دانشمندان ماسه‌ای زنده ساختند که آب را تا ۶ برابر بیشتر در خود نگه می‌دارد

دانشمندان روشی برای تبدیل شن‌های بیابان به شن زنده یافته‌اند که آب را شش برابر بیشتر حفظ می‌کند.

کشاورزانی که در زمین‌های شنی کار می‌کنند، با چالش‌هایی فراتر از آبیاری روبه‌رو هستند. آب به‌سرعت از میان فاصله‌های بین دانه‌های شن عبور می‌کند و باد نیز می‌تواند ذرات سست را با خود ببرد. بنابراین، حفظ رطوبت اطراف ریشه گیاهان و جلوگیری از جابه‌جایی شن، از مشکلات اصلی کشاورزی در این مناطق به شمار می‌رود.

اکنون دانشمندان بررسی کرده‌اند که آیا الیاف تولیدشده به‌وسیله باکتری‌ها و قارچ‌ها می‌توانند دانه‌های شن را به یکدیگر متصل کنند یا خیر. رشد مستقیم میکروب‌ها در شن، ماده‌ای موسوم به شن زنده به وجود آورد که آزمایش‌ها نشان داد می‌تواند میزان از دست رفتن آب را تا شش برابر کاهش دهد.

در روشی جداگانه، پژوهشگران ورقه‌های نازکی از سلولز باکتریایی پرورش دادند و آن‌ها را میان لایه‌های شن قرار دادند. آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان داد این روش می‌تواند نفوذپذیری شن در برابر آب را حدود ۲۸ برابر کاهش دهد.

این پژوهش در نشریه علمی کربوهیدرات پلیمرز (Carbohydrate Polymers) منتشر شده و محققانی از دانشگاه خلیفه در امارات متحده عربی، مؤسسه پژوهشی امپا در سوئیس و مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH زوریخ) در انجام آن مشارکت داشته‌اند.

چگونه می‌توان شن را به ماده‌ای مقاوم‌تر تبدیل کرد؟

در خاک طبیعی، ریشه گیاهان، رشته‌های قارچی و الیاف تولیدشده به‌وسیله میکروب‌ها به اتصال ذرات خاک کمک می‌کنند. پژوهشگران در این مطالعه بررسی کردند که آیا شبکه‌های میکروسکوپی مشابه می‌توانند استحکام شن را افزایش دهند و نحوه حرکت آب در میان دانه‌های آن را تغییر دهند یا خیر.

در بخشی از آزمایش‌ها، نمونه‌های استوانه‌ای شن پس از قرار گرفتن زیر آب، بدون از هم پاشیدن روی یکدیگر باقی ماندند. محققان از یک باکتری تولیدکننده سلولز به نام Komagataeibacter medellinensis و دو سویه از قارچ Schizophyllum commune استفاده کردند. این دو سویه به یک گونه قارچی تعلق دارند، اما ویژگی‌های رشد آن‌ها با یکدیگر متفاوت است.

سلولز یکی از مواد اصلی تشکیل‌دهنده دیواره سلول‌های گیاهی به شمار می‌رود و نقش مهمی در استحکام آن‌ها دارد. برخی باکتری‌ها نیز این ماده را تولید می‌کنند و الیاف بسیار ظریفی به وجود می‌آورند که می‌توانند شبکه‌ای در اطراف ذرات مجاور تشکیل دهند.

برای انجام آزمایش‌ها، پژوهشگران شن جمع‌آوری‌شده از تپه‌های شنی اطراف شهر العین در امارات متحده عربی را به همراه شن استاندارد آزمایشگاهی، که در برخی آزمون‌های استحکام کاربرد داشت، بررسی کردند. آن‌ها پیش از افزودن میکروب‌ها و محلول‌های غذایی، شن‌ها را استریل کردند.

تصاویر میکروسکوپی نشان دادند که سلولز باکتریایی به سطح دانه‌های شن می‌چسبد و ذرات مجاور را از طریق شبکه‌ای از الیاف به یکدیگر متصل می‌کند. گوستاو نیستروم، رئیس آزمایشگاه سلولز و مواد چوبی مؤسسه امپا، درباره این فرایند گفت

این فرایند نوعی ماده کامپوزیتی طبیعی ایجاد می‌کند.

