ستائر غشائية مستدامة مستوحاة من الطبيعة للتقليل من تبخر المياه في زراعة الطحالب

تحويل ضوء الشمس إلى وقود مستدام

قد لا تبدو الطحالب مهمة للوهلة الأولى، لكن هذه الكائنات الخضراء الدقيقة قد تساهم في تزويدنا بالوقود والطعام والمواد الكيميائية المستقبلية مع امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء. التحدي هو أن زراعة الطحالب في الهواء الطلق، خصوصاً في المناطق الحارة والجافة، تهدر كميات هائلة من المياه حيث تتبخر البرك تحت شمس حارقة. تدرس هذه الدراسة طريقة بسيطة ومستوحاة من الطبيعة لتظليل برك الطحالب بحيث تفقد كميات أقل بكثير من الماء، مع الاستمرار في توفير ضوء وهواء كافيين لنمو صحي.

لماذا الطحالب مهمة لعالم عطشان

يمكن للطحالب تحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والمغذيات إلى زيوت وبروتينات ومنتجات مفيدة أخرى، مما يجعلها مصادر واعدة للوقود الحيوي وعلف الحيوانات والكيماويات المتخصصة. كل كيلوجرام من الكتلة الحيوية للطحالب يمكن أن يخزن ما يقرب من ضعف وزنه من ثاني أكسيد الكربون، والإنتاج العالمي يصل بالفعل إلى عشرات الملايين من الأطنان سنوياً. المناطق الحارة والمشمسة مثل شبه الجزيرة العربية جذابة بشكل خاص لمزارع الطحالب واسعة النطاق لأنها توفر ضوء الشمس بكثرة وأراضي غير صالحة للزراعة ومياه بحر ومصادر صناعية قريبة لثاني أكسيد الكربون. لكن في هذه المناخات الجافة، تفقد البرك المكشوفة كميات هائلة من المياه بالتبخر، مما يزيد التكاليف ويقيد التوسع.

مشكلة الأغطية التقليدية للبرك

فكرة واضحة هي تغطية الماء. تم اختبار كريات عائمة، صفائح من الرغوة، أفلام وحتى طبقات كيميائية أحادية لتقليل التبخر من الخزانات وبرك الطحالب. توفر كثير من هذه الحلول حفظاً للمياه، لكنها غالباً ما تحجب ضوءاً زائداً أو تعيق تبادل الغازات بين الهواء والماء. بالنسبة للطحالب، يمكن أن تكون هذه المقايضة قاتلة: فهي تحتاج شدة مناسبة من الضوء المرئي لأداء التمثيل الضوئي—ويجب أن تتمكن من امتصاص ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين بحرية. قد تحمي الأغطية الكثيفة الماء، لكنها قد تسخّن الأحياء المائية، تحرمها من الضوء، تحبس مستويات ضارة من الأكسجين، وفي النهاية تقلل من الإنتاجية.

ستارة مستوحاة من الطبيعة بألياف دقيقة

لمعالجة ذلك، استلهم الباحثون من أوراق النباتات، التي تستخدم طبقة شمعية خارجية لتقليل فقدان الماء مع السماح بمرور الغازات. صنعوا «ستائر» رقيقة مسامية من ألياف نانوية—خيوط فائقة الدقة—وضعت فوق شبكة بلاستيكية داعمة. استُخدمت بوليمرات شائعة: حمض البوليلاكتيك (PLA) القابل للتحلل في سماد صناعي، وبوليميثيل ميثاكريلات (PMMA) المتينة والقابلة لإعادة التدوير. وأُنتجت هذه الحصائر النانوية باستخدام عملية كهربائية لف النطاق القابلة للتوسع، فكانت طاردة للماء، قوية ميكانيكياً ومثبتة حرارياً. تسمح بنفاذ 70–80% من الضوء المرئي المفيد للنمو مع حجب جزء كبير من الأشعة فوق البنفسجية الأشد إضراراً لخلايا الطحالب.

السماح بمرور الغازات مع منع الماء

أظهرت الاختبارات الميدانية أن البرك المغطاة بشتائم الألياف النانوية فقدت ما يصل إلى 86–87% أقل من الماء مقارنة بالبرك المكشوفة، حتى تحت شمس الصحراء القوية. وفي الوقت نفسه، كشفت قياسات دقيقة لثاني أكسيد الكربون المذاب والأكسجين أن الستائر بالكاد أبطأت تبادل الغازات: لا يزال بإمكان ثاني أكسيد الكربون دخول الماء لتغذية التمثيل الضوئي، ويمكن للأكسجين الخروج قبل أن يصل إلى مستويات ضارة. كما عملت الستائر على تسطيح القمم الحادة في شدة الضوء، محافظةً عليها ضمن نطاق أكثر راحة لنمو الطحالب ومقللةً من مخاطر الإجهاد الناتج عن الضوء. خلال أحد عشر يوماً من الزراعة باستخدام ستارة PLA، استخدمت مزروعات الطحالب حوالي نصف كمية الماء يومياً مقارنة بالمزروعات المكشوفة.

مقايضة بسيطة في الكتلة الحيوية مقابل تحكم أكبر بكثير

كانت هناك مقايضة: أنتجت المزارع المظللة كمية نهائية من الكتلة الحيوية أقل قليلاً من أخصب البرك المكشوفة—بنحو ثلث أقل في هذه الدراسة. ومع ذلك، نمت الأنظمة المظللة بشكل أكثر اتساقاً وتنبؤية، مع كثافات خلوية وكتلة حيوية مماثلة عبر النسخ المكررة. بالمقابل، عانت بعض المزارع المكشوفة أو تصرفت بشكل غير متوقع. كما احتجزت الستائر الغبار المحمول جواً، فعملت كحاجز يمكن أن يحسن نقاء المنتج النهائي. وبما أن طبقة الألياف يمكن نزعها عن داعمها، فيمكن التعامل مع المكونات عند نهاية عمرها بطرق تدوير أو تسميد صناعي معتمدة؛ تحللت ستائر PLA بسهولة في اختبارات التسميد الصناعي، بينما بقيت PMMA سليمة، مما يجعلها أكثر ملاءمة حيث يُرغب في عمر خدمة طويل.

ما الذي يعنيه هذا لمزارع الطحالب المستقبلية

تُظهر هذه الدراسة أن الستائر الغشائية الرقيقة المستوحاة من الطبيعة يمكن أن تقلل بشكل كبير فقدان المياه من برك الطحالب مع الحفاظ على ضوء وهواء كافيين لنمو منتج. رغم أنها تقلل قليلاً من ذروة الكتلة الحيوية، فإنها تقدم وفورات مائية، ونمواً أكثر استقراراً، وتخطيط حصاد أسهل، وحماية إضافية من الغبار والأشعة فوق البنفسجية. قابلة للتوسيع لأطوال طويلة ومصنوعة من مواد قابلة لإعادة التدوير أو التحلل الحيوي، قد تساعد هذه الستائر النانوية في إتاحة زراعة الطحالب على نطاق واسع في المناطق الحارة والجافة—مما يدعم وقوداً أنظف ومصادر غذاء وعلف جديدة وصناعة صديقة للمناخ دون فاتورة مائية مفرطة.

الاستشهاد: G. Oldal, D., Bokhari, A., Abdurrokhman, I. et al. Nature-inspired sustainable membrane shades for mitigating water evaporation in algal cultivation. npj Mater. Sustain. 4, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00103-0

الكلمات المفتاحية: زراعة الطحالب الدقيقة, التحكم في تبخر المياه, أغشية الألياف النانوية, الوقود الحيوي المستدام, الزراعة في المناخات الجافة