Theonella swinhoei. צילום סיגל שפר

עדי ויינברגר, המחלקה לזואולוגיה, אוניברסיטת תל אביב.
עבודה לשם קבלת תואר מוסמך.
מנחה: פרופ' מיכה אילן.


 Theonella swinhoei הוא ספוג בעל תפוצה אינדו-פסיפית, שנמצא גם במפרץ אילת (ים סוף). כמו כל הספוגים האחרים (מערכה: Porifera), מין זה הוא בעל חיים צמוד-מצע, הניזון על ידי סינון וחי בסביבה מימית. T. swinhoei מסווג כספוג בעל שכיחות גבוהה של מיקרואורגניזמים והוא מכיל בתוכו אסופה מגוונת ועשירה שלהם, המרכיבים עד 40% מנפח גופו. בספוג זה נמדדו ריכוזים גבוהים באופן מרשים ויחיד במינו של ארסן (זרניך, As) ושל בריום (Ba). הספוג צובר את היסודות הללו באופן פעיל בעת הסינון. ארסן הוא מתכת למחצה ורעיל ביותר. זיהום של ארסן במי התהום משפיע על יותר מ-100 מיליוני בני אדם ברחבי העולם, בהם 50 מיליוני בני אדם בבנגלדש לבדה. מתכת למחצה זו לרוב מופיעה בטבע בעיקר כארסנאט (AsV), תרכובת אנאורגנית בעלת ערכיות של חמש, או התרכובת האנאורגנית התלת-ערכית ארסניט (AsIII). AsV הוא התצורה המסיסה הנפוצה של ארסן ב-T. swinhoei, אשר נמצאה בעיקר בדגימה מועשרת בחיידקים שחיים בו. חיידקים שבודדו מהספוג הראו עמידות גבוהה ל-AsV (עד ל-100 mM).

חרף ההשפעות המזיקות של ארסן, ביכולתו לשמש כמה מיקרואורגניזמים להפקת אנרגיה. למעשה, מיקרואורגניזמים תורמים למחזור הארסן בדרכים חשובות רבות. חיידקים מתמודדים עם רעילות הארסן במגוון אופנים, בהם פליטה, מתילציה, כלציה, שיקוע ומידור. חיזור של AsV ל-AsIII על ידי חיידקים הוא חלק ממנגנון נפוץ לסילוק רעלים. נוסף על כך, יש חיידקים המסוגלים להשתמש ב-AsV בתור מקבל אלקטרונים סופי בתהליך הנשימה המטבולית. גם חמצון של AsIII יכול להתבצע כמנגנון סילוק רעלים ואף לשמש כתורם אלקטרונים בנשימה ובפוטוסינתזה. מיקרואורגניזמים המשתתפים במחזור הביוכימי של ארסן עשויים להיות מועמדים טובים למטרות של שיקום ביולוגי (bioremediation) של סביבה מזוהמת. שיקום סביבה המזוהמת בארסן על ידי חיידקים טומן בחובו פוטנציאל לתהליך יעיל, ידידותי לסביבה ובעל עלויות נמוכות. אף כאשר הרעלים אינם מסולקים לחלוטין על ידי החיידקים, תגובות חמזור עשויות לשמש צעד חשוב להשגת המטרה. החיזור הביולוגי של AsV ל-AsIII (האחרון ניחן בניידות רבה יותר וביכולת סיפוח פחותה), יכול לשמש כשלב מקדים להמשך הטיפול. התהליך עשוי לכלול שיקוע או יצירת תרכובת של AsIII עם סולפיד, כמו גם ספיחה למוצקי ברזל.

מטרת המחקר שלי הייתה למצוא בין החיידקים העמידים לארסן, שבודדו מ-T. swinhoei, את אלה שניתן לנצלם בשיקום מקורות מים המזוהמים בארסן. מיטבתי וניטרתי את גידול החיידקים במצע נוזלי עשיר בארסן וחיפשתי אחר תבדידי חיידקים שביכולתם לחזר AsV.

מההשוואה של קצבי גידול במצע עשיר בארסן לעומת מצע ללא ארסן, עולה שרק סוג אחד – Pseudomonas – הושפע מכך, עם גידול אטי יותר במצע עתיר AsV. שלושה תבדידים מיחידה טקסונומית (OTU) הקרובה ל- Photobacterium rosenbergiiגדלו במהירות הרבה ביותר במצע נוזלי עשיר ב-AsV. אף על פי כן, לא חל שינוי מובהק בקצב גידולם במצע זה לעומת מצע נטול ארסן. ממדידת אחוז הארסן במצעים של התבדידים הללו באמצעות ספקטרופוטומטר בקרינת רנטגן (XRF) עולה שחרף עמידותם המצוינת לארסן, התבדידים הללו לא הסירו ארסן מהמצע. מתוך 15 יחידות טקסונומיות שראשית גידלתי על מצע מוצק עשיר ב-AsV ואחר כך זרעתי על מצע עשיר ב-AsIII, גדלו בהצלחה תבדידים המשתייכים ל-11 יחידות טקסונומיות. ארבע יחידות טקסונומיות, שגדלו בעבר רק על מצע אחד מבין השניים, גדלו על שני המצעים. שלוש מהיחידות הטקסונומיות הללו (קרובות למינים: Pseudovibrio denitrificans, Pseudovibrio ascidiaceicola ו- Alteromonas macleodii) חיזרו AsV ל-AsIII. עמידות חיידקים אלה לשתי תצורות הארסן הללו חיונית להתכנות ניצולם בשיקום מקורות מים מזוהמים.

חיזור של AsV על ידי חיידקים נבדק באופן איכותי על ידי שיטת שינוי צבע עם KMnO4. תמיסת ה- KMnO4 הוורודה מגיבה במצע עם AsIII מומס. התגובה משנה את צבע התמיסה לצהוב, ומכאן נובע ש-AsV חוזר ל-AsIII. מתוך 59 תבדידים שהצליחו לגדול במצע הנוזלי, ארבעה תבדידים (שלוש יחידות טקסונומיות) הראו שינוי צבע לאחר הוספת KMnO4, ומכאן עולה שהם חיזרו AsV. המשכתי לחקור את תגובת החיזור שביצעו התבדידים הללו על ידי הפרדת ה-AsV וה-AsIII בעמודה להפרדת יונים. לאחר מכן נמדד ריכוז היסוד ארסן באמצעות ספקטרומטר מסות אטומי (ICP-MS). כאשר בוחנים את המגמות של יחס ה-AsIII מתוך סך הארסן במשך זמן, התוצאות מציגות את הימצאותו של AsIII במצע הגידול שתחילה הכיל רק AsV. התוצאות תומכות ביכולת חיזור ה-AsV על ידי התבדידים הללו. עם זאת, מחקר נוסף נחוץ לשם הערכת יעילות החיזור של AsV ל-AsIII ותנאי הגידול של ארבעת התבדידים שחקרתי.

נוסף על המחקר במעבדה בדקתי את התפוצה הטבעית של הספוג המארח, T. swinhoei, אשר מכיל את אסופת המיקרואורגניזמים בעלי הפוטנציאל לשיקום מקורות מים המזוהמים בארסן. בשטח כולל של 2,700 m2 שנסקרו בשיטת חתכי חגורה (belt transects) במפרץ אילת נספרו 102 פרטים של הספוג T. swinhoei. נראה כי שכיחות הספוג באתרים ובעומקים שנסקרו ניחנת במגמות דומות בשלושה אתרים שונים. השכיחות הנמוכה ביותר נמצאה בעומק הרדוד של 5 m, ואילו השכיחות הגבוהה ביותר נמצאה בעומקי הביניים שנסקרו של 15-20 m. שכיחות מין זה היא נמוכה יחסית, ורוב הפרטים קטנים. עוד נמצא שבעומקים הרדודים פחות פרטים חשופים לאור שמש ישיר בהשוואה לספוגים בעומקים גדולים יותר. הסבר אפשרי לתוצאות אלה עולה מצורכי עוצמת התאורה המיטבית הדרושה לשכבה החיצונית של T. swinhoei, העשירה בציאנובקטריה (כחוליות). מאחר שהציאנובקטריה תלויים בחשיפה לאור לשם פוטוסינתזה, על הספוג להיות חשוף למספיק אור. אף על פי כן, אור עודף עלול לגרום לעיכוב (photoinhibition). לפיכך, תנאים אביוטיים, כגון תאורה, עשויים להשפיע לא רק על שכיחות הציאנובקטריה, אלא גם על שכיחות ומיקום הספוג המארח, כמו גם על המנח שלו על גבי המצע.

לסיכום, חברת החיידקים החיה בתוך הספוג מים סוף T. swinhoei טומנת בחובה פוטנציאל עצום לשיקום מקורות מים המזוהמים בארסן. יש לבצע כימות של קצבי חיזור ה-AsV. מעבר לכך, צימוד חיזור ה-AsV בתהליך דו-שלבי להסרת ארסן ממים מזוהמים עשוי לאצור בתוכו הבטחה רבה. נוסף על כך, יש לחפש באופן מולקולרי ולבחון אמפירית מסלולים נוספים לשינוי תרכובות ארסן. כמו כן, הבנה לעומק של התנאים האופטימליים לגידול הספוג T. swinhoei שתקבע בין השאר על ידי המשך סקר תפוצתו, עשויה לספק מידע חשוב על אודות מאגר טבעי זה של חיידקים העמידים לארסן.

תכנים