طرح درس پیل سوختی میکروبی MFC ( Microbial Fuel Cell ) ، جلسه چهارم

وسایل مورد نیاز : اینترنت 

اکولوژی خاک و چرخه های حیات
دانش بوم شناسی و اکولوژی در دو ده ساله گذشته به مراتب بیش از آن چه پیش از آن در اندیشه روشنفکران و دوراندیشان می گنجید به جلو جهش کرده است و به مرزهایی جدید با دیگر دانش های زیستی و غیر زیستی دست یافته است، به طوریکه در حال حاضر نه تنها میدان گسترش بلکه ژرفای بحث های آن برای همگان چشم گیر است و در مرزهای ناشناخته و ناگشوده بین دانش های مزبور موضوع های بکر و دست نخورده و کشف شدنی بسیار پدید آمده است بوم شناسی بر طبق تعریف هیچگاه نمی تواند گرفتار یک سونگری یا بخشی نگری شود و الزاماً متوجه هم سونگری است و به همین جهت مانند دیگر دانش ها نمی تواند منحصر به بخشی از زندگی گسترده بر چهره کره زمین باشد زیرا که بوم شناسی در ارتباط متقابل کلیه موجودات زنده بین خود و با محیط خود سیر می کند بوم شناسی بر طبق همین تعریف نمی تواند محدود به مطالعه یک نوع بوم شود و اجباراً تمام زیست بوم های کره خاک باید به اصول این دانش بررسی شود. 

به همین ترتیب بوم شناسی خاک مطالعه برروی اقلیم های مختلف جهان از لحاظ خاک های آن مناطق جهت یافتن خصوصیات اقلیم ها برای بهره برداری بهتر و پیشرفت صنایع کشاورزی خاک از مواد معدنی، ریشه گیاهان، موجودات زنده خرد و درشت، مواد آلی در مراحل مختلف تجزیه، آب و هوا تشکیل شده است. واکنش غیر یکنواخت این اجزا، شرایط بسیار متنوعی را در مقیاس های مختلفی از حفره های کوچک تا سطح مزرعه ایجاد؛ و این امر، خاک را با مشکل روبه رو می کند. طیف وسیعی از عوامل فیزیکی و شیمیایی که دارای اثر متقابل هستند در تنوع خاک سهیمند و لذا ترکیب و فعالیت موجودات زنده خاک را در یک محل زمان خاص، مشخص می کنند.

جنس و ساختمان خاک
جنس خاک بستگی به عوامل تشکیل دهنده آن دارد و بواسطه درشتی و یا ریزی ذرات آن شناخته می شود و از چند هزارم میلیمتر تا چند میلیمتر تغییر می نماید.

اگر خاک را با غربال های متعددی که دارای سوراخهای گرد و یکنواخت باشند. ابعادشان نیز کاملاً مشخص شده باشد عناصر مختلف آن را از یکدیگر تفکیک نمائیم، جنس آن خاک معلوم می گردد.

خاک را بترتیب زیر تقسیم بندی نموده اند:
سنگ ریزه و ریگ عناصری هستند که قطرشان از 5 میلیمتر متجاوز است.

شن : آنهائی هستند که قطرشان بین 2- 3 میلیمتر باشد
شن نرم: آنهائی هستند که قطرشان بین 2- 2/0 میلیمتر باشد
ماسه: آنهائی هستند که قطرشان بین 2/0 -02/0 میلیمتر باشد
لات: آنهائی هستند که قطرشان بین 02/0-002/0 میلیمتر باشد
رس : آنهائی هستند که قطرشان از 002/0 میلیمتر متجاوز باشد.

بطور کلی می توان گفت که سنگ ریزه و شن و ماسه، اسکلت اصلی خاک می باشند و رس و هومورس ، از عناصر کلوئیدی آن بشمار میروند و اثرات فیزیکی و شیمیایی خاک را تغییر می دهند. ذرات درشت خاک، خصوصاً چنانکه از ترکیبات سیلیسی باشند، فاقد اثرات شیمیایی هستند و بعبارت دیگر قدرت حاصلخیزی خاک متناسب با نرمی ذرات آن میباشد.از این رو خاکهای رسی حاصلخیز از اراضی شنی هستند.

