التقدّم في المواد الأولية الليغنوسلولوزية للطاقة الحيوية والمنتجات الحيوية

تحويل النباتات إلى قوى عملية يومية

قد يبدو مصطلح الليغنوسلولوزي غامضاً، لكنه في الواقع المادة الليفية الصلبة التي تشكّل معظم سيقان الأشجار وسوقها وأوراقها. وبما أنها شائعة للغاية ولا تتنافس مباشرة مع المحاصيل الغذائية، فإن هذه الكتلة النباتية يمكن أن تُمدنا بالوقود للطائرات والمواد الكيميائية للصناعة والمواد المتقدمة للبناء والإلكترونيات — كل ذلك مع الإسهام في خفض انبعاثات الغازات الدفيئة. تستعرض هذه المقالة كيفية تعلّم العلماء طرقاً أفضل لحصاد هذه المادة النباتية ومعالجتها وإعادة تصميمها حتى تحل مكان جزء كبير من المنتجات المعتمدة اليوم على الوقود الأحفوري.

ما الذي يجعل النباتات الخشبية ثمينة إلى هذا الحد؟

تأتي الكتلة الحيوية الليغنوسلولوزية أساساً من مصدرين: محاصيل «طاقة» عشبية ونباتات خشبية مثل الحور أو الصنوبر. جدران خلاياها مبنية من ثلاثة مكونات رئيسية — السليلوز والهيميسليلوز والليغنين — التي تشكل معاً أكثر من نصف الكربون المخزن في الكتلة الحيوية الحية على الأرض. يدعم السليلوز بالفعل منتجات مألوفة مثل الورق والكرتون والمنسوجات، ويجري الآن تكريره إلى النانوسليلوز عالي القيمة لمرشحات المياه والإلكترونيات المرنة والمركبات الخفيفة والقوية. يمكن تحويل الهيميسليلوز إلى سكريات للوقود الحيوي أو استخدامه مباشرة في الأغذية والطلاءات والمنتجات الطبية، بينما يظهر الليغنين، كونه أغنى مركب بالكربون، كمصدر للمواد العطرية والبيوبلاستيك والفحم الحيوي المحسّن للتربة.

من الشجرة الواقفة إلى المنتج المفيد

لتحويل شجرة أو ساق عشبية إلى وقود أو مواد، يجب على الصناعة أولاً تفكيك بنيتها المتماسكة. تصف المراجعة سلسلة من خطوات المعالجة، تبدأ باختيار المادة الأولية ونقلها إلى «مصنع حيوي»، وهو مرفق مصمم للتعامل مع الكتلة الحيوية كما تتعامل مصافي النفط مع الخام. طرق المعالجة المسبقة — ميكانيكية أو كيميائية أو حرارية أو بيولوجية — تكسر المادة إلى أجزاء أكثر قابلية للمعالجة وتفصل مكوناتها الرئيسية. ثم تهضم الإنزيمات السليلوز والهيميسليلوز إلى سكريات، تقوم الميكروبات بتخمرها إلى كحول الإيثانول أو مركبات سابقة لوقود الطائرات أو مواد كيميائية أخرى. تستخدم طرق أخرى الحرارة والمحاثّات لتحويل الكتلة الحيوية مباشرة إلى غازات أو زيوت أو كربون صلب. يجب ضبط كل خطوة لتناسب نوع الكتلة الحيوية المحدد، وهذه العمليات مجتمعة تشكّل غالبية تكلفة المنتجات الحيوية، مع احتساب المعالجة المسبقة والإنزيمات وحدها حصة كبيرة من النفقات الإجمالية.

لماذا يجب أن تعمل الأحياء والهندسة والسياسة معاً

حتى مع تحسن كفاءة المختبرات ومحطات التجارب، تواجه الاستخدامات الواسعة للكتلة الحيوية الليغنوسلولوزية عقبات كبيرة. نقل كتلة حيوية ضخمة من الحقول والغابات إلى المصانع الحيوية مكلف، وقد تولّد المعالجات المسبقة القاسية منتجات ثانوية تسمم الميكروبات المستخدمة في التخمر. استرداد الإنزيمات والمذيبات، وإيجاد استخدامات مربحة لكل تيار من التيارات الثانوية، أمران أساسيان للحفاظ على انخفاض التكاليف والآثار البيئية. تُظهر تقييمات دورة الحياة أن الأنظمة المصممة جيداً يمكن أن تخفض البصمة الكربونية بشكل كبير مقارنة بالوقود والمواد المعتمدة على الأحفوريات، لا سيما عندما تنتج الوقود والمواد الكيميائية والمواد المتقدمة معاً. ومع ذلك، فإن السياسات الداعمة واللوائح الواضحة — مثل متطلبات خلط الوقود والحوافز للمنتجات منخفضة الكربون — لا غنى عنها لجذب الاستثمارات وتمكين المصانع الحيوية من التنافس مع البنية التحتية القائمة للوقود الأحفوري.

إعادة تصميم النباتات من الداخل إلى الخارج

ميزة مميزة لهذا العمل هي تركيزه على تغيير النباتات نفسها، وليس المصانع التي تعالجها فحسب. على سبيل المثال، يجعل الليغنين الخشب قوياً لكنه أيضاً صعب التحليل. من خلال تقليل أو إعادة تشكيل الليغنين بشكل دقيق عبر علم الوراثة الحديث، أنشأ الباحثون أشجاراً ونباتات عشبية تعطي سكريات وإيثانولاً أكثر بكثير دون التضحية بالنمو. تتيح أدوات تحرير الجينوم الجديدة المبنية على تقنية كريسبر الآن تغييرات دقيقة في جينات مفردة أو مجموعات من الجينات وحتى المفاتيح التنظيمية التي تتحكم في متى وأين تكون هذه الجينات فعّالة. بدأ العلماء بتحرير الكروموسومات لتثبيت مجموعات مرغوبة من الصفات، مثل الغلة العالية ومقاومة الجفاف، واستخدام مكتبات كريسبر واسعة ونماذج التعلم الآلي لاكتشاف جينات غير معروفة سابقاً تؤثر على النمو والمرونة أو سهولة المعالجة.

نحو مستقبل مدعوم بالنباتات

يخلص المؤلفون إلى أن المواد الأولية الليغنوسلولوزية قد تصبح ركيزة مركزية لاقتصاد منخفض الكربون، تزودنا بوقود يصعب كهربة استخداماته ومواد متجددة للبناء والتعبئة والأجهزة عالية التقنية. سيتطلب تحقيق هذا الإمكان تقاربات منسقة: مصافي حيوية أكثر ذكاءً، وطرق محسّنة لتحويل وتجديد النباتات، وأدوات كريسبر قوية لتفصيل جدران الخلايا واستجابات الإجهاد، ونماذج قائمة على البيانات تتنبأ بأي التغيرات الجينية ستكون مجدية في الحقل والمصنع. مع استمرارية البحث وشراكات الصناعة والدعم السياسي، يمكن للنسيج الصلب الذي يمكّن النباتات من الوقوف أن يساعد المجتمعات البشرية على الصمود أمام تغير المناخ.

الاستشهاد: Sulis, D.B., Lavoine, N., Sederoff, H. et al. Advances in lignocellulosic feedstocks for bioenergy and bioproducts. Nat Commun 16, 1244 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56472-y

الكلمات المفتاحية: الطاقة الحيوية, الكتلة الحيوية الليغنوسلولوزية, المصانع الحيوية, تحرير الجينوم بتقنية كريسبر, المواد المستدامة