نتایج آزمایش‌ها؛ افزایش استحکام و کاهش نفوذ آب

تیمار باکتریایی در مقایسه با استفاده از قارچ‌ها، نمونه‌های مقاوم‌تری تولید کرد. تنها پس از هفت روز، ستون شنی به ارتفاع حدود ۶ سانتی‌متر به‌اندازه‌ای استحکام پیدا کرد که پژوهشگران توانستند آن را از قالب خارج کنند و به قطعات کوچک‌تر برش دهند. این قطعات حتی پس از قرار گرفتن در آب نیز شکل خود را حفظ کردند.

قارچ‌ها هم توانستند دانه‌های شن را به یکدیگر متصل کنند، اما نمونه‌های حاصل از این روش شکننده‌تر بودند. برخی از آن‌ها هنگام خارج شدن از قالب یا پس از خشک شدن و برش خوردن، از هم پاشیدند.

در روش دوم، پژوهشگران ورقه‌های سلولزی را به‌صورت جداگانه پرورش دادند و سپس میان لایه‌های شن قرار دادند. این ورقه‌ها مانند یک پارچه تقویت‌کننده عمل کردند و به توزیع نیروی واردشده بر ماده کمک رساندند.

در آزمایشی که با وزنه‌ای به جرم ۱۰ کیلوگرم انجام شد، یک مکعب شن معمولی تغییر شکل بسیار بیشتری نسبت به مکعب تقویت‌شده با ورقه‌های سلولزی نشان داد. به‌طور کلی، ورقه‌هایی که مدت بیشتری برای رشد در اختیار داشتند، نمونه‌های مقاوم‌تری ایجاد کردند. این روش همچنین بیشترین کاهش نفوذپذیری آب را به همراه داشت.

برای اندازه‌گیری میزان نفوذ آب، پژوهشگران آب را داخل لوله‌های پرشده از شن ریختند و مدت‌زمان خروج آن از انتهای لوله را اندازه گرفتند. آن‌ها سه گروه را با یکدیگر مقایسه کردند: شن معمولی، شن حاوی الیاف تولیدشده در میان دانه‌ها و شن تقویت‌شده با ورقه سلولزی که جداگانه پرورش یافته بود. از هر گروه نیز سه نمونه برای تکرار آزمایش در نظر گرفتند.

نتایج نشان داد ورقه سلولزی، نفوذپذیری آب را به حدود یک‌بیست‌وهشتم مقدار ثبت‌شده در شن معمولی رساند. در مقابل، رشد مستقیم الیاف در میان دانه‌های شن، نفوذ آب را حدود شش برابر کاهش داد.

محققان همچنین میزان آب قابل نگهداری در نمونه‌ها را اندازه گرفتند. در شن حاوی الیافی که مستقیماً میان دانه‌ها رشد کرده بودند، این مقدار از حدود ۲۰٫۲ درصد به ۲۵٫۵ درصد افزایش یافت. با این حال، پژوهشگران این تغییر را افزایشی محدود توصیف کردند.

کاربردهای احتمالی و محدودیت‌های پژوهش

تیم تحقیقاتی معتقد است الیاف میکروبی می‌توانند جایگزینی زیست‌تخریب‌پذیر برای برخی مواد مصنوعی مورد استفاده در تثبیت خاک باشند. اتصال محکم‌تر میان دانه‌های شن همچنین ممکن است فرسایش بادی را کاهش دهد، هرچند در این آزمایش‌ها میزان انتشار گردوغبار مستقیماً اندازه‌گیری نشد.

گوستاو نیستروم درباره مزیت این روش گفت

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

سه پژوهشگر به نام‌های بلیز تاردی، ام‌حیدر ای. دالی و محمد حمید سلیم نیز در بخش اعلام منافع متعارض مقاله، از ثبت درخواست پتنتی خبر دادند که هنوز در انتظار بررسی قرار دارد.

با وجود نتایج امیدوارکننده، این تحقیق همچنان در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد. میکروب‌ها در شرایط کنترل‌شده به آب و مواد مغذی دسترسی داشتند و برای رشد آن‌ها وجود اکسیژن ضروری بود. همچنین، رشد باکتری‌ها در سراسر ستون شنی یکنواخت نبود و بخش بالایی ستون در مقایسه با قسمت پایینی استحکام بسیار کمتری داشت.

در این مطالعه، رشد محصولات کشاورزی در شن تثبیت‌شده آزمایش نشد و پژوهشگران نیز مشخص نکردند که این ماده تا چه مدت می‌تواند در شرایط واقعی بیابان دوام بیاورد.

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