تحدد الحالة الغذائية بشدة انبعاثات أكسيد النيتروجين ولكن ليس إنتاج الميثان في رواسب بحيرات المياه العذبة العالمية

لماذا يهم طين البحيرات للمناخ

مختبئًا تحت أسطح البحيرات الهادئة، تساعد طبقات رقيقة من الطين بهدوء في تحديد كمية غازات الاحتباس الحراري التي تهرب إلى الهواء. تبحث هذه الدراسة في كيفية تأثير تغير مستويات المغذيات في البحيرات — سواء كانت صافية وقليلة المغذيات أو عكرة ومليئة بالطحالب — على إنتاج غازين قويين: أكسيد النيتروجين، غاز ذو عمر طويل يحبس الحرارة، والميثان، المكوّن الرئيسي للغاز الطبيعي الحيوي. فهم هذه العمليات غير المرئية يساعدنا على رؤية كيف أن الزراعة واستخدام الأسمدة وسياسات جودة المياه ترتبط بالمناخ العالمي.

من مياه الشرب إلى غازات الدفيئة

تزود بحيرات المياه العذبة مياه الشرب وتدعم مصائد الأسماك والنشاطات الترفيهية، لكنها تُعد أيضًا مصادر كبيرة لغازات الدفيئة. عندما تغسل الأسمدة والملوِّثات الغنية بالنيتروجين من الأراضي الزراعية والمدن إلى البحيرات، فإنها تغذي ازدهار الطحالب وعملية تُسمى التخصيب — حيث تصبح المياه أكثر خضرة وينخفض الأكسجين في الطبقات العميقة وتتناقص التنوعات البيولوجية. وفي الوقت نفسه تُغذي هذه المغذيات الميكروبات التي تتحكم فيما إذا كان النيتروجين يخرج من البحيرة بأمان كغاز نيتروجين غير ضار أم يتسرب على شكل أكسيد النيتروجين، وما إذا كانت المواد العضوية المدفونة تتحول إلى ميثان. ومع ذلك، لم يفهم العلماء بوضوح حتى الآن كيف تحدد الحالة الغذائية للبحيرة — وضعها التغذوي — أي الغازات يتم إنتاجها وبأي مسارات ميكروبية.

تتبع الميكروبات حول العالم

جمع المؤلفون بين تجارب مخبرية مفصلة ومسح جيني عالمي لرواسب البحيرات لمعالجة هذا السؤال. أخذوا عينات من الرواسب والمياه الواقعة أعلاها من بحيرات تمتد على طيف واسع من ظروف المغذيات، من نظم صافية وفقيرة بالمغذيات (قليلة التغذية) إلى نظم غنية جدًا ومختنقة بالطحالب (مغذّاة مفرطة). باستخدام الميتاجينوميات، قرأوا المخططات الوراثية للميكروبات الموجودة وتعقبوا الجينات الرئيسية المرتبطة بدورات النيتروجين والميثان. ثم حضّروا الرواسب في المختبر تحت ظروف محكمة، وأضافوا أشكالًا محددة من النيتروجين واستخدموا مثبطات لإيقاف عمليات ميكروبية بعينها أو تنشيطها. أتاح ذلك قياس سرعة إنتاج أكسيد النيتروجين والميثان وربط تلك المعدلات بالآليات الميكروبية الأساسية.

عالمان مختلفان لأكسيد النيتروجين

ظهر نمط لافت لأكسيد النيتروجين. في الرواسب الغنية بالمغذيات والمغذّاة مفرطة، يكون الكربون العضوي وفيرًا، وتحصل الميكروبات على الطاقة اللازمة لإتمام عملية الإزالة الكاملة للنيتروجين — إنجاز العملية بتحويل النيتروجين التفاعلي إلى غاز النيتروجين غير الضار. في هذه البحيرات ينبع أكسيد النيتروجين في المقام الأول كمنتج ثانوي من عملية التأكسد (النتريفكايشن) حيث تؤكسد الميكروبات الأمونيا؛ عندما عطل الباحثون هذه الخطوة بمثبط محدد، تكاد انبعاثات أكسيد النيتروجين تختفي. بالمقابل، في الرواسب الفقيرة بالمغذيات وقليلة الكربون العضوي، كثيرًا ما تتعثر عملية الإزالة (الدهنيتريفكايشن) عند منتصف الطريق. تقوم الميكروبات بتحويل النترات إلى أكسيد النيتروجين لكنها تفتقر إلى الموارد لإكمال الخطوة النهائية، فتتراكم كمية من أكسيد النيتروجين وتهرب إلى الغلاف الجوي. انعكست هذه الفجوة في العلامات الجينية: سيطرت في الرواسب المغذّاة مفرطة أنواع جينية مرتبطة بالاستهلاك القوي لأكسيد النيتروجين، بينما حملت الرواسب القليلة التغذية المزيد من الجينات المرتبطة بإزالة نيتروجين غير مكتملة وإطلاق أعلى لأكسيد النيتروجين.

قواعد مختلفة للميثان

روى الميثان قصة أكثر تعقيدًا. عبر مجموعة البيانات العالمية، تابعت وفرة الجينات المسؤولة عن إنتاج الميثان في الرواسب عن كثب جينات تثبيت النيتروجين في ميكروبات متخصصة، مما يشير إلى أن الأثريات المنتجة للميثان غالبًا ما تصنع “سمادها” النيتروجيني من غاز النيتروجين الجوي. أكدت التجارب المخبرية أن إضافة غاز النيتروجين عزَّزت كلًا من إنتاج الميثان ومستويات الأمونيوم في الرواسب. ومع ذلك، وعلى عكس أكسيد النيتروجين، لم تُظهر الجينات المتعلقة بالميثان ومعدلات إنتاجه تحولًا واضحًا ومتسقًا بين البحيرات الفقيرة والغنية بالمغذيات. بدلاً من ذلك، يبدو أن إنتاج الميثان يعتمد على مزيج أوسع من العوامل، بما في ذلك الحرارة، وكيماويات الرواسب، وعمق البحيرة، وسرعة تراكم المواد في القاع، مما يجعل التكهن به استنادًا إلى الحالة التغذوية وحدها أصعب.

رفع وخفض مقبض المغذيات

للخروج من قياسات لمحة واحدة للبحيرات الحالية، أجرى الباحثون تجربة مبتكرة «للتلقيح المتقاطع». مزجوا ميكروبات حية من بحيرة فقيرة المغذيات مع رواسب معقمة من بحيرة غنية بالمغذيات، والعكس بالعكس، فأنشأوا تدرجًا من ظروف قليلة التغذية إلى ظروف مغذّاة مفرطة في المختبر. مع إثرائهم التدريجي للرواسب الفقيرة، تحول إنتاج أكسيد النيتروجين من كونه مسيطرًا عليه بواسطة إزالة نيتروجين ناقصة إلى هيمنة عملية النتريفكايشن، مطابقة للنمط الملاحظ في البحيرات المغذّاة مفرطة. وعندما جعلوا الرواسب الغنية أشبه بتلك قليلة المغذيات، انقلب النظام مجددًا. يظهر هذا التحول القابل للعكس أنه مع دفع البحيرات على طول طيف التخصيب–قلة التغذية بفعل الأنشطة البشرية أو جهود الاستعادة، يتغير مصدر أكسيد النيتروجين الميكروبي الرئيسي معها بشكل متوقع.

ما الذي يعنيه هذا للمناخ وإدارة البحيرات

بالنسبة لغير المتخصصين، النتيجة الأساسية هي أن مستويات مغذيات البحيرات توجه بقوة كيف يُنتج أكسيد النيتروجين، لكنها لا تتحكم ببساطة أو مباشرة في الميثان. في البحيرات المغذّاة مفرطة، يمكن أن يقلل الحد من مدخلات الأمونيوم أو تقييد الظروف التي تفضل النتريفكايشن بشكل حاد من انبعاثات أكسيد النيتروجين. وفي البحيرات القليلة التغذية أو المتعافية، يمكن أن تساعد استراتيجيات تحافظ على استكمال عملية الإزالة—مثل زيادة الكربون نسبة إلى النترات أو إزالة النترات المخزنة من الرواسب—في منع تسرب أكسيد النيتروجين. وبما أن استخدام الأسمدة وتطوير الأراضي العالمي من المتوقع أن يزيدا من التخصيب في مناطق عديدة، فإن هذه النتائج تقدم خارطة طريق عملية: من خلال إدارة الحالة الغذائية للبحيرات، يمكننا تغيير توازن المسارات الميكروبية في طين القاع وبذلك تقليل مصدر مهم لغاز قوي من غازات الاحتباس الحراري.

الاستشهاد: Yang, Y., Zhang, H., Herbold, C.W. et al. Trophic status strongly regulates nitrous oxide but not methane production in global freshwater lake sediments. Nat Commun 17, 3791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72269-z

الكلمات المفتاحية: تخصيب البحيرات, انبعاثات أكسيد النيتروجين, الميثان من الرواسب, دورة النيتروجين الميكروبية, غازات الدفيئة في المياه العذبة