توصيف النانو سيليلوز البكتيري المُزارَع على مونومرات البولي إثيلين تيريفثالات (PET) بواسطة طيف رامان وتحليل الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه

تحويل نفايات البلاستيك إلى ألياف مفيدة

زجاجات البلاستيك وحاويات الطعام المصنوعة من PET منتشرة في كل مكان، والآن توجد شظايا دقيقة من هذا البلاستيك في المحيطات والتربة وحتى داخل أجسامنا. تستكشف هذه الدراسة طريقة مبتكرة للتعامل مع المشكلة: استخدام البكتيريا لتحويل الوحدات الأساسية لـ PET إلى ألياف سليلوز فائقة النحافة وقابلة للتحلل الحيوي. تُشكّل هذه الألياف، المسماة النانو سيليلوز البكتيري، أغشية قوية ومرنة قد تحل يومًا ما محل بعض المنتجات البلاستيكية في التغليف والطب والاستخدامات اليومية الأخرى.

من النباتات إلى مصانع بكتيرية صغيرة

السليلوز هو المادة الهيكلية الرئيسية في النباتات ويُستخدم بالفعل في الورق والمنسوجات والعديد من المنتجات الصناعية. لكن حصاده يعتمد عادة على قطع الأشجار أو زراعة محاصيل أحادية على نطاق واسع. بعض البكتيريا، بما في ذلك نوع يُسمى Komagataeibacter sucrofermentans، يمكنها بدلاً من ذلك نسج السليلوز مباشرة من السكريات أثناء التخمر، مكونة شبكة من النانوفبرات أرفع من مئة نانومتر. يمتلك هذا النانو سيليلوز البكتيري خصائص جذابة: فهو نقي (خالٍ من الصمغ والنَّشِج النباتي)، يمتص الماء جيدًا، ويمكن تشكيله في أغشية ناعمة مناسبة لتغليف الغذاء أو ضمادات الجروح.

إطعام البكتيريا ببنات بناء البلاستيك

سأل الباحثون ما إذا كانت هذه البكتيريا تستطيع استخدام وحدات بناء PET—غليكول الإيثيلين (EG) وتيريفثاليت الصوديوم ثنائي (TPA)—بدلاً من الاعتماد فقط على السكر التقليدي (الجلوكوز). قاموا بزراعة K. sucrofermentans في ثلاث سوائل متطابقة باستثناء مصدر الكربون: واحدة احتوت على جلوكوز، واحدة على EG، وواحدة على TPA. بعد ثلاثة أسابيع جمعوا وجرّدوا اللاصقات السليلوزية العائمة على سطح السائل ووزنوها. والمفاجئ أن أعلى محصول جاء من EG، الذي أنتج نانو سيليلوز أكثر لكل لتر مقارنةً بالجلوكوز، بينما أعطى TPA محصولًا أقل. يبيّن هذا أن جزءًا من الكربون في مونومرات PET يمكن توجيهه نحو مادة مفيدة وقابلة للتحلل البيولوجي.

كيف تبدو الألياف ومدى ترتيبها

لفحص نوع المادة التي تشكلت، صور الفريق الأغشية بمجهر إلكتروني ماسح. أنتجت البكتيريا المغذاة بالجلوكوز سجادة كثيفة ومتجانسة من الألياف الدقيقة ذات مسام منتظمة—علامة على نمو منظم جيدًا. أدى EG وTPA إلى شبكات أرخـص وأكثر عدم انتظام، مع منح TPA بنية أكثر انفتاحًا وعدم تجانس، أقرب إلى مركب منها إلى فيلم نقي وموحد. أكدت قياسات حيود الأشعة السينية هذا الانطباع البصري: أظهرت ألياف السليلوز من الجلوكوز بلورية عالية (تراص محكم) عادةً ما ترتبط بسليلوز قوي ومنظم جيدًا، في حين كانت ألياف مشتقة من EG أقل ترتيبًا إلى حد ما وألياف مشتقة من TPA أكثر اضطرابًا بكثير.

الاستماع إلى الجزيئات باستخدام الضوء

استخدم العلماء بعد ذلك طريقتين معتمدتين على الضوء—طيف رامان والطيف تحت الأحمر—لـ"الاستماع" إلى اهتزازات الجزيئات داخل الأغشية. تعمل هاتان الطريقتان كالبصمات، كاشفتين عن الروابط الموجودة وكيفية ترتيب السلاسل. عرضت العينات الثلاث جميعها الإشارات المميزة للسليلوز، مما يثبت أن البكتيريا بنت البوليمر المتوقع من كل مصدر كربون. لكن كانت هناك فروق مهمة: أظهرت عينتا EG وTPA إشارات أقوى لمناطق غير متبلورة وعشوائية، بينما أظهر النانو سيليلوز المستند إلى الجلوكوز دلائل أوضح على مناطق بلورية مرتبة. في المادة المغذاة بـTPA، تطابقت نطاقات طيفية إضافية مع مجموعات التيريفثاليت، مما يعني أن بعض شظايا PET ظلت محاصرة في الغشاء ولم تتحول تمامًا.

ماذا يعنّي هذا للمواد الأنظف

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن بعض البكتيريا قادرة على استهلاك أجزاء من مخلفات PET الجزيئية وإعادة تشكيلها إلى صفائح سليلوزية، رغم أن جودة تلك الصفائح تعتمد بشدة على مادة التغذية. لا يزال الجلوكوز يمنح أنظف وأكثـر الألياف ترتيبًا، لكن EG على وجه الخصوص يمكن أن يزيد كمية المادة المُنتَجة، ويمكن تحويل TPA جزئيًا بينما يندمج داخل غشاء غني بالسليلوز. لن تجعل الطريقة PET تختفي تمامًا بعد—فبعض الشظايا الشبيهة بالبلاستيك تبقى وقد تحتاج إلى إزالتها—لكنها تمثل مسارًا واعدًا نحو "الترقية الحيوية"، حيث يتحول البلاستيك المستديم إلى مواد أقل ضررًا. مع تحسين العملية وخطوات التنقية، قد يصبح النانو سيليلوز البكتيري المزروع على مونومرات PET جزءًا من نظام دائري يدير نفايات البلاستيك ويزود أغشية مستدامة وعالية الأداء.

الاستشهاد: Eriksson, R., Mariam, I., Ramser, K. et al. Characterization of bacterial nanocellulose cultivated on polyethylene terephthalate (PET) monomers via raman and fourier transform infrared spectroscopy. Sci Rep 16, 13133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46886-z

الكلمات المفتاحية: النانو سيليلوز البكتيري, إعادة تدوير PET, تلوث البلاستيك, مواد قابلة للتحلل الحيوي, تحليل رامان وFTIR