ما هي تطبيقات المواد الفعالة بالسطح الحيوي في الهندسة البيئية؟

تُلحق العديد من المواد الخافضة للتوتر السطحي المُصنّعة كيميائيًا ضررًا بالبيئة نظرًا لضعف قابليتها للتحلل البيولوجي، وسميتها، وميلها للتراكم في النظم البيئية. في المقابل، تُعدّ المواد الخافضة للتوتر السطحي البيولوجية - التي تتميز بسهولة تحللها البيولوجي وعدم سميتها للنظم البيئية - أنسب لمكافحة التلوث في الهندسة البيئية. على سبيل المثال، يمكن استخدامها كعوامل تجميع عائمة في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي، حيث تمتص على الجسيمات الغروية المشحونة لإزالة أيونات المعادن السامة، أو يمكن استخدامها لمعالجة المواقع الملوثة بالمركبات العضوية والمعادن الثقيلة.

1. تطبيقات في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي​

عند معالجة مياه الصرف الصحي بيولوجيًا، غالبًا ما تُثبّط أيونات المعادن الثقيلة أو تُسمّم المجتمعات الميكروبية في الحمأة المنشطة. لذا، تُعدّ المعالجة المسبقة ضرورية عند استخدام الطرق البيولوجية لمعالجة مياه الصرف الصحي المحتوية على أيونات المعادن الثقيلة. حاليًا، تُستخدم طريقة الترسيب بالهيدروكسيد على نطاق واسع لإزالة أيونات المعادن الثقيلة من مياه الصرف الصحي، إلا أن كفاءة الترسيب فيها محدودة بسبب ذوبان الهيدروكسيدات، مما يؤدي إلى نتائج عملية دون المستوى الأمثل. من جهة أخرى، غالبًا ما تكون طرق التعويم محدودة بسبب استخدام مُجمّعات التعويم (مثل دوديسيل كبريتات الصوديوم، وهو مُركّب سطحي مُصنّع كيميائيًا) التي يصعب تحللها في مراحل المعالجة اللاحقة، مما يؤدي إلى تلوث ثانوي. بالتالي، ثمة حاجة لتطوير بدائل قابلة للتحلل الحيوي بسهولة وغير سامة بيئيًا، وتتميز المواد السطحية البيولوجية بهذه المزايا تحديدًا.

2. تطبيقات في المعالجة الحيوية​

في سياق استخدام الكائنات الدقيقة لتحفيز تحلل الملوثات العضوية، وبالتالي معالجة البيئات الملوثة، توفر المواد الفعالة بالسطح البيولوجية إمكانات كبيرة للمعالجة الحيوية في الموقع للمواقع الملوثة عضوياً. ويعود ذلك إلى إمكانية استخدامها مباشرة من مزارع التخمير، مما يلغي التكاليف المرتبطة بفصل المواد الفعالة بالسطح واستخلاصها وتنقية المنتج.

2.1 تعزيز تحلل الألكانات​

تُعدّ الألكانات المكونات الأساسية للبترول. وخلال عمليات استكشاف البترول واستخراجه ونقله ومعالجته وتخزينه، تُلوّث مخلفات البترول حتمًا التربة والمياه الجوفية. ولتسريع تحلل الألكانات، يُمكن إضافة مواد خافضة للتوتر السطحي بيولوجية لتعزيز خاصية استرطاب المركبات الكارهة للماء وقابليتها للتحلل الحيوي، وزيادة أعداد الكائنات الحية الدقيقة، وبالتالي تحسين معدل تحلل الألكانات.

2.2 تعزيز تحلل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs)​​

حظيت المركبات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) باهتمام متزايد نظرًا لتأثيراتها المسرطنة الثلاثة (السرطانية، والمشوهة للأجنة، والمطفرة). وقد صنفتها العديد من الدول ضمن الملوثات ذات الأولوية. وأظهرت الدراسات أن التحلل الميكروبي هو المسار الرئيسي لإزالة هذه المركبات من البيئة، وأن قابليتها للتحلل تقل مع ازدياد عدد حلقات البنزين: فالمركبات التي تحتوي على ثلاث حلقات أو أقل تتحلل بسهولة، بينما يصعب تحلل تلك التي تحتوي على أربع حلقات أو أكثر.

2.3 إزالة المعادن الثقيلة السامة​

تتميز عملية تلوث التربة بالمعادن الثقيلة السامة بالتخفي والاستقرار وعدم إمكانية عكسها، مما يجعل معالجة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة محورًا بحثيًا رئيسيًا في الأوساط الأكاديمية. تشمل الطرق الحالية لإزالة المعادن الثقيلة من التربة التزجيج والتثبيت والمعالجة الحرارية. ورغم أن التزجيج ممكن تقنيًا، إلا أنه يتطلب جهدًا هندسيًا كبيرًا وتكاليف باهظة. أما عمليات التثبيت فهي قابلة للعكس، مما يستلزم مراقبة مستمرة لفعالية المعالجة بعد تطبيقها. وتُعد المعالجة الحرارية مناسبة فقط للمعادن الثقيلة المتطايرة (مثل الزئبق). ونتيجة لذلك، شهدت طرق المعالجة البيولوجية منخفضة التكلفة تطورًا سريعًا. في السنوات الأخيرة، بدأ الباحثون باستخدام مواد فعالة سطحية بيولوجية غير سامة بيئيًا لمعالجة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة.