عزل بكتيريا مزيفة النَّزْعة الهوائية Stutzerimonas stutzeri وتطبيقها في معالجة مياه الصهر

لماذا تهم معالجة مياه المصانع

تستخدم صناعة الصلب وصناعات ثقيلة أخرى أفرانًا خاصة لتحويل الفحم إلى كوك، وهو وقود يحافظ على عمل أفران الصهر. على طول هذه العملية، تنتج المصانع مياهًا عادمة داكنة محملة بالمواد الكيميائية. تحمل هذه المياه مستويات عالية من مركبات النيتروجين وملوثات عضوية عنيدة قد تؤدي إلى تكاثر الطحالب السامة، تسمم الأسماك، وتلوث مياه الشرب. تستكشف الدراسة خلف هذا المقال كيف يمكن تسخير بكتيريا موجودة طبيعيًا، معزولة من مياه مصنع الكوك نفسه، كأداة حية لإزالة النيتروجين والملوثات العضوية الخطرة من هذا التيار النفاياتي الصعب.

نوع من المياه العادمة شديد الصعوبة

تعد مياه معالجة الكوك من أكثر مياه الصرف الصناعي تلوثًا. تحتوي على النيتروجين بأشكال متعددة—مثل النترات والنتريت والأمونيا—إلى جانب مركبات عضوية معقدة، بعضها مسبب للسرطان. عند إطلاقها دون معالجة، يغذي هذا النيتروجين نموًا هائلًا للطحالب والنباتات المائية، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات الأكسجين التي تخنق الأسماك والكائنات المائية الأخرى. لدى البشر، يمكن أن تتلف النترات الزائدة قدرة نقل الأكسجين في دم الرضع وتساهم في تكوين مركبات مرتبطة بالسرطان. وبسبب هذا المزيج من الملوحة والنيتروجين والمواد العضوية السامة، فإن مياه معالجة الكوك أصعب في المعالجة من مياه الصرف الحضرية العادية، وتضع أنظمة المعالجة التقليدية تحت ضغط كبير.

إيجاد ميكروب مساعد في النفايات نفسها

جمع الباحثون مياهًا من منطقة منخفضة الأكسجين في مصنع كوك ونمَّوا الميكروبات المحلية تحت ظروف فضلت الكائنات القادرة على إزالة النترات. بعد سلسلة دقيقة من خطوات التخفيض والتنقية، عزلوا عدة سلالات بكتيرية واستخدموا تسلسل الحمض النووي لَجين rRNA 16S لتحديد أكثرها وعدًا. تنتمي هذه السلالة المسماة Stutzerimonas stutzeri KA1 إلى مجموعة معروفة سابقًا بتحويل النترات إلى غاز نيتروجين غير ضار. ثم قارن الفريق مدى قدرة السلالات المختلفة على خفض مستويات النترات في وسط مخبري مُتحكم به. برزت KA1 بقدرتها على خفض تراكيز النترات بسرعة تحت ظروف دافئة وتهوية خفيفة، مما جعلها مرشحًا رئيسيًا للاستخدام الصناعي.

اختبار ما يمكن أن يتحمله هذا البكتير

لمعرفة كيف قد تعمل KA1 في أنظمة المعالجة الفعلية، غيَّر العلماء عاملًا واحدًا في كل مرة: نوع مصدر الغذاء، وتوازن الكربون إلى النيتروجين، ومستوى الأكسجين، والحموضة أو القلوية (الرقم الهيدروجيني). وجدوا أن مصادر الكربون البسيطة وسهلة الهضم كانت الأفضل، حيث سمح أسيتات الصوديوم لِـ KA1 بإزالة ما يقرب من كل النترات خلال نحو 40 ساعة. أعطت نسبة كربون إلى نيتروجين متوسطة أسرع إزالة؛ فالقليل من الكربون جوع البكتيريا، بينما الزيادة الزائدة لم تضف فوائد إضافية. بشكل مفاجئ، استمرت KA1 في العمل عبر نطاق واسع من مستويات الأكسجين المذاب—من انعدام الأكسجين حتى ظروف التهوية الكاملة—مما يشير إلى أنها تستمر في نزع النترات حتى عند إدخال الهواء إلى الخزانات. كما حافظت على إزالة نترات شبه كاملة في مدى الرقم الهيدروجيني من 6 إلى 10، وهو نطاق واسع يغطي العديد من مياه الصرف الواقعية. تشير هذه الصفات إلى ميكروب قوي يتحمل ظروفًا متغيرة بدون فقدان الفعالية.

من القارورة إلى مفاعل عملي

انتقل الفريق بعد ذلك من القوارير الصغيرة إلى أنظمة معالجة مصغرة تُسمى مفاعلات الدُفعات المتسلسلة، التي تحاكي دورات في المصانع الحقيقية. تلقت كل المفاعلات الحمأة المنشطة، المزيج المألوف من الميكروبات المستخدم في المعالجة، لكن اثنين فقط تم "تحسينهما حيويًا" بإضافة KA1. على مدار دورات تشغيل متكررة، أزالت كل المفاعلات بعض النترات في البداية، مما أظهر أن الميكروبات الأصلية كانت نشطة بالفعل. ومع مرور الوقت، فقد المفاعل غير المحسّن أداؤه، بينما استمرت المفاعلات المعززة بخلية KA1 في التحسن وحققت في النهاية إزالة نترات أعلى بوضوح، حتى تحت ظروف مملحة غالبًا ما تثبط بكتيريا أخرى. كما تابعت الدراسة الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)، مقياسًا عامًا للتلوث العضوي، ووجدت أن الأنظمة المعالجة بوجود KA1 حطمت هذه العضويات أسرع من الضوابط، مما أدى إلى انخفاض مستويات COD نحو الصفر بشكل أسرع.

ما يعنيه ذلك لصناعة أنظف

لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن الباحثين وجدوا واختبروا بكتيريا "تنظيف" قوية تزدهر في المياه القاسية نفسها التي من المفترض أن تعالجها. يمكن لـ Stutzerimonas stutzeri KA1 إزالة ما يقرب من كل النترات عبر مدى واقعي من ظروف الأكسجين والملوحة والـ pH، بينما تساعد أيضًا في إزالة الملوثات العضوية الأخرى. عند إضافتها إلى أنظمة المعالجة القياسية، تعزّز كلًا من إزالة النيتروجين وقياس COD بما يتجاوز ما تستطيع المجتمع الميكروبي القائم تحقيقه بمفرده. وبما أنها فعالة وتتحمل ظروفًا قاسية، فقد تُسهِّل KA1 على مصانع الصلب والكوك الامتثال للمعايير البيئية بتكلفة وجهد أقل، مما يقلل عبء تلوث المياه الذي يغذيه النيتروجين ويساعد في حماية الأنهار والبحيرات والنظم الساحلية في المصب.

الاستشهاد: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

الكلمات المفتاحية: مياه معالجة الكوك, إزالة النترات هوائيًا, Stutzerimonas stutzeri, التحسين الحيوي, إزالة النيتروجين