सूक्ष्मजीव पारिस्थितिकी: अंतःक्रियाएँ, जैव-भू-रासायनिक चक्र व सामुदायिक जीनोमिकी

यह अध्याय जीवन विज्ञान (XL) पेपर के पाँच वैकल्पिक खंडों में से एक, XL3 सूक्ष्मजीव विज्ञान, के खंड XL3.10 का उत्तर देता है: "Microbial Ecology — सूक्ष्मजीवी अंतःक्रियाएँ; कार्बन, सल्फ़र व नाइट्रोजन चक्र; संवहनी पादपों से जुड़े मृदा सूक्ष्मजीव; जैव-उपचारण; असंवर्धनीय सूक्ष्मजीव; metagenomics व metatranscriptomics की मूल अवधारणा।" यह पढ़ाता है कि सूक्ष्मजीव समुदायों में कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, वे कार्बन, सल्फ़र व नाइट्रोजन चक्र कैसे चलाते हैं, मूलमंडल के सूक्ष्मजीव व मूल-सहजीविताएँ, सूक्ष्मजीव प्रदूषण कैसे साफ़ करते हैं, अधिकांश सूक्ष्मजीव संवर्धन का प्रतिरोध क्यों करते हैं, तथा metagenomics व metatranscriptomics बिना संवर्धन के उनका अध्ययन कैसे करते हैं। आंकिक प्रश्न एक नाइट्रोजन बजट, अनुक्रमण coverage गहराई, Simpson का विविधता-सूचकांक, व नाइट्रोजन स्थिरीकरण की ATP लागत हैं।

1. सूक्ष्मजीवी अंतःक्रियाएँ

सूक्ष्मजीव विरले ही अकेले रहते हैं; वे समुदाय बनाते हैं जिनके सदस्य परस्पर क्रिया करते हैं। अंतःक्रियाएँ प्रत्येक साथी के लिए उनके चिह्न से नामित होती हैं। सहोपकारिता (mutualism) में दोनों साथी लाभान्वित होते हैं व संबंध अनिवार्य होता है — lichen (कवक के साथ शैवाल या cyanobacterium) तथा रोमंथी (ruminant) के लिए सेलुलोज़ पचाने वाले rumen सूक्ष्मजीव classic उदाहरण हैं। प्रोटोसहयोग (protocooperation/synergism) में भी दोनों को लाभ पर वह अनिवार्य नहीं। सहभोजिता (commensalism) में एक लाभान्वित व दूसरा अप्रभावित रहता है, जैसे जब एक जीव का अपशिष्ट दूसरे का क्रियाधार हो। अमेंसलिज़्म (amensalism/antagonism) में एक साथी को हानि व दूसरा अप्रभावित, प्रायः किसी निरोधी उत्पाद जैसे प्रतिजैविक या अम्ल द्वारा। प्रतिस्पर्धा (competition) में दोनों को हानि क्योंकि वे किसी सीमित पोषक के लिए होड़ करते हैं, व बेहतर प्रतिस्पर्धी दूसरे को बाहर कर सकता है। परजीविता (parasitism) व परभक्षण (predation) में एक साथी को सीधे हानि — Bdellovibrio, जो अन्य ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं में घुसकर उन्हें खाता है, व जीवाणु चरने वाले protozoa, इसके सूक्ष्मजीवी उदाहरण हैं।

🎯 Syntrophy: जातियों के पार पोषण
एक विशेष सहोपकारिता syntrophy है, जहाँ एक जाति किसी क्रियाधार पर तभी बढ़ सकती है जब कोई साथी उसका उत्पाद हटाए। अवायवीय पाचन में किण्वक जीवाणु हाइड्रोजन छोड़ते हैं जो ऊष्मागतिकीय रूप से स्वतः-सीमित है; मीथेनजनक आर्किया उस हाइड्रोजन का उपभोग करते हैं (अंतरजातीय हाइड्रोजन स्थानांतरण), उसका आंशिक दाब नीचा रखते हैं ताकि किण्वन चल सके। कोई भी साथी अकेले यह कार्य नहीं कर सकता, इसीलिए इतनी पर्यावरणीय प्रक्रियाएँ एकल जातियों के बजाय संघों (consortia) द्वारा चलती हैं।

2. कार्बन व सल्फ़र चक्र

कार्बन चक्र में स्वपोषी प्रकाश-संश्लेषण या रसायन-संश्लेषण द्वारा CO₂ को कार्बनिक पदार्थ में स्थिर करते हैं, व सभी जीव श्वसन से CO₂ लौटाते हैं; अपघटक सूक्ष्मजीव मृत कार्बनिक कार्बन को वापस CO₂ में खनिजीकृत करते हैं। अवायवीय दशाओं में चक्र एक मीथेन-लूप लेता है: मीथेनजनक (methanogen) (आर्किया) CO₂ या ऐसीटेट को मीथेन (CH₄) में अपचयित करते हैं, व मीथेनपोषी (methanotroph) (जीवाणु) जहाँ ऑक्सीजन हो वहाँ CH₄ को वापस CO₂ में ऑक्सीकृत करते हैं। अतः सूक्ष्मजीव हरितगृह गैसों की मुक्ति व मृदा-कार्बनिक पदार्थ के आवर्तन, दोनों को नियंत्रित करते हैं।

