Bio-methanation of No.3 Coal and Its Roof Gangue in Zhaozhuang No.2 Mine

في أعماق الأرض، في الفتحات المظلمة حيث يوجد الفحم، ساد شك طويل الأمد حول تحول هادئ لم يُرَ في العمل إلا نادراً: تحول الصخر الصلب إلى غاز بواسطة حياة غير مرئية. هذه العملية، المعروفة باسم "الميثنة الحيوية" (biomethanation)، تعتمد على مجتمعات من الكائنات المجهرية التي تفكك المادة العضوية المعقدة، وتطلق الميثان كمنتج ثانوي. وبينما كان العلماء يعلمون منذ فترة أن الفحم نفسه يمكن حثه على إنتاج هذا الوقود، فإن كمية هائلة من المواد العادمة الناتجة أثناء التعدين — والمعروفة باسم "خبث الفحم" (coal gangue) — قد تم تجاهلها إلى حد كبير. هذا الخبث هو صخر غني بالكربون يتم التخلص منه جنباً إلى جنب مع الفحم، وغالباً ما يتراكم في أكوام ضخمة تشوه المناظر الطبيعية وتهدد إمدادات المياه المحلية. ولأن هذا النوع من النفايات يحتوي على كمية كبيرة من المواد العضوية المحاصرة، بدأ الباحثون في طرح سؤال بسيط ولكنه عميق: إذا كان يمكن تحويل الفحم إلى غاز، فهل يمكن لهذا الصخر العادم فعل الشيء نفسه، بل وربما القيام به بشكل أفضل؟

لقد شرع فريق من الباحثين من الصين في الإجابة على ذلك عبر أخذ عينات من الفحم رقم 3 والصخر الذي يقع مباشرة فوقه، والمعروف باسم "خبث السقف" (roof gangue)، من منجم "تشاو جوانغ رقم 2". وضعوا هذه المواد في زجاجات محكمة الإغلاق مملوءة بسائل غني بالمغذيات ومزيج محدد من الميكروبات، مما خلق بيئة محكومة لمراقبة ما سيحدث بمرور الوقت. لم يكن الهدف مجرد معرفة ما إذا كان الغاز سيُنتج، بل فهم كيفية عمل الميكروبات بدقة، والمسارات الكيميائية التي استخدمتها، ولماذا قد يتفوق أحد المادتين على الآخر. وما اكتشفوه كان عكس التوقعات تماماً: فقد ثبت أن الصخر العادم، وهو المادة التي تُعتبر عادةً عديمة الفائدة، كان مصنعاً أكثر كفاءة لإنتاج الميثان من الفحم نفسه.

عندما بدأ الباحثون تجربتهم، انتظروا ليروا كم سيستغرق الأمر حتى تستيقظ الميكروبات وتبدأ في العمل. استغرق الفحم ثلاثة أسابيع ليدخل مرحلة الإنتاج السريع للغاز. أما الخبث، فقد بدأ في إنتاج الغاز بعد أسبوعين فقط من بدء التجربة، ودخل مرحلته المتسارعة قبل الفحم بأسبوع كامل. ولم تكن هذه البداية المبكرة هي الاختلاف الوحيد؛ فبنهاية فترة المراقبة، أنتج الخبث أكثر من أربعة أضعاف كمية الميثان التي أنتجها الفحم. لقد وفر الفحم كمية متواضعة من الغاز، لكن الخبث ولد حجماً أكبر بنحو خمس مرات، حيث وصل إلى ذروته بـ 1,177 وحدة من الميثان مقارنة بـ 281 وحدة للفحم.

ولفهم سبب كون الصخر العادم أكثر إنتاجية بكثير، فحص الفريق العالم المجهري داخل الزجاجات. لقد درسوا مجتمع البكتيريا والعتائق (archaea)، وهما المجموعتان الرئيسيتان من الكائنات وحيدة الخلية التي تقود هذه العملية. ووجدوا أنه بينما استضافت كلتا المادتين أنواعاً متشابهة من الحياة، إلا أن بيئة الخبث شجعت نمو عمال محددين وعالي الكفاءة. ففي زجاجات الخبث، أصبحت بكتيريا تسمى "بيتريموناس" (Petrimonas) ونوع من العتائق يسمى "فيروبلازما" (Ferroplasma) وفيرة جداً. وتشتهر هاتان الكائنات بقدرتهما على تمرير الشحنات الكهربائية بين بعضهما البعض، مما يخلق أساساً دائرة بيولوجية تسرع من عملية تفكيك الجزيئات المعقدة. وفي المقابل، فضّل الفحم مجموعة مختلفة من الميكروبات كانت أقل كفاءة في هذا النوع المحدد من نقل الطاقة.

