العلماء يسمحون للبكتيريا والفطريات بالتعاون لزيادة سعة تخزين المياه للرمل عدة مرات، وقد تتم زراعة المحاصيل في الصحاري في المستقبل

الملخص:

في مواجهة التحديات المتمثلة في زيادة التصحر العالمي للأراضي واستمرار انخفاض الأراضي الزراعية، اقترح فريق بحث من سويسرا والإمارات العربية المتحدة حلاً مبتكرًا: جعل الرمال "حية". تم إجراء البحث بشكل مشترك من قبل المختبر الفيدرالي السويسري لعلوم وتكنولوجيا المواد (Empa) وجامعة خليفة في أبوظبي. ويأمل الباحثون أنه من خلال إدخال كائنات دقيقة معينة، يمكن تحويل رمال الصحراء، التي كانت في الأصل قاحلة وفضفاضة وغير صالحة للإنتاج الزراعي، إلى مادة جديدة يمكنها الاحتفاظ بالمياه ومقاومة التآكل ودعم نمو النباتات. ويطلق فريق البحث على هذه التكنولوجيا اسم "الرمال الحية".

تغطي الصحراء أكثر من 90% من أراضي دولة الإمارات العربية المتحدة، وتقل نسبة الأراضي المتاحة للإنتاج الزراعي عن 5% من إجمالي المساحة. في الوقت الحالي، لا تستطيع البلاد إنتاج سوى حوالي 10% إلى 15% من احتياجاتها الغذائية، والباقي يعتمد بشكل كبير على الواردات. ويشير الباحثون إلى أن هذه المشكلة ليست فريدة من نوعها في منطقة الشرق الأوسط. ومع تغير المناخ العالمي وتدهور الغابات والإفراط في استخدام الأراضي، تواجه المزيد والمزيد من المناطق تحديات مماثلة تتمثل في تدهور الأراضي والتصحر.

الأراضي الرملية التقليدية ليست مناسبة للزراعة. ومن الصعب على حبيبات الرمل أن تشكل بنياناً مستقراً فيما بينها، مما يجعل التربة عرضة للتعرية بفعل الرياح والمياه. وفي الوقت نفسه، يفتقر الرمل إلى العناصر الغذائية العضوية ولا يمكنه الحفاظ على نمو الميكروبات والنباتات لفترة طويلة. والأخطر من ذلك هو أن المياه سوف تتسرب بسرعة بعيدًا عن الفجوات الموجودة بين حبيبات الرمل، مما يجعل كفاءة الري منخفضة للغاية.

لمعالجة هذه المشكلات، أدخل فريق البحث بكتيريا وفطريات معينة في البيئة الرملية. هذه الكائنات الحية الدقيقة قادرة على إفراز جزيئات طبيعية طويلة السلسلة تسمى البوليمرات الحيوية وتشكل أيضًا شبكات كبيرة من الألياف الدقيقة. سوف تتناثر هذه الألياف بين حبيبات الرمل مثل الغراء الطبيعي، لتربط حبيبات الرمل المستقلة في الأصل لتشكل بنية عامة أكثر استقرارًا.

قال الشخص المسؤول عن البحث إنه من منظور علم المواد، فإن هذا يعادل في الواقع إنشاء مادة مركبة طبيعية تتكون من حبيبات الرمل والألياف البيولوجية. تُظهر الصور المجهرية أن شبكات الألياف المنتجة ميكروبيًا تلتف وتربط حبيبات الرمل الفردية، مما يمنح الرمال السائبة قوة هيكلية غير مسبوقة.

ومن أجل التحقق من تأثيره، استخدم الباحثون عينات رملية مخبرية وعينات رملية تم جمعها من الكثبان الرملية الحقيقية في أبوظبي للاختبار. وأظهرت النتائج تحسن القوة الميكانيكية للعينات المعالجة بالبكتيريا بشكل ملحوظ، كما أن مقاومتها للتآكل أعلى بكثير من مقاومة الرمل العادي.

والأهم من ذلك، أنه تم أيضًا تحسين أداء الاحتفاظ بالمياه بشكل ملحوظ. أظهرت البيانات التجريبية أن معدل تغلغل المياه انخفض بنحو ستة أضعاف في الرمال المعالجة بالبكتيريا. وهذا يعني أن مياه الري التي قد تستنزف بسرعة ستكون قادرة على البقاء في الركيزة لفترة أطول، مما يخلق الظروف الملائمة لنمو النباتات في المستقبل.

طوّر فريق البحث أيضًا تحسينًا ثانيًا. استخدموا البكتيريا التي تنتج السليلوز النانوي لإنشاء طبقات رقيقة جدًا من الألياف الحيوية ودمجوا هذه المواد بالتناوب مع طبقات من الرمل لإنشاء هيكل يشبه القماش. بالمقارنة مع الخيار الأول، يمكن لهذا الهيكل ذو الطبقات أن يزيد من تحسين الاستقرار والقدرة على الاحتفاظ بالمياه للرمال.

تظهر نتائج الاختبار أنه بعد اعتماد هيكل طبقات النانو سليلوز، ينخفض ​​معدل تغلغل المياه بنسبة مذهلة تبلغ 28 مرة. بالمقارنة مع الرمال العادية، تم تحسين قدرتها على تخزين المياه بشكل كبير. ومع ذلك، أشار الباحثون أيضًا إلى أن دورة التصنيع الحالية لهذه الطريقة طويلة وما زال هناك مجال لمزيد من التحسين في الكفاءة.

يتطلب النمو الميكروبي بحد ذاته مصدرًا للعناصر الغذائية. وفي هذا الصدد، يرى فريق البحث أنه لا توجد عقبات يصعب حلها. لأن مصادر الكربون والسكريات التي تحتاجها البكتيريا والفطريات يمكن أن تأتي مباشرة من المكونات المتوفرة في النفايات الزراعية أو النفايات العضوية، وبالتالي تشكل نموذج إعادة تدوير منخفض التكلفة نسبيًا.

يؤكد الباحثون أن "الرمال الحية" لا تزال مجرد خطوة أولى في تحويل الصحراء إلى أرض صالحة للزراعة. الهدف الرئيسي ليس إنشاء أرض زراعية كاملة على الفور، ولكن أولاً تزويد الرمال بالقدرة على الاحتفاظ بالرطوبة ودعم نمو المزيد من الكائنات الحية الدقيقة. بمجرد تشكيل نظام بيئي ميكروبي مستقر، من الممكن إدخال المزيد من النباتات والمواد العضوية الأخرى لتحسين جودة التربة تدريجيًا.

مع مواجهة المزيد والمزيد من المناطق حول العالم لمشاكل تدهور الأراضي، حظيت هذه التكنولوجيا الجديدة التي تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الطبيعية لتحويل الصحارى باهتمام واسع النطاق. وعلى الرغم من أنه لا يزال هناك بعض المسافة التي يجب قطعها قبل التطبيقات الزراعية واسعة النطاق، إلا أن فريق البحث يعتقد أنه من خلال حقن "الحياة" في الرمال، قد يكون للمناطق الصحراوية إمكانيات جديدة للتنمية الزراعية في المستقبل.