DOI: https://doi.org/10.3389/fenve.2025.1658313
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Cecilia Naveira-Pazos وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على عمليات حيوية متنوعة تهدف إلى معالجة وتثمين غازات النفايات وغازات الدفيئة. يبرز استخدام المفاعلات الحيوية، مثل الفلاتر الحيوية، فلاتر التدفق الحيوي، المنظفات الحيوية، والمفاعلات الحيوية ذات النمو المعلق مع انتشار الغاز، كتقنيات رئيسية لمعالجة غازات النفايات.
علاوة على ذلك، يناقش القسم إمكانيات بكتيريا الكنالغاز الهوائية (مثل *C. necator*)، والطحالب الدقيقة، وبكتيريا الأسيتوجين الهوائية في التحويل الحيوي للغازات ذات الكربون الواحد (مثل CO₂، CO) لإنتاج الوقود الحيوي والمنتجات الحيوية. تشير النتائج إلى أن تثمين غازات النفايات يمثل بديلاً واعدًا ومبتكرًا وفعالًا من حيث التكلفة مقارنة بأساليب المعالجة التقليدية، مما يبرز استدامته وإمكانيته للتطبيق الأوسع في إدارة البيئة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية الكبيرة التي تطرحها النفايات الصلبة، ومياه الصرف الصحي، وملوثات الغاز المتطاير، مع التركيز بشكل خاص على انبعاثات المركبات المتطايرة وغازات الدفيئة. تنشأ هذه الملوثات من مصادر متحركة، مثل المركبات، ومصادر ثابتة، بما في ذلك الانبعاثات الصناعية ومحطات المعالجة. ومن الجدير بالذكر أن مرافق معالجة مياه الصرف الصحي تطلق مركبات كريهة ور hazardous، بما في ذلك كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والأمونيا (NH₃)، والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، والتي يمكن أن تؤثر سلبًا على المجتمعات المحيطة ومشغلي المصانع. غالبًا ما يتم التعبير عن كمية هذه الملوثات بوحدات الرائحة (OU/m³) جنبًا إلى جنب مع مقاييس تقليدية مثل mg/m³.
يناقش القسم أيضًا غازات الدفيئة المرتبطة عادةً بمعالجة مياه الصرف الصحي، وهي ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، والميثان (CH₄)، وأكسيد النيتروس (N₂O)، والتي تتواجد أيضًا في سياقات إدارة النفايات الصلبة. تختلف طبيعة الانبعاثات المتطايرة بشكل كبير بناءً على تكوين النفايات، ومستويات التحلل، وظروف التشغيل. في البيئات الصناعية، تأتي أكثر من 50% من إجمالي انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة من عمليات غير احتراق. للتخفيف من هذه الانبعاثات، يقترح البحث استكشاف كل من الأساليب غير البيولوجية والبيولوجية، بما في ذلك العمليات الحيوية المبتكرة التي لا تزيل الملوثات فحسب، بل تحولها أيضًا إلى منتجات قيمة، مما يمثل مجالًا واعدًا للبحث المستمر.
نقاش
يسلط قسم النقاش في الورقة الضوء على مزايا العمليات الحيوية مقارنة بالطرق الفيزيائية الكيميائية التقليدية لمعالجة الغاز والرائحة في إدارة النفايات ومياه الصرف الصحي. غالبًا ما تكون الطرق التقليدية، مثل الامتصاص والامتزاز، أكثر تكلفة وأقل فعالية للملوثات القابلة للتحلل. يتم التأكيد على المفاعلات الحيوية مثل الفلاتر الحيوية، فلاتر التدفق الحيوي، والمنظفات الحيوية كبدائل فعالة لمعالجة المركبات العضوية المتطايرة، والتي يمكن أن تتحلل حيويًا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. تناقش الورقة أيضًا التفاعلات الاستوكيومترية المعنية في التحلل الحيوي لكل من الملوثات العضوية وغير العضوية، مشيرة إلى أن المركبات الهالوجينية يمكن أن تنتج نواتج ضارة مثل HCl.
