Valorization of digestates and vermicompost as alternative culture media for Chlorella vulgaris: biomass production, biochemical composition and biodiesel quality

غالباً ما تتجه شهية العالم للطاقة والغذاء في اتجاهات متعاكسة. فزراعة المحاصيل من أجل الوقود تتطلب مساحات شاسعة من الأراضي وكميات هائلة من المياه، وهي موارد يمكن توجيهها بدلاً من ذلك لإطعام الناس أو دعم النظم البيئية الطبيعية. وفي الوقت نفسه، فإن النفايات الناتجة عن الزراعة والصناعة - مثل روث الماشية - تتراكم، مما يخلق مشكلات بيئية إذا لم تتم إدارتها بعناية. لطالما نظر العلماء إلى كائنات دقيقة وحيدة الخلية تسمى "الطحالب الدقيقة" كجسر محتمل بين هذه التحديات. يمكن لهذه النباتات المجهرية أن تنمو بسرعة، حيث تمتص ثاني أكسيد الكربون وتحول ضوء الشمس إلى زيوت وبروتينات وسكريات قيمة. وإذا أمكن زراعتها بتكلفة منخفضة وكفاءة عالية، فقد توفر مصدراً مستداماً للوقود الحيوي وعلف الحيوانات دون التنافس مع المحاصيل الغذائية على الأراضي. ومع ذلك، ظل هناك عائق رئيسي يتمثل في تكلفة "حساء المغذيات السائل"، أو الوسط المستنبت، المطلوب لتغذيتها؛ إذ تعتمد الطرق التقليدية على مكونات كيميائية مصنعة باهظة الثمن، مما يجعل الإنتاج واسع النطاق صعباً من الناحية الاقتصادية.

وضع فريق من الباحثين في المكسيك هدفاً ليروا ما إذا كان بإمكانهم استبدال هذه الخلطات الاصطناعية المكلفة بشيء أكثر سهولة في الوصول إليه: وهو النواتج السائلة لمعالجة النفايات. وقد ركزوا على نوعين محددين من السوائل المشتقة من النفايات؛ جاء الأول من "السماد الدودي" (vermicompost)، وهو في الأساس تربة غنية بفضل تحليل الديدان للمواد العضوية. وجاء الثاني من "المخلفات الهضمية" (digestates)، وهي البقايا السائلة بعد أن تقوم البكتيريا بتفكيك روث الأبقار والخنازير في بيئة خالية من الأكسجين. أراد العلماء معرفة ما إذا كانت سوائل النفايات هذه يمكن أن تغذي نوعاً معيناً من الطحالب الدقيقة، وهو "كلوريللا فولغاريس" (Chlorella vulgaris)، بنفس كفاءة الخلطات المختبرية القياسية أو حتى أفضل منها. قاموا بزراعة الطحالب في دوارق تحتوي على هذه السوائل المختلفة، وقاموا بقياس مدى نمو الطحالب بدقة، وما هي العناصر الغذائية التي خزنتها داخل خلاياها، وما إذا كانت الزيوت التي تنتجها يمكن تحويلها إلى ديزل حيوي عالي الجودة.

أظهرت النتتائج أن السوائل القائمة على النفايات لم تكن مجرد بدائل قابلة للتطبيق فحسب، بل تفوقت في عدة حالات على المعايير الاصطناعية المكلفة. وكانت الخلطة الأكثر نجاحاً هي مزيج من المخلفات الهضمية لروث الأبقار والخنازير؛ فعندما نمت الطحالب في هذا السائل المختلط، أنتجت كتلة حيوية تزيد بنسبة 43 بالمائة عن تلك التي نمت في الوسط الاصطناعي القياسي. والأهم من ذلك بالنسبة لإنتاج الوقود، أن الطحالب في سائل الروث المختلط هذا خزنت دهوناً (lipids) تزيد بنسبة 159 بالمائة، وهي الدهون التي يمكن تحويلها إلى ديزل حيوي. ومن جهة أخرى، أنتج السائل المشتق من هاضم جامعي واسع النطاق يعالج جميع أنواع روث الماشية، أعلى تركيز للدهون من بين جميع العينات، متجاوزاً المعيار الاصطناعي بنسبة 172 بالمائة. كما وجد الباحثون أن الطحالب التي نمت في سوائل النفايات هذه تراكمت فيها كميات أكبر بكثير من البروتينات والكربوهيدرات، مما يشير إلى أن هذه الكائنات كانت تزدهر بفضل المغذيات المعقدة الموجودة في النفايات.

