גידול של Chlorococcum sp. נורדי בנוזל שיורי מעיכול אנאירובי: השפעות ריכוז CO2 ותצורת התגובה

הפיכת שפכים למשאב

במקומות שבהם הערים מתרחבות אנחנו משליכים כמויות אדירות של מי זבל שעדיין מכילים חומרים מזינים ופחמן שניתן לנצל. במקום לראות במים אלה בעיה, מדענים חוקרים כיצד אצות ירוקות זעירות יכולות להפוך אותם למקור של מים נקיים, תוצרים שימושיים ואפילו לסייע במאבק בשינויי האקלים. מחקר זה בוחן מיקרואצה נורדית חסונה ושואל שאלה מעשית: באילו תנאים היא מסוגלת ביותר לטהר שפכים, לקבע פחמן דו-חמצני ולהפיק ביומסה בעלת ערך?

מחומר בעירה של ביוב למזון לאצות

מתקני טיהור מודרניים משתמשים לעתים קרובות בעיכול אנאירובי — תהליך שבו מיקרובים מפרקים את הבוצה ומפיקים גז ביוגז. מה שנשאר הוא נוזל עשיר בחנקן וזרחן. אם ישוחרר ללא טיפול, חומרים מזינים אלה עלולים לעורר פריחות אצות מזיקות באגמים ובימים. החוקרים השתמשו בנוזל השיורי הזה כמדיום גידול לזן נורדי של המיקרואצה הירוקה Chlorococcum. כיוון שהאצות גדלות באמצעות פוטוסינתזה, סיפקו להן גם פחמן דו-חמצני (CO2), בדמות זרמי גזים שיכולים להימצא בעשן תעשייתי. באמצעות התאמת רמת ה‑CO2 וסוג הכלי הגידולי, הם בחנו כמה היטב האצות מסוגלות לגדול, להסיר חומרים מזינים ולהמיר פחמן לביומסה.

מציאת נקודת האיזון לפחמן הדו‑חמצני

הקבוצה התמקדה תחילה באוויר שהאצות ‘‘נושמות’’. הם השוו ארבע רמות CO2: אוויר רגיל (ריכוז CO2 נמוך מאוד) ואוויר מועשר עד 3, 6 או 9 אחוז CO2. מעט מדי CO2 הרעיב את האצות ושמר על ה‑pH גבוה באופן לא נוח, מה שהוביל לצמיחה נמוכה. יותר מדי CO2 הוריד את ה‑pH מדי וגם עיכב את התא. נקודת האיזון התבררה כ‑6 אחוז CO2, שהניבה כמעט פי חמש ביומסה לעומת אוויר רגיל ואת קצב לכידת ה‑CO2 הגבוה ביותר לליטר תרבית. עם זאת, אצות שגודלו באוויר פשוט הסירו יותר אמוניום וזרחן מהמים, בחלקן כי תהליכים כימיים במים הבסיסיים הפליטו חלק מהחנקון כגז, באופן בלתי תלוי בפעילות הביולוגית.

עיצוב ה"בית" הנכון לאצות

בהמשך, החוקרים בחנו כיצד העיצוב הפיזי של הביוריאקטור — ה"בית" של האצות — משפיע על הביצועים. באמצעות ריכוז CO2 אופטימלי של 6 אחוז, הם השוו בין עמוד בועות פשוט, ריאקטור איירליפ (airlift) עם צינור פנימי המקדם סירקולציה, ועמוד בועות המכיל נשאים פלסטיים צפים המספקים משטחים לעיגון האצות. כל שלושת העיצובים שמרו על pH נייטרלי ונוח. ריאקטור האיירליפ ייצר את המספר הגבוה ביותר של תאים בזמן הקצר ביותר, מה שהופך אותו לאטרקטיבי כאשר נדרשת צמיחה מהירה. עם זאת, עמוד הבועות הפשוט הגיע בסופו של דבר לביומסה הסופית הגבוהה ביותר והסיר את מירב האמוניום והזרחן, אם כי זה לקח קצת זמן נוסף. הגרסה עם הנשאים שיפרה במעט את ניצול ה‑CO2 אך לא סיפקה יתרון ברור בצמיחה או בהסרת מזון ע"פ הזן האקאלי הזה של אצות.

אצות כפלטפורמה לדלקים עתידיים

מעבר לטיהור מים וללכידת CO2, מיקרואצות מעניינות גם בשל רכיביהן השומניים שניתן להמיר לדיזל ביולוגי. החוקרים מדדו חלבונים, פוליסכרידים וסוגים שונים של שומנים בביומסה האצית. כמויות החלבון והסוכר נשארו די קבועות בין רמות ה‑CO2 וסוגי הביורים, מה שמעיד על יציבות מטבולית של הזן. לעומת זאת, שיעור השומן הגיב בחוזקה לריכוז CO2. בתנאי CO2 נמוך האצות ייצרו יחסית מעט שומן והעדיפו מולקולות רב־בלתי רוויות הקשורות לממברנות התא. בריכוזי CO2 גבוהים יותר הן צברו הרבה יותר שומן והלכו לכיוון מולקולות חד־בלתי רוויות המתאימות יותר לדיזל ביולוגי, עם פרופילים הקרובים לסטנדרטים הנוכחיים של דלק. חשוב מזה, שינוי בעיצוב הביוראקטור לא שינה את המבנה הביוכימי הזה, כלומר ניתן לבחור ריאקטורים על בסיס עלות וביצועים מבלי לפגוע באיכות המוצר.

מה משמעות זה לטיהור מים וליעדי האקלים

לקורא שאינו מומחה, המחקר מראה שזהו شأن שהאצה נורדית חסונה יכולה להפוך זרם פסולת בעייתי ממתקן טיהור ביוב למים נקיים יותר, פחמן מוחזק ולפוטנציאל דלקים ביולוגיים שימושיים. העבודה מזהה חלון תפעולי מעשי: העשרת CO2 מתונה בסביבות 6 אחוז בשילוב עם ריאקטורי איירליפ במהירות גבוהה או עמודי בועות ליכולת ניקוי מעמיקה יותר — בהתאם לשאלה האם עדיפות מהירות או הסרת חומרים מזינים. למרות שישנם אתגרים כמו עלויות קצירה והנדסה בהיקף גדול, התוצאות מרמזות שמערכות מבוססות מיקרואצות יכולות לסייע לערים לעמוד בתנאי ניקיון המים, להפחית זיהום חומרים מזינים ולתמוך ביעדי אקלים ואנרגיה על ידי שילוב טיפול פסולת עם ייצור ביומסה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: טיפול בשפכים באמצעות מיקרואצה, לכידת פחמן דו-חמצני, נוזל שיורי מעיכול אנאירובי, פוטנציאל דלק ביולוגי מאצות, עיצוב פוטוביוריאקטור