تقنية بسيطة وغير مكلفة لمنع التلوث في المفاعلات الحيوية الضوئية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون

يمكن للطحالب المزروعة في خزانات أو أنابيب شفافة مزودة بثاني أكسيد الكربون تحويل غازات الاحتباس الحراري إلى مركبات أخرى ، مثل المكملات الغذائية أو الوقود. لكن العملية تؤدي إلى تراكم الطحالب على الأسطح التي تغيمها وتقلل من الكفاءة ، مما يتطلب إجراءات تنظيف شاقة كل أسبوعين.

توصل باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى تقنية بسيطة وغير مكلفة يمكن أن تحد بشكل كبير من هذا التلوث، مما قد يسمح بطريقة أكثر فاعلية واقتصادية لتحويل غازات الاحتباس الحراري غير المرغوب فيها إلى منتجات مفيدة.

المفتاح هو طلاء الحاويات الشفافة بمادة يمكن أن تحمل شحنة إلكتروستاتيكية ، ثم تطبيق جهد صغير جدًا على تلك الطبقة، عمل النظام بشكل جيد في الاختبارات المعملية، ومع مزيد من التطوير يمكن تطبيقه على الإنتاج التجاري في غضون بضع سنوات.

تم نشر النتائج في مجلة Advanced Functional Materials ، في ورقة كتبها خريج معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حديثًا فيكتور ليون أستاذ الهندسة الميكانيكية كريبا فاراناسي ، وباحث ما بعد الدكتوراة السابق بابتيست بلان، والطالبة الجامعية صوفيا سونرت.

تقنيات الانبعاثات السلبية

كما يشير فاراناسي، فبغض النظر عن مدى نجاح الجهود المبذولة للحد من انبعاثات الكربون أو القضاء عليها، ستظل هناك غازات دفيئة زائدة ستبقى في الغلاف الجوي لقرون قادمة، وستستمر في التأثير على المناخ العالمي، مضيفا “يوجد بالفعل الكثير من ثاني أكسيد الكربون هناك، لذلك علينا أن ننظر أيضًا إلى تقنيات الانبعاثات السلبية”، مشيرًا إلى طرق إزالة غازات الاحتباس الحراري من الهواء أو المحيطات، أو من مصادرها قبل إطلاقها في الهواء في المقام الأول.

عندما يفكر الناس في الأساليب البيولوجية لتقليل ثاني أكسيد الكربون، فإن الفكرة الأولى عادة ما تكون في زراعة الأشجار أو حمايتها ، والتي تعد بالفعل “حوضًا”، مهمًا للكربون في الغلاف الجوي، لكن هناك آخرون.

يقول فاراناسي: “تمثل الطحالب البحرية حوالي 50 % من ثاني أكسيد الكربون العالمي الممتص اليوم على الأرض”، تنمو هذه الطحالب في أي مكان من 10 إلى 50 مرة أسرع من النباتات البرية، ويمكن زراعتها في أحواض أو خزانات لا تشغل سوى عُشر البصمة الأرضية للنباتات الأرضية.

علاوة على ذلك، يمكن أن تكون الطحالب نفسها منتجًا مفيدًا، يقول فاراناسي: “هذه الطحالب غنية بالبروتينات والفيتامينات والمغذيات الأخرى”، مشيرة إلى أنها يمكن أن تنتج قدرًا أكبر بكثير من الناتج الغذائي لكل وحدة من الأرض المستخدمة مقارنة ببعض المحاصيل الزراعية التقليدية.

إذا تم ربط الطحالب بإخراج غاز المداخن لمحطة طاقة تعمل بالفحم أو الغاز ، فلا يمكن أن تزدهر فقط على ثاني أكسيد الكربون كمصدر للمغذيات، ولكن يمكن أيضًا أن تستهلك بعض أنواع الطحالب الدقيقة أكاسيد النيتروجين والكبريت الموجودة في هذه الانبعاثات.

يقول فاراناسي : “لكل كيلوجرامين أو ثلاثة كيلوغرامات من ثاني أكسيد الكربون، يمكن إنتاج كيلوجرام من الطحالب، ويمكن استخدامها كوقود حيوي، أو لأوميغا 3 ، أو طعام”.

الأحماض الدهنية أوميغا 3 هي مكمل غذائي يستخدم على نطاق واسع ، لأنها جزء أساسي من أغشية الخلايا والأنسجة الأخرى ولكن لا يمكن أن يصنعها الجسم ويجب الحصول عليها من الطعام. يقول فاراناسي: “تعتبر أوميغا 3 جذابة بشكل خاص لأنها أيضًا منتج ذو قيمة أعلى بكثير”.

تُزرع معظم الطحالب المزروعة تجاريًا في أحواض ضحلة ، بينما يُزرع البعض الآخر في أنابيب شفافة تسمى المفاعلات الحيوية الضوئية. يمكن للأنابيب أن تنتج غلة أكبر بسبعة إلى عشرة أضعاف من الأحواض في مساحة معينة من الأرض ، لكنها تواجه مشكلة كبيرة: تميل الطحالب إلى التراكم على الأسطح الشفافة ، مما يتطلب إغلاقًا متكررًا لنظام الإنتاج بأكمله للتنظيف ، والذي يمكن يستغرق الجزء الإنتاجي من الدورة ، وبالتالي خفض الناتج الإجمالي إلى النصف وزيادة التكاليف التشغيلية.

