التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية يمكن أن تدعم الطاقة المستدامة ومعالجة النفايات واسترجاع الموارد

أسلاك حيّة من أجل مستقبل أنظف

معظمنا يربط الكهرباء والميكروبات بعالمين مغايرين: خطوط الطاقة في السماء والبكتيريا في التربة أو أمعائنا. توضح هذه المقالة كيف يتم توصيل هذين العالمين عمداً. عبر السماح لبعض الميكروبات بالاتصال بالأقطاب الكهربائية كأنها أسلاك حيّة صغيرة، يبني العلماء أنظمة تحول المياه القذرة إلى مياه أنظف، والنفايات إلى طاقة ومواد كيميائية، والتلوث إلى موارد مسترجعة. هذه «التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية» قد تصبح جزءاً من أدوات الغد لمواجهة تغير المناخ وشح المياه ونقص الموارد.

كيف تتواصل الكائنات الدقيقة مع المعدن

بعض الكائنات الدقيقة تنقل الإلكترونات عبر جدران خلاياها إلى مواد صلبة مثل المعادن بشكل طبيعي. في أجهزة مصممة خصيصاً تُستبدَل هذه المعادن بأقطاب كهربائية، وتكوّن الميكروبات أفلاماً كثيفة على أسطحها. عندما تهضم الميكروبات المركبات العضوية في مياه الصرف، تدفع الإلكترونات نحو الأنود (قطب واحد)، ثم تتدفق هذه الإلكترونات عبر دائرة إلى الكاثود (القطب الآخر)، حيث تحدث تفاعل مفيد. تُسمّى هذه القدرة على نقل الإلكترونات خارج الخلية بالنقل الإلكتروني خارج الخلية. وهي تتيح للخلايا الحية والمكونات الكهربائية تكوين نظام هجيني واحد تتعامل فيه البيولوجيا مع الكيمياء المعقدة بينما تتولى الدائرة تدفق الطاقة.

من الماء القذر إلى الطاقة والمياه النظيفة

أكثر تطبيقات هذا النهج رسوخاً هو خلية الوقود الميكروبية، حيث تُحلِل مجتمعات الميكروبات التي تنمو على الأنود الملوثات العضوية في مياه الصرف وتُرسل إلكترونات إلى الكاثود. من الناحية النظرية يمكن لهذا أن يولّد كهرباء أثناء معالجة المياه، محوِّلاً محطة المعالجة من مستهلكة للطاقة إلى موفِّرٍ لها. شغّلت أنظمة على نطاق تجريبي بالفعل مجاري صرف حقيقيّة، مما أظهر أن هذه الأجهزة يمكن أن تقلل الطاقة المطلوبة للتهوية وخطوات أخرى، رغم أنها اليوم تُنتج فقط كميات متواضعة من الكهرباء. ترتبط بذلك خلية التحليل الكهربي الميكروبية، التي تستخدم طاقة خارجية صغيرة إلى جانب نفس تحلل الميكروبات للنفايات لإنتاج غاز الهيدروجين أو الميثان في الكاثود، مكوِّنةً وقوداً قابلاً للتخزين من تيارات كانت عبئاً في حالات أخرى.

تنظيف التلوث والملوحة بمساعدة الميكروبات

بما أن الأقطاب يمكن أن تعمل كمصادر أو مصارف للإلكترونات بلا حدود ظاهرة، فهي قادرة على تحفيز تفاعلات تنظيف يصعب إدارتها بالمواد الكيميائية المضافة. في أنظمة كهروكيميائية ميكروبية لإصلاح البيئة، تساعد الميكروبات على الأنود في تحلل الملوثات العضوية المستعصية مثل المذيبات المكلورة ومكونات الوقود، بينما تستخدم مجتمعات الكاثود الإلكترونات الواردة لإزالة النترات أو الكبريتات أو المعادن المذابة من المياه الجوفية. تمتد نفس المبادئ إلى خلايا التحلية الميكروبية، حيث يجذب التيار الناتج عن أكسدة مياه الصرف أيونات الملح من حجرة مركزية ليُنتج مياه أكثر عذوبة. أنتجت هذه الأجهزة مياهاً مُحلاةً باستخدام طاقة أقل من الطرق القياسية في النماذج الأولية المبكرة، رغم أن المواد والتصميم بحاجة لتحسين قبل أن تنتشر على نطاق واسع.

