ثورة المقاييس النانوية في احتواء أزمة تلوث المياه؛ تقنية غير مرئية لإنقاذ الموارد الحيوية

قد تبدو فكرة الاستفادة من تقنيات لا تُرى بالعين المجردة ولكنها تترك آثاراً هائلة، وكأنها ضرب من ضروب الخيال العلمي للوهلة الأولى؛ ومع ذلك، أصبحت تكنولوجيا النانو اليوم ليست مجرد حقيقة ملموسة فحسب، بل تتحول يوماً بعد يوم إلى خيار أكثر عملية واستدامة لمراقبة جودة المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي. واستناداً إلى نتائج وأبحاث البروفيسورة فيليسوا نوسيزو نومنغونغو (Prof Philiswa Nosizo Nomngongo)، رئيسة كرسي أبحاث تكنولوجيا النانو في جنوب أفريقيا (SARChI) من جامعة جوهانسبرغ، فإن التلاعب بالمواد على المستوى الذري والجزيئي قد فتح آفاقاً جديدة نحو تطوير تكنولوجيا المياه وإزالة الملوثات شديدة التعقيد.

من خلال التلاعب بالمادة في أبعاد تتراوح بين 1 و100 نانومتر (أصغر بـ 100 ألف مرة من سُمك شعرة الإنسان)، تعزز تكنولوجيا النانو بشكل كبير الخصائص الفيزيائية والكيميائية والموصلية للمواد لتطبيقات متخصصة.

أتاحت مستشعرات النانو الحساسة لتغير اللون واستخلاص الطور الصلب الكشف السريع والمنخفض التكلفة عن التراكيز الضئيلة للغاية للمعادن الثقيلة والمركبات الدوائية والمواد الكيميائية.

يوفر دمج عمليات الامتزاز السطحي والتحفيز وترميم الأغشية على المستوى النانوي إمكانية الإزالة الفعالة للملوثات الثابتة مثل المضادات الحيوية وبكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli).

إن فكرة تكنولوجيا النانو، التي تعود جذورها النظرية إلى خمسينيات القرن الماضي، لم تكن جاهزة للاستخدامات التطبيقية والصناعية حتى عام 1981. ولكن اليوم، أصبح استخدامها شائعاً في مختلف الصناعات واكتسب تطبيقات بالغة الأهمية في قطاع المياه. تكنولوجيا النانو هي في الواقع علم وهندسة التلاعب بالمادة على المستوى الذري أو الجزيئي في نطاق يتراوح بين 1 و100 نانومتر؛ وهي أبعاد تُعد أصغر بـ 100 ألف مرة من سُمك شعرة بشرية واحدة. وتوضح البروفيسورة فيليسوا نوسيزو نومنغونغو أن هذه التغيرات الهيكلية تعزز خصائص مثل القوة والموصلية، وتمهد الطريق لتصميم حلول هندسية متخصصة.

تعمل البروفيسورة نومنغونغو في قطاع المياه منذ فترة طويلة. ينبع اهتمامها بهذا المجال من تجربتها مع تحديات المياه في مرحلة الطفولة، بينما تشكل تركيزها على تكنولوجيا النانو خلال مسيرتها الأكاديمية. تقول: «عندما كنت أجري أبحاث درجة الماجستير الخاصة بي، كنت بحاجة إلى طريقة لتحديد الملوثات واقترح مشرفي أن نقوم ببناء مستشعرات لهذا الغرض.» واليوم، أصبحت الحلول الحديثة لتكنولوجيا النانو في معالجة المياه منصة تحولية لمراقبة وتطهير الملوثات الناشئة.

مراقبة جودة المياه على المستوى النانوي

تعتقد البروفيسورة نومنغونغو: «يمكن لتكنولوجيا النانو تحسين مراقبة المياه بشكل كبير. إذا كنت قلقاً بشأن وجود المعادن في الماء، يمكنك تطوير مستشعرات نانوية لا تقتصر على الكشف عن المعادن فحسب، بل تقدم أيضاً بيانات عن تراكيزها. وإذا كان هاجسك هو المركبات الكيميائية الموجودة في الماء، فهناك أيضاً مستشعرات نانوية لهذا الغرض. يساعد المستشعر النانوي العملي والمفيد، الذي يتغير لونه عند التعرض لبعض الملوثات، بشكل كبير في تحديد المشكلات على نحو أسرع.»

هذا النهج وقائي واقتصادي بالكامل، حيث يقلل من حجم الاختبارات المطلوبة لتحديد المشكلات إلى الحد الأدنى. وتوضح البروفيسورة نومنغونغو أيضاً أنه في بعض الحالات، تُستخدم تكنولوجيا النانو في استخلاص الطور الصلب؛ حيث يمكن للمواد النانوية احتجاز الملوثات لإجراء تحليلات أكثر دقة. «تكون هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص عندما تتواجد الملوثات بتراكيز منخفضة للغاية. يمكن هندسة هذه المواد بحيث تتفاعل فقط مع ملوثات أو مواد كيميائية أو معادن معينة. إذا كنت قلقاً بشأن المركبات الدوائية، فيمكن تصميم المادة النانوية لاحتجاز المركبات الكيميائية المستهدفة وتجنب امتصاص المواد الأخرى.» ويلعب هذا التحسس العالي دوراً أساسياً في تتبع الملوثات الناشئة: التحدي الجديد في إدارة الموارد المائية.

معالجة المياه بواسطة تكنولوجيا النانو

لا يقتصر تطبيق تكنولوجيا النانو على المراقبة فقط، بل يلعب دوراً بارزاً في عمليات المعالجة أيضاً. ووفقاً للبروفيسورة نومنغونغو: «عند معالجة المياه الخام أو مياه الصرف الصحي، تسري المبادئ العلمية ذاتها.»

يُعد ترميم الأغشية أحد الأمثلة البارزة في هذا القطاع؛ حيث يتم تعزيز الأغشية أو إعادة تأهيلها لتحسين عملية التناضح العكسي. ومن خلال محاكاة نفس التكنولوجيا المستخدمة لاحتجاز الملوثات في المرحلة التجريبية، يمكن تمرير تيار المياه عبر عمود معبأ بالمواد النانوية؛ ومع مرور التيار، يتم احتجاز الملوثات ويخرج الماء النظيف. وتضيف البروفيسورة نومنغونغو: «يمكننا أيضاً استخدام العمليات التحفيزية لتحويل بعض الجزيئات إلى مركبات أقل خطورة؛ وهو نهج هجين يجمع بين الامتزاز السطحي والتحفيز، حيث تقوم مجموعة من المواد النانوية بامتصاص الملوثات، بينما تقوم مجموعة أخرى بتفكيك المركبات السامة إلى جزيئات أكثر أماناً.» ومن جهة أخرى، فإن ربط هذه الطرق بإنجازات مثل إزالة أكثر من 90 بالمائة من اللدائن الدقيقة (الميكروبلاستيك) باستخدام تقنية الفقاعات النانوية يفتح آفاقاً جديدة أمام قطاع معالجة المياه.

المشاريع والآفاق البحثية الحالية

تركز الأبحاث الحالية للبروفيسورة نومنغونغو على رصد ومراقبة وجود الأدوية في موارد المياه، وخاصة المضادات الحيوية. تقول: «من أجل معالجة المياه بفعالية، يجب أن نفهم بدقة ما الذي يحدث بداخلها. ينصب تركيزي على مراقبة ملوثات المياه باستخدام تكنولوجيا النانو حتى تتم عملية المعالجة بشكل هادف تماماً ومصمم خصيصاً ليتناسب مع الظروف، وليس بشكل عام وغير محدد.» وهذا يعني أنه يمكن امتصاص المركبات الخطرة في الماء أو تفكيكها بدقة عالية من خلال استخدام مواد نانوية مخصصة.

مشروع آخر لهذه الباحثة هو استخدام المواد النانوية لاحتجاز بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli). ينبع دافع هذا البحث من ملاحظاتها الميدانية التي تشير إلى وفرة بكتيريا E. coli في المناطق الريفية بجنوب أفريقيا؛ وهي مناطق لا يمكن فيها إنشاء أنظمة معالجة معقدة. وقد وفرت تكنولوجيا النانو، من خلال تقديم عمليات ترشيح حديثة، أملاً جديداً لتنقية هذه المياه.

من وجهة نظر هذه الأستاذة الجامعية، تكمن نقطة قوة تكنولوجيا النانو في قدرتها على تجاوز حدود عمليات المعالجة التقليدية وحل المعضلات المعقدة مثل وجود المضادات الحيوية أو بكتيريا E. coli في موارد المياه. وتؤكد: «في الوقت الحاضر، نقوم بمعالجة المياه لإزالة بعض الملوثات بينما تبقى ملوثات أخرى، ولكن باستخدام تكنولوجيا النانو يمكننا ابتكار عمليات معالجة متقدمة توفر مياهاً أكثر أماناً.» وتكتسب هذه الميزة أهمية خاصة في جنوب أفريقيا، حيث تمثل الحلول اللامركزية نهجاً عملياً لحل معضلات المياه في المناطق الريفية.

لكنها تشير بطبيعة الحال إلى أن: «التكاليف لا تزال تمثل عقبة رادعة. يمكن أن يكون إنتاج المواد النانوية الفعالة مكلفاً، كما أن توسيع نطاقها صناعياً أمر صعب.» ومع ذلك، فإنها متفائلة بالمستقبل وتقول: «إن تطوير أدوات أبسط وأكثر سهولة في الوصول والاستخدام، شبيهة بورق عباد الشمس، سيكون تحولياً وسيتيح لغير المتخصصين أيضاً مراقبة جودة المياه.» ومثل هذا التقدم سيمكن المجتمعات في جميع أنحاء جنوب أفريقيا، لا سيما في المناطق التي لا تزال فيها مراقبة المياه ومعالجتها تواجه عقبات؛ وهو نهج ينير مسار البنية التحتية المستقبلية إلى جانب مقالات مثل 17 ابتكاراً مائياً في القطاع الصناعي؛ من الذكاء الاصطناعي إلى إعادة التدوير.

تحليل اختصاصي لفريق Water Insight Hub – مركز رؤى المياه

يمثل ظهور وتطور تكنولوجيا النانو في قطاع المياه تحولاً جذرياً في إدارة الموارد المائية على المستوى العالمي. وفي ظل تحول أزمة المياه إلى أحد أكبر تحديات القرن الحادي والعشرين، لم تعد طرق المعالجة التقليدية قادرة على مواكبة الملوثات الدقيقة، والمخلفات الدوائية المستعصية، والمعادن الثقيلة في التراكيز الشديدة الانخفاض. إن النتيجة العالمية لاستخدام المواد النانوية ومستشعرات النانو هي الانتقال من المعالجة غير الدقيقة والمستهلكة للطاقة نحو أنظمة ذكية، وانتقائية، وفائقة الكفاءة تشكل الركيزة الأساسية لـ أخبار المياه والأمن المائي المستدام في العقود القادمة.

أتاح الترابط العميق بين تكنولوجيا المياه والمقياس النانوي فرصاً لا مثيل لها لإعادة هندسة عمليات مثل تحلية المياه والتناضح العكسي. فمن خلال التعديل النانوي للأغشية والحد من ظاهرة الانسداد (Fouling)، تنخفض التكاليف التشغيلية واستهلاك الطاقة في محطات المعالجة والتحلية بشكل ملحوظ. من جانب آخر، فإن المراقبة اللحظية والمباشرة للملوثات بمساعدة مستشعرات النانو قد مهدت الأرضية لتطوير التوائم الرقمية والأتمتة القائمة على البيانات، مما يعزز كفاءة حوكمة المياه في إدارة الأزمات النوعية والكمية.

في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا (MENA)، تُعد قضية جودة الموارد المائية حرجة تماماً مثل ندرتها الكمية. حيث يشكل التراجع المستمر في مناسيب المياه الجوفية، وتدفق مياه الصرف الزراعي المحملة بالأسمدة الكيميائية، وتزايد الملوحة والتلوث الصناعي تهديداً خطيراً للاستدامة البيئية. وفي هذا الإقليم الجاف وشبه الجاف، يمكن للاعتماد على التقنيات النانوية اللامركزية الحديثة أن يضمن وصول المجتمعات المحلية والريفية إلى مياه صالحة للشرب دون تحميلها التكاليف الباهظة لشبكات التوزيع ومحطات المعالجة المركزية، فضلاً عن الحد من التهميش الناجم عن الإجهاد النوعي للمياه.

وبالنسبة لمنطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، تكتسب إنجازات هذا المجال أبعاداً حيوية واستراتيجية. تواجه المنطقة تفاقماً في أزمة الموارد الجوفية وتسلل الملوثات الصناعية والنترات إلى إمدادات مياه الشرب عبر مختلف الأحواض. ويمكن لتجارب باحثين مثل البروفيسورة نومنغونغو في توظيف الممتزات النانوية وأنظمة الترشيح منخفضة التكلفة أن تمثل نموذجاً مباشراً لتوطين حلول المعالجة الموضعية في المناطق الريفية والنائية في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، واحتواء السموم الزراعية. إن دمج هذه التقنيات مع الاستراتيجيات الكبرى لمعالجة مياه الصرف الصناعي سيزيل عبء الطلب الكثيف على المياه العذبة عن كاهل الصناعات الأساسية.

وفي الختام، يرى مركز رؤى المياه (Water Insight Hub) أن تجاوز الحاجز الاقتصادي وتسويق المواد النانوية تجارياً يتطلبان استثماراً موجهاً، ودعماً لمنظومة الابتكار القائمة على المعرفة، ونقلاً للتقنيات متعددة التخصصات. وما لم تنخفض تكلفة الإنتاج الضخم للمواد النانوية، فإن إمكاناتها الكامنة في إنقاذ الخزانات الجوفية والارتقاء بالصحة العامة لن تتحقق بالكامل. إن تضافر السياسات الدقيقة، والابتكار التكنولوجي، والحوكمة المتكاملة للمياه هو السبيل الوحيد القادر على نقل تقنيات النانو من البيئات المختبرية إلى الخطوط الأمامية لمواجهة أزمة ندرة المياه في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا بأسرها.

انقر هنا لقراءة النص الأصلي.