زراعة نوع شمالي من Chlorococcum في ناتج الهضم اللاهوائي: تأثيرات تركيز CO2 وتكوين المفاعل

تحويل مياه الصرف إلى مورد

مع نمو المدن، نتخلص من كميات هائلة من المياه الملوثة التي لا تزال تحتوي على مغذيات وكربون يمكن استغلالهما. بدلًا من اعتبار هذه المياه مشكلة، يستكشف العلماء كيف يمكن للطحالب الخضراء الدقيقة تحويلها إلى مصدر ماء نظيف ومنتجات مفيدة والمساهمة في مكافحة تغير المناخ. تفحص هذه الدراسة نوعًا شماليًا متينًا من الطحالب الدقيقة وتطرح سؤالًا عمليًا: في أي ظروف يمكنه أن ينظف مياه الصرف على أفضل نحو، ويخزن ثاني أكسيد الكربون، وينتج كتلة حيوية ذات قيمة؟

من حمأة الصرف إلى غذاء الطحالب

تستخدم محطات معالجة مياه الصرف الحديثة غالبًا الهضم اللاهوائي، عملية تكسر فيها الميكروبات الحمأة لإنتاج الغاز الحيوي. ما يتبقى هو سائل غني بالنتروجين والفوسفور. إذا تُرك دون معالجة فقد يسبب هذه المغذيات تفشي الطحالب الضارة في البحيرات والبحار. استخدم الباحثون هذا السائل المتبقي كوسط نمو لسلالة شمالية من الطحلب الأخضر Chlorococcum. وبما أن الطحالب تنمو بواسطة التمثيل الضوئي، تم تزويدها أيضًا بثاني أكسيد الكربون، مقلدين تيارات غازية قد تأتي من غازات المداخن. من خلال تعديل مستوى CO2 ونوع الوعاء المزروع فيه، اختبروا مدى قدرة الطحالب على النمو وإزالة المغذيات وتحويل الكربون إلى كتلة حيوية.

إيجاد النقطة المثلى لثاني أكسيد الكربون

ركز الفريق أولًا على الهواء الذي تتنفسه الطحالب. قارنوا أربعة مستويات من CO2: الهواء العادي (منخفض جدًا من CO2) وهواء مُغنى بنسبة 3٪ أو 6٪ أو 9٪ CO2. قلة CO2 سببت مجاعة للطحالب وحافظت على ماء قاعدي مريح بدرجة عالية، ما أدى إلى نمو ضعيف. أما الكثير من CO2 فخفض الرقم الهيدروجيني أكثر من اللازم وكبح الخلايا أيضًا. اتضح أن النقطة المثلى هي حوالي 6٪ CO2، التي أنتجت تقريبًا خمسة أضعاف الكتلة الحيوية مقارنة بالهواء العادي وأعلى معدل لالتقاط CO2 لكل لتر من الوسط. ومع ذلك، أزالت الطحالب المزروعة بالهواء العادي أمونيومًا وفوسفورًا أكثر من الماء، جزئيًا لأن العمليات الكيميائية في الماء القلوي حررت جزءًا من النيتروجين كغاز، مستقلة عن العملية البيولوجية.

تصميم المسكن المناسب للطحالب

بعد ذلك، سأل العلماء كيف يؤثر التصميم الفيزيائي للمفاعل — «مسكن» الطحالب — على الأداء. باستخدام نسبة CO2 المثلى (6٪)، قارنوا بين عمود فقاعات بسيط، ومفاعل هوائي داخلي (airlift) ذو أنبوب داخلي يعزز الدوران، وعمود فقاعات يحوي حاملات بلاستيكية طافية توفر أسطحًا لالتصاق الطحالب. حافظت التصاميم الثلاثة على الماء عند قيمة pH محايدة مريحة تقريبًا. أنتج المفاعل الهوائي أعلى عدد من الخلايا في أقصر وقت، ما يجعله مناسبًا عندما تكون السرعة مهمة. ومع ذلك، انتهى الأمر بعمود الفقاعات البسيط إلى أعلى كتلة حيوية نهائية وأزال أكبر قدر من الأمونيوم والفوسفور، رغم أنه احتاج وقتًا أطول للوصول إلى ذلك. النسخة التي تحتوي حاملات حسنت قليلاً استخدام CO2 لكنها لم تقدم ميزة واضحة في النمو أو إزالة المغذيات بالنسبة لهذه السلالة الطحلبية المعينة.

الطحالب كمنصة للوقود المستقبلي

بخلاف تنظيف المياه واحتجاز CO2، تثير الطحالب الدقيقة الاهتمام لأن مكوناتها الدهنية يمكن تحويلها إلى ديزل حيوي. قاس الباحثون البروتينات والكربوهيدرات وأنواع الدهون المختلفة في الكتلة الحيوية الطحلبية. ظلت مستويات البروتين والسكر ثابتة إلى حد ما عبر مستويات CO2 وأنواع المفاعلات، مما يدل على استقرار أيضي للسلالة. بالمقابل، استجابت الكسر الدهني بقوة لتغيرات CO2. تحت CO2 المنخفض، أنتجت الطحالب نسبًا قليلة من الدهون ومالت إلى جزيئات متعددة غير مشبعة مرتبطة بالغشاء الخلوي. عند CO2 الأعلى، تراكمت دهون أكثر بكثير وتحولت نحو الجزيئات الأحادية غير المشبعة الأنسب للديزل الحيوي، مع ملفات مكونات قريبة من معايير الوقود الحالية. ومن المهم أن تغيير تصميم المفاعل لم يبدل هذا التكوين البيوكيميائي، ما يعني أن المهندسين يمكنهم اختيار نوع المفاعل بناءً على التكلفة والأداء دون التضحية بجودة المنتج.

ما الذي تعنيه هذه النتائج للمياه الأنظف وأهداف المناخ

بالنسبة للمشاهد العادي، تُظهر هذه الدراسة أن طحلبًا شماليًا متينًا قادر على تحويل تيار نفايات مشكل من معالجة الصرف إلى ماء أنظف، وكربون محتجز، وربما وقود حيوي مفيد. تحدد الدراسة نافذة تشغيل عملية: إغناء معتدل بـ CO2 حول 6٪ مقترنًا إما بمفاعلات هوائية سريعة النمو أو بأعمدة فقاعات أكثر فعالية في التنظيف، اعتمادًا على ما إذا كانت الأولوية هي السرعة أو إزالة المغذيات. رغم وجود تحديات مثل تكاليف الحصاد والهندسة على نطاق واسع، تشير النتائج إلى أن أنظمة معتمدة على الطحالب الدقيقة قد تساعد المدن على الامتثال لقواعد المياه النظيفة، والحد من تلوث المغذيات، ودعم أهداف المناخ والطاقة بربط معالجة النفايات بإنتاج الكتلة الحيوية.

الاستشهاد: Mohammadkhani, G., Mahboubi, A., Funk, C. et al. Cultivation of Nordic Chlorococcum sp. in anaerobic digestion effluent: Effects of CO₂ concentration and reactor configuration. Sci Rep 16, 13625 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51126-5

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف بالطحالب الدقيقة, احتجاز ثاني أكسيد الكربون, ناتج الهضم اللاهوائي, إمكانات الوقود الحيوي الطحلبي, تصميم المفاعلات الضوئية