بكتيريا معدلة وراثيًا تسرّع تفتيت الصخور وتعزز إزالة ثاني أكسيد الكربون

نجح فريق من الباحثين في تطوير بكتيريا بحرية معدلة وراثيًا قادرة على تسريع عملية تجوية الصخور، وهي عملية طبيعية تسهم في سحب ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه في مياه المحيطات، بعدما أظهرت التجارب أن البكتيريا المهندسة جعلت صخور الأوليفين المسحوقة تذوب بمعدل أسرع بنحو ثلاثة أضعاف مقارنة بمياه البحر وحدها.

وتعتمد التقنية الجديدة على تعديل بكتيريا بحرية شائعة لمنع تراكم الصدأ على أسطح الصخور، وهي إحدى العقبات التي تبطئ عملية ذوبان المعادن واستخلاص المركبات القادرة على تعزيز قدرة مياه البحر على امتصاص الكربون.

وأُجريت التجارب في مفاعلات معملية وأحواض زجاجية تحتوي على مياه حقيقية من ميناء بوسطن، ولم تُختبر التقنية حتى الآن في المحيطات المفتوحة أو على نطاق صناعي واسع.

ونُشرت الدراسة كاملة في مجلة Nature Biotechnology العلمية، وقاد الدراسة نيل دالفي، الباحث في مجال البيولوجيا التركيبية بقسم بيولوجيا الأنظمة في كلية الطب بجامعة هارفارد، بمشاركة باحثين من معهد وايس للهندسة المستوحاة بيولوجيًا بجامعة هارفارد، وكلية دوير للاستدامة بجامعة ستانفورد.

وأوضح دالفي، في تصريحات لموقع Earth.com، أن البحث اعتمد على تعاون تخصصات علمية مختلفة، قائلًا إن الفريق تعلم من خبراء الكيمياء الجيولوجية المتخصصين في تجوية الصخور كيفية قياس القلوية والمعادن، مشيرًا إلى أن الجمع بين مهارات البيولوجيا الجزيئية والهندسة الميكروبية ومعالجة المعادن ليس أمرًا شائعًا.

وأضاف أن بعض الباحثين يصفون تجوية الصخور بأنها حل سحري لمواجهة تغير المناخ، لكن المشكلة الأساسية تتمثل في بطء هذه العملية.

الصدأ يبطئ ذوبان الصخور واحتجاز الكربون

استخدم الباحثون معدن الأوليفين (Olivine)، وهو أحد المعادن الشائعة في القشرة الأرضية، في صورة رمال صخرية مسحوقة.

وعندما يذوب الأوليفين في مياه البحر، يطلق عددًا من العناصر والمركبات، من بينها المغنيسيوم والسيليكون والحديد.

ويُعد المغنيسيوم العنصر الأهم في هذه العملية، لأنه يرفع قلوية مياه البحر، ما يعزز قدرتها على امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

ويُحتجز الكربون بعد ذلك في صورة بيكربونات، وهي أحد أشكال الكربون المذاب في الماء.

وبما أن المغنيسيوم يظل موجودًا في المحيطات لفترات زمنية طويلة جدًا، فإن الباحثين يعتبرون الكربون الذي يُحتجز بهذه الطريقة مخزنًا على المدى الطويل.

لكن الحديد يمثل عقبة أمام استمرار العملية؛ إذ لا يبقى ذائبًا في الماء، بل يتفاعل ليكوّن طبقة من الصدأ على سطح الصخور، ما يعيق استمرار ذوبانها ويبطئ إطلاق المعادن الموجودة داخلها.

ويُعد تراكم الصدأ أحد الأسباب التي تجعل التجوية الطبيعية للصخور عملية بطيئة قد تستغرق آلاف السنين.

ورغم أن نشر الصخور المسحوقة على الأراضي الزراعية أو السواحل يمكن أن يساعد في تسريع التجوية، فإن الباحثين أشاروا إلى صعوبة قياس كميات الكربون التي تُزال فعليًا من الغلاف الجوي بهذه الطريقة.

