریڈکٹیز کے ذریعے کم کر کے NO2 کر دیا جاتا ہے۔ اینیروبک امونیا آکسائڈائزنگ بیکٹیریا (اناموکس) ہائیڈرازین آکسیڈوریڈیکٹس نامی انزائم کا استعمال کرتے ہوئے NO2− اور NH4 + کو N2 میں تبدیل کرتے ہیں۔ ان ماحولیاتی نظاموں میں کیے گئے جینومک مطالعات سے ان او ایم زیڈز کے مرکز میں امونیم (ڈی این آر اے) اور اناموکس میں ناکارہ نائٹریٹ کی کمی کے لیے ذمہ دار پروٹین کے لیے انکوڈنگ کرنے والے جینوں کی بڑھتی ہوئی کثرت کا پتہ چلتا ہے۔ اس طرح کے مطالعے نائٹروجن سائیکل کا نقشہ بنانے اور پانی کے کالم میں گمشدہ روابط اور غیر دریافت شدہ راستوں کو ختم کرنے کے لیے معلومات فراہم کرتے ہیں۔ اناموکس کو اکثر او ایم زیڈ میں این ایچ 4 + کے ذریعہ کے طور پر یا تلچھٹ میں ڈی این آر اے کے ذریعہ ڈی نائٹریفیکیشن کے ساتھ جوڑا جاتا ہے۔ ڈی این آر اے شیلف اور تلچھٹ کی اوپری ڈھلوان کے قریب این ایچ 4 + کی فراہمی کا غالب عمل پایا گیا ہے کیونکہ وشال سلفر آکسائڈائزنگ بیکٹیریا تھیوپلوکا ایس پی پی سے بنی بڑی بیکٹیریا چٹائیوں کی موجودگی ہے۔ اور بیگیاٹوا ایس پی پی۔ جو کم سلفر کا استعمال کرتے ہوئے NO3− اور/یا NO2− کو NH4 + تک کم کرتے ہیں۔ او ایم زیڈ میں این نقصانات کے تقریبا 30-50% کے لیے ڈینیٹریفیکیشن اور اناموکس اکاؤنٹ، جہاں کل این نقصان کا تعین دستیاب ڈوبنے والے نامیاتی مادے کی فراہمی سے ہوتا ہے۔ مزید برآں، انوکسک ماحول میں این سائیکلنگ میں امونیم اور نائٹرائٹ آکسیکرن کلیدی عمل ہیں۔ امونیم آکسیکرن نائٹریفیکیشن کا پہلا قدم ہے اور امونیا آکسیڈائزنگ بیکٹیریا (اے او بی) این ایچ 3 کو این او 2 میں تبدیل کرتا ہے۔ نائٹرائٹ آکسیڈائزنگ بیکٹیریا (این او بی) کے ذریعہ نائٹرائٹ آکسیکرن کے بعد، جو NO2− کو NO3− میں تبدیل کرتا ہے۔ امونیم اور نائٹریٹ آکسیڈائزرز کا او 2 کے لیے بہت زیادہ لگاؤ ہے اور وہ امونیم اور نائٹریٹ کو آکسیڈائز کرنے کے لیے او 2 کے نینوملر ارتکاز کا استعمال کر سکتے ہیں۔ او 2 کی یہ چھوٹی تعداد پروکلوروکوکس ایس پی پی کے ذریعے فوٹو سنتھیسز کے ذریعے فراہم کی جا سکتی ہے۔ یا جیٹس اور ایڈیز کے ذریعے افقی اختلاط کے ذریعے۔ اینوکسک ماحول میں، امونیم اور نائٹرائٹ آکسیڈائزیشن اور اناموکس کے درمیان مقابلہ اور امونیم اور نائٹرائٹ کے لیے ڈینیٹریفیکیشن او ایم زیڈز میں نائٹروجن کے نقصان کو کنٹرول کرنے میں اہم کردار ادا کرتے ہیں۔ ایناموکس بیکٹیریا کے لیے امونیم کے ذرائع نائٹریٹ (ایناموکس) کے ساتھ اینیروبک امونیم آکسیکرن کھلے سمندر کے اینوکسک زونوں میں فکسڈ نائٹروجن کو ہٹانے کا ایک بڑا راستہ ہے۔ اناموکس کو امونیم کے ایک منبع کی ضرورت ہوتی ہے، جسے اینوکسک حالات میں ہیٹروٹروفک ڈینیٹریفیکیشن کے ذریعے ڈوبتے ہوئے نامیاتی مادے کے ٹوٹنے سے فراہم کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، بہت سے مقامات پر جہاں انامکس کا مشاہدہ کیا جاتا ہے، ڈی نائٹریفیکیشن کی شرح کم یا ناقابل شناخت ہوتی ہے۔ ڈی نائٹریفیکیشن سے زیادہ این ایچ 4 + کے متبادل ذرائع، جیسے ڈی این آر اے، سلفیٹ کو کم کرنے والے تلچھٹوں سے پھیلاؤ اور ایڈویکشن، یا اینوکسک پانی کی حدود میں مائیکرو ایروبک ری منرلائزیشن سے، این ایچ 4 + کو اناموکس بیکٹیریل کمیونٹیز کو فراہم کر سکتے ہیں، حالانکہ یہ ابھی تک واضح نہیں ہے کہ وہ اس عمل کو کتنا متاثر کر سکتے ہیں۔ این ایچ 4 + کا ایک اور ذریعہ، جو اینماکس کے ڈیکپلنگ اور ڈی نائٹریفیکیشن میں حصہ ڈال کر او ایم زیڈ کے این سائیکل میں اہم کردار ادا کرتا ہے، عمودی طور پر نقل مکانی کرنے والے جانوروں کے ذریعے این ایچ 4 + کا اخراج ہے۔ شکار سے بچنے کے لیے زوپلانکٹن اور مائکرونیکٹن کی ڈائل عمودی منتقلی (ڈی وی ایم) کھلے سمندر کے بڑے او ایم زیڈ کی اینوکسک تہوں تک پہنچ سکتی ہے، اور چونکہ جانور زیادہ تر این ایچ 4 + کے طور پر کم شدہ این خارج کرتے ہیں، اس لیے وہ براہ راست اناموکس کو ایندھن دے سکتے ہیں اور اسے ڈی نائٹریفیکیشن سے الگ کر سکتے ہیں۔ زوپلانکٹن اور مائکرونیکٹن کو منتقل کرکے نامیاتی مادے کی نیچے کی طرف برآمد عام طور پر یوفوٹک زون کی بنیاد پر موجود ذرات سے کم ہوتی ہے۔ تاہم، ڈوبنے والے ذرات گہرائی کے ساتھ تیزی سے کھائے جاتے ہیں، اور نقل مکانی کرنے والوں کی طرف سے فعال نقل و حمل گہری تہوں میں ذرہ ری منرلائزیشن سے تجاوز کر سکتی ہے جہاں جانور دن کے وقت جمع ہوتے ہیں۔ نتیجے کے طور پر، انوکسک پانی کے اندر عمودی طور پر نقل مکانی کرنے والے جانوروں کے ذریعے این ایچ 4 + کا اخراج فکسڈ این ہٹانے کے راستوں کے درمیان توازن کو تبدیل کر سکتا ہے، اناموکس اور ڈینیٹریفیکیشن کو الگ کر سکتا ہے اور عام اسٹوچیومیٹری کے ذریعے پیش کردہ اقدار سے اوپر اناموکس کو بڑھا سکتا ہے۔ میتھانوجینیسیس میتھانوجینیسیس وہ عمل ہے جس کے ذریعے میتھانوجن جرثومے میتھین (CH4) بناتے ہیں۔ او ایم زیڈ کھلے سمندر میں میتھین کی سب سے بڑی مقدار پر مشتمل ہونے کے لیے جانے جاتے ہیں۔ میتھانوجینز میتھین کو آکسائڈائز بھی کر سکتے ہیں کیونکہ ان کے پاس ایسا کرنے کے لیے جین ہوتے ہیں، تاہم اس کے لیے آکسیجن کی ضرورت ہوتی ہے جو وہ اوپری اینوکسک زون میں فوٹو سنتھیٹک حیاتیات سے حاصل کرتے ہیں۔ سلیٹس میتھانوجینیسیس کو آسان بنانے میں مدد کے لیے سمبیوسس کے ذریعے میتھانوجینز کی بھی مدد کر سکتے ہیں۔ چونکہ سلیئٹس میں ہائیڈروجنسومز ہوتے ہیں، جو کم آکسیجن کے حالات میں ہائیڈروجن کے مالیکیولز کو چھوڑتے ہیں، اس لیے ان میں اینڈوسیمبیوٹک میتھانوجینز کی میزبانی کرنے کی صلاحیت ہوتی ہے۔ سلفیٹ کم کرنے والی سلفیٹ کی کمی، جو سلفیٹ کو کم کرنے والے مائکروجنزموں کی مدد سے ہوتی ہے، خفیہ سلفر سائیکل میں استعمال ہوتی ہے۔ یہ سلسلہ مسلسل آکسیکرن اور سلفیٹ کی کمی ہے اور آکسیجن کے بجائے ٹرمینل الیکٹران قبولیت کے طور پر سلفیٹ کا استعمال کرتا ہے۔ سائیکل کا مقصد چلی کے ساحل سے دور اینوکسک پانی میں توانائی کے بہاؤ میں حصہ ڈالنے میں مدد کرنا تھا۔ ایروبک مائکروبیل ریسپریشن ایروبک حیاتیات کو زندہ رہنے کے لیے آکسیجن کی ضرورت ہوتی ہے اور جیسے جیسے آکسیجن او ایم زیڈ میں محدود ہوتی جاتی ہے بیکٹیریا نائٹریٹ جیسے نامیاتی مادے کو آکسائڈائز کرنے کے لیے دوسرے مالیکیولز کا استعمال کرنا شروع کر دیتے ہیں۔ او ایم زیڈ میں ایروبک ریسپریشن نامیاتی مادے کو ری منرلائز کرنے میں مدد کرتا ہے اور زیادہ تر اوپری آکسیجن کم سے کم زونوں کے لیے امونیم کا ایک بڑا ذریعہ ہے۔ یہ بھی پایا گیا کہ OMZs کے بیکٹیریا عام پانیوں میں موجود بیکٹیریا کے مقابلے میں سانس لینے کے لیے آکسیجن کا 1/6 استعمال کرتے ہیں۔ آب و ہوا کی تبدیلی کی وجہ سے ہونے والی تبدیلیاں یہ بھی دیکھیں اوقیانوس ڈی آکسیجنیشن اینوکسک ایونٹ اینوکسک واٹرس ڈیڈ زون (ماحولیات) اوقیانوس ایسڈیفیکیشن حوالہ جات ماحولیاتی مائکروبیولوجی حیاتیاتی سمندر نگاری