هل يمكن أن تكون مياه الصرف الصحي حلاً ثلاثياً لمشكلة هدر الغذاء والبروتينات المستدامة والوقود الأخضر؟

كيف تحب اللحوم المشتقة من مياه الصرف الصحي؟

قد يبدو الأمر غير شهي، ولكن المياه المتبقية من قطاعي الأغذية والأدوية يمكن أن تكون حلاً لمشكلة هدر الغذاء المزعجة، في حين تنتج بروتينات بديلة مثل نظائر اللحوم والألبان، فضلاً عن الوقود الأخضر.

قام باحثون من الجامعة التقنية في الدنمارك باستغلال بقايا الملح من الجبن الذي تنتجه شركة الألبان الدنماركية العملاقة أرلا لاختبار سلالة من الخميرة تسمى ديباريومايسس هانسيني.

يمكن لهذه الميكروبات أن تزدهر في بيئات شديدة الملوحة، ووجدت الدراسة أنه يمكن تحويلها إلى بروتينات قيمة لصنع نظائر اللحوم وبدائل الألبان والأصباغ والإنزيمات.

يوضح خوسيه مارتينيز، الأستاذ المساعد في الهندسة الحيوية في جامعة دلهي للتكنولوجيا: “هناك شركات تنتج تيارات نفايات غنية بالعناصر الغذائية، ولكنها تحتوي أيضًا على نسبة عالية جدًا من الملح، وهو ما يشكل مشكلة في كثير من الأحيان”.

يشرح مارتينيز، ” الملوحة تمنع الاستفادة من العناصر الغذائية في حين تمنع الشركات من تصريف مجاري نفاياتها كمياه صرف صحي عادية، مما يعني أنها مضطرة إلى معالجة خاصة، وهذا مكلف، لماذا لا نحاول زراعة هذا النوع من الخميرة في مجاري النفايات المالحة هذه؟” .

نفايات الطعام تلتقي بنفايات الأدوية

في عام 2020، وجدت دراسة أن مياه الصرف الصحي الناتجة عن تصنيع الجبن الخام – والتي عادة ما تكون مشتقة من إزالة المعادن من مصل اللبن – كانت مشكلة، حيث “تسبب مشاكل بيئية وصحية عامة خطيرة” بفضل درجة الحموضة الحمضية والكميات العالية من الفوسفور والمواد الصلبة الكلية والزيوت والدهون والمعادن المعنية.

التأثير الكوكبي للزراعة هائل بالفعل – فهي مسؤولة عن ثلث انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي.

ولكن ثلث كل الغذاء المنتج إما يضيع أو يهدر، وهو ما يشكل وحده ما بين 8 إلى 10% من الانبعاثات، لذا فإن الحل الذي يثمن صناعة الأغذية التي تنتهي بخلاف ذلك إلى الإضرار بالكوكب وصحتنا لديه الكثير من الإمكانات.

لقد أجرى مارتينيز أبحاثًا حول خلايا الخميرة التي تتكيف مع الظروف القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة، أو المحتوى الغذائي المنخفض، أو الملوحة العالية لسنوات.

تتكيف الخميرة D. hansenii مع البيئات المائية، ويمكنها أن تنمو في مياه ملوحة تصل إلى ستة أضعاف مياه البحر.
لقد تجاوزت التجربة التي أجراها أرلا على مياه الصرف الصحي توقعاته.

فقد كانت بقايا المحلول الملحي غنية أيضًا باللاكتوز (نوع من السكر)، والذي تستوعبه خلايا الخميرة بسهولة.

وفي حين أن زيادة محتوى الملح تعني نموًا أكثر كفاءة، فإن نمو الخميرة لم يكن بالكفاءة التي كان من الممكن أن يكون عليها بسبب مستويات النيتروجين غير الكافية.

ولحل هذه المشكلة، التقى مارتينيز مع مانويل كويروس، المتخصص في زراعة اللاكتوز في شركة الأدوية العملاقة الدنمركية نوفو نورديسكن وكشف كويروس أن نوفو نورديسك لديها بقايا مالحة خاصة بها- مرتبطة بتصنيع مرضى الهيموفيليا – والتي تحتوي على نسبة عالية من النيتروجين.

تقنية لتحرير الجينات

كما يوضح مارتينيز، “لقد قمنا ببساطة بخلط مجاري النفايات المالحة – المجرى الذي يحتوي على نسبة عالية من اللاكتوز والمجرى الذي يحتوي على نسبة عالية من النيتروجين”، “لقد استخدمناهما كما هما، لم نكن بحاجة إلى إضافة مياه عذبة، ولم نكن بحاجة إلى تعقيم خزان التخمير، لأن الملح منع نمو الكائنات الحية الدقيقة الأخرى. لقد كان الأمر سهلاً للغاية”.

