ما الذي يجعل الأشياء تتحلل حيوياً؟
الخصائص الكيميائية والبيولوجية وراء التحلل الطبيعي للمواد العضوية
كثيراً ما يستخدم مصطلح ”متحلل حيوياً“ Biodegradable لوصف قدرة المادة على أن تتحلل بشكل طبيعي بواسطة البيئة من خلال عملية تعرف بالتحلل الحيوي ،Biodegradationوخلال هذه العملية، تمزّق المواد العضوية، مثل تلك الموجودة في النباتات والحيوانات، وتفكك وتُهضم من قبل الفطريات والميكروبات. ما يتبقى هو الكتلة الحيوية الغنية بالمغذيات التي تعزز نمو النباتات والحيوانات الجديدة في عملية متكررة ومستدامة – إنها حرفياً دائرة الحياة.
يعد انتقال الكربون أحد أهم جوانب التحلل الحيوي. كثيراً ما يشار إلى هذه المهمة الطبيعية ببساطة بدورة الكربون Carbon cycle، وهي تساعد على تنظيم درجة حرارة الكوكب، فضلاً عن توفير الغذاء والطاقة لسكانه. خلال الدورة، يُستبدل الكربون بالأكسجين الموجود في الغلاف الجوي من خلال البناء (التمثيل) الضوئي Photosynthesis في النباتات، التي تخزّنه بعد ذلك في المادة النباتية. ينتقل هذا الكربون إلى الحيوان الذي يأكل النبات، ثم إلى الحيوان الذي يلتهم ذلك الحيوان، وهكذا، عبر السلسلة الغذائية. عند موت النباتات والحيوانات، يعود هذا الكربون إلى الأرض من خلال التحلل الحيوي، حيث يتغذى عدد لا يحصى من المكروبات على المواد العضوية، فتطلق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لبدء الدورة من جديد.
خارج الترتيب الطبيعي للأشياء، تُستخدم كلمة ”متحلل حيوياً“ كملصق لوصف المنتجات والمعلبات القابلة للتحلل الحيوي، على عكس المواد غير المتحللة حيوياً مثل البلاستيك والزجاج والمعادن. عندما نتخلص من نفاياتنا، عادة ما ينتهي الأمر بها في واحد من 3 أماكن: محرقة، أو مكب للنفايات، أو مركز لإعادة التدوير. كما يوحي الاسم، تحرق المحارق Incinerators النفايات وتحولها إلى رماد وغازات، في حين تسعى مراكز إعادة التدوير إلى تحويل المواد إلى شيء مفيد. أما مكبات النفايات Landfill sites؛ فهي أماكن يمكن أن يحدث فيها التحلل الحيوي. يحدث ذلك في ظل واحدة من حالتين: هوائياً، بمساعدة الأكسجين، أو لاهوائياً، من دون أكسجين. بسبب البنية المضغوطة لمكبات النفايات، كثيراً ما يحدث التحلل الحيوي لاهوائياً، وهو أبطأ الحالتين. وجدت بعض الدراسات أنه يمكن التعرف على هوية المواد الغذائية مثل العنب وأكواز الذرة بعد 25 سنة من إلقائها في مكب النفايات. وفي الوقت نفسه، في بيئة قابلة للتسميد غنية بالأكسجين، قد يستغرق الأمر أسابيع فقط حتى تتحلل.
كثيراً ما تُستخدم عبارة ”متحلل حيوياً“ بالتبادل مع ”قابل للتسميد“ Compostable، لكنهما أمران مختلفان تماماً. من أجل اعتبار منتج أو مادة قابلة للتسميد، يجب ألا تنبعث منها مواد كيميائية أو مواد ضارة أثناء عملية التحلل الحيوي. فهناك بعض الحالات التي تصنّف فيها مواد مثل البلاستيك على أنها متحللة حيوياً، لكنها تطلق موادَّ كيميائية سامة في البيئة خلال هذه العملية.
