क्या शुष्क भूमि में मीथेन खाने वाले बैक्टीरिया हमें ग्रीनहाउस गैसों को कम करने में मदद कर सकते हैं?

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1 जीवविज्ञान और भूविज्ञान, भौतिकी और अकार्बनिक रसायन विज्ञान विभाग, प्रायोगिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी के उच्च विद्यालय, रे जुआन कार्लोस विश्वविद्यालय, मोस्टोल्स, स्पेन2 कॉलेज ऑफ फॉरेस्ट रिसोर्सेज एंड एनवायर्नमेंटल साइंस, मिशिगन टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी, हॉटन, एमआई, संयुक्त राज्य अमेरिका

शुष्क भूमि क्या है? पहली बात जो आपके दिमाग में आ सकती है - वह एक रेगिस्तान जैसी जगह है जहां कुछ भी नहीं रह सकता या बढ़ नहीं सकता। पानी की कमी के बावजूद, शुष्क भूमि पारिस्थितिकी तंत्र विविध हैं और वैश्विक जलवायु परिवर्तन के कारण इसका विस्तार होगा। ग्लोबल वार्मिंग का मुख्य कारण हमारे वायुमंडल में ग्रीनहाउस गैसों का बढ़ना है। इसे हल करने के लिए, हमें स्पष्ट रूप से ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम करने की आवश्यकता है, लेकिन प्रकृति में सूक्ष्मजीवों का अध्ययन हमें ग्लोबल वार्मिंग की समस्या से निपटने के रोमांचक संकेत भी देता है। सूक्ष्मजीव पृथ्वी के सभी संभावित वातावरणों में रहते हैं, और सौभाग्य से उनमें से कुछ अपने भोजन के रूप में हवा से ग्रीनहाउस गैसें भी ले सकते हैं! इस लेख में, हम बैक्टीरिया के लिए वैश्विक मिट्टी की हमारी खोज का वर्णन करते हैं जो सबसे शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैसों में से एक, मीथेन (CH4) का उपभोग कर सकता है। अपेक्षा के विपरीत, हमने पाया कि ये जीवाणु दुनिया भर के शुष्क क्षेत्रों में रहते हैं!

पृथ्वी पर सबसे बड़ा स्थलीय पारिस्थितिकी तंत्र: शुष्क भूमि

कम वर्षा शुष्क भूमि की विशेषता होती है और परिणामस्वरूप इन भूमियों में हरी-भरी वनस्पति नहीं होती है। हालाँकि, शुष्क भूमि में विभिन्न पारिस्थितिक तंत्रों की एक पूरी श्रृंखला शामिल है- पृथ्वी पर सबसे शुष्क स्थान, चिली में अटाकामा के गर्म रेगिस्तान से लेकर ऑस्ट्रेलिया में पत्तेदार नीलगिरी के जंगलों तक, जहाँ कोआला रहते हैं (चित्र 1.1)। शुष्क भूमि पारिस्थितिकी तंत्र में बड़ी संख्या में जीव भी होते हैं, जिनमें से कई पौधे और जानवर हैं जो केवल शुष्क भूमि में रहते हैं और कठोर परिस्थितियों के लिए अनुकूलित हो चुके हैं। शुष्क भूमि सबसे बड़ा स्थलीय पारिस्थितिकी तंत्र है, जो पृथ्वी की लगभग आधी भूमि सतह (45%) पर कब्जा करता है और 40% से अधिक मानव आबादी का घर है। तो, आप देख सकते हैं कि शोध के लिए शुष्क भूमि पृथ्वी के अत्यंत महत्वपूर्ण क्षेत्र क्यों हैं।