شنها و ذرات درشت خاک فقط قشر نازکی آب بسطح خود میگیرند و آب اضافی آنها از بین خلل و فرج خاک جریان یافته و مواد غذائی خاک را با خود حل می کنند و از این جهت اراضی شنی همواره ضعیفند و باید با کود تقویت شوند و از آبیاری زیاد آنها که باعث حمل مواد غذائی می گردد، باید حتی الامکان جلوگیری نمود.

میكرو ارگانسیم های خاك     
خاک یکی از مخازن عمده میکروب ها محسوب می شود. خاک زراعی مرغوب به وسعت زمین فوتبال محتوی توده میکروبی است به وزن یک گاو، که در آن زمین می چرخد. ولی ظرفیت متابولیکی این تعداد انبوه میکروب ها احتمالا صد هزار برابر گاو مـی باشد. با این حال، اندازه گیـــری دی اکسید کربن رها شده از خاک و شواهد دیگر نشان می دهد که میکروبها در شرایط کمبود مواد غذائی به سر برده و با سرعت کمی تولید مثل می کنند. هنگامیکه مواد غذائی به خاک افزوده می شود، توده های میکروبی و فعالیت آنها به سرعت افزایش می یابد و در نتیجه مواد غذائی خاک مجددا کم می شود و در این حال در سرعت پائین به تولید مثل خود ادامه می دهند. فراوان ترین میکروب ها در خاک باکتریها هستند، خاک باغچه در هر گرم محتوی میلیون ها باکتری است.

در چند سانتیمتر از بخش فوقانی خاک تعداد میکروب ها حداکثر بوده و به تدریج هر چه عمق بیشتر می شود، تعداد آنها رو به کاهش می گذارد. تعداد باکتری ها را با روش کشت در بوات تعیین می کنند و احتمالا تعداد واقعی آنها دقیقا تخمین زده نمی شود. زیرا، یک نوع محیط کشت یا شرایط رشد نمی تواند امکانات لازم را برای رشد فراوان انواع میکروب ها در خاک فراهم سازد.

آکتینومیست ها گر چه جزء باکتری ها رده بندی می شوند، ولی بطور جداگانه در خاک مورد مطالعه قرار می گیرند. این دسـته از میکروب ها ماده ای به نام ژئو زمین در خاک تولید می کنند که بوی کپک زده به خاک می دهد. در این دسته از میکروب ها تولید مثل بوسیله اسپورهای غیر جنسی و قطعه قطعه شدن میسلیوم انجام می گیرد. توده واقـعی زیاگـان (توده کـلـی جانداران در حجم معین) در مورد آکتینومیست ها احتمالا در حد باکتری ها است. این دسته از میکروب ها بویژه گونه های استرپتومیسس از لحاظ تولید آنتی بیوتیک اهمیت دارند.

قارچـها به تـعداد کـمتر از باکـتری ها و آکتـیـنومیـسـت ها در خـاک یافـت مـی شـوند. چون بسیاری از کلـنی های قارچی که از تندش اسپور غیر جنسی در محیط های کشت تشکیل می شود، شمرده می شود. لذا، رابطه واقعی بین شمارش و توده قارچها مورد تردید قرار می گیرد. مجموع توده قارچها احتمالا برابر مجموع توده باکتری ها و آکتینومیست ها می گردد، زیرا، ابعاد میسلیوم قارچ چندین بار بیشتر از ابعاد سلول های باکتری است. کپک ها بیش از مخمر ها در خاک دیده می شوند.

