Organic loading optimization is the key to unlocking the VFAs potential of poultry manure during alkaline fermentation

تخيل عالماً لا تكتفي فيه النفايات التي ننتجها بالبقاء في مكبات النفايات أو نشر الروائح الكريهة في الحي، بل تتحول بالفعل إلى شيء مفيد، مثل اللبنات الأساسية لصناعة بلاستيك جديد أو وقود. هذا هو الركن المثير في العلم والمعروف باسم تثمين النفايات (waste valorization). وفي جوهره، توجد عملية تسمى التخمّر اللاهوائي (anaerobic fermentation)، وهي في الأساس نسخة عالية التقنية من عملية التسميد. فبدلاً من ترك البكتيريا تفكك بقايا الطعام في وجود الأكسجين (مما ينتج كومة من التربة)، نقوم بإغلاقها في خزان بدون أكسجين. في هذه "الحفلة" المظلمة والخالية من الهواء، تأكل أنواع مختلفة من البكتيريا النفايات وتطلق مواد كيميائية. عادةً ما يحاول العلماء توجيه هذه الحفلة لإنتاج الميثان (biogas)، الذي يمكن حرقه لتوليد الطاقة. ومع ذلك، هناك عقبة: إذا كانت النفايات غنية جداً بالنيتروجين (مثل روث الدجاج)، فإنها تطلق الأمونيا، التي تعمل كضباب سام يخنق البكتيريا المنتجة للميثان.

لكن ماذا لو لم نكن نريد الميثان على الإطلاق؟ ماذا لو أردنا الأحماض الدهنية المتطايرة (VFAs) بدلاً منه؟ فكر في الأحماض الدهنية المتطايرة كأنها "وجبات خفيفة وسيطة" تصنعها البكتيريا قبل تحويلها إلى ميثان. هذه الأحماض هي مواد كيميائية قيمة تُستخدم لصنع كل شيء، من البلاستيك الحيوي إلى مواد التنظيف. وهي أسهل في التخزين والنقل من الغاز، كما أن البكتيريا التي تصنعها أكثر قدرة على تحمل "ضباب" الأمونيا مقارداً بمنتجات الميثان. السؤال الكبير الذي كان يواجه العلماء هو: كيف ندير "الزحام" من النفايات التي نغذي بها الخزان بحيث تتوقف البكتيريا عن إنتاج الميثان وتبدأ في ضخ أكبر قدر ممكن من الأحماض الدهنية المتطايرة؟ وهنا يأتي مفهوم معدل التحميل العضوي (OLR). يمكنك التفكير في معدل التحميل العضوي كأنه "حد السرعة" لكمية الطعام التي نضخها في المفاعل يومياً. إذا كان بطيئاً جداً، ستشعر البكتيريا بالملل؛ وإذا كان سريعاً جداً، ستصاب بالإرهاق. إن العثور على السرعة المثالية هو المفتاح لإطلاق إمكانات هذه النفايات.

---

تحدي روث الدجاج: تحويل النفايات إلى ذهب

في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين معالجة مشكلة ذات رائحة كريهة للغاية: روث الدواجن (روث الدجاج). وبينما يعد روث الدجاج ممتازاً لتخصيب الحقول، إلا أن كمياته الضخمة تجعل من إدارة النفايات كابوساً. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحويل هذه النفايات الغنية بالنيتروجين إلى أحماض دهنية متطايرة باستخدام طريقة تسمى التخمّر القلوي (alkaline fermentation) (والتي تعني ببساطة جعل الخزان "صابونياً" أو قاعدياً قليلاً، بدلاً من أن يكون حمضياً).

بدأوا بسلسلة من تجارب "الدفعات" (batch experiments)، وهي تشبه حفلات صغيرة لمرة واحدة في أنابيب اختبار. أرادوا معرفة شيئين: ما هي كمية روث الدجاج التي يجب خلطها مع البكتيريا البادئة (نسبة الغذاء إلى اللقاح، أو F:I)، وهل يساعد الحفاظ على درجة حموضة (pH) عالية (قلوية) في العملية؟

النتائج:
اكتشفوا أن "الحفلة" تعمل بشكل أفضل عندما تكون كمية البكترا مقارنة بكمية الروث كبيرة. وتحديداً، أنتجت نسبة F:I منخفضة تبلغ 0.3 (أي 0.3 جزء من الروث مقابل جزء واحد من البكتيريا) أعلى كمية من الأحماض الدهنية المتطايرة. والأفضل من ذلك، عندما عدلوا درجة الحموضة (pH) لتصل إلى 9.5 (مما يجعل الوسط قلوياً للغاية)، قفزت حصيلة الأحماض الدهنية المتطايرة بشكل أكبر، لتصل إلى حوالي 520 ملجم من الأحماض الدهنية لكل جرام من المواد الصلبة المتطايرة. عملت الظروف القلوية كـ "شاحن خارق"، حيث ساعدت في تفكيك روث الدجاج الصلب ومنعت صانعي الميثان من التهام الأحماض الدهنية المتطايرة قبل جمعها. ومن المثير للاهتمام، وجدوا أن إضافة المزيد من الروث (نسبة F:I أعلى) جعلت النظام أقل كفاءة، مما أدى لإنتاج أحماض دهنية متطايرة أقل.

