Combining phytoremediation potential of Lemna gibba with biochar adsorption technology for cadmium, nickel and lead removal from wastewater

الماء هو شريان الحياة لكوكبنا، لكنه يرزح بشكل متزايد تحت وطأة السموم غير المرئية. ومن بين أخطر هذه السموم المعادن الثقيلة مثل الكادميوم والنيكل والرصاص؛ فهذه العناصر لا تتفكك أو تختفي، بل تستمر في البيئة، وتتراكم في التربة والمياه حتى تصل إلى مستويات تضر بالنظم البيئية وصحة الإنسان. وهي تدخل أنهارنا ومستنقعاتنا عبر النفايات الصناعية، والتعدين، والجريان السطحي الزراعي، مما يشكل مخاطر جسيمة مثل أمراض الكلى والاضطرابات العصبية. ولأن هذه المعادن عنيدة للغاية، فإن تنظيفها أمر صعب؛ إذ تعتمد الطرق التقليدية غالباً على مواد كيميائية باهظة الثمن أو آلات تستهلك طاقة كبيرة لا تستطيع العديد من المناطق النامية تحمل تكلفتها. وقد دفع هذا العلماء للبحث في الطبيعة عن إجابات، وتحديداً في قدرة النباتات الحية على امتصاص الملوثات، وإمكانية تحويل تلك النباتات إلى مواد يمكنها حبس السموم.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون في ماليزيا والعراق استراتيجية مكونة من جزأين لمعالجة هذه المشكلة باستخدام نبات مائي صغير عائم يُعرف باسم عدس الماء (Duckweed)، وتحديداً نوع "ليمنا جيبا" (Lemna gibba). هذا النبات شائع في المجاري المائية المحلية وينمو بسرعة، مما يجعله مرشحاً واعداً لتنقية المياه. وقد اختبر الفريق نهجاً مزدوجاً: أولاً، اختبروا مدى فعالية النبات الحي في إزالة الكادميوم والنيكل والرصاص من المياه الملوثة. ثانياً، أخذوا نفس النبات بعد أن أتم مهمته، وجففوه، ثم سخنوه في بيئة محكومة خالية من الأكسجين لإنتاج مادة تشبه الفحم تُسمى "الفحم الحيوي" (Biochar). ثم اختبروا هذا الفحم الحيوي لمعرفة ما إذا كان بإمكانه العمل كإسفنجة قوية لامتصاص المعادن. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان استخدام النبات مرتين — مرة وهو حي ومرة كمادة معالجة — يمكن أن يوفر طريقة منخفضة التكلفة ومستدامة لتنقية مياه الصرف الصحي.

بدأ الباحثون بإنشاء مياه صرف صحي اصطناعية في المختبر، عبر خلط الماء بكميات دقيقة من الكادميوم والنيكل والرصاص بتركيزات تتراوح من 0.5 إلى 5.0 ملليغرام لكل لتر. وضعوا 30 غراماً من عدس الماء الحي في حاويات تحتوي على ثلاثة لترات من هذه المياه الملوثة وراقبوا ما سيحدث على مدار خمسة عشر يوماً. وقاموا بقياس مستويات المعادن يومياً لتتبع كمية ما امتصه النبات. كانت النتائج مذهلة؛ فقد أثبت عدس الماء الحي فعالية عالية، حيث أزال جميع الرصاص والكادميوم تقريباً من الماء، حتى في التركيزات العالية. كما تمت إزالة النيكل بكفاءة، وإن كان بنسبة أقل قليلاً من المعدنين الآخرين. كانت العملية سريعة في البداق، حيث امتص النبات معظم السموم خلال أول عشرة أيام، قبل أن تتباطأ مع وصوله إلى حده الأقصى. ومع ذلك، أشارت الدراسة إلى أن المعادن الثقيلة أثرت سلباً على النبات؛ فبحلول نهاية التجربة، تحولت الأوراق إلى اللون الأصفر، وهي علامة على الإجهاد الناجم عن البيئة السامة.

وبينما كان النبات الحي يعمل بشكل جيد، أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكان النبات أن يفعل المزيد بعد انتهاء دورة حياته. أخذوا عدس الماء، وجففوه، وسخنوه لإنتاج الفحم الحيوي، وهي عملية نتج عنها حوالي 44.5 بالمائة من الفحم من المادة النباتية الأصلية. وعندما فحصوا هذه المادة الجديدة تحت المجهر، وجدوا أنها أصبحت مسامية للغاية، مليئة بالثقوب والقنوات الصغيرة التي توفر مساحة سطح واسعة لحبس المعادن. ثم وضعوا هذا الفحم الحيوي في دفعات جديدة من المياه الملوثة لمعرفة مدى قدرته على امتزاز السموم. وقد أدى الفحم الحيوي أداءً استثنائياً، وغالباً ما كان ينقي المياه من المعادن بكفاءة أكبر من النبات الحي، رغم أن السرعة تفاوتت حسب المعدن والتركيز. وبينما احتاج النبات الحي إلى ما يصل إلى 15 يوماً للوصول إلى أقصى حد من الإزالة، حقق الفحم الحيوي حالة التوازن في غضون 12 إلى 48 ساعة، مع وصول بعض التركيزات إلى الإزالة الكاملة في يوم واحد فقط. وقد أظهر الفحم الحيوي قوة خاصة في التقاط الرصاص، يليه الكادميوم ثم النيكل، ويرجع ذلك على الأرجح إلى الخصائص الكيميائية المحددة لسطح الفحم.

تخلص الدراسة إلى أن الجمع بين هذين الأسلوبين يقدم حلاً دائرياً قوياً لمعالجة المياه. يمكن للنبات الحي أن يُستخدم لتنظيف كميات كبيرة من المياه بمرور الوقت، وبمجرد أن يؤدي غرضه، يمكن تحويله إلى مادة ترشيح عالية الكفاءة لتنقية المياه بشكل أكبر أو معالجة دفعات جديدة. هذا النهج يحول منتجاً ثانوياً إلى مورد قيم، مما يعظم الاستفادة من الكتلة الحيوية. ووجد الباحثون أنه بينما يعد النبات الحي ممتازاً لعمليات التنظيف البطيئة واسعة النطاق، فإن الفحم الحيوي يتفوق في الإزالة السريعة وعالية الكفاءة. ومن خلال استخدام نفس النبات لكلا الدورين، تقلل هذه الطريقة من الهدر وتوفر استراتيجية فعالة من حيث التكلفة يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص في المناطق التي يرتفع فيها التلوث الصناعي ولكن تفتقر إلى البنية التحتية المتقدمة للمعالجة. ويشير هذا الاستخدام المزدوج لمواد الطبيعة نفسها إلى مسار نحو مياه أنظف تكون صديقة للبيئة ومجدية اقتصادياً في آن واحد.