מיקרואורגניזמים החיים בריכוזי מלח גבוהים: הביולוגיה של בריכות המלח באילת

מאת פרופ' אהרון אורן, המכון למדעי החיים, האוניברסיטה העברית בירושלים*

הטכנולוגיה של הפקת מלח באמצעות אידוי מי-ים**

כבר שנים רבות מפיקים מלח על ידי אידוי מי-ים בבריכות שטוחות לאורך החופים באזורים טרופיים ותת-טרופיים.  בישראל קיימים שלושה מפעלים שבהם מופק מלח בישול (NaCl) בבריכות אידוי. במסגרת תעשיות מלח לישראל פעילות בריכות אידוי על חוף ים התיכון ליד עתלית (מאז 1924) ובאילת (מאז 1980). כמו כן מופק מלח בבריכות האידוי של מפעלי ים המלח בסדום,  שם מלח בישול מהווה תוצר לוואי של תהליך הפקת האשלג.

בריכות האידוי הראשונות של המפעל באילת מוקמו באזור עין עברונה. מי הים שם מתאדים ומתרכזים פי 2-3, ו-CaCO₃  שוקע במהלך התהליך. לאחר מכן מועברים המים לבריכות באילת להמשך האידוי. כאשר המליחות עולה ל-150-200 גרם לליטר שוקעות כמויות גדולות של גבס ((CaSO₄^.2H₂O. לבסוף מועברים המים לבריכות הגיבוש, שם מלח הבישול שוקע ומצטבר בקרקעית.  התמלחת שנשארת מכילה את רוב המגנזיום, האשלגן וחלק גדול של הסידן והכלוריד.

בעבר הוזנו בריכות ממלח באילת במים מהמפרץ, אך בשנים האחרונות היתוסף מקור חשוב של מלחים - מי הרכז של המפעל להתפלת מי תהום מליחים להפקת מי שתייה על ידי אוסמוזה הפוכה.

המיקרוביולוגיה של בריכות המלח באילת

בריכות המלח מהוות ביוטופ עשיר להתפתחות מיקרואורגניזמים.  ככל שריכוז המלח עולה, נוכחות המיקרואורגניזמים בולטת יותר.  התמלחות שבהן שוקע מלח הבישול הן בעלות גוון אדום-ורוד כתוצאה מנוכחות אוכלוסיות צפופות מאוד של חיידקים אדומים ואצות חד-תאיות בעלות צבע כתום. הסתכלות מיקרוסקופית מראה, שרוב החיידקים הם בעלי צורה לא שגרתית: הם דקים מאוד (פחות מ- 0.2 מיקרומטר) וצורתם מרובעת או מלבנית עם אורך צלע שנע בין 3-5 מיקרומטר.  צבעם נובע מנוכחות קרוטנואידים הממוקמים בקרום התא וכן מנוכחות בקטריורודופסין, שהוא חלבון סגול הנמצא גם הוא בקרום התא. חלבון זה מראה דמיון רב לרודופסין, פיגמנט הראייה בעין האדם. תכונותיו של חלבון זה יידונו בהמשך.

האצה החד-תאית החיה בבריכות הגיבוש מכונה

Dunaliella salina. תאי הדונליאלה, שגודלם כ-8 מיקרומטר, נעים במים בעזרת שני שוטונים. הפיגמנט המקנה את הצבע הכתום לאצה הוא בטא-קרוטן (פיגמנט זהה לזה של שורש הגזר).  קרוטנואידים כגון בטא-קרוטן ידועים כלוכדי רדיקלים חופשיים, והם מגינים על המיקרואורגניזמים מפני נזק הנגרם מחשיפה לעוצמות אור גבוהות.  הצבע האדום של התמלחות בבריכות הגיבוש עוזר בתהליך הפקת המלח, כי אנרגיית האור הנבלע על ידי המיקרואורגניזמים משתחררת כחום, תוך העלאת טמפרטורת המים והגברת האידוי.