सल्फ़र चक्र के प्रमुख रूपांतरण
प्रक्रियारूपांतरणजीव
स्वांगीकरणी सल्फ़ेट अपचयनSO₄²⁻ → कार्बनिक सल्फ़र (जैसे cysteine)पादप, कवक, अनेक जीवाणु
असमांगीकरणी सल्फ़ेट अपचयनSO₄²⁻ → H₂S (अवायवीय श्वसन)Desulfovibrio व अन्य सल्फ़ेट-अपचायक
सल्फ़र ऑक्सीकरणH₂S या S⁰ → SO₄²⁻रसायनस्वपोषी (Thiobacillus); प्रकाश-संश्लेषी सल्फ़र जीवाणु
विसल्फ़रीकरणकार्बनिक सल्फ़र → H₂Sअपघटक सूक्ष्मजीव

दोनों चक्र अवसादों व आर्द्रभूमियों में युग्मित हैं: सल्फ़ेट-अपचायक सल्फ़ेट को इलेक्ट्रॉन-ग्राही बनाकर कार्बनिक कार्बन ऑक्सीकृत करते हैं, जिससे H₂S बनता है जो अनॉक्सी कीचड़ को रंग व गंध देता है, जबकि सल्फ़र-ऑक्सीकारक उस H₂S को ऑक्सी अंतरापृष्ठ पर पुनः ग्रहण करते हैं। अम्ल खान-निकास यही रसायन हानिकारक रूप में है — सल्फ़ाइड खनिजों का रसायनस्वपोषी ऑक्सीकरण सल्फ़्यूरिक अम्ल बनाता है। ये रूपांतरण दर्शाते हैं कि किसी एक तत्त्व का चक्र वस्तुतः जुड़ी हुई अपचयोपचय अभिक्रियाओं का समूह है, जिनमें प्रत्येक एक चरण हेतु विशेषीकृत सूक्ष्मजीव-श्रेणी द्वारा चलाई जाती है।

ℹ️ इलेक्ट्रॉन-दाता के रूप में H₂S
अनॉक्सीजनिक प्रकाश-संश्लेषी हरित व बैंगनी सल्फ़र जीवाणु प्रकाश-संश्लेषण हेतु इलेक्ट्रॉन-दाता के रूप में H₂O के बजाय H₂S का उपयोग करते हैं, ऑक्सीजन छोड़ने के बजाय मौलिक सल्फ़र निक्षेपित करते हैं। यह सल्फ़र व कार्बन चक्रों को जोड़ता है और स्मरण कराता है कि प्रकाश-संश्लेषण सदा ऑक्सीजनी नहीं होता।

3. नाइट्रोजन चक्र

नाइट्रोजन निष्क्रिय N₂ गैस के रूप में प्रचुर पर उपयोगी रूप में दुर्लभ है, अतः सूक्ष्मजीवी नाइट्रोजन चक्र काफ़ी हद तक जैविक उत्पादकता नियंत्रित करता है। इसके चरण हैं: नाइट्रोजन स्थिरीकरण (N₂ → NH₃), जो केवल प्रोकैरियोट ऑक्सीजन-संवेदी एंज़ाइम nitrogenase से करते हैं — मुक्तजीवी स्थिरक में वायवीय Azotobacter, अवायवीय Clostridium व Anabaena जैसे cyanobacteria (विशेष heterocyst में), और सहजीवी स्थिरक में शिंब-ग्रंथिकाओं में Rhizobium व actinorhizal पादपों में Frankia; अमोनीकरण (कार्बनिक N → NH₄⁺) अपघटकों द्वारा; नाइट्रीकरण (Nitrosomonas द्वारा NH₄⁺ → NO₂⁻, फिर Nitrobacter द्वारा NO₂⁻ → NO₃⁻), एक वायवीय रसायनस्वपोषी प्रक्रिया; व विनाइट्रीकरण (NO₃⁻ → N₂) Pseudomonas जैसे विकल्पी अवायवीयों द्वारा, जो नाइट्रोजन वायुमंडल में लौटाता है व मृदा-उर्वरता की हानि दर्शाता है।

दो और अपचयी चरण चित्र पूरा करते हैं। स्वांगीकरणी नाइट्रेट अपचयन पादपों व सूक्ष्मजीवों को अमीनो अम्ल बनाने हेतु NO₃⁻ को वापस NH₃ में बदलने देता है, अतः अवशोषित नाइट्रेट व्यर्थ नहीं जाता। इसलिए चक्र उन प्रक्रियाओं (स्थिरीकरण, अमोनीकरण, नाइट्रेट-अवशोषण पोषित करने वाला नाइट्रीकरण) व उन प्रक्रियाओं (विनाइट्रीकरण, anammox, व अत्यंत विलेय नाइट्रेट का मूल-क्षेत्र से नीचे निक्षालन) के बीच संतुलन है जो नाइट्रोजन उपलब्ध कराती व हटाती हैं। चूँकि नाइट्रेट गतिशील है व अमोनियम चिकनी मिट्टी पर टिका रहता है, मृदा में नाइट्रोजन किस रूप में है यह बहुत तय करता है कि कितना हानि होता है।

🧠 Nitrogenase, उसकी लागत, व anammox
डाइनाइट्रोजन स्थिर करना महँगा है: सरलीकृत रससमीकरणमिति N₂ + 8 H⁺ + 8 e⁻ + 16 ATP → 2 NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pᵢ है, अतः प्रति N₂ 16 ATP खर्च होते हैं (प्रति अमोनिया 8)। Nitrogenase O₂ से अनुत्क्रमणीय रूप से विषाक्त होता है, इसीलिए वायवीय इसे बचाते हैं — cyanobacteria में heterocyst द्वारा व शिंब-ग्रंथिकाओं में O₂ सोखने वाले leghaemoglobin द्वारा। एक अलग अवायवीय लघुमार्ग, anammox (NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂), जिसे planctomycete जीवाणु करते हैं, महासागरीय नाइट्रोजन का बड़ा अंश N₂ में लौटाता है।

4. संवहनी पादपों से जुड़े मृदा सूक्ष्मजीव

मूलमंडल (rhizosphere) जड़ के चारों ओर मृदा का पतला क्षेत्र है, जो मूल-निःस्राव (शर्कराएँ, अमीनो अम्ल, कार्बनिक अम्ल) से समृद्ध होकर बाहरी मृदा से कहीं अधिक सूक्ष्मजीव पालता है — सूक्ष्मजीव-संख्या का मूलमंडल-से-मृदा (R:S) अनुपात प्रायः 10–100 होता है। कई संबंध कृषि में केंद्रीय हैं। कवकमूल (mycorrhiza) जड़-कवक सहजीविताएँ हैं जो पादप-शर्कराओं के बदले फॉस्फेट व जल हेतु अवशोषी सतह बहुत बढ़ा देती हैं: अर्बुस्कुलर (एंडो-)कवकमूल (Glomeromycota) कॉर्टेक्स कोशिकाओं में घुसकर arbuscule बनाते व अधिकांश फ़सलों में होते हैं, जबकि एक्टोकवकमूल अनेक वृक्षों की जड़ों के चारों ओर आवरण (sheath) व Hartig net बनाते हैं।

शिंब–Rhizobium सहजीविता सर्वाधिक अध्ययनित है: Nod factor मूल-रोम कुंचन व ग्रंथिका-निर्माण उकसाते हैं, जीवाणु bacteroid में विभेदित होते हैं, व पादप leghaemoglobin मुक्त O₂ को इतना नीचा रखता है कि nitrogenase सुरक्षित रहे पर bacteroid-श्वसन भी चले। पादप-वृद्धि संवर्धक मूलमंडल जीवाणु (PGPR) जैसे Azospirillum, Pseudomonas व Bacillus बिना ग्रंथिका बनाए पादपों की मदद करते हैं — कुछ नाइट्रोजन स्थिर करके, फॉस्फेट विलेयीकरण करके, पादप-हॉर्मोन व लौह-संग्राही siderophore बनाकर, व रोगाणुओं का दमन करके (जैव-नियंत्रण)। जल-फ़र्न Azolla, अपने cyanobacterial सहजीवी सहित, धान के लिए परंपरागत हरी खाद है।

5. जैव-उपचारण (bioremediation)

जैव-उपचारण (bioremediation) सूक्ष्मजीवों (या उनके एंज़ाइमों) का उपयोग प्रदूषकों को CO₂, जल व जैवभार जैसे हानिरहित उत्पादों में अपघटित या विषहीन करने हेतु करता है। यह दूषित मृदा खोदकर भस्म करने से सस्ता व कम विघटनकारी है, पर धीमा है और इससे सीमित कि सूक्ष्मजीव किस तक पहुँच व किसे सह सकते हैं। कार्बनिक प्रदूषक — पेट्रोलियम हाइड्रोकार्बन, विलायक, कीटनाशी, बहुचक्रीय ऐरोमैटिक — Pseudomonas व Alcanivorax (तेल-अपघटन विशेषज्ञ) जैसे जीवाणुओं द्वारा टूटते हैं; कुछ यौगिकों पर केवल सह-उपापचय (co-metabolism) से प्रहार होता है, जहाँ सूक्ष्मजीव किसी और पर बढ़ते हुए प्रदूषक का रूपांतरण करता है। विषैली धातुएँ नष्ट नहीं होतीं पर स्थिरीकृत या संयोजकता-परिवर्तित की जा सकती हैं — विलेय, विषैले क्रोमियम(VI) का अविलेय क्रोमियम(III) में सूक्ष्मजीवी अपचयन, या mer तंत्र द्वारा पारद-आयन का अपचयन, उनका संकट घटाता है।

सफलता तीन बातों पर निर्भर है जिन्हें सूक्ष्मजीव स्वयं नहीं बदल सकते: ऑक्सीजन (हाइड्रोकार्बन का वायवीय अपघटन अवायवीय से कहीं तेज़ है, अतः वातन मदद करता है), पोषक (कार्बन-समृद्ध प्रदूषक को नाइट्रोजन व फॉस्फोरस से संतुलित करना होता है), व जैव-उपलब्धता (मृदा से कसकर बँधा या तैलीय बूँद में बंद प्रदूषक पहुँच से बाहर रहता है, इसीलिए पृष्ठसक्रियक व जुताई प्रयुक्त होते हैं)। अत्यधिक क्लोरीनित विलायक जैसे दुर्दम्य यौगिक प्रहार का प्रतिरोध करते हैं व पहले अवायवीय विक्लोरीनक समुदाय, फिर वायवीय परिष्करण चाह सकते हैं।

