DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33712-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513873
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Nabeel Liaqat وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطبيقات الميكروبية في مواد البناء
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة دور إنزيم الكربونيك أنهيدراز (CA) في تعزيز قدرة امتصاص واحتجاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في مواد البناء القلوية المختلفة، بما في ذلك الجير المائي، الأسمنت البورتلاندي، الرماد المتطاير، والخَبَث. باستخدام إمداد CO₂ تحت التحكم في تدفق الكتلة وتتبع الوزن، وجد الباحثون أن CA زاد من إجمالي امتصاص CO₂ بنسبة تتراوح بين 71 إلى 89 في المئة عبر جميع المواد المختبرة. على وجه التحديد، حقق الجير المائي احتجاز CO₂ بمعدل 474.1 ملغ جرام⁻¹، بينما وصل الأسمنت، الرماد المتطاير، والخَبَث إلى 285.9 ملغ جرام⁻¹، 308.3 ملغ جرام⁻¹، و312.4 ملغ جرام⁻¹، على التوالي. كما أظهرت الدراسة أن الإنزيم حسّن بشكل كبير من ديمومة احتجاز CO₂، مع ملاحظة احتجاز شبه كامل في عدة حالات، مما يتناقض مع ديمومة ضئيلة في ضوابط الماء.
تشير النتائج إلى أن CA يسرع من ترطيب CO₂، مما يسهل تحويله إلى بيكربونات ويعزز التفاعلات السريعة مع الكاتيونات المتاحة مثل الكالسيوم والمغنيسيوم. يسمح هذا التأثير الحفزي للمواد التي تمتص CO₂ ببطء عادةً بتخزين الكربون بشكل أكثر فعالية. علاوة على ذلك، احتفظت قابلية إعادة استخدام الإنزيم على مدار أربع دورات بـ 87.9 في المئة من أدائه الأولي، مما يشير إلى إمكانيته في تطبيقات التقاط الكربون القابلة للتوسع. يمثل دمج الكربونيك أنهيدراز مع المنتجات الثانوية الصناعية القلوية طريقة مستدامة لالتقاط CO₂، مما يساهم في جهود التخفيف من تغير المناخ، لا سيما في عمليات البناء والصناعة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز متانة الإنزيم وأدائه تحت الظروف القلوية لتسهيل تطبيقه العملي في تحقيق أهداف الحياد الكربوني العالمية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لمعالجة تغير المناخ العالمي، الذي يقوده بشكل أساسي ارتفاع مستويات غازات الدفيئة، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO₂). اعتبارًا من أغسطس 2025، وصلت تركيزات CO₂ في الغلاف الجوي إلى 425.48 جزء في المليون، وهو ارتفاع كبير من 317.45 جزء في المليون في أبريل 1958، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الأنشطة البشرية مثل البناء، احتراق الوقود الأحفوري، وإزالة الغابات. للتخفيف من هذه الانبعاثات، اكتسبت تقنيات التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) زخمًا، مع التركيز على التقاط CO₂ من مصادر مثل محطات الطاقة والمواقع الصناعية للاستخدام أو التخزين الدائم.
تم تحديد صناعة البناء كمساهم رئيسي في انبعاثات CO₂ الناتجة عن الأنشطة البشرية، مما يجعل من الضروري تطوير استراتيجيات لتقليل هذه الانبعاثات. تتضمن إحدى الطرق الواعدة امتصاص CO₂ وثباته باستخدام المواد القلوية، التي تتفاعل مع CO₂ المذاب لتكوين معادن كربونية مستقرة مثل كربونات الكالسيوم (CaCO₃) وكربونات المغنيسيوم (MgCO₃). تسهل هذه العملية ارتفاع الرقم الهيدروجيني ووفرة الكاتيونات التفاعلية في الظروف القلوية، مما يعزز الاحتجاز الدائم لـ CO₂. بالإضافة إلى ذلك، فإن كربنة المواد النفايات القلوية، مثل الرماد المتطاير والخَبَث، لا تساعد فقط في امتصاص CO₂ ولكن أيضًا تحسن من خصائص الأسمنت والخرسانة. تذكر المقدمة أيضًا إمكانيات تقنيات التقاط CO₂ المعتمدة على الإنزيمات، التي تقدم بدائل فعالة وصديقة للبيئة للعمليات الصناعية، متفوقة بشكل كبير على المحفزات غير العضوية التقليدية.
