تصنيع وقود خال من الكربون

اكتشف باحثون في جامعة واشنطن، طريقة جديدة لتدريب الميكروبات على صنع وقود حيوي سهل الاستخدام. وقام فريق من علماء الأحياء والمهندسين بتعديل ميكروب يسمى «رودوبسودوموناس بالوستريس»، بحيث يمكنه إنتاج وقود حيوي باستخدام ثلاثة مكونات مصادر متجددة وفيرة بشكل طبيعي، وهي ثاني أكسيد الكربون، والكهرباء المولدة من الألواح الشمسية، والضوء.
وكان الوقود الحيوي الناتج (بوتانول – إن) هو بديل أصلي للوقود الكربوني المحايد، ويمكن استخدامه في الخلطات مع الديزل أو البنزين، وتم الإعلان عن النتائج في 3 نوفمبر (تشرين الثاني) 2021 في مجلة «كوميونيكيشنز بيولوجي».
قادت هذه الدراسة أربيتا بوس، الأستاذة المساعدة في علم الأحياء، وشارك في تأليفها أعضاء من مختبرها ومهندسون من كلية مكيلفي للهندسة، في جامعة واشنطن أيضاً.
تقول بوس في تقرير نشره الموقع الإلكتروني لجامعة واشنطن: «طورت الكائنات الدقيقة مجموعة محيرة من التقنيات للحصول على العناصر الغذائية من البيئات المحيطة بها، وربما تكون إحدى أروع تقنيات التغذية هذه تستخدم التركيب الكهربائي الميكروبي (MES). وهنا قمنا بتسخير قوة الميكروبات لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات متعددة الكربون ذات قيمة مضافة في وقود حيوي قابل للاستخدام».
يقول وي باي، الباحث المشارك بالدراسة، وهو أيضاً باحث بشركة أمريس، وهي شركة مصنعة للمكونات المستدامة المصنوعة من البيولوجيا التركيبية: «إن الوقود الذي صنعناه، (بوتانول – إن)، يحتوي على نسبة عالية من الطاقة وميل منخفض للتبخير أو الذوبان في الماء دون احتراق، وهذا أمر جيد عند مقارنته بالإيثانول، وهو وقود حيوي شائع الاستخدام».
والميكروبات التي تتغذى من خلال التركيب الكهربائي الميكروبي تلتصق مباشرة بمهبط سالب الشحنة داخل مفاعل التركيب الكهربائي الميكروبي (MES)، حتى تتمكن من «أكل» الكهرباء. وساعدت الأبحاث السابقة من مختبر «بوس» في إلقاء الضوء على كيفية استخدام الميكروبات مثل «رودوبسودوموناس بالوستريس» للإلكترونات لإصلاح ثاني أكسيد الكربون وأيضاً كيف يمكن استخدامها لإنشاء مواد بلاستيكية حيوية مستدامة.
وتقول بوس إنه بينما يتعلم العلماء المزيد عن هذه الميكروبات، فإن استخداماتها المحتملة واعدة أكثر فأكثر، رغم اعترافها بالحاجة إلى تحسينات قبل أن يتم نشر التقنيات على المستويات الصناعية.
واكتشف باحثون آخرون سابقاً استخدام الميكروبات مثل البكتيريا الزرقاء لإنتاج وقود حيوي مستدام، ومع ذلك فإن هذه الأنواع من الكائنات الحية تنتج الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي، والتي تميل إلى الحد من كفاءتها في تصنيع الوقود الحيوي، حيث إن العديد من الإنزيمات المشاركة في مسارات التخليق الحيوي حساسة للأكسجين.
ولاستكشاف كيف يمكن استغلال «رودوبسودوموناس بالوستريس» لإنتاج الوقود الحيوي، أنشأ باي وبوس شكلاً متحوراً من الميكروب لا يمكنه إصلاح النتروجين، وقدم العلماء بعد ذلك مساراً اصطناعياً لتخليق (بوتانول – إن)، في هذه الطفرة الجديدة.
وكان شكل الميكروب الذي بنوه غير قادر على النمو عندما كان غاز النتروجين هو مصدر النتروجين الوحيد، لذا بدلاً من ذلك، وجه هذا الإصدار من «رودوبسودوموناس بالوستريس» جهوده لإنتاج (بوتانول – إن)، مما أدى إلى زيادة إنتاجه من الوقود الحيوي دون زيادة استهلاك الكهرباء بشكل كبير.
يقول باي: «تمثل هذه الدراسة المحاولة الأولى لإنتاج الوقود الحيوي باستخدام منصة التركيب الكهربائي الميكروبية التي تعمل بألواح شمسية، حيث يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون مباشرة إلى وقود سائل، وأمل أن تكون نقطة انطلاق لإنتاج الوقود الشمسي المستدام في المستقبل».
وتقول بوس «يمكن تحقيق التصنيع على نطاق صناعي للبلاستيك الحيوي والوقود الحيوي باستخدام التركيب الكهربائي الميكروبي باستخدام الكهرباء التي تنتجها الألواح الشمسية، مما يخلق دورة مستدامة بالكامل».
وتضيف «الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي يعترفان بالتركيب الكهربائي الميكروبي باعتباره تقنية أساسية للاستدامة وحلول تغير المناخ، وفي النهاية من خلال استغلال التمثيل الغذائي الميكروبي الذي نشأ في الماضي البعيد، نأمل أن تظهر طرق جديدة للمساعدة في معالجة بعض المشاكل الأكثر إلحاحاً في عصرنا».