التحولات الميكروبية للحديد - الجزء الرابع 

**اختزال الحديد **

& يوجد عنصر الحديد في الأراضي جيدة الصرف بصورة مركبات على أعلى درجة من الأكسدة , ولا يوجد سوى كميات صغيرة فقط من أيونات الحديدوز Fe⁺² . وعند تشبع التربة بالماء أو تحولها بوسيلة أخرى إلى الظروف اللاهوائية فإن محتواها من الحديدوز يرتفع بسرعة ويكون ذلك راجعاً بأكمله إلى تأثير العوامل الحيوية, حيث أنه بحالة تعقيم الأراضي المشبعة بالماء لا يحدث مثل هذا التغير إطلاقا أو قد يحدث مجرد تغيير طفيف . &

& ومن الأمور التي تميز هذه الحالة هو بدء ظهور أيونات المنغنيز Mn⁺² قبل ظهور أيونات الحديدوز Fe⁺². وتؤدي معاملة التربة بالمادة العضوية إلى الإسراع بعملية الاختزال , وترتبط كمية الحديدوز المتكونة في محلول التربة مباشرة بكمية المادة المتخمرة المضافة . ويتضح ذلك على أساس التغير في جهد الأكسدة والإختزال ، حيث يبرز وجود الحديدوز عندما تصل قيمة الوسط إلى أقل من حوالي 200 ميللي فولت (mv) خلال النشاط الميكروبي الأعظمي . وعندما يتحسن الوضع في الأراضي الرديئة الصرف فإنه يحدث تحول عكسي ينتج عنه تواجد هذا العنصر في صورة حديديك Fe⁺³ . أما بالمناطق الحامضية فإنه لايلزم الوصول بالتربة إلى مثل هذا الرقم المنخفض من جهد الأكسدة والإختزال لكي يتم التوصل إلى وجود كميات كبيرة من الحديدوز الذائب بالماء . &

& هناك عدة طرق تؤدي إلى الإختزال الميكروبي لأملاح الحديديك وإحداث الأثر المنشط لوجود المواد القابلة للتخمر , فتكون زيادة الحموضة المصاحبة لعمليات التخمير مناسبة لتحول الحديد . أضف إلى ذلك أن نقص الأكسجين نتيجة عمليات التمثيل الغذائي الميكروبي تعمل على خفض الوسط مما يؤدي لاختزال الحديديك . كما أن التفاعل المباشر لنواتج التخمر مع هيدروكسيدات أو أكسيدات الحديد تحدث مثل هذا التحول . ويمكن أن ينشأ الاختزال عن طريق انتقال الالكترونات فيعمل الحديد كمستقبل للالكترونات أثناء تنفس الخلية الميكروبية بطريقة تماثل ما يحدث عند اختزال النترات بواسطة بكتريا انطلاق النتروجين . &

& تقوم كثير من البكتريا بتحويل جزء من Fe(OH)₃ أو أكسيد الحديديك المضاف إلى المنابت الغذائية العضوية إلى صورة ذائبة في المحلول ، وذلك عند النمو في وجود تركيز أقل من المستوى الأمثل من الأكسجين . ولا تعتبر مثل هذه التحولات التي ينتج عنها إنتاج الحديدوز ميزة مقصورة على جنس معين من الميكروبات , بل هي شائعة الحدوث في أنواع متباينة من الميكروبات . وتتراوح أعداد الميكروبات التي لها القدرة على الاختزال النشط للحديد مابين  10⁴إلى 10⁵ في الغرام الواحد من تربة ، وأحياناً تصل إلى10⁶  في الغرام , ومن بين الأجناس التي تشتمل على أنواع قادرة على تحويل الحديديك إلى حديدوز (Clostridium, Serratia, Pseudomonas, Klebsilla, Bacillus) &

& تقوم بعض الأنواع بإنتاج الحديد ثنائي التكافؤ Fe⁺² وذلك عندما تصل الحموضة إلى درجة معينة في المنبت الغذائي , ولذلك فإنpH  الوسط يحتمل أن يكون مسئولاً عن عملية التحول في مثل هذه الحالة . مع العلم أنه في بعض التحولات لاتحدث فيها زيادة في درجة الحموضة ، وبذلك تكون هناك وسيلة أخرى غير الحموضة هي التي تعمل على الإختزال . وبالنسبة لبعض الميكروبات الهوائية كما في حالة Fusarium oxysporum فإن وجود أملاح الحديديك قد يسمح بحدوث بعض النمو بغياب الأكسجين . ويبدو أن تحول الحديد ثلاثي التكافؤ إلى ثنائي التكافؤ ينشأ عن فعل الأنزيمات , وذلك على الأقل في حالة بعض الأنواع غير ذاتية التغذية حيث تعمل أيونات الحديديك كمستقبل للألكترون في عملية التنفس . فقد يحل الكاتيون الثلاثي التكافؤ محل الأكسجين في عمليات التمثيل الغذائي الخلوي عندما لايتيسر وجود الأكسجين . &