الرحلة الطويلة: البحث عن حد السرعة المثالي

بعد رضاهم عن الاختبارات الصغيرة، انتقل الفريق إلى مفاعل شبه مستمر (semicontinuous reactor) أكبر (خزان سعة 3 لتر يعمل بشكل مستمر). هنا، أرادوا إيجاد معدل التحميل العضوي (OLR) المثالي — وهو النقطة الذهبية لكمية روث الدجاج التي يتم تغذية النظام بها يومياً. بدأوا ببطء وزادوا كمية الطعام تدريجياً، خطوة بخطوة، على مدار 173 يوماً.

الرحلة:

• الأيام الأولى (OLR 2–6 g VS L⁻¹ d⁻¹): عند السرعات المنخفضة، كان النظام سعيداً. فقد أنتج كمية جيدة من الميثان، وظلت مستويات الأمونيا (الضباب السام) تحت السيطرة.
• نقطة التحول (OLR 7–8 g VS L⁻¹ d⁻¹): عندما رفعوا السرعة إلى 8 g VS L⁻¹ d⁻¹، حدث شيء مذهل. انهار إنتاج الميثان إلى الصفر تقريباً لأن مستويات الأمونيا أصبحت مرتفعة جداً بالنسبة لصانعي الميثان. ولكن بدلاً من فشل النظام، ارتفع إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة بشكل صاروخي. قفز تركيز الأحماض الدهنية المتطايرة من حوالي 1,100 ملجم/لتر إلى رقم هائل بلغ 9,726 ملجم/لتر عند الذروة!
• الحد الأقص️ (OLR 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹): عندما دفعوا السرعة للأمام بمقدار ضئيل جداً لتصل إلى 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹، بدأ النظام يعاني مرة أخرى، وبدأت مستويات الأحماض الدهنية المتطايرة في الانخفاض.

الحكم النهائي:
خلص الباحثون إلى أن 8 g VS L⁻¹ d⁻¹ هو "سرعة غولديلوكس" (السرعة المثالية) لتحويل روث الدجاج إلى أحماض دهنية متطايرة في نظام مستمر. فهي سريعة بما يكفي لتعظيم الإنتاج، ولكنها ليست سريعة جداً لدرجة تؤدي إلى انهيار النظام.

مفسدو الحفلة الميكروبية

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر العلماء إلى الكائنات الدقيقة التي تعيش في الخزان. ووجدوا أن مجتمع البكتيريا تغير بشكل كبير مع زيادة السرعة.

• الرابحون: عند السرعات العالية (OLR 8)، سيطرت مجموعة من البكتيريا القوية تسمى Desulfosporosinus (البكتيريا المختزلة للكبريتات)، حيث نمت لتشكل ما يقرب من 19% من السكان. هؤلاء يشبهون "الرجال الأقوياء" في عالم الميكروبات؛ فهم يزدهرون في البيئات عالية الإجهاد وعالية الأمونيا حيث لا يستطيع صانعو الميثان البقاء. كما ساهمت بكتيريا أخرى مثل Bacteroides و Sphaerochaeta في المساعدة على تفكيك روث الدجاج الصلب بشكل أسرع.
• الخاسرون: اختفت البكتيريا التي عادة ما تتعاون لصنع الميثان، مثل Sedimentibacter و Syntrophomonas. ببساطة، لم يستطيعوا تحمل الإجهاد الناتج عن معدل التحميل العالي.
• الناجون من الميثان: أما القلة المتبقية من صانعي الميثان فكانت معظمها من جنس Methanosarcina، وهو جنس معروف بكونه قوياً للغاية. وبحلول نهاية التجربة، شكلوا أكثر من 97% من مجتمع العتائق (archaea)، ومع ذلك لم يستطع حتى هم منع التحول نحو إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة.

ماذا يعني هذا؟

تشير هذه الورقة البحثية إلى أننا لسنا بحاجة لمحاربة الأمونيا في روث الدجاج؛ بل يمكننا استخدامها لصالحنا. من خلال تشغيل عملية التخمّر بسرعة عالية محددة (8 g VS L⁻¹ d⁻¹) والحفاظ على بيئة قلوية، يمكننا إيقاف إنتاج الميثان وتحويل النفايات إلى مورد كيميائي قيم. تُظهر الدراسة أنه مع "حد السرعة" الصحيح وبعض المساعدة من الظروف القلوية، فإن روث الدواجن ليس مجرد نفايات — بل هو مصنع محتمل للمواد الكيميائية الحيوية. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أن دفع السرعة إلى مستويات عالية جداً (مثل 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹) يمكن أن يؤدي إلى زعزعة استقرار النظام، لذا فإن العثور على هذا التوازن الدقيق أمر بالغ الأهمية لأي تطبيقات مستقبلية في العالم الحقيقي.