پژوهشگران دانشگاه آزاد از باکتری‌های آسفالت، افزودنی زیستی برای قیر ساختند

مهندسان روسازی معمولاً برای بهبود عملکرد و افزایش عمر مفید آسفالت از اصلاح‌کننده‌های مبتنی بر مشتقّات نفتی (مانند EVA، SBR، SBS) استفاده می‌کنند؛ اما دغدغه‌های زیست‌محیطی و کمبود منابع فسیلی، انگیزه‌ای برای یافتن جایگزین‌های زیستی ایجاد کرده است. پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHAs) گروهی از بیوپلیمر‌های میکروبی با خواص ترموپلاستیک و الاستومری‌اند که کاربرد‌های گسترده‌ای در صنایع دارند و می‌توانند به‌عنوان اصلاح‌کننده‌های سازگار با محیط‌زیست برای قیر به‌کار روند.

ایده پژوهش: از «موجودات تخریب‌کننده» تا «منابع اصلاح‌کننده»

نوآوری اصلی این کار در همین نقطه است: به جای آوردن مواد صنعتی از بیرون، تیم پژوهشی باکتری‌های حاضر در همان مخلوط‌های آسفالتی را جداسازی کرده و از توان تولید PHA توسط آنها استفاده کردند یعنی از «مخرب» بالقوه قیر، یک «تولیدکننده اصلاح‌کننده» ساختند. در عمل، یکی از ایزولات‌های غالب به‌عنوان تولیدکننده انتخاب شد و پس از تولید و استخراج PHA، آن را در نسبت‌های ۱ و ۲ درصد وزنی با قیر مخلوط کردند و خواص مجموعه را بررسی کردند.

نمونه‌برداری و جداسازی باکتری‌ها

نمونه‌هایی از مخلوط‌های قیری از منابع مختلف تهیه شدند؛ نمونه‌ها در آب مقطر معلق و روی محیط آگار غنی از کربن (محتوی: گلوکز ۱٪، عصاره گوشت ۰.۳٪، پپتون ۰.۵٪، NaCl ۰.۸٪، آگار ۱.۵٪) کشت شدند. پس از ۴۸ ساعت، صفحات با رنگ Sudan Black B (۰.۳٪) رنگ‌آمیزی شدند؛ کلنی‌هایی که رنگ آبی/مشکی شدیدی نشان دادند به‌عنوان کاندید تولید PHA انتخاب شدند. در نهایت، جداسازی مولکولی با آنالیز ۱۶ S rRNA انجام شد و ایزول منتخب متعلق به گونه Pseudomonas aeruginosa تشخیص داده شد.

فرآیند علمی کار

تیم تحقیق ابتدا از نمونه‌های آسفالتی، باکتری‌های بومی قیر را جداسازی کرد. در میان صد‌ها کلنی، گونه‌ای از جنس Pseudomonas aeruginosa شناسایی شد که توانایی تولید پلیمر‌های زیستی از خانواده‌ پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHA) را داشت موادی طبیعی، تجدیدپذیر و زیست‌تخریب‌پذیر با خواص مشابه پلاستیک.

این پلیمر پس از استخراج، به نسبت‌های یک و دو درصد وزنی به قیر افزوده شد و با استفاده از مجموعه‌ای از آزمایش‌های دقیق شامل FTIR، XRD، DSC، SEM و آزمون‌های مکانیکی رئولوژیکی مورد تحلیل قرار گرفت.

نتایج نشان داد که افزودن تنها دو درصد از این ماده، تغییراتی چشمگیر در رفتار قیر ایجاد می‌کند:

افزایش مقاومت حرارتی و مکانیکی قیر، کاهش تغییرشکل‌های دائمی (روتینگ)، بهبود انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر ترک‌خوردگی، افزایش آب‌گریزی قیر و مقاومت در برابر رطوبت، بهبود درصد بازیابی کرنش و توان ترمیم‌پذیری نسبی.

