Effect of Intermittent Harvest on the Performance of Chlorella vulgaris for Treating Biohydrogen Production Tail Liquid

تخيل عالماً لا تكون فيه مياه الصرف الصحي التي ننتجها مجرد مشكلة قذرة يجب التخلص منها، بل بوفيه سري لنباتات صغيرة غير مرئية. هذا هو الركن المثير في العلم المسمى المعالجة الحيوية بالطحالب الدقيقة. فكر في الطحالب الدقيقة كأنها مصانع مجهرية تعمل بالطاقة الشمسية؛ فهي تستخدم ضوء الشمس لتناول ثاني أكسيد الكربون وتشرِب المغذيات مثل النيتروجين والفوسفور من المياه القذرة، محولةً ذلك التلوث إلى كتلتها الحيوية الخاصة. عادةً ما نفكر في معالجة مياه الصرف الصحي كطريق ذي اتجاه واحد: نقوم بتنقية المياه ثم نتخلص من الحمأة. ولكن مع الطحالب، يمكننا القيام بالأمرين معاً: تنقية المياه و زراعة محصول قيم من الكتلة الحيوية الغنية بالبروتين والتي يمكن استخدامها كوقود أو غذاء.

ومع ذلك، هناك عقبة. إذا تركت هذه الطحالب تنمو في خزان مزدحم دون توقف، فستصبح كثيفة للغاية في النهاية. الأمر يشبه "حلبة رقص صاخبة" (mosh pit) حيث يكون الجميع متكدسين لدرجة أن لا أحد يستطيع رؤية المسرح (الضوء) أو الوصول إلى طاولة الطعام (المغذيات). ستشعر الطحالب بالتعب، وتتوقف عن النمو، ولا يتم تنظيف المياه بشكل جيد. لقد تساءل العلماء عما إذا كانت هناك طريقة لإبقاء "حفلة الطحالب" مستمرة لفترة أطول عن طريق السماح لبعضها بالمغادرة أحياناً. تسأل هذه الدراسة: هل يمكننا أخذ "وقت مستقطع" لحصاد بعض الطحالب، وإعادة ضبط الغرفة، وإبقاء فريق التنظيف يعمل بأقصى سرعة؟

قصة الطحالب ومياه القش

في هذا البحث، وضع عالم يدعى شياوهانغ غوو من جامعة هينان الزراعية خطة لاختبار هذه الفكرة باستخدام نوع محدد جداً من المياه القذرة: "السائل المتبقي" الناتج بعد إنتاج الهيدروجين الحيوي من القش. هذا السائل عبارة عن مزيج كيميائي مليء بالنيتروجين والفوسفور والأحماض العضوية. إنه بمثابة "سوبر فود" محتمل للطحالب، ولكنه قد يكون ساماً أيضاً إذا كان تركيزه مرتفعاً جداً.

قرر "غوو" اللعب بمتغيرين رئيسيين: مقدار خلط هذا "ماء القش" مع الماء النظيف (التخفيف)، وما إذا كان سيستخدم استراتيجية الحصاد المتقطع. تخيل الحصاد المتقطع مثل لعبة "إبقاء الحشد متحركاً". بدلاً من ترك الطحالب تنمو حتى يمتلئ الخزان وتصبح راكدة، انتظر الباحثون حتى تنمو الطحالب بسرعة، ثم غرفوا نصفها. وضعوا النصف المتبقي في ماء عذب وتركوها تنمو مرة أخرى. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان زر "إعادة الضبط" هذا سيبقي الطحالب جائعة، وسعيدة، وينظف المياه بشكل أفضل مما لو تركت تنمو حتى تتوقف من تلقاء نفسها.

التجربة: إيجاد النقطة المثالية

قام الفريق بزراعة طحالب Chlorella vulgaris (نوع شائع وقوي من الطحالب) في ثلاثة أنواع مختلفة من خلطات "ماء القش": بتركيزات 30%، و40%، و50%. وراقبوا نموها لمدة 288 ساعة (حوالي 12 يوماً).

أولاً، احتاجوا لمعرفة متى يضغطون على زر الحصاد. ومن خلال تتبع النمو، وجدوا أنه عند حوالي 168 ساعة (7 أيام)، كانت الطحالب في "مرحلة النمو الأسي" — وهي النقطة التي تنقسم فيها بجنون وتنمو بأسرع معدل لها. كانت هذه هي اللحظة المثالية للتدخل. إذا انتظروا طويلاً، فستتباطأ الطحالب؛ وإذا حصدوا مبكراً جداً، فلن يكون لديهم ما يكفي لجمعهم.

