التحويل البيولوجي للميثان والأمونيا المستخرجة من غاز النيتروجين عبر بكتيريا آكلة الميثان لإنتاج مغذيات مفيدة للأمعاء

تحويل الغازات المهدرة إلى تغذية مفيدة

يُنظر إلى الميثان غالبًا على أنه غاز دفيئة مشكلة يتسرب من المناجم والمكبات والمزارع، بينما يُحوَّل النيتروجين من الهواء عادةً إلى سماد بواسطة مصانع تستهلك الكثير من الطاقة. تُظهر هذه الدراسة أن كلا الغازين يمكن التقاطهما وتغذيتهما إلى بكتيريا متخصصة تنتج مسحوقًا مغذيًا غنيًا بالبروتين. والأكثر إثارة للاهتمام، أن هذا المسحوق عند تناوله يمكن أن يساعد في حماية الأمعاء وتخفيف علامات الالتهاب المعوي في الفئران. تربط هذه العمل إعادة تدوير الغازات الصديقة للمناخ بصحة الحيوانات، مشيرة إلى مستقبل تُحول فيه الغازات المهدرة إلى مكونات علف ذكية.

من الميثان المتناثر إلى علف مفيد

في الصين والعديد من الدول الأخرى، يهرب كميات كبيرة من الميثان من مواقع استخراج الوقود الأحفوري ومعالجة النفايات. ونظرًا لتشتته وتكلفة نقله عبر أنابيب، غالبًا ما يُحرق هذا الغاز ببساطة، مهدراً محتواه الكربوني. وفي الوقت نفسه، يعتمد منتجو الحيوانات بدرجة كبيرة على فول الصويا ووجبة السمك المستوردة لتوفير البروتين في الأعلاف. يجادل المؤلفون بأن بكتيريا آكلة الميثان — وهي ميكروبات تتغذى طبيعيًا على الميثان — تقدم وسيلة لمعالجة المشكلتين معًا. عند تهيئتها في خزانات، يمكن لهذه الميكروبات تحويل الميثان إلى «بروتين خلية مفردة»، وهو كتلة حيوية جافة يمكن خلطها في أعلاف الحيوانات، ما قد يخفف الضغط على الأراضي الزراعية ومصايد الأسماك بينما يستغل مصادر الغاز المحلية.

إطعام البكتيريا بأمونيا مشتقة من الهواء

للنمو جيدًا، تحتاج هذه البكتيريا الآكلة للميثان أيضًا إلى النيتروجين، أحد اللبنات الأساسية للبروتين. بدلًا من استخدام أملاح النترات المكلفة أكثر، ركز الفريق على الأمونيا المصنوعة من غاز النيتروجين عبر عملية نظيفة ناشئة تستخدم الضوء والكهرباء. يمكن للأكسجين الناتج عن فصل الهواء التقليدي أن يلبّي في الوقت نفسه حاجة البكتيريا للتنفس. قد يؤدي ربط هذه الخطوات الكيميائية بالتخمير إلى خلق نظام محلي مضغوط: يُقسّم الهواء إلى نيتروجين وأكسجين، ويُحوَّل النيتروجين إلى أمونيا، ويُغذَّى الثلاثة — مع الميثان — إلى البكتيريا التي تُنتج البروتين قريبًا من المزارع المحتاجة إليه.

جعل الأمونيا آمنة للميكروبات

عقبة رئيسية هي أن الأمونيا، رغم أنها مصدر النيتروجين المفضل لمعظم الميكروبات، تُعالَج جزئيًا بشكل خاطئ بواسطة بكتيريا آكلة الميثان. فأنزيم أكسدة الميثان لديها يعمل أيضًا على الأمونيا ويُنتج الهيدروكسيل أمين، وهو مركب وسيط سام يبطئ النمو. باستخدام تحليل نسخ الجينوم الكامل، رسم الباحثون كيف يستجيب الكائن Methylotuvimicrobium sanxanigenens عند نموه على الأمونيا بدلًا من النترات. وجدوا تنشيطًا قويًا للجينات المتورطة في التعامل مع الهيدروكسيل أمين وأكدوا تراكم هذا المركب ومنتجه اللاحق، النيتريت، عند تغذية الأمونيا. مسترشدين بهذه الرؤى، هندسوا الخلايا لإنتاج مفرط لأنزيم يُسمى هيدروكسيل أمين ريدوكتاز، الذي يحول الوسيط السام مباشرةً إلى أمونيا غير ضارة داخل الخلية، مما يقلل تراكمه ويخفف الإجهاد.

تعزيز إنتاج بروتين خلوي مغذي

لم تكن التعديلات الجينية وحدها كافية؛ فقد كان لكمية وتوقيت إمداد الأمونيا أثر أيضًا. طور المؤلفون استراتيجية تغذية على دفعات حيث تُضاف الأمونيا تدريجيًا ويُحافظ على مستوياتها دون تجاوز عتبة السمية. في مخمر سعته 3 لترات، وصلت هذه السلالة المهندسة إلى كثافات خلوية أعلى بكثير وزادت إنتاجية البروتين بمقدار 18 ضعفًا مقارنة بثقافات الأمونيا السابقة. أظهرت القياسات الدقيقة أن «بروتين الخلية الآكل للميثان» الناتج يحتوي على مستويات عالية من الأحماض الأمينية الأساسية وكميات ملحوظة من السكريات المتعددة، بمقارنة غذائية تقارب وجبة السمك والبيض والحليب. كما رُصِد جزء من الببتيدات الصغيرة ذات النشاط المضاد للالتهاب المحتمل، واجتازت الكتلة الحيوية فحوصات السلامة للسموم الطرفية، مما يدعم استخدامها كمكون علفي.

حماية الأمعاء وتهدئة الالتهاب

لاختبار ما إذا كان هذا البروتين الميكروبي يقدم فوائد تتجاوز التغذية الأساسية، غذى الفريق فئرانًا مصابة بالتهاب القولون المحفز كيميائيًا، وهو نموذج مستخدم على نطاق واسع لمرض الأمعاء الالتهابي. فقدت الفئران التي تلقت البروتين وزنًا أقل، وظهرت عليها درجات مرض أدنى، وكان طول القولون وصحته أفضل عند الفحص. كشفت شرائح الأنسجة عن قرح أقل وأضرار هيكلية أدنى، بينما تعافى بروتين رئيسي يشكل الحاجز في بطانة الأمعاء، أوكلودين. نزلت مستويات الإشارات الالتهابية في القولون، وارتفعت الإشارات المضادة للالتهاب. في الوقت نفسه، تحولت تركيبة الميكروبات المعوية بعيدًا عن الأنواع الضارة نحو مجتمعات تُنتج أحماضًا دهنية قصيرة السلسلة ومركبات مفيدة أخرى. أصبحت بعض المستقلبات المرتبطة بتقليل الالتهاب وتحسين استقلاب الطاقة أكثر وفرة، وحتى الفئران السليمة أبدت تحسنًا في حواجز الأمعاء وتشكيل ميكروبيوتا أكثر ملاءمة عند تزويدها بهذا البروتين.

خط أنابيب من الغاز إلى الأمعاء نحو مستقبل أكثر خضرة

باختصار، يخلق هذا العمل جسرًا بين المناخ والصحة: يُحوَّل الميثان والنيتروجين من الهواء إلى مكوّن علف وظيفي يغذي الحيوانات ويساعد على الحفاظ على أمعاء مرنة. من خلال حل عقبة السمية التي كانت تُقَيّد استخدام الأمونيا، يظهر المؤلفون أن البكتيريا المغذاة بالميثان يمكن تربيتها بكفاءة وبشكل اقتصادي على أمونيا مشتقة من الهواء. وإذا ما تم توسيع نطاق هذه المقاربة، فقد تقلل من انبعاثات الميثان المهدرة، وتخفض الاعتماد على أعلاف البروتين التقليدية، وتقلل الحاجة إلى المضادات الحيوية وأدوية أخرى في إنتاج الحيوان عبر دعم صحة الأمعاء من الداخل إلى الخارج.

الاستشهاد: Gao, Z., Liu, Y., Jiao, S. et al. Biological valorization of methane and nitrogen gas-derived ammonia via methanotrophic bacteria for gut-beneficial nutrients. Nat Commun 17, 3803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70448-6

الكلمات المفتاحية: بكتيريا آكلة الميثان, بروتين خلية مفردة, إعادة تدوير الميثان, الميكروبيوم المعوي, مضاف علف وظيفي