पर्यावरण में जीवित प्राणी और निर्जीव पदार्थ, जैसे पौधे और पानी, प्रकृति में चक्रों द्वारा घनिष्ठ रूप से जुड़े हुए हैं। इन निर्जीव पदार्थों को अजैविक कारक कहा जाता है। पौधों की वृद्धि से लेकर मिट्टी के सूक्ष्मजीवों के समुदायों के विकास तक, जीवन से संबंधित सभी प्रक्रियाओं के लिए पानी महत्वपूर्ण है। इसलिए, किसी पारिस्थितिकी तंत्र में पानी सबसे महत्वपूर्ण अजैविक कारक है। हम किसी पारिस्थितिकी तंत्र में पानी की उपलब्धता को शुष्कता नामक माप से मापते हैं, जो वर्षा की मात्रा (बारिश, कोहरा या बर्फ) और पानी के वाष्पीकरण के बीच एक गणितीय संबंध है। किसी स्थान पर जितना कम पानी उपलब्ध होगा, वह स्थान उतना ही अधिक शुष्क होगा (चित्र 1.1)।

शुष्क भूमि में, जहाँ पानी हमेशा उपलब्ध नहीं होता, वहाँ जीवित प्राणियों और निर्जीव पदार्थों के बीच प्राकृतिक चक्र बहुत प्रभावित होते हैं। जब बारिश से पानी नहीं मिलता और आर्द्रता कम हो जाती है, तो यह कार्बन (C) और नाइट्रोजन (N) चक्रों को प्रभावित करता है, जिससे मिट्टी में इन तत्वों की प्रचुरता कम हो जाती है, जिसका असर पौधों, जानवरों और सूक्ष्मजीवों पर पड़ता है। यह सब शुष्क भूमि को चल रहे जलवायु परिवर्तन के प्रति बेहद संवेदनशील बनाता है।

मृदा जीवाणु और मीथेन

पृथ्वी वायुमंडल नामक एक गैसीय परत से घिरी हुई है, जो हमें सूर्य के विकिरण से बचाती है और पृथ्वी के समग्र तापमान को बनाए रखने में मदद करती है। वायुमंडल के मुख्य घटक नाइट्रोजन (78%) और ऑक्सीजन (21%) हैं, लेकिन वायुमंडल में कई अन्य गैसें भी हैं। कुछ वायुमंडलीय गैसें, जैसे कार्बन डाइऑक्साइड (CO 2) और जल वाष्प, ग्रीनहाउस गैसें हैं, इसलिए उन्हें ग्रीनहाउस गैसें कहा जाता है क्योंकि वे ग्रीनहाउस में कांच की तरह काम करते हुए सूर्य की गर्मी को फँसाती हैं। ग्रीनहाउस गैसें सूर्य के प्रकाश को पृथ्वी की सतह तक पहुँचने देती हैं लेकिन गर्मी को वायुमंडल से बाहर जाने से रोकती हैं। गर्मी का यह फँसाव ग्लोबल वार्मिंग में योगदान देता है।

वायुमंडल में सबसे प्रचुर मात्रा में मानव निर्मित ग्रीनहाउस गैस CO2 है, जो जीवाश्म ईंधन के जलने से निकलती है। हालांकि, ग्लोबल वार्मिंग में योगदान देने वाली दूसरी सबसे महत्वपूर्ण गैस मीथेन (CH4) है। मीथेन एक सरल अणु है जो कार्बन (C) के एक परमाणु और हाइड्रोजन (H) के चार परमाणुओं से बनता है। मीथेन के एक अणु का वार्मिंग प्रभाव CO2 के 25 अणुओं के बराबर होता है, जो इसे एक सुपर-शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस

बनाता है। मीथेन का उत्पादन मीथेनोजेन्स द्वारा किया जाता है, जो सूक्ष्मजीवों का एक समूह है, जिन्हें जीवित रहने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं होती है और इसलिए वे चावल के खेतों, झील के तलछट और आर्द्रभूमि जैसे ऑक्सीजन रहित वातावरण में रह सकते हैं। मीथेनोजेन्स जानवरों के पाचन तंत्र में भी रहते हैं, जैसे कि मवेशियों के पेट और यहाँ तक कि मनुष्यों में भी! मीथेनोजेन्स जानवरों के डकार और फार्ट के लिए जिम्मेदार होते हैं! मीथेनोजेन्स कार्बनिक पदार्थों, जैसे कि पत्तियों या लकड़ी के टुकड़ों को विघटित करते समय भी मीथेन का उत्पादन करते हैं। कृषि के अलावा, अन्य मानवीय गतिविधियाँ, जैसे तेल और गैस उद्योग भी हमारे वायुमंडल में बड़ी मात्रा में मीथेन छोड़ते हैं [1] (चित्र 2)।

