* تلوث الماء والمعالجه الحيويه

تلوث الماء والمعالجه الحيويه بواسطة الطحالب الدقيقه
الاثراء الغذائي وتسمم الماء
1- عملية الإثراء الغذائي
(Eutrophication) هي عملية تغيير حالة المغذيات في جسم مائي معين بواسطة زيادة مصادره المغذيه (مشتقه من اليونانيه حيث (Eu) تعني حسن او جيد و (nourishment) تعني تغذيه). ومن الممكن ان تكون هذه الظاهره طبيعيه مثل ما يحدث في المياه العميقه في المحيطات الغنيه بالمغذيات ويحصل لها انقلاب وتصعد للمياه السطحيه الفقيره من المغذيات. وينظر إليها كنظير للترب الارضيه الخصبه. (Eutrophication) يعتبر في اغلب الأحيان كزياده في المواد المغذيه الغير عضويه الاساسيه, وبشكل خاص النيتروجين (N) والفسفور (P). اقترحت من العالم نيكسون (1995م) بالاستناد على الكربون العضوي, وهذا يعني زياده في نسبة إمداد الكربون العضوي الى النظام البيئي, حيث ان أهمية المواد المغذيه الغير عضويه للانظمه البيئيه البحريه تؤخذ بالاعتبار لتأثيرها الفعال على نسبة وتشكيل إمداد المواد العضويه. المخاوف الرئيسيه حول (Eutrophication) في العقود الاخيره نشأت عن الزياده المثيره في (Eutrophication) من المصادر بشرية المنشأ او من (cultural eutrophication), في المياه العذبه والساحليه ومصبات المياه حول العالم. تتضمن الأمثله ميناء تولو (Tolo Harbour) في هونج كونج, حيث تضاعفت تركيزات النيتروجين (N) والفسفور (P) بين عامي 1976-1985م, وتقدير مساهمات النيتروجين في شمال شرق الولايات المتحده زادت من سته الى ثمانية اضعاف من أوقات قبل الصناعه.
التأثير الفوري لـ (Eutrophication) هي زيادة المنتجات الاوليه بواسطة العوالق النباتيه (Phytoplankton) وطحالب أخرى, ومثالها (benthic) ونباتات مائيه أخرى. المنتج الأولي هو وظيفة لتوفر الضوء والمغذيات ودرجة الحراره, وتعتمد الكتله الحيويه الصافيه للنبات على معدل النمو الخلوي ناقص نسب الخساره خلال التخفيف, الترسيب, الرعايه, الموت الفسيولوجي. كل العوامل إما منفرده أو مجتمعه قد تكون محدده, بزياده في المواد المغذيه تؤدي عادةً لزياده في الكتله الحيويه للنبات.

2- تأثير المواد المغذيه على الإثراء الغذائي
للعوالق النباتيه (Phytoplankton), مساهمة المواد المغذيه سيكون لها تأثيرات مختلفه تعتمد على النظام البيئي وأنواع الطحالب الدقيقه. على سبيل المثال, اعتبرت أنظمة المياه العذبه منخفضه الفسفور والأنظمه البحريه على الأرجح منخفضه النيتروجين. هذه الصوره قد تتغير في نصف الكره الارضيه الشمالي مع اتجاه نحو زيادة النيتروجين المتوفر في مصبات المياه, ومياه المحيطات والمياه الساحليه من المصادر الجويه. في بحر البلطيق المالح, تحفز مساهمة الفسفور البكتيريا المثبته للنيتروجين. إذا كان السيليكون (Si) منخفض فان نمو الدياتوم سيكون منخفضه. ليس فقط تراكيز المواد المغذيه ولكن أيضاً تعديل النسب مثل النيتروجين:الفسفور (P:N), والنيتروجين:السيليكون (N:Si), السيليكون:الفسفور (P:Si) مهم في تحديد توزيع ومنافسه وظهور وتعاقب أنواع العوالق النباتيه (Phytoplankton), وهذا تنظيم لمجتمع مؤثر يتضمن كامل الشبكه الغذائيه. زيادة المصادر المغذيه العضويه قد تروج أيضاً لزيادة النمو بالاستراتيجيات المغذيه مثل (mixotrophy and phagotrophy). المصادر البشريه للمغذيات الدقيقه مثل الحديد قد تكون محفزات رئيسيه للمنتج الأولي.
(Eutrophication) مع زيادته في العناصر المغذيه عموماً وأيضاً تحوله من النسب الغذائيه العاديه, يؤثر على مقياس ونوع الكتله الحيويه للفايتوبلانكتون. أي نتيجه رئيسيه قد تكون نتيجه لانتشار الفايتوبلانكتون خارج مجتمعه الطبيعي. هذا الانتشار أو الزياده الهامه تعرف بالازدهار الطحلبي (algal blooms).