  • यथास्थान (in situ) विधियाँ प्रदूषण को वहीं उपचारित करती हैं: जैव-उद्दीपन (देशज सूक्ष्मजीवों को पोषने हेतु नाइट्रोजन, फॉस्फोरस या ऑक्सीजन जोड़ना, जैसे तेल-रिसाव में उर्वरण), जैव-संवर्धन (चयनित प्रभेद जोड़ना), bioventing व प्राकृतिक अपक्षीणन।
  • बहिःस्थान (ex situ) विधियाँ पहले पदार्थ हटाती हैं: landfarming, कंपोस्टिंग, biopile व slurry जैव-रिएक्टर, जहाँ दशाएँ अधिक कसकर नियंत्रित की जा सकती हैं।

6. असंवर्धनीय सूक्ष्मजीव, metagenomics व metatranscriptomics

great plate count anomaly यह निष्कर्ष है कि सूक्ष्मदर्शी में दिखने वालों की तुलना में कहीं कम सूक्ष्मजीव प्रयोगशाला माध्यमों पर बढ़ते हैं — प्रायः किसी पर्यावरणीय समुदाय का 1% से कम सहज संवर्धनीय होता है। शेष मृत नहीं बल्कि मानक दशाओं में असंवर्धनीय होते हैं: उन्हें साथी (syntrophy), अज्ञात वृद्धि-कारक, अत्यंत धीमी वृद्धि, या विशिष्ट रसायन चाहिए हो सकते हैं, और कुछ जीवनक्षम-पर-असंवर्धनीय (VBNC) अवस्था में चले जाते हैं। कुछ को पुनः प्राप्त करने वाली विधियों में तनुकरण-से-विलोपन, विसरण-कक्ष व iChip (यथास्थान वृद्धि), व सह-संवर्धन हैं; पर अधिकांश का अध्ययन संवर्धन-निरपेक्ष आणविक विधियों से होता है।

💡 संभाव्यता बनाम सक्रियता
Metagenomics को किसी कारख़ाने की सभी मशीनों की पूरी सूची पढ़ना समझें (वे जीन जो वह चला सकता है) और metatranscriptomics को यह देखना कि अभी कौन-सी मशीनें चालू हैं (वे जीन जो अनुलेखित हो रहे)। कोई समुदाय विनाइट्रीकरण जीन रख सकता है फिर भी उसे केवल तब अभिव्यक्त करे जब ऑक्सीजन घटे, अतः DNA क्षमता बताता है व RNA नमूना लेने के क्षण की साकार प्रक्रिया।

Metagenomics किसी पर्यावरण से सीधे निकाले गए कुल DNA का अनुक्रमण करता है, संवर्धन को पूरी तरह दरकिनार करके। Amplicon metagenomics एक मार्कर जीन — प्रोकैरियोट हेतु प्रायः 16S rRNA जीन — का अनुक्रमण कर बताता है कौन मौजूद है व किस अनुपात में; shotgun metagenomics सारे DNA का अनुक्रमण कर बताता है वे क्या कर सकते हैं, क्रियात्मक जीन व यहाँ तक कि लगभग पूर्ण जीनोम (metagenome-assembled genome) पुनः प्राप्त करके। Metatranscriptomics समुदाय की कुल RNA (mRNA) का अनुक्रमण कर दिखाता है कौन-से जीन वास्तव में यथास्थान अभिव्यक्त हो रहे हैं — आनुवंशिक संभाव्यता व साकार सक्रियता का अंतर। रीडों को OTU या यथातथ अनुक्रम-भेदों में समूहित कर विविधता-सूचकांकों से सारांशित किया जाता है; अनुक्रमण की गहराई (coverage) तय करती है कि दुर्लभ समुदाय का कितना भाग दिखे।

मुख्य बिंदु

  • सूक्ष्मजीवी अंतःक्रियाएँ प्रत्येक साथी के लिए उनके चिह्न से नामित होती हैं: सहोपकारिता (दोनों को लाभ, अनिवार्य), प्रोटोसहयोग, सहभोजिता, अमेंसलिज़्म, प्रतिस्पर्धा, परजीविता व परभक्षण; syntrophy (अंतरजातीय हाइड्रोजन स्थानांतरण) संघों को वह करने देती है जो कोई एकल जाति नहीं कर सकती।
  • सूक्ष्मजीव कार्बन चक्र (स्थिरीकरण, श्वसन, मीथेनजनन व मीथेनपोषण) व सल्फ़र चक्र (स्वांगीकरणी व असमांगीकरणी सल्फ़ेट अपचयन, सल्फ़र ऑक्सीकरण, विसल्फ़रीकरण) चलाते हैं; कुछ प्रकाश-संश्लेषी H₂O के बजाय H₂S उपयोग करते हैं।
  • नाइट्रोजन चक्र स्थिरीकरण (nitrogenase, प्रति N₂ 16 ATP, O₂-संवेदी), अमोनीकरण, नाइट्रीकरण (Nitrosomonas फिर Nitrobacter, वायवीय) व विनाइट्रीकरण (N₂ तक, अवायवीय) है; anammox एक अवायवीय NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ लघुमार्ग है।
  • मूलमंडल मूल-निःस्राव से पोषित सूक्ष्मजीवों से भरा है; कवकमूल (अर्बुस्कुलर व एक्टो-) फॉस्फेट व जल अवशोषण बढ़ाते हैं, Rhizobium शिंबों में ग्रंथिका बनाता है (leghaemoglobin nitrogenase की रक्षा करता है), व PGPR बिना ग्रंथिका के वृद्धि संवर्धित करते हैं।
  • जैव-उपचारण कार्बनिक प्रदूषकों (हाइड्रोकार्बन Pseudomonas, Alcanivorax द्वारा; कभी सह-उपापचय से) को अपघटित करता व धातुओं को स्थिरीकृत या संयोजकता-परिवर्तित करता है; यथास्थान विधियाँ (जैव-उद्दीपन, जैव-संवर्धन) वहीं उपचारित करती हैं, बहिःस्थान पहले हटाती हैं।
  • किसी पर्यावरण के 1% से कम सूक्ष्मजीव संवर्धनीय हैं (great plate count anomaly); संवर्धन-निरपेक्ष metagenomics (कौन के लिए 16S amplicon, क्या के लिए shotgun) व metatranscriptomics (कौन-से जीन सक्रिय, इसके लिए RNA) शेष को उजागर करते हैं।