वायुमंडल में छोड़ी गई मीथेन जलवायु परिवर्तन में बहुत योगदान दे रही है और जीवों का केवल एक समूह है जो इसे खा सकता है, मीथेनोट्रोफ्स। सूक्ष्मजीवों का यह समूह मीथेन को कार्बन और ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करने में सक्षम है। ये सूक्ष्मजीव मूल रूप से मीथेन खाते हैं (चित्र 2)! शुष्क भूमि में, पानी की कमी के कारण मीथेन का उत्पादन कम होता है (याद रखें, मीथेनोजेन्स आमतौर पर बाढ़ वाली मिट्टी और अन्य ऑक्सीजन रहित वातावरण में रहते हैं)। हालाँकि, शुष्क भूमि के बड़े पैमाने पर होने और वायुमंडल में मीथेन की वैश्विक वृद्धि के कारण, शुष्क भूमि पारिस्थितिकी तंत्र बहुत रुचि का विषय हो सकता है यदि मीथेनोट्रोफ भी वहाँ मौजूद हों और प्रचुर मात्रा में हों।

मीथेनोट्रोफ्स को कैसे खोजें और उनका अध्ययन कैसे करें

हमारे शोध में, हम यह जानने में रुचि रखते थे कि क्या मीथेनोट्रोफ्स दुनिया भर में शुष्क भूमि की मिट्टी में आम हैं, और क्या वे अधिकांश मिट्टी के सूक्ष्मजीवों की तरह जलवायु स्थितियों और मिट्टी के गुणों के प्रति संवेदनशील हैं। सबसे पहले, हमने दुनिया भर में 80 शुष्क भूमि स्थलों का चयन किया (चित्र 1.1)। प्रत्येक स्थल पर, हमने जलवायु संबंधी जानकारी एकत्र की, जैसे कि औसत वार्षिक तापमान, वार्षिक वर्षा और शुष्कता। हमने मिट्टी के नमूने भी लिए और गुणों का विश्लेषण किया, जैसे कि कार्बनिक पदार्थ (कार्बनिक कार्बन), पीएच और रेत की मात्रा (चित्र 1.2)। उच्च मिट्टी कार्बनिक पदार्थ इंगित करता है कि मिट्टी उपजाऊ है, जिसका अर्थ है कि इसमें पोषक तत्व हैं जो पौधों, मिट्टी के जानवरों और सूक्ष्मजीवों को बढ़ने के लिए आवश्यक हैं। पीएच विश्लेषण हमें बताता है कि मिट्टी कितनी अम्लीय है। पीएच मिट्टी के बैक्टीरिया के विकास को नियंत्रित करने वाले सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। उदाहरण के लिए, जब मिट्टी सिरका की तरह बहुत अम्लीय होती है, तो केवल विशिष्ट एसिड-सहिष्णु बैक्टीरिया ही वहां रह सकते हैं। मिट्टी के कण एक दूसरे के बहुत करीब होते हैं, लेकिन हवा और पानी के प्रवेश के लिए जगह भी छोड़ते हैं। मिट्टी में सबसे बड़े प्रकार के कण रेत की मात्रा हमें बताती है कि मिट्टी के ये स्थान कितने बड़े हैं। इस तरह, रेत की उच्च मात्रा का मतलब है कि मिट्टी में बड़े स्थान हैं, ताकि हवा आसानी से मिट्टी में प्रवेश कर सके, लेकिन पानी और पोषक तत्व भी आसानी से निकल सकें।

