بكتيريا الإشريكية القولونية: مصدر طاقة مستقبلي؟

بالنسبة لمعظم الناس، فإن مصطلح "الإشريكية القولونية" مرادف للتسمم الغذائي وإعادة المنتجات الفاسدة إلى المتجر؛ وهناك من يعتقد أنه يمكن استخلاص الهيدروجين منه لإنتاج الطاقة

بالنسبة لمعظم الناس، فإن مصطلح "الإشريكية القولونية" مرادف للتسمم الغذائي وإعادة المنتجات الفاسدة إلى المتجر؛ لكن أستاذًا في جامعة تكساس، قسم الهندسة الكيميائية، يتوقع أن هذه البكتيريا بالذات يمكن استخدامها كمصدر للطاقة في المستقبل، وتوفير الطاقة لتشغيل سياراتنا وتدفئة منازلنا.

ومن خلال التعديل الوراثي للبكتيريا، قام توماس وود، الأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية، بإجبار سلالة معينة من بكتيريا الإشريكية القولونية على إنتاج كمية كبيرة من الهيدروجين. في الواقع، تنتج سلالة البروفيسور وود الهيدروجين بكمية تزيد 140 مرة عن الكمية الأصلية للبكتيريا، وفقًا لمقالة تصف النتائج التي توصل إليها ونشرت في مجلة Microbial Biotechnology.

على الرغم من أن الباحث يدرك حقيقة أنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به قبل أن تتم ترجمة أبحاثه إلى تطبيقات تجارية، إلا أن نجاحه الأولي يمكن أن يكون نقطة انطلاق جدية على الطريق إلى الاقتصاد القائم على الهيدروجين، وهو مجال يهتم به الكثيرون. الإيمان هو الأمل المستقبلي للبشرية. يعد الإمداد المتجدد والنظيف والفعال للهيدروجين عنصرًا رئيسيًا في تكنولوجيا خلايا الوقود، التي لديها القدرة المستقبلية على توفير الطاقة للعديد من المنتجات المتنوعة التي تتراوح من الأجهزة الإلكترونية المحمولة والسيارات إلى محطات توليد الطاقة. اليوم، يتم الحصول على معظم الهيدروجين المنتج للاستخدام العالمي من خلال عملية تفكيك الماء إلى مكوناته - الهيدروجين والأكسجين. ومع ذلك، فإن هذه العملية مكلفة وتتطلب كمية كبيرة من الطاقة، وهو أحد الأسباب الرئيسية لعدم إغراء استخدام هذه التقنية. يمكن لأبحاث البروفيسور وود على الإشريكية القولونية أن تغير ذلك.

على الرغم من أن الجمهور معتاد على سماع سلالة معينة من البكتيريا التي تسبب التسمم الغذائي لدى البشر، إلا أن معظم السلالات شائعة وغير ضارة، بل إن بعضها يساعد مضيفيه عن طريق منع تغلغل البكتيريا الضارة الأخرى في الجهاز الهضمي البشري. وفي الواقع، فإن استخدام هذه البكتيريا في العلوم ليس جديدًا على الإطلاق، فهي تمكن من إنتاج الأنسولين البشري وتطوير اللقاحات المختلفة. ولكن كمصدر محتمل للطاقة؟ هذا مجال جديد وقد اخترقه البروفيسور وود وزملاؤه الباحثون. ومن خلال الإزالة الانتقائية لستة جينات معينة في الحمض النووي لبكتيريا الإشريكية القولونية، تمكن وود من تحويل البكتيريا إلى مصنع صغير لإنتاج الهيدروجين "الذي يغذيه" السكر. ومن الناحية العلمية، تمكن وود من زيادة العملية الطبيعية للبكتيريا بشكل كبير لتحويل الجلوكوز إلى طاقة وإطلاق الهيدروجين في هذه العملية. ويوضح وود أن هذه البكتيريا لديها 5000 جين تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة رغم كل التغيرات البيئية.

"عندما نزيل جزءًا من الحمض النووي، تصبح البكتيريا أقل قدرة على المنافسة. ولم نضيف لهم القدرة التي لم تكن لديهم. لم يكسبوا شيئا، بل خسروا فعلا. البكتيريا التي صنعناها أقل قدرة على المنافسة وأقل ضررًا بسبب الجزء الذي أزيل منها". عندما يكون السكر هو الغذاء الرئيسي، يمكن لهذه السلالة من البكتيريا الاستفادة من العملية الطبيعية الحالية والفعالة لإنتاج السكر من مختلف المحاصيل مثل الحبوب، كما يقول وود. يوضح وود: "يحاول العديد من الباحثين تحويل المحاصيل المختلفة إلى نوع من السكر". "نحن مهتمون باستخدام هذا السكر وتحويله إلى هيدروجين. نحن نعتزم أخذ السكر من مختلف المحاصيل والمركبات الاصطناعية الشبيهة بالسكر واستخدام البكتيريا لتحويلها إلى هيدروجين".

ومن المحتمل أن تؤدي الطرق البيولوجية مثل هذه (إنتاج الهيدروجين عن طريق الإشريكية القولونية من خلال عملية التخمير) إلى توفير اقتصادي في إنتاج الطاقة لأنها لا تتطلب كهرباء أو تدفئة متعددة"، كما يقول وود. يوضح الباحث: "أحد العناصر الأكثر تعقيدًا في الهندسة الكيميائية هو كيفية الحصول على منتجك". "في هذه الحالة، تكون العملية بسيطة للغاية نظرًا لأن الهيدروجين عبارة عن غاز يخرج من المحلول ببساطة. كل ما عليك فعله هو جمع الغاز الخارج من أنبوب الاختبار وهذا كل شيء - لديك هيدروجين نظيف جاهز للاستخدام." وبطبيعة الحال، فإن العملية لها مزايا أخرى. وكما هو متوقع، فإن تكلفة بناء خط أنابيب جديد تماماً لنقل الهيدروجين يشكل عائقاً أمام استخدام تقنيات خلايا الوقود المعتمدة على الهيدروجين. وبالإضافة إلى ذلك، هناك خطر متزايد على السلامة في نقل الهيدروجين، وهو غاز قابل للاشتعال. ويوضح وود أن الحل هو إنتاج الهيدروجين في مكانه. يوضح الباحث: "السكر يمكن أن ينتقل وإذا انسكب لا تحدث كارثة".

"فكرتنا هي أنه يمكنك الحصول على الهيدروجين بالضبط حيث تحتاج إليه." وبطبيعة الحال، كل هذه التفاصيل لبقية الطريق. في الوقت الحالي، لا يزال وود مشغولاً في المختبر نفسه بتحديث العملية التي تتسم بقدر كبير من الكفاءة. ويقول إن الهدف هو الحصول على أكبر قدر ممكن من أقل قدر ممكن. يقول وود: "خذ منزلك، على سبيل المثال". "حجم المفاعل الذي سنحتاجه لتنفيذ التكنولوجيا المذكورة أعلاه سيكون أصغر من حجم خزان وقود سعة 1000 لتر، الموجود في منزل نموذجي على الساحل الشرقي للولايات المتحدة الأمريكية. وهذه ليست نهاية القصة، ولكن إذا طبقنا هذه التكنولوجيا اليوم، فسنتمكن من تحويل كمية حوالي 80 كجم من السكر يوميًا لإنتاج كمية من الهيدروجين ستكون كافية لاحتياجات الطاقة النموذجية. الإقامة الأمريكية لمدة يوم كامل. "نحن نحاول إنتاج بكتيريا لن تحتاج إلى 80 كيلوجرامًا من السكر، بل أقرب إلى 8 كيلوجرامات."