بحث جديد في الأغشية الحيوية: قتال الطبيعة مع الطبيعة

المغلف الكائنات الحية الدقيقة على سطح معدني. الائتمان: ماريا سالتا

الكائنات الحية الحيوية على سطح بلاستيكي (بلح البحر والطحالب والبريزوان). Credit: Maria Salta Biofouling organisms على سطح بلاستيكي (بلح البحر والطحالب والبريزوان). Credit: Maria Salta Biofouling organisms على سطح بلاستيكي (بلح البحر والطحالب والبريزوان). Credit: Maria Salta Biofouling organisms على سطح بلاستيكي (بلح البحر والطحالب والبريزوان). الائتمان: ماريا سالتا

الكائنات الحية الحيوية على سطح بلاستيكي (بلح البحر والطحالب والبريزوان). الائتمان: ماريا سالتا

Previous Next

تحت المرقعة اللامعة من البلوز والخضر يتربص عالم معقد من المجتمعات الحيوانية الفريدة ، والمناظر الطبيعية المتنوعة ، والظروف القابلة للتغيير. المحيط هو أيضا واحد من أكثر النظم البيئية استثنائية ورائعة على هذا الكوكب - وهو المكان الذي يمكن أن يستضيف كل من مصدر المشكلة والحل. في القطاع البحري ، هناك ما يقارب 56 مليون دولار سنوياً مرتبطة بالبيوفولينج للبحرية الأمريكية وحدها.

إن الطلاءات المانعة للقاذورات لديها القدرة على تقليل ملايين الأطنان من انبعاثات الاحتباس الحراري كل عام ، لكن الصناعة لم تجد بعد طريقة فعالة صديقة للبيئة. تستكشف الدكتورة ماريا سالتا ، عالمة الأحياء المجهرية البيئية بجامعة بورتسموث في المملكة المتحدة ، كيف أن قدرة الطبيعة على النظافة الذاتية قد تحمل الأسرار التي نحتاجها لمواصلة الحركة والبنى الثابتة الخالية. إذا نجحت ، فلن تقوم فقط بحفظ صناعة الشحن الملايين ، بل ستساعد على حماية الكوكب من التعرض لمزيد من المواد السامة التي لا تزال المجتمعات البحرية تعاني من تأثيرها اليوم.


وتقلل الطلاءات المانعة للقاذورات 384 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون و 3.6 مليون طن من ثاني أكسيد الكبريت سنوياً. وتقدر المنظمة البحرية الدولية أنه من دون اتخاذ إجراءات تصحيحية وإدخال تكنولوجيات جديدة مضادة للحشف ، يمكن أن تزيد انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من 38 إلى 72 في المائة بحلول عام 2020.

لأكثر من ثلاثين عاماً ، كان Tributyltin (TBT) هو العامل النشط في الدهانات المانعة المستخدمة على نطاق واسع في القطاع البحري. لم تتحقق حتى عام 1980 أنها واحدة من أكثر المواد الضارة التي يتم إدخالها عن علم في البيئة البحرية. كانت مركبات ثلاثي بوتيل القصدير تتسبب في أضرار بالغة للحيوانات غير المستهدفة في البيئة البحرية الأوسع ، مثل التشوهات في مجتمعات المحار والرخويات ، وانخفاض نمو الطحالب والتأثيرات السامة في الأسماك الصغيرة.

الدكتورة ماريا سالتا هي خبيرة في الأغشية الحيوية البحرية ذات اهتمام بحثي خاص في الطلاء المضاد للقاذورات الصديق للبيئة. "حتى عام 2003 ، كانت الصناعة البحرية تستخدم مركبات ثلاثي بوتيل القصدير التي كانت ناجحة ولكنها كانت مادة شديدة السمية. كان يتصرف ضد الحيوانات غير المستهدفة ، وإلى جانب العديد من الآثار الجانبية الأخرى ، كان يغير جنسهم. وقد تراكمت السموم من مركبات ثلاثي بوتيل القصدير في الماء والرواسب منذ أن تم استخدامها لأول مرة في الصناعة في منتصف الستينيات. لقد استغرق الأمر أكثر من 30 عامًا لحظره تمامًا - ولكن بحلول ذلك الوقت كان قد تسبب بالفعل في الكثير من الضرر الذي لا يمكن إصلاحه ".

يستكشف بحث سالتا الحلول التي تحاكي النظم الطبيعية لوقف النمو البحري في أجسام السفن. وقد درس العلماء بالتفصيل المجهر ما يجعل جلد الحيتان وأسماك القرش وبعض الكائنات البحرية الأخرى قادرة على ردع البرنقيل وبلح البحر والطحالب التي تعلق على الهياكل التي صنعها الإنسان في البحر لفترة طويلة من الزمن. في حين أن الطبقة الأولى من الاستعمار (الأغشية الحيوية) ذات أهمية كبيرة ، فإنها غالبا ما يتم تجاهلها في البحث.

توضح سالتا ، "الأغشية الحيوية (الملقب بالملحقة) هي الطبقة الأولى من الاستعمار المكونة أساسًا من الدياتومات والبكتيريا. يعتقد العديد من الناس أن هذه الطبقة هي أول طبقة تتشكل على سطح ، ولكنها تعمل أيضًا كمصدر غذائي للكائنات الحية الكبيرة ، مثل الأبواغ واليرقات ، التي تعلق في النهاية بحزم. يمكن للبيوفيلم وحده أن يسبب 18٪ من وزن الوقود بأقل من 1 مم. لذا ، فهي ليست مصدرًا غذائيًا فحسب ، بل تخلق مشكلات ضخمة بحد ذاتها ، بما في ذلك خشونة السطح التي تؤثر على الديناميكيات المائية للسفينة ، والتأثير البيولوجي للأنابيب البحرية ، وتربية الأحياء المائية والمزيد - وليس على السفن فقط.

