الفعاليات الحيوية لإنتاج الميثان

ينتج غاز الميثان اضافة الى المصادر الاخرى بطرق التقنية الحيوية كأحد البدائل للطاقة الحفرية. وبواسطة التقنية الحيوية يمكن ان تحول المواد العضوية والمكوثرة منها الى غاز الميثان وثنائي اوكسيد الكاربون، اضافة الى ان عمليات الانتاج تعد احد الوسائل المهمة في المعالجات الحيوية للبيئة للتخلص من الفضلات الصناعية والزراعية وفي هذا المجال تكون أفضل لأنها تتم تحت الظروف اللاهوائية مقارنة بالمعاملات الهوائية. وهي عمليات تحول حيوي معقدة تتعاون فيها أكثر من مجموعة فسلجية من الاحياء المجهرية، ومن أهم الاحياء المشاركة :

• مجموعة الاحياء المخمرة المولد للحوامض Acidogens.
• الاحياء المنتجة للهيدروجين.
• الاحياء المولدة للخلات Acidogens.
• الاحياء المولدة للميثان Methnogens.

وهذه الاحياء تعيش بشكل مجاميع متوافقة تتعاون فيما بينها لإنتاج المواد المختزلة المتمثلة بشكل اساسي بغاز الميثان، وتعد الاحياء اللاهوائية مهمة في العملية الانتاجية لأنها تحافظ على ثبات البيئة أثناء عملية انتاج الميثان التي تحتاج الى جهد أكسدة واختزال سالب جدا (200 – ملي فولت)، وهذا يعني وجوب عدم وجود الاوكسجين او بدائله مثل النترات وهي الظروف التي تحتاجها مولدات الميثان في الخطوة الاخيرة من المعاملات. ويمكن تقسيم عملية انتاج الميثان الى ثلاث مراحل كما موضحة في الشكل (1).

شكل 1 : مراحل انتاج غاز الميثان من قبل البكتريا المودة للميثان

المرحلة الأولى : وهي التي تتكون فيها الحوامض العضوية (Acidogenesis) من المواد المعقدة وتقوم بها مجموعة من الاحياء القادرة على تحليل المواد المعقدة، والمواد المعقدة الموجودة تشمل البروتينات والدهون والكاربوهيدرات المكوثرة التي تحلل بواسطة الانزيمات المحللة الخارجية وتؤدي الى انتاج وحدات صغيرة تستخدم من قبل المجاميع الاخرى وتعد خطوة تحليل المكوثر او المواد الاولية مهمة في تحديد معدل وسرعة العملية.

• تحليل الدهون وتتم بواسطة اللايبيزات التي تحلل الدهون الى كليسرول وحوامض دهنية بسلاسل مختلفة الأطوال، ويمكن ان يصل تعداد مجموعة المحللة للدهون الى ⁵10 – ⁴10 / مليلتر، ومن البكتريا المسئولة عن تحليل الدهون هي أنواع من جنس Micrococcus و جنس Clostridium وهي أكثر المنتجات لإنزيمات اللايبيز.
• تحليل البروتينات الى حوامض أمينية وبيبتيدات صغيرة وتتم بواسطة عدد من البكتريا منها Butyrivibrio , Fusobacterium , Streptococcus , Clostridium , Bacteriodes Selenomonas وتستخدم بعض نواتج التحلل في بناء الكتلة الحيوية للأحياء المشاركة والباقي يحول الى حوامض عضوية بعد ازالة النتروجين منها على شكل أمونيا، اما الحوامض المنتجة فتشمل الخلات والبروبيونات والبيوتيرات وتقوم بالمهمة الاخيرة انواع من جنس Bacteriodes , Peptococcus , Campylobacter , Clostridium , Selenomonas.
• تحليل الكاربوهيدرات المعقدة منها السليلوزات وتحلل بواسطة Cellulases الداخلية والخارجية ثم يليها في التأثير انزيمات Cellobiases وغيرها من الانزيمات التي تعمل بشكل متآزر ومتتابع لتفكيك التركيب البلوري للسليلوزات وفي النهاية انتاج الكلوكوز.

النشا ويحتاج الى فعالية الاميليزات ومنها الاميليز الفا وبتا وكذلك الانزيمات التي تحلل السلاسل الفرعية والانزيمات المحللة للمالتوز Maltases لتحويل المالتوز الى كلوكوز.

البكتريا وتحلل بواسطة الانزيمات المحللة للبكتين ومنها Pectinestrases والاخرى المزيلة للمكوثرات Depolymerases.

المواد الخشبية وتحلل بالأنزيمات الخاصة بها وهي Xylanases مثل α – endo – Xylanases وانزيمات α – xylosidases التي تؤدي الى انتاج الزايلوز.

