دانشمندان روش زیستی جدیدی برای حفظ آب در شن‌های بیابان‌ پیدا کردند

دانشمندان با تقویت توانایی شن در حفظ آب، به راهکارهای تازه‌ای برای حاصلخیزتر کردن خاک بیابان‌ها نزدیک شده‌اند؛ مناطقی که دائماً در معرض فرسایش ناشی از باد قرار دارند.

پژوهشگران مؤسسه امپا و دانشگاه علم و فناوری خلیفه در ابوظبی دریافتند که شبکه‌های زیست‌پلیمری تولیدشده به‌وسیله میکروب‌ها می‌توانند سرعت خروج آب از شن را تقریباً ۲۸ برابر کاهش دهند.

زیست‌پلیمرها مانند پلاستیک‌ها از مولکول‌های زنجیره‌ای بلند تشکیل شده‌اند، با این تفاوت که منشأ طبیعی دارند و می‌توان آن‌ها را از باکتری‌ها و گیاهان به دست آورد.

این مواد با اتصال دانه‌های شن به یکدیگر و کاهش سرعت حرکت آب، می‌توانند شرایط مناسب‌تری برای استقرار میکروارگانیسم‌ها و رشد گیاهان فراهم کنند. در نتیجه، این فناوری ممکن است به تبدیل تدریجی زمین‌های تخریب‌شده به خاکی مقاوم‌تر کمک کند.

الیاف میکروبی چگونه ذرات شن را به دام می‌اندازند؟

در این پژوهش، دانشمندان از میکروب‌های تولیدکننده سلولز استفاده کردند؛ زیست‌پلیمری طبیعی که از واحدهای تکرارشونده گلوکز تشکیل شده است. برخی باکتری‌ها و گیاهان رشته‌های بسیار ظریف و نخ‌مانندی از این ماده تولید می‌کنند که می‌توانند استحکام ساختاری مواد را افزایش دهند.

پژوهشگران برای بررسی تأثیر میکروب‌ها بر بهبود ویژگی‌های شن، دو روش را آزمایش کردند. در روش نخست، نمونه‌هایی از شن تپه‌های شنی اطراف العین در امارات متحده عربی و همچنین شن استاندارد آزمایشگاهی را جمع‌آوری کردند و آن‌ها را در معرض میکروب‌هایی از جمله باکتری‌ها و قارچ‌ها قرار دادند.

برای اطمینان از حذف مواد زنده باقی‌مانده در نمونه‌های آزمایشی، پژوهشگران پیش از افزودن میکروب‌ها و محلول‌های غذایی تازه، نمونه‌ها را استریل کردند.

در این آزمایش، باکتری تولیدکننده سلولز با نام علمی Komagataeibacter medellinensis و دو سویه از قارچ Schizophyllum commune به کار گرفته شدند. این میکروب‌ها زیست‌پلیمرهایی تولید کردند که در میان ذرات شن نفوذ کرده و شبکه‌ای از الیاف به وجود آوردند. این شبکه ذرات مجاور را به یکدیگر متصل نگه می‌داشت.

گوستاو نیستروم، رئیس آزمایشگاه سلولز و مواد چوبی مؤسسه امپا، درباره این ساختار گفت

این فرایند نوعی ماده کامپوزیتی طبیعی ایجاد می‌کند.

ساختارهای پیچیده الیافی تولیدشده به‌وسیله باکتری‌ها استحکام خاک را افزایش دادند و سرعت خروج آب را در مقایسه با شن خالص تا حدود شش برابر کاهش دادند.

در بررسی مقایسه‌ای، نمونه‌های خاک ترکیب‌شده با باکتری‌ها مقاومت بیشتری نسبت به شن خالص و نمونه‌های تیمارشده با قارچ نشان دادند.