لذا، عند علامة الـ 168 ساعة، قاموا بإجراء "الحصاد المتقطع" على نصف خزاناتهم. أزالوا 50% من الكتلة الحيوية للطحالب واستبدلوها بخلطة "ماء القش" الطازجة. أما النصف الآخر من الخزانات، فقد تُرك دون تغيير كمجموعة ضابطة لمعرفة ما سيحدث بدون عملية "إعادة الضبط".

النتائج: الرقم السحري 40%

كانت النتائج واضحة ومثيرة. الطحالب التي حصلت على علاج "إعادة الضبط" نمت بشكل أفضل بكثير من تلك التي تُركت وحدها. ولكن النجم الحقيقي للعرض كان مجموعة تركيز 40%.

إليكم ما حدث في تلك المجموعة تحديداً:

• طفرة في الكتلة الحيوية: الطحالب في مجموعة 40%، بعد حصادها وإعادة ضبطها، نمت مرة أخرى بشكل أسرع وانتهت بكمية إجمالية أعلى من الطحالب. لقد وصلت إلى تركيز 1270.84 ملجم لتر⁻¹. وكان هذا أعلى من مجموعة الـ 30% (التي لم يكن لديها طعام كافٍ) ومجموعة الـ 50% (التي ربما كانت مزدحمة جداً وسامة للغاية).
• قوة التنظيف: نظرًا لأن الطحالب كانت تنمو بقوة، فقد كانت أيضاً تلتهم الملوثات بسرعات قياسية.
  • أزالت 99.1% من إجمالي الفوسفور.
  • أزالت 70.7% من إجمالي النيتروجين.
  • أزالت 73.9% من إجمالي الكربون.
  • والأكثر إثارة للإعجاب، أنها أزالت 66.8% من الطلب الكيميائي للأكسجين (COD)، والذي يقيس مقدار التلوث العضوي في الماء. كان هذا تحسناً بنسبة 24.94% مقارنة بالمجموعة التي لم يتم حصادها.

لماذا فازت مجموعة الـ 40%؟

تشير الورقة البحثية إلى أن خليط الـ 40% كان منطقة "غولدي لوكس" (المنطقة المثالية).

• مجموعة الـ 30% كانت مثل نظام غذائي صارم للغاية؛ لم يكن هناك ببساطة طعام (مغذيات) كافٍ لإبقاء الطحالب تنمو بسرعة بعد الحصاد.
• مجموعة الـ 50% كانت مثل بوفيه مبالغ فيه؛ التركيز العالي للمواد الكيميائية والأحماض العضوية من المحتمل أنه أجهد الطحالب، مما جعل من الصعب عليها الأكل والنمو بكفاءة.
• وفرت مجموعة الـ 40% التوازن المثالي. فقد كانت تحتوي على ما يكفي من المغذيات لتغذية النمو السريع، ولكنها لم تكن قوية لدرجة تسميم الطحالب. عندما قام الباحثون بحصاد نصف الطحالب، كان لدى النصف المتبقي مساحة واسعة لرؤية الضوء والوصول إلى الطعام، مما سمح لهم بالعودة إلى وضع النمو المرتفع فوراً.

الخلاصة

تظهر هذه الدراسة أننا لسنا مضطرين لترك الطحالب تنمو حتى تتعب وتتوقف عن التنظيف. فمن خلال استخدام استراتيجية بسيطة تتمثل في "حصاد النصف والبدء من جديد"، يمكننا إبقاء الطحالب في حالة من الطاقة العالية. وتحديداً، فإن خلط مياه الصرف الناتجة عن إنتاج الهيدروجين بتركيز 40% يخلق البيئة المثالية لازدهار طحالب Chlorella vulgaris.

تخلص الورقة البحثية إلى أن هذه الطريقة لا تنظف المياه بشكل أفضل فحسب، بل تنتج أيضاً المزيد من الكتلة الحيوية القيمة للطحالب. إنها علاقة رابحة للطرفين: تصبح المياه أنظف، ونحصل على المزيد من الوقود أو الغذاء، وكل ذلك ببساطة عبر منح الطحالب استراحة قصيرة وطبقاً طازجاً من الطعام كل بضعة أيام. تشير الأبحاث إلى أن استراتيجية الحصاد المتقطع هذه هي طريقة واعدة لتحويل النفايات الناتجة عن إنتاج الطاقة الخضراء إلى مورد لمزيد من الطاقة الخضراء.