البكتيريا الطبيعية تتوقف عن إنتاج المواد المذيبة للحديد

تمتلك أنواع عديدة من الكائنات الدقيقة آليات طبيعية للتعامل مع الحديد، فعندما ينخفض تركيزه إلى مستويات محدودة، تفرز هذه الكائنات جزيئات ترتبط بالحديد وتساعد على إذابته في الماء.

وتُعرف هذه الجزيئات باسم السيدروفورات (Siderophores)، وهي مركبات تنتجها الكائنات الدقيقة لالتقاط الحديد والحصول عليه من البيئة المحيطة.

لكن عندما تحصل البكتيريا على كمية كافية من الحديد، تتوقف عن إنتاج هذه المركبات، ولا تحتاج الكائنات الدقيقة عادةً إلى كميات كبيرة منه لمواصلة النمو.

واختبر الباحثون هذه الآلية باستخدام بكتيريا بحرية تُعرف باسم Alteromonas macleodii، وهي من الأنواع القادرة على إنتاج السيدروفورات بصورة طبيعية.

وأجرى الفريق 16 تجربة داخل مفاعلات معملية صغيرة، مع تغيير كميات رمال الأوليفين ومعدلات تدفق المياه بين التجارب.

وأظهرت النتائج، أن البكتيريا أنتجت كميات كبيرة من المركبات المذيبة للحديد فقط عندما كانت كمية الصخور قليلة، وكانت المياه تتحرك بمعدلات تدفق مرتفعة.

أما عند زيادة كمية الصخور، فقد أصبح الحديد متاحًا للبكتيريا بوفرة، فتوقفت عن إنتاج السيدروفورات بالكميات المطلوبة.

وخلص الباحثون إلى أن آلية التنظيم الطبيعية لإنتاج هذه المركبات تحول دون استمرار البكتيريا في إنتاجها بصورة منتظمة داخل أحواض كبيرة يمكن استخدامها في التطبيقات الصناعية.

تعديل البكتيريا لإبقائها في حالة إنتاج مستمر

للتغلب على هذه المشكلة، أعاد الفريق تصميم الآلية الوراثية المنظمة لإنتاج السيدروفورات داخل البكتيريا.

واستبدل الباحثون المفتاح الجيني الطبيعي، الذي لا يسمح بإنتاج هذه المركبات إلا عندما ينخفض الحديد، بآلية تجعل البكتيريا تنتجها بصورة مستمرة، حتى عندما يكون الحديد متاحًا في البيئة المحيطة.

وقال دالفي، إن إجراء التعديل نفسه لم يكن صعبًا نسبيًا، لكن التحدي الحقيقي تمثل في إثبات فعاليته وقياس تأثيره.

وأوضح، أن متابعة نمو البكتيريا واستمرار إنتاج الخلايا للسيدروفورات وذوبان الصخور في الوقت نفسه جعلت عملية القياس معقدة.

وفي المفاعلات المعملية الصغيرة، أنتجت السلالة المعدلة من البكتيريا كمية من السيدروفورات تزيد على 100 ضعف ما أنتجته السلالة الطبيعية.

كما أظهرت النتائج، أن صخور الأوليفين ذابت بمعدل أسرع بنحو 2.6 مرة عند وجود البكتيريا المهندسة، مقارنة بالمفاعلات التي لم تحتوِ على أي خلايا بكتيرية.

في المقابل، لم تُحدث السلالة الطبيعية للبكتيريا فرقًا واضحًا في معدل ذوبان الصخور.

مياه ميناء بوسطن تكشف زيادة إزالة الكربون

انتقل الباحثون بعد ذلك إلى اختبار التقنية في ظروف أكبر حجمًا، باستخدام أحواض زجاجية تشبه أحواض الأسماك، تبلغ سعتها نحو 3 جالونات، أي 11 لترًا.