בקרקעיתן של בריכות האידוי הפחות מלוחות אנו מוצאים מרבדים צפופים של מיקרואורגניזמים, שבהם שולטות הכחוליות (ציאנובקטריה). הכחוליות הן חיידקים פוטוסינתטיים חד-תאיים או חוטיים, אשר תורמות גם הן לבליעת האור. כמו כן יוצרות כחוליות אלו כמויות גדולות של ריר המורכב מרב-סוכרים. ריר זה אוטם את קרקעית הבריכה ומונע דליפה של תמלחות אל מי התהום. שכבת הגבס המתפתחת במליחות של כ-200 גרם לליטר מכילה אוכלוסיות צבעוניות משוכבות. מלמעלה למטה אנו פוגשים שכבה חומה-כתומה עם כחוליות חד-תאיות, שכבה ירוקה של כחוליות חוטיות, שכבה סגולה עם חיידקי גופרית פוטוסינתטיים, ובסוף שכבת בוץ שחור שבה מתרחשים תהליכי פירוק אל-אווירניים עם חיזור סולפאט לסולפיד.

מנגנוני הסתגלות של מיקרואורגניזמים לחיים בריכוזי מלח גבוהים

כאשר מעבירים תא שאינו רגיל לחיים במלח לסביבה בעלת מליחות גבוהה, התגובה המיידית היא איבוד מים מהתא. קרום התא  חדיר למחצה, וכתוצאה מכך מים יוצאים מהתא בצורה חופשית, ואילו מלחים אינם חודרים פנימה. חשיפה לתמלחות מרוכזות תגרום אפוא להתייבשות מהירה של התא, ולכן לא ייתכן שמיקרואורגניזמים המתקיימים במליחות גבוהה ישמרו על ציטופלסמה מהולה. הציטופלסמה חייבת להיות בעלת לחץ אוסמוטי דומה לזה של התמיסה, שבה נמצא התא. למעשה, הלחץ האוסמוטי של הציטופלסמה צריך להיות גבוה במעט יותר מזה של הסביבה, כדי שלתאים יהיה לחץ טורגור הדוחף את קרום התא אל הדופן החיצונית. 

קיימים מספר מנגנונים בטבע המאפשרים השגת איזון אוסמוטי.  החיידקים האדומים המאכלסים את בריכות הגיבוש צוברים KCl בתוך התא, בריכוז דומה לזה של ה-aCl  שבמצע.  אסטרטגיה זו של "מלח בפנים" לאיזון המליחות החיצונית דורשת התאמה של כל המערכות התוך-תאיות לנוכחות ריכוזי מלח גבוהים. מסתבר שהאנזימים והחלבונים האחרים של החיידקים האדומים לא רק שהם מסוגלים לתפקד בנוכחות ריכוזים מולריים של KCl, הם אף דורשים אותם, והם מאבדים כל פעילות כאשר מעבירים אותם לריכוזי מלח נמוכים.  מיקרואורגניזמים שאימצו את האסטרטגיה של "מלח בפנים" אינם מסוגלים לחיות במליחות נמוכה.

האסטרטגיה השניה להתאמה לחיים במלח היא למנוע מריכוזי יונים גבוהים להגיע אל הציטופלסמה, ולהחזיק אנזימים "רגילים".  האיזון האוסמוטי מושג על ידי מומסים אורגניים בלתי מיוננים, שהתא מייצר או אוגר מהסביבה החיצונית. מומסים אוסמוטיים כאלה הם תרכובות בעלות משקל מולקולרי נמוך, בעלות מסיסות גבוהה, שאינן מפריעות לפעילות אנזימטית.  דוגמה אחת של מומס כזה היא הגליצרול שמצטבר בריכוז גבוה בתוך תאי דונליאלה.  חיידקים הלופיליים (אוהבי מלח) והלוטולרנטיים (המסוגלים לסבול מלח אך אינם דורשים אותו) יכולים לצבור נגזרות של חומצות אמיניות כגון אקטואין ( -  ectoine

,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidine carboxylic  acid) שהוא חומר אוסמוטי נפוץ ביותר בטבע, סוכרים פשוטים ועוד.  היתרון הנובע משימוש במומסים אורגניים כגון אלו הוא שניתן לווסת את ריכוזם התוך-תאי בהתאם למליחות הסביבה החיצונית,  ובכך לזכות במידה גדולה של גמישות לשם התאמה לטווח רחב של ריכוזי מלח.

מרובע זה יפה

החיידקים המרובעים השטוחים, הנפוצים בבריכות הגיבוש של מפעל המלח באילת, הם אולי היצורים החיים בעלי הצורה המוזרה ביותר, שכן זוויות ישרות אינן נפוצות בעולם החי. אם אכן תאים אלה הם בעלי לחץ טורגור, צורה של ריבוע או מלבן שטוח תהיה לא יציבה.

החיידקים המרובעים תוארו לראשונה בשנת 1980 משלולית מלח על חוף סיני ליד נאבק, אך רק לפני מספר חודשים בלבד הצליחו לגדל אותם. לכן ניתן לצפות, שבעתיד הקרוב נלמד יותר על תכונותיהם. יתרון ברור אחד של הצורה השטוחה הוא יחס שטח לנפח גדול מאוד, המאפשר יעילות רבה של קליטת חומרי מזון מהמים.  לחץ הטורגור בחיידקים ההלופיליים האדומים הוא קטן מאוד, מה שמאפשר את קיום התאים השטוחים.

מספר הביטים ישומיים של מיקרואורגניזמים הלופיליים

ליצורים ההלופיליים כגון אלה שאנו פוגשים בבריכות המלח של אילת, יש  מספר יישומים מעניינים הקשורים ליצור כימיקלים בעלי ערך כלכלי.  להלן מספר דוגמאות:

גליצרול

כפי שתואר לעיל, האצה דונליאלה שומרת על איזון אוסמוטי על ידי צבירת ריכוז גבוה של גליצרול בתוך התא. בתאים שגדלו ב- 4M מלח נמדד ריכוז תוך-תאי של 7.8 M גליצרול, כלומר, 718 גרם לליטר.  בשנות ה-70 ייסדה חברת כור מפעל באילת להפקת גליצרול מביומסה של דונליאלה. למרות שחומרי הגלם הם זולים - פחמן דו-חמצני מהאוויר, אור השמש ומלח, תהליך ההפקה נמצא לא כדאי מבחינה כלכלית בגלל העלות הגבוהה של איסוף התאים ומיצוי וניקוי התוצר.  מפעל הגליצרול הוסב מאוחר יותר להפקת בטא-קרוטן (ראו מטה).

אקטואין

אקטואין והנגזרת שלו הידרוקסי-אקטואין הם המומסים האוסמוטיים הנפוצים ביותר בעולם החיידקים.  חומרים אלה הם בעלי השפעה מייצבת על חלבונים, ובכך הוספת אקטואין יכולה להאריך את זמן הפעילות של אנזימים בעלי יציבות נמוכה.  האקטואינים גם מגנים על DNA, על קרומים ביולוגיים ואף על תאים שלמים בפני נזקים הנגרמים על ידי מלח, טמפרטורה גבוהה, התייבשות והקפאה. שימוש חדש לאקטואין הוא כשומר לחות במשחות קוסמטיות לטיפול בעור יבש ומזדקן.  הוכח שהאקטואין מעודד את המערכת החיסונית של תאי עור וגם מגן בפני נזקי קרינת שמש.  חברת Merck בגרמניה הכניסה לשוק."RonaCare^TM Ectoin"    החומר מיוצר על ידי חברת Bitop בגרמניה מחיידקי Halomonas בתהליך ייצור מעניין המבוסס של "חליבה" של חיידקים.  מגדלים את החיידקים בצפיפות רבה בריכוז מלח גבוה (100 גרם לליטר).  כאשר מוהלים את התרבית לריכוז מלח של 20 גרם לליטר, רוב האקטואינים מופרשים החוצה, וניתן להפיק אותם מהמדיום.  החיידקים אינם נפגעים מהטיפול, וכאשר שוב מעלים את ריכוז המלח הם שבים ומייצרים אקטואינים ברמה גבוהה, כך שניתן לחזור על תהליך ה"חליבה" פעמים רבות.  

בטא-קרוטן

תאי דונליאלה יכולים לצבור בטא-קרוטן עד לריכוז של 10 אחוז ממשקלם היבש. בטא-קרוטן הוא חומר יקר-ערך, הנמצא בשימוש כצבע מאכל, כחומר גלם ליצירת ויטמין A, כתוסף לתמרוקים וכמזון בריאות. 

חברת NBT באילת (Nature Beta Technologies – חברה בת שלNikken Sohonsha Co., Japan - מגדלת דונליאלה במערכת מבוקרת כדי להגביר ככל האפשר את ייצור הבטא-קרוטן. הטכנולוגיה פותחה במכון ויצמן בשנות ה-70 וה-80, והיא יושמה בבריכות מפעל הדונליאלה של חברת כור באילת, מפעל שהוקם במטרה להפיק גליצרול מאצה זו.  בשנת 1988 נקנה המפעל על ידי החברה היפנית. תאי דונליאלה מלאי בטא-קרוטן נאספים על ידי סירכוז.  לאחר ייבוש הם נשלחים ליפן, שם מפיקים את הפיגמנט ומשווקים אותו כמזון בריאות.

בקטריורודופסין

בקטריורודופסין, הפיגמנט הסגול הנמצא בחיידקים הלופיליים אדומים רבים, הוא חלבון בעל משקל של kDa 25, שקשורה אליו מולקולת רטינל – מולקולה בעלת 20 פחמנים המופקת מבטא-קרוטן.  כאשר פוטון נבלע על ידי בקטריורודופסין, מתרחש תהליך מחזורי שבו המולקולה (שיא בליעהnm  570) משנה את התכונות האופטיות שלה. אחת מצורות הביניים היא צהובה, עם שיא בליעה ב-nm420.  במהלך המחזור נלקח פרוטון (H⁺) מהצד הפנימי של קרום התא ונפלט בצד החיצוני, כך שנוצר מפל פרוטונים משני צדי הקרום.  התא מנצל את מפל הפרוטונים הזה לקבלת אנרגיה.

נרשמו פטנטים רבים לשימושים אפשריים של הבקטריורודופסין.  ניתן להשתמש במולקולה זו כחומר אופטו-אלקטרוני להפקת הולוגרמות.  ממשטחי בקטריורודופסין ניתן להכין לוחות זיכרון ומעבדים למחשבים, ויתכן שהטכנולוגיה המתפתחת תוביל בעתיד לדור חדש של מחשבים. השימוש בבקטריורודופסין מבוסס על השינוי האופטי – מבליעה ב- nm 570 לבליעה ב- nm 420 ובחזרה.  בעזרת קרן לייזר ניתן "לכתוב" על המולקולות ו"לקרוא" את המידע השמור בהן. שימושים אפשריים לבקטריורודופסין הם הפיכת אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית, שימוש בחיישנים לאור, ועוד.  כל זה מתאפשר הודות ליציבות הגדולה של הבקטריורודופסין.  המולקולה יציבה בנוכחות מלח ובהיעדרו, והיא עמידה לחשיפה לטמפרטורות גבוהות. בקטריורודופסין המופק מהחיידק Halobacterium salinarum, משווק על ידי  MIB, Munich Innovative Biomaterials, Germany.

סיכום

סביבות על-מלוחות, כגון בריכות המלח של אילת, מאוכלסות על ידי מגוון גדול של מיקרואורגניזמים המותאמים לקיום בריכוזי מלח גבוהים. הנוכחות המסיבית של המיקרואורגניזמים הצבועים תורמת לתהליך הפקת המלח. ניתן לנצל מיקרואורגניזמים הלופיליים ותוצריהם בתהליכים ביוטכנולוגיים שונים.

*דוא"ל: [email protected]

** החומר נמסר לנו באדיבות לשכת המהנדסים והאדריכלים בישראל - אגודת מהנדסי כימיה.