یک تیم پژوهشی ایرانی توانست با جداسازی باکتری‌های موجود در مخلوط آسفالتی، یک بیوپلیمر (PHA) تولید کند و نشان دهد که افزودن تنها ۱ یا ۲ درصد از این مواد به قیر، می‌تواند خواص حرارتی و مکانیکی آن را به‌طور معنی‌داری بهبود دهد؛ از جمله افزایش سختی و ظرفیت گرمایی، کاهش کرنش‌های غیرقابل‌بازگشت و افزایش آب‌گریزی، همه نتایجی که می‌تواند به روسازی‌های پایدارتری منجر شود. محققان هشدار می‌دهند که مقدار PHA باید کنترل شود (≤۲٪) تا از حساسیت بیش از حد و ترک‌خوردگی جلوگیری شود و می‌گویند گام بعدی تلاش برای فعال‌سازی تولید PHA درون خودِ مخلوط آسفالتی (self-healing pavements) است.

چرا این پژوهش مهم است؟

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.

مزایای زیست‌محیطی و اقتصادی

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.

مقاومت‌ها و انگیزه‌ها

وقتی نوبت به نفیسه علمی‌فرد می‌رسد، او با لبخندی از دشواری‌ها و تلاش‌های خود می‌گوید: بار‌ها شنیدم که این کار غیرممکن است. می‌گفتند یک دانشجوی عمران نمی‌تواند سراغ باکتری‌ها برود. اما من باور داشتم که اگر پشتکار داشته باشم، می‌شود. مجبور شدم بایولوژی بخوانم، با محیط کشت کار کنم، روش‌های میکروبی یاد بگیرم. هر روز چیزی جدید بود. خیلی وقت‌ها شکست می‌خوردم؛ مثلا آزمایش جواب نمی‌داد یا نمونه‌ها خراب می‌شدند. ولی هر بار دوباره شروع کردم.

او مکثی کرد و گفت: بزرگ‌ترین درس این پژوهش برای من صبر بود. اینکه در علم هیچ چیز سریع به دست نمی‌آید. باید بار‌ها زمین خورد و دوباره ایستاد.

این پروژه تنها در حد یک پایان‌نامه باقی نمانده است. به گفته استادان، نتایج آن در قالب مقاله‌های علمی بین‌المللی منتشر شده و بازتاب خوبی داشته است.

سرکار در این‌باره توضیح می‌دهد: وقتی ایده‌ای نو باشد، داوران و مجلات معتبر هم آن را می‌پسندند. خوشبختانه، بخشی از نتایج این پژوهش در نشریات علمی سطح بالا منتشر شد و توجه محققان خارجی را هم جلب کرد. این یعنی تلاش‌های تیم ما دیده شد.

پیام به دانشجویان

در پایان گفت‌و‌گو، از سه پژوهشگر خواستیم پیامشان به دانشجویان را بگویند.

نادر حسن‌زاده: دانشجو باید صبور باشد. سختی و محدودیت همیشه هست، اما اگر تحمل کند، همین محدودیت‌ها می‌تواند سکوی پرتاب شود.

علیرضا سرکار: باید بین‌رشته‌ای فکر کنید. ترکیب دانش‌های مختلف، مثل مهندسی و زیست‌شناسی، است که نوآوری می‌آفریند.

نفیسه علمی‌فرد: هیچ ایده‌ای را کوچک نشمارید. شاید موضوع پایان‌نامه‌تان همان جرقه‌ای باشد که بعد‌ها به یک ایده جهانی تبدیل شود.

آنچه در این پژوهش دیده شد، تنها یک کار علمی نیست؛ نمونه‌ای است از جسارت در شکستن مرزها. دانشجویی که از مهندسی عمران به میکروبیولوژی پل زد، استادانی که در نبود امکانات، با ذهنی خلاق مسیر تازه‌ای باز کردند و پروژه‌ای که از دل یک پایان‌نامه، به سطح بین‌المللی راه یافت. این تجربه نشان می‌دهد آینده پژوهش، در نگاه‌های میان‌رشته‌ای و ایده‌های جسورانه است. شاید روزی جاده‌های ما نه‌تنها پایدارتر، بلکه به کمک همین باکتری‌ها، هوشمند و زنده شوند.