يؤثر البيوفولينج على كل الكائنات التي صنعها الإنسان في البيئة المائية. بالنسبة إلى سالتا ، فإن إيجاد حل يعني أنه يجب عليها أولاً إيجاد طرق لإزالة البيوفيلم. "إنه أمر رائع لأنه مجتمع ديناميكي متناهي الصغر مع العديد من الكائنات الحية المختلفة. في الواقع ، بالنسبة للطحالب والقنابل - التي تعد القضية الرئيسية عندما يتعلق الأمر بالشحن - فإن الصناعة البحرية لديها بعض الطرق للتعامل مع هذه المشكلة. إنهم يستخدمون الطلاءات المصنوعة من السيليكون بشكل يشبه إلى حد كبير الأسطح غير اللاصقة الموجودة في مقالي القلي لدينا ، حيث تلتصق الكائنات الحية ، ولكن عندما تبدأ السفينة تتحرك ، فإنها تسقط بشكل ممتاز ، ولكنها تعمل بشكل أفضل بسرعات عالية وليس على الإطلاق. وعلى الرغم من ذلك ، لا يزال هناك بيوفيلم هناك يسبب الفوضى ".

ومن خلال أبحاثها ، طورت سالتا الآن مجموعة من التقنيات المبتكرة لاختبار الطلاءات والمواد المانعة للحشف المختلفة في المختبر الذي يحاكي الظروف الطبيعية. "كانت هناك فجوة في هذه التقنيات لفترة طويلة حتى الآن ، وفي كثير من النواحي ، لا يزال الناس يستخدمون الطرق الأساسية. على سبيل المثال ، عند اختبار المواد المانعة للإنضغاط ، غالباً ما يقوم العلماء بذلك في بيئة ساكنة - على الرغم من المعلومات ، فإنه لا يحدث". تمثل البيئة الحقيقية كما تتعرض الأغشية الحيوية للتدفق دائمًا ، حتى إذا كانت السفن لا تتحرك ، فهناك مد والجزر ، وبالتالي فهي ليست "ساكنة" أبدًا. لقد طورت طريقة جديدة تتضمن الهيدروناميكا حتى أتمكن من رؤية ما يحدث عندما تكون الأغشية الحيوية تحت التدفق والتي ستكون أكثر تمثيلاً للبيئة الطبيعية ، كما طورت طرق إنتاجية عالية لتقييم كيفية تشكيل الأغشية الحيوية مباشرة على الطلاء التجريبي والتجاري. " قال سالتا.

"نعلم الآن أيضًا أن الأغشية الحيوية تفضل أن ترتبط ببعض الأسطح أكثر من غيرها. المشكلة هي أن البكتيريا غالبًا ما تتكيف - إذا قمت بتعديل خصائص السطح ، يمكن للبكتيريا أن تعدل نفسها لتتغلب على الحواجز. لا نعرف كيف أو لماذا وإلى أي مدى تتكيف الكائنات الحية الدقيقة مع السطح ، لذلك ، كجزء من بحثي ، نبحث عن ارتباطات الأنواع - المواد ، وقد ظهرت نتائج جديدة مؤخرًا وتبدو مثيرة ؛ ولكن قبل أن نتمكن من الوقاية من البيوفولين ، نحتاج أولاً إلى فهم الأغشية الحيوية - لماذا ترتبط هذه الكائنات الدقيقة بمكان تعلقها وكيف؟ ومن ثم سنجد حلاً متوازياً مع هذا البحث. "

يغطي عمل سالتا مجموعة متنوعة من الزوايا بما في ذلك المحاكاة الحيوية وتسلسل الجيل التالي "عندما تكون العضلات صغيرة جدًا ، قد تساعدها البروتينات على البقاء خالية من العيوب. ولكن الحل لن يكون مباشرًا لأن الكيمياء والبيولوجيا متداخلين. على سبيل المثال ، الأعشاب البحرية ليست البكتيريا خالية تماما ، كما أنها تحتوي على بكتيريا ، لذا ، هل تلعب البكتيريا دورا في الحفاظ على الأعشاب البحرية خالية من الكائنات الحية الأخرى؟ هناك أوقات تظهر فيها هذه الحالة.

كما تم النظر في الحيوانات البحرية الكبيرة بسبب وجودها خالية نسبيا كريهة. تستمد التكنولوجيات الجديدة الإلهام من شكل السطح ، والنمط الموجود في الكائنات البحرية ، مثل سمك القرش. على سبيل المثال ، يعمل سطح سمك القرش بشكل هيدروديناميكي ، وتساعد "المقاييس" على إنشاء دوامات صغيرة تعمل من الناحية النظرية على ردع البكتيريا من الارتباط ، والاستعمار ، وتشكيل الأغشية الحيوية. أوضحت سالتا أن هذه الأنواع من التكنولوجيا حققت بعض النجاح. ومع ذلك ، فهي غالباً ما تكون قصيرة العمر لأن البيوفيلم يمكن أن يشكل في النهاية طبقة فوق السطح.