Dark Fermentative Biohydrogen Production from Fructose-rich Resources by the Photosynthetic Purple Bacterium Rhodospirillum rubrum
تُظهر هذه الدراسة أن البكتيريا الضوئية *Rhodospirillum rubrum* يمكنها إنتاج الهيدروجين الحيوي بكفاءة من المخلفات الزراعية الصناعية الغنية بالفركتوز في ظل ظروف مظلمة ومحدودة الأكسجين، محققةً أعلى إنتاجية لها في المفاعلات الحيوية اللاهوائية باستخدام المولاس المتحلل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
على مدى عقود، بحث العلماء في الطبيعة عن طرق لإنتاج وقود نظيف دون حرق الوقود الأحفوري. ويتضمن أحد المسارات الواعدة استخدام كائنات دقيقة وحيدة الخلية يمكنها تحويل ضوء الشمس والمواد العضوية إلى غاز الهيدروجين، وهو مصدر طاقة نظيف الاحتراق. هذه الكائنات، المعروفة باسم البكتيريا الأرجوانية الضوئية، هي "متحولات استقلابية"؛ إذ يمكنها التبديل بين طرق مختلفة للتغذية والتنفس اعتماداً على ما هو متاح في بيئتها. عادةً، حاول الباحثون زراعتها في خزانات ضخمة مليئة بالضوء، آملين في تحفيز عملية تسمى "التخمر الضوئي". ومع ذلك، اصطدم هذا النهج بحائط مسدود: فمع تكاثر البكتيريا وتصبح السائل في الخزان كثيفاً، لا يستطيع الضوء النفاذ بعمق كافٍ للوصول إلى الخلايا في المنتصف. وقد جعل هذا القصور التكنولوجيا عاجزة عن التحول إلى صناعة عملية واسعة النطاق.
هناك مسار مختلف، يعتمد على قدرة البكتيريا على إنتاج الهيدروجين حتى في الظلام، بشرط التحكم في الهواء بعناية. هذه الطريقة، المعروفة باسم "التخمر المظلم"، لا تتطلب أنظمة إضاءة باهظة الثمن وتسمح باستزراع مستعمرات بكتيرية أكثر كثافة. وكان التحدي يكمماً في إيجاد الظروف المناسبة لتحفيز هذا الإنتاج المظلم دون قتل الخلايا أو هدر الطاقة. قام فريق من البحث في جامعة العلوم التطبيقية في بيبراخ بألمانيا باختبار ما إذا كان يمكن حث نوع معين من البكتيريا الأرجوانية، وهي Rhodospirillum rubrum، على إنتاج الهيدروجين بكفاءة في الظلام، باستخدام مواد نفايات من الصناعات الغذائية كمادة مغذية.
ركز الباحثون على سلالة فريدة من Rhodospirillum rubrum تمتلك خدعة خاصة: يمكنها بناء آلتها الداخلية لامتصاص الضوء حتى عند إبقائها في الظلام، طالما تم الحفاظ على مستوى الأكسجين منخفضاً ولكن ليس منعدماً تماماً. هذه الحالة، التي يسميها العلماء "شبه هوائية"، تسمح للبكتيريا بالتنفس بالأكسجين بينما تستعد في الوقت نفسه لتخمير السكريات. قام الفريق بزراعة هذه البكتيريا في خزانات كبيرة من الفولاذ المقاوم للصدأ، بدءاً بوصفة مخبرية محددة ثم الانتقال إلى نفايات حقيقية. واختبروا نوعين محددين من النفايات: عصير القشور والبذور المتبقية بعد صنع النبيذ الأبيض، والمعروف باسم عصير "بوماس العنب"، وشراب كثيف وسكري متبقٍ من تكرير قصب السكر، يُعرف باسم "المولاس". وقبل استخدام المولاس، عالجه الباحثون بإنزيم لتفكيك السكر المعقد إلى أشكال أبسط يمكن للبكتيريا التغذي عليها.
كشفت التجارب أن البكتيريا ازدهرت في هذه البيئات المظلمة والمتحكم في الأكسجين فيها. وعندما قام الباحثون بتحويل الخزانات من وجود كمية قليلة من الأكسجين إلى انعدام الأكسجين تماماً، بدأت البكتيريا في إطلاق غاز الهيدروجين. حدث هذا مع كل من الغذاء المخبري البسيط وعصائر النفايات المعقدة. نجحت هذه العملية لأن البكتيريا قامت بتفكيك "الفركتوز"، وهو نوع من السكر الموجود في كل من عصير العنب والمولاس، إلى جزيئات أصغر، مطلقةً الهيدروجين كمنتج ثانوي. ووجد الباحثون أن البكتيريا أنتجت مزيجاً من الأحماض العضوية الأخرى خلال هذه العملية، وهو جزء طبيعي من كيفية موازنة هذه الخلايا لطاقتها عندما لا تستطيع استخدام الضوء.
