Enhancing Carbon Conversion Efficiency and Product Yield Through Systematic Biocatalyst Design for Microbial Electrosynthesis

يعاني الغلاف الجوي حاليًا من عبء زائد من ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز يحبس الحرارة ويدفع نحو حالة الطوارى المناخية. ولمعالجة ذلك، يعمل العلماء على تطوير تقنيات لا تكتفي فقط باحتجاز هذا الغاز، بل تحوله إلى مواد مفيدة. ويتضمن أحد النهج الواعدة استخدام الكهرباء لتغذية كائنات حية دقيقة تُعرف بالميكروبات، لتقوم بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات كيميائية قيمة. وتعتمد هذه العملية، التي تسمى "التخليق الكهربائي الميكروبي"، على شراكة بين تيار كهربائي ومجتمع من البكتيريا القادرة على "أكل" الكهرباء. والهدف هو إنشاء نظام يتم فيه تحويل الغازات العادمة إلى منتجات، مما يؤدي فعليًا إلى إعادة تدوير الكربون بدلاً من إطلاقه في السماء. ولكي ينجح هذا الأمر على نطاق واسع، يجب أن تكون البكتيريا المستخدمة كمحرك للنظام قوية، وكفؤة، وقادرة على الازدهار في بيئة محكومة.

وفي دراسة حديثة، ركز الباحثون على تحسين أداء هذه المجتمعات البكتيرية لجعل عملية التحويل أكثر فعالية. وقد بدأوا بجمع خليط من البكتيريا من حمأة معالجة مياه الصرف الصحي، وهي مصدر طبيعي غني بالحياة الميكروبية المتنوعة. وبدلاً من استخدام نوع واحد من البكتيريا، قاموا باستزراع مجتمع مختلط من البكتيريا النشطة كهربائيًا، وهي ميكروبات قادرة على التفاعل مع التيارات الكهربائية. وقام الفريق بإثراء هذه المجتمعات والحفاظ عليها بعناية تحت ظروف محددة لضمان كونها قوية ومستقرة بما يكفي لتكون بمثابة محفزات حيوية، وهي الوكلاء الأحياء الذين يدفعون التفاعل الكيميائي. ثم وضعوا هذه المجتمعات المُعدة في مفاعلات متخصصة مصممة لتسهيل عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون.

وقد اختبر الباحثون كيفية أداء هذه المفاعلات تحت إعدادات تشغيل مختلفة لمعرفة العوامل الأكثر أهمية. وقارنوا بين المفاعلات حيث تم الحفاظ على البكتيريا في بيئات مستقرة ومحكومة، وبين تلك التي تُركت في درجات حرارة الغرفة المحيطة. كما فحصوا الفرق بين إبقاء النظام خالياً تماماً من الأكسجين مقابل السماح بمرور بعض الهواء. وأظهرت النتائج أن البيئة المحكومة أحدثت فرقاً كبيراً؛ حيث أنتجت المفاعلات ذات المحفزات الحيوية التي تم حضنها والحفاظ عليها في ظل هذه الظروف المستقرة عوائد أعلى من المركبات الكيميائية المستهدفة مقارنة بتلك التي طُورت في درجات حرارة الغرفة المحيطة. علاوة على على ذلك، وجدت الدراسة أن إبقاء النظام خالياً تماماً من الأكسجين كان أمراً حاسماً؛ إذ أدت العمليات اللاهوائية الصارمة، حيث لا يتواجد الأكسجين، إلى تحسين كفاءة العملية مقارنة بالظروف التي يُسمح فيها بوجود الأكسجين.

وتضمن جزء رئيسي من الاستقصاء اختبار كيفية تأثير الجهد الكهربائي المطبق على النظام على النتيجة. فقد طبق الباحثون جهوداً كهربائية مختلفة على المفاعلات لمعرفة أي الإعدادات تدفع عملية التحويل بشكل أكثر فعالية. ووجدوا أن الدفع الكهربائي الأقوى أدى إلى نتائج أفضل بكثير؛ فعند تشغيل النظام عند جهد قدره -1000 ميلي فولت، وصل تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى 88.11 بالمائة. وكان هذا الأداء أعلى بكثير مما تم تحقيقه عند جهد أقل قدره -600 ميلي فولت. وتشير هذه النتائج إلى أن الظروف المحددة التي تُزرع فيها البكتيريا والإعدادات الكهربائية الدقيقة المستخدمة هي عوامل حاسمة للنجاح.

وتخلص الدراسة إلى أن الطريق نحو تخليق ميكروبي كهربائي فعال يكمن في التطوير المنهجي لهذه المحفزات الحيوية. فلا يكفي مجرد إدخال البكتيريا في المفاعل، بل يجب زراعتها وصيانتها بعناًية في بيئات صارمة خالية من الأكسان لتعمل بأفضل حالاتها. وتشير البيانات إلى أنه مع الجمع الصحيح بين المجتمعات الميكروبية القوية والظروف الكهربائية المثلى، فإن هذه التقنية تمتلك إمكانات حقيقية للتطبيقات الصناعية القابلة للتوسع. ومن خلال تحسين كيفية إعداد هذه الأنظمة الحية وتشغيلها، قد يكون من الممكن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سلع مفيدة بشكل أكثر موثوقية، مما يقدم خطوة ملموسة نحو إدارة دورة الكربون.