صنایع فرآوری چوب در سراسر جهان حجم قابل‌توجهی خاک‌اره و سایر بقایای چوبی تولید می‌کنند. بخشی از این مواد دور ریخته می‌شود و بخشی نیز در کاربردهای کم‌ارزش مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ درنتیجه، بخشی از منابع زیستی بالقوه ارزشمند بدون استفاده مناسب باقی می‌ماند. تبدیل این پسماندها به مواد باارزش می‌تواند با اصول اقتصاد چرخشی (Circular Economy) هم‌راستا باشد و راهی برای کاهش اتلاف منابع و ایجاد محصولات جدید از مواد دورریز فراهم کند.
در پژوهشی که در مجله Scientific Reports منتشر شده است، پژوهشگران از یک فرایند شیمیایی چندمرحله‌ای برای تبدیل خاک‌اره به ذرات سلولزی استفاده کردند و سپس ویژگی‌های محصول حاصل و کاربردهای بالقوه آن را در کشاورزی، پاک‌سازی محیط‌زیست و ترمیم زخم بررسی کردند. نانوسلولز (Nanocellulose) نوعی مشتق سلولزی در مقیاس نانو است که می‌توان آن را با فرایندهایی مانند تیمار قلیایی، سفیدگری و هیدرولیز اسیدی از مواد لیگنوسلولزی به دست آورد. سطح ویژه زیاد، استحکام مکانیکی و زیست‌سازگاری از ویژگی‌هایی هستند که این ماده را برای کاربردهای متنوع جذاب می‌کنند.
فرایند تولید در این مطالعه با تیمار قلیایی خاک‌اره آغاز شد. این مرحله برای حذف لیگنین و همی‌سلولز انجام گرفت. در ادامه، سفیدگری با پراکسید برای دستیابی به سلولز خالص‌تر صورت گرفت و سپس هیدرولیز اسیدی به کاهش ابعاد الیاف سلولزی و تشکیل ذرات در مقیاس نانو کمک کرد. پژوهشگران برای بررسی محصول نهایی از چندین روش مشخصه‌یابی استفاده کردند.
تصاویر میکروسکوپی الکترونی، تغییر چشمگیر ساختار ماده را از چوب خام به ساختاری رشته‌ای و متخلخل نشان دادند. در چوب خام، ساختارهای لایه‌ای و نسبتاً بزرگ مشاهده شد، درحالی‌که پس از فرایند شیمیایی، ساختاری فیبری و متخلخل با ویژگی‌های نانومقیاس شکل گرفت. در تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، نمونه چوب خام در بزرگنمایی ۲۵۰ برابر و نانوسلولز در بزرگنمایی ۳۰ هزار برابر بررسی شده بود.
تحلیل اندازه ذرات با روش پراکندگی نور نیز نشان داد که محصول به‌دست‌