أظهرت النتائج فرقاً واضحاً بين الظروف الرئيسية المختبرة. فعندما تم إبقاء الخزانات خالية تماماً من الأكسجين، أنتجت البكتيريا الهيدروجين بسرعة أكبر وكميات أكبر مما كانت عليه عندما يُسمح ببقاء كمية صغيرة من الأكسجين. وكان الأداء الأفضل من نصيب "المولاس المتحلل". ففي الخزان الذي غُذي بهذا الشراب الغني بالسكر، حققت البكتيريا معدل إنتاج بلغ 1.12 ميليمول من الهيدروجين لكل لتر من السائل في الساعة. وكان هذا أعلى بكثير مما تحقق مع الغذاء المخبري القياسي أو عصير العنب. أما عصير العنب، رغم نجاحه، فقد تطلب التخفيف لمنع تركيز السكر العالي من إيذاء البكتيريا، وأنتج الهيدروجين بمعدل أبطأ.
كما أوضحت الدراسة كيف كانت البكتيريا تصنع الغاز. فبينما تشتهر هذه الكائنات باستخدام إنزيم يعمل بالطاقة الضوئية لصنع الهيدروجين، وجد الباحثون أنه في الظلام، تتولى مجموعة مختلفة من الإنزيمات المهمة. تعمل هذه الإنزيمات عن طريق تحويل جزيء يسمى "الفورمات" إلى هيدروجين وثاني أكسيد الكربون. وأكد الفريق أن البكتيريا لم تكن تعتمد على آلتها التي تعمل بالضوء لصنع الغاز في الظلام؛ بل كانت تستخدم مسار تخمر يتم تحفيزه عند نقص الأكسجين. ومن المثير للاهتمام أن البكتيريا احتاجت إلى إمداد ثابت من ثاني أكسيد الكربون، أُضيف في شكل مركب يشبه صودا الخبز، للحفاظ على استمرار العملية بكفاءة. وبدون هذه الإضافة، تباطأ إنتاج الهيدروجين أو توقف.
وعندما قارن الباحثون نتائجهم بدراسات أخرى، وجدوا أنه على الرغم من أن معدلات الإنتاج لديهم لم تكن الأعلى على الإطلاق في هذا المجال العلمي بأكمله، إلا أنها كانت مثيرة للإعجاب بالنسبة لعملية لا تستخدم الضوء ولا تتضمن بكتيريا معدلة وراثياً. تعتمد دراسات أخرى غالباً على إضاءة مكثفة أو سلالات طافرة متخصصة للحصول على أرقام عالية، لكن هذا العمل أثبت أن بكتيريا "نوع بري" طبيعية يمكنها إنتاج الهيدروجين بفعالية في خزان صناعي قياسي باستخدام نفايات رخيلة ومتجددة. إن القدرة على استخدام خزانات كبيرة ومظلمة تعني إمكانية توسيع نطاق هذه العملية بشكل أكبر بكثير من الطرق المعتمدة على الضوء، والتي تعاني من مشايات نفاذ الضوء.
وخلص الباحثون إلى أن هذا النهج يقدم مساراً قابلاً للتطبيق لتحويل النفايات الزراعية إلى طاقة نظيفة. فمن خلال استخدام قدرات التخمر المظلم لبكتيريا Rhodosphirillum rubrum، يمكن للصناعات معالجة منتجاتها الثانوية السكرية، مثل المولاس وعصير بوماس العنب، لتوليد الهيدروجين مع إنتاج كتلة حيوية قيمة يمكن استخدامها كسماد أو علف للحيوانات. لقد قدمت الدراسة بيانات ملموسة حول سرعة إنتاج البكتيريا للغاز وكمية إنتاجه، مما وضع معياراً جديداً للعمل المستقبلي. ورغم أنه لا تزال هناك مساحة لتحسين الكفاءة، إلا أن العمل يثبت أن هذه التكنولوجيا مجدية، وأن البكتيريا جاهزة للاختبار على نطاق أوسع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.