تحويل النفايات إلى طاقة عبر إنتاج طاقة حيوية وهيدروجين حيوي مستدامين من نفايات لجنوسيلوزية باستخدام خلية وقود ميكروبية وخلية تحلل كهربائي ميكروبية

تحويل نفايات المزارع إلى طاقة نظيفة

في مناطق زراعة الأرز، يُحرق القش المتبقي غالبًا في الحقل، مما يملأ الهواء بالدخان وغازات الاحتباس الحراري. تستكشف هذه الدراسة طريقًا مختلفًا: استخدام قش الأرز كمواد خام لأجهزة حيوإلكترونية صغيرة يمكنها تنظيف النفايات وإنتاج طاقة مفيدة على شكل كهرباء وغاز الهيدروجين. تُظهر الدراسة كيف أن تغيير طريقة تحضير هذا البقايا البسيط يمكن أن يؤثر بقوة على كمية الطاقة المستردة.

لماذا قش الأرز مشكلة وفرصة في آن واحد

يُنتج قش الأرز بكميات هائلة سنويًا ويُعامل في الغالب على أنه إزعاج. عادةً ما يحرقه المزارعون لتنظيف الحقول، مما يطلق جسيمات دقيقة وغازات تضر بالرئتين، وتقلل من جودة التربة، وتزيد من الاحترار المناخي. ومع ذلك، فإن هذا القش غني بألياف نباتية تخزن طاقة كيميائية. إذا أمكن الاستفادة من تلك الطاقة بطريقة مسيطرة، فيمكن أن تتحول حقول الأرز إلى مصدر طاقة نظيف بدلًا من التلوث، مما يساعد المناطق الريفية على إدارة النفايات وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

أجهزة صغيرة تتيح للميكروبات توليد الكهرباء

استخدم الباحثون خلايا وقود ميكروبية، وهي أجهزة بسيطة ذات حجرتين حيث تقوم مجتمعات البكتيريا بتحليل المواد العضوية في جانب واحد وإرسال الإلكترونات إلى قطب كهربائي. تنتقل تلك الإلكترونات عبر سلك إلى جانب الجهاز الآخر، مكونة تيارًا كهربائيًا بينما تساعد الميكروبات أيضًا في تنظيف النفايات. اختبر الفريق ثلاثة أشكال من مواد قش الأرز كغذاء لهذه الميكروبات: القش المطحون، والقش الذي تم تكسيره كيميائيًا إلى سائل، والزيلان (xylan)، وهو ليف أبسط مستخرج من ذلك السائل. قارنوا كلًا منها بمصدر غذائي كيميائي مرجعي لمعرفة أيها يعطي أعلى وأأنظف مخرج للطاقة.

البحث عن أفضل شكل من القش لإنتاج الطاقة

عندما عملت خلايا الوقود على الزيلان، أنتجت أعلى جهد وقدرة، إلى جانب أكثر إزالة فعالية للتلوث العضوي من السائل. يشير هذا إلى أن التركيب الأبسط للزيلان أسهل على الميكروبات لهضمه وتحويله إلى إلكترونات. في المقابل، حمل القش السليم والسائل المستخرج من القش مركبات نباتية معقدة تبطئ الهضم أو تتداخل مع نشاط الميكروبات، مما أدى إلى إنتاج كهرباء أقل. أكدت القياسات الكهربائية المفصلة أن الخلايا المغذاة بمواد معتمدة على القش قادرة على نقل الإلكترونات بكفاءة، مع ظهور بعض التركيبات لمقاومة منخفضة جدًا لتدفق الإلكترونات والتيارات الكهربائية مرتفعة نسبيًا.

التحول من الكهرباء إلى غاز الهيدروجين

درس الفريق أيضًا خلايا التحلل الكهربائي الميكروبية، وهو نوع مرتبط من الأجهزة يستخدم جهدًا خارجيًا صغيرًا لدفع إطلاق غاز الهيدروجين عند أحد الأقطاب. هنا أغذوا الأجهزة إما بسائل القش أو بالزيلان أو بالمصدر الكيميائي المرجعي. في وضع التركيز على الهيدروجين، آدَى سائل القش بوضوح الأفضل، حيث أدى إلى أعلى كثافة طاقة، وأسرع معدل إنتاج للهيدروجين، وإزالة قوية للمواد العضوية. دعمت الزيلان توليد الهيدروجين لكن بمعدل يقارب ثلث معدل سائل القش، على الأرجح لأنه يتطلب خطوات بيولوجية إضافية ويتنافس مع ميكروبات أخرى تُحوّل الإلكترونات بعيدًا عن إنتاج الهيدروجين.

ماذا يعني هذا للطاقة الأنظف من المحاصيل

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن نفس نفايات الزراعة يمكن تكييفها لاستخدامات طاقية مختلفة ببساطة عن طريق تغيير طريقة معالجتها. شكل أليفي أنقى من قش الأرز يفضّل إنتاج الكهرباء في خلايا الوقود الميكروبية، بينما يفضّل سائل مغذي غني من قش معالج مسبقًا غاز الهيدروجين في خلايا التحلل الكهربائي الميكروبية. للقراء غير المختصين، الرسالة أن مخلفات المزارع مثل قش الأرز لا يجب أن تُحرق أو تُتَرَك لتتراكم. مع معالجة بسيطة نسبيًا وأجهزة حيوإلكترونية، يمكن تحويلها إلى ناقلات طاقة أنظف مع تقليل التلوث المائي ودعم إدارة نفايات أكثر استدامة في المجتمعات الزراعية.

الاستشهاد: Bayoumi, M., Hassouna, M.S., Hussien, A.A. et al. Waste to energy through sustainable bioenergy and biohydrogen production from lignocellulosic waste using microbial fuel cell and microbial electrolysis cell. Sci Rep 16, 15462 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50075-3

الكلمات المفتاحية: قش الأرز, خلية وقود ميكروبية, خلية تحلل كهربائي ميكروبية, الهيدروجين الحيوي, تحويل النفايات إلى طاقة