تحسين شروط الحرارة والإشعاع لزيادة إنتاج الأكسجين في Tetradesmus bajacalifornicus

لماذا تهم الخلايا الخضراء الصغيرة هواء مستقبلنا

مع ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى مستويات قياسية، يبحث العلماء عن «آلات» حية قادرة على سحب هذا الغاز من الهواء وتحويله إلى شيء مفيد. مرشح واعد هو الميكروطحالب: خلايا خضراء مجهرية تستخدم ضوء الشمس للنمو، وتطلق الأكسجين، وتبني كتلة حيوية يمكن أن تتحول إلى غذاء أو وقود أو منتجات أخرى. تستكشف هذه الدراسة كيفية دفع ميكروطحلب غير معروف إلى حد ما باسم Tetradesmus bajacalifornicus لإنتاج أكبر قدر ممكن من الأكسجين والكتلة الحيوية عن طريق ضبط عاملين يوميين بعناية: الضوء ودرجة الحرارة.

طحالب صغيرة بإمكانات كبيرة

يُعد Tetradesmus bajacalifornicus ميكروطحلبًا سريع النمو ومتينًا يتحمل الظروف القاسية ومستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون. أظهرت دراسات سابقة أنه يمكن أن يصنع مركبات ذات نشاط مضاد للأكسدة ومضاد للميكروبات، ويجمع زيوتًا مفيدة للوقود الحيوي، ويزدهر في أماكن قد تتعثر فيها الكائنات الأخرى. هذا يجعله جذابًا لمزارع احتجاز الكربون ومصافي المواد الحيوية المستقبلية. ولكن حتى الآن، لم يقم أحد بفحص منهجي لكيفية تأثير تركيبات شدة الضوء ودرجة الحرارة ومدة التعرض للحرارة على قدرته على إنتاج الأكسجين، وهو مؤشر مباشر على الأداء الضوئي والنمو.

البحث عن نقطة التوازن بين الضوء والدفء

للعثور على أفضل الشروط، استخدم الباحثون جهازًا حساسًا يُسمى قياس التنفس الضوئي، الذي يتتبع كمية الأكسجين التي يطلقها الطحلب في الضوء وكمية الأكسجين التي يستهلكها في الظلام. اختبروا نطاقًا واسعًا من مستويات الضوء ودرجات الحرارة التي تحاكي الظروف في المفاعلات الداخلية المضيئة صناعيًا. باستخدام نهج إحصائي، بنوا سطح استجابة — نوع من الخريطة الطبوغرافية — يوضّح كيف يرتفع أو ينخفض إنتاج الأكسجين مع تغير الضوء والحرارة معًا. أظهرت الخريطة ذروة واضحة: عند نحو 38 °م ومستوى ضوء قوي، بلغ الطحلب معدل إنتاج أكسجين مرتفعًا جدًا، مكافئًا لبعض السلالات الصناعية الأفضل. ببساطة، كانت الحالات الأكثر سخونة وأكثر سطوعًا تعني عموماً مزيدًا من الأكسجين، إلى حد معين.

متى يكسر «الحرارة الزائدة» النظام

ومع ذلك، ما يبدو مثالياً في اختبار قصير قد يفشل على مدى أيام. عندما أبقيت المزارع عند هذه الحرارة العالية باستمرار تحت ضوء قوي، تدهورت بسرعة. خلال ثلاثة أيام فقط، انخفضت مؤشرات الصحة الضوئية بشدة، وانهدت المزارع. تكمن المشكلة في حساسية الآلية الضوئية للحرارة، وبخاصة بروتين أساسي في النظام يقوم بتقسيم الماء وإطلاق الأكسجين. يؤدي السخونة المديدة إلى تلف هذا البروتين، مما يسبب تراكم نواتج ثانوية ضارة ويطيق أنظمة الإصلاح الطبيعية للخلايا. كنتيجة لذلك، لم تعد الطحالب قادرة على الحفاظ على إنتاج أكسجين مرتفع أو على النمو جيدًا، رغم أن الشروط كانت مثالية للأداء القصير الأمد.

استخدام نبضات حرارة يومية بدلاً من الإجهاد المستمر

لحل هذا التباين بين الأداء الفوري والبقاء على المدى الطويل، اختبر الفريق «نبضات حرارة» يومية. أبقوا المزارع عند درجة حرارة مريحة معظم الوقت، ثم رفعوها إلى درجة الحرارة العالية المحفزة للأداء لمدة ساعة أو ساعتين أو ثلاث ساعات فقط يوميًا. تبين أن دفعة حرارة يومية لمدة ساعة كانت مفيدة: زادت الكتلة الحيوية بحوالي ثمنها مقارنة بالمزارع التي لم تتعرض لأي تدفئة موجزة، دون إحداث ضرر دائم. أما نبضات الحرارة الأطول فدفعَت الخلايا إلى ما بعد قدرتها على التأقلم. عند ساعتين وثلاث ساعات من الإجهاد اليومي، انخفض إنتاج الأكسجين وفي أطول تعرض انهارت المزارع في نهاية المطاف. كما اختبر الباحثون تسخينات أهدأ عند 29 °م و34 °م لمدة تصل إلى أربع ساعات. عند 29 °م تحملت الطحالب التسخين الممتد جيدًا وحافظت على إنتاج الأكسجين؛ أما عند 34 °م فصمدت جيدًا لحوالي ساعة، لكن فترات التعرض الأطول أدت إلى تراجع دائم.

تصميم مزارع طحالب أذكى

تحمل هذه النتائج رسالة واضحة لمزارع احتجاز الكربون وإنتاج الكتلة الحيوية القائمة على الطحالب: ليست المسألة فقط مدى الحرارة، بل أيضًا مدة التعرض. يمكن استغلال دفعات قصيرة من الحرارة والضوء العاليين كتمرين مُتحكم فيه يقوي الإنتاجية، بينما يصبح الإجهاد المستمر أو الطويل مدمراً. بالنسبة للمفاعلات المغلقة الداخلية ذات الإضاءة الصناعية، ينبغي أن يكون من الممكن برمجة كل من شدة الضوء وتوقيت نبضات الحرارة للحفاظ على الطحالب بالقرب من نقطة التوازن الخاصة بها. في الأنظمة الخارجية أو المفتوحة، حيث يصعب التحكم في الشمس ودرجة الحرارة، سيكون اختيار أنواع قوية مثل Tetradesmus bajacalifornicus والتخطيط الدقيق لتصميم المفاعل وموقعه أمرًا حاسمًا. بشكل عام، يبرز هذا الطحلب كمرشح قوي للمناطق الدافئة والمشمسة، حيث يمكن أن يساعد في تحويل ثاني أكسيد الكربون الزائد إلى أكسجين وكتلة حيوية مفيدة — بشرط احترام حدوده الحرارية.

الاستشهاد: Villaró-Cos, S., Cerdá-Moreno, C., Viviano, E. et al. Optimising thermal and irradiance conditions for enhanced oxygen production in Tetradesmus bajacalifornicus. Sci Rep 16, 11301 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41958-6

الكلمات المفتاحية: الميكروطحالب, إنتاج الأكسجين, إجهاد حراري, مفاعلات ضوئية صناعية, احتجاز الكربون