& يعمل وجود النترات في المزارع على تثبيط القدرة على اختزال الحديد لكثير من الأنواع النشطة , وعلى هذا الأساس فقد أصبح من المسلّم به أن الإختزال الأنزيمي للحديد يتم بإحدى الطرقيقتين:

1. يحدث الإختزال في حالة بعض الأنواع غير ذاتية التغذية عن طريق نفس الأنزيم المختص بإنتاج النتريت من النترات ، وهو أنزيم ((Nitrate reductase .
2. أو أن تتضمن عملية التحول وجود أحد الأنزيمات التي لاتعمل في عمليات تمثيل النترات . &

& هناك عملية أخرى هامة قد تحدث بغياب الأكسجين وهي إنتاج الكبريتيد ، إما من خلال معدنة مركبات الكبريت العضوية أو عن طريق اختزال الكبريتات . فالكائنات الدقيقة المنتجة لكبريتيد الهيدروجين H₂S تعمل على ترسيب الحديد بصورة كبريتيد الحديدوز FeS بتفاعل كبريتيد الهيدروجين مع أملاح الحديد . ويمكن معرفة الميكروبات المسئولة عن ذلك عند تنميتها بمنابت الأجار المحتوية على لاكتات الحديد وكبريتات الأمونيوم فتكون المجموعة النامية محاطة بهالة داكنة من كبريتيد الحديدوز FeS . &

**دور الإختزال في حدوث التلف والتآكل**

& تتعرض المواد المصنوعة من الحديد للتآكل تحت تأثير ظروف الأكسجين , وقد تصل حدة التآكل إلى أن تصبح المواسير الحديدية عديمة الفائدة بعد سنوات قليلة ، وتكون بالتالي الخسائر الاقتصادية ضخمة . يرجع جزء من التلف لنشاط الكائنات الدقيقة ، وتزداد حدة التآكل خاصة في الأراضي سيئة الصرف حيث تظل التربة رطبة لفترات طويلة . كما أن هناك علاقة مباشرة بين حدوث التلف وجهد الأكسدة والإختزال فيها وشدة التآكل , فلا يظهر مثل هذا التآكل عندما تصل قيمة E_h لأكثر من 400mv ويكون التلف قليلاً عند 400-200mv وتلف متوسط عند قيمة 100-200mv ، بينما تزداد حدة التلف عند قيمة  أقل من 100mv . وهذا ما يوضحه الشكل التالي ، حيث يرتفع تواجد الحديدوز عند قيم Eh منخفضة بين -100 , -200 ، بينما يرتفع تواجد الحديديك Fe⁺³ على حساب تواجد الحديدوز عند ظروف Eh مرتفعة  +400 , +500. &

 شكل يوضح العلاقة بين قيمة جهد الأكسدة والإخنزال E_h (mv) وتواجد الحديدوز Fe⁺² (مغ / كغ) 

& وتعتبر أنسب الظروف لحدوث التلف في المواسير الحديدية في التربة هي : درجات حرارة المتوسطة ، رقم pH >5.5 ، التركيز القليل من الأكسجين الحر ، وجود الكبريتات ، إضافة إلى التأثير العائد لنشاط بكتريا جنس Desulfovibrio المختزلة للكبريتات وهي التي تعمل على إحداث تحولات في عنصر الحديد بترسيبه في صورة كبريتيد الحديدوز ، وهذه البكتريا لاهوائية حتماً وتستقبل الكبريتات عند نموها كمستقبل للإلكترون . وحيث يتكون كبريتيد حديدوز وهيدروكسيد حديدوز كنواتج للتفاعل . &

& يجدر الإشارة أنه في الترب التي يحصل فيها ارجاع لاهوائي للحديد فإن نسبة Fe⁺³/Fe⁺²  تكون معياراً مهماً يحدد نمو النبات وظواهر التسمم التي قد تظهر على النبات . ويمكن تقييم هذه النسبة بقياس كمون الأكسدة والإرجاع بحسب المعادلة:  

وهنا تشجع الظروف اللاهوائية على ظروف إرجاع أكاسيد الحديد المائية وترتفع بالتالي تراكيز Fe⁺² في الوسط، حيث تستهلك عملية الإرجاع عدداً من بروتونات الـ H⁺ وتترافق مع ارتفاع في درجة التفاعل PH التربة بحسب المعادلة : &

& وهذا يفسر السبب في أن الظروف في الطبقات العميقة من التربة سيئة التهوية , تشجع على إرجاع الحديد فترتفع تراكيز Fe⁺² فيها , أي ينخفض كمون الإرجاع كلما تعمقنا في التربة . &