NEWS

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט אופיר ענבר ופרופ' דרור אבישר מהמעבדה להידרוכימיה בבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר, בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, ובשיתוף עם ד"ר מוני שחר, יעקב גידרון ועידו כהן מהמרכז לבינה מלאכותית ומבית הספר למדעי המחשב מהפקולטה למדעים מדויקים, וד"ר אופיר מנשה מהמכללה האקדמית כנרת. תוצאות המחקר הביאו לפרסום של שני מאמרים בכתבי העת Journal of Water Process Engineering ו-Journal of Cleaner Production.

"למעלה מ-80% ממי השופכין בעולם אינם מטוהרים כלל"

מי שופכין הם מים שזוהמו בפסולת ביתית, חקלאית או תעשייתית. בישראל פועלים היום עשרות מכוני טיהור שפכים (מט"שים), שמטהרים את המים האלה לפני שהם מוזרמים חזרה למקורות המים – או לפני שהם מושבים להשקיה של גידולים חקלאיים (מי קולחין).

מסביר אופיר ענבר: "למעלה מ-80% ממי השופכין בעולם אינם מטופלים, כאשר לשני מיליארד בני אדם בעולם אין גישה למערכת ביוב נאותה. במדינות העולם השלישי, השפכים נשפכים למקורות מים פוטנציאליים כמו נחלים ואגמים, או שהם מחלחלים למי התהום, ומזהמים אותם – זיהום שמחריף את מצוקת המים הקיימת. אך גם במדינות מפותחות כמו ישראל, שהיא בין המדינות המובילות בעולם בטיפול בשפכים, ניהול ותפעול מכון טיהור שפכים עדיין מבוסס על בדיקות מעבדה מסורתיות, דבר שעשוי להוביל לכשלים ולזיהום סביבתי. אנחנו רצינו לפתח כלים מתקדמים של בינה מלאכותית על מנת לשפר ולייעל את תהליכי הטיהור האלה, ובכך גם לחסוך כסף ובעיקר להגן על הסביבה".

כשהבינה המלאכותית מפשילה שרוולים

"טיהור שפכים הוא תהליך שמייצר מסדי ענק של נתונים ביולוגיים, כימיים ופיזיקליים, מחיישנים ומבדיקות מעבדה", מספר ענבר, "ואלה נתונים שאנחנו רוצים לנתח, כמה שיותר קרוב לזמן אמת, כדי לייעל את פעולת המט"שים. במחקר הראשון מבין השניים, חקרנו מט"ש (מתקן טיהור שפכים), שאחרי תהליך טיהור ראשוני, שניוני ושלישוני מזרים את המים למקורות הירקון. הבעיה הגדולה שזיהינו היא שינויים בריכוז הזרחן. מהנתונים עולה שהריכוז הזה תנודתי מאוד, לכן יצרנו מערכת שיודעת להנפיק חיזוי מהימן לריכוז חריג של זרחן. האלגוריתמים שהשתמשנו בהם מחשבים משתנים כמו טמפרטורה, משקעים, אופי השפכים, ומאפיינים כימיקליים וביולוגיים – נמצא כי אלגוריתמים אלו מגיעים לרמת דיוק מרשימה של עד 87%".

במחקר משלים, בחן צוות המחקר את התהליך השניוני בטיפול בשפכים. תהליך זה, החשוב והיקר מבין תהליכי הטיפול, מבוסס על פירוק השפכים וטיהור המים על ידי מיקרואורגניזמים.

^{צלול עד כמה שניתן. נחל הירקון בנקודה הכי קרובה לאוניברסיטת תל אביב}

התראה בזמן אמת

לדברי ענבר, היום בכל מקרה של חשד לתקלה בתהליך הטיהור, לוקחים דגימה מהמים ושולחים אותה למעבדה חיצונית, שבה מומחים בוחנים את הדגימה מתחת למיקרוסקופ ומנסים לאמוד באופן ידני את המיקרואורגנזימים במים.

"הבדיקה יקרה מאוד, וחשוב מכך: ארוכה מאוד. המט"ש מקבל את דו"ח המעבדה מספר ימים אחרי שהדוגמה נשלחת, כך שלרוב הדו"ח הזה כבר אינו רלוונטי. אנחנו השתמשנו בלמידת מכונה ואימנו מערכת לזהות מיקרואורגניזנמים בתמונות שנלקחות בתהליך השניוני של הטיהור, בהגדלה של פי 400. הקושי כאן היה לבנות מסד נתונים מאפס, כי לא קיים מסד נתונים כזה, ולאמן את המכונה לזהות מיקרואורגניזמים חשובים כמו פרוטוזואות ופילמנטים, ואף רכיבים פיזיקליים בתהליך הטיהור כפלוקים – פתיתי חומר. זהו אתגר גדול, כי המערכת צריכה לזהות את היצורים הזעירים מתמונות, כשהם מתחת למים, עם כל העיוותים וההשתקפויות, ולהתריע כמעט בזמן אמת מפני הפרה של איזון אוכלוסיות המיקרואורגניזמים".

"כמובן, את ה'ספרייה' שבנינו אפשר ורצוי להרחיב ולהעמיק, להגדיל בהגדלות נוספות ולהוסיף תחומי אור נוספים כמו תת-אדום, כדי לעקוב אחר יותר ויותר מיקרואורגניזמים במים, ולקבל תוצאות יותר ויותר מדויקות. הרעיון הנו לבנות כלי מבוסס למידת מכונה אשר יסייע בזמן אמת למהנדסי התפעול במכון, לייעל את תהליך הפירוק של מזהמים במהלך הטיפול השניוני ובכך לייצר קולחין באיכות גבוהה, מים מושבים המשמשים שמשאב מים עיקרי להשקיה חקלאית".

^{אופיר ענבר במעבדה להידרוכימיה}

מאחורי התגלית עומדת שורה מכובדת של חוקרות חוקרים מהארץ ומהעולם, בהובלת הדוקטורנטית גל פינקלשטיין-זוטא, ד"ר זוהר ארנון ופרופ' אהוד גזית מבית הספר למחקר ביו רפואי ולחקר הסרטן ע"ש שמוניס בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, והמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, באוניברסיטת תל אביב.

הזכוכית החדשה התגלתה במקרה, כשהצוות עסק במחקר על מולקולה קטנה (פפטיד), שמורכבת מטירוזין – אחת מעשרים חומצות האמינו המרכיבות את כל החלבונים בגוף האדם. תוצאות המחקר התפרסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי בעולם: Nature.

"במעבדה שלנו אנחנו עוסקים בביו-קונברג'נס, (תחום מולטידיספלינרי של פיתוח טכנולוגיות חדשות שמשלב ביולוגיה עם תחומי ההנדסה, ומטרתו לתת מענה לאתגרים שטרם נפתרו בתחומי הרפואה, חקלאות, מזון, אנרגיה וביטחון), ובאופן ספציפי אנחנו משתמשים בתכונות המופלאות של הביולוגיה בכדי לייצר חומרים חדשניים", מסביר פרופ' גזית. "בין היתר, אנחנו חוקרים רצפים של חומצות אמינו, שהן אבני הבניין של החלבונים. לחומצות אמינו ולפפטידים יש נטייה טבעית להתחבר אלו לאלו וליצור מבנים מסודרים בעלי מחזוריות מוגדרת, אך תוך כדי המחקר גילינו פפטיד ייחודי שמתנהג בצורה שונה מכל מה שאנחנו מכירים: הוא לא יצר רצף מסודר אלא אמורפי, חסר סדר, שמתאר זכוכית".

ברמה המולקולרית, זכוכית היא חומר דמוי-נוזל, ללא סדר במבנה המולקולות שלה, אך תכונותיה המכניות הן דמויות-מוצק. הזכוכית נוצרת על ידי קירור מהיר של חומרים מותכים ו"הקפאתם" במצב זה לפני שהם מספיקים להתגבש, מצב אמורפי המעניק לה תכונות אופטיות, כימיות ומכניות ייחודיות, לצד עמידות, רב-גוניות וקיימות. צוות המחקר מאוניברסיטת תל אביב גילה שהפפטיד הארומטי המורכב מרצף של שלוש טירוזין (YYY), יוצר זכוכית מולקולרית באופן ספונטני, במגע עם מים, בתנאי החדר.

^{שקופה וחזקה. הזכוכית החדשה שעשויה טיפות פפטיד}

"כמו להכין מיץ פטל"

"הזכוכית הרגילה שכולנו מכירים נוצרת על ידי קירור מהיר מאוד של חומרים מותכים", מספרת פינקלשטיין-זוטא. "צריך להקפיא ולקבע את החומר לפני שהוא מסתדר בצורה יותר חסכונית מבחינה אנרגטית, ולשם כך יש להשקיע אנרגיה: לחמם לטמפרטורות גבוהות ולקרר באופן מיידי. הזכוכית שיצרנו עשויה מאבני בניין ביולוגיות, והיא נוצרת ספונטנית בטמפרטורת החדר, ללא השקעה של אנרגיה כמו חום או לחץ גבוהה. פשוט ממיסים אבקה במים רגילים, כמו להכין מיץ פטל". גל מספרת כיצד יצרו במעבדה עדשות בקלות ובמהירות: "במקום תהליך ממושך של עידוש וליטוש, פשוט טפטפנו טיפה על משטח ויצרנו עדשה, כאשר אנו שולטים בעקמומיות שלה – ומכאן בפוקוס שלה – בעזרת נפח התמיסה בלבד".

תכונות הזכוכית החדשנית הן ייחודיות בעולם ואף סותרות זו את זו. הזכוכית החדשה הינה בעלת קשיות גבוהה, אך היא יכולה לתקן את עצמה בטמפרטורת החדר; היא דביקה מאוד, ובד בבד היא שקופה במגוון ספקטרלי רחב הנע בין טווח האור הנראה עד לטווח התת-אדום הבינוני, מה שמגדיל את מגוון השימושים שניתן לעשות בה.

"זאת הפעם הראשונה שבה מצליחים ליצור זכוכית מולקולרית בתנאים קלים", אומר פרופ' גזית, "אך לא פחות חשובות מכך הן תכונות הזכוכית שיצרנו. זו זכוכית מאוד מיוחדת. מצד אחד היא חזקה מאוד ומצד שני שקופה מאוד, הרבה יותר מזכוכית הסיליקטית הרגילה שכולנו מכירים, שהיא שקופה כמובן בתחום האור הנראה, אבל הזכוכית המולקולרית שיצרנו שקופה גם לעומק תחום התת-אדום", לדבריו של פרופ' גזית, יש לכך שימושים מגוונים בתחומים רבים, בהם לוויינות, חישה מרחוק, תקשורת ואופטיקה. "כבר יש לנו שיתוף פעולה עם חברת אל-אופ הישראלית, שמייצרת מערכות אלקטרו-אופטיות. בזכות תכונת הדביקות שלה, הזכוכית שלנו יכולה להדביק יחד זכוכיות שונות, ובד בבד היא יכולה לתקן בעצמה סדקים שנוצרים בה. מדובר במערך תכונות שלא קיים באף זכוכית בעולם, שהוא בעל פוטנציאל גדול במדע ובהנדסה, ואת כל זה קיבלנו מפפטיד – חתיכה קטנה של חלבון".