Biogas biodesulfurization and simultaneous valorization into high–value bioproducts by Rhodopseudomonas telluris
تُظهر هذه الدراسة أن بكتيريا *Rhodopseudomonas telluris* تزيل كبريتيد الهيدروجين من الغاز الحيوي بفعالية من خلال الأكسدة الكاملة، بينما تنتج في الوقت ذاته منتجات حيوية عالية القيمة، بما في ذلك الكاروتينات، والبكتريوكلوفيل، والبولي هيدروكسي بيوتيرات، مما يقدم حلاً مستداماً للاقتصاد الدائري لتنقية الغاز الحيوي.
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
يُعد الغاز الحيوي وقوداً متجدداً يتكون عندما تقوم البكتيريا بتفكيك النفايات العضوية، مثل بقايا الطعام أو روث الماشية، في غياب الأكسجين. وهو مصدر واعد للطاقة لأنه يعمل على احتجاز الميثان، وهو غاز دفيئة قوي، وتحويله إلى شيء مفيد. ومع ذلك، فإن الغاز الخام الناتج عن هذه العملية غالباً ما يحتوي على كمية كبيرة من كبريتيد الهيدروجين، وهو غاز سام ومسبب للتآكل تفوح منه رائحة البيض الفاسد. هذا الشائبة تشكل خطراً على صحة الإنسان، وتتلف الأنابيب المعدنية والمحركات المستخدمة لحرق الوقود، وتفسد جودة الطاقة. تقليدياً، يتطلب إزالة هذا الكبريت مواد كيميائية قاسية أو مرشحات باهظة الثمن تسبب بدورها مشاكل نفايات خاصة بها. وقد بحث العلماء طويلاً عن طريقة بيولوجية أكثر لطفاً لتنقية هذا الغاز، آملين في العثور على كائن مجهري يمكنه "أكل" السم وتحويله إلى شيء غير ضار أو حتى ذي قيمة.
في دراسة حديثة، استكشف الباحثون ما إذا كان نوع معين من البكتيريا الأرجوانية، يُعرف باسم Rhodopseudomonas telluris، يمكنه القيام بهذه المهمة المزدوجة. تعيش هذه البكتيريا بشكل طبيعي في بيئات مثل برك مياه الصرف الصحي، وتمتلك قدرة فريدة على استخدام الضوء للحصول على الطاقة مع استهلاك مركبات الكبريت. وضع الفريق هدفاً لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تدريب هذا الميكروب على تنقية الغاز من كبريتيد الهيدروجين، وفي هذه العملية، إنتاج مواد بيولوجية مفيدة. وبدلاً من مجرد تنظيف الغاز، كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت البكتيريا تستطيع تحويل نفايات الكبريت إلى منتجات عالية القيمة مثل الأصباغ والبلاستيك القابل للتحلل الحيوي، مما يحول الملوث فعلياً إلى مورد.
بدأ الباحثون بعزل سلالة من البكتيريا وتنميتها في بيئة مختبرية. وضعوا الميكروبات في حاويات مليئة بسائل غني بالمغذيات ثم أدخلوا نبضات صغيرة ومتحكم بها من الغاز الحيوي الذي يحتوي على كبريتيد الهيدروجين. استمرت التجربة لمدة أسبوعين تقريباً، قام خلالها الفريق بمراقبة مستويات الغاز، وحموضة السائل، وصحة المستنبت البكتيري بعناعة. ووجدوا أن البكتيريا قادرة بالفعل على "أكل" كبريتيد الهيدروجين. وعلى مدار فترة التجربة، أزالت الثقافة ما مجموعه حوالي 2,917 جزء في المليون من الغاز. لم تكن هذه كمية ضئيلة؛ فقد مثلت حوالي 35 بالمائة من إجمالي الكبريت المورد، مما يثبت أن البكتيريا كانت تقوم بعملية التمثيل الغذائي لهذا السم بنشاط بدلاً من مجرد اختفائه أو التصاقه بجدران الحاوية.
