Stepwise utilization of H2 between Geobacter sulfurreducens and Methanosarcina barkeri promoted CO2-to-CH4 conversion
إن إنشاء استزراع مشترك تكافلي بين بكتيريا *Geobacter sulfurreducens* وبكتيريا *Methanosarcina barkeri* يعزز بشكل كبير معدلات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثان من خلال التغلب على قيود انتقال الكتلة عبر الاستخدام المتدرج للهيدروجين، والمسارات الأيضية المنظمة، وانتقال الإلكترونات بين الأنواع بوساطة مواد شبيهة بحمض الفولفيك.
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
في السعي لتنظيف مستقبل طاقتنا، يبحث العلماء عن طرق لتحويل ثاني أكسيد الكربون العادم إلى وقود مفيد. وتتضمن إحدى الطرق الواعدة عملية تسمى "الميثنة الحيوية"، حيث تعمل كائنات دقيقة كأنها مصانع بيولوجية؛ فهي تأخذ ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة، وتدمجه مع غاز الهيدروجين لإنتاج الميثان، وهو المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. وهذا الأمر جذاب لأن الهيدروجين يمكن إنتاجه من الكهرباء الفائضة المتولدة من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية، مما يؤدي فعلياً إلى تخزين الطاقة المتجددة في شكل غاز يمكن حرقه أو ضخه في خطوط الأنابيب الموجودة. ومع ذلك، هناك عقبة كبيرة في هذه العملية؛ فغاز الهيدروجين لا يذوب بسهولة في الماء، والكائنات الدقيقة التي تقوم بالعمل تعيش في بيئات سائلة. ولأن الغاز يواجه صعوبة في الانتقال من فقاعات الهواء إلى السائل حيث يمكن للميكروبات التقاطه، فإن التفاعل بأكمله غالباً ما يسير ببطء شديد بحيث لا يكون عملياً على نطاق واسع.
ولحل هذه المشكلة، بحث باحثون في جامعة تشجيانغ في شراكة بين نوعين مختلفين من الحياة المجهرية: بكتيريا تسمى Geobacter sulfurreducens وعتيقة (أركيا) تسمى Methanosarcina barkeri. وبينما تُعرف M. barkeri بأنها منتجة للميثان وتتغذى عادةً على الهيدروجين مباشرة، تساءل العلماء عما إذا كان إضافة G. sulfurreducens يمكن أن يساعد في تسريع العملية. هذه البكتيريا مشهورة بقدرتها على نقل الإلكترونات، حيث تعمل أساساً كـ "سلك بيولوجي". وقد سعى الفريق لمعرفة ما إذا كان هذان الكائنان يمكنهما العمل معاً لتجاوز الخطوة البطيئة المتمثلة في ذوبان الغاز في السائل، مما يخلق فعلياً اختصاراً لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثان.
قام الباحثون بخلط النوعين من الكائنات في حاويات مغلقة مليئة بمرق مغذٍ، ثم ضخوا خليطاً من غاز الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون عبر السائل. وقارنوا هذه المجموعة المختلطة بمجموعة ضابطة تحتوي فقط على العتيقة المنتجة للميثان. وكانت النتائج مذهلة؛ فقد استهلكت الثقافة المختلطة غاز الهيدروجين بسرعة أكبر بكثير، حيث استنفدت الكمية كلها في أربعة أيام فقط، بينما استغرقت العتيقة وحدها ثمانية أيام لإنهاء نفس الكمية. وترجم هذا التسريع مباشرة إلى إنتاج الميثان؛ حيث أنتجت الثقافة المختلطة الميثان بمعدل 0.158 ملليلتر لكل ملليلتر من الهيدروجين المغذي يومياً، وهو معدل أسرع بأكثر من ثلاث مرات من العتيقة التي تعمل بمفردها. علاوة على ذلك، بدأت الثقافة المختلطة في إنتاج الغاز في وقت أبكر ووصلت إلى ذروة سرعتها قبل نصف يوم تقريباً من المجموعة المكونة من نوع واحد.
ولفهم كيفية عمل هذه الشراكة، نظر الفريق بدقة في الخلايا والمواد الكيميائية التي تفرزها. وباستخدام مجاهر قوية، رأوا نوعي الخلايا يعيشان على مقربة شديدة من بعضهما البعض، مما يشير إلى وجود اتصال فيزيائي وثيق. كما حللوا المواد اللزجة، المعروفة باسم البوليمرات خارج الخلوية، التي تفرزها الميكروبات لحماية نفسها والتواصل. وفي الثقافة المختلطة، احتوت هذه المواد على مستويات أعلى من مركبات محددة تعمل كـ "ناقلات للإلكترونات". هذه المركبات، التي تشبه المادة العضوية الطبيعية الموجودة في التربة، يمكنها التقاط الإلكترونات من كائن حي ونقلها إلى آخر. وقد أشار هذا الاكتشاف إلى أن البكتيريا لم تكن مجرد جالسة بجانب بعضها البعض، بل كانت تتبادل الإلكترونات بنشاط عبر هذه الجسور الكيميائية، مما يسمح للعتيقة بالحصول على الطاقة التي تحتاجها لصنع الميثان دون انتظار ذوبان غاز الهيدروجين ببطء في الماء.
وتعمق العلماء أكثر في فحص البروتينات داخل الخلايا لمعرفة أي المفاتيح الجينية تعمل أو تتوقف. ففي العتيقة، كانت البروتينات المسؤولة عن الخطوة النهائية لصنع الميثان تعمل بجهد أكبر من المعتاد. وفي الوقت نفسه، كانت الآليات التي تلتقط الهيدروجين مباشرة أقل نشاطاً. ويشير هذا إلى أن العتيقة لم تكن تعتمد فقط على قدرتها الخاصة على أكل الهيدروجين، بل كانت تتلقى الإلكترونات من البكتيريا عبر الجسور الكيميائية. وبدورها، كانت البكتيريا تستخدم إنزيمات متخصصة في أكل الهيدروجين لتفكيك غاز الهيدروجين ونقل الإلكترونات الناتجة عنه. وقد خلق هذا تقسيم العمل نظاماً أكثر كفاءة حيث تولت البكتيريا المهمة الصعبة المتمثلة في التقاط الغاز، بينما ركزت العتيقة على تحويل الطاقة إلى ميثان.
خلصت الدراسة إلى أن هذا التعاون البيولوجي يوفر طريقة مستدامة للتغلب على الحدود الفيزيائية لذوبان الغاز في الماء. فمن خلال السماح للبكتيريا بالعمل كجسر لتوصيل الإلكترونات مباشرة إلى منتج الميثان، تصبح العملية أسرع وأكثر كفاءة بشكل ملحوظ. وبينما أشار الباحثون إلى أنهم لا يزالون بحاجة إلى معرفة المزيد حول كيفية استقبال العتيقة لهذه الإلكترونات بالضبط، إلا أن الأدلة تظهر بوضوح أن طريقة "الثقافة المشتركة" هذه تعزز سرعة إنتاج الميثان. ويمكن أن يساعد هذا النهج في نهاية المطاف في جعل الغاز الطبيعي المتجدد خياراً أكثر جدوى لتخزين الطاقة النظيفة وتقليل انبعاثات الكربون، محولاً تفاعلاً كيميائياً بطيئاً وصعباً إلى عملية بيولوجية سريعة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.