हमारे मिट्टी के नमूनों में मीथेनोट्रोफ का अध्ययन करने के लिए, हमें इन जीवाणुओं की आनुवंशिक जानकारी (डीएनए) की आवश्यकता है [2]। सबसे पहले, हम अपने मिट्टी के नमूनों में मौजूद सभी डीएनए को डीएनए****निष्कर्षण (चित्र 1.3) नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से प्राप्त करते हैं। यह प्रक्रिया प्रयोगशाला में शक्तिशाली एंजाइमों का उपयोग करके की जाती है जो आनुवंशिक जानकारी को नुकसान पहुँचाए बिना कोशिकाओं को तोड़ देते हैं। फिर हम निकाले गए डीएनए का एक विशिष्ट क्षेत्र के लिए विश्लेषण करते हैं जो केवल मीथेनोट्रोफ में मौजूद होता है। डीएनए का यह खंड पीएमओए (pmoA) नामक जीन है। पीएमओए (pmoA) जीन में प्रोटीन के लिए निर्देश होते हैं जो मीथेनोट्रोफ को वायुमंडलीय मीथेन खाने की अनुमति देता है। प्रत्येक मिट्टी के नमूने में pmoA जीन की सांद्रता जानने से हमें पता चलता है कि उस नमूने में कितने मीथेनोट्रोफ रह रहे थे (चित्र 1.4)। मीथेनोट्रोफ की कई निकट संबंधी प्रजातियां हैं, जिनमें सभी की डीएनए जानकारी समान है, लेकिन विभिन्न प्रजातियों के डीएनए में छोटे आनुवंशिक अंतर होते हैं, इसलिए हम डीएनए का उपयोग विभिन्न मीथेनोट्रोफ की पहचान करने के लिए कर सकते हैं, जैसे फिंगरप्रिंट (चित्र 1.5)।

हमारे डीएनए अध्ययन हमें प्रत्येक मिट्टी के नमूने से मीथेनोट्रोफ की प्रचुरता (मौजूद एक निश्चित प्रकार के बैक्टीरिया की कुल संख्या), समृद्धि (मौजूद विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया की संख्या) और समुदाय****संरचना (विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया और प्रत्येक प्रकार की प्रचुरता) के बारे में जानकारी प्राप्त करने में मदद करते हैं (चित्र 3)। फिर, हम गणित का उपयोग करके यह पता लगाते हैं कि मीथेनोट्रोफ के लिए कौन सी मिट्टी या जलवायु परिस्थितियाँ सबसे महत्वपूर्ण हैं (चित्र 1.6)।

मीथेनोट्रोफ कहाँ रहते हैं

हमें यकीन नहीं था कि हम शुष्क भूमि में मीथेनोट्रोफ पाएंगे, क्योंकि इन सूक्ष्मजीवों को जीवित रहने के लिए मीथेन की आवश्यकता होती है और शुष्क भूमि मीथेन उत्पादन के लिए विशिष्ट पारिस्थितिकी तंत्र नहीं है। इसलिए, हमारे सभी शुष्क भूमि मिट्टी के नमूनों में मीथेनोट्रोफ का पाया जाना एक असाधारण खोज थी! अब हम कह सकते हैं कि मीथेनोट्रोफ वैश्विक शुष्क भूमि में व्यापक रूप से वितरित हैं। आश्चर्यजनक रूप से, हमें कुछ मीथेनोट्रोफ भी मिले जो आमतौर पर डेनमार्क, स्कॉटलैंड या न्यूजीलैंड जैसे आर्द्र स्थानों में पाए जाते हैं।

