Hydrogen-oxidizing bacteria
ہائیڈروجن آکسیڈائزنگ بیکٹیریا فیکلٹیٹو آٹوٹروفس کا ایک گروپ ہے جو ہائیڈروجن کو الیکٹران ڈونر کے طور پر استعمال کر سکتا ہے۔ انہیں ایروبس اور اینیروبس میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ پہلا ہائیڈروجن کو الیکٹران ڈونر کے طور پر اور آکسیجن کو قبولیت کے طور پر استعمال کرتا ہے جبکہ مؤخر الذکر سلفیٹ یا نائٹروجن ڈائی آکسائیڈ کو الیکٹران قبولیت کے طور پر استعمال کرتا ہے۔ دونوں اقسام کی انواع کو مختلف ماحول سے الگ کیا گیا ہے، جن میں تازہ پانی، تلچھٹ، مٹی، فعال کیچڑ، گرم چشمے، ہائیڈرو تھرمل وینٹ اور پانی شامل ہیں۔ یہ بیکٹیریا ہائیڈروجنس کی موجودگی کی بدولت سالماتی ہائیڈروجن کی خصوصی خصوصیات (مثال کے طور پر ریڈوکس پوٹینشل اور ڈفیوژن گتانک) کا استحصال کرنے کے قابل ہیں۔ ایروبک ہائیڈروجن آکسیڈائزنگ بیکٹیریا فیکلٹیٹو آٹوٹروفس ہوتے ہیں، لیکن ان میں مکسٹروفک یا مکمل طور پر ہیٹروٹروفک نمو بھی ہو سکتی ہے۔ ان میں سے زیادہ تر نامیاتی سبسٹریٹس پر زیادہ ترقی ظاہر کرتے ہیں۔ الیکٹران ڈونر کے طور پر ہائیڈروجن کا استعمال نامیاتی مادے کی ترکیب کرنے کی صلاحیت کے ساتھ مل کر، CO2 کے تخفیف جذب کے ذریعے، ہائیڈروجن آکسائڈائزنگ بیکٹیریا کی خصوصیت رکھتا ہے۔ ان حیاتیات کی سب سے زیادہ نمائندگی کرنے والی نسلوں میں کیمینیبیکٹر، ایکویفیکس، رالسٹونیا اور پیراکوکس شامل ہیں۔ ہائیڈروجن کے ذرائع ہماری زمین پر سب سے زیادہ وسیع عنصر ہے، جو تمام ایٹموں کے تقریبا تین چوتھائی حصے کی نمائندگی کرتا ہے۔ ماحول میں، سالماتی ہائیڈروجن (H2) گیس کا ارتکاز تقریبا 0.5-0.6 پی پی ایم ہوتا ہے، اور اس لیے یہ میتھین کے بعد دوسری سب سے زیادہ وافر ٹریس گیس کی نمائندگی کرتا ہے۔ H2 کو حیاتیاتی عمل میں توانائی کے ذریعہ کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے کیونکہ اس میں انتہائی منفی ریڈوکس صلاحیت (E0′ =-0.414 V) ہوتی ہے۔ اسے O2 کے ساتھ، آکسیڈیٹیو ریسپریشن (2H2 + O2 → 2H2O) میں، یا آکسیڈائزڈ مرکبات، جیسے کاربن ڈائی آکسائیڈ یا سلفیٹ کے ساتھ جوڑا جا سکتا ہے۔ ماحولیاتی نظام میں، ہائیڈروجن کو ابیوٹک اور حیاتیاتی عمل کے ذریعے تیار کیا جا سکتا ہے۔ ابیوٹک عمل بنیادی طور پر جیوتھرمل پیداوار اور سرپینٹائنائزیشن کی وجہ سے ہوتے ہیں۔ جیوتھرمل عمل میں، ہائیڈروجن عام طور پر گیس کے طور پر موجود ہوتا ہے اور مختلف تعاملات سے حاصل کیا جا سکتا ہے: پانی اعلی درجہ حرارت پر سلکان ریڈیکل کے ساتھ تعامل کر سکتا ہے: Si· + H2O → SiOH + H·H· + H· → H22۔ آئرن آکسائڈز اور پانی کے درمیان ایک مجوزہ تعامل 800 ڈگری سیلسیس سے زیادہ درجہ حرارت پر ہو سکتا ہے: 2FeO + H2O → Fe2O3 + H2 2Fe3O4 + H2O → 3Fe2O3 + H2 ماحول کے درجہ حرارت پر ہوتا ہے، سرپینٹائنائزیشن ایک ایکسوتھرمک جیو کیمیکل میکانزم ہے جو اس وقت ہوتا ہے جب زمین کی گہرائی سے الٹرا میفیک چٹانیں اٹھتی ہیں اور پانی کا سامنا کرتی ہیں۔ یہ عمل بڑی مقدار میں H2 کے ساتھ ساتھ میتھین اور نامیاتی مادے پیدا کر سکتا ہے۔ اہم حیاتیاتی میکانزم جو ہائیڈروجن کی تشکیل کا باعث بنتے ہیں وہ نائٹروجن فکسشن اور خمیر ہیں۔ سب سے پہلے بیکٹیریا میں ہوتا ہے، جیسے سائانوبیکٹیریا، جس میں ایک خاص انزائم، نائٹروجنز ہوتا ہے، جو N2 کی NH4 + میں کمی کو متحرک کرتا ہے۔ اس کے علاوہ، ان مائکروجنزموں میں ایک اور انزائم، ہائیڈروجنز ہوتا ہے، جو ضمنی مصنوع کے طور پر جاری ہونے والے H2 کو آکسائڈائز کرتا ہے۔ اگر نائٹروجن فکسنگ بیکٹیریا میں ہائیڈروجنز کی مقدار کم ہو تو اضافی H2 ماحول میں چھوڑا جا سکتا ہے۔ خارج شدہ ہائیڈروجن کی مقدار کا انحصار H2 کی پیداوار اور کھپت کے درمیان تناسب پر ہوتا ہے۔ دوسرا طریقہ کار، خمیر، کچھ اینیروبک ہیٹروٹروفک بیکٹیریا کے ذریعہ انجام دیا جاتا ہے، خاص طور پر کلوسٹریڈیا، جو نامیاتی مالیکیولز کو خراب کرتا ہے، اور ہائیڈروجن کو مصنوعات میں سے ایک کے طور پر تیار کرتا ہے۔ اس قسم کا میٹابولزم بنیادی طور پر انوکسک سائٹس میں ہوتا ہے، جیسے جھیل کے تلچھٹ، گہرے سمندر کے ہائیڈرو تھرمل وینٹ اور جانوروں کی آنت۔ سمندر ہائیڈروجن سے زیادہ سیر شدہ ہے، غالبا ان حیاتیاتی عمل کے نتیجے میں۔ نائٹروجن فکسشن کو سمندروں میں H2 کی پیداوار میں شامل اہم طریقہ کار سمجھا جاتا ہے۔ سمندروں میں ہائیڈروجن کا اخراج شمسی تابکاری پر منحصر ہے، جس کی روزانہ کی چوٹی دوپہر کو ہوتی ہے۔ سب سے زیادہ ارتکاز سطح کے قریب پہلے میٹر میں ہوتا ہے، جو تھرموکلائن تک کم ہوتا ہے اور گہرے سمندروں میں اپنے کم سے کم تک پہنچ جاتا ہے۔ عالمی سطح پر، اشنکٹبندیی اور ذیلی اشنکٹبندیی سمندروں میں H2 کی سب سے زیادہ کثرت ہے۔ مثال ہائیڈرو تھرمل وینٹ H2 ہائیڈرو تھرمل وینٹ میں ایک اہم الیکٹران ڈونر ہے۔ اس ماحول میں ہائیڈروجن آکسیکرن توانائی کی ایک اہم ابتدا کی نمائندگی کرتا ہے، جو اے ٹی پی کی ترکیب اور آٹوٹروفک سی او 2 فکسشن کرنے کے لیے کافی ہے، اس لیے ہائیڈروجن آکسیڈائزنگ بیکٹیریا گہرے سمندر کے رہائش گاہوں میں ماحولیاتی نظام کا ایک اہم حصہ بناتے ہیں۔ ہائیڈرو تھرمل وینٹ میں ہونے والے اہم کیموسینتھیٹک رد عمل میں، سلفایڈ اور ہائیڈروجن کا آکسیکرن مرکزی کردار ادا کرتا ہے۔ خاص طور پر، آٹوٹروفک کاربن فکسشن کے لیے، ہائیڈروجن آکسیڈیشن میٹابولزم سلفایڈ یا تھیوسلفیٹ آکسیڈیشن سے زیادہ پسند کیا جاتا ہے، حالانکہ کم توانائی خارج ہوتی ہے (-797 کے جے/مول کے مقابلے میں صرف-237 کے جے/مول)۔ ہائیڈروجن آکسیکرن کے دوران کاربن کے مول کو ٹھیک کرنے کے لیے، سلفایٔڈ آکسیکرن کے لیے ضروری توانائی کا ایک تہائی حصہ استعمال کیا جاتا ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ ہائیڈروجن میں این اے ڈی (پی) ایچ کے مقابلے میں منفی ریڈوکس کی صلاحیت زیادہ ہوتی ہے۔ سلفایڈ، ہائیڈروجن اور دیگر انواع کی نسبتا مقدار پر منحصر ہے، ہائیڈروجن کے آکسیکرن کے ذریعے توانائی کی پیداوار سلفایڈ کے آکسیکرن کے ذریعے پیدا ہونے والی توانائی سے 10-18 گنا زیادہ ہو سکتی ہے۔ نالگاس بیکٹیریا ایروبک ہائیڈروجن آکسائڈائزنگ بیکٹیریا، جنہیں بعض اوقات نولگاس بیکٹیریا کہا جاتا ہے، وہ بیکٹیریا ہیں جو ہائیڈروجن کو آکسیجن کے ساتھ حتمی الیکٹران قبولیت کے طور پر آکسائڈائز کرتے ہیں۔ ان بیکٹیریا میں ہائیڈروجن بوبیکٹر تھرموفیلس، کپریوائڈس نیکیٹر، اور ہائیڈروجن ووبریو مارینس شامل ہیں۔ گرام پوزیٹیو اور گرام نیگیٹیو نالگاس بیکٹیریا دونوں ہوتے ہیں۔ زیادہ تر مائکرو ایروبک حالات میں سب سے بہتر نشوونما کرتے ہیں کیونکہ ہائیڈروجنز انزائم آکسیجن کی موجودگی سے روکتا ہے اور پھر بھی توانائی کی میٹابولزم میں ٹرمینل الیکٹران قبولیت کے طور پر آکسیجن کی ضرورت ہوتی ہے۔ لفظ Knallgas کا مطلب جرمن میں "آکسی ہائیڈروجن" (ہائیڈروجن اور آکسیجن کا مرکب، لفظی طور پر "بینگ گیس") ہے۔ تناؤ MH-110 سمندری سطح کا پانی ہائیڈروجن کے اعلی ارتکاز کی خصوصیت رکھتا ہے۔ 1989 میں، ایک ایروبک ہائیڈروجن آکسیڈائزنگ بیکٹیریا کو سمندری پانی سے الگ کیا گیا تھا۔ ایم ایچ-110 تناؤ (عرف ڈی ایس ایم 11271، ہائیڈروجنویبریو مارینوس کا قسم کا تناؤ) عام درجہ حرارت کے حالات میں اور ماحول میں (مسلسل گیس کے بہاؤ کے نظام کے تحت) بڑھنے کے قابل ہے جس کی خصوصیت 40 ٪ آکسیجن سیچوریشن ہے (اسی طرح کی خصوصیات سطح کے پانی میں موجود ہیں جہاں سے بیکٹیریا کو الگ کیا گیا تھا، جو کہ کافی ہوا دار میڈیم ہے)۔ یہ ہائیڈروجن آکسیڈائزنگ بیکٹیریا کے معمول کے رویے سے مختلف ہے، جو عام طور پر مائیکرو ایروفیلک حالات (<10 ٪ O2 سیچوریشن) میں پروان چڑھتے ہیں۔ یہ تناؤ تھیوسلفیٹ اور ٹیٹرا تھیونیٹ جیسے سلفر مرکبات کی کمی کے ساتھ ہائیڈروجن آکسیکرن کو جوڑنے کی بھی صلاحیت رکھتا ہے۔ میٹابولزم Knallgas بیکٹیریا H2 کو اپنے کیمیائی توانائی کے ذریعہ کے طور پر استعمال کرتے ہوئے کاربن ڈائی آکسائیڈ کو ٹھیک کرنے کے قابل ہیں۔ نالگاس بیکٹیریا دوسرے ہائیڈروجن آکسیڈائزنگ بیکٹیریا سے الگ ہیں، جو اگرچہ H2 کو توانائی کے ذریعہ کے طور پر استعمال کرتے ہیں، لیکن CO2 کو ٹھیک کرنے کے قابل نہیں ہیں، جیسا کہ نالگاس کرتے ہیں۔ یہ ایروبک ہائیڈروجن آکسیکرن (H2 + O2H2O)، جسے نلگاس رد عمل بھی کہا جاتا ہے، کافی مقدار میں توانائی جاری کرتا ہے، جس میں-237 kJ/mol کا ΔGo ہوتا ہے۔ خلیے کے استعمال کے لیے توانائی کو پروٹون محرک قوت کے طور پر حاصل کیا جاتا ہے۔ اس تعامل میں شامل کلیدی انزائمز ہائیڈروجنز ہیں، جو سالماتی ہائیڈروجن کو الگ کرتے ہیں اور اپنے الیکٹرانوں کو الیکٹران ٹرانسپورٹ چین میں ڈالتے ہیں، جہاں انہیں عمل میں توانائی نکالنے والے حتمی قبول کنندہ، O2 تک پہنچایا جاتا ہے۔ ہائیڈروجن بالآخر پانی میں آکسائڈائز ہو جاتا ہے، جو حتمی پیداوار ہے۔ ہائیڈروجنز کو فعال جگہ پر موجود دھات کی قسم کے مطابق تین زمروں میں تقسیم کیا گیا ہے۔ یہ انزائم سب سے پہلے سیوڈوموناس ساکروفلا، الکالیجینز روہلینڈی اور الکالیجینز یوٹروفس میں پائے گئے تھے، جن میں دو قسم کے ہائیڈروجنز ہوتے ہیں: سائٹوپلاسمک اور جھلی سے جڑے ہوئے۔ جبکہ پہلا انزائم ہائیڈروجن لیتا ہے اور کاربن فکسشن کے لیے NAD + کو NADH میں کم کر دیتا ہے، دوسرا پروٹون موٹیو فورس کی نسل میں شامل ہوتا ہے۔ زیادہ تر نالگاس میں صرف دوسرا بیکٹیریا پایا جاتا ہے۔ اگرچہ یہ مائکروجنزم فیکلٹیٹو آٹوٹروفس ہیں، کچھ الیکٹران ڈونرز کے طور پر نامیاتی مادوں کا استعمال کرتے ہوئے ہیٹروٹروفک طور پر زندہ رہنے کے قابل بھی ہیں۔ اس صورت میں، ہائیڈروجنز کی سرگرمی کم اہم یا مکمل طور پر غیر حاضر ہے۔ تاہم، نیلگاس بیکٹیریا، جب کیمولیتھو آٹوٹروفس کے طور پر بڑھتے ہیں، تو کیلون-بینسن سائیکل کے ذریعے، خلیے کے لیے ضروری حیاتیاتی سالمے پیدا کرنے کے لیے CO2 کے مالیکیول کو ضم کر سکتے ہیں: 6H2 + 2O2 + CO2 (CH2O) + 5H2O ایک نمائندہ کیلگاس بیکٹیریم، الکیلیجینس یوٹروفا کے مطالعے سے پتہ چلا ہے کہ O2 کی کم حراستی پر (تقریبا 10 mol ٪) اور اس کے نتیجے میں کم δH2/δCO2 مولر تناسب (3.3) کے ساتھ، CO2 فکسشن کی توانائی کی کارکردگی 50 ٪ تک بڑھ جاتی ہے۔ ایک بار جذب ہونے کے بعد، کچھ کاربن کو پولی ہائیڈروکسی بیوٹیریٹ کے طور پر ذخیرہ کیا جا سکتا ہے۔ استعمال کافی غذائی اجزاء، H2، O2 اور CO2 کو دیکھتے ہوئے، بہت سے نالگاس بیکٹیریا کو صرف زمین کے رقبے کی تھوڑی مقدار کا استعمال کرتے ہوئے واٹ میں تیزی سے اگایا جا سکتا ہے۔ اس سے انہیں خوراک اور دیگر مصنوعات کے ماحولیاتی طور پر پائیدار ذریعہ کے طور پر کاشت کرنا ممکن ہو جاتا ہے۔ مثال کے طور پر، بیکٹیریا سے پیدا ہونے والے پولی ہائیڈروکسی بیوٹیریٹ کو مختلف ماحولیاتی پائیدار ایپلی کیشنز میں بائیوڈیگریڈیبل پلاسٹک تیار کرنے کے لیے فیڈ اسٹاک کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ سولر فوڈز ایک اسٹارٹ اپ ہے جس نے کھانے کی پیداوار کے لیے نلگاس بیکٹیریا کو تجارتی بنانے کی کوشش کی ہے، جس میں قابل تجدید توانائی کا استعمال کرتے ہوئے ہائیڈروجن کو تقسیم کرنے کے لیے غیر جانبدار ذائقہ دار، پروٹین سے بھرپور کھانے کا ذریعہ تیار کیا گیا ہے تاکہ مصنوعی گوشت جیسی مصنوعات میں استعمال کیا جا سکے۔ تحقیقی مطالعات سے پتہ چلتا ہے کہ نلگا کی کاشت روایتی زراعت سے زیادہ ماحول دوست ہے۔ حوالہ جات بیکٹیریا ہائیڈروجن لیتھوٹروفس