الزياده العالميه في (Eutrophication) مندمجه مع ظهور الازدهار الطحلبي قادت العالم (Smayda) لاقتراح وباء عالمي للازدهار الطحلبي يتضمن ازدهار الفايتوبلانكتون غير العادي الاستثنائي أو الضار. الدليل المبكر لدعم هذا جاء من ارتباط الزياده السكانيه في هونج كونج من 1976م الى 1986م مع زياده في الازدهار الطحلبي أو المد الأحمر في ميناء تولو (الشكل 24.1). في بحر البلطيق, موقع ازدهار البكتيريا الخضراء المزرقه, كان هناك مضاعفه في المنتج الأولي في (Kattegat) بين أواخر الخمسينات وأوائل السيتينات.

3- التأثيرات السامه للازدهار الطحلبي
الازدهار الطحلبي قد يكون ضار لوظائف النظام البيئي بحد ذاتها, على سبيل المثال بتسببه بنضوب الأكسجين ويتبعها موت للأسماك والحيوانات المائيه. أيضاً الحضور الطبيعي المجرد لمثل هذه الكثافات من الفايتوبلانكتون قد تلحق أضرار إلى الكائنات الحيه الأخرى مثل الدياتومات وسمك الخياشيم. ازدهار الأنواع التي تنتج سموم هي الأكثر إضرار بالأنظمه البيئيه, ويمكن ان يأخذ تأثيرات سلاسل الاغذيه العميقه بما في ذلك تسمم الإنسان. كلا النوعان من الازدهار السام والآخر المزعج بشكل جماعي تعرف بالازدهار الطحلبي الضار (HABs). المنتجات السميه للطحالب تتواجد في أقسام متنوعه من الطحالب: the Dinophyceae (dinoflagellates), Bacillariophyceae (diatoms), Raphidophyceae (raphidophytes), Prymesiophyceae (prymnesiophytes) and cyanobacteria (blue-green algae). هذا التنوع للطحالب متناظر مع تنوع في السموم, مع بعض الحالات المثيره للتقارب مثل أنتاج سموم المحار المشلوله القلويه (PSTs), والمشتقه بواسطة (dinoflagellates and cyanobacteria). تتضمن السموم الأخرى الببتيدات (peptides) مثل (microcystins and other hepatotoxins) والسكريات العديده الدهنيه المنتجه من قبل البكتيريا الخضراء المزرقه وحمض الاوكاديك (okadaic acid), وسموم البولي إيثر (polyether) التي عثر عليها في المحار ثنائية الفك المسمومه (DSP) وتسببها (dinoflagellates). التسمم والتأثيرات الضاره الأخرى قد تكون مستحثه على البشر او تؤثر على الطبيعه والمزارع الحيوانيه المائيه. الجدول (24.1) يلخص التأثيرات المؤذيه التي تسببها الطحالب الضاره.
خاصيه للعديد من المنتجات السميه للطحالب بأنها فعاله جداً في تركيز الكتله الحيويه بسبب قدرتها لتنظيم موقعها بشكل نشيط في عمود الماء. هذا يعطيها فائدة حصاد الضوء ودخول المواد المغذيه, ويحسن تأثير زيادة المنتج الأولي في الاستجابه الى (Eutrophication). بعض تشكيلات ازدهار البكتيريا الخضراء المزرقه تنظم طفوها باستخدام فجوات غازيه بينما (dinoflagellates) السامه والـ (HAB flagellates) هي متحركه. في مصب هون (Huon), جنوب شرق تسمانيا (Tasmania), تزدهر السموم, تتشكل سلسله من (Gymnodinium catenatum) التي تهاجر بشكل عمودي 20متر على قاعده نهاريه خلال (picnocline), وهذا يسمح بالدخول الى المواد المغذيه العميقه. مثل هذا النوع يتكيف لاستغلال زيادة خصائص المواد المغذيه في أنظمة (eutrophied) البيئيه, خصوصاً عندما المواد المغذيه والضوء المثالي قد يفصلان في عمود الماء. الخصائص الأخرى لـ (HAB flagellates) هو تأثير نجاح صلتها بالمغذيات المنخفضه, كبيرة التنوع في المغذيات ويتضمن ذلك (mixotrophic), عموماً معدلات نمو منخفضه, والأهميه المحتمله في اختلال الجين الوراثي. الخصائص المعينه لأقسام أو أنواع الطحالب هي مهمه وما زالت تحت الدراسه نسبياً على الرغم من الاعتراف بأهمية نوع (autecology), هذه الحاجه بنيت على معهد الدراسه المتقدم للناتو على علم البيئه الفسيولوجي للازدهار الطحلبي الضار عام 1996م.
التسمم من الازدهار الطحلبي الضار معروف من أوقات قديمه. الأمثله البارزه تتضمن المسجله عام 1793م على الساحل الغربي الأمريكي للمحار المشلوله المسمومه وموت بعض طاقم الكابتن جورج فانكوفر بعد أكل بلح البحر في خليج السم الصغير (Poison Cove) وسط كولومبيا البريطانيه, وتسمم وموت الماشيه في بحيرة اليكساندرينا (Alexandrina) جنوب استراليا بعد شربها الماء من ازدهار (cyanobacterium Nodularia spumigena). مع الوباء العالمي لـ (HABs) هناك على ما يبدو ظاهرتين جديده لـ (HAB) وأيضاً زياده عامه في الانتشار الجغرافي وتردد الـ (HABs). تتضمن الأنواع الجديده لإحداث الـ (HABs) تسمم محار مسبب للنسيان (ASP) بواسطة الدياتومات المزيفه (Pseudo-nitzchia) وأنواع مشابهه. والمثال المثير لقاتل للسمك ومسبب أضرار على الصحه الادراكيه للبشر بواسطة (Pfiesteria piscicida, P. shumwayae and phantom dinoflagellates) بوسائل مفترس الكمين. هذه على ما يبدو ظواهر جديده من المحتمل أنها لم تكتشف إلا في الوقت الحاضر.
مثال على الزيادة في الانتشار والتواتر في العقود الأخيرة هو تسمم المحار المشلول (PSP). الشكل (24.3) يبين مناطق توزيع (PSP) العالميه المعروفة في 1970م و 2000م. ولئن كان هناك استمرار للنقاش حول الأهمية النسبية للأسباب الطبيعية والبشرية التي تسهم في تغيير هذا التوزيع، ومن الواضح أن الظروف المحلية بما في ذلك زيادة (Eutrophication) تساهم في نجاح (PSP-forming dinoflagellates).
التسمم ليس بالضرورة مرتبطاً بحجم الازدهار. خاصيه مميزة لبعض الطحالب السامة هي أن تطوير الازدهار المرئي ليس ضروريا. (PSP and ASP) كلاهما ناتج لآلاف إلى عشرات الآلاف من الخلايا في اللتر الواحد، ومستويات التي لا تزدهر بمعنى الانتشار الشامل. في الأحداث السامة القاتله للأسماك التي يسببها التسمم بـ (dinoflagellate Pfiesteria) الخفي ترتبط مع أسراب من (zoospores) فقط على مقربة من السمك. اسماك السيغاتيرا Ciguatera تتسمم من dinoflagellates القاعية في مناطق الشعاب المرجانية الخفيه في الطبيعة أيضاً. نوع الماده السامة، ودرجة السمية في محتوى الخلايا، ونوع التسمم كلها مهمة في حالات التسمم بالمياه. المحتوى السمي يختلف بين أنواع الطحالب. على سبيل المثال، (Pyrodinium bahamense var. compressum) يحتوي على نسبة أكبر من ساكسيتوكسين (saxitoxin) شديدة السمية من غيرها أخرى (PSP-forming dinoflagellates)، وبالتالي تشكيل السمية بتركيزات منخفضة خلويةشديدة السمية عندما تتركز، على سبيل المثال في (Sardinella). فضلا عن السمية المتأصلة في الطحالب، يمكن للعوامل البيئية ان تؤثر على محتوى السمية. الانظمه الغذائيه الشاذة قد تسبب ان أنواع ليست سامة عادة تصبح سامه. على سبيل المثال، يحفز نقص الفوسفور السمية في (prymnesiophyte Chrysochromulina polylepis)، ومنتجات حمض الدوميك (domoic acid) في أنواع الدياتومات (Pseudo-nitzschia) يختلف مع توافر السيليكات. للبكتيريا الخضراء المزرقه السامة حيث الأنواع سامة بطبيعتها، فإن التغييرات في المغذيات عادة تؤثر في سمية الازدهار بنسبة تصل إلى مقدار الطلب.
العديد من حالات التسمم من الازدهار الطحلبي الضار (HABs) من المقرر أن تنقل من خلال السلسلة الغذائية، مثل استهلاك المحار التي هي في حد ذاتها لا تتأثر مباشرة من السموم ولكن يمكن أن تكون سامة للإنسان. يتم تعيين مستويات مقبولة من سموم المحار المشلوله (PSTs), الساكسيتوكسين ومشتقاته من قبل إدارة الأغذية والعقاقير الأمريكية في 80 ميكروغرام ساكسيتوكسين مكافئه لكل 100 غرام من لحم المحار. تتضمن استراتيجيات الإدارة إغلاق عمليات تربية الأحياء المائية والبرية وحصاد المحار البري عندما تكون السموم أعلى من هذا المستوى. يمكن أن يكون الإغلاق من أشهر إلى سنوات. في الفلبين، حيث يسبب تسمم المحار المشلول (PSP) الوفيات بانتظام، تم تعيين الحد المسموح به فقط في 40 ميكروغرام لكل 100غرام من لحم المحار بسبب سهولة تأثر الفلبينيين المنخفضي الوزن، وبخاصة الأطفال. لمستويات المحار ثنائية الفك المسمومه (DSP) 2 ميكروغرام حمض الاوكاديك و/أو 1،8 ميكروغرام من (dinophysis toxin-1) لكل غرام من البنكرياس الكبدي تعتبر غير صالحة للاستهلاك البشري. وبينما لا يعرف عدد القتلى من (DSP)، البعض من سموم البولي إيثر (حمض الاوكاديك, dinophysis toxin-1) قد تشجع أورام المعدة، مما يؤدي إلى مشاكل صحية مزمنة.
قضايا الصحة مباشرة جدا في المياه العذبة حيث يتم استخدام المياه لإمدادات المياه الصالحه للشرب للبشر. تم وضع مبادئ توجيهية لمياه الشرب من قبل منظمة الصحة العالمية (WHO) لاستهلاك (microcystins)، ولقد نظر في ما إذا كان ينبغي أخذها بالاعتبار كمادة مسرطنة. وقع حدث تسمم خطير جدا في البرازيل عام 1996م. المياه المستخدمة في مركز غسيل الكلى كانت ملوثة مع (hepatotoxic microcystins) وسموم أخرى من البكتيريا الخضراء المزرقه. أصبح جميع 126 مرضى وتوفي في نهاية المطاف 60، ومعظمهم من الفشل الكبدي. بعض البكتيريا الخضراء المزرقه في المياه العذبة تنتج سموم أعصاب (neurotoxins). الأمثلة المثيره مثل ازدهار (neurotoxic Anabaena circinalis) أكثر من ما يقرب من 1000 كلم من نظام نهر دارلينج - بارون في استراليا في صيف 1991/1992 دليل على خطورة محتملة من سموم الأعصاب في المياه العذبة. الاستعمال الترفيهي للمياه أيضا قضية مع (WHO) التي تزود التوصيات لوضع إطار لتقييم المخاطر. المحار ودليل جودة المياه تساعد على الحماية ضد التسمم لكنها لا تؤثر على التنمية وكثافة الازدهار، كما أنها لا تساعد في التنبؤ.

4- السيطره على الإثراء الغذائي
حصص مساهمة المغذيات والضوابط الأخرى طريق واحد لإنقاص (Eutrophication) والتطوير اللاحق لـ (HABs). مثل هذه التعليمات كان لها نجاح في انظمه مثل مصب بيل-هارفي (Peel–Harvey Estuary) في غرب استراليا في المساعده على السيطره على ازدهار البكتيريا الخضراء المزرقه السامه (Nodularia spumigena) وفي انخفاض تردد ازدهار قتل السمك في ميناء هونج كونج.
هناك وجهة نظر حول إدارة أنواع الطحالب, على سبيل المثال, للترويج لازدهار الدياتوم الغير سام عن طريق تعديل نسب المغذيات, قد يكون طريق واحد لتحكم التأثيرات المضاده من مزارع (Eutrophication). يمكن الترويج للازدهار الغير ضار ثم تباعاً تستعمل للترويج لنوع الغذاء الثمين. هذه من مسلمات تجارب النظام البيئي الرئيسي مثل (MARICULT). بالمقابل, هناك زيادة قلق حول مساهمة المواد المغذيه في زعانف اسماك الأحياء المائيه قد يحفز الازدهار الطحلبي عن طريق زيادة تحميل المواد المغذيه أو شكل المواد المغذيه المستخدمه في تغذية الأحياء المائيه, مثل, أفضل إفاده محتمله للأمونيا هي عن طريق (dinoflagellates) السامه عن غيرها من الفايتوبلانكتون. عالمياً هناك فجوه واسعه بين إنتاج محلات الأسماك البريه والطلب المتزايد على المأكولات البحريه مع زيادة عدد سكان العالم. قدرت منظمة الأمم المتحده للأغذيه والزراعه زيادة الإنتاج العالمي للأحياء المائيه 25% بحلول 2010م. تحت مثل هذا الضغط العالمي الذي على نحو متزايد يدرك بان الحصص الصارمه, سواءً على مستوى الزراعه البحريه في مناطق خاصه وأيضاً على مساهمة المغذيات من قبل عمليات الأحياء المائيه سيكون مطلوب, ليس فقط بسبب الخطر المتزايد لـ (HABs), لكن أيضاً بسبب النتائج الواسعة الانتشار الأكثر ضرر على النظام البيئي.
التحكم بمساهمة ومكان المواد المغذيه للحصص يعمل في اغلب الأحيان في غياب الدراسات الاساسيه الجيده مع مجموعة معلومات طويلة المدى. على أية حال هناك جهود متزايده لأخذ المعرفه حول الانظمه البيئيه وتطوير نماذج للمساعده في التنبؤ بالازدهار الطحلبي وإدارة الانظمه البيئيه. الأجوبه للإسئله الرئيسيه مطلوبه. هذه الإسئله تتضمن: هل التخفيضات الرئيسيه لمصادر المغذيات (سواءً تشير أو لا تشير للمصادر أو كلاهما) ساعد لاعتقال حدوث وإصرار الازدهار الطحلبي المزعج. بينما هناك بعض الثقه بان نماذج أنظمة مصبات المياه والمياه العذبه يمكن أن تطور لها قوه تنبؤيه, نماذج تنبؤ الازدهار الطحلبي الضار تحتاج تطوير أكثر.
عالمياً, (Eutrophication) وتسمم الماء من الازدهار الطحلبي الضار تخاطب ببرامج البحث والإداره في الميزان الدولي والأقليمي والوطني والمحلي. حالياً اللجنه العلميه على أبحاث المحيطات (SCOR) ولجنة علم المحيطات ما بين الحكومات (المنظمه الدوليه للتربيه والعلوم والثقافه (UNESCO)) تطور برنامج على علم البيئه العالمي وعلم المحيطات للازدهار الطحلبي الضار. مع أفق لعشر سنوات, أهداف رئيسيه تتضمن: تحديد أهمية (Eutrophication) وممرات تحويل المغذيات إلى التجمعات الديناميكيه لـ (HAB), تعرف الخصائص المعينه وتكيف أنواع (HAB) التي تقرر متى وأين تحدث وتنتج التأثيرات الضاره, وتحسن اكتشاف وتنبؤ بـ (HABs) عن طريق تطوير القابليات في الملاحظه والعرض. الأمثله البارزه الأخرى للبرامج الرئيسيه مؤسسة العلوم الوطنيه الأمريكيه وإدارة علم المحيطات الوطنيه وبرنامج ECOHAB (علم البيئه وعلم المحيطات للازدهار الطحلبي الضار) وبرنامج الاتحاد الأوربي EUROHAB.

5- الاستخدام المحتمل للطحالب الدقيقه المنتجه للسموم
التسمم بالتعريف له تضمين سلبي ضمن النطاق الواسع لجزيئات النشاط الحيوي للتقنيه الحيويه, هناك منافع محتمله ليست فقط من السموم ولكن أيضاً باستخدام الطحالب الدقيقه المنتجه للسموم كمصادر غنيه لجزيئات النشاط الحيوي الأخرى للتطبيقات الطبيه والصيدليه. الاستغلال الكامل لبعض تطبيقات زراعة الكتله الحيويه أو تشكيل الازدهار الاصطناعي قد تسهل العمليه كثيراً. بينما هناك تأكيد كبير على تطوير الإنتاج العالي للتفاعلات الحيويه الضوئيه لإنتاج الطحالب الدقيقه المكلفه, اعتبر أن العديد من الطحالب الدقيقه السامه صعبة الزراعه, هشه جداً, صعبه في متطلباتها لتنمو في كثافه عاليه. بعض سمات أنواع (HAB) تقترح النقاش, بمعنى إن الخصائص بما فيها القدره على التركز والتجمع في مواضع تجمعات ذات كثافه عاليه, لذلك أنواع (HAB) لها القدره الطبيعيه على الزراعه بكثافه عاليه. مؤخراً نجح العالم باركر وآخرون في زراعه (Alexandrium minutum) السام والمتين نسبياً بكثافه عاليه. مثل هذه الدراسات تمهد الطريق للتأثيرات المفيده من الطحالب الدقيقه التي هي مسئوله في اغلب الأحيان عن التسمم الضار في البيئه الطبيعيه, خصوصاً في تزايد (Eutrophication) في مياه البيئه العالميه.