الاستدامة
التركيب الضوئي الاصطناعي والتحلل الحيوي: مكافحة خطر البلاستيك مع التركيز على الاستدامة
انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ووجود البلاستيك غير القابل للتحلل على الأرض يشكلان خطرين يسببان أضرارًا لا يمكن عكسها. ومن الجدير بالذكر أن ثاني أكسيد الكربون، كغاز يحبس الحرارة، يدفئ الكوكب وفي النهاية يؤدي إلى تغير المناخ.
يُبرز هذا التأثير الحراري تقديرات ناسا، التي تكشف أن الأنشطة البشرية قد ارتفعت محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنسبة 50% في أقل من 200 سنة. وتفاقم الوضع أكثر البلاستيك غير القابل للتحلل المستخرج من مواد مثل الفوم، الأكياس البلاستيكية القابلة للتصرف مرة واحدة، وزجاجات المياه البلاستيكية، والتي تشكل تهديدًا خطيرًا آخر لأنها تلوث المياه الجوفية وسلسلة الغذاء وتلوث الهواء. محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنسبة 50%
في مواجهة هذه التحديات المتشابكة، طور الباحثون من جامعة أوساكا المتروبوليتان الآن اختراقًا يعالج كلا التحديين عبر مسار واحد. لقد ظهر طريقة مبتكرة وفعّالة لإنتاج حمض الفوماريك ستخفض مستويات انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مع إعادة توجيه النفايات لصنع بلاستيك قابل للتحلل. دعونا نتعمق أكثر لفهم ما تعنيه هذه الابتكار وكيفية عمله.
انقر هنا لتعرف ما إذا كان الوقاية أو العلاج أفضل لمواجهة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
الإنتاج المستدام لحمض الفوماريك
حمض الفوماريك هو مكوّن من البلاستيك القابل للتحلل. كان يُستخرج تقليديًا من البترول، وثاني أكسيد الكربون، ومركبات مشتقة من الكتلة الحيوية. الآن، توصل الباحثون إلى حل يمكن من خلاله إنتاج حمض الفوماريك بشكل مستدام وفعّال. هناك دراستان سعيًا إلى نفس الهدف.
في الأولى، قدم فريق بحث بقيادة الأستاذ يوتاكا أماو من مركز أبحاث التركيب الضوئي الاصطناعي بجامعة أوساكا المتروبوليتان (OMU) طرقًا لتصنيع حمض الفوماريك من بيكربونات الصوديوم وحمض البيروفيك المشتق من الكتلة الحيوية. وكانت الطاقة المستخدمة في العملية طاقة شمسية متجددة.
كما نجح العلماء في إنتاج حمض الفوماريك باستخدام ثاني أكسيد الكربون كمواد خام مباشرة من الحالة الغازية. إلا أن التجربة واجهت قيدًا واحدًا؛ لم تستطع إنتاج حجم كبير من حمض الفوماريك. ظل الإنتاج منخفضًا.
ومع ذلك، في البحث التالي، تغلب العلماء على هذا التحدي. طوروا حسّاسًا ضوئيًا جديدًا وأحرزوا تقدمًا في التركيب الضوئي الاصطناعي يمكنه مضاعفة عائد حمض الفوماريك مقارنة بالطرق التقليدية.
طور العلماء طريقة فعّالة لإنتاج فوماريت مدفوع بالضوء المرئي من ثاني أكسيد الكربون الغازي والبيروفات باستخدام نظام يتكوّن من ثلاثي إيثانول أمين، بورفيرين الزنك القابل للذوبان في الماء، زنك تربتيس(4-N, N, N-تري ميثيل أمينوفينيل)بورفيرين، مركب روديوم(III) منسق بدورة خماسي ميثيل سيكلوبنتاديينيل، NAD+، إنزيم ماليت ديهيدروجيناز (NAD+-معتمد على أكسالوأسيتات-ديكربوكسيل) وفوماريز.
البحث، بعنوان “إنتاج فوماريت فعال مدفوع بالضوء المرئي من ثاني أكسيد الكربون الغازي والبيروفات بواسطة نظام فوتوكاتاليتيك قائم على بورفيرين الزنك الكاتيوني مع محفزين حيويين مزدوجين”، حُظِي بدعم من معهد التخمر بأوساكا.
بشكل عام، أثبت البحث تجريبيًا إمكانية تصنيع محفز تركيب ضوئي اصطناعي متقدم يمكنه استخدام ثاني أكسيد الكربون بكفاءة أكبر في إنتاج البلاستيك القابل للتحلل.
ولكن، إذا فكرنا أعمق وحاولنا تقييم سبب اعتبار التركيب الضوئي الاصطناعي ومساهمته في إنتاج البلاستيك القابل للتحلل بشكل مستدام وفعّال اختراقًا، سنرى أن البلاستيك كان خطرًا، وأي جهد لجعله قابلًا للتحلل وإنتاجه بشكل مستدام يجب أن يُقدّر ويُشجّع.