عمليات فك المكوثرات اعلاه تؤدي الى انتاج سكريات خماسية او سداسية يمكن استغلالها من قبل الاحياء. وتحول بالطرق العادية مثل مسار EMP او غيره الى مركبات حاوية على ذرتين او ثلاث ذرات من الكاربون، لتعطي في النهاية المركب الاساسي البايروفات كمركب وسطي وبمساعدة NADH تحول البايروفات الى مركبات اخرى مثل اللاكتات والبروبيونات والخلات والكحول اثيلي، وتختلف المسارات المنتجة للمواد المذكورة باختلاف الاحياء والظروف المطبقة.

المرحلة الثانية : وتتمثل بمرحلة تكوين الخلات Acetogenesis وازالة الهيدروجين. وتنتج الخلات بنسبة 20% و الهيدروجين 4% في المرحلة الأولى بشكل مباشر، وتتم انتاج الكميات الاكبر بعملية توليد الخلات وازالة الهيدروجين للحوامض العضوية الطيارة التي تكونت في المرحلة الأولى. ومن الاحياء العاملة في هذه التفاعلات البكتريا Syntrophobacter wolinii والتي تكون مجبرة على استهلاك وتفكيك البروبيونات والبكتريا Syntrophomonas wolfei التي تكون مجبرة على تفكيك البيوتيرات، وهذه الاحياء تكون صعبة العزل وتقوم بإنتاج الخلات وغاز الهيدروجين. وانتاج الغاز الاخير يكون مثبطا لنموها لذلك وجب سحبة وهو ما تقوم به البكتريا المودة للميثان او البكتريا المختزلة للكبريتات. لذلك يعد وجود البكتريا المولدة للميثان ضروريا لاستمرار تفكك الحوامض الدهنية وبالتالي استمرار المعاملات اللاهوائية والعمليات التي تقوم بها الاحياء لإنتاج حامض الخليك والهيدروجين موضحة في الجدول (1).

جدول 1 : تفاعلات تكوين الخلات اثناء عمليات توليد الميثان

المرحلة الثالثة : وهي مرحلة تكوين الميثان وتقوم بها مجموعة البكتريا المولدة للميثان من ثنائي اوكسيد الكاربون والهيدروجين، ويمكن استعمال الفورمات او الكحول المثيلي وبعض امينات المثيل وأحادي اوكسيد الكاربونات لعملية الانتاج كما موضح في الجدول 2.

جدول 2 : التفاعلات المختلفة لإنتاج الميثان من مواد مختلفة

ومولدات الميثان احياء لا هوائية مجبرة وتحتاج الى جهد اكسدة واختزال يصل الى 300 – ملي فولت للنمو ولذلك تكون عمليات عزلها وتداولها صعبة. ويمكن ان تختص مولدات الميثان بالمواد التي تستعملها فمنها يستهلك الخلات واخرى تستطيع استهلاك ثنائي اوكسيد الكاربون والهيدروجين لتوليد الميثان. ومستهلكات الخلات تكون قليلة وتتمثل بالـ Methanosarcina spp و Methanothrix spp (التي غير اسمها الى Methanosaeta) وتكون غير قادرة على استهلاك الفورمات، و 70% من عمليات الانتاج للميثان الطبيعية تكون من الخلات.

ان تجمع كميات كبيرة من الهيدروجين يؤدي الى تثبيط مولدات الخلات لذلك يسحب من قبل مولدات الميثان لتقليه في الجو المحيط والذي يؤدي الى استمرار عملية الهضم اللاهوائي.

وتستخدم مولدات الميثان ثنائي اوكسيد الكاربون كمستلم نهائي لإلكترونات بخطوات متعددة ومشاركة بعض المرافقات الانزيمية الغريبة والخاصة بإنتاج الميثان. ولا تعد عملية توليد الميثان عملية تخمر لأنه لا توجد ضمن خطواتها علمية توليد ATP بطريقة الفسفرة بمواد الأساس، كما ان ATP لا يتكون عن طريق pmf نظراً لعدم وجود السايتوكرومات والفلافينات والكينونات التي تمثل مكونات السلاسل التنفسية، لذلك فان مسار تخليق مركبات الطاقة يكون نمطا مختلفا يلعب فيها العامل F₄₂₀ الحاوي على النيكل الدور الأساسي.

وتحوي مولدات الميثان على نوعين من ATP synthetases واحد مرتبط بتدرج البروتونات والاخر بتدرج ايون الصوديوم، لذلك يعد توليد الميثان نمطا فريدا وغير طبيعي من التنفس اللاهوائي.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .