كشف التمثيل التعاوني للنيتروجين والكبريت الذي يقود التحلل الحيوي بواسطة تحليلات الميتاجينوم وDNA‑SIP في مسكن تشن تسوهونغ السابق

لماذا تتفكك النصب الحجرية ببطء

من المعابد القديمة إلى منازل المدن التي مضى عليها قرن، العديد من المباني الحجرية المحببة تتآكل بهدوء من الداخل. تبحث هذه الدراسة في مسكن تشن تسوهونغ السابق، مجمّع قصر تاريخي في جنوب الصين، لكشف كيف أن مجتمعات ميكروبية غير مرئية تعيش على سطح الحجر يمكنها تسريع التشقق والتقشر وفقدان النقوش. باتباع كيفية تعامل هذه المجتمعات مع عنصرين شائعين — النيتروجين والكبريت — يكشف الباحثون عن محرك كيميائي خفي يحول المطر والهواء إلى أحماض وأملاح تعمل ببطء على تدمير الحجر.

أغشية دقيقة على الجدران القديمة

أي شخص يتجول في مسكن تشن تسوهونغ يمكنه رؤية أفلام داكنة والبقع على الحجر والبلاط والزجاج والخشب. هذه البقع عبارة عن أغشية حيوية: طبقات رقيقة لزجة تتكوّن من بكتيريا وفطريات وميكروبات أخرى. أخذ الفريق عينات من الأغشية الحيوية من عدة مواقع، لا سيما الشرفات الجرانيتية المكشوفة للعوامل الجوية. قاموا بقياس الرطوبة والحموضة والأيونات المذابة مثل النترات والكبريتات، ثم استخدموا تسلسل الحمض النووي لتحديد الميكروبات المقيمة هناك. استضافت أسطح الحجر، وخصوصاً عينة من طابق علوي، تجمعات بكتيرية غنية متخصصة في استخدام مركبات النيتروجين، مما يوحي بأن تفاعلات كيميائية رئيسية كانت تحدث مباشرة عند تماس الحجر مع الهواء.

حلقة النيتروجين الخفية

لمعرفة ما كانت هذه الميكروبات تفعله فعلاً، استخدم الباحثون طريقة تتبّع ذكية باستخدام شكل ثقيل من النيتروجين المعروف باسم ¹⁵N. زرعوا أغشية حجرية في المختبر مع أمونيا موسومة ثم فصلوا الحمض النووي الذي دمج هذا النيتروجين الثقيل، مبينين أي الميكروبات كانت تستخدمه بنشاط. كما تتبعوا كيف تحوّل النيتروجين الموسوم إلى نتريت ثم نترات مع الزمن. أظهرت النتائج أن الميكروبات على الحجر كانت تحوّل الأمونيا بنشاط إلى أشكال نيتروجينية مؤكسدة أكثر — سلسلة تفاعلات تُعرف غالباً بالأمْهة — في حين أن ميكروبات أخرى كانت تحول النترات إلى غازات تهرب إلى الهواء، وهي عملية تُعرف بالنزع المتأكسد للنيتروجين. مسار ثالث، يُسمى DNRA، أعاد تدوير النترات إلى أمونيا. تشكل هذه الخطوات معاً حلقة داخلية للنيتروجين تعيد باستمرار توليد المركبات اللازمة للحفاظ على التفاعلات ولإنتاج أملاح مذابة عدوانية داخل الحجر.

عندما يلتقي النيتروجين بالكبريت

أظهرت تحليلات الميتاجينوم — أي إعادة بناء أدوات الوراثة الميكروبية مباشرة من الحمض النووي البيئي — أمراً إضافياً: العديد من المجموعات الميكروبية الأكثر أهمية حملت جينات لكل من النزع المتأكسد للنيتروجين وأكسدة الكبريت. هذا يعني أن نفس الأغشية الحيوية التي تتحكم بالنيتروجين يمكنها أيضاً نزع الإلكترونات من مركبات الكبريت، منتجة كبريتات. تتحد الكبريتات بسهولة مع الكالسيوم والمغنيسيوم المحبوسين في الحجر لتكوّن معادن مثل الجبس. ومع نمو هذه الأملاح وتبلورها في المسامات الدقيقة، فإنها تدفع الصخر من الداخل، محدثة تشققات وتقشر السطح. تشير الدراسة إلى أن مركبات النيتروجين الناتجة عن الأمْهة تعمل كـ"مستقبلات وقود" للميكروبات المؤكسدة للكبريت، رابطًة الدورتين في محرك قوي ومعزز ذاتياً لتشكّل الأحماض وتراكم الأملاح.

هجوم داخلي بطيء لكنه قوي

يبين المؤلفون أن هذه الكيمياء المزدوجة للنيتروجين والكبريت ليست مجرد فضول علمي؛ فمن المحتمل أنها تكمن وراء الكثير من إضعاف الأعمال الحجرية في تشن تسوهونغ على المدى الطويل. في الفترات الرطبة، تُسحب النترات والكبريتات المتشكلة بواسطة الأغشية الحيوية إلى داخل الحجر مع مياه السحب. في الفترات الجافة، تتبلور وتزيد الضغط الداخلي مما يدفع التشققات للنمو. قد يقلل النزع المتأكسد للنيتروجين أحياناً من حمولة النترات ويخفف الحموضة قليلاً، لكنه في الواقع يميل إلى أن يكون غير كامل وما زال يساهم في تغيرات كيميائية تضر الحجر. يساعد DNRA، بإعادة تغذية الأمونيا إلى النظام، على الحفاظ على الحلقة لسنوات أو عقود.

توجيه حماية أذكى

بالنسبة لأخصائيي الحفاظ، الرسالة أن تنظيف الأسطح وحده لا يكفي. توفر الدراسة إطاراً لاستهداف المسارات الأيضية المحددة التي تقود الضرر، مثل إبطاء الميكروبات المؤكسدة للأمونيا بشكل انتقائي أو كسر حلقة النيتروجين بإزالة النترات المتراكمة. يجب أن تكون أي تدخلات من هذا النوع لطيفة ومجربة بعناية، لأن هذه المجتمعات الميكروبية معقدة والحجر نفسه لا يمكن استبداله. ومع ذلك، من خلال رسم خريطة كيفية تشابك دورات النيتروجين والكبريت على سطح مسكن تاريخي واحد، يقدم هذا العمل خارطة طريق واضحة لحماية التراث الحجري حول العالم من هجوم بيولوجي غير مرئي لكنه لا يكل.

الاستشهاد: Liang, X., Gao, X., Xie, C. et al. Synergistic nitrogen-sulfur metabolism driving biodeterioration revealed by metagenomic and DNA-SIP analyses at the Chen Cihong residence. npj Herit. Sci. 14, 236 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02467-x

الكلمات المفتاحية: التحلل الحيوي للحجر, أغشية بيوية ميكروبية, دورة النيتروجين, أكسدة الكبريت, حفظ التراث الثقافي