وبعيداً عن مجرد كمية النمو، تغيرت جودة الطحالب اعتماداً على ما تتغذى عليه. حلل الباحثون الأحماض الدهنية داخل خلايا الطحالب لمعرفة نوع الوقود الذي يمكنهم صنعه، ووجدوا أن الأوساط القائمة على النفايات شجعت الطحالب على إنتاج مجموعة متنوعة من الأحماض الدهنية مقارنة بالوسط الاصطناعي. على سبيل المثال، أنتجت الطحالب التي نمت في سائل الروث المختلط تسعة أنواع مختلفة من اللبنات الأساسية للأحماض الدهنية، بينما أنتجت الطحالب في السائل الاصطناعي أربعة أنواع فقط. وتعد هذه التنوع أمراً بالغ الأهمية لأن الأحماض الدهنية المختلفة هي التي تحدد مدى جودة الوقود النهائي. وقد حسبت الدراسة الجودة المحتملة للديزل الحيوي الذي يمكن استخراجه من زيوت هذه الطحالب، ووجدت أن الوقود المستخلص من السماد الدودي والمخلفات الهضمية أحادية النوع من الروث قد استوفى جميع المعايير الدولية الخمسة لجودة الديزل الحيوي. وفي المقابل، استوفى الوقود الناتج عن الوسط الاصطناعي أربعة معايير فقط من أصل خمسة. وبشكل محدد، أظهر الديزل الحيوي المستخلص من مخلفات روث الأبقار استقراراً وجودة احتراق استثنائية، مما يجعله مرشحاً قوياً جداً لإنتاج الوقود.

كما سلطت الدراسة الضوء على أن ليس كل سوائل النفايات تعمل بنفس الطريقة. فبينما عزز سائل الروث المختلط النمو الإجمالي وإنتاج الدهون، أدى السائل المشتق من روث الأبقار الصافي إلى أدنى معدل لنمو الطحالب. واقترح الباحثون أن هذا يرجع على الأرجح إلى أن سائل روث الأبقار كان داكن اللون للغاية، مما حال دون وصول ضوء الشمس الذي تحتاجه الطحالب لعملية التمثيل الضوئي. ويؤكد هذا الاكتشاف أن استخدام النفايات ببساطة ليس حلاً سحرياً؛ فتركيبة النفايات المحددة هي التي تصنع الفارق. فاللون الداكن لبعض السوائل يمكن أن يعيق النمو، بينما يمكن للتوازن الغذائي في سوائل أخرى أن يعززه بقوة. وخلص الباحثون إلى أن النهج الأفضل يعتمد على النتيجة المنشودة؛ فإذا كان الهدف هو إنتاج أكبر قدر ممكن من الوقود، فإن مخلفات الروث المختلطة أو مخلفات الهاضم الجامعي هي الخيارات الأفضل. أما إذا كان الهدف هو إنتاج وقود عالي الجودة ومستقر للغاية، فإن مخلفات روث الأبقار هي الأكثر واعدة، رغم انخفاض معدل النمو الإجمالي.

تشير هذه النتائج إلى مستقبل يعمل فيه تدبير النفوات وإنتاج الطاقة معاً بسلاسة. فمن خلال استخدام البقايا السائلة من الزراعة والتسميد لتغذية الطحالب الدقيقة، يصبح من الممكن تحويل مشكلة التخلص من النفايات إلى مورد. وتثبت الدراسة أن هذه الأوساط البديلة يمكن أن تدعم نمواً قوياً وإنتاجاً عالياً للزيوت دون التكلفة العالية للمواد الكيميائية الاصطناعية. ويتماشى هذا النهج مع مبادئ الاقتصاد الدائري، حيث تصبح نفايات عملية ما هي الوقود لعملية أخرى. ورغم أن هذا البحث أُجري على نطاق صغير في المختبر، إلا أن النتائج تشير إلى أن توسيع نطاق هذا العمل قد يوفر مساراً مستداماً لإنتاج الوقود الحيوي وأعلاف الحيوانات، مما يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري والأسمدة الكيميائية مع تنظيف النفايات الزراعية في آن واحد.