الأخبار الصناعية

خصائص تحول الكربون العضوي عند كسور الوزن الجزيئي المختلفة أثناء عملية تحويل نفايات الطعام إلى سماد

نشر في by مشرف

تُستغل مخلفات الطعام عادةً من خلال التسميد الهوائي، إلا أن استجابات الكربون العضوي الذائب في الماء (WSOC) عبر مختلف فئات الوزن الجزيئي (MW) لا تزال غير مفهومة بشكل كافٍ. هدفت هذه الدراسة إلى تحديد كيفية تنظيم استراتيجيات التسميد المختلفة لتوزيع وتطور تركيب الكربون العضوي الذائب في الماء، وتحديد العوامل الفيزيائية والكيميائية الرئيسية المؤثرة. عُولجت مخلفات الطعام بثلاث طرق: التسميد التقليدي لمدة 30 يومًا (CK)، والتلقيح المرحلي لمدة 15 يومًا (JJ؛ 2% (وزن/وزن) من مجموعة بكتيرية مضادة للأكسدة يهيمن عليها بكتيريا Bacillus/Pseudomonas، متبوعة بـ 2% (وزن/وزن) من مجموعة بكتيرية محبة للحرارة ومحللة للسليلوز غنية ببكتيريا Geobacillus/Paenibacillus عند وصول درجة الحرارة إلى 50 درجة مئوية)، والتسميد الحراري السريع لمدة 24 ساعة (RC؛ 2% (وزن/وزن) من التلقيح مع معالجة مسبقة بالحرارة الرطبة لمدة 24 ساعة). أنتجت المعالجة RC منتجًا غنيًا بالكربون العضوي ذي الوزن الجزيئي المنخفض (SMOC) وقليل العطرية، حيث شكلت المركبات ذات الوزن الجزيئي الأقل من 5 كيلو دالتون نسبة 68.21% (28.50% للمركبات ذات الوزن الجزيئي الأقل من 500 دالتون). أما المعالجة JJ فقد ركزت بشكل تفضيلي على المركبات العضوية المؤكسدة، الشبيهة بحمض الفولفيك/الغنية بمجموعات الكربوكسيل، مما زاد من مساهمة المركبات الشبيهة بحمض الفولفيك من 15.97% إلى 35.40%، ورفع نسبة HMOC/SMOC إلى 2.72:1. في المقابل، أظهرت المعالجة CK أعلى معدل للتحلل الدبالي، حيث بلغت نسبة المركبات ذات الوزن الجزيئي الأكبر من 5 كيلو دالتون 65.56%، وزادت نسبة المنطقة الخامسة الشبيهة بالدبال من 26.25% إلى 66.36%. وكان الرقم الهيدروجيني (pH) هو العامل الرئيسي المؤثر على الوزن الجزيئي (في اليوم السادس: CK 3.9؛ JJ 4.9؛ والقيمة النهائية ~8.8)، بينما ساهمت درجة الحرارة بشكل مشترك في تكوين المركبات الشبيهة بالدبال في المعالجة RC.

1. مقدمة
 
نتيجةً للتطور الاقتصادي العالمي وارتفاع مستويات الاستهلاك، ازداد إنتاج النفايات الصلبة البلدية، ولا سيما نفايات الطعام، بشكلٍ سريع في جميع أنحاء العالم. ففي عام 2022، بلغ إنتاج نفايات الطعام عالميًا حوالي 1.02 مليار طن متري، مما ساهم بشكلٍ كبير في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. وتُعدّ عملية التسميد الهوائي وسيلة فعّالة لتثبيت نفايات الطعام وتحويل المواد العضوية القابلة للتحلل إلى أشكال أكثر تحللًا وفائدةً للزراعة. 
 
ومع ذلك، لا تزال عملية تحول مكونات الكربون العضوي، بما في ذلك التغيرات في توزيع الوزن الجزيئي والخصائص التركيبية أثناء التسميد، غير مفهومة بشكل كافٍ، مما يعيق تحسين العملية ومراقبة جودة المنتج. ونظرًا لمحتواها العالي من الرطوبة ووفرة المواد العضوية فيها، يمكن اعتبار مخلفات الطعام مصدرًا واعدًا لاستعادة الطاقة أو إنتاج الأسمدة. وبالتالي، يُعدّ الاستغلال الأمثل لمخلفات الطعام تحديًا بالغ الأهمية للإدارة البيئية والتنمية المستدامة.
 
من بين استراتيجيات المعالجة المختلفة، تُستخدم عملية التسميد الهوائي على نطاق واسع نظرًا لتقنيتها الراسخة والقيمة الزراعية للمنتجات الناتجة عنها. خلال عملية التسميد، تتحول المادة العضوية بيوكيميائيًا إلى مواد دبالية مستقرة، مما يقلل من المخاطر البيئية ويعيد تدوير العناصر الغذائية. مع ذلك، غالبًا ما تُعاني عملية التسميد التقليدية من بطء بدء التشغيل وطول دورات المعالجة، لا سيما أثناء تحلل المكونات المقاومة للتحلل مثل اللجنين. وقد استُخدم التلقيح بمجموعات ميكروبية خارجية لتسريع عملية التحلل الدبالي، وتعزيز تحويل المادة العضوية، وتحسين استقرار السماد.
 