अभ्यास प्रश्न (16)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. एक lichen में कवक व एक प्रकाश-संश्लेषी साथी साथ रहते हैं और दोनों लाभान्वित होते हैं, संबंध टूटने पर कोई नहीं टिकता। यह अंतःक्रिया है:

    1. सहभोजिता (commensalism)
    2. अमेंसलिज़्म (amensalism)
    3. परजीविता (parasitism)
    4. सहोपकारिता (mutualism)
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — सहोपकारिता (mutualism)

    दोनों साथी लाभान्वित होते हैं व संबंध अनिवार्य है, जो सहोपकारिता है। सहभोजिता केवल एक को लाभ देती व दूसरे को अप्रभावित छोड़ती है; अमेंसलिज़्म एक को हानि पहुँचाती है; परजीविता एक साथी को दूसरे के लाभ हेतु हानि पहुँचाती है — इनमें कोई भी दोनों के लिए हितकर संबंध पर नहीं बैठता।

  2. कौन-सा अनुक्रम नाइट्रीकरण व उसके जीवों को सही दर्शाता है?

    1. Nitrosomonas द्वारा NO₃⁻ → N₂, फिर Nitrobacter द्वारा N₂ → NH₃
    2. Nitrobacter द्वारा N₂ → NH₃, फिर Nitrosomonas द्वारा NH₃ → NO₃⁻
    3. Nitrosomonas द्वारा NH₄⁺ → NO₂⁻, फिर Nitrobacter द्वारा NO₂⁻ → NO₃⁻
    4. Nitrobacter द्वारा NO₃⁻ → NO₂⁻, फिर Nitrosomonas द्वारा NO₂⁻ → NH₄⁺
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — *Nitrosomonas* द्वारा NH₄⁺ → NO₂⁻, फिर *Nitrobacter* द्वारा NO₂⁻ → NO₃⁻

    नाइट्रीकरण अमोनियम का नाइट्रेट तक वायवीय ऑक्सीकरण है, दो चरणों में: Nitrosomonas NH₄⁺ को नाइट्राइट तक ऑक्सीकृत करता है, फिर Nitrobacter नाइट्राइट को नाइट्रेट तक। अपचयी अनुक्रम NO₃⁻ → N₂ विनाइट्रीकरण है, व N₂ → NH₃ स्थिरीकरण; ऑक्सीकरण को अपचयन से, या दोनों वंशों को, बदल देना प्रचलित भूल है।

  3. शिंब मूल-ग्रंथिका में leghaemoglobin अनिवार्य है क्योंकि वह:

    1. bacteroid से कार्बन डाइऑक्साइड को ऊपर पत्तियों तक ले जाता है ताकि पादप उसे प्रकाश-संश्लेषण में उपयोग कर सके
    2. मुक्त ऑक्सीजन को इतना नीचा रखता है कि nitrogenase सुरक्षित रहे, फिर भी bacteroid-श्वसन को आपूर्ति हो
    3. nitrogenase के स्थान पर वायुमंडलीय डाइनाइट्रोजन को सीधे अमोनिया में अपचयित करता है
    4. शुष्क ऋतु में पादप के उपयोग हेतु ग्रंथिका में नाइट्रेट संचित करता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — मुक्त ऑक्सीजन को इतना नीचा रखता है कि nitrogenase सुरक्षित रहे, फिर भी bacteroid-श्वसन को आपूर्ति हो

    Nitrogenase O₂ से अनुत्क्रमणीय रूप से निष्क्रिय होता है, फिर भी bacteroid को श्वसन हेतु O₂ चाहिए; leghaemoglobin O₂ से बँधकर उसकी मुक्त सांद्रता नीची रखता है, एंज़ाइम की रक्षा करते हुए श्वसन हेतु ऑक्सीजन पहुँचाता है। वह स्वयं नाइट्रोजन स्थिर नहीं करता (वह nitrogenase है), CO₂ पत्तियों तक नहीं ले जाता, व नाइट्रेट संचित नहीं करता।

  4. एक शोधकर्ता कुल मृदा DNA से प्रवर्धित 16S rRNA जीन का अनुक्रमण करता है, बिना किसी को संवर्धित किए। यह उपागम सर्वोत्तम रूप से कहलाता है:

    1. Metatranscriptomics, जो समुदाय-RNA अनुक्रमित कर बताता है कि कौन-से जीन सक्रिय रूप से अभिव्यक्त हो रहे हैं
    2. शुद्ध-संवर्ध पृथक्करण, जो प्रत्येक प्रभेद की क्रियात्मकता बताता है
    3. Amplicon metagenomics, जो बताता है कि कौन-से taxa मौजूद हैं व उनके अनुपात
    4. Proteomics, जो समुदाय द्वारा बनाए सभी प्रोटीनों का समुच्चय बताता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — Amplicon metagenomics, जो बताता है कि कौन-से taxa मौजूद हैं व उनके अनुपात

    समुदाय-DNA से किसी प्रवर्धित मार्कर जीन (16S rRNA) का अनुक्रमण amplicon metagenomics है; 16S जीन बताता है 'कौन मौजूद है' व किस सापेक्ष प्रचुरता में। Metatranscriptomics अभिव्यक्ति दिखाने को RNA अनुक्रमित करता है, संवर्ध-पृथक्करण को वृद्धि चाहिए (यहाँ वर्जित), व proteomics प्रोटीन मापता है, 16S जीन नहीं।

  5. एक तटीय तेल-रिसाव के बाद अभियंता समुद्रतट पर नाइट्रोजन व फॉस्फोरस उर्वरक जोड़ते हैं पर कोई नए जीवाणु नहीं। रिसा तेल कहीं तेज़ी से अपघटित होता है। यह किसका उदाहरण है:

    1. जैव-संवर्धन, विशेष रूप से चयनित प्रदूषक-अपघटक जीवाणु प्रभेदों को स्थल में प्रवेश कराना
    2. बहिःस्थान landfarming, खोदी मृदा फैलाकर वातित करना
    3. पादप-उपचारण, रोपित वनस्पति से संदूषक निकालना
    4. जैव-उद्दीपन, देशज तेल-अपघटक सूक्ष्मजीवों को एक सीमित पोषक खिलाना
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — जैव-उद्दीपन, देशज तेल-अपघटक सूक्ष्मजीवों को एक सीमित पोषक खिलाना

    पहले से मौजूद प्रदूषक-अपघटक सूक्ष्मजीवों को उद्दीप्त करने हेतु सीमित पोषक (यहाँ N व P) जोड़ना जैव-उद्दीपन है; हाइड्रोकार्बन-समृद्ध रिसाव प्रायः कार्बन-समृद्ध पर नाइट्रोजन- व फॉस्फोरस-दुर्लभ होते हैं, अतः उर्वरण अड़चन हटाता है। जैव-संवर्धन का अर्थ सूक्ष्मजीव जोड़ना होता, जो स्पष्टतः नहीं किया गया; landfarming बहिःस्थान है (मृदा खोदी नहीं गई), व पादप-उपचारण पादपों का उपयोग करता है।

  6. हरित व बैंगनी सल्फ़र जीवाणु पादपों से इस बात में भिन्न हैं कि उनका प्रकाश-संश्लेषण:

    1. पादपों की भाँति जल को इलेक्ट्रॉन-दाता बनाता है व ऑक्सीजन छोड़ता है
    2. इलेक्ट्रॉन-दाता के रूप में H₂S उपयोग करता है व O₂ छोड़ने के बजाय सल्फ़र निक्षेपित करता है
    3. प्रकाश-अभिक्रियाओं के दौरान कार्बन के बजाय नाइट्रोजन स्थिर करता है
    4. कोई प्रकाश नहीं चाहता क्योंकि वह पूर्णतः रसायनस्वपोषी है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — इलेक्ट्रॉन-दाता के रूप में H₂S उपयोग करता है व O₂ छोड़ने के बजाय सल्फ़र निक्षेपित करता है

    अनॉक्सीजनिक सल्फ़र जीवाणु इलेक्ट्रॉन-दाता के रूप में H₂S (H₂O नहीं) उपयोग करते हैं, अतः मौलिक सल्फ़र निक्षेपित करते व ऑक्सीजन नहीं छोड़ते — ऑक्सीजनी पादप-प्रकाश-संश्लेषण से यही निर्णायक अंतर है। वे जल विखंडित नहीं करते, प्रकाश-संश्लेषण कार्बन स्थिर करता है नाइट्रोजन नहीं, व ये प्रकाशपोषी हैं जिन्हें प्रकाश चाहिए।

  7. अवायवीय आपंक में किण्वक जीवाणु तभी अच्छी तरह बढ़ते हैं जब मीथेनजनक उपस्थित हों जो उनके छोड़े हाइड्रोजन का उपभोग करें। मीथेनजनकों को हटाने से किण्वक रुक जाते हैं। यह निर्भरता सर्वोत्तम रूप से कहलाती है:

    1. दोनों समूहों के बीच एक साझा सीमित पोषक के लिए प्रतिस्पर्धा
    2. एक निरोधी उपापचयी उत्पाद द्वारा अमेंसलिज़्म
    3. अंतरजातीय हाइड्रोजन स्थानांतरण द्वारा syntrophy
    4. मीथेनजनकों द्वारा किण्वकों का परभक्षण
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — अंतरजातीय हाइड्रोजन स्थानांतरण द्वारा syntrophy

