تخليق أخضر لمركب قيراطين معدل بمركب موهر لإزالة الانتقائي للفوسفات الأرسنيك من المياه الملوثة

تحويل نفايات الدواجن إلى مياه نظيفة

في أجزاء كثيرة من العالم، وخاصة في جنوب آسيا وأمريكا اللاتينية، قد تبدو الآبار آمنة لكنها قد تحتوي في الواقع على زرنيخ غير مرئي. يؤدي التعرض طويل الأمد لهذا العنصر السام إلى مشاكل صحية خطيرة، ومع ذلك فإن إزالته من المياه بطريقة رخيصة وموثوقة وصديقة للبيئة تشكل تحدياً كبيراً. تستكشف هذه الدراسة حلاً مبتكراً: تحويل ريش الدجاج المهمل إلى مادة مرشحة عالية الأداء تستطيع استخراج الزرنيخ من المياه الجوفية الملوثة من دون إضافة ملوثات جديدة أثناء العملية.

لماذا يشكل الزرنيخ في المياه الجوفية مشكلة

يتسرب الزرنيخ طبيعياً من بعض الصخور كما يفرز بفعل أنشطة بشرية مثل التعدين والاستخدام السابق لمبيدات الآفات. وبمجرد وجوده في المياه الجوفية المشبعة بالأكسجين، يظهر غالباً على شكل أرينات (فوسفات الأرسين)، وهو شكل مشحون سلبياً يتحرك بسهولة مع الماء ويصعب احتجازه. في بعض مناطق الهند، بما في ذلك أجزاء من البنجاب، قيست مستويات الزرنيخ أعلى بمئات المرات من حدود مياه الشرب. الطرق التقليدية للمعالجة قد تكون مكلفة أو مكثفة الطاقة أو تولد تيارات نفايات خاصة بها، مما دفع الباحثين للبحث عن مواد منخفضة التكلفة يمكن إنتاجها محلياً واستخدامها بأمان في المناطق الريفية.

الريش كمورد مخفي

ينتج ريش الدجاج بكميات هائلة كنفايات من المسالخ، ويحتوي على بروتين هيكلي متين يدعى الكيراتين. يحتوي الكيراتين على مجموعات نيتروجين وكبريت قادرة على التقاط أيونات المعادن، مما يجعله قاعدة واعدة لمواد تنظيف المياه. ومع ذلك، لا يرتبط الكيراتين المعالج بصورة مباشرة بالزرنيخ بقوة أو انتقائية كافية ليكون عملياً. لذلك سعى الباحثون إلى إعادة تصميم الكيراتين المستخرج من الريش بحيث يستضيف أنواع الحديد المعروفة بارتباطها القوي بالزرنيخ، مع الحفاظ على عملية بسيطة ولطيفة ومتوافقة مع مبادئ الكيمياء الخضراء.

بناء إسفنج ذكي من الحديد والكيراتين

استخراج الفريق الكيراتين من الريش المنظف والمعالج، ثم جمعوه مع مركب مخبري شائع يُعرف باسم ملح موهر، الذي يوفر الحديد بصيغة مستقرة نسبياً. من خلال ضبط الحموضة والتحريك بعناية لساعات عدة، شجعوا انتشار الحديد بشكل متساوٍ داخل الكيراتين وتشكيل مجالات دقيقة من أوكسيدات وأوكسوهيدروكسيدات الحديد داخل وعلى سطح البروتين. أظهرت الميكروسكوبات والتحليلات الطيفية أن هذا المعالجة حولت الكيراتين الأصلي الكثيف والناعم إلى شبكة خشنة ومسامية مزينة ببقع غنية بالحديد موزعة جيداً، مع الحفاظ على مجموعات الكبريت والنيتروجين في البروتين التي تساعد على تثبيت المعدن.

كيف يحجز المـادة الجديدة الزرنيخ

عند خلط المادة المعدلة، المسماة MSMK، مع مياه ملوثة بالزرنيخ تحت ظروف واقعية مع هزّها، أزالت ما يصل إلى 98.5 في المئة من الفوسفات الأرسناتي المذاب عند درجة حرارة قريبة من الغرفة ودرجة حموضة خفيفة إلى محايدة حوالي 6. عند هذه الحموضة، يحمل سطح MSMK شحنة موجبة تجذب أنواع الأرسينات المشحونة سلبياً. وبمجرد اقترابها من السطح، لا يقتصر ارتباط الأرسينات على الالتصاق السطحي الضعيف؛ بل تكون روابط داخلية قوية مع مجموعات أكسجين-حديد داخل مسام ضيقة عرضها نحو نانومترين. اختبارات السرعة والسعة مع الزمن والتركيز تشير إلى أن الحركة عبر هذه القنوات الصغيرة هي الخطوة المحددة لمعدل الامتزاز الكلي، بينما يتيح تباين مواقع الربط ذات القوى المختلفة التقاطاً فعالاً حتى عند مستويات زرنيخ منخفضة.

الأداء والسلامة والاستدامة

فحص الباحثون أيضاً متانة وانتقائية MSMK. احتفظ بفعاليته العالية في إزالة الزرنيخ عبر نطاق من درجات الحرارة القريبة من ظروف المياه الجوفية الطبيعية وظل يعمل جيداً في مياه تحتوي على أيونات شائعة أخرى قد تتداخل عادة مع المعالجة. والأهم من ذلك، أن الحديد لم يتسرب من المادة بمستويات قابلة للكشف عبر نطاق واسع من الحموضة، مما يعني أن المرشح لا يضيف تلوث معدنياً جديداً. يمكن تجديد المركب عدة مرات بغسل قاعدي خفيف، محافظاً على أكثر من 60 في المئة من كفاءته الأصلية بعد خمس دورات—وهو أداء أفضل من العديد من المرشحات الحيوية المماثلة. أشارت تقييمات مبسطة للكيمياء الخضراء إلى أن التخليق يستخدم مكونات غير ضارة، وطاقة متواضعة، وينتج نفايات صلبة نسبياً قليلة، مع تحويل منتج ثانوي زراعي مشكلة إلى مورد مفيد.

ماذا يعني هذا لمياه الشرب الآمنة

بشكل مبسط، تُظهر هذه الدراسة أن ريش الدجاج، عند معالجته بعناية بملح حديد مستقر، يمكن أن يتحول إلى "إسفنج" فعال وصديق للبيئة لالتقاط الزرنيخ من المياه الجوفية. يستخرج مركب الكيراتين المعدل بملح موهر الأرسينات من الماء بكفاءة عالية، ويقاوم تسرب الحديد الخاص به، ويمكن إعادة استخدامه عدة مرات. وبما أن المكونات رخيصة والإعداد يتجنب الظروف القاسية، فالمادة لديها إمكانية واقعية للاستخدام في مرشحات على مستوى المجتمع أو وحدات معالجة في المناطق الأكثر تضرراً من تلوث الزرنيخ. ومع مزيد من الاختبارات في أنظمة الجريان المستمر والآبار الحقيقية، قد تساعد هذه التقنية المستندة إلى الريش في توفير مياه شرب أكثر أماناً مع تقليل النفايات الزراعية.

الاستشهاد: Manju, Sharma, S. Green synthesis of Mohr’s salt–modified keratin composite for selective removal of arsenate from polluted water. Sci Rep 16, 14552 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43190-8

الكلمات المفتاحية: إزالة الزرنيخ, تنقية المياه الجوفية, ممتص الكيراتين, مرشح قائم على الحديد, معالجة المياه