ووضع الفريق في قاع كل حوض أكثر من 8.8 رطل، أو نحو 4 كيلوجرامات، من رمال الأوليفين المستخدمة في أعمال البناء.

وجرى تمرير مياه بحر غير مفلترة مأخوذة من ميناء بوسطن عبر الأحواض، بمعدل يقارب 1.6 لتر يوميًا.
وأضيفت المغذيات ببطء إلى بعض الأحواض، بينما حصل حوضان من هذه الأحواض أيضًا على جرعة جديدة من البكتيريا المهندسة مرة واحدة أسبوعيًا.

وفي هذين الحوضين، ارتفع معدل إطلاق المغنيسيوم من الصخور إلى 3.1 أضعاف المعدل المسجل في المقارنة.
كما أصبحت المياه أكثر قلوية، وقدّر الباحثون أن هذه العملية أدت إلى إزالة نحو 0.50 جرام من ثاني أكسيد الكربون من الهواء يوميًا.

ورغم أن هذه الكمية صغيرة، وتعادل تقريبًا نصف وزن مشبك الورق، فإن أهميتها تكمن في أنها قِيست مباشرة في المياه، بدلًا من الاعتماد على تقديرات مستمدة من نموذج حسابي فقط.

الأغشية الحيوية ساعدت البكتيريا على البقاء

في تجارب سابقة داخل المفاعلات الصغيرة التي استخدمت مياه البحر الخام، استمرت السلالة البكتيرية المعدلة في العمل لمدة أسبوع تقريبًا، قبل أن تبدأ أعدادها في التراجع.

ولهذا السبب، أضاف الباحثون جرعة جديدة من البكتيريا إلى أحواض التجربة الأكبر مرة كل أسبوع.

وقال دالفي، إن الفريق فوجئ بقدرة السلالات المعدلة على البقاء وأداء وظيفتها لأكثر من أسبوع في مياه البحر غير المفلترة.

ويرجح الباحثون، أن الأغشية الحيوية (Biofilms)، وهي تجمعات من الكائنات الدقيقة تتكون على الأسطح، ربما ساعدت البكتيريا على الحماية من المنافسة مع الكائنات الأخرى والفيروسات الموجودة في مياه البحر.

تغذية البكتيريا قد تقلل مكاسب إزالة الكربون

تحتاج البكتيريا إلى الغذاء حتى تستمر في النمو وإنتاج المركبات اللازمة لإذابة الحديد، لكن عملية توفير هذا الغذاء قد تؤدي بدورها إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون.

ولذلك أجرى الفريق تحليلًا لدورة الحياة (Life Cycle Analysis)، بهدف حساب الانبعاثات الناتجة عن إنشاء وتشغيل نظام كبير يعتمد على هذه التقنية.

واختبر الباحثون السكر بوصفه مصدرًا غذائيًا للبكتيريا، لكن النتائج لم تكن مناسبة؛ إذ يتطلب إنتاج السكر انبعاثات مرتفعة، كما أن تغذية البكتيريا به داخل المختبر أدت إلى انخفاض قلوية المياه، ويرجح الباحثون أن ذلك يرجع إلى إنتاج مركبات ثانوية حمضية.

وانتقل الفريق بعد ذلك إلى استخدام الأسيتات (Acetate)، وهو مركب بسيط يمكن أن تنتجه بعض الشركات حاليًا انطلاقًا من ثاني أكسيد الكربون نفسه.

وأظهرت الحسابات، أن استخدام البكتيريا الطبيعية لم يكن مناسبًا من الناحية المناخية أيضًا، لأن توفير كميات كافية من الغذاء لإبقائها في حالة نقص مستمر في الحديد كان سيؤدي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون بكميات تفوق ما يمكن إزالته من خلال تسريع تجوية الصخور.