    किण्वकों की हाइड्रोजन-उत्पादक अभिक्रियाएँ ऊष्मागतिकीय रूप से तभी अनुकूल हैं जब हाइड्रोजन नीचा रहे; मीथेनजनक उसका उपभोग कर ठीक यही करते हैं, अतः प्रत्येक साथी दूसरे पर निर्भर है — अंतरजातीय हाइड्रोजन स्थानांतरण द्वारा syntrophy। यह प्रतिस्पर्धा नहीं (वे एक संसाधन के लिए नहीं होड़ रहे), अमेंसलिज़्म नहीं (साथी मदद करता है, हानि नहीं), व परभक्षण नहीं (मीथेनजनक किण्वकों को नहीं खाते)।

  8. अर्बुस्कुलर कवकमूल अपने परपोषी पादप को मुख्यतः किस प्रकार लाभ देते हैं:

    1. मूल कॉर्टेक्स के भीतर सीधे वायुमंडलीय नाइट्रोजन स्थिर करके व अमोनिया पादप को देकर
    2. विस्तृत कवकतंतु-जाल द्वारा फॉस्फेट व जल का अवशोषण बेहतर करके
    3. अतिरिक्त शर्कराएँ प्रकाश-संश्लेषित कर उन्हें जड़ को देकर
    4. मृदा-सूत्रकृमि पचाकर उनका नाइट्रोजन पादप को छोड़कर
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — विस्तृत कवकतंतु-जाल द्वारा फॉस्फेट व जल का अवशोषण बेहतर करके

    कवकमूल कवकतंतु जड़ की अपनी पहुँच से बहुत आगे फैलते हैं व अल्प-गतिशील पोषकों, सर्वोपरि फॉस्फेट, तथा जल का अवशोषण बहुत बेहतर करते हैं, पादप-शर्कराओं के बदले। कवकमूल कवक नाइट्रोजन स्थिर नहीं करते (वह Rhizobium/Frankia है), विषमपोषी हैं जो शर्करा बनाते नहीं लेते हैं, व सूत्रकृमि-परभक्षी नहीं हैं।

  9. कौन-सी प्रक्रिया मृदा से स्थिरीकृत नाइट्रोजन को वापस वायुमंडलीय N₂ में लौटाती है, जो मृदा-उर्वरता की हानि दर्शाती है?

    1. विनाइट्रीकरण (denitrification)
    2. नाइट्रीकरण (nitrification)
    3. अमोनीकरण (ammonification)
    4. नाइट्रोजन स्थिरीकरण
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — विनाइट्रीकरण (denitrification)

    विनाइट्रीकरण अवायवीय दशाओं में नाइट्रेट को N₂ (NO₂⁻, NO व N₂O होते हुए) में अपचयित करता है, नाइट्रोजन वायु में लौटाता व मृदा-नाइट्रेट घटाता है। नाइट्रीकरण अमोनियम को नाइट्रेट तक ऑक्सीकृत करता है, अमोनीकरण कार्बनिक पदार्थ से अमोनियम छोड़ता है, व स्थिरीकरण नाइट्रोजन जोड़ता है — हानि के विपरीत।

  10. सूक्ष्मजीवी अंतःक्रियाओं के बारे में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. सहोपकारिता में दोनों साथी लाभान्वित होते हैं
    2. सहभोजिता में एक साथी लाभान्वित व दूसरा मूलतः अप्रभावित रहता है
    3. अमेंसलिज़्म में एक साथी को हानि, प्रायः किसी निरोधी उत्पाद से, जबकि दूसरा अप्रभावित
    4. प्रतिस्पर्धा में एक साथी सदा दूसरे की कीमत पर लाभान्वित होता है
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    उत्तर: A — सहोपकारिता में दोनों साथी लाभान्वित होते हैं; B — सहभोजिता में एक साथी लाभान्वित व दूसरा मूलतः अप्रभावित रहता है; C — अमेंसलिज़्म में एक साथी को हानि, प्रायः किसी निरोधी उत्पाद से, जबकि दूसरा अप्रभावित

    सहोपकारिता (+/+), सहभोजिता (+/0) व अमेंसलिज़्म (−/0) सही वर्णित हैं। प्रतिस्पर्धा दोनों साथियों को हानि पहुँचाती है (−/−) क्योंकि वे एक ही सीमित संसाधन पर निर्भर होते हैं; यह एकपक्षीय लाभ नहीं, अतः वह कथन गलत है — एकपक्षीय वर्णन के बजाय परजीविता या परभक्षण पर बैठते हैं।

  11. जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण के बारे में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. यह केवल कुछ प्रोकैरियोट करते हैं, अकेले पादप या प्राणी कभी नहीं
    2. nitrogenase एंज़ाइम ऑक्सीजन से अनुत्क्रमणीय रूप से संदमित होता है
    3. Anabaena जैसे cyanobacteria विशेष heterocyst में नाइट्रोजन स्थिर करते हैं
    4. स्थिरीकरण वायुमंडलीय ऑक्सीजन से N₂ को नाइट्रेट तक ऑक्सीकृत करता है
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    उत्तर: A — यह केवल कुछ प्रोकैरियोट करते हैं, अकेले पादप या प्राणी कभी नहीं; B — nitrogenase एंज़ाइम ऑक्सीजन से अनुत्क्रमणीय रूप से संदमित होता है; C — *Anabaena* जैसे cyanobacteria विशेष heterocyst में नाइट्रोजन स्थिर करते हैं

    केवल प्रोकैरियोट में nitrogenase होता है (पादप नाइट्रोजन मात्र अपने प्रोकैरियोटिक सहजीवियों से स्थिर करते हैं), एंज़ाइम O₂-संवेदी है, व Anabaena इसे heterocyst में पृथक रखता है। स्थिरीकरण N₂ का अमोनिया तक अपचयन है, नाइट्रेट तक ऑक्सीकरण नहीं, व वह ऑक्सीजन उपयोग नहीं करता — N₂ के नाइट्रेट तक ऑक्सीकरण वाला दावा रसायन को उलट देता है।

  12. सूक्ष्मजीवी समुदायों के संवर्धन-निरपेक्ष अध्ययन के बारे में कौन-से कथन सही हैं?