طرق البحث
استخدمت الدراسة عدة مواد رئيسية، بما في ذلك إنزيم الكربونيك أنهيدراز، الجير المائي، الرماد المتطاير، الخَبَث، الأسمنت، الماء منزوع الأيونات، واسطوانة غاز CO₂، للتحقيق في تأثيرات هذه المكونات في بيئة خاضعة للتحكم. تضمنت الإعدادات التجريبية الحصول على أسطوانات غاز CO₂ وN₂ من Airgas، والتي كانت ضرورية لتوفير الغاز خلال التجارب. كانت كل أسطوانة مزودة بمنظم ضغط منخفض لضمان مستويات ضغط آمنة ومتسقة، بينما كانت خطوط الغاز المنظمة متصلة بأجهزة التحكم في تدفق الكتلة (MFCs) من سلسلة Alicat BASIS™، مما يسمح بالتحكم الدقيق في معدلات تدفق الغاز طوال العملية التجريبية.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على الدور المهم لإنزيم الكربونيك أنهيدراز (CA) في تعزيز قدرة امتصاص CO₂ لمواد قلوية مختلفة، بما في ذلك الجير المائي، الأسمنت، الرماد المتطاير، والخَبَث. لا يسرع دمج CA من ترطيب CO₂ القابل للعكس إلى بيكربونات فحسب، بل يسهل أيضًا التمعدن اللاحق إلى كربونات مستقرة، مما يحسن من كل من الديناميات وديمومة التقاط CO₂. توضح الدراسة أن المواد المعالجة بـ CA تظهر زيادة ملحوظة في امتصاص CO₂ مقارنةً بالعينات غير المعالجة، حيث أظهر الجير المائي أكبر زيادة في تثبيت CO₂ الدائم، حيث ارتفع من حوالي 93.33 ملغ/جرام إلى 419.67 ملغ/جرام مع إضافة الإنزيم.
علاوة على ذلك، تؤكد التحليلات الإحصائية على أهمية هذه التحسينات، مع قيم p منخفضة (p < 0.01) تشير إلى أن الأنظمة المدعومة بالإنزيم تحقق زيادات ذات دلالة إحصائية في امتصاص CO₂ عبر جميع المواد المختبرة. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام CA بالتزامن مع المنتجات الثانوية الصناعية لتطوير استراتيجيات فعالة لالتقاط الكربون، مما يتماشى مع أهداف التنمية المستدامة ويساهم في جهود التخفيف من تغير المناخ. كما تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لتفاعلات CA ضمن مصفوفات صلبة-سائلة معقدة، لا سيما في التطبيقات الواقعية التي تشمل مواد البناء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33712-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513873
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Nabeel Liaqat et al.
Primary Topic: Microbial Applications in Construction Materials
Overview
This study investigates the role of carbonic anhydrase (CA) in enhancing the carbon dioxide (CO₂) uptake and retention capabilities of various alkaline construction materials, including hydrated lime, Portland cement, fly ash, and slag. Using a mass-flow-controlled CO₂ supply and gravimetric tracking, the researchers found that CA increased total CO₂ uptake by 71 to 89 percent across all materials tested. Specifically, hydrated lime achieved a CO₂ retention of 474.1 mg g⁻¹, while cement, fly ash, and slag reached 285.9 mg g⁻¹, 308.3 mg g⁻¹, and 312.4 mg g⁻¹, respectively. The study also demonstrated that the enzyme significantly improved the permanence of CO₂ retention, with nearly complete retention observed in several cases, contrasting with negligible permanence in water controls.