हमने यह भी पाया कि शुष्क भूमि में, औसत वार्षिक तापमान और शुष्कता मीथेनोट्रोफ की प्रचुरता और समृद्धि को प्रभावित करने वाली मुख्य स्थितियाँ नहीं हैं। प्रचुरता और समृद्धि अन्य कारकों, जैसे वर्षा द्वारा संचालित हो सकती है। हालाँकि, औसत वार्षिक तापमान, वर्षा, शुष्कता और मिट्टी के गुण, जैसे कार्बनिक पदार्थ, पीएच और रेत की मात्रा जैसी जलवायु स्थितियाँ मीथेनोट्रोफ की सामुदायिक संरचना को प्रभावित करती हैं। उदाहरण के लिए, उच्च तापमान ने कुछ मीथेनोट्रोफ की प्रचुरता को बढ़ा दिया जो गर्मी प्रतिरोधी हैं। दूसरे शब्दों में, उच्च तापमान वाली शुष्क भूमि में मीथेनोट्रोफ समुदायों में अधिक गर्मी प्रतिरोधी मीथेनोट्रोफ हो सकते हैं। जलवायु स्थितियाँ मिट्टी के गुणों को भी प्रभावित कर सकती हैं, उदाहरण के लिए चट्टानों के टूटने को बढ़ावा देकर, जिससे रेत की मात्रा बढ़ जाती है, या मिट्टी के पीएच और कार्बनिक पदार्थों को संशोधित करके। ये मिट्टी के गुण मिट्टी में जाने वाली हवा की मात्रा को प्रभावित करते हैं, जिसे हमने मीथेनोट्रोफ की सामुदायिक संरचना के लिए बहुत महत्वपूर्ण पाया।

शुष्क भूमि में मीथेनोट्रोफ से हमने क्या सीखा?

जैसा कि हमने पाया, मीथेनोट्रोफ दुनिया भर में शुष्क भूमि में प्रचुर मात्रा में और व्यापक रूप से वितरित हैं। जलवायु और मिट्टी दोनों मीथेनोट्रोफ के समुदायों को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, हमने पाया कि मीथेन खाने वाले बैक्टीरिया की सामुदायिक संरचना जलवायु स्थितियों, जैसे वर्षा की मात्रा और तापमान, और मिट्टी की विशेषताओं जैसे मिट्टी की कार्बनिक सामग्री पर अत्यधिक निर्भर थी।

चूँकि हमने पाया है कि जलवायु मीथेनोट्रोफ़्स को प्रभावित करती है, इसलिए हम उम्मीद करते हैं कि आने वाले वर्षों में चल रहे जलवायु परिवर्तन मीथेनोट्रोफ़ समुदायों को बदल देगा, जिससे वायुमंडलीय मीथेन की खपत प्रभावित होगी। आज तक हम जानते थे कि मीथेनोट्रोफ़ ठंडे और नम स्थानों पर रहते हैं, जो निश्चित रूप से जलवायु परिवर्तन से प्रभावित होंगे। शुष्क भूमि पर मौजूद विशाल भूमि और उनमें मौजूद कई मीथेनोट्रोफ़्स भविष्य में वायुमंडलीय मीथेन के उपभोग के लिए इन क्षेत्रों को बेहद महत्वपूर्ण बना सकते हैं। दूसरे शब्दों में, शुष्क भूमि के बैक्टीरिया ग्रीनहाउस गैसों को कम करने में हमारी मदद कर सकते हैं! शुष्क भूमि की अच्छी देखभाल करना और उनमें मौजूद छिपे हुए चमत्कारों का अध्ययन करना हमारे भविष्य के गर्म ग्रह से निपटने के लिए महत्वपूर्ण है। शुष्क भूमि में मीथेन खाने वाले बैक्टीरिया हमारी मदद कर सकते हैं!

शब्दकोष

शुष्कता

वर्षा (बारिश, कोहरा या बर्फ) की मात्रा और पानी के वाष्पीकरण के बीच गणितीय संबंध। यह बताता है कि पारिस्थितिकी तंत्र में पानी की कितनी कमी है।

अजैविक

पर्यावरण में गैर-जीवित अजैविक कारकों में तापमान, पानी और प्रकाश शामिल हैं।

**प्रचुरता/**बहुतायत

पर्यावरण में मौजूद एक निश्चित प्रकार के व्यक्तियों की संख्या।

मीथेनोजेन्स

सूक्ष्मजीवों का समूह जिन्हें जीवित रहने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं होती है और इसलिए वे ऑक्सीजन रहित वातावरण में रह सकते हैं। वे पत्तियों या लकड़ी के टुकड़ों जैसे कार्बनिक पदार्थों को विघटित करते समय मीथेन का उत्पादन करते हैं।

