رحلة الإلكترونات تحت أقدامنا.. اكتشاف ثوري يغير فهمنا للتربة والمياه

تحت أقدامنا، عالم غير مرئي من تبادل الإلكترونات يدير الكيمياء التي تحافظ على النظم البيئية، ويضبط جودة المياه، ويحدد مصير الملوثات.

مراجعة جديدة نشرت في دورية Environmental and Biogeochemical Processes ، تسلط الضوء على كيفية انتقال الإلكترونات عبر التربة والرواسب لمسافات طويلة بشكل مفاجئ، أحيانًا تمتد من السنتيمترات إلى الأمتار،مما يعيد تشكيل فهمنا للبيئات تحت الأرض ويقدم استراتيجيات جديدة لتنظيف الملوثات.

تعد التفاعلات المؤكسدة والاختزالية (Redox) — أي تبادل الإلكترونات بين المواد الكيميائية — أساسية للحياة واستقرار البيئة.

فهي تتحكم في دورة العناصر الغذائية، وحركة الملوثات، وكيفية استخدام الميكروبات للطاقة.

اعتقد العلماء سابقًا أن هذه التفاعلات محصورة في “نقاط ساخنة” ميكروسكوبية على أسطح المعادن أو الميكروبات.

لكن الدراسة الجديدة، التي قادها باحثون من جامعة الصين للعلوم الجيولوجية، تُظهر أن انتقال الإلكترونات في الطبقات التحتية يمكن أن يمتد بعيدًا عن النطاق النانوي، ويربط مناطق كيميائية بعيدة في شبكات إلكترونية تحت الأرض.

“بكتيريا الكابل”

على أصغر المقاييس، يحدث انتقال الإلكترونات مباشرة عند واجهات المعادن والماء أو الميكروبات، حيث تتبادل الجزيئات أو الخلايا الإلكترونات على نطاق نانوي.

لكن الاكتشافات الحديثة تكشف عن عمليات أكثر إثارة: المعادن الموصلة، والجزيئات العضوية الطبيعية، وحتى البكتيريا المتخصصة المعروفة باسم “بكتيريا الكابل” يمكن أن تعمل كجسور لنقل الشحنات على مسافات بالسنتيمترات.

في بعض الحالات، تتشكل “سلاسل انتقال إلكتروني طويلة المدى” تمتد لعشرات السنتيمترات أو أكثر، لتشكل ما يشبه الطرق السريعة للإلكترونات تحت الأرض.

“هذه النتائج تتحدى النظرة القديمة التي كانت ترى أن انتقال الإلكترونات محلي فقط”، قال البروفسور سونجهو يوان، المؤلف المراسل.

وأضاف  “نعلم الآن أن العمليات المؤكسدة والاختزالية يمكن أن تتصل على مسافات كبيرة، موصلة التفاعلات بين منطقة وأخرى، وهذا له آثار عميقة على معالجة الملوثات واستدامة البيئة.”

تأثير العمليات متعددة المقاييس على الدورات الطبيعية

تُبرز المراجعة كيف تؤثر هذه العمليات متعددة المقاييس على الدورات الطبيعية وإدارة التلوث من قبل البشر، على سبيل المثال، يمكن لانتقال الإلكترونات لمسافات طويلة تمكين “المعالجة عن بُعد”، حيث تتحلل الملوثات في مناطق يصعب الوصول إليها دون الحاجة للحقن الكيميائي المباشر.

يمكن للمعادن الموصلة أو إضافة البيوچار توسيع نشاط الميكروبات، بينما تساعد بكتيريا الكابل على ربط الأكسجين على سطح الرواسب بالكبريتيد في الأعماق، مما يقلل الانبعاثات الضارة.

كما يوضح المؤلفون الآفاق المستقبلية لأبحاث انتقال الإلكترونات: تطوير أدوات أفضل لقياس تدفق الإلكترونات عبر المقاييس المختلفة، إنشاء نماذج تدمج التفاعلات النانوية مع العمليات الميدانية، وتصميم تقنيات لمعالجة التربة والمياه تستفيد من هذه المسارات الطبيعية.

“عملنا يقدم إطارًا مفاهيميًا للتفكير في الطبقات التحتية كنظام أكسدة واختزال مترابط”، قالت الدكتورة يانتينج تشانج، المؤلفة المشاركة.

وتضيف “فهم كيفية حركة الإلكترونات تحت الأرض يمكننا من التنبؤ بمصير العناصر الغذائية والملوثات وتصميم استراتيجيات أكثر فعالية لحماية المياه الجوفية والنظم البيئية.”

تربط هذه الدراسة بين العلوم الأساسية والتطبيقات العملية، مقدمة الأمل في أن يستخدم مهندسو البيئة مستقبلًا “شبكة الإلكترونات” الطبيعية للأرض لاستعادة التربة والمياه الملوثة.