The findings suggest that CA accelerates the hydration of CO₂, facilitating its conversion into bicarbonate and promoting rapid reactions with available cations such as calcium and magnesium. This catalytic effect allows materials that typically absorb CO₂ slowly to sequester carbon more effectively. Furthermore, the enzyme’s reusability over four cycles retained 87.9 percent of its initial performance, indicating its potential for scalable carbon capture applications. The integration of carbonic anhydrase with alkaline industrial byproducts presents a sustainable method for CO₂ capture, contributing to climate change mitigation efforts, particularly in construction and industrial processes. Future research should focus on enhancing the enzyme’s durability and performance under alkaline conditions to facilitate its practical application in achieving global carbon neutrality goals.
Introduction
The introduction highlights the urgent need to address global climate change, primarily driven by increasing levels of greenhouse gases, particularly carbon dioxide (CO₂). As of August 2025, atmospheric CO₂ concentrations reached 425.48 ppm, a significant rise from 317.45 ppm in April 1958, largely due to human activities such as construction, fossil fuel combustion, and deforestation. To mitigate these emissions, Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) technologies have gained traction, focusing on capturing CO₂ from sources like power plants and industrial sites for either utilization or permanent storage.
The construction industry is identified as a major contributor to anthropogenic CO₂ emissions, making it crucial to develop strategies to reduce these emissions. One promising approach involves CO₂ absorption and fixation using alkaline materials, which react with dissolved CO₂ to form stable carbonate minerals such as calcium carbonate (CaCO₃) and magnesium carbonate (MgCO₃). This process is facilitated by the high pH and abundance of reactive cations in alkaline conditions, enhancing the permanent sequestration of CO₂. Additionally, the carbonation of alkaline waste materials, such as fly ash and slag, not only aids in CO₂ absorption but also improves the properties of cement and concrete. The introduction also mentions the potential of enzyme-based CO₂ capture technologies, which offer efficient and environmentally friendly alternatives for industrial processes, significantly outperforming traditional inorganic catalysts.
Methods
The study utilized several key materials, including carbonic anhydrase enzyme, hydrated lime, fly ash, slag, cement, deionized water, and a CO₂ gas cylinder, to investigate the effects of these components in a controlled environment. The experimental setup involved the procurement of CO₂ and N₂ gas cylinders from Airgas, which were essential for the gas supply during the experiments. Each cylinder was equipped with a low-pressure regulator to ensure safe and consistent pressure levels, while the regulated gas lines were connected to mass flow controllers (MFCs) from the Alicat BASIS™ Series, allowing for precise control of gas flow rates throughout the experimental process.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of carbonic anhydrase (CA) in enhancing the CO₂ absorption capacity of various alkaline materials, including hydrated lime, cement, fly ash, and slag. The incorporation of CA not only accelerates the reversible hydration of CO₂ into bicarbonate but also facilitates the subsequent mineralization into stable carbonates, thereby improving both the kinetics and permanence of CO₂ capture. The study demonstrates that CA-treated materials exhibit markedly higher CO₂ uptake compared to untreated samples, with hydrated lime showing the most substantial increase in permanent CO₂ fixation, rising from approximately 93.33 mg/g to 419.67 mg/g with enzyme addition.
Furthermore, the statistical analysis confirms the significance of these enhancements, with low p-values (p < 0.01) indicating that the enzyme-assisted systems achieve statistically significant increases in CO₂ absorption across all tested materials. The findings underscore the potential of utilizing CA in conjunction with industrial byproducts to develop effective carbon capture strategies, aligning with sustainable development goals and contributing to climate change mitigation efforts. The study also emphasizes the need for further exploration of CA's interactions within complex solid-liquid matrices, particularly in real-world applications involving construction materials.