يستخدم العلماء البروتين الموجود في مخلفات النباتات لتنقية المياه المعدنية الثقيلة

ابتكر العلماء غشاءً مصنوعًا من مخلفات تصنيع الزيوت النباتية، والذي يمكنه تصفية المعادن الثقيلة من المياه الملوثة. وفي الاختبارات، أظهروا أن عملية الجذب هذه، التي تسمى الامتزاز، كانت قادرة على تنقية المياه الملوثة إلى درجة تلبي معايير الشرب الدولية.

اكتشف فريق البحث، بقيادة البروفيسور علي ميسيريز من كلية علوم وهندسة المواد وكلية العلوم البيولوجية والأستاذ الزائر رافائيل ميزينغا من قسم العلوم الصحية والتكنولوجيا في ETHZ، أن البروتينات المشتقة من المنتجات الثانوية يمكن أن يجذب إنتاج زيت الفول السوداني أو عباد الشمس أيونات المعادن الثقيلة بشكل فعال للغاية.

وفي الاختبارات، أظهروا أن عملية الجذب هذه، التي تسمى الامتزاز، كانت قادرة على تنقية المياه الملوثة إلى درجة تلبي معايير الشرب الدولية.

يتمتع الغشاء الذي توصل إليه الباحثون بالقدرة على أن يكون وسيلة رخيصة ومنخفضة الطاقة ومستدامة وقابلة للتطوير لإزالة تلوث المياه بالمعادن الثقيلة.

وقال البروفيسور ميسيريز: 'يظل تلوث المياه مشكلة عالمية رئيسية في أجزاء كثيرة من العالم. وتمثل المعادن الثقيلة مجموعة كبيرة من ملوثات المياه التي يمكن أن تتراكم في جسم الإنسان، مسببة السرطان والأمراض الطفرية. والتقنيات الحالية لإزالتها هي الطاقة. - مكثفة، وتتطلب طاقة للتشغيل، أو انتقائية للغاية فيما تقوم بتصفيته.'

'يتم إنشاء أغشيتنا القائمة على البروتين من خلال عملية خضراء ومستدامة، ولا تتطلب سوى القليل من الطاقة أو لا تتطلب أي طاقة للتشغيل، مما يجعلها قابلة للاستخدام في جميع أنحاء العالم وخاصة في البلدان الأقل نموًا. إن عملنا يضع المعادن الثقيلة في مكانها الصحيح -- قال البروفيسور ميسيريز: 'كنوع موسيقي وليس ملوثًا لمياه الشرب'.

ونشرت نتائج أبحاث الفريق في مجلة الهندسة الكيميائية في أبريل. يتماشى تركيز أبحاثهم على تحقيق الأمن المائي مع الخطة الإستراتيجية لجامعة NTU 2025 وهدف الجامعة في التخفيف من تأثير البشرية على البيئة.

تحويل وجبات البذور الزيتية النباتية إلى مرشحات للمياه

يؤدي إنتاج الزيوت النباتية المنزلية التجارية إلى إنتاج نفايات ثانوية تسمى وجبات البذور الزيتية. هذه هي بقايا الطعام الغنية بالبروتين التي تبقى بعد استخراج الزيت من النبات الخام.

استخدم فريق البحث الذي تقوده جامعة NTU وجبات البذور الزيتية من نوعين من الزيوت النباتية الشائعة، وهما زيت عباد الشمس وزيت الفول السوداني. بعد استخلاص البروتينات من وجبات البذور الزيتية، قام الفريق بتحويلها إلى ألياف أميلويد بروتينية بحجم النانو، وهي هياكل تشبه الحبال مصنوعة من بروتينات ملفوفة بإحكام. تنجذب هذه الألياف البروتينية إلى المعادن الثقيلة وتعمل مثل المنخل الجزيئي، حيث تحبس أيونات المعادن الثقيلة أثناء مرورها.

وينتج كيلوغرام واحد من دقيق البذور الزيتية حوالي 160 جرامًا من البروتين.

قال المؤلف الأول للدراسة، طالب الدكتوراه في جامعة NTU، السيد سون وي لونج: 'إن وجبات عباد الشمس والفول السوداني الغنية بالبروتين هي مواد خام منخفضة التكلفة، يمكن من خلالها استخلاص البروتين وعزله وتجميعه ذاتيًا في ألياف أميلويد وظيفية للبروتينات الثقيلة. إزالة المعادن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها الحصول على ألياف الأميلويد من بروتينات عباد الشمس والفول السوداني.

قام الباحثون بدمج ألياف الأميلويد المستخرجة مع الكربون المنشط - وهي مادة ترشيح شائعة الاستخدام - لتشكيل غشاء هجين. لقد اختبروا أغشيتهم على ثلاثة ملوثات معدنية ثقيلة شائعة: البلاتين والكروم والرصاص.

ومع تدفق المياه الملوثة عبر الغشاء، تلتصق أيونات المعادن الثقيلة بسطح ألياف الأميلويد - وهي عملية تسمى الامتزاز. إن نسبة السطح إلى الحجم العالية لألياف الأميلويد تجعلها فعالة في امتصاص كمية كبيرة من المعادن الثقيلة.

ووجد الفريق أن أغشيتهم قامت بتصفية ما يصل إلى 99.89% من المعادن الثقيلة. ومن بين المعادن الثلاثة التي تم اختبارها، كان المرشح أكثر فعالية بالنسبة للرصاص والبلاتين، يليه الكروم.

وقال البروفيسور ميسيريز: 'يمكن استخدام الفلتر لتصفية أي نوع من المعادن الثقيلة، وكذلك الملوثات العضوية مثل PFAS (مواد البيرفلوروألكيل والبولي فلورو ألكيل)، وهي مواد كيميائية تم استخدامها في مجموعة واسعة من المنتجات الاستهلاكية والصناعية'. . 'تحتوي ألياف الأميلويد على روابط من الأحماض الأمينية التي تحبس جزيئات المعادن الثقيلة وتحصرها فيما بينها بينما تسمح بمرور الماء من خلالها'

ويقول الباحثون إن تركيز المعادن الثقيلة في المياه الملوثة سيحدد كمية المياه التي يمكن أن يقوم الغشاء بتصفيتها. سيتطلب الغشاء الهجين المصنوع من بروتين أميلويدات عباد الشمس 16 كيلوجرامًا فقط من البروتين لتصفية الحجم المعادل لحمام سباحة أولمبي ملوث بـ 400 جزء في المليار (ppb) من الرصاص في مياه الشرب.

وقال السيد سون: 'إن هذه العملية قابلة للتطوير بسهولة بسبب بساطتها والحد الأدنى من استخدام الكواشف الكيميائية، مما يشير إلى تقنيات مستدامة ومنخفضة التكلفة لمعالجة المياه'. 'وهذا يسمح لنا بإعادة معالجة مجاري النفايات لمزيد من التطبيقات واستغلال النفايات الغذائية الصناعية المختلفة بشكل كامل في تقنيات مفيدة.

ويمكن أيضًا استخراج المعادن المحاصرة وإعادة تدويرها. بعد الترشيح، يمكن ببساطة حرق الغشاء المستخدم لاحتجاز المعادن، تاركًا وراءه المعادن.

وقال البروفيسور ميسيريز: 'في حين أن المعادن مثل الرصاص أو الزئبق سامة ويمكن التخلص منها بأمان، فإن المعادن الأخرى، مثل البلاتين، لها تطبيقات قيمة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية وغيرها من المعدات الحساسة'.

'إن استخراج البلاتين الثمين الذي تبلغ تكلفته 33 ألف دولار للكيلوغرام الواحد، يتطلب 32 كيلوغراماً فقط من البروتين، في حين أن استخراج الذهب الذي تبلغ قيمته حوالي 60 ألف دولار أمريكي للكيلوغرام الواحد، يتطلب 16 كيلوغراماً فقط من البروتين. مع الأخذ في الاعتبار أن هذه البروتينات يتم الحصول عليها من النفايات الصناعية التي تبلغ قيمته أقل من دولار أمريكي واحد للكيلوجرام، وهناك فوائد كبيرة من حيث التكلفة'

ترشيح مستدام ومنخفض الطاقة

وكان المؤلف المشارك في الدراسة، البروفيسور رافاييل ميزينغا، قد اكتشف سابقًا في عام 2016 أن بروتينات مصل اللبن المشتقة من حليب الأبقار لها خصائص مماثلة في جذب المعادن.

وأدرك الباحثون أن البروتينات الموجودة في وجبة البذور الزيتية النباتية يمكن أن يكون لها أيضًا خصائص مماثلة. وأظهرت تجاربهم أن هذه البروتينات لم تكن فعالة فحسب، بل كانت أيضًا أرخص وأكثر استدامة لأنها تستخدم النفايات التي كان من الممكن التخلص منها أو استخدامها كغذاء لعلف الحيوانات.

ويقول الباحثون إن هناك ميزة كبيرة أخرى وهي أن هذا الترشيح يتطلب القليل من الطاقة أو لا يتطلب أي طاقة على الإطلاق، على عكس الطرق الأخرى مثل التناضح العكسي الذي يتطلب الكهرباء.

وقال البروفيسور ميزنجا: 'في غشائنا، تقوم الجاذبية بمعظم أو كل العمل'. 'يمكن أن تكون طريقة الترشيح منخفضة الطاقة هذه مفيدة جدًا في المناطق التي قد يكون فيها الوصول إلى الكهرباء والطاقة محدودًا.