جلبک ها و سیانوباکترها گاهی توده های انبوهی بر روی خاک های مرطوب تشکیل می دهند و همچــنین در خاک های خشک بیابانی نیز دیده می شوند. این دسته از میکروب ها غالبا در لایه سطحی خاک جائیکه تابش نور خورشید، آب و دی اکسید کربن فراوان است، رشد می کنند. معهذا، تعداد زیادی از جلبک ها و سیانوباکترها تا عمق ۵۰ سانتیمتری خاک نیز دیده می شوند. اهمیت این دسته از میکروب ها و تغییراتی که در محیط ایجاد می کنند، در مواد خاصی جالب توجه است. به عنوان مثال، تثبیت ازت جوی در مراتع، نواحی توندرا توسط برخی از گونه های سیانوباکترها انجام می گیرد و در نواحی بیابانی بعد از بارندگی این عمل سیانوباکترها در حاصلخیزی خاک اهمیت دارد.
 

تاثیر میکرو ارگانیسم ها در روی خاک
با وجود آنکه بعضی از میکرو ارگانیسم ها در گیاهان ایجاد بیماری می کنند و اکثرا این بیماریها در مزرعه توسط آب پخش می شوند، ولی حیات خاک وابستگی زیادی به فعالیت میکرو ارگانیسم های آن دارد.

فوائد این میکرو ارگانیسم ها عبارتند از:
۱- ایجاد خاک در اثر تجزیه سنگ ها و صخره ها
۲- استحکام خاک: توسط میکرو ارگانیسم های رشته ای مانند قارچ ها، استرپتومیست ها، اکتینومیست ها و جلبک ها.
۳- حفظ تعادل اکولوژی در خاک: این تعادل توسط باکتریوفاژها، ویروس ها، پروتوزئرهای شکاری و میکسو باکتریها انجام می گیرد که با خوردن میکرو ارگانیسم های دیگر در فلور میکروبی خاک تعادل به وجود می آورند.
۴- تجزیه سموم کشاورزی
۵- از بین بردن حشرات موذی: بسیاری از باکتری ها بر ضد حشرات توکسین ایجاد می کنند. از این میان باسیلوس پوپیلیه که سوسک ژاپنی را از بین می برد و باسیلوس تورنجینسیس که بر ضد پشه مالاریا استفاده می شود را می توان نام برد.
۶- چرخه عناصر: میکرو ارگانیسم ها نقش مهمی در چرخه کربن و ازت دارند و بیشتر ازت موجود در خاک توسط باکتری ها تامین می گردد و در اثر فتوسنتز CO2 به مواد آلی تبدیل می شود و میکرو ارگانیسم ها در اثر تجزیه این مواد  CO2 را به جو بر می گردانند.

باکتری های موجود در خاک
با وجود آنکه باکتری ها زیاد در خاک وجود دارند، ولی بعضی از آنها اهمیت بیشتری در خاک دارند. به طور کلی در خاکهای با ظرفیت ۲۰ درصد رطوبت میکرو ارگانیسم ها به صورت فعال وجود دارند. بعضی از باکتریها مانند کلستریدیوم و باسیلوس به علت داشتن اسپور در خاک خشک نیز دیده می شوند. باکتری های خاک نقش اصلی را در چرخه عناصر دارند و مهمترین آنها عبارتند از:
باکتری ها هوازی و میکرو آئروفیلیک میله ای یا کوکسی گرم منفی.
این دسته از باکتری ها در گروه ۴ برگی قرار گرفته اند و اکثر آنها میله ای و یا کوکسی گرم منفی می باشند.

جنس های مهم این گروه عبارتند از:
آگروباکتریوم
این باکتری گرم منفی است و دارای پلاسمید Ti می باشد و بیماری گال را به سیب زمینی و گوجه فرنگی و تنباکو انتقال می دهد. امروزه از این باکتری در مهندسی ژنتیک برای وارد کردن ژن مطلوب به گیاه استفاده می کنند. بعضی از گونه های این باکتری فاقد قدرت ایجاد گال می باشند.