علاوة على ذلك، يقدم القسم مفهوم تثمين الغاز، حيث لا يتم معالجة الملوثات فحسب، بل يتم تحويلها أيضًا إلى منتجات قيمة. يوضح مجموعة متنوعة من العمليات الحيوية للتحويل البيولوجي لغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان إلى منتجات عالية القيمة. على سبيل المثال، يمكن لبكتيريا Cupriavidus necator، وهي بكتيريا كنالغاز، استخدام CO2 والهيدروجين لإنتاج البوليمرات الحيوية وغيرها من المستقلبات. كما يتم تسليط الضوء على الطحالب الدقيقة لقدرتها على استيعاب CO2 من خلال عملية التمثيل الضوئي، مما ينتج عنه كتلة حيوية غنية بالدهون والبروتينات، والتي يمكن تحويلها إلى وقود حيوي. تختتم الورقة بأن دمج التقنيات الحيوية للتحكم في تلوث الهواء يقدم طريقًا واعدًا لكل من الترميم البيئي والفائدة الاقتصادية، لا سيما من خلال الاستخدام المبتكر للبكتيريا الأسيتوجينية والميثانوتروف في عمليات التحويل الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fenve.2025.1658313
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Cecilia Naveira-Pazos et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
This section provides an overview of various bioprocesses aimed at the treatment and valorisation of waste gases and greenhouse gases. It highlights the utilization of bioreactors, such as biofilters, biotrickling filters, bioscrubbers, and suspended growth bioreactors with gas diffusion, as key technologies for waste gas treatment.
Furthermore, the section discusses the potential of aerobic knallgas bacteria (e.g., *C. necator*), microalgae, and anaerobic acetogenic bacteria in the bioconversion of one-carbon gases (e.g., CO₂, CO) to produce biofuels and bioproducts. The findings suggest that the valorisation of waste gases represents a promising, innovative, and cost-effective alternative to traditional treatment methods, emphasizing its sustainability and potential for broader application in environmental management.
Introduction
The introduction highlights the significant environmental challenges posed by solid waste, wastewater, and volatile gas pollutants, particularly focusing on the emissions of volatile compounds and greenhouse gases. These pollutants originate from both mobile sources, such as vehicles, and stationary sources, including industrial emissions and treatment plants. Notably, wastewater treatment facilities emit various odorous and hazardous compounds, including hydrogen sulfide (H₂S), ammonia (NH₃), and volatile organic compounds (VOCs), which can adversely affect surrounding communities and plant operators. The quantification of these pollutants is often expressed in terms of Odour Units (OU/m³) alongside traditional measures like mg/m³.
The section further discusses the greenhouse gases typically associated with wastewater treatment, namely carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), and nitrous oxide (N₂O), which are also prevalent in solid waste management contexts. The nature of volatile emissions varies significantly based on waste composition, degradation levels, and operational conditions. In industrial settings, over 50% of total VOC emissions stem from non-combustion processes. To mitigate these emissions, the paper suggests exploring both non-biological and biological approaches, including innovative bioprocesses that not only remove pollutants but also convert them into valuable products, marking a promising area of ongoing research.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the advantages of bioprocesses over conventional physico-chemical methods for gas and odor treatment in waste and wastewater management. Traditional methods, such as absorption and adsorption, are often more expensive and less effective for biodegradable pollutants. Bioreactors like biofilters, biotrickling filters, and bioscrubbers are emphasized as effective alternatives for treating volatile organic compounds, which can be biodegraded into carbon dioxide and water. The paper also discusses the stoichiometric reactions involved in the biodegradation of both organic and inorganic pollutants, noting that halogenated compounds can produce harmful byproducts like HCl.
Furthermore, the section introduces the concept of gas valorization, where pollutants are not only treated but also converted into valuable products. It outlines various bioprocesses for the biological conversion of greenhouse gases such as carbon dioxide and methane into high-value products. For instance, Cupriavidus necator, a knallgas bacterium, can utilize CO2 and hydrogen to produce biopolymers and other metabolites. Microalgae are also highlighted for their ability to assimilate CO2 through photosynthesis, yielding biomass rich in lipids and proteins, which can be converted into biofuels. The paper concludes that the integration of biotechnologies for air pollution control offers a promising avenue for both environmental remediation and economic benefit, particularly through the innovative use of acetogenic bacteria and methanotrophs in bioconversion processes.