وقد وجد فريق البحث أن فطريات D. hansenii ازدهرت في هذا الخليط، ولجعل الخميرة منتجًا ذا أهمية تجارية، استخدموا تقنية CRISPR لتعديل السلالة إلى بروتين أثناء نموها.

تقنية كريسبر هي تقنية لتحرير الجينات يمكنها قطع الحمض النووي للخلايا في أماكن محددة، مما يسمح للعلماء والمصنعين بتعطيل الجينات، وإدخال قطع جديدة من الحمض النووي في الجينوم، وتغيير الجينات للتخلص من الطفرات.

ويمكن أن تساعد في إنتاج العديد من البروتينات والمواد المختلفة، وقد استكشف الباحثون إمكاناتها باستخدام عفن كوجي لصنع نظائر اللحوم ذات المذاق الأفضل أيضًا.

وقود أخضر مستدام فعليا؟

استقر مارتينيز في البداية على استخدام بروتين فلوري كمادة نموذجية، مما مكنهم من تحديد هدف الإنتاج من خلال قياس مدى قوة الفلورسنت في السائل عندما تعمل خلايا الخميرة.

كان الخليط الأمثل من مجاري النفايات من أرلا ونوفو نورديسك أكثر ملوحة بنحو ضعفي مياه البحر ويحتوي على 12 جرامًا من السكر لكل لتر.

وبحسب جامعة دلهي للتكنولوجيا، كانت فطريات D. hansenii هدفًا لـ”أبحاث مكثفة” لعقود من الزمن.

وركزت الدراسات السابقة على العثور على الجين الذي يجعل خلايا الخميرة تتحمل الملوحة ومحاولة نقله إلى النباتات حتى تتمكن من تحمل الملوحة العالية.

وانتهى الأمر إلى أن يكون الأمر معقدًا للغاية، حيث يرتبط تحمل الملوحة بعدة جينات تعمل معًا.

على مدار عامين، عمل مارتينيز وزملاؤه على استخدام خلايا الخميرة ذاتها، والاستفادة من خصائصها المقاومة للملح وتعديلها لإنتاج مكونات قيمة.

ويعني استخدام تقنية كريسبر أن هذه الخميرة ومنتجات النفايات التي تنتجها صناعة الأغذية والأدوية يمكن أن تنتج مجموعة من المنتجات.

ولكن هذه الجهود لا تقتصر على الغذاء، إذ يشارك مارتينيز في مشروع بحثي منفصل يستكشف الوقود الأخضر.

وباستخدام هذا الاختراق، قد يشمل هذا الجهد الآن تعديل البكتيريا D. hansenii لإنتاج الدهون التي يمكن تحويلها إلى وقود مستدام.

في الوقت الحاضر، يتم تصنيع العديد من أنواع الوقود “المستدام” من النخيل أو الحبوب.

ويرتبط زيت النخيل بإزالة الغابات الاستوائية على نطاق واسع، في حين تستحوذ الوقود الحيوي على 44% من إجمالي إنتاج الحبوب في الولايات المتحدة، وهو ما يمثل استخدامًا غير فعال للغاية للأرض والموارد.

وسوف يستغرق الأمر عقداً من الزمان على الأقل قبل أن يتحول بحث مارتينيز إلى عوائد تجارية، حيث أجريت الاختبارات على نطاق المختبر على لتر واحد إلى خمسة لترات فقط من مجاري النفايات.

ويتمثل التحدي التالي في زيادة الحجم إلى 10 إلى 30 لتراً، لكن مارتينيز يتوقع وجود عقبات في توفير إمداد فعال بالأكسجين للسائل.

وسوف يفرض التوسع إلى آلاف اللترات عقبات غير معروفة حتى الآن.

ولكن بالنسبة لشركة نوفو نورديسك، فإن جانب الاستدامة واعد.

فقد تركت شركة الأدوية بالفعل انطباعًا هائلاً على صناعة الأغذية من خلال عقاري Ozempic وwegovy ، وهما عقاران منشطان لمستقبلات GLP-1 وفي مختلف أنحاء الولايات المتحدة، جرب واحد من كل ثمانية أميركيين مثل هذه الأدوية،

واضطرت شركات الأغذية الكبيرة والصغيرة إلى الابتكار لتلبية احتياجات هذه الفئة السكانية.

ويوضح كويروس: “ترغب شركة نوفو نورديسك في تحمل المسؤولية الكاملة عن سلسلة القيمة بأكملها.

وتسمى استراتيجيتنا “الدورية من أجل الصفر”، ولدينا ثلاثة مجالات تركيز: الحد من استخدام الموارد، والحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، والحد من تدفقات النفايات”.