بينما كانت البكتيريا تستهلك الكبريت، لم تكتفِ بتدميره فحسب، بل قامت بتحويله. رصدت الدراسة تراكمًا كبيرًا للكبريتات في السائل، مما يشير إلى أن البكتيريا قامت بأكسدة كبريتيد الهيدروجين بشكل كامل. وتعد هذه العملية حاسمة لأن الكبريتات هي شكل مستقر وغير سام من الكبريت لا يسبب تآكل المعدات ولا يضر بالبيئة. ازدهرت البكتيريا بشكل أفضل عندما ظل السائل مائلاً قليلاً إلى الحموضة أو متعادلاً، وتحديداً بين درجة حموضة (pH) 6.0 و7.0. وعندما أصبحت البيئة شديدة الحموضة، حيث انخفضت عن 5.5، تباطأت البكتيريا وتوقفت عن النمو في النهاية، مما يشير إلى أن الحفاظ على التوازن الكيميائي الصحيح هو المفتاح لاستمرار العملية بكفاءة.
وبينما كانت تنظف الغاز، بدأت البكتيريا أيضاً في بناء هياكل داخلية قيمة. تحول لون المستنبت إلى اللون الأحمر الداكن، وهي علامة بصرية على أن الميكروبات تنتج الكاروتينويدات والباكتريوكلو روفيل (الكلوروفيل البكتيري). وهذه أصباغ طبيعية تساعد البكتيريا على التقاط طاقة الضوء وحماية نفسها من الضرر. قام الباحثون بقياس هذه الأصباغ ووجدوا أنها تتراكم بكميات كبيرة، حيث وصلت مستويات الكاروتينويدات إلى حوالي 1.06 ملليغرام لكل غرام من الكتلة الحيوية. وهذا أمر ملحوظ لأن هذه الأصباغ تُحصد غالباً لاستخدامها في تلوين الأطعمة، ومستحضرات التجميل، والمكملات الصحية. كما أنتجت البكتيريا مادة "بولي هيدروكسي بيوتيرات"، وهي نوع من البلاستيك القابل للتحلل الحيوي تخزنه الخلايا كمخزون للطاقة. وقد وصلت هذه المادة إلى تركيز يزيد عن 200 ملليغرام لكل لتر، مما يثبت أن العملية يمكن أن تنتج مادة قادرة على استبدال البلاستيك القائم على البترول.
كما بحثت الدراسة بدقة في سرعة وحدود عملية التنظيف البيولوجية هذه. نمت البكتيريا بوتيرة ثابتة، حيث وصلت إلى أقصى معدل نمو بلغ 0.2 في الساعة. وحدد الباحثون أن البكتيريا يمكنها التعامل مع تركيزات من كبريتيد الهيدروجين تصل إلى حوالي 4,600 جزء في المليون قبل أن يصبح الغاز نفسه ساماً للخلايا. ومن المثير للاهتمام أن تراكم الكبريتات لم يبدُ أنه يسمم البكتيريا، حتى مع ارتفاع المستويات إلى ما يقرب من 337 ملليغرام لكل لتر. وهذا يشير إلى أن التحدي الرئيسي للعملية ليس المنتج العادم، بل الحموضة التي تأتي مع غاز الكبريت. استخدم الفريق نماذج رياضية لوصف كيفية نمو البكتيريا واستهلاكها للغاز، ووجدوا أن توقعاتهم تطابقت بدقة شديدة مع النتائج الواقعية، مما يعطي الثقة في موثوقية البيانات.
في الختام، تسلط هذه الأبحاث الضوء على مسار محتمل لإنتاج الغاز الحيوي يتماشى مع مفهوم الاقتصاد الدائري، حيث يتم إعادة توظيف النفايات باستمرار. فمن خلال استخدام Rhodopseudomonas telluris، يمكن إزالة ملوث خطير من الوقود المتجدد مع توليد الأصباغ والبلاستيك الحيوي في الوقت ذاته. تؤكد الدراسة أن هذا النوع المحدد من البكتيريا مرشح قوي لمثل هذا النظام، بشرط الحفاظ على البيئة ضمن الحدود الكيميائية الصحيحة. وبينما أظهرت العملية انخفاضاً في الكفاءة مع تقدم التجربة بسبب زيادة الحموضة، إلا أن النتائج تثبت أن الآلية البيولوجية تعمل. لقد نجحت البكتيريا في تحويل غاز سام إلى كبريتات غير ضارة ومنتجات بيولوجية قيمة، مما يقدم لمحة عن كيف يمكن لأدوات الطبيعة الخاصة أن تحل يوماً ما بعضاً من أكثر مشكلاتنا الصناعية استعصاءً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.