תַקצִיר
כיצד הייתם מגיבים לוּ היו אומרים לכם כי ישנם מיקרואורגניזמים ’טובים’ שיכולים לאכול זבל? אומנם קיימים מאמרים ודוחות המְּתארים מיקרואורגניזמים כגורמים ’רעים’ שעלולים לחולל מחלות. אך ישנם גם מיקרואורגניזמים ’טובים’ שביכולתם לאכול זבל אורגני (כמו קליפות בננה וירקות ישנים), המושלך לאשפה בבתים ובמסעדות. מיקרואורגניזמים אלה משתמשים בזבל לייצור אנרגיה בצורת מימן, שבו ניתן להשמש כדלק למכוניות שלנו. התהליך של הפיכת פסולת אורגנית לאנרגיה מכונה ’עיכול אַנְאֵירוֹבִּי’ (Dark fermentation). בתהליך זה מיוצרות גם תרכובות מועילות נוספות, אשר יכולות לשמֵּש לייצור מזון, תרופות, משקאות ודברים שימושיים אחרים. במאמר זה נדון בתהליך העיכול האנאירובי ובתוצרים המתקבלים לאורך הדרך.
מיקרואורגניזמים שאוכלים זבל
מיקרואורגניזמים הם בין הדברים החיים הקטנים ביותר. למרות שאיננו יכולים לראותם אלא באמצעות מיקרוסקופ, מיקרואורגניזמים קיימים בכל מקום: על הידיים; בקיבה; על משטחי צעצועים וחפצים אחרים; וכמובן, על פני כל כדור הארץ – באוויר; בקרקע ובמים. על אף גודלם הזעיר, מיקרואורגניזמים הם יצורים מגוונים, ומצויים בכמויות עצומות. הם ממלאים תפקידים חשובים בתהליכים רבים המתרחשים בטבע. לדוגמה, ביכולתם לסייע בהֵרָקְבוּת של פסולת אורגנית, ובמִחְזוּרהּ.
פסולת אורגנית נוצרת על ידי אורגניזמים חיים, בכלל זה כל הפירות והירקות. האם אי פעם תהיתם מה קורה לפסולת הפירות והירקות שאתם זורקים לפח הזבל בבית או שמושלכת במסעדות? בדרך כלל, משאית זבל אוספת את האשפה ולוקחת אותה למִטְמָנָה (איור 1). במִּטמנות, הפסולת האורגנית מצטברת ונעלמת באיטיות רבה על פני תקופת זמן ארוכה. כשהיא מתפרקת, פסולת זו מייצרת תרכובות מסוכנות שעלולות לזהם את האוויר, את הקרקע ואת המים. לדוגמה, במהלך פירוק של פסולת אורגנית נוצר נוזל שחור המכונה ’תַּשְׁטִיף פסולת’. אם הנוזל הזה משתחרר אל הטבע, הוא מזהם את המים המשמשים לשתייה, ומשפיע על איכות הקרקע המשמשת לגידול חקלאי.
- איור 1 - תהליכי טיפול אפשריים בפסולת אורגנית.
- הפסולת האורגנית המיוצרת בבתים בדרך כלל מגיעה למטמנות, שָׁם היא מצטברת ונעלמת באיטיות רבה לאורך זמן. החלופה היא לְפָרֵק את הפסולת הזו בבִּיוֹרֵאַקְטוֹרִים (רְאו להלן במילון המונחים), המייצרים תוצרים בעלי עֵרֶךְ שיכולים לשמש לייצור תרופות, מזון, מוצרי קוסמטיקה וכן מימן. בגז המימן ניתן להשתמש לייצור אנרגיה. Bioreactor = ביוראקטור; Hydrogen = מימן; Liquid substances = חומרים נוזליים.
מה ביכולתנו לעשות כדי לִמְנוע הגעַת פסולת אורגנית לטבע? ובכן, ישנהּ דרך נוספת להתמודדות עם הזבל, שהיא נקייה וידידותית לכדור הארץ שלנו! אנו יכולים לשלֵּב את הפסולת האורגנית עם מיקרואורגניזמים מסוימים שהופכים אותה לתוצרים בעלי עֵרֶךְ. בתוצרים הללו ניתן להשתמש לייצור מזון, משקאות ותרופות. יתרה מזו, כשהם מְפָרקים את הפסולת האורגנית, מיקרואורגניזמים אלה מייצרים גז מימן. זהו גז מדהים שניתן להשתמש בו לייצור אנרגיה לתדלוק מכוניות. תהליך זה נקרא עיכול אַנְאֵירוֹבִּי [1].
מפסולת אורגנית לאנרגיה ולתרכובות בעלות עֵרֶךְ
כל הפסולת האורגנית עשויה אבני בניין זעירות בשם פַּחְמֵימוֹת. בתהליך העיכול האנאירובי משתתפים כמה מיקרואורגניזמים נהדרים שיכולים להפריד את אבני הבניין הללו, ולאכול אותן. הפחמימות מאפשרוֹת למיקרואורגניזמים לגדול, לייצר מיקרואורגניזמים נוספים, וליצור תרכובות המכונות חומצות אורגניות, וכן גז מימן.
כדי לתאר עיכול אנאירובי, נדמיין איך מכינים עוגה. מה דרוש לנו כדי להכין עוגה? ובכן, אנו זקוקים למצרכים (חלב, קמח, סוכר וכדומה); למישהו שיכין אותה; ולתנור. עבור העיכול האנאירובי נדרשים דברים דומים: בִּמקום מצרכים אנו זקוקים לפסולת אורגנית, ולמיקרואורגניזמים בתור הטבחים. את ה’מצרכים’ אנו מניחים בתוך תנור מיוחד שנקרא בִּיוֹרֵאַקְטוֹר (איור 1). בביוראקטור, המיקרואורגניזמים אחראים להתרחשות תהליך העיכול האנארובי, ומייצרים ’עוגה’ בעלת ’פרוסות’ בטעמים שונים. כל פרוסה מתאימה לתוצר שונה – לדוגמה, מימן; חומצה אָצֵטִית; חומצה בּוּטִירִית וחומצות אחרות. תהליך זה מכונה ’עיכול אנאירובי’ (בלַעַז Dark fermentation, ובתרגום מילולי: תסיסה חשוכה) משום שכדי לייצר את התוצרים בביוראקטור המיקרואורגניזמים אינם זקוקים לאור או לחמצן.
עבור מה משמשים התוצרים של עיכול אנאירובי?
אם כן, מה ניתן לעשות עם התרכובות שנוצרות על ידי עיכול אנאירובי? כפי שהזכרנו קודם, מימן הוא גז שאפשר להשתמש בו כדי לייצר אנרגיה להנעַת הָרְכָבִים שלנו [2]. רוב המכוניות צורכות בנזין כחומר דלק. אולם כשבנזין נשרף במנוֹעי המכוניות, נוצרים מזהמי אוויר. באופן מדהים, גז מימן אינו מייצר מזהמים, ובהשוואה לדלק שמקורו בבנזין, אנו זקוקים להרבה פחות גז מימן כדי לנסוע למרחקים ארוכים.
מה בנוגע לחומצות? חומצה אָצֵטִית משמשת בתהליך ייצור של תרופות וצבעים. חומצה בּוּטִירִית יכולה לשמש להכנַת מאכלים ומשקאות מסוימים, כמו חמאה ומשקאות תוססים [2]. חומצות אחרות עוזרות לשמור על טריוּת המזון לפֶרֶק זמן ממושך. בדרך כלל, החומצות הללו מיוצרות במפעלים שמשחררים מזהמים רבים, אשר עלולים לפגוע בכדור הארץ. בעיכול אנאירובי, החומצות הללו מיוצרות בדרך ’נקייה’, תוך שימוש בזבל שמקורו בבתים שלנו, בלי לייצר זיהום.
הסוף למִּטמנות?
אם זה נשמע כה נהדר, מדוע אנו ממשיכים לשלוח את הזבל שלנו למטמנות? מסתבר כי הטכנולוגיה הדרושה כדי להפוך את העיכול האנאירובי יעיל בקנה מידה גדול, עדיין נמצאת בשלבי פיתוח. כדי להבין למה, נחזור לדוגמת העוגה. באיור 2 ניתן לראות את פרוסות העוגה בטעמים השונים, שמתקבלות מ’אפייה’ של פסולת אורגנית בביוראקטור. תוכלו לראות שהפרוסה הגדולה ביותר תואמת למיקרואורגניזמים (שמִתרבים בביוראקטור), ולגז בשם פחמן דו-חמצני (CO2). הפרוסות הבאות בגודלן הן החומצה האצטית והחומצה הבוטירית. לבסוף, פיסת המימן היא הקטנה ביותר [2]. יש צורך במחקר נוסף בנושא עיכול אנאירובי, כדי להגדיל את כמויות המימן במידה שתהיה מועילה, ולהקטין את פרוסות המיקרואורגניזמים והפחמן הדו-חמצני. התפקיד שממלא הפחמן הדו-חמצני בהתחממות העולמית ידוע לכול. כיוון שהעיכול האנאירובי הוא חלופה ידידותית לכדור הארץ, עָלֵינו להימנע משחרור לאוויר של הפחמן הדו-חמצני שנוצר ב’תנור האפייה’ לאורך התהליך. את הפחמן הדו-חמצני שנוצר בתהליך ניתן לאחסן, ולהשתמש בו עבור אפשרויות רבות שאינן מזיקות לכדור הארץ, לדוגמה, לגידול אַצּוֹת מסוימות.
- איור 2 - תהליך העיכול האנאירובי המתרחש בביוראקטור.
- בתהליך זה נוצרות ’פרוסות’ של תרכובות שונות. הפרוסה הגדולה ביותר היא של מיקרואורגניזמים ושל פחמן דו-חמצני (Microbes & CO2), אחריה פרוסות של כמה חומצות (Acids), ולבסוף, פרוסת המימן (Hydrogen). Acetic acid = חומצה אצטית; Butyric acid = חומצה בוטירית; Other acids = חומצות אחרות.
כיצד ביכולתנו להגביר את יעילוּת המיקרואורגניזמים הללו ולשפר את העיכול האנאירובי? התשובה היא להמריץ אותם לעבודה קשה יותר. כדי לגרום למיקרואורגניזמים לעבוד קשה יותר, צריך שהמזון בביוראקטור והתנאים האחרים המתקיימים שָׁם יהיו מושלמים. קבוצת המחקר שלנו חוקרת דרכים שונות לשיפור העיכול האנאירובי. לדוגמה, אנו ממריצים את המיקרואורגניזמים בביוראקטור על ידי הוספה של מיקרואורגניזמים נוספים, במטרה להפוך את התהליך מהיר יותר ויעיל יותר. באופן זה, באפשרותנו להכפיל את גודל ’פרוסת’ המימן [3].
סיכום
מאמר זה מסביר כי ישנם מיקרואורגניזמים שיכולים לאכול את הפסולת האורגנית מהבתים שלנו ומהמסעדות שלנו, וּלְפָרְקָהּ באמצעות תהליך בשם ’עיכול אנאירובי’. מיקרואורגניזמים אלה מייצרים תרכובות בעלות ערך, בכלל זה חומצה אצטית וחומצה בוטירית, שיכולות לשמש לייצור תרופות, מזון ומוצרים נוספים שאנו משתמשים בהם ביומיום. כמו כן המיקרואורגניזמים הללו מייצרים גם מימן, שיכול לשמֵּש אנרגיה להנעַת המכוניות שלנו. לעיכול האנאירובי יש פחות השפעות שליליות על כדור הארץ בהשוואה להשלכַת פסולת אורגנית למטמנה, אך עדיין צריך לשפר את התהליך לפני שניתן יהיה להשתמש בו בקנה מידה נרחב. ברחבי העולם, מדענים רבים חוקרים דרכים להפוך את הפסולת האורגנית לחומרים שימושיים על ידי שיפור תהליך העיכול האנאירובי.
מימון
מחקר זה נתמך כלכלית על ידי פרויקט CONACYT, A1-S-37174.
מילון מונחים
הֵרָקְבוּת (Decomposition): ↑ פירוק (על ידי מיקרואורגניזמים) של תרכובת העשויה שרשראות של יחידות חומר אורגני.
פסולת אורגנית (Organic Garbage): ↑ חומרים המגיעים מִצֶּמַח או מֵחַיָּה, שאותם מיקרואורגניזמים יכולים לְפָרֵק.
מימן (Hydrogen): ↑ הגז הקל ביותר בעל הערך האנרגטי הגבוה ביותר. זהו גם היְּסוֹד שמצוי בכמויות הגדולות ביותר ביקום.
עיכול אַנְאֵירוֹבִּי (Dark Fermentation): ↑ תהליך טבעי שבמהלכו מיקרואורגניזמים מסוימים צורכים פחמימות כדי לגדול, להִתרבּוֹת ולייצר תרכובות כמו חומצות אורגניות וגז מימן.
פַּחְמֵימוֹת (Carbohydrates): ↑ מורכבוֹת מאבני בניין העשויות סוכרים. זהו מקור האנרגיה העיקרי של כל הדברים החיים.
חומצות אורגניות (Organic Acids): ↑ חומרים העשויים פחמן, מימן וחמצן. החומצות האורגניות קיימות באופן טבעי בחלק מהפירות ומהירקות.
בִּיוֹרֶאַקְטוֹר (Bioreactor): ↑ כלי שבו המיקרואורגניזמים יכולים לִחְיות, לגדול ולבצע את פעילויותיהם, כמו הירקבות.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
תודות
JM-R מודֶה על המלגה לתארים מתקדמים מטעם CONACYT.
הצהרת כלי בינה מלאכותית
טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.
מקורות
[1] ↑ Dahiya, S., Chatterjee, S., Sarkar, O., and Mohan, S. V. 2021. Renewable hydrogen production by dark-fermentation: current status, challenges and perspectives. Bioresour. Technol. 321:124354. doi: 10.1016/j.biortech.2020.124354
[2] ↑ Jarunglumlert, T., Prommuak, C., Putmai, N., and Pavasant, P. 2018. Scaling-up bio-hydrogen production from food waste: feasibilities and challenges. Int. J. Hydrogen Energy. 43:634–48. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.10.013
[3] ↑ Montoya-Rosales, J. de J., Palomo-Briones, R., Celis, L. B., Etchebehere, C., and Razo-Flores, E. 2020. Discontinuous biomass recycling as a successful strategy to enhance continuous hydrogen production at high organic loading rates. Int. J. Hydrogen Energy. 45:17260–9. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.265