    1. प्रायः 1% से कम पर्यावरणीय सूक्ष्मजीव मानक प्रयोगशाला माध्यमों पर सहजता से बढ़ते हैं
    2. Shotgun metagenomics क्रियात्मक जीन व लगभग पूर्ण जीनोम पुनः प्राप्त कर सकता है
    3. Metatranscriptomics समुदाय-RNA अनुक्रमित कर दिखाता है कि कौन-से जीन अभिव्यक्त हैं
    4. असंवर्धनीय सूक्ष्मजीव वे हैं जिन्हें नमूने में मृत पुष्ट किया जा चुका है
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    उत्तर: A — प्रायः 1% से कम पर्यावरणीय सूक्ष्मजीव मानक प्रयोगशाला माध्यमों पर सहजता से बढ़ते हैं; B — Shotgun metagenomics क्रियात्मक जीन व लगभग पूर्ण जीनोम पुनः प्राप्त कर सकता है; C — Metatranscriptomics समुदाय-RNA अनुक्रमित कर दिखाता है कि कौन-से जीन अभिव्यक्त हैं

    great plate count anomaly का अर्थ है ~1% से कम सहज संवर्धनीय, shotgun metagenomics क्रियाएँ व संयोजित जीनोम उजागर करता है, व metatranscriptomics अभिव्यक्ति हेतु RNA पढ़ता है। 'असंवर्धनीय' का अर्थ मृत नहीं: ऐसी कोशिकाएँ प्रायः जीवित होती हैं पर आज़माई दशाओं में नहीं बढ़तीं, इसीलिए आणविक विधियाँ चाहिए।

  13. एक शिंब फ़सल एक ऋतु में प्रति हेक्टेयर 150 kg नाइट्रोजन स्थिर करती है, जबकि कटे अनाज व भूसे से प्रति हेक्टेयर 200 kg नाइट्रोजन निकल जाती है। बजट संतुलित करने हेतु अन्य स्रोतों से आपूर्ति की जाने वाली शुद्ध नाइट्रोजन ____ kg प्रति हेक्टेयर है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 50

    शुद्ध आवश्यकता = निष्कासन − स्थिरीकरण = 200 − 150 = 50 kg N प्रति हेक्टेयर। स्थिरीकरण फ़सल द्वारा निर्यात का कुछ भाग भरता है, पर प्रति हेक्टेयर 50 kg की कमी शेष रहती है जो अवशेष, खाद या उर्वरक से आनी चाहिए।

  14. एक shotgun metagenome में प्रत्येक 150 bp की 1,000,000 रीडें 5,000,000 bp के संदर्भ जीनोम पर मैप की जाती हैं। coverage = (रीडों की संख्या × रीड-लंबाई) / जीनोम-आकार का उपयोग करते हुए, औसत coverage गहराई ____ × है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 30

    Coverage = (N × L) / G = (1,000,000 × 150) / 5,000,000 = 150,000,000 / 5,000,000 = 30×। औसतन जीनोम का प्रत्येक क्षार 30 बार पढ़ा जाता है, जो विश्वसनीय भेद- व जीन-पहचान हेतु पर्याप्त है।

  15. एक मृदा नमूने में तीन जीवाणु taxa सापेक्ष अनुपातों 0.5, 0.3 व 0.2 में हैं। Simpson के विविधता-सूचकांक, 1 − Σ(pᵢ²), का उपयोग करते हुए, विविधता ____ है (दो दशमलव तक)।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.62

    Σ(pᵢ²) = 0.5² + 0.3² + 0.2² = 0.25 + 0.09 + 0.04 = 0.38, अतः Simpson का विविधता-सूचकांक = 1 − 0.38 = 0.62। यह वह प्रायिकता है कि यादृच्छिक रूप से लिए दो व्यष्टि भिन्न taxa के हों; ऊँचा मान अधिक विविधता दर्शाता है।

  16. सरलीकृत nitrogenase अभिक्रिया N₂ + 8 H⁺ + 8 e⁻ + 16 ATP → 2 NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pᵢ में, एक N₂ अणु स्थिर करने में खपत ATP अणुओं की संख्या ____ है।

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    उत्तर: 16

    रससमीकरणमिति दर्शाती है कि प्रति अपचयित N₂ 16 ATP जल-अपघटित होते हैं, अर्थात प्रति निर्मित अमोनिया 8 ATP। यही बड़ी ऊर्जा-लागत कारण है कि नाइट्रोजन स्थिरीकरण कसकर नियंत्रित होता है व स्थिरीकृत नाइट्रोजन उपलब्ध होने पर बंद कर दिया जाता है।