يحد القاذورات أيضًا من تصميم النظام. لا يمكن أن تكون الأنابيب صغيرة جدًا لأن القاذورات ستبدأ في منع تدفق المياه عبر المفاعل الحيوي وتتطلب معدلات ضخ أعلى.

قرر فاراناسي وفريقه محاولة استخدام خاصية طبيعية لخلايا الطحالب للدفاع ضد التلوث. نظرًا لأن الخلايا تحمل بشكل طبيعي شحنة كهربائية سالبة صغيرة على سطح غشاءها ، فقد توصل الفريق إلى أنه يمكن استخدام التنافر الكهروستاتيكي لدفعها بعيدًا.

كانت الفكرة هي إنشاء شحنة سالبة على جدران الأوعية ، بحيث يجبر المجال الكهربائي خلايا الطحالب بعيدًا عن الجدران. يتطلب إنشاء مثل هذا المجال الكهربائي مادة عازلة عالية الأداء ، وهي عبارة عن عازل كهربائي ذي “سماحية” عالية يمكنها إحداث تغيير كبير في شحنة السطح بجهد أقل.

يوضح ليون: “ما فعله الناس من قبل بتطبيق الجهد [على المفاعلات الحيوية] كان باستخدام الأسطح الموصلة ، لكن ما نقوم به هنا هو على وجه التحديد مع الأسطح غير الموصلة.”

ويضيف: “إذا كانت موصلة ، فإنك تمرر تيارًا وتصدم الخلايا نوعًا ما. ما نحاول القيام به هو تنافر إلكتروستاتيكي خالص ، وبالتالي فإن السطح سيكون سالبًا والخلية سالبة حتى تحصل على التنافر. طريقة أخرى لوصفها هي مثل مجال القوة ، بينما كانت الخلايا تلامس السطح قبل ذلك وتتعرض للصدمة “.

عمل الفريق مع مادتين مختلفتين من المواد العازلة للكهرباء ، وهما ثاني أكسيد السيليكون – الزجاج أساسًا – وهافنيا (أكسيد الهافنيوم) ، وكلاهما أثبت أنه أكثر فاعلية في تقليل التلوث من اللدائن التقليدية المستخدمة في صنع المفاعلات الحيوية الضوئية. يمكن وضع المادة في طلاء رقيق للغاية ، بسماكة 10 إلى 20 نانومتر (جزء من المليار من المتر) ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى القليل جدًا لتغليف نظام مفاعل حيوي ضوئي كامل.

التحكم 

يقول فاراناسي: “ما يسعدنا هنا هو أننا قادرون على إظهار أنه من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية فقط، يمكننا التحكم في التصاق الخلية”. “يكاد يكون مثل مفتاح التشغيل والإيقاف، أن تكون قادرًا على القيام بذلك”.

بالإضافة إلى ذلك، يقول ليون، “نظرًا لأننا نستخدم هذه القوة الكهروستاتيكية، فإننا لا نتوقع حقًا أن تكون خاصة بالخلية، ونعتقد أن هناك إمكانية لتطبيقها مع خلايا أخرى غير الطحالب فقط. في العمل المستقبلي، سنفعل أحب أن تجرب استخدامه مع خلايا الثدييات والبكتيريا والخميرة، وما إلى ذلك، “يمكن استخدامه أيضًا مع الأنواع القيمة الأخرى من الطحالب، مثل سبيرولينا، التي تستخدم على نطاق واسع كمكملات غذائية”.

ويضيف يمكن استخدام نفس النظام إما لصد الخلايا أو جذبها بمجرد عكس الجهد، اعتمادًا على التطبيق المعين، يقترح فاراناسي أنه بدلاً من الطحالب، يمكن استخدام بنية مماثلة مع الخلايا البشرية لإنتاج أعضاء اصطناعية من خلال إنتاج سقالة يمكن شحنها لجذب الخلايا إلى التكوين الصحيح.

يضيف فاراناسي، “دراستنا تحل بشكل أساسي هذه المشكلة الرئيسية للحشف الحيوي، والتي كانت عنق الزجاجة للمفاعلات الحيوية الضوئية”، “بهذه التكنولوجيا، يمكننا الآن تحقيق الإمكانات الكاملة” لهذه الأنظمة، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التطوير للتوسع في الأنظمة العملية والتجارية.

وفيما يتعلق بالوقت الذي يمكن أن يكون فيه هذا جاهزًا للنشر على نطاق واسع، يقول فاراناسي “لا أفهم سبب عدم حدوث ذلك في إطار زمني مدته ثلاث سنوات، إذا حصلنا على الموارد المناسبة حتى نتمكن من المضي قدمًا بهذا العمل.”