ننتج سنوياً نحو 380 مليون طن من المواد البلاستيكية غير المتحللة حيوياً، ويُعاد تدوير 50% فقط منها. تصنع المواد البلاستيكية التقليدية المرتكزة على البترول من الزيوت والغازات التي تشكل سلاسل جزيئية قوية تسمى البوليمرات Polymers. هذه السلاسل من القوة بحيث لا يمكن تفكيكها عن طريق التحلل الحيوي وحده، لكن بعض المواد البلاستيكية المتحللة حيوياً هي أكثر ملاءمة للبيئة.
اللدائن الحيوية Bioplastics والبلاستيك المتحلل حيوياً شيئان مختلفان. تصنّع اللدائن الحيوية من مادة نباتية طبيعية تُعالج كيميائياً عادة لتكوين بلاستيك بوليمري قوي يسمى حمض البولي لاكتيك Polylactic أو البولي لاكتيد Polylactide. فعلى الرغم من أن المواد البلاستيكية المتحللة حيوياً لا تزال تستخدم المواد الخام مثل النفط، إلا أن مركبات كيميائية مختلفة تُضاف لتمكين البلاستيك من ”التحلل حيوياً“ في الظروف المناسبة، مثل درجات الحرارة المرتفعة وتحت الأشعة فوق البنفسجية. على الرغم من أن المواد البلاستيكية المتحللة حيوياً تتحلل بوتيرة أسرع بكثير من الأنواع غير المتحللة حيوياً، إلا أنها تستغرق ما بين 3و6 أشهر، إلا أنها تطلق مواد كيميائية ضارة في البيئة إذا لم يُتخلص منها بشكل صحيح. من ناحية أخرى، لا تطلق اللدائن الحيوية مثل هذه المواد الكيميائية السامة. بالطريقة نفسها التي تطرح بها المواد العضوية الكربون أثناء تحللها، تُطلق اللدائن الحيوية أيضاً الكربون المخزّن في المادة النباتية بداخلها. على الرغم من المخاطر التي تتعرض لها البيئة، وجدت اللدائن الحيوية صعوبة في مضاهاة شعبية البدائل غير المتحللة حيوياً. في عام 2022، لم يُنتج سوى 1,142 طناً من اللدائن الحيوية على مستوى العالم.
دورة الكربون
كيف يعيد التحلل الحيوي الكربون إلى الأرض ليطلقه مرة أخرى
1 مواد عضوية ORGANIC MATERIAL
تمتلئ المواد العضوية بذرات الكربون التي يُعاد تدويرها في البيئة من خلال التحلل الحيوي.
2 الانحلال DECOMPOSITION
تتحلل المواد العضوية إلى أجزاء أصغر، إما بفعل القوى الفيزيائية مثل الرياح والأمطار أو بواسطة الكائنات الحية في التربة، مثل الفطريات واللافقاريات.
3 الهضم DIGESTION
بمرور الوقت، تجهز الميكروبات مثل البكتيريا على ما يتبقى من المواد العضوية وتستقلبها.
4 المنتجات الثانوية BYPRODUCTS
بمجرد تكسير المواد العضوية بالكامل والتهامها، فإن ما يتبقى هو 3 منتجات ثانوية: ثاني أكسيد الكربون والماء غنية بالكربون تسمى الكتلة الحيوية .Biomass
5 التمثّل ASSIMILATION
بعد ذلك، تُتمثّل Assimilatedالمنتجات الثانوية للتحلل الحيوي في البيئة مرة أخرى، وتُستخدم لتعزيز النمو الجديد للمواد العضوية.
5 مواد متحللة حيوياً
1 الورق المقوّى
يُنتج نحو 72 مليون طن من الورق المقوى سنوياً في معظم أنحاء العالم. يُصنع الورق المقوى من ألياف طبيعية تستغرق نحو شهرين حتى تتحلل.