صنع منتجات جديدة من الكربون والكهرباء

لا تتعلق الأنظمة الكهروكيميائية الميكروبية بالتنظيف فحسب؛ بل يمكنها أيضاً التصنيع. في التركيب الكهربائي الميكروبي، تتغذى الميكروبات النامية على الكاثود بثاني أكسيد الكربون والإلكترونات ثم تُركِّب جزيئات أكثر تعقيداً مثل الأسيتات، أحماض عضوية ذات سلاسل أطول، أو حتى بروتينات ميكروبية. يستخدم الباحثون أنواعاً كهربائية النشاط بطبيعتها وميكروبات معروفة تم تزويدها جينياً بمسارات لالتقاط الإلكترونات. قد تحوّل هذه الأنظمة فائض الكهرباء المتجددة وغازات النفايات إلى وقود وكتل بناء للبوليمرات وأسمدة وحتى مكوّنات غذائية. تتصور المقالة «مصفاة كهربائية حيوية» تُدمَج فيها خطوات كهروكيميائية وميكروبية في خطوط معالجة معيارية وغالباً لامركزية مُعدَّلة لمصادر كربون وطاقة محلية.

عوائق هندسية وطريق نحو الاستخدام الواقعي

رغم وعودها، لا تزال التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية تواجه تحديات عملية. قد تكون الأقطاب والأغشية مكلفة، ومخرجات التيار أقل بكثير من البطاريات التقليدية أو الألواح الشمسية، وقد تتطور أفلام ميكروبية سميكة تسبب عنق زجاجة داخلياً يقيّد الأداء. يتطلب التكبير تصميمات مفاعلات ذكية توفّر مساحات سطحية كبيرة للميكروبات مع إبقاء المسافات قصيرة والتكاليف منخفضة. لأغراض تنظيف البيئة واسترجاع الموارد، قد تكون المفاعلات منخفضة التقنية المحشوة بحبيبات كربونية رخيصة مفضلة على أجهزة المختبر عالية الأداء. أما لإنتاج المواد الكيميائية فستكون هناك حاجة لمفاعلات حيوية محكمة التحكم وربما ميكروبات مهندَسة للوصول إلى معدلات صناعية ونقاء المنتج المطلوب.

لماذا تهم هذه الدوائر الحية

بعبارة بسيطة، تختتم المقالة أن ربط الميكروبات بالأقطاب لم يعد فضولاً علمياً؛ بل يظهر كمنصة مرنة يمكن أن تساعد المجتمع على استخدام تيارات النفايات وثاني أكسيد الكربون بحكمة أكبر. رغم أن عدداً قليلاً فقط من التطبيقات المتخصصة وصل إلى نطاق تجريبي أو تجاري، فإن نطاق الاستخدامات المحتملة واسع، من خفض فاتورة الطاقة لمحطات مياه الصرف إلى استرجاع المعادن، وإزالة النترات الناتجة عن الزراعة من المياه الجوفية، وتحويل فائض الكهرباء المتجددة إلى منتجات ذات قيمة. للانتقال خارج «وادي الموت» الحالي بين النجاح المختبري والتأثير السوقي، سيحتاج الباحثون وصانعو السياسات إلى تحسين التصاميم، والاتفاق على معايير مشتركة، وتقييم الفوائد البيئية التي قد لا تظهر مباشرة في القوائم المالية. إذا تحقق ذلك، قد تصبح الأنظمة الكهروكيميائية الميكروبية بنى تحتية هادئة وغير مرئية تساعد على إغلاق دوائر الطاقة والمياه والمواد.

الاستشهاد: Korth, B., Harnisch, F. Microbial electrochemical technologies can support sustainable energy, waste treatment, and resource recovery. Commun. Sustain. 1, 69 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00073-3

الكلمات المفتاحية: التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية, معالجة مياه الصرف, استرجاع الموارد, التركيب الكهربائي الميكروبي, إصلاح البيئة