أحد أكثر الأضرار البلاستيكية شدة على كوكب الأرض يسببها الميكروبلاستيك. تُعرّف الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية (NOAA) الميكروبلاستيك كقطع بلاستيكية صغيرة يقل طولها عن خمسة مليمترات وتسبب ضررًا لصحتنا، والمحيطات، والحياة المائية. تشمل الفئة أيضًا البلاستيك المصمم عمدًا ليكون صغيرًا. تُسمى “الخرزات الدقيقة”، وتُستعمل في العديد من منتجات الصحة والجمال. تحمل هذه الميكروبلاستيكات عدة تداعيات ضارة.
الميكروبلاستيك تدخل أجسامنا عبر مسارات مختلفة، بما في ذلك الماء الذي نشربه، الطعام الذي نستهلكه، وعبوات الطعام التي نستخدمها، جميعها طرق لتناول الميكروبلاستيك عن طريق الفم. بالإضافة إلى ذلك، نستنشق الميكروبلاستيك عبر الهواء، ومنتجات العناية الشخصية وجرابات الهواتف المحمولة التي تحتوي على ميكروبلاستيك تخلق مسارات لتلامسنا الشخصي معها.
بمجرد دخولها إلى جسم الإنسان، يمكن لهذه الميكروبلاستيكات أن تُسبب مجموعة من المشكلات الصحية. فهي معروفة بأنها تُحدث إجهادًا أكسديًا وتلفًا للحمض النووي، وتؤدي إلى اضطرابات أيضية، وتسبب خللاً في وظائف الأعضاء الحيوية مثل الكبد، والأمعاء، والدماغ، والمسالك الهوائية. علاوة على ذلك، يمكن لسُمية الميكروبلاستيك أن تُضر بقدراتنا الإنجابية والتطورية، مما يُظهر شدة تأثيرها على صحة الإنسان.
تمتد مشكلة الميكروبلاستيك إلى ما هو أبعد من صحة الإنسان، إذ تُلحق هذه الجسيمات ضررًا بالحياة البحرية. فهي تُحدث تأثيرًا سامًا على الأسماك والكائنات المائية الأخرى، تُعيق نموها وتطورها، وتزيد من معدلات الوفيات، وتُسبب الالتهاب، وتُقلل من سرعة السباحة، وتُخفض الحيوية وطول الجسم، وتُحدث إصابات معوية. تُظهر هذه الأدلة الحاجة الملحة لمعالجة وإيقاف تلوث بيئتنا بالميكروبلاستيك.
في ضوء ذلك، سلطت مسوح الغوص تحت الماء الحديثة الضوء على الحاجة الملحة لحلول مبتكرة لجمع النفايات. على سبيل المثال، كشفت مسح رائد أجراه باحثون من معهد البحوث الصحراوية في قاع بحيرة تاهو عن متوسط مقلق يبلغ 83 قطعة من النفايات البلاستيكية لكل كيلومتر، دون وجود أي جزء من قاع البحيرة خالٍ من النفايات البلاستيكية. تشمل العناصر الشائعة حاويات الطعام، الزجاجات، الأكياس البلاستيكية، والألعاب، وكانت الأنواع الست الأكثر شيوعًا هي كلوريد البوليفينيل (PVC)، البوليسترين، بوليستر/بولي إيثيلين تيريفثاليت، البولي إيثيلين، البولي بروبلين، والبولي أميد.
بينما يتوفر عدة مزودي حلول يقدمون بدائل قابلة للتطبيق لتنظيف البلاستيك تحت الماء، يهتم الباحثون أيضًا بتقييم إمكانات “مؤشر الاستدامة” للحد من تلوث البلاستيك. طور باحثو معهد وودز هول للأوقيانوسيات مؤشر استدامة لتصميم منتجات بلاستيكية ذات بقاء منخفض في البيئة. كان الباحثون يعتقدون أن هذا المؤشر يمكن أن يُحقق فوائد بيئية ومجتمعية.
أظهر الدراسة طريقة مبتكرة ومبدعة لمواجهة خطر تلوث البلاستيك. يمكن اعتبار النهج مشابهًا إلى حد ما لتمارين المحاسبة الاجتماعية التي نعرفها. فقد قورنت مؤشرات الأثر البيئي للبلاستيك وبدائله التي أظهرت أن حساب بقاء البلاستيك في البيئة واستبداله بكفاءة يمكن أن يعني مكاسب بمئات الملايين من الدولارات لمنتج استهلاكي واحد.