به‌طور خاص، زاویه تماس قیر با آب از حدود ۹۷ درجه به بیش از ۱۰۵ درجه رسید، که به معنی کاهش تمایل قیر به جذب رطوبت است. همچنین، شاخص انعطاف‌پذیری و انرژی شکست نمونه‌های اصلاح‌شده، نسبت به قیر خالص بیش از دو برابر افزایش یافت.

نتایج فراتر از انتظار: قیری که «هوشمند» رفتار می‌کند

به گفته‌ محققان، ویژگی منحصر‌به‌فرد این بیوپلیمر در آن است که علاوه بر افزایش دوام، رفتار خودترمیمی را نیز در ساختار قیر تحریک می‌کند. در واقع، ساختار زنجیره‌ای PHA باعث می‌شود بخشی از شکست‌های میکروسکوپی قیر در برابر حرارت و تنش، به‌صورت طبیعی جبران شود.

نفیسه علمی‌فرد، مجری پروژه، در توضیح این فرایند گفت: در آزمایش‌ها دیدیم که ترکیب قیر با PHA رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد. در دما‌های بالا دیرتر نرم می‌شود و در برابر بارگذاری‌های متناوب، ساختار خود را بهتر حفظ می‌کند. این یعنی جاده‌ای با عمر بیشتر و هزینه نگهداری کمتر.

افزودن PHA به قیر، علاوه بر بهبود عملکرد روسازی، مزیت زیست‌محیطی مهمی نیز دارد. برخلاف افزودنی‌های نفتی مرسوم، این پلیمر کاملاً تجزیه‌پذیر و سازگار با طبیعت است و می‌تواند ردپای کربنی صنعت راه‌سازی را به شکل قابل توجهی کاهش دهد.

از سوی دیگر، استفاده از منابع بومی باکتریایی برای تولید افزودنی، می‌تواند وابستگی کشور به واردات مواد اصلاح‌کننده قیر را کاهش داده و زمینه‌ساز شکل‌گیری شرکت‌های دانش‌بنیان در حوزه‌ بیوتکنولوژی عمران شود.

جمع‌بندی: پیوند علم و راه‌سازی

نتیجه این پژوهش در یک جمله خلاصه می‌شود: قیر، دیگر تنها یک ماده شیمیایی نیست؛ موجودی زنده است که می‌توان با علم زیست، آن را درمان و تقویت کرد. کاربرد باکتری‌ها در تولید بیوپلیمر‌های اصلاح‌کننده قیر، نقطه‌ عطفی در حرکت به سوی روسازی‌های هوشمند، پایدار و زیست‌سازگار به شمار می‌آید مسیری که از آزمایشگاه‌های ایرانی آغاز شده و می‌تواند آینده جاده‌های جهان را متحول کند.

این دستاورد علمی تنها حاصل کار در آزمایشگاه نبود، بلکه نتیجه‌ پشتکار و همکاری میان سه پژوهشگر از دو حوزه متفاوت مهندسی عمران و علوم زیستی است. برای آشنایی بیشتر با مسیر پژوهش و چالش‌های آن، با نفیسه علمی‌فرد، دانشجوی این پروژه و استاد‌های راهنما علیرضا سرکار و نادر حسن‌زاده گفت‌و‌گو کردیم. گفت‌وگویی که از ایده اولیه تا نتایج جهانی این پژوهش را روایت می‌کند.

اگر باکتری‌ها قیر را تخریب می‌کنند، شاید بتوانند در ترمیم و اصلاح آن هم یاریگر باشند

آغاز مسیر: جرقه ایده چگونه شکل گرفت؟ 

علیرضا سرکار، استاد راهنمای اول، با نگاهی به سابقه پژوهش‌های خود، توضیح می‌دهد: سال‌ها در حوزه روسازی کار کرده‌ایم. همواره این سؤال برای ما وجود داشت که چرا قیر و آسفالت در طول زمان خراب می‌شوند. معمولاً پاسخ‌های سنتی به عواملی مثل آب‌وهوا، بار ترافیکی یا کیفیت مواد اولیه اشاره داشت. اما ما می‌خواستیم عمیق‌تر نگاه کنیم.به تدریج متوجه شدیم که شاید موجودات میکروسکوپی هم در این ماجرا نقش دارند. همان‌طور که در محیط‌های دیگر، باکتری‌ها و قارچ‌ها تغییرات بزرگی ایجاد می‌کنند، ممکن است در روسازی‌ها هم بی‌تأثیر نباشند.

او ادامه می‌دهد: از همین جا ایده شروع شد اگر باکتری‌هایی وجود دارند که می‌توانند قیر را تخریب کنند، چرا نتوانیم این فرایند را مطالعه کنیم، مهارش کنیم و حتی در مسیر مثبت به کار بگیریم؟ این نگاه می‌تواند راه را برای روسازی‌های هوشمند و پایدار باز کند.

وی افزود: در ابتدا قرار بود این پروژه صرفاً در قالب یک پایان‌نامه کارشناسی ارشد انجام شود، اما به دلیل تازگی موضوع، کار به‌صورت بین‌رشته‌ای میان حوزه‌های مهندسی عمران و میکروبیولوژی پیش رفت. همکاری صمیمانه و دانش تخصصی نادر حسن‌زاده در حوزه میکروبیولوژی باعث شد بتوانیم گونه‌های جدیدی از باکتری‌های مخرب آسفالت را شناسایی و سپس مواد اصلاح‌گر طبیعی برای ترمیم آن تولید کنیم.

چالش‌ها و نوآوری‌ها: وقتی محدودیت‌ها فرصت می‌سازند

آسفالت هم به نوعی موجود زنده است؛ میکروب دارد، بیمار می‌شود و می‌توان درمانش کرد

در ادامه گفت‌و‌گو، سراغ نادر حسن‌زاده، استاد راهنمای دوم، رفتیم. او با انرژی خاصی از سختی‌ها و خلاقیت‌های مسیر می‌گوید: برای نخستین‌بار توانستیم از باکتری‌های طبیعی، ماده‌ای با منشأ زیستی به نام PHA استخراج کنیم که خاصیت ترمیم‌کنندگی در مخلوط‌های آسفالتی دارد. این پژوهش، حاصل بیش از دو سال تلاش بی‌وقفه است و تاکنون چند مقاله علمی معتبر از آن چاپ و ثبت بین‌المللی توالی باکتری‌ها نیز انجام شده است. این دستاورد نشان داد علم عمران می‌تواند با علوم زیستی هم‌افزایی داشته باشد. ورود بیوتکنولوژی به مهندسی راه و روسازی، افق جدیدی پیش‌روی تحقیقات عمرانی گشوده است.

حسن‌زاده ادامه داد: بزرگ‌ترین چالش ما نبود امکانات و تجهیزات پیشرفته بود. برای پژوهشی که نیازمند آزمایش‌های میکروبی و بین‌رشته‌ای است، داشتن آزمایشگاه‌های مجهز حیاتی است. اما در عمل، ما چنین امکاناتی در اختیار نداشتیم. همین محدودیت باعث شد ذهنمان بازتر شود و دنبال راه‌حل‌های خلاقانه برویم.

او نگاهی متفاوت به موضوع دارد: ما تصمیم گرفتیم آسفالت را به عنوان یک موجود زنده ببینیم. این شاید در ابتدا عجیب به نظر برسد، اما اگر کمی عمیق‌تر فکر کنیم، منطقی است. آسفالت هم ترکیبی پیچیده است؛ درونش میکروب‌ها زندگی می‌کنند، دچار تغییر می‌شود و می‌تواند به نوعی بیمار یا درمان شود. همین زاویه دید تازه، مسیر پژوهش را روشن‌تر کرد