تطوير العمليات الحيوية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية ذات قيمة مضافة

ويعاد الآن تصور ثاني أكسيد الكربون، الذي كان يعتبر مجرد ناتج نفايات للحضارة الصناعية، باعتباره وسيطا قيما، وقد أدى التحدي الذي يواجهه تغير المناخ إلى حفز البحوث المكثفة على تكنولوجيات يمكن أن تلتقط ثاني أكسيد الكربون وتحوّله إلى مواد كيميائية ووقودية ومواد مفيدة، ومن بين أكثر النهج واعدة، المواد الحيوية التي تؤثر على قدرة الكائنات الحية أو انزيماتها على تحويل هذا الاقتصاد الدافئ إلى منتجات قابلة للتسويق.

إن تطوير هذه العمليات الحيوية يتطلب فهما عميقا للفيزيولوجيا المجهرية، والهندسة الأيضية، والتفسير الأمثل للعمليات، خلافا للحافز الكيميائي التقليدي الذي يتطلب في كثير من الأحيان درجات حرارة عالية وضغوط عالية، يمكن للنظم البيولوجية أن تعمل في ظروف معتدلة، مما يوفر مزايا محتملة في كفاءة الطاقة وانتقائية، والهدف هو إنشاء عمليات صناعية تكون مجدية اقتصاديا ومفيدة بيئيا، مما يحول مشكلة عالمية إلى فرصة للابتكار.

تحدي الكربون: لماذا تحويل ثاني أكسيد الكربون أمر حاسم

وقد ارتفعت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي زيادة كبيرة منذ الثورة الصناعية، مما أدى إلى ارتفاع درجة الحرارة العالمية وتعطيل النظم الإيكولوجية، وفي حين أن خفض الانبعاثات لا يزال يمثل الأولوية، فإن الواقع هو أن قطاعات صناعية كثيرة - مثل الأسمنت والفولاذ والصناعات الكيميائية - سوف تستمر في إنتاج ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي متأصل، ولذلك فإن صيد الكربون واستخدامه وتخزينه أمر أساسي، ومن بين مسارات الاستخدام، فإن التحول البيولوجي يوفر ميزة فريدة:

ويتوخى مفهوم اقتصاد الكربون الدائري أن يكون ثاني أكسيد الكربون مصدراً متجدداً للكربون، فبدلاً من استخراج الكربون الأحفوري من الأرض، نعيد تدوير الكربون الموجود بالفعل في الغلاف الجوي، وهذا يتوافق مع مبادئ الإيكولوجيا الصناعية، حيث تصبح النفايات من عملية ما مادة وسيطة بالنسبة لعملية أخرى، وتتناسب المنتجات الأحيائية مع هذا الإطار، لأنها يمكن أن تستخدم ثاني أكسيد الكربون كمصدر الكربون الوحيد لبناء مركبات عضوية، مما يؤدي إلى إعادة إحياء أهداف الانبعاثات الحيوية.

الطرق البيولوجية لتثبيت ثاني أكسيد الكربون

وقد تطورت الطبيعة عدة مسارات لإصلاح الكربون غير العضوي في جزيئات عضوية، وأكثرها شهرة هي دورة كالفين - بنسون - بسام التي تستخدمها النباتات والطحالب والسيانوبكتريا، غير أن مختلف الكائنات المجهرية تستخدم طرقاً بديلة مثل دورة حمض ثلاثي التركيب، ومسار وود - ليونغدال، ومنتجات مختارة من ثلاث هيدروك.

الزئبق المتناهي الصغر باستخدام البكتيريا الهيدروجينية - المفككة

() إن إحدى أكثر المجموعات دراسة لتحويل ثاني أكسيد الكربون هي البكتيريا التي تُستخدم في إنتاج المواد الهيدروجينية، والتي تُعرف أيضاً باسم " البكتيريا " (Knallgas) وهي تستخدم الهيدروجين كمصدر للطاقة وثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون، وتنمو تلقائياً.