پژوهشگران در آزمایش‌های استحکام که پس از یک هفته روی نمونه‌های تیمارشده با میکروب‌ها انجام گرفت، دریافتند ستون شن حاوی باکتری تقریباً شش سانتی‌متر طول دارد و آن‌قدر مقاوم شده است که می‌توان آن را بدون شکستگی از قالب خارج کرد و به قطعات کوچک‌تر برید.

در مقابل، نمونه‌های تیمارشده با قارچ مقاومت کمتری در برابر شکستگی داشتند. برخی از این ستون‌های شنی هنگام خارج کردن از قالب یا برش دادن پس از خشک شدن، ترک خوردند یا شکستند.

ورقه‌های سلولزی استحکام را افزایش می‌دهند و از هدررفت آب جلوگیری می‌کنند

پژوهشگران زمانی به نتایج بهتری در زمینه افزایش استحکام و حفظ آب دست یافتند که ابتدا ورقه‌های سلولزی موسوم به زیست‌بافت را به‌صورت جداگانه پرورش دادند و سپس آن‌ها را میان دو لایه شن قرار دادند. این لایه میانی مانند یک پارچه تقویت‌کننده عمل می‌کرد و نیروی واردشده به ماده را در سطح گسترده‌تری توزیع می‌کرد؛ در نتیجه، نمونه‌ها مقاومت بسیار بیشتری پیدا کردند.

این نمونه‌ها در آزمایش‌های فروریزش تحت بار ۱۰ کیلوگرمی نیز عملکرد بهتری نشان دادند.

دانشمندان دریافتند هرچه ورقه‌های سلولزی برای مدت طولانی‌تری رشد کنند، استحکام نهایی آن‌ها بیشتر خواهد شد. بیشترین کاهش در خروج آب نیز در نمونه‌های شنی تقویت‌شده با همین ورقه‌ها مشاهده شد.

برای اندازه‌گیری میزان حفظ آب، پژوهشگران مقداری آب را داخل لوله‌های پرشده با نمونه‌های مختلف شن ریختند و مدت‌زمان لازم برای تخلیه آب را ثبت کردند. با وجود اینکه روش استفاده از ورقه‌های سلولزی به زمان و نیروی کار بیشتری نیاز داشت، بهترین نتایج را از نظر پایداری ساختاری و حفظ آب به همراه آورد.

شن تقویت‌شده با ورقه‌های سلولزی، در مقایسه با شن دست‌نخورده، نفوذپذیری آب را تقریباً ۲۸ برابر کاهش داد. در مقابل، استفاده از الیافی که مستقیماً درون شن رشد کرده بودند، نفوذپذیری آب را حدود شش برابر پایین آورد.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهند که الیاف میکروبی می‌توانند جایگزینی زیست‌تخریب‌پذیر برای برخی مواد مصنوعی مورد استفاده در تثبیت خاک باشند.

گوستاو نیستروم درباره این روش گفت

این رویکرد به ما اجازه می‌دهد مواد آلی و آب را وارد شن کنیم و تا حدی به تثبیت آن کمک کنیم.

پژوهشگران همچنین توضیح دادند که شبکه‌های زیست‌پلیمری با تقویت اتصالات میان دانه‌های شن، می‌توانند فرسایش خاک ناشی از وزش باد را کاهش دهند.

این گروه پژوهشی برای فناوری موردنظر درخواست ثبت اختراع ارائه کرده است. با این حال، محققان هشدار دادند که تمام آزمایش‌ها تاکنون در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی انجام شده‌اند؛ شرایطی که در آن میزان میکروب‌ها و مواد غذایی موردنیازشان به‌دقت تنظیم می‌شد.

تیم پژوهشی هنوز آزمایش میدانی برای بررسی رشد محصولات کشاورزی انجام نداده و مقاومت بلندمدت این ماده تقویت‌شده را در برابر شرایط سخت بیابانی ارزیابی نکرده است.

نتایج این مطالعه در نشریه علمی Carbohydrate Polymers منتشر شده‌اند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.