أثناء شرح أهمية الدراسة، قال المؤلف الرئيسي للدراسة، برايان جيمس، عالم مواد ومهندس:
“ما هو مهم لتحديده هو كيف يمكننا تصميم مواد، منتجات، وعمليات وظيفية، مستدامة، وغير ضارة، تجسد جميع مبادئ هندسة المواد الخضراء في العالم المستقبلي الذي سنعيش فيه.”
بشكل عام، جعل البلاستيك قابلًا للتحلل بشكل كافٍ وتحديد البدائل المناسبة له قد أبقى المجتمع العلمي والتقني مشغولًا. هناك العديد من الشركات، الكبيرة والصغيرة، التي تعمل بنشاط في هذا المجال.
#1. Mitsubishi Chemical Group
تُعد مجموعة ميتسوبيشي للكيماويات مشاركًا نشطًا في هذا المجال منذ فترة طويلة. كعضو في الجمعية اليابانية للبحوث التقنية لعملية التركيب الضوئي الاصطناعي (ARPChem) التي تأسست في أكتوبر 2012، شاركت شركة ميتسوبيشي للكيماويات (MCC) في مشروع تركيب ضوئي اصطناعي نفذته منظمة الطاقة الجديدة وتطوير التكنولوجيا الصناعية (NEDO). ومنذ ذلك الحين، تسعى ميتسوبيشي إلى تحقيق مزيد من الكفاءة وتحسين العملية.
كان الأمر يتعلق بإنتاج حمض الفوماريك بشكل مستدام في البحث الذي قدمناه كمفتتح لمناقشتنا. ومع ذلك، تُوجه جهود مجموعة ميتسوبيشي للكيماويات نحو إنتاج أوليفين.
في هذه العملية، يلعب الحفاز الصناعي دورًا حاسمًا من خلال تمكين التفاعل بين الهيدروجين المنفصل وثاني أكسيد الكربون. عمل ميتسوبيشي المبتكر في تطوير حفاز مناسب وتحسين تقنيات العملية اللازمة قد عزز بشكل كبير من العائد، مما جعل إنتاج أوليفين أكثر كفاءة.
وبالتالي، أصبح أوليفين مادة خام مُنتجة بفعالية لإنشاء البلاستيك، مما يُظهر مساهمة ميتسوبيشي في تعزيز ممارسات التصنيع المستدام في الصناعة الكيميائية.
اختارت مشروع الابتكار الأخضر، الذي تديره NEDO، تطوير ميتسوبيشي التجاري لإنتاج المواد الخام الكيميائية القائمة على التركيب الضوئي الاصطناعي للحصول على تمويل في فبراير 2022.
في مراحل التطوير اللاحقة، ستحول العملية المواد الخام من البترول وتساعد في تطوير تقنية إنتاج البلاستيك باستخدام ثاني أكسيد الكربون من خلال الاستفادة من تقنية تصنيع البتروكيماويات، وتقنية تطوير الحفازات، وغيرها من التقنيات التي طورتها بالتعاون مع الجامعات ومعاهد البحث.
نشرت شركة ميتسوبيشي كوربوريشن تقريرًا متكاملًا للسنة المالية المنتهية في 31 مارس 2023. حققت الشركة أكثر من 159 مليار دولار أمريكي.
#2. Evonik and Siemens
في ما يُسمى التركيب الضوئي التقني، تستخدم شركتان، إيفونيك وسيمنز، الطاقة المتجددة والبكتيريا لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية متخصصة. تقوم الشركتان بتنفيذ هذه المهمة ضمن مشروع بحثي مشترك يُدعى ريثيكوس. شهدت المرحلة الأولى من البحث إنتاج مواد كيميائية مثل البوتانول والهكسانول، وهما كلاهما مواد أولية للبلاستيك المتخصص والمكملات الغذائية.
وفقًا للدكتور توماس هاس، المسؤول عن المشروع في قسم البحوث الاستراتيجية في إيفونيك (Creavis):
“من خلال منصة ريثيكوس، نريد إظهار أن التركيب الضوئي الاصطناعي قابل للتنفيذ.”
لتحقيق هذا الادعاء، يساهم كل من إيفونيك وسيمنز وفقًا لكفاءاتهما الأساسية. على سبيل المثال، تُعزّز سيمنز العملية بتقنية التحليل الكهربائي، التي ستُستخدم في الخطوة الأولى لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى هيدروجين وأول أكسيد الكربون باستخدام الكهرباء.
تهدف مساهمات إيفونيك إلى تعزيز عملية التخمير، حيث تُحوَّل الغازات التي تحتوي على أول أكسيد الكربون إلى منتجات مفيدة عبر عمليات أيضية تُسهلها كائنات دقيقة خاصة.
أثناء توضيحه لإمكاناته في مساعدة صناعة البلاستيك والمواد الكيميائية المتخصصة، قال الدكتور هاس:
“طبيعتها المعيارية ومرونتها من حيث الموقع، مصادر المواد الخام، والمنتجات المصنعة تجعل المنصة الجديدة جذابة لصناعة المواد الكيميائية المتخصصة على وجه الخصوص. نحن واثقون من أن شركات أخرى ستستخدم المنصة وتدمجها مع وحداتها الخاصة لتصنيع منتجاتها الكيميائية.”
وفقًا لـ البيانات المالية السنوية المتاحة الأخيرة، سجلت مجموعة إيفونيك مبيعات تقارب 18.5 مليار يورو في عام 2022. من هذه الإيرادات، ساهمت الإضافات المتخصصة والتغذية والرعاية بنسبة 23% لكل منهما. شكلت إيرادات المواد الذكية 26% من الإيرادات، بينما ساهمت المواد الأداء بنسبة 20%، والمنتجات والخدمات التقنية والبنية التحتية بنسبة 8%.
في السنة المالية 2023، سجلت سيمنز إيرادات سنوية تقارب 22 مليون يورو، بزيادة ملحوظة عن 19.5 مليار يورو المسجلة في السنة المالية 2022.
البلاستيك ورحلتنا نحو الاستدامة
من خلال الجهود الجماعية، نحتاج إلى ضمان اتخاذ الخطوات الصحيحة نحو مستقبل مليء بالبلاستيك الحيوي، سواء كان بلاستيكًا قابلًا للتحلل أو موادًا حيوية الأصل نفسها، تستمد طاقتها من موارد متجددة. هذه البلاستيكات الحيوية، من حيث المتانة وقابلية الاستخدام، لن تكون أقل من البلاستيك التقليدي. يمكن معالجتها عبر آلات البلاستيك التقليدية وتخزينها في المستودعات التقليدية، مما يزيل الحاجة إلى تكرار الموارد.
إن الفشل في إيجاد بديل قابل للتطبيق لتهديد نفايات البلاستيك سيترجم إلى مخاطر جسيمة لعدة دول حول العالم. على سبيل المثال، أصبحت جنوب شرق آسيا بالفعل “نقطة ساخنة” لتلوث البلاستيك، وهو وضع تفاقم بسبب التحضر السريع والطبقة المتوسطة المتنامية. ومع نقص البنية التحتية الفعّالة، أدى ذلك إلى انخفاض كفاءة البلاستيك القابل لإعادة التدوير.
تفاقمت مشكلة سوء إدارة النفايات خلال موسم جائحة كوفيد بسبب استهلاك الأقنعة، وزجاجات المطهرات، وتغليف التوصيل عبر الإنترنت. وفقًا للبيانات التي قدمها البنك الدولي، في دول مثل تايلاند، الفلبين، وماليزيا، يُفقد أكثر من 75% من القيمة المادية للبلاستيك القابل لإعادة التدوير – ما يعادل 6 مليارات دولار سنويًا عندما يُرمى البلاستيك أحادي الاستخدام بدلاً من استرداده وإعادة تدويره.
في ظل سوء إدارة النفايات هذا ونقص البنية التحتية، تظهر البلاستيكات الحيوية كبديل فعال لا يعتمد على هذه الأخطاء. علاوة على ذلك، تدعم البلاستيكات الحيوية جهودنا في الاستدامة لأنها تعتمد أقل على الوقود الأحفوري التقليدي. استخدام البلاستيك القابل للتحلل يعني أيضًا تحسين سيناريوهات نهاية العمر للتخلص وإعادة التدوير.
مع ذلك، لا يزال حصة البلاستيك الحيوي أقل بكثير مما ينبغي لكي يعتمد مستقبلنا بالكامل على وسائل مستدامة. وفقًا لتقدير واحد، من بين 367 مليون طن من البلاستيك يُنتج عالميًا كل عام، لا تتجاوز حصة البلاستيك الحيوي نسبة واحد بالمئة. ومع ذلك، من المتوقع أن يشهد نموًا كبيرًا في السنوات القادمة عبر مجموعة واسعة من مجالات التطبيق، بما في ذلك التعبئة والتغليف، السلع الاستهلاكية، البناء والتشييد، السيارات والنقل، النسيج، الزراعة والبستنة، الإلكترونيات والكهرباء، الطلاء والمواد اللاصقة، والمزيد.
ستُحدث التقنيات المتقدمة المدعومة بالبحث، مثل التركيب الضوئي الاصطناعي والإنتاج المستدام لمكونات البلاستيك المدعومة بمصادر الطاقة المتجددة، تأثيرًا كبيرًا على طرق التعامل مع البلاستيك. هذه العمليات لن تعني فقط بلاستيكًا أكثر صداقة للبيئة، بل أيضًا نظام إنتاج مستدام يكاد يكون خالٍ من الانبعاثات.