يُعدّ الوزن الجزيئي عاملاً حاسماً في تحديد التوافر الحيوي والدور الوظيفي للكربون العضوي في العمليات البيئية. يُصنّف الكربون العضوي ذو الوزن الجزيئي الأقل من 600 دالتون ضمن فئة الكربون العضوي ذي الوزن الجزيئي المنخفض (SMOC)، والذي يُنقل بسهولة إلى الخلايا الميكروبية ويُمكنه المشاركة مباشرةً في العمليات الأيضية، ما يجعله ذا دور محوري في دورة المغذيات. في المقابل، يُعدّ الكربون العضوي ذو الوزن الجزيئي العالي (HMOC، بوزن جزيئي أكبر من 5 كيلو دالتون)، بما في ذلك اللجنين والمواد الدبالية، أكثر مقاومةً للتحلل، ويجب تحلله إنزيمياً ليصبح متاحاً حيوياً. خلال عملية التحلل الدبالي، يُستهلك الكربون العضوي ذو الوزن الجزيئي المنخفض (SMOC) بشكل أساسي في المراحل المبكرة، بينما يتراكم الكربون العضوي ذو الوزن الجزيئي العالي (HMOC) تدريجياً من خلال التكثيف والأروماتة، لينتج في النهاية مواد دبالية مستقرة. يُعدّ هذا المنظور القائم على الوزن الجزيئي أساسياً لفهم آليات التحلل الدبالي وتحسين الاستفادة من النفايات العضوية.
 
يمكن للمعالجات البيولوجية تعديل ديناميكيات مكونات الكربون العضوي، وبالتالي التأثير على نتائج التحلل الدبالي. وقد ثبت أن التلقيح بمجموعات ميكروبية خارجية يعزز تحلل المادة العضوية، ويزيد من تكوين الكربون العضوي الذائب في التربة، ويسرع من تخليق المواد الدبالية، مما يؤدي إلى تقصير دورة التسميد. ويمكن تصور عملية التحلل الدبالي على أنها ثلاث مسارات مترابطة: إما أن يتم استيعاب الكربون العضوي الذائب في التربة مباشرة بواسطة الكائنات الدقيقة، أو تحويله عبر التكثيف إلى سلائف دبالية، أو تمعدنه إلى منتجات غير عضوية (ثاني أكسيد الكربون، والماء، والأمونيا). وبناءً على ذلك، يمكن تنظيم التحول المتبادل بين الكربون العضوي الذائب في التربة والكربون العضوي الذائب في التربة بشكل مباشر عن طريق المعالجات البيولوجية، مما يحدد في النهاية تركيب وخصائص وجودة المواد الدبالية الناتجة.
 
يكمن جوهر التسميد في تمعدن وتطور بنية المادة العضوية الذائبة في الماء (WSOM)، وهي مادة شديدة التفاعل وتُعدّ الواجهة الأساسية لعمليات الأيض الميكروبي. تتكون WSOM من خليط غير متجانس من المواد العضوية الذائبة في الماء (SMOC) (مثل الأحماض الأمينية والسكريات الأحادية) والمواد العضوية الذائبة في الماء (HMOC) (مثل المواد الدبالية والبروتينات والسكريات المتعددة واللجنين)، وتتميز بمجموعات وظيفية متنوعة (مثل الكربوكسيل والفينول والكربونيل والأمين). يمكن أن تؤثر الاختلافات في تركيب WSOM على مسارات الأيض الميكروبي، وقد تُحدث تحولات في بنية ووظيفة المجتمع الميكروبي. لذا، يُعدّ توضيح التغيرات الديناميكية والتتابع البنيوي لكسور الكربون العضوي في WSOM أمرًا بالغ الأهمية لفهم آليات التحلل وتحسين كفاءة استغلال النفايات العضوية. وقد طُبقت على نطاق واسع تقنيات التحليل الطيفي والكروماتوغرافي وقياس الطيف الكتلي والمجهر الإلكتروني والتقنيات الكهروكيميائية، واعتُبرت الأساليب الطيفية واعدة بشكل خاص في توصيف كسور الكربون العضوي والمجموعات الوظيفية والتطور البنيوي.
 
