Screening bacterial isolates: Psychrobacter sp. metabolite for wastewater treatment

تُعد محطات معالجة مياه الصرف الصحي حراس الصحة العامة المجهولين، حيث تقوم بتصفية المياه التي نستخدمها لتعود بأمان إلى البيئة. ومع ذلك، تترك هذه العملية وراءها بقايا سميكة ورطبة تُعرف باسم حمأة الصرف الصحي. وتعد إدارة هذه الحمأة واحدة من أكثر الأجزاء تكلفة وصعوبة في تشغيل محطات المعالجة. وقبل أن يمكن التخلص منها أو إعادة استخدامها، يجب عصر الماء المحتبس داخل الحمأة، وهي عملية تُسمى "نزح المياه". وفي الوقت الحالي، يعتمد المهندسون غالباً على مواد كيميائية اصطناعية للمساعدة في تجميع الجزيئات الصغيرة معاً حتى يمكن تصريف الماء بعيداً. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الإضافات المصنعة يمكن أن تترك وراءها بقايا سامة ومعادن ثقيلة، مما يخلق مشكلة بيئية جديدة أثناء محاولة حل المشكلة القديمة. وقد بحث العلماء طويلاً عن بديل أنظف: مادة تنتجها الكائنات الحية وتكون غير سامة وقابلة للتحلل الحيوي. وقد قاد هذا البحث العلماء إلى استكشاف عالم البكتيريا المجهري، آملين في العثور على عامل طبيعي يمكنه القيام بنفس وظيفة المواد الكيميائية القاسية دون الآثار الضارة.

في دراسة حديثة، وجه الباحثون من البرازيل اهتمامهم إلى مصدر فريد لهذه العمال المجهريين: أسطح الألواح الشمسية. فغالباً ما تتعرض الألواح الشمسية لظروف قاسية، بما في ذلك ضوء الشمس الشديد وتقلبات درجات الحرارة الواسعة، مما يجبر البكتيريا التي تعيش عليها على تطوير استراتيجيات بقاء قوية. جمع الفريق أربعة أنواع مختلفة من البكتيريا من هذه الألواح واختبر قدرتها على إنتاج "مخثر طبيعي" (flocculant)، وهو مادة تجعل الجزيئات العالقة تلتصق ببعضها البعض وتترسب. قاموا بزراعة البكتيريا في بيئة مختبرية وراقبوا مدى جودة السائل الذي أنتجته في تصفية خليط عكر من الطين والماء. وبينما أظهرت جميع السلالات البكتيرية الأربع قدرة ما على تجميع الجزي particles، برزت سلالة واحدة؛ حيث أنتجت بكتيريا من نوع Psychrobacter sp. مستخلباً (metabolite) لم يكن عالي الفعالية فحسب، بل كان أيضاً مستقراً بشكل ملحوظ بمرور الوقت، محافظاً على أدائه لفترة طويلة بعد أن بدأت السلالات الأخرى في فقدان قوتها.

ركز الباحثون بعد ذلك بالكامل على هذه السلالة الفائزة لفهم كيفية تحقيق أقصى استفادة منها. واختبروا ظروفاً مختلفة، مثل تغيير حموضة الماء، ودرجة الحرارة، وكمية البكتيريا المضافة إلى الخليط. ومن المثير للدهشة، أثبتت البكتيريا أنها قوية جداً؛ إذ لم تعتمد قدرتها على إنتاج المخثر بشكل كبير على هذه الظروف المحددة، مما يشير إلى أن الكائن حيوي بطبيعته. ومع ذلك، ومن خلال تحليل اتجاهات بياناتهم بعناية، حدد الفريق مجموعة من الظروف التي تزيد الإنتاج إلى أقصى حد: بيئة شديدة القلوية، ودرجة حرارة معتدلة، وكمية محددة من البادئ البكتيري. وتحت هذه الإعدادات المثالية، تمكنوا من حصاد كمية كبيرة من المادة الجافة، حيث أنتجوا ما يقرب من ثلاثة جرامات من المادة لكل لتر من السائل المنتج.

ولفهم ما يجعل هذه المادة الطبيعية تعمل، قام الفريق بتفكيكها كيميائياً. ووجدوا أنها خليط معقد، يتكون في الغالب من الكربوهيدرات، تليها الدهون والبروتينات. وعندما فحصوا المادة تحت المجهر، ظهرت كجسيمات حبيبية غير منتظمة تتراوح بين ذرات صغيرة وتكتلات أكبر. وكشف تحليل إضافي باستخدام الأشعة تحت الحمراء عن وجود مجموعات كيميائية محددة، مثل مجموعات الهيدروكسيل والكربوكسيل، والتي تعمل مثل خطافات صغيرة تمسك بالجزيئات وتجمعها معاً. وهذا التركيب الكيميائي هو ما يسم يسمح للمادة بتحييد الشحنات الكهربائية التي عادة ما تبقي جزيئات الحمأة متباعدة، مما يسمح لها بالتكتل والترسب.

وجاء الاختبار الحقيقي عندما طبق الباحثون هذا المنتج البكتيري على حمأة صرف صحي حقيقية من محطة معالجة بلدية. فقد عالجوا كلاً من الحمأة الهوائية، التي تأتي من الخزانات التي يُضخ فيها الهواء، والحمأة اللاهوائية، التي تأتي من الخزانات التي تفتقر إلى الأكسجين. وفي الحمأة الهوائية، أدى المنتج البكتيري أداءً استثنائياً، حيث قام بتصفية المياه بكفاءة تقارب 94 بالمائة. وكانت هذه النتيجة مطابقة تقريباً لواحد من البوليمرات الكيميائية التجارية الرائدة المستخدمة حالياً في الصناعة. أما في الحمأة اللاهوائية، وهي الأكثر كثافة وصعوبة في المعالجة، فقد كان المنتج الطبيعي أقل فعالية، حيث حقق كفاءة تبلغ حوالي 72 بالمائة، لكنه لا يزال يظهر وعداً كبيراً. وأشار الباحثون إلى أنه بينما يشكل البوليمر الكيميائي تكتلات كبيرة وقوية، فإن المنتج البكتري ينتج تجمعات أصغر وأسرع في الترسيب.

توضح هذه الدراسة أن البكتيريا التي تعيش على الألواح الشمسية يمكن أن تكون مصدراً غنياً بالأدوات الصديقة للبيئة لتنظيف مياه الصرف الصحي. توفر سلالة Psychrobacter التي تم تحديدها في هذا العمل بديلاً قابلاً للتطبيق وغير سام للمواد الكيميائية الاصطناعية، وقادرة على تحمل المهام الشاقة لنزع المياه من الحمأة بأداء يضاهي المعايير الصناعية. ورغم أن العملية ليست بعد بديلاً مثالياً لكل حالة، خاصة في أنواع الحمأة الأكثر تحدياً، إلا أن النتائج تفتح مساراً واضحاً للمضي قدماً. ومن خلال الاستمرار في تحسين كيفية زراعة هذه البكتيريا وفهم كيفية تفاعل منتجاتها الطبيعية بدقة مع الحمأة، قد يمتلك العلماء قريباً حلاً مستداماً يحافظ على نظافة مياهنا دون ترك أثر سام خلفه.