مستقبل البناء باستخدام الفطريات الحية

قد يبدو العيش في منزل مصنوع من الفطريات والبكتيريا وكأنه شيء من الخيال العلمي، لكن الباحثين الآن على بعد خطوة واحدة من تحويله إلى حقيقة في نهاية المطاف، وفقًا لدراسة جديدة.

فقد قام فريق بحثي في مونتانا بزراعة تشابكات إسفنجية كثيفة من الفطريات وهي البنية الشبيهة بالجذور التي تربط الشبكات الفطرية تحت الأرض كإطار عمل لإنشاء مادة بناء حية ذاتية الإصلاح.

لا تزال القدرة على إنشاء هياكل متينة وحاملة للأحمال بمواد حية بعيدة المنال لسنوات عديدة. ومع ذلك، فإن هذا الاكتشاف يعد خطوة مهمة نحو إيجاد بديل مستدام للأسمنت، وهو عامل الربط في الخرسانة، كما قالت تشيلسي هيفيران، كبيرة مؤلفي الدراسة التي نُشرت في 16 أبريل في مجلة Cell Reports Physical Science 00116-X).

يُصنع أكثر من 4 مليارات طن متري (4.4 مليار طن) من الأسمنت سنويًا، مما يساهم بنحو 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، وفقًا لمركز أبحاث تشاتام هاوس ومقره لندن. وهذا يعني أنه إذا كان إنتاج الأسمنت دولة، فإنها ستحتل المرتبة الثالثة بعد الصين والولايات المتحدة الأمريكية استنادًا إلى انبعاثات عام 2023.

قالت هيفيران، وهو أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية والصناعية في جامعة ولاية مونتانا بوزمان، "لقد سألنا "ماذا لو استطعنا القيام بذلك بطريقة مختلفة باستخدام علم الأحياء؟

قام معدو الدراسة بإدخال بكتيريا قادرة على إنتاج كربونات الكالسيوم وهو نفس المركب الكيميائي الموجود في المرجان وقشر البيض والحجر الجيري إلى الفطريات الفطرية التي كانت بمثابة سقالات. ومن خلال عملية تسمى التمعدن الحيوي، أدت كربونات الكالسيوم إلى تصلب الفطريات اللزجة المرنة إلى بنية صلبة تشبه العظام.

"لسنا أول من قام بتحويل شيء ما إلى معدن حيوي وتسميته مادة بناء. ... ولكن إذا كنت ترغب في إبقاء (البكتيريا) على قيد الحياة لفترة أطول حتى تتمكن من فعل المزيد بها، فقد واجهنا بعض التحديات لإطالة هذه الحيوية". "لهذا السبب أعطيناهم سقالات الفطريات الفطرية، لأن الفطريات قوية حقًا، وفي الطبيعة، وأحيانًا ما تتشكل (نفسها) حيويًا."

وقد جرب الفريق ترك الفطريات، التي تسمى Neurospora crassa، تتشكل حيوياً من تلقاء نفسها، لكنهم وجدوا أن قتلها ثم إضافة الميكروبات ساعد في الحصول على مادة أكثر صلابة في وقت أقل. قامت البكتيريا، التي تسمى Sporosarcina pasteurii، بإنشاء شبكات بلورية من كربونات الكالسيوم حول الخيوط الفطرية بعد استقلاب اليوريا، والتي تشبه الغذاء للبكتيريا.

وفي حين أن مواد البناء المعدنية الحيوية الأخرى تعتبر "حية" لبضعة أيام فقط، قالت هيفيران إن فريقها تمكن من إبقاء الميكروبات نشطة لمدة أربعة أسابيع على الأقل، وفي نهاية المطاف، يمكن أن تمتد هذه الفترة إلى أشهر أو حتى سنوات.

"نحن متحمسون حقًا في عملنا القادم لطرح الأسئلة التالية "هل يمكننا سد الشقوق في المادة؟ " أو "هل يمكننا استشعار شيء ما باستخدام هذه البكتيريا؟ مثلاً، تخيل مثلاً أن لديك نوعية هواء رديئة في مبناك، وهذه الطوب هي جدرانك. هل يمكن أن تضيء (للإشارة) إلى ذلك؟". قالت هيفيران. "في السابق، لم نتمكن من القيام بأي من ذلك لأن الميكروبات لم تكن حية بما فيه الكفاية، لكنها حية للغاية الآن."

Loading image...

لا يزال هناك مجال واسع للتحسين

قال أفيناش مانجولا باسافانا، وهو مهندس حيوي لم يشارك في الدراسة، إن هناك حاجة إلى إجراء المزيد من الاختبارات قبل استخدامها في المنازل أو الأسوار أو غيرها من أعمال البناء، وذلك لإيجاد مادة بناء حية تحل محل الأسمنت.

"يتم إجراء هذه الأنواع من التجارب على نطاق ضيق. إنها ليست بالضرورة انعكاسًا لخصائص المواد السائبة"، قال مانجولا باسافانا، وهو عالم أبحاث كبير في جامعة نورث إيسترن في بوسطن. "ليست الصلابة هي ما يهتم به الناس عندما يتعلق الأمر بمواد البناء. إنها القوة، والقدرة على تحمل الأحمال."

وعلى الرغم من أن قوة ومتانة مواد البناء الحية ليست على قدم المساواة مع الخرسانة حتى الآن، إلا أن هيفيران قال إن الفطريات لا تزال قاعدة واعدة. وبفضل مرونتها، يمكن تشكيل المادة اللزجة لتشمل قنوات تشبه الأوعية الدموية داخل العوارض أو الطوب أو الجدران.

وكما هو الحال مع الأوعية الدموية في جسم الإنسان، تحتاج الخلايا داخل مواد البناء الحية إلى هياكل قادرة على توصيل المواد الغذائية للبقاء على قيد الحياة. ومع ذلك، فإن إضافة هذه الهياكل في تصميم مواد البناء يمكن أن يجعلها أضعف، مما يمثل تحديًا للدراسات المستقبلية، كما قال مانجولا باسافانا.

وقال مانجولا باسافانا: "أعتقد أنها قد تكون مفيدة في المستقبل للمباني ذات الطابق الواحد، هذه الهياكل الأصغر حجمًا وهذا أمر ممكن جدًا". "قد يكون ذلك بعد خمس إلى 10 سنوات في المستقبل."

قالت هيفيران إن الفطريات تشكل أيضًا خطرًا محتملاً على الجهاز التنفسي، وعلى الرغم من أن قتل الفطريات يقلل من قدرتها على إنتاج مسببات الحساسية، إلا أنه يجب إجراء المزيد من الأبحاث قبل اعتبارها آمنة للسكن.

قال هيفيران: "من الواضح جدًا وضع تصور لإطار اختبار يجب أن تكون المواد قوية بما فيه الكفاية، لأن هذه الأنواع من المعايير موجودة بالفعل". "ولكننا لا نملك معايير تنظيمية للطوب الذي يحتوي على خلايا بداخله."

استشراف المستقبل

من الآمن أن نقول أنك لن ترى الطوب الفطري يباع في متجر تحسين المنازل المحلي في أي وقت قريب.

ففريق هيفيران هو مجرد واحد من العديد في البلاد لاستكشاف إمكانيات الفطريات التي تم استخدامها في مواد أخرى أكثر نعومة مثل التغليف والعزل.

وقالت هيفيران إن العديد من الوكالات الحكومية مهتمة بالفعل بحالات الاستخدام الممكنة لمواد البناء الحية.

وقالت هيفيران: "هناك الكثير من "الاحتمالات" التي يجب أن تتحقق للأسرة العادية حتى تستفيد الأسرة العادية من تكلفة ذلك".

وأوضحت قائلة: "لكن بالنسبة للمجتمع، قد يكون الأمر أرخص بكثير عندما تحاول بناء بنية تحتية لمجتمع يحتاجها بالفعل، أو إذا كنت تحاول بناء بنية تحتية في الفضاء، فقد يكون هذا أسهل بكثير من نقل الأسمنت والخرسانة إلى هناك". "الاحتمالات مثيرة حقاً بالنسبة لي."