تُصمَّم مُحسِّنات التربة التقليدية عادةً لتحسين بنية تجمعات التربة، وبالتالي تعتمد بشكل أساسي على الكربون العضوي الجزيئي عالي الوزن الجزيئي (HMOC)، بينما لم يحظَ دور الكربون العضوي الميكروبي (SMOC) في تحفيز عمليات الأيض الميكروبي وتعزيز دورة المغذيات باهتمام كافٍ. وانطلاقًا من هذه الفجوة المفاهيمية، لا تدّعي هذه الدراسة أداء مُحسِّنات التربة، بل تُؤسِّس إطارًا لتوصيف مُجزَّأ لتحديد كيفية إعادة تشكيل استراتيجيات التسميد المختلفة لكسور الكربون في المادة العضوية الذائبة في الماء (WSOM). وعلى وجه التحديد، نقارن بين التسميد التقليدي (CK)، والتلقيح المرحلي (JJ)، وعملية التسميد الحراري قصيرة الدورة (RC) من خلال دمج تجزئة الوزن الجزيئي القائمة على الترشيح الفائق مع تحليل EEM-FRI/PARAFAC، وتحليل المجموعات الوظيفية باستخدام FTIR، والمؤشرات البصرية المُستمدة من الأشعة فوق البنفسجية والمرئية. نفترض أن هذه الاستراتيجيات ستُظهر مسارات تحوّل مُختلفة للمادة العضوية الذائبة في الماء، تنعكس في اختلافات توزيع الوزن الجزيئي والبصمات الطيفية/البصرية وتغيرها المُتزامن مع المعايير الفيزيائية والكيميائية الرئيسية (الأس الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، والمادة العضوية، والكربون العضوي الكلي). لم يتم تقييم مقاييس جودة السماد الموحدة (مثل العناصر الغذائية والمعادن الثقيلة والسمية النباتية) ونقاط نهاية أداء التربة/النبات هنا، وبالتالي تم تحديدها كأولويات للتحقق المستقبلي.
 
2. المواد والأساليب
 
2.1 جمع العينات وإعدادها
 
تم جمع عينات من مخلفات الطعام من المقاهي المحلية وتجانسها. وشملت الخصائص الأولية محتوى الرطوبة، والكربون العضوي الكلي (TOC)، والنيتروجين الكلي (TN)، ونسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N).
 
2.2 تجربة التسميد
 
أُجريت عملية التسميد في مفاعلات معزولة سعة 50 لترًا في ظل ظروف تهوية ورطوبة مضبوطة. وتم رصد درجة الحرارة ودرجة الحموضة ومحتوى الرطوبة يوميًا. وجُمعت العينات في مراحل التسميد الرئيسية: المرحلة الأولية (اليوم 0)، ومرحلة الاحترار (الأيام 5-15)، ومرحلة التبريد (اليوم 20)، ومرحلة النضج (اليوم 40).
 
2.3 تجزئة الكربون العضوي
 
تم فصل الكربون العضوي باستخدام أغشية الترشيح الفائق إلى ثلاث فئات من حيث الوزن الجزيئي: مرتفع (>10 كيلو دالتون)، متوسط ​​(1-10 كيلو دالتون)، ومنخفض (<1 كيلو دالتون). تم تحليل كل جزء من حيث التركيز، والتركيب الكيميائي باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، ودرجة التحلل.
 
تحليل البيانات شنومكس
 
تم تحليل التغيرات في نسب الكربون العضوي بمرور الوقت إحصائياً لتحديد الاتجاهات والارتباطات مع معايير التسميد.
 
3. النتائج والمناقشة
 
3.1 ديناميكيات كسور الكربون العضوي
 
انخفضت نسبة الكربون ذي الوزن الجزيئي العالي بشكل ملحوظ خلال المرحلة المحبة للحرارة، مما يشير إلى التحلل الميكروبي السريع للسكريات المتعددة والبروتينات غير المستقرة. وأظهرت الأجزاء ذات الوزن الجزيئي المتوسط ​​انخفاضًا تدريجيًا، مما ساهم في تكوين المواد الدبالية. أما الكربون ذو الوزن الجزيئي المنخفض، فقد ازداد في البداية نتيجة لتحلل الجزيئات الأكبر حجمًا، ولكنه انخفض خلال مرحلة النضج مع تحوله إلى معادن بواسطة الميكروبات.
 
3.2 التحلل والتركيب الكيميائي
 
كشف تحليل FTIR عن زيادة في نسبة المركبات العطرية وتعقيد المجموعات الوظيفية في الأجزاء ذات الوزن الجزيئي المتوسط ​​والعالي، مما يشير إلى تحولها إلى مواد شبيهة بالدبال. وقد ازداد مؤشر التحلل بشكل مطرد، مما يؤكد استقرار السماد بمرور الوقت.
 
3.3 الآثار المترتبة على إدارة التسميد
 
تشير النتائج إلى أن التحكم في التوازن بين أجزاء الوزن الجزيئي يمكن أن يحسن النشاط الميكروبي وتكوين الدبال. وقد تعزز استراتيجيات مثل ضبط التهوية والرطوبة خلال المرحلة المحبة للحرارة تحويل الكربون العضوي ذي الوزن الجزيئي العالي إلى مواد دبالية مستقرة.
 
4. اختتام
 
يخضع الكربون العضوي في سماد مخلفات الطعام لتحولات كبيرة عبر مختلف فئات الوزن الجزيئي. تتحلل الفئات ذات الوزن الجزيئي العالي بسرعة، بينما تلعب الفئات ذات الوزن الجزيئي المتوسط ​​والمنخفض أدوارًا حاسمة في عملية التحلل واستقرار السماد. إن فهم هذه الديناميكيات من شأنه أن يحسن كفاءة التسميد وجودة المنتج النهائي.