وقد أتاحت التطورات الأخيرة في البيولوجيا التركيبية للباحثين تحقيق التدفق الأيضي إلى منتجات محددة، مثلاً عن طريق طرق متنافسة وتجاوز الانزيمات الرئيسية، زاد العلماء من إنتاج الإيزوبروبانول من ثاني أكسيد الكربون في C. necator.

نظم سلسلة الكوابيس الانزيمية

وفي حين أن العمليات البيولوجية التي تتم بكاملها تتيح إمكانية الارتداد الذاتي والقوة، فإن النظم الانزيمية توفر معدلات عالية التحديد وسرعة للرد دون تكاليف صيانة الخلايا الحية، وقد صمم الباحثون مسارات إنزيمية اصطناعية تحول ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات متعددة الكربون، ومن الأمثلة البارزة على ذلك استحداث دورة لتحديد الكربون التركيبية أسرع من دورة التليفين، بل إن الجمع بين الانزيمات من الكائنات الحية المختلفة.

وتحتاج هذه النظم في نظم الطاقة إلى تجديد دقيق للمفاعلين، حيث تستخدم عادةً مادة الاد (P)H أو ATP كعملات للطاقة، وتشمل عمليات الانجاز الأخيرة استخدام المحللين الضوئيين أو الخلايا الكهروكيميائية لإعادة تصنيع المكوِّنات، وتقريب التفاعل الانزيمي مع مصادر الطاقة المتجددة، وفي حين أن أسعار ثاني أكسيد الكربون لا تزال على نطاق المختبرات توفر نهجاً نمطياً:

Algal and Cyanobacterial Bioreactors

وتستعمل الكائنات الدقيقة الاصطناعية مثل الطحالب والسيانوبتوريا ضوء الشمس مباشرة لإصلاح ثاني أكسيد الكربون، مما يزيل الحاجة إلى ناقل طاقة خارجي مثل الهيدروجين، ويمكن لهذه الكائنات أن تتراكم مستويات عالية من الشحوم، أو زراعة الكربوهيدرات، أو الخنازير، التي يمكن استخراجها من أجل أحواض الوقود الأحيائي، أو المواد الغذائية التكميلية، أو المواد الكيميائية الرخيصة.

(أ) تطورت هندسة الوراثة للسيانوبكتيريا بشكل ملحوظ، مما مكّن إنتاج مركبات مثل 2,3-بوتانديل، وإيسوبترالدهايد، والليمون مباشرة من ثاني أكسيد الكربون والضوء، غير أن تحقيق مستويات عالية من المد والمحاصيل أمر صعب لأن كفاءة التصوير الاصطناعية محدودة بسبب التشبع الخفيف ومتطلبات الطاقة في دورة كالفين.

التحديات التي تواجه التسويق

أما الانتقال من التجارب على نطاق ضيق إلى الواقع الصناعي، فيشمل التغلب على الحواجز التقنية والاقتصادية الكبيرة، وتشمل التحديات الأكثر إلحاحاً انخفاض كفاءة التحويل وارتفاع تكاليف الإنتاج، وقضايا توسيع العمليات، والمقياس الرئيسي هو إنتاجية المنتجات الأحيائية، التي كثيراً ما تقاس بغرامات المنتج لكل لتر في الساعة، وبالنسبة لمعظم نظم تحويل ثاني أكسيد الكربون البيولوجية، فإن هذه القيمة لا تزال أوامر بحجم أقل من عملية التصميم الكيميائي التقليدي.

وثمة عقبة رئيسية أخرى تتمثل في تكلفة احتجاز الكربون وتنقيته، إذ إن الغاز المفلور من المصادر الصناعية يحتوي عادة على 10 إلى 25 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، إلى جانب وجود سمات مثل أكسيد النيتروجين وأكسيد الكبريت، التي يمكن أن تكون سمية للميكروبات، كما أن إنتاج الغازات السائلة التي تزيل هذه المضافات من المواد السائلة، وكذلك النقل الجماعي لمركبات الكربون الفرعية (C2، H2، O2).