मीथेनोट्रोफ़्स

सूक्ष्मजीवों का समूह जो कार्बन और ऊर्जा के स्रोत के रूप में मीथेन का उपयोग करने में सक्षम हैं। वे मीथेन खाने वाले हैं।

**डीएनए निष्कर्षण **

प्रयोगशाला प्रक्रिया जिसमें कोशिकाओं को डीएनए को नुकसान पहुँचाए बिना उनके अंदर मौजूद आनुवंशिक सामग्री (डीएनए) को मुक्त करने के लिए तोड़ा जाता है।

**समृद्धि **

पर्यावरण में मौजूद जीवों की प्रजातियों (विभिन्न प्रकार) की संख्या।

सामुदायिक संरचना

समुदाय में संयुक्त समृद्धि और बहुतायत।

संदर्भ

[1] कैडेना, एस., सर्वेंटेस, एफ., फाल्कन, एल., और गार्सिया-मालडोनाडो, जे. 2019. मीथेन चक्र में सूक्ष्मजीवों की भूमिका। फ्रंट. यंग माइंड्स 7:133. doi: 10.3389/frym.2019.00133

[2] शालेनबर्ग, एल., वुड, एस., पोचोन, एक्स., और पियरमैन, जे. 2020. पर्यावरण में डीएनए हमें पारिस्थितिकी तंत्र के बारे में क्या बता सकता है? फ्रंट. यंग माइंड्स 8:150. doi: 10.3389/frym.2019.00150

अनुवादक के बारे में

मुनिबा****शान

मुनिबा शान ने किरोरीमल कॉलेज, दिल्ली विश्वविद्यालय, भारत से जीवन विज्ञान में बीएससी और जामिया मिलिया इस्लामिया, दिल्ली, भारत से पर्यावरण विज्ञान और प्रबंधन में एमएससी की डिग्री प्राप्त की है। वह विज्ञान में रुचि रखने वाली और पर्यावरणविद हैं और उन्हें सतत विकास के बारे में बात करना पसंद है।

फंडिंग (अनुवाद)

टीम ट्रांसलेटिंग सॉइल बायोडायवर्सिटी जर्मन सेंटर फॉर इंटीग्रेटिव बायोडायवर्सिटी रिसर्च (iDiv) हैले-जेना-लीपज़िग के समर्थन को स्वीकार करती है जिसे जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (DFG FZT 118, 202548816) द्वारा वित्त पोषित किया जाता है।

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चित्र 3: माइक्रोबियल समुदायों को तीन गुणों का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है। बहुतायत एक निश्चित प्रकार के बैक्टीरिया की कुल संख्या है। समृद्धि एक वातावरण में मौजूद विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया की संख्या है। समुदाय संरचना बताती है कि कितने अलग-अलग प्रकार के बैक्टीरिया हैं और प्रत्येक प्रकार कितना प्रचुर है।

चित्र 1: मिट्टी के मीथेनोट्रोफ को खोजने और उनका अध्ययन करने के लिए हम जिन तरीकों का इस्तेमाल करते हैं। हमने दुनिया भर की सूखी ज़मीनों का चयन किया और मिट्टी के नमूने लिए (1)। हमने उन मिट्टी के गुणों का विश्लेषण किया, जैसे कि कार्बनिक पदार्थ की मात्रा और पीएच (2)। हमने मिट्टी में मौजूद बैक्टीरिया की आनुवंशिक जानकारी (डीएनए) निकाली (3)। डीएनए का अध्ययन करके, हमने प्रत्येक मिट्टी के नमूने से मीथेनोट्रोफ की प्रचुरता, समृद्धि और सामुदायिक संरचना के बारे में जानकारी प्राप्त की (4,5)। फिर हमने गणित का उपयोग करके यह पता लगाया कि मीथेनोट्रोफ के लिए सबसे प्रासंगिक मिट्टी या जलवायु परिस्थितियाँ कौन सी हैं (6)।