لكن عند الجمع بين البكتيريا المعدلة والأسيتات المنتج بطريقة محايدة للكربون، توقع النموذج الحسابي تحقيق زيادة بنسبة 74% في صافي إزالة الكربون، مقارنة بحوض يحتوي على الصخور ومياه البحر فقط.

واعتمد هذا التقدير على افتراض استمرار الزيادة البالغة 2.6 مرة في سرعة ذوبان الصخور، التي سجلتها التجارب المعملية، عند توسيع النظام.

وقال دالفي، إن الباحثين توصلوا إلى طريقة يمكن أن تنجح، وربما الأهم من ذلك أنهم أصبحوا يمتلكون نموذجًا يساعد على حساب شكل تطبيقها على نطاق واسع.

وأشار البحث إلى أن أربعة من مؤلفيه، من بينهم دالفي، تقدموا بطلب للحصول على براءة اختراع لسلالات بكتيرية معدلة وراثيًا لإنتاج السيدروفورات بصورة مستمرة ومنع تراكم الصدأ على الصخور.

تراكم الأغشية الحيوية أدى إلى تراجع كفاءة التجربة

رغم النتائج الأولية، لم تحافظ الأحواض التجريبية على معدلات الذوبان المرتفعة طوال فترة الاختبار.

فبعد نحو ثلاثة أسابيع من التغذية واستمرار ذوبان الصخور وامتصاص الكربون، تراجعت معدلات هذه العمليات في جميع الأحواض.

ورصد الباحثون تراكم طبقات لزجة من الكائنات الدقيقة على جدران الأحواض الزجاجية وعلى سطح الرمال، وكان هذا التراكم أكثر وضوحًا في الأحواض التي أضيفت إليها البكتيريا المهندسة.

ويبدو أن هذه الأغشية أعاقت اختلاط المياه داخل الأحواض، كما يرجح الباحثون أنها حجبت أسطح الصخور وأثرت في استمرار ذوبانها.

وتكونت أيضًا قشرة رقيقة على سطح الرمال، ويعتقد الفريق أن معظم عملية الذوبان حدثت في الطبقة العلوية من الرمال، التي لا يتجاوز سمكها نحو 0.4 بوصة، أي سنتيمترًا واحدًا.

واقترح الباحثون، أن تفكيك هذه الطبقة السطحية من حين إلى آخر قد يساعد على استمرار تفاعل الصخور مع المياه، لكنهم لم يختبروا هذا الحل حتى الآن.

وتشمل الخطوات المقبلة إجراء تجارب أكبر حجمًا، وتطوير تركيبات أكثر كفاءة من المغذيات، والعمل على تحسين أداء السلالات البكتيرية المستخدمة.

تحديات قبل تطبيق التقنية على السواحل والمناجم

يرى دالفي أن تطبيق التقنية على سواحل البحار أو في مواقع التعدين يتطلب إنشاء نظام مغلق أو أحواض خاصة لإنتاج كميات كافية من المركبات التي ترتبط بالحديد وتساعد على إذابته.

وأوضح، أن مثل هذه الأنظمة يمكن أن تشبه منشآت معالجة مياه الصرف الصحي المستخدمة حاليًا.

لكن التحدي الأكبر، بحسب الباحث، يتمثل في توفير الغذاء اللازم للبكتيريا بكميات كبيرة وبطريقة منخفضة الانبعاثات.

وأشار إلى ضرورة توافر مصادر تغذية خضراء على نطاق واسع، مثل الأسيتات التي يمكن إنتاجها من ثاني أكسيد الكربون والكهرباء.

ولم تتناول الدراسة الجدوى الاقتصادية المباشرة لتطبيق التقنية في إزالة ثاني أكسيد الكربون، إذ أكد دالفي أن سعر الكربون يجب أن يكون مرتفعًا بما يكفي لتبرير إنشاء وتشغيل عملية كيميائية حيوية جديدة.