كما لعب الهيكل الفيزيائي للمواد دوراً حاسماً. فالخبث ليس كتلة صلبة وكثيفة مثل الفحم، بل هو صخر طبقي ذو ملمس رقائقي، يشبه إلى حد كبير كومة من الصفائح الرقيقة. هذا الهيكل يمنحه مساحة سطح أكبر بكثير، مما يعني وجود مساحة أكبر للميكروبات للالتصاق والتغذية. وقد قاس الباحثون هذه المساحة السطحية ووجدوا أن الخبث يمتلك أكثر من ضعف مساحة سطح الفحم. هذه المساحة الإضافية، مقترنة بوجود معادن معينة في الخبث تعمل كمحفزات طبيعية للميكروبات، سمحت للبكتيريا بالوصول إلى مصدر الغذاء بسهولة أكبر. أما الفحم، بهيكله الأكثر كثافة وتكوينه المعدني المختلف، فقد كان أصعب في الاختراق من قبل الميكروبات، مما أدى إلى إبطاء العملية برمتها.

وكشفت الرحلة الكيميائية داخل الزجاجات أيضاً عن اختلافات واضحة في كيفية تفكيك المادتين. اعتمدت الميكروبات في زجاجات الخبث بشكل أساسي على مسار يعتمد على استهلاك ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين لصنع الميثان. أما في زجاجات الفحم، فقد اعتمدت الميكروبات بشكل أكبر على مسار مختلف يتضمن تفكيك مجموعات الميثيل، وهي مجموعات صغيرة من ذرات الكربون والهيدروجين. وتتبع الباحثون الغازات المنتجة ووجدوا أنه في كلتا الحالتين، كان الميثان يُنتج بسرعة أكبر من سرة انبعاث ثاني أكسيد الكربون، لكن التوازن اختلف اعتماداً على المادة المستخدمة. فقد كان نظام الخبث بارعاً بشكل خاص في استهلاك ثاني أكسيد الكربون، مما ساعد في دفع إنتاج المزيد من الميثان.

ومع استمرار التجربة، تغير السائل داخل الزجاجات بطرق أخبرت الباحثين متى تنتهي العملية. فقد وجدوا أن أحماضاً معينة، وتحديداً حمض البنزويك وحمض الأيزوفاليريك، بدأت تتراكم في السائل. هذه المواد تُفكك عادةً بسرعة بواسطة الميكروبات، ولكن عندما ينفد النظام من الطاقة أو لا تعود الميكروبات قادرة على العمل، تبقى هذه الأحماض خلفها. وقد كان تراكمها بمثابة إشارة واضحة على توقف عملية التحويل من صخر إلى غاز. وتعتبر هذه الملاحظة مهمة لأنها توفر وسيلة لمعرفة متى تكتمل العملية، وهو أمر قد يكون مفيداً لأي شخص يحاول إدارة مثل هذا النظام في المستقبل.

كما بحثت الدراسة في تنوع المركبات التي يمكن للميكروبات استهلاكها. فقد سمح الخبث بقائمة طعام أوسع بكثير؛ حيث استهلكت الميكروبات خمسة عشر نوعاً إضافياً من المركبات العضوية في زجاجات الخبث مقارنة بما استهلكته في الفحم. هذه القائمة الأوسع تعني أن نظام الخبث يمكنه استخراج الطاقة من مجموعة أوسع من المصادر، مما يساهم في إنتاجيته الإجمالية العالية. أما نظام الفحم فكان أكثر محدودية، حيث التزم بمجموعة أضيق من مصادر الغذاء، مما ساهم على الأرجح في أدائه الأبطأ والأقل إنتاجية.

في نهاية المطاف، تشير هذه الأبحاث إلى أن أكوام خبث الفحم الضخمة التي تقبع حالياً دون استخدام في جميع أنحاء العالم قد تحمل إمكانات خفية. ومن خلال فهم الميكروبات والظروف المحددة التي تجعل الخبث منتجاً فعالاً للميثان، قد يكون من الممكن تطوير طرق جديدة لمعالجة هذه النفايات. فبدلاً من مجرد الجلوس في أكوام وتلويث التربة، يمكن تحويل هذه المادة إلى مصدر للطاقة النظيفة. لا تدعي الدراسة أن هذه مشكلة قد حُلّت أو أنه يمكن القيام بها في كل مكان فوراً، لكنها تقدم دليلاً واضحاً على إمكانية التطبيق. إنها تظهر أنه مع وجود الشركاء البيولوجيين المناسبين، يمكن لنفايات الماضي أن تصبح وقود المستقبل، محولةً منتجاً جيولوجياً ثانوياً إلى مورد قيم من خلال العمل الهادئ والمستمر للحياة المجهرية.