ازتوباکتر
این باکتری میله ای تاکوکسی گرم منفی است، در حالی که تشکیل اسپور نمی دهد. گاهی کیست ایجاد می کند، توسط فلاژن پیرامونی حرکت می کند، ول‍ی گونه های غیر متحرک نیز در میان آنها وجود دارد. این باکتری تثبیت کننده ازت است و ۱۰ میلی گرم نیتروژن به ازای مصرف هر گرم قند تولید می کند. برای تثبیت ازت به مولیبدن و یا وانادیوم احتیاج دارد. کاتالاز این باکتری مثبت است و در ۴/۸-۵/۸ pH رشد می کنند. تعداد آن در اطراف ریشه ها بیشتر است.

آزوموناس
یک باکتری گرم منفی میله ای است که قادر به تشکیل کیست نمی باشد. کاتالاز مثبت بوده و در شرایط اسیدی ۸/۴-۶/۴ تثبیت ازت انجام می دهد.

آزوریزبیوم
یک باکتری گرم منفی تثبیت کننده ازت است. ولی باوجود آنکه خود باکتری هوازی است، تثبیت ازت را در شرایط میکرو آئروفیلیک انجام می دهد.

بیژرنکیا
به صورت میله ای و یا خمیده در مناطق حاره ای وجود دارد.

موچوآ
این باکتری تثبیت ازت را در شرایط هوازی و یا میکرو آئروفیلیک انجام می دهد و دارای کیست و کپسول است و در ۳-۱۰pH  قادر به رشد است.

برادی ریزوبیوم
یک باکتری گرم منفی تشکیل دهنده غده در سویا می باشد. بعضی از گونه های آن در حالت آزاد نیز قادر به تثبیت ازت می باشد. این باکتری توسط تاژکهای قطبی حرکت می کند.

دلئیا
این باکتری شدیدا نمک دوست است و در خاکهای شور یافت می شود. ولی اکثر گونه های آن دریازی می باشند.

درکسیا
یک باکتری میله ای گرم منفی تثبیت کننده ازت می باشد که به صورت اتوتروفی نیز می تواند از هیدروژن و متان به عنوان منبع انرژی استفاده کند. در خاک های حاره ای یافت می شود.

پسودوموناس
یک باکتری میله ای گرم منفی، متحرک و هوازی می باشد که تست اکسیداز آن مثبت و یا منفی و کاتالاز مثبت می باشد.

ریزوبیوم
یک باکتری میله ای متحرک گرم منفی همراه با ذخیره چربی پلی B هیدروکسی بوتیرات است. این باکتری قادر به ایجاد غده در گیاهان بوده و ازت را تثبیت می کند.

ریزوموناس
یک باکتری گرم منفی بیماریزا در کاهو می باشد. این باکتری اکسیداز و کاتالاز مثبت است.

گزانتوباکتر
این باکتری ها پلی مورف، غیر متحرک و یا متحرک، کاتالاز مثبت و گرم منف‍ی هستند.

گزانتوموناس
باکتری های میله ای بدون ذخیره چربی می باشند و احیاء نیترات را انجام نمی دهند. اکسیداز منفی و کاتالاز مثبت بوده و مانند گزانتوباکتر کلنی های رنگی تولید می کنند.

مطالب مرتبط:
طرح درس پیل سوختی میکروبی MFC ( Microbial Fuel Cell ) ، جلسه اول
طرح درس پیل سوختی میکروبی MFC ( Microbial Fuel Cell ) ، جلسه دوم
طرح درس پیل سوختی میکروبی MFC ( Microbial Fuel Cell ) ، جلسه سوم
طرح درس پیل سوختی میکروبی MFC ( Microbial Fuel Cell ) ، جلسه چهارم
طرح درس پیل سوختی میکروبی MFC ( Microbial Fuel Cell ) ، جلسه پنجم


بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: سمیه علمافر
تنظیم: نسرین صادقی