يمكن للوقود المعاد تدويره أن يقلل من تلوث الهواء، ويوفر التكاليف ويساعد في حماية البيئة. هل سنتمكن في المستقبل من تحويل نفايات الورق إلى وقود صديق للبيئة؟ تقدم دراسة إسرائيلية جديدة طريقة مبتكرة للقيام بذلك
بواسطة: جاليا ارييل
إحدى العوائق أمام إنتاج الوقود الحيوي من العديد من المواد العضوية، مثل النفايات الزراعية، هي السليلوز (السليلوز) الذي تحتوي عليه. يوجد السليلوز في لحاء العديد من النباتات ولا يتحلل بسهولة. فالإنسان، على سبيل المثال، غير قادر على هضم السليلوز، وهو بوليمر من الجلوكوز أحادي السكاريد، والذي قد يوفر الكثير من الطاقة المفيدة.
يدرس البروفيسور إد باير، من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم، البكتيريا التي تحلل سلسلة السليلوز إلى وحدات سكريات أحادية تغذيها. في ثمانينيات القرن الماضي، وبالتعاون مع البروفيسور رافائيل ليميد من جامعة تل أبيب، اكتشف البروفيسور باير "الآلة" التي تسمح للبكتيريا بتكسير السليلوز، ومبادئ عملها. "تتكون هذه الآلة، التي تسمى السليلوز، من مجموعة من الإنزيمات التي تعمل كنظام، وبهذه الطريقة تمكنوا من التغلب على السليلوز وتقسيمه إلى مكوناته، وهي مهمة لا تستطيع الكائنات الأكبر حجمًا من البكتيريا القيام بها أداء "، كما يقول.
يشكل السليلوز حوالي نصف المواد الموجودة في مواقع النفايات، والجزء الأكبر من هذه النفايات عبارة عن ورق يتراكم ويتراكم سنة بعد سنة. لسوء الحظ، فإن البكتيريا المجهزة بالسليلوز التي تسمح لها بهضم (تحلل) السليلوز الطبيعي، تجد صعوبة في التعامل مع السليلوز الموجود في الورق الصناعي. ولتمكينهم من أداء هذه المهمة، بدأ البروفيسور باير في البحث عن طرق لتحسين السليلوزومات الموجودة في البكتيريا. وبالتعاون مع البروفيسور ليمد، استخدم أساليب الهندسة الوراثية لإنشاء مئات الإصدارات المختلفة من السليلوزومات، على أمل أن تتميز إحداها بالقدرة على تفكيك السليلوز في الورق بكفاءة كافية.
في هذه المرحلة انضم إليهم البروفيسور جدعون شرايبر، الخبير في تصميم البروتين ومطابقة نشاطهم، من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم. وبالعمل معًا، نجح العلماء في تطوير السليلوز الاصطناعي ذو النشاط المتزايد، القادر على تحويل طبق مختبري مليء بالورق الممزق إلى سائل من جزيئات السكر البسيطة خلال يوم واحد.
>> مجلة جاليليو هدية! انقر هنا للحصول على الفائدة
من النفايات إلى الوقود؟
يمكن تحويل السكريات البسيطة التي يتم إنشاؤها في هذه العملية إلى إيثانول - وقود حيوي. وفي هذه الأيام، يحاول العلماء زيادة كفاءة هذه العملية، بحيث يمكن تشغيلها على نطاق صناعي. وقد يؤدي النجاح في هذا المجال مستقبلا إلى تطوير عملية تحويل النفايات الورقية التي تشكل خطرا بيئيا إلى وقود فعال وصديق للبيئة.
هناك اتجاه آخر لأبحاث البروفيسور باير وهو اختبار قدرة السليلوز على تحطيم البوليمرات، ولكن تلك التي تنشأ مباشرة من النباتات. ويمكن تحويل الكتلة الحيوية للنباتات إلى وقود نظيف وصديق للبيئة، ولكن هذا التحويل لم يتم تنفيذه بعد على نطاق واسع، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تكلفته العالية. وتبين أن تحويل الكتلة الحيوية إلى المستوى الذري قد يجعلها أكثر كفاءة - وهذا وفقا لدراسة أجرتها شركة باير بالتعاون مع علماء من المختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة.
وأكدت الدراسة، التي نشرت في مجلة ساينس العلمية، النظرية القائلة بأن أحد أكبر العوائق أمام تحويل الكتلة الحيوية هو اللجنين، وهو البوليمر الصلب الذي يقوي النباتات. يبدأ التحويل عادةً بالمعالجة المسبقة، حيث يتم سحق اللجنين ميكانيكيًا أو تدميره باستخدام المواد الكيميائية. في هذه الدراسة، طور العلماء طريقة مبتكرة مكنت لأول مرة من مراقبة تدمير اللجنين بدقة الجزيئات والذرات الفردية، باستخدام مجهر ليزر متقدم. وأظهرت الصور أن اللجنين يتداخل مع الإنزيمات لتحطيم جزيئات السكر المعقدة الموجودة في جدران الخلايا النباتية. بفضل هذا الاكتشاف، حدد العلماء المعالجة المسبقة المثالية: إزالة اللجنين دون الإضرار بالسكريات (التي يتم تحويلها لاحقًا إلى إيثانول).
وفي وقت لاحق، قارن العلماء قدرة الطريقتين على تحطيم السكريات. اعتمدت إحدى الطرق على الإنزيمات الفردية المستخرجة من الفطر، وفي طريقة أخرى تم التحلل بواسطة السليلوز. واكتشف العلماء أن الإنزيمات الفردية توغلت بشكل أعمق في الخلايا النباتية، بينما يعمل السليلوز بشكل رئيسي على سطحها. إن فهم الآليات المستخدمة في تحطيم الكتلة الحيوية السليلوزية قد يساعد في تصميم أنظمة إنزيمية تعمل على تحطيم جدران الخلايا النباتية بشكل أكثر كفاءة.
في هذا البحث تعاون البروفيسور باير مع علماء من المختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة، ومن بينهم الدكتور شي يو دينغ الذي أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في مختبر باير في معهد وايزمان للعلوم في أواخر التسعينات من القرن الماضي. قرن. قام الدكتور دينغ والدكتور يو سان لي بتطوير طرق لتصور تأثيرات المواد الكيميائية المختلفة على جدار الخلية النباتية، في نطاقات دقة مختلفة في ستة أوامر من حيث الحجم (أكبرها أكبر بمليون مرة من أصغرها): من ملليمتر إلى نانومتر (مليون من المليمتر). أما أعضاء المجموعة الآخرون في الولايات المتحدة فهم الدكتور مايكل هيمل، والدكتور يونينغ تسنغ، والدكتور جون بيكر. قد تساعد نتائج البحث الباحثين على تطوير معالجة مسبقة مثالية للكتلة الحيوية وتحسين نشاط الإنزيمات التي تحطمها. ستعمل هذه التحسينات على زيادة إنتاج الإيثانول وتقليل تكلفة إنتاج الوقود الحيوي.
المزيد عن غاليليو:
* بحث: كيف يمكن للألياف الغذائية أن تمنع السكتة الدماغية؟
* شاهد: وحش بحري بثلاثة قلوب وعين قطرها 30 سم
* قام الباحثون بتطوير شريحة للكشف عن سرطان الثدي
تعليقات 6
مجلة غاليليو، والتي أغلقت للأسف.
صباح الخير، أعجبني المقال، لكني لم أفهم من هو جاليليو
فتحة الفم
الحقيقة هي أن مزارع الرياح تنتج الطاقة أيضًا 🙂
ماشال، لماذا أنتِ متورطة في تعليقات لا أساس لها وغير منطقية؟ أنت تحارب طواحين الهواء.
ماذا قال فريق البيتلز؟
فليكن…
مدهش!
لم يكتب أحد أنه صباح الغد ولكن لماذا لا نهاجم عندما يكون ذلك ممكنا.
كما لم يعلم أحد ميكي أنه لا يوجد شيء أكثر عملية من النظرية الجيدة (ومن المثير للاهتمام كيف خلص ميكي إلى أنها كانت "مجرد" نظرية إذا لم يقل ذلك أحد).
لم يعلم أحد أيضًا ميكي عن التكلفة الحقيقية لإنتاج الوقود من تكسر الورق، لكن لماذا لا يكتب أن ذلك يزيد مائة مرة عن شراء الوقود؟ إنه رقم مستدير جميل، فلماذا لا تغامر به؟
كما لم يعلم أحد ميكي أنه عندما ينفد الوقود الأحفوري فإنه سوف يكون قادراً على دفع ما يريد ولن يتمكن من الحصول على مثل هذا الوقود (وهذا يعني، من بين أمور أخرى، أن الوقود الأحفوري لا يتم تسعيره بشكل صحيح).
وينسى ميكي بالطبع أن الورقة لا تُقدم كحل منفرد، بل كواحد من حلول عديدة.
ولكن لماذا تأخذ الأمر على محمل الجد عندما يمكنك التشهير؟!
لا عالم ولا عالم - مجرد رجل القمامة.
مدهش. الوقود من الورق. بالتاكيد. غدا صباحا؟ أوه، لا، لقد نسينا أن نقول إنها مجرد نظرية. ونسينا أن نقول إن التفكيك في هذه الأثناء أغلى 100 مرة من شراء الوقود. ونسينا أن نقول إن كمية الوقود المحروق في المركبات أكبر من كمية الورق المنتجة.
لم أكن أعرف ليس عالما