بكتيريا تحوّل ثاني أوكسيد الكربون إلى بوليستر وبلاستيك حيوي

طوّر فريق من مهندسي الكيمياء والجزيئات الحيوية في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) طريقة لتحويل ثاني أوكسيد الكربون الجوي إلى بوليستر حيوي بوجود أحد أنواع البكتيريا، وبالتالي تعالج مشكلتين بيئيتين في وقتٍ واحد، وذلك بحسب دراستهم المنشورة في دورية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).

البكتيريا وتصنيع البلاستيك والبوليستر

يرى الباحثون بريق أمل في البكتيريا التي تتغذى على البلاستيك لتخليص الكوكب من نفاياته. وفي الوقت ذاته، لا يمكننا التخلي عن البلاستيك، بل يسعى الباحثون لإيجاد طريقة لصنع بلاستيك حيوي قابل للتحلل، دون الاعتماد على النفط الخام ومشتقاته، وبالتالي تقليل الحاجة إلى حرق الوقود الأحفوري، وقد وجدوا الحل عند البكتيريا أيضاً.

يحاول الباحثون الاستفادة من المستويات المتزايدة من ثاني أوكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض لصنع البلاستيك، وذلك عبر التقاط ثاني أوكسيد الكربون من الهواء وصنع شيء منه بتقنية التحليل الكهربائي، لكن هذه الطريقة غالباً ما تنتج مركبات قصيرة السلسلة تتكون من ذرة كربون واحدة إلى ثلاث ذرات كربون، أما تصنيع سلاسل طويلة من المركبات الكربونية فهو مهمة أكثر صعوبة.

 لجعل هذه المهمة أسهل، طوّر فريق من المهندسين الكيميائيين في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) نظاماً لتحويل ثاني أوكسيد الكربون إلى نوع شائع من البلاستيك الحيوي بمساعدة نوع بكتيري يسمى كوبريافيدوس نيكتور (Cupriavidus necator). 

يشتهر هذا النوع من البكتيريا بقدرته على تصنيع مركب كربوني يسمى بولي 3 هيدروكسي بوتيرات (poly-3-hydroxybutyrate أو PHB)، وهو نوع من البوليستر الحيوي القابل للتحلل. ولكن لا يمكن إجراء العملية إلا على دفعات بسبب الحاجة إلى الكهرباء لبدء العملية، كما تتراكم المنتجات الثانوية السامة وتقتل البكتيريا. تغلب المهندسون الكيميائيون الكوريون اليوم على هذه المشكلة.

اقرأ أيضاً: اكتشاف فطريات تفكك البلاستيك الذي لا يعاد تدويره خلال أشهر

آلية تحويل الكربون إلى بوليستر بوجود البكتيريا 

في البداية، يحوّل المحلل الكهربائي غاز ثاني أوكسيد الكربون إلى فورمات، تُدخل في خزان التخمير، حيث تعمل البكتيريا على هضم الفورمات بتفاعل التحليل الكهربائي، وتشكيل حبيبات البوليستر PHB.

يحدث تفاعل التحليل الكهربائي في حجرة منفصلة عن خزان التخمير، ويفصل بينهما غشاء اصطناعي يعزل البكتيريا عن المنتجات الثانوية للتفاعل أثناء دوران المحلول بين الحجرتين. بهذه الطريقة تُعِد التفاعلات الكيميائية ثاني أوكسيد الكربون للتخمير، بينما يحتفظ الجانب الآخر بمكونات أخرى ضرورية. يسمح الغشاء للمكونات بالتدفق ببطء إلى الجانب الذي توجد فيه البكتيريا لتنتج بدورها البوليستر.

يمثّل إنتاج البوليستر نسبة 83% من وزن الخلية البكتيرية الجافة بعد 120 ساعة أو 5 أيام من التشغيل، وهذه النسبة أكبر بـ 20 مرة من الأنظمة المماثلة التي تم اختبارها سابقاً.

اقرأ أيضاً: تطوير إنزيم يفكك البلاستيك خلال أسبوع بالاعتماد على تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي

يستمر النظام في إنتاج البوليستر دون توقف إذا تم تجديد الخلايا البكتيرية كل يوم وإزالة المنتج البلاستيكي للحفاظ على استمرار التفاعلات، وهذا ما سيسهم في تطبيق هذا النهج على المستوى الصناعي.

لكن الباحثين يقولون إن نظامهم المتكامل عبارة عن تحسين على المفاعلات الدفاعية السابقة أو غيرها من التركيبات التي لا يمكنها تشغيل سوى مرحلة واحدة من التفاعل في كل مرة، وتتطلب خطوات فصل وتنقية إضافية.

على الرغم من ذلك، ما زال هذا النهج يحتاج إلى تطوير وزيادة كمية البوليمر المُنتجة عن طريق إجراء تعديلات جينية. تنتج الآن البكتيريا 1.45 غرام من البوليستر خلال 18 يوماً.

تعد هذه الطريقة مثالية للحفاظ على البيئة؛ فهي تخلصنا من نسبة لا بأس بها من ثاني أكسيد الكربون الجوي، وتُنتج البلاستيك الحيوي القابل للتحلل، كما يمكن الحصول على الكهرباء اللازمة لتشغيل التفاعل من المصادر المتجددة.

اقرأ أيضاً: كيميائيون ينجحون في تحويل خليط من البلاستيك إلى غاز البروبان

يرى الباحثون أن هذا النهج قابل للتطوير ويمكن أن يساعد على تغيير طريقة تصنيع البلاستيك، بالإضافة إلى إنتاج مواد كيميائية مختلفة.