مركب جديد من الكيتوزان والسُكَّر الخارجي لبكتيريا Bacillus subtilis لإزالة اللون الأزرق الميثيلين من المحاليل المائية

لماذا تهمّ معالجة المياه الملونة

من الجينز الذي نرتديه إلى الورق الذي نطبع عليه، يعتمد العصر الحديث على الأصباغ الصناعية. لكن عندما تُغسل بقايا الأصباغ في مصارف المصانع، قد تُلوّن الأنهار بألوان زاهية، وتمنع دخول ضوء الشمس، وتضرّ بالأحياء المائية، بل وقد تشكل مخاطر صحية للناس. معالجة هذه “المياه الملونة” مكلفة، خاصة في المناطق التي تعاني بالفعل من ندرة المياه. تستكشف هذه الدراسة مادة منخفضة التكلفة وقابلة للتحلل مصنوعة من بوليمرات طبيعية—واحد مصدره نفايات القشريات والآخر من بكتيريا نافعة—للسحب السريع والفعّال لصبغة زرقاء شائعة من الماء.

فريق طبيعي لمياه ملوثة

ركّز الباحثون على إزالة الأزرق الميثيلين، وهي صبغة زرقاء مستخدمة على نطاق واسع ويصعب تحطيمها بمجرد دخولها إلى البيئة. بنوا مادة جديدة بدمج الكيتوزان—مركب سكري مستخرج من قشور القشريات—مع السُكَّر الخارجي (exopolysaccharides)، وهي سلاسل سكرية طويلة تنتجها بكتيريا تُدعى Bacillus subtilis. كلا المكونين قابلان للتحلل ومعروفان بقدرتهما على الالتصاق بالملوثات. كانت الفكرة أن مزجهما في «مركب» واحد سيخلق مواقع ربط أكثر وأفضل للصبغة مقارنة بكل مادة بمفردها، مع إعادة استخدام منتجات بكتيرية جانبية عادة ما تُهدر.

كيف يتصرف مادّة المرشح الجديدة

لفهم مدى فعالية هذا المركب الطبيعي، فحص الفريق أولاً تركيبه الكيميائي والبنيوي باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء والمجهر الإلكتروني. أكدت هذه الأدوات أن المادة تحتوي على مجموعات كيميائية نشطة عديدة—مثل مجموعات الهيدروكسيل، الأمين، الكربوكسيل والفوسفات—التي يمكن أن ترتبط بجزيئات الصبغة. تحت المجهر بدا الكيتوزان الخالص أملسًا وكثيفًا نسبياً مع مسام قليلة. بالمقابل، بدا مركب الكيتوزان-السكّر البكتيري أكثر خشونة ومساميّة، بملمس إسفنجي. هذه السطحية الأكثر انفتاحًا وعدم انتظام تمنح مساحة إضافية لجزيئات الصبغة الزرقاء للدخول والالتصاق.

إيجاد أفضل ظروف التنقية

اختبر العلماء بعد ذلك كيف تؤثر ظروف الماء المختلفة على إزالة الصبغة. غيّروا الحموضة (pH)، وزمن التماس، وتركيز الصبغة الابتدائي. أظهر المركب أقصى إزالة للصّبغة عند حموضة طفيفة حمضية إلى قريبة من الحيادية حوالي 6، بينما عمل الكيتوزان النقي بأفضل شكل عند pH يساوي 7. مع ازدياد قيمة pH من الحالة الحمضية الشديدة نحو الحيادية، تحولت شحنة سطح المادة إلى أكثر سلبية، ما جذب بقوة جزيئات الأزرق الميثيلين موجبة الشحنة. أزالت كلتا المادتين معظم الصبغة خلال نحو 30 دقيقة تقريباً، لكن المركب تفوّق باستمرار، مُزيلًا حوالى 72 بالمئة من اللون مقارنة بحوالى 61 بالمئة للكيتوزان وحده. عندما كان مستوى الصبغة الابتدائي مرتفعًا جدًا، انخفضت كفاءة الإزالة، ويرجع ذلك أساسًا إلى تشبع عدد مواقع الربط المحدود.

ماذا يحدث على المستوى الجزيئي

للخوض أعمق في كيفية التماسك، حلل الفريق كمية الصبغة التي يمكن أن تحتفظ بها المواد وسرعة عملها. طابقت قياساتهم نموذجًا يشير إلى أن الصبغة تشكّل طبقة واحدة ومرتبة على السطح، علامة على وجود مواقع ربط محددة جيدًا. خزّن المركب كمية صبغة لكل غرام أعلى قليلًا من الكيتوزان وحده والتصق بها بقوة أكبر. أظهرت تجارب التوقيت أن العملية اتبعت نمط حركي «من الدرجة الثانية»، مما يعني ببساطة أن المعدل يتحكم فيه سرعة تشكل الروابط بين جزيئات الصبغة والمواقع المحددة. هنا كان المركب أسرع بشكل لافت: ثابت معدله كان أعلى بحوالي ترتيب قدرة مقارنة بالكيتوزان الخالص. كشفت قياسات إضافية بالأشعة تحت الحمراء قبل وبعد إزالة الصبغة عن تحولات صغيرة لكنها دالّة في إشارات كيميائية رئيسية، مبينة أن مجموعات تحتوي على الأكسجين والنيتروجين والفوسفور كانت متورطة مباشرة. تشير الأدلة معًا إلى مزيج من الانجذاب الكهروستاتيكي بين الشحنات المتعاكسة، وروابط الهيدروجين، وتراصف الحلقات بين جزيئات الصبغة الحلقية وعمود السكر في المركب.

مسار أكثر خُضرة لمعالجة مياه الصرف الملونة

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن مزج الكيتوزان مع السُكَّر الخارجي البكتيري يُنشئ مادة قابلة للتحلل بالكامل تزيل الأزرق الميثيلين من الماء بفاعلية وسرعة أكبر بكثير من الكيتوزان وحده. رغم أن بعض المواد الصناعية المتطورة قد تحتفظ بمزيد من الصبغة، فإنها غالبًا ما تتطلب مواد كيميائية قاسية في التصنيع وتستغرق وقتًا أطول للعمل. بالمقابل، يُصنع هذا المركب الطبيعي من مكونات متجددة، بما في ذلك منتج جانبي بكتيري كان سيُهدر، ويعمل جيدًا تحت ظروف تشبه مياه الصرف الصناعية الحقيقية. يُشير هذا المزيج من السرعة والأداء والاستدامة إلى إمكانية تطوير هذه المادة إلى مرشحات عملية للمصانع التي تستخدم أصباغ زاهية—مما يساعد على إبقاء أنهارنا أنقى دون إدخال ملوثات جديدة في العملية.

الاستشهاد: Abd-Alla, M.H., Hassan, E.A., Mohammed, E.A. et al. A novel composite of chitosan and Bacillus subtilis exopolysaccharide for the removal of methylene blue from aqueous solutions. Sci Rep 16, 6349 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36875-7

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, مادة ماصة قابلة للتحلل الحيوي, إزالة الأزرق الميثيلين, مركب كيتوزان, سُكَّر خارجي بكتيري