Influence of microbial consortia on the mitigation of greenhouse gas emissions during the automated composting of organic waste

تنتج المدن والأسواق يومياً جبالاً من قشور الفاكهة، وبقايا الخضروات، وغيرها من النفايات العضوية. وإذا تُركت لتتعفن في مكبات النفايات، فإن هذه المواد تُنتج مزيجاً قوياً من الغازات التي تحبس الحرارة في الغلاف الجوي، مما يساهم في تغير المناخ. وتعد التسميد (الكمبوست) واحدة من أقدم الطرق وأكثرها فعالية للتعامل مع هذه النفايات، وهي عملية يقوم فيها عمال الطبيعة الصغار — من بكتيريا وفطريات وخمائر — بتفكيك المادة المتعفنة وتحويلها إلى تربة غنية وداكنة. ومع ذلك، حتى هذه العملية المفيدة يمكن أن تطلق غازات دفيئة، وتحديداً ثاني أكسيد الكربون والميثان، اعتماداً على مدى جودة إدارة كومة التسميد. ويكمن المفتاح لنجاح كومة التسميد في موازنة ثلاثة أشياء: الحفاظ عليها رطبة ولكن غير غارقة بالماء، وضمان حصولها على قدر كافٍ من الهواء، والحفاظ على درجة الحرارة المناسبة. وعندما تكون هذه الظروف مثالية، تعمل الميكروبات بكفاءة، محولةً النفايات إلى سماد بأقل قدر من الانبعاثات الضارة. ولكن عندما يختل هذا التوازن، يمكن أن تصبح العملية بطيئة أو تنتج غازات غير مرغوب فيها. وقد تساءل العلماء لفترة طويلة عما إذا كان إضافة دفعة محددة من الميكروبات المفيدة في البداية يمكن أن يجعل هذه العملية أنظف وأسرع وأكثر قابلية للتنبؤ، خاصة عند القيام بها داخل آلة تتحكم في البيئة تلقائياً.

لقد شرع باحثون في الإكوادور في اختبار هذه الفكرة باستخدام آلة تسميد مؤتمتة ومتخصصة. حيث بنوا نظاماً يتكون من غرفتين متطابقتين، تضم كل منهما ثلاثة وعشرين كيلوغراماً من نفايات السوق المقطعة ممزوجة بمواد عضوية أخرى لخلق التوازن الصحيح من العناصر الغذائية. وفي إحدى الغرفتين، أدخلوا خليطاً خاصاً من الكائنات الدقيقة المفيدة، المستمدة من نبات يُعرف باسم "ألتاميس" (Altamisa) والمثبتة على نخالة القمح للحفاظ على نشاطها. وتضمن هذا الخليط أنواعاً مختلفة من البكتيريا والخمائر المعروفة بتفكيك الألياف النباتية والسكريات الصلبة. أما الغرفة الأخرى، فلم تتلقَ أي إضافة، لتكون بمثابة مجموعة ضابطة لمعرفة كيف ستتصرف النفايات بمفردها. وقد صُممت الآلة لمحاكاة دورة التسميد الطبيعية ولكن مع تحكم دقيق؛ حيث كانت تقوم بتدوير النفايات أربع مرات يومياً لخلط الأكسجين، واستخدمت مستشعرات لمراقبة درجة الحرارة والرطوبة ومستويات ثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين داخل الكومة باستمرار. وقد سمح هذا الإعداد للفريق بمراقبة العملية وهي تتكشف في الوقت الفعلي، عبر التقاط آلاف البيانات يومياً على مدار ثلاثين يوماً لثلاث دورات منفصلة.

أظهرت النتائج فرقاً واضحاً بين الغرفتين. فقد أنتجت الغرفة التي أُضيفت إليها الميكروبات بيئة أكثر استقراراً. وبينما وصلت كلتا الكومتين إلى درجات حرارة عالية مماثلة، إلا أن الكومة التي تلقت التعزيز الميكروبي أطلقت كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون في المتوسط. والأهم من ذلك، أن مستويات الغاز في الغرفة الملقحة كانت أكثر قابلية للتنبؤ وأقل اضطراباً. ففي الغرفة الضابطة، تذبذبت مستويات ثاني أكسيد الكربون بشكل جامح، مما يشير إلى عملية تفكيك أقل تنظيماً. وفي المقابل، أظهرت الغرفة التي أُضيفت إليها الميكروبات نمطاً أكثر سلاسة واتساقاً في إنتاج واستهلاك الغاز. وكشفت البيانات أنه في الغرفة المعالجة، كانت العلاقة بين الأكسجين والميثان أكثر إحكاماً؛ فبينما يتم استهلاك الأكسجين، تمت إدارة الميثان بفعالية، مما منع تراكمه. وهذا يشير إلى أن الميكروبات المُدخلة ساعدت في خلق مجتمع حيث تعمل أنواع مختلفة من البكتيريا معاً بكفاءة أكبر، مستهلكةً الأكسجين بطريقة تحافظ على انخفاض مستويات الميثان واستقرار العملية الإجمالية.

كما سلطت الدراسة الضوء على كيفية تغيير الميكروبات للطبيعة الفيزيائية للسماد. فبدا أن إضافة المزيج الميكروبي قد غيرت بنية النفايات، ومن المرجح أن هذا جعل من السهل حركة الهواء عبر الكومة وتوزيع الرطوبة بالتساوي. وساعد هذا التغيير الفيزيائي في الحفاظ على الظروف المناسبة لازدهار البكتيريا الهوائية، مما قلل بدوره من تكوين الجيوب اللاهوائية حيث يتكون الميثان عادةً. ووجد الباحثون أن السماد المعالج اتبع مساراً أبسط وأكثر مباشرة عبر مراحل التحلل المختلفة، منتقلاً من مرحلة التسخين الأولية إلى مرحلة النضج النهائية مع وجود تقلبات أقل. وبينما عانت الكومة الضابطة من انبعاثات غازية غير منتظمة، أظهرت الكومة الملقحة مرونة حافظت على سير العملية في مسارها، بغض النظر عن التغيرات الطفيفة في الرطوبة أو درجة الحرارة.

وعلى الرغم من الأدلة القوية المستمدة من الكم الهائل من البيانات التي تم جمعها، أشار الباحثون إلى أنهم لم يقيسوا بشكل مباشر الأنواع المحددة من البكتيريا الموجودة في كل لحظة أو الإنزيمات الدقيقة التي تنتجها. ومع ذلك، فإن اتساق النتائج عبر ثلاث دورات مختلفة وحجم البيانات الهائل يوفران درجة عالية من الثقة في النتائج. وتشير الدراسة إلى أن إضافة مزيج مصمم خصيصاً من الميكروبات المفيدة يمكن أن يعمل كمثبت لأنظمة التسميد المؤتمتة. فمن خلال تعزيز مجتمع ميكروبي أكثر كفاءة، يمكن لهذه الأنظمة تقليل إطلاق ثاني أكسيد الكربون والتحكم بشكل أفضل في الميثان، مما يحول عملية قد تكون ملوثة إلى طريقة أنظف وأكثر موثوقية لإدارة النفايات. ويشير هذا النهج نحو مستقبل يمكن فيه لأجهزة التسميد المؤتمتة، الموجهة بالبيانات اللحظية والتحسينات البيولوجية، أن تلعب دوراً هاماً في تقليل الأثر المناخي للنفايات العضوية.