DOI: https://doi.org/10.1007/s10532-025-10175-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40952519
تاريخ النشر: 2025-09-15
المؤلف: Lerato Sekhohola‐Dlamini وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفحم ومنتجاته الثانوية
نظرة عامة
تقييم المراجعة للتقدم في التحلل البيولوجي والذوبان للفحم ومنتجاته الثانوية من 2014 إلى 2024، مع تسليط الضوء على الدور المستمر للفحم كملوث كبير بسبب هيكله المعقد الذي يحد من التحلل الميكروبي. يؤكد المؤلفون على ضرورة استمرار البحث في تحلل الفحم البيولوجي، مشيرين إلى التقدم الكبير في تحديد المحفزات البيولوجية البكتيرية والفطرية، وفهم التجمعات الميكروبية، وتوضيح الآليات الهوائية واللاهوائية المعنية في استخدام الفحم. علاوة على ذلك، تناقش المراجعة تطبيق المنتجات الصناعية المشتقة من الفحم، مثل البيوميثان والمواد الهيومية، وإمكاناتها في استعادة التربة وإعادة تأهيل الأراضي المتأثرة بالتعدين.
على الرغم من هذه التقدمات، يحدد المؤلفون فجوة معرفية حاسمة تتعلق بالجينيوم الميكروبي والإنزيمات المحددة التي تسهل عمليات التحلل البيولوجي اللاهوائي للفحم. يدعون إلى علم الجينوم الوظيفي المستهدف لاستكشاف الإنزيمات الواعدة التي تحلل الفحم ويقترحون استخدام النسخ الزمنية لفهم الآليات التنظيمية داخل التجمعات الميكروبية. تختتم المراجعة بأن التعاون بين التخصصات أمر ضروري لتجاوز الحواجز التقنية وتسريع انتقال تقنيات معالجة الفحم البيولوجية من البحث في المختبر إلى التطبيقات التجارية، مما يعالج التحديات البيئية والاجتماعية والاقتصادية التي تطرحها تعدين الفحم واحتراقه.
مقدمة
تستعرض مقدمة الورقة التقدم في التحلل البيولوجي والذوبان للفحم، بناءً على الأعمال السابقة لـ Sekhohola وآخرون (2013). تسلط الضوء على دور التحفيز الفطري والبكتيري في تحويل الفحم بيولوجيًا، مع التأكيد على الآليات الكيميائية الحيوية المعقدة المعنية. يشير المؤلفون إلى أن كل من عمليات التحلل الهوائي واللاهوائي تؤدي إلى التمعدن للفحم، مما يؤدي إلى إطلاق غازات مثل ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH₄)، إلى جانب تراكم الكتلة الحيوية الميكروبية والمواد الهيومية. يتطلب بدء هذه العمليات تواصل ميكروبي مع الفحم، وتغيرات في التعبير الجيني، والتفكيك اللاحق والتحلل المائي لجزيئات الفحم الكبيرة.
تناقش المراجعة أيضًا الفجوة في المعرفة المتعلقة بتوسيع عمليات التحلل البيولوجي للفحم للتطبيقات الصناعية، لا سيما في سياق إعادة تأهيل الأراضي بعد تعدين الفحم. تشير إلى دراسات حديثة قدمت فهمًا متقدمًا في الجوانب الميكروبية والكيميائية الحيوية والجزيئية لتحلل الفحم البيولوجي، بالإضافة إلى تطوير استراتيجيات بيولوجية لتجديد التربة. تركز المراجعة الحالية على الفترة من 2014 إلى 2024، وتناقش التنوع المتزايد للمحفزات البيولوجية وأهمية التجمعات الميكروبية في الذوبان البيولوجي للفحم، والميثان الحيوي، واستخدام الفحم كسماد للتربة، مما يساهم في إعادة تأهيل الأراضي المتأثرة بتعدين الفحم.
نقاش
تؤكد المناقشة حول التحلل البيولوجي للفحم والذوبان البيولوجي على الحاجة الملحة للإدارة المستدامة لنفايات الفحم، لا سيما في سياق الانتقال من ممارسات تعدين الفحم التقليدية واحتراقه إلى إدارة بيئية أكثر مسؤولية. تاريخيًا، ساهم تعدين الفحم بشكل كبير في النمو الاقتصادي، لكنه أدى أيضًا إلى عواقب بيئية خطيرة، بما في ذلك التلوث وانتشار جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs). تشير الدراسات الحديثة إلى أنه بينما قد يقلل تصريف المناجم الحمضي المشتق من تعدين الفحم (AMD) من الوفرة النسبية لجينات ARGs، فإنه يزيد من جينات مقاومة المعادن الثقيلة (MRGs)، مما يشير إلى تفاعلات معقدة بين آليات المقاومة الميكروبية. تسلط التأثيرات التاريخية لتعدين الفحم على النظم البيئية، لا سيما في مناطق مثل جبال الروكي الكندية وأبالاتشي، الضوء على تحديات إعادة تأهيل الأراضي، والتي كانت غالبًا مكلفة وغير فعالة.
تُبرز الإمكانية لتحويل نفايات الفحم إلى منتجات قيمة، مع تحديد طريقين رئيسيين: التحويل الكيميائي والبيولوجي للفحم إلى مواد شبيهة بحمض الهيوميك لتسميد التربة وتحويل الفحم في المفاعلات الحيوية لإنتاج منتجات مفيدة صناعيًا مثل الأحماض الدهنية المتطايرة والغاز الحيوي الغني بالميثان. تناقش الورقة آليات التحلل البيولوجي للفحم، والتي تشمل كل من العمليات الهوائية واللاهوائية التي تسهلها النشاطات الميكروبية. تعتمد هذه العمليات على التفاعل بين الكائنات الحية الدقيقة وركائز الفحم، مع تعزيز تشكيل الأغشية الحيوية لكفاءة التحلل البيولوجي. تشير النتائج إلى أن المزيد من توصيف نفايات الفحم أمر ضروري لتطوير استراتيجيات إعادة تأهيل فعالة وأن التحلل الميكروبي للفحم يمكن أن يكون بديلاً قابلاً للتطبيق للطرق الحرارية الكيميائية التقليدية لمعالجة الفحم. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على أهمية دمج الأساليب البيولوجية في إدارة نفايات الفحم للتخفيف من الآثار البيئية وتعزيز الممارسات المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10532-025-10175-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40952519
Publication Date: 2025-09-15
Author(s): Lerato Sekhohola‐Dlamini et al.
Primary Topic: Coal and Its By-products
Overview
The review assesses advancements in the biological degradation and solubilization of coal and its by-products from 2014 to 2024, highlighting the persistent role of coal as a significant pollutant due to its complex structure that limits microbial degradation. The authors emphasize the necessity for continued research in coal biodegradation, noting significant progress in identifying bacterial and fungal biocatalysts, understanding microbial consortia, and elucidating the aerobic and anaerobic mechanisms involved in coal utilization. Furthermore, the review discusses the application of industrial products derived from coal, such as biomethane and humic substances, and their potential in soil restoration and rehabilitation of mining-affected lands.
Despite these advancements, the authors identify a critical knowledge gap regarding the microbial genomes and specific enzymes that facilitate anaerobic coal biodegradation processes. They advocate for targeted functional genomics to explore promising coal-degrading enzymes and suggest employing time-resolved transcriptomics to understand regulatory mechanisms within microbial consortia. The review concludes that interdisciplinary collaboration is essential for overcoming technical barriers and accelerating the transition of coal bioprocessing technologies from laboratory research to commercial applications, thereby addressing the ecological and socio-economic challenges posed by coal mining and combustion.
Introduction
The introduction of the paper reviews advancements in the biological degradation and solubilization of coal, building on previous work by Sekhohola et al. (2013). It highlights the role of fungal and bacterial catalysis in coal bioconversion, emphasizing the complex biochemical mechanisms involved. The authors note that both aerobic and anaerobic degradation processes lead to the mineralization of coal, resulting in the release of gases such as carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄), alongside the accumulation of microbial biomass and humic substances. The initiation of these processes requires microbial contact with coal, gene expression changes, and subsequent depolymerization and hydrolysis of coal macromolecules.
The review also addresses the gap in knowledge regarding the scaling of coal biodegradation processes for industrial applications, particularly in the context of land rehabilitation following coal mining. It references recent studies that have advanced understanding in microbial, biochemical, and molecular aspects of coal biodegradation, as well as the development of biotechnological strategies for soil restoration. The current review focuses on the period from 2014 to 2024, discussing the increasing diversity of biocatalysts and the significance of microbial consortia in coal biosolubilization, bio-methanation, and the use of coal as a soil amendment, thereby contributing to the rehabilitation of coal mining-affected land.
Discussion
The discussion on coal biodegradation and biosolubilization emphasizes the critical need for sustainable management of coal waste, particularly in the context of transitioning from traditional coal mining and combustion practices to more responsible environmental stewardship. Historically, coal mining has significantly contributed to economic growth, but it has also led to severe environmental consequences, including pollution and the proliferation of antibiotic resistance genes (ARGs). Recent studies indicate that while coal mining-derived acid mine drainage (AMD) may reduce the relative abundance of ARGs, it increases heavy metal resistance genes (MRGs), suggesting complex interactions between microbial resistance mechanisms. The historical impacts of coal mining on ecosystems, particularly in regions like the Canadian Rockies and Appalachians, highlight the challenges of land rehabilitation, which has often been costly and ineffective.
The potential for bioprocessing waste coal into valuable products is underscored, with two key avenues identified: the chemical and biological transformation of coal into humic acid-like materials for soil amendment and the conversion of coal in bioreactors to produce industrially useful products such as volatile fatty acids and methane-rich biogas. The paper discusses the mechanisms of coal biodegradation, which involve both aerobic and anaerobic processes facilitated by microbial activity. These processes rely on the interaction between microorganisms and coal substrates, with biofilm formation enhancing biodegradation efficiency. The findings suggest that further characterization of coal waste is essential for developing effective rehabilitation strategies and that microbial-mediated coal degradation could serve as a viable alternative to traditional thermochemical methods for coal processing. Overall, the research highlights the importance of integrating biological approaches into coal waste management to mitigate environmental impacts and promote sustainable practices.