مبارزه با بیابان‌زایی با استفاده از سیانوباکتری‌های آبی و نوعی نانوکامپوزیت

بیابان‌زدایی و اوتریفیکاسیون آب (تغذیه‌گرایی) دو مشکل بسیار مهم محیط زیستی در سراسر جهان هستند. برای کاهش هم زمان این دو مساله، محققان چینی ایده جدیدی را پیشنهاد کرده‌اند که شامل تزریق سیانوباکتری‌های آبی (AC) موجود در دریاچه Chaohu به سطح کویر Tengger برای تحریک رشد پوسته‌های بیولوژیکی خاک است. به این منظور، محققان نوعی نانوکامپوزیت با ساختار شبکه‌ای (SAX) متشکل از پلی آکریلات سدیم (SP)، صمغ زانتان (XG) و آتاپولگیت (ATP) ساختند. طی تحقیقات صورت گرفته، SXA پایداری زیستی، گرانروی و توانایی بالایی در نگهداری آب از خود نشان داده و به همین دلیل می‌تواند میکرو-محیطی مناسب برای رشد AC و سیانوباکتری‌های بیابانی (DC) فراهم کند.

این پژوهش در سال ۲۰۲۰، در مجله معتبر انجمن شیمی آمریکا با نام ACS Sustainable Chemistry & Engineering به چاپ رسیده است.

نتایج این تحقیق نشان داد که ترکیب AC و SXA بطور موثری سبب افزایش مقدار مواد مغذی ماسه شده که این امر به نوبه خود سبب تسهیل رشد DC و پوسته بیولوژیکی خاک می‌شود. یکی دیگر از نتایج مهم این پژوهش، پایداری پوسته‌های بیولوژیکی حاصله به مدت حداقل ۲۱۰ روز بود که این امر نقش بسزایی در تثبیت سطح ماسه‌ای دارد.

در فصل تابستان، تعداد بسیار زیادی از سیانوباکتری‌های آبی (AC) به سرعت در آب رشد کرده و باعث افزایش تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD) و کاهش کیفیت آب می‌شوند. از طرفی دیگر، آپوپتوز (مرگ سلولی) AC می‌تواند منجر به انتشار سموم جلبکی شود که برای سلامت انسان‌ها سمی هستند. بنابراین، توسعه روشی مناسب برای استفاده از AC ضروری بنظر می‌رسد.

تاکنون روش‌های مهندسی شده، شیمیایی و بیولوژیکی مختلفی برای مهار بیابان‌زایی توسعه یافته‌اند. روش‌های مهندسی شده عمدتا شامل موانعی (از جمله نی و شاخه درختان) می‌باشند که چیدمان آنها با استفاده از الگوی شطرنجی تنظیم می‌شود. این روش که تا حدودی مؤثر است به حجم کار قابل توجهی نیاز دارد. در روش شیمیایی عمدتا از مواد تثبیت‌کننده ماسه‌ای آلی و معدنی استفاده می‌شود. این روش به سرعت تاثیر خود را نشان می‌دهد اما معایبی از قبیل قیمت بالا و ایجاد آلودگی ثانویه دارد. در مقایسه با روش‌های مهندسی و شیمیایی، روش‌های بیولوژیکی از لحاظ اکولوژیکی پایدارتر هستند.

پوسته بیولوژیکی خاک می‌تواند مقاومت در برابر فرسایش را افزایش داده و سبب تجمع توده خاک شود. علاوه بر این سبب تغییر ذخیره مواد مغذی خاک شده و تعادل انرژی حرارتی آن را حفظ می‌کند و میکرومحیط‌های آب، هوا و خاک را تنظیم می‌کند.

در این پژوهش برای ساخت نانوکامپوزیت SXA، موادSP ، XG و ATP با نسبت وزنی (۳:۱:۳) مخلوط شدند. سپس مقادیر مختلفی از SXA با ۹۰ گرم ماسه در یک لیوان (۲۵۰ میلی‌لیتر) مخلوط شده و ۳۰ میلی‌لیتر آب مقطر بطور مساوی به سیستم اضافه شد. مخلوط حاصل به مدت ۱۲ ساعت در فر (۶۰ درجه سلسیوس) خشک شد.

در ماه آوریل ۲۰۱۹، صفحه شطرنجی از نی برنج ایجاد گردید و در تاریخ ۱ سپتامبر، ۶۷/۱۱ گرم SXA و سپس ۳ لیتر ACCW بر سطح ماسه‌ای (۱ متر × ۱ متر) در صحرای Tengger (N ’32°۳۷ و E ’02°۱۰۵) اسپری شد. روزانه ۲ لیتر آب لوله کشی روی سیستم پاشیده می‌شد. هر ۳ روز یکبار، لایه بالایی ماسه (۲ گرم) جمع آوری و در دمای ۲۴ درجه سلسیوس به مدت ۲۴ ساعت خشک می‌شد.

برای ارزیابی مقاومت ماسه در برابر فرسایش باد (WER)، از تست تونل باد استفاده شد. دستگاه تونل بادی قابل حمل به همراه یک لوله به طول ۳ متر، قطر ۱۵ سانتی‌متر و سرعت باد ۹ متر بر ثانیه، در یک طرف صفحه شطرنجی قرار داده شد و در طرف مقابل یک کیسه پلاستیکی (۱۰ سانتی‌متر × ۱۵ سانتی‌متر) برای جمع‌آوری ماسه‌های جدا شده قرار گرفت. بعد از ۴۰ ثانیه، وزن ماسه موجود در کیسه اندازه‌گیری شد.

همانطور که در شکل ۱ قابل مشاهده است، رنگ ماسه خالص (CK) در سیستم شطرنجی تغییر آشکاری نکرده است. پس از پاشیدن ACCW بر سطح ماسه به مدت ۱۵ روز، رنگ سبز به خاکستری مایل به قهوه‌ای تغییر یافت. رنگ‌ سبز تا حدی در روز بارانی (روز هفدهم) مشاهده شد که به حضور احتمالی سیانوباکتری‌ها نسبت داده می‌شود. در روزهای بارانی، میزان ناحیه سبز در خاک ماسه‌ای حاوی SXA و ACCW بسیار بیشتر از خاک ماسه‌ای با مواد دیگر بود. در روز ۲۱۰ام، سیانوباکتری‌های فیبری و نیز برخی ذرات کوچک در سطح ماسه یا در بین ذرات ماسه مشاهده شدند که نشان‌دهنده پایداری طولانی مدت پوسته بیولوژیکی خاک است.

همانطور که در شکل ۲ قابل مشاهده است، میزان WER در نمونه‌های مختلف ماسه‌ای به ترتیب زیر افزایش یافت: CK <ACCW <SXA <ACCW-SXA. توانایی نگهداری آب در نمونه‌های مختلف ماسه‌ای به ترتیب CK < ACCW-induced biocrusts < SXA < ACCW-SXA-induced biocrusts بود.

محققان خاطر نشان کردند که پوسته‌های بیولوژیکی حاصل از ACCW-SXA بطور قابل توجهی ضخیم‌تر از پوسته خاکی ناشی از ACCW در روزهای ۳۰ و ۲۱۰ بود که می‌تواند ناشی از اثر چسبانندگی SXA بر ذرات ماسه و بهبود پوسته بیولوژیکی خاک باشد.

تهیه و ترجمه: شبنم تقی پور، دانشجوی دکتری عمران-محیط زیست، دانشگاه صنعتی شریف