2 الورق
تستغرق أغلفة المنتجات الورقية نحو 2 إلى 6 أسابيع حتى تتحلل. يمكن إعادة تدوير ألياف السليلوز Cellulose التي يتكون منها الورق، وهي مادة يشيع إعادة تدويرها، من 5 إلى 7 مرات، قبل أن تصير أضعف من أن تشكّل الورق.
3 الخيزران
لكونه مصنوعاً من نبات الخيزران السريع النمو (بامبوسا فولغاريس Bambusa vulgaris)، يمكن أن يتحول هذا النوع من المواد المتحللة حيوياً إلى سماد في غضون 6 أشهر.
4 نشا الذرة
كبديل لحبيبات التغليف المصنوعة من البوليسترين Polystyrene peanuts، تستغرق حبيبات التغليف المصنوعة من نشا الذرة نحو 90 يوماً لتتحلل بل وتذوب في الماء.
5 نسيج عضوي
تتحلل المواد العضوية مثل القطن أو القنب Hemp بوتيرة مختلفة. وقد يستغرق القطن عدة أشهر ليتحلل، في حين يستغرق القنب أسبوعين فقط.
زجاج متحلل حيوياً
يُصنع الزجاج عادة عن طريق تسخين مواد خام طبيعية مثل الرمال أو الحجر الجيري. نظراً لكونه مادة صلبة غير متحللة حيوياً، فإن الطريقة الوحيدة التي يمكن أن يتحلل بها الزجاج في البيئة تتم من خلال القوى الفيزيائية مثل الرياح والمياه، والتي قد تستغرق ما يصل إلى 4,000 سنة. في مارس 2023، ابتكر باحثون في الأكاديمية الصينية للعلوم Chinese Academy of Sciences زجاجاً تجريبياً مصنوعاً من الأحماض الأمينية المعدلة والببتيدات. في الطريقة الجديدة، تسخّن الأحماض الأمينية وتُخضع للمعالجة بالتبريد الفائق، ثم تُغمر في الماء، لتشكيل مادة شفافة تشبه الزجاج بسرعة. وعند إجراء اختبار التحلل الحيوي، اكتشف الباحثون أن المادة الزجاجية الجديدة تكسرت بفعل الميكروبات في التربة في غضون 3 إلى 7 أشهر. وكذلك ابتلعت الفئران الخرز الزجاجي دون أن تتعرض لأي ضرر وبدا أنها تتحلل حيوياً في الجسم، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في صنع الأدوية.
تستغرق نحو مليون سنة لكي تتحلل.
زراعة البلاستيك
كيف تُهندس اللدائن الحيوية كيميائياً من نباتات المحاصيل
1 المواد النباتية PLANT MATERIALS
تأتي اللبنات الأساسية للدائن الحيوية من مصادر طبيعية مثل الذرة والبقوليات والمنيهوت وقصب السكر.
2 الانحلال DISSOLUTION
تتفكك المادة النباتية إلى نشا وبروتينات وألياف باستخدام أحماض مختلفة.
3 تحويل النشا TRANSFORMING STARCH
بعد ذلك، يُفصل النشا عن باقي المحلول، ويخمّر ويحوّل إلى حمض اللاكتيك Lactic acid.
4 سلاسل الربط LINKING CHAINS
يتكون النشا من عدد كبير من سلاسل الكربون، على غرار تلك الموجودة في المواد البلاستيكية غير المتحللة حيوياً.
5 عملية التشكّل FORMING PROCESS
تحقن سلاسل الجزيئات الطويلة لحمض اللاكتيك في قالب وتسخّن لتشكيلها بالشكل المطلوب.
6 التحلل الحيوي BIODEGRADATION
يمكن للمكروبات تكسير اللدائن الحيوية طبيعياً، ومن ثم إطلاق ثاني أكسيد الكربون والماء والكتلة الحيوية في هذه العملية.
7 يذهب، يذهب، ذهب GOING, GOING, GONE
تستغرق اللدائن الحيوية نحو 12 أسبوعاً لكي تتحلل.
بقلم: سكوت داتفيلد