كما أن الاستقرار الطويل الأجل للنظام البيولوجي هو مصدر قلق، ففي ظل استمرار التشغيل، يمكن أن يتطور السكان المجهريون أو يفقدون الإنتاجية أو يصبحون ملوثين، وتشمل الاستراتيجيات التي تعالج ذلك استخدام الكائنات الحية ذات الأثر الحراري التي تعمل في درجات حرارة عالية (تخفيض مخاطر التلوث)، وتنفيذ دوائر وراثية قوية للمراقبة الأيضية، وتطوير تصميمات للمفاعلات الأحيائية العقيمة، وبالتالي فإن القدرة على البقاء اقتصاديا تتوقف في نهاية المطاف على قيمة المنتج.

الابتكارات وجبهة البحوث

ويتقدم هذا المجال بسرعة، مدفوعا بأدوات من علم الأحياء الاصطناعية والتعلم الآلي وعلم المواد، ومن بين الحدود المثيرة هندسة مسارات لتثبيت الكربون الاصطناعي التي تتجاوز كفاءة الطبيعة، وعلى سبيل المثال، فإن دورة التكييف (CETCH) (Ccrotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA) قد صُمّمت من الخد باستخدام الأنزيمات من تسع الكائنات الحية الأخرى)

ويطبق التعلم من الآلات في التنبؤ بأنشطة الانزيمات والاختناقات الأيضية، والتعجيل بدورة التعلم من تصميمات البناء، كما أن قواعد البيانات مثل KEGG وMtaCyc، مقترنة بالنماذج الأيضية الجيني، تتيح للباحثين محاكاة توزيعات التدفق وتحديد أهداف الارتداد التي توجه الكربون نحو المنتجات المرغوبة، بالإضافة إلى أن التطور الموجه وتقنيات الفحص العالي التحلل للصوت يؤدي إلى تحسين الأداء

وثمة مجال آخر للابتكار هو إدماج التجهيزات الأحيائية بالنظم الكهروكيميائية، حيث تستخدم عمليات الكهرباء الكهربائية الكهربية الميكانيكية لتوفير خفض مكافئات مباشرة لل الكائنات المجهرية، مما يتخطى الحاجة إلى غاز الهيدروجين، فعلى سبيل المثال، يمكن لبعض البكتريا أن تقبل الإلكترونات من الكمائن لخفض ثاني أكسيد الكربون إلى مركب أو مركبات أخرى.

الأثر الاقتصادي والبيئي

ومن الضروري إجراء تقييم شامل لدورة الحياة للتأكد من أن التجهيزات الأحيائية لتحويل ثاني أكسيد الكربون تقل بصورة حقيقية انبعاثات غازات الدفيئة، وتتوقف الفوائد البيئية الصافية على مصدر الطاقة، وكفاءة احتجاز الكربون، ومصير المنتجات، وإذا استخدمت هذه العملية الكهرباء المستمدة من الأحفور أو الهيدروجين، فإن رصيد ثاني أكسيد الكربون الإجمالي يمكن أن يكون أقل فائدة، ولكن هذه المنتجات التي تُزيل بواسطة الطاقة المتجددة، يمكن أن تحقق انبعاثات الكربون السلبية(2).

والإمكانات الاقتصادية للمواد الكيميائية التي تستخدمها ثاني أكسيد الكربون كبيرة، إذ أن أسواق هذه المنتجات تشمل المواد الكيميائية السائبة (مثل الميثانول والإيثانول وحامض الأورام)، والبوليمرات (مثلاً، البوليكربونات، والمركبات المتخصصة (مثلاً، الحمض الصناعى، وحامض التكتيك)، ومن المتوقع أن تصل سوق استخدام الكربون العالمية إلى بلايين الدولارات التي تشمل أهدافاً تتعلق بالاستدامة في مجال السياسات العامة لعام 2030.

غير أن المنافسة مع المواد الوسيطة المنخفضة التكلفة المستمدة من الأحفوريات لا تزال متأصلة، إذ إن العمليات الأحيائية لكي تنجح اقتصادياً، يجب أن تحقق إما كفاءة تحويل عالية جداً أو أسواقاً مستهدفة يكون فيها المستهلكون مستعدين لدفع علاوة لمنتجات " ثاني أكسيد الكربون " ، كما أن التقدم الأخير في تكثيف العمليات، مثل التخصيب المستمر واسترداد المنتجات في الموقع، يساعد على تخفيض رأس المال وتكاليف التشغيل.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وقد انتقلت عدة شركات ومؤسسات بحثية إلى خارج المختبر لإظهار عمليات تجريبية بل تجارية. LanzaTech) هو قائد بارز في تخصيب الغازات، باستخدام ميكروبات ملكية لتحويل الغازات الصناعية غير الغازية (بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون) إلى إيثانول، وهو ما يستخدم في إنتاج مركبات ثلاثية العجلات وأجهزة متعددة الأطراف.

In the research domain, the Center for Synthetic Biochemistry) at the Shenzhen Institute of Synthetic Biology demonstrated the artificial synthesis of starch from CO2 in 2021, a landmark achievement. Although the process is not yet scalable, it proves that complex biopolymers can be made without traditional agriculture,

ومن التطبيقات الناشئة الأخرى إنتاج بروتين وحيد الخلايا لتغذية الحيوانات أو تغذية البشر، كما يمكن للشركات أن تعالج مثل والأغذية الشمسية ] استخدام البكتيريا المسببة للهيدروجين لإنتاج الكتلة الحيوية الغنية بالبروتين من ثاني أكسيد الكربون والكهرباء، التي تصنف على أنها " Solein " ، وهذا المنتج له آثار بيئية أقل بكثير من المصادر التقليدية للبروتين.

التوقعات المستقبلية: التكامل ودعم السياسات

فمستقبل العمليات البيولوجية لتحويل ثاني أكسيد الكربون يكمن في التكامل - مع نظم احتجاز الكربون، والهياكل الأساسية للطاقة المتجددة، والنباتات الكيميائية القائمة - على سبيل المثال، فإن الجمع بين وحدة لتخمير الغاز ومطحن الصلب أو محطة توليد الطاقة ينشئ علاقة تكافلية حيث يستخدم ثاني أكسيد الكربون في الموقع، ويمكن بيع أو استخدام المواد الكيميائية الناتجة عنه كوقود، وهذا النموذج اللامركزي يقلل تكاليف النقل والانبعاثات.

وسيتعين دعم السياسات العامة على الإسراع في النشر، كما أن آليات تسعير الكربون، مثل فرض ضريبة على الكربون أو نظم الحد الأقصى والتجارة، تجعل المنتجات التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون أكثر قدرة على المنافسة، بالإضافة إلى أن الولايات المتعلقة بالمحتوى المنخفض الكربون في الوقود واللدائن يمكن أن تخلق أسواقا مضمونة، كما أن الاتفاق الأخضر للاتحاد الأوروبي وقانون تخفيض التضخم في الولايات المتحدة يتضمن أحكاما تفيد مباشرة تكنولوجيات ثاني أكسيد الكربون، بما في ذلك الطرق البيولوجية.

وأخيرا، يلزم مواصلة البحث الأساسي لفتح كامل إمكانات تحديد الكربون البيولوجي، ففهم كيفية تحقيق أقصى قدر من الكفاءة في سلسلة النقل الإلكتروني في الكائنات الصناعية الضوئية، أو كيفية إنشاء اتحادات صناعية تفرق العمل، يمكن أن يؤدي إلى تحسينات في مجال التغيير التدريجي، وقد يؤدي دمج البيولوجيا مع التصنيع المتقدم، مثل الطباعة 3D لمكونات المفاعلات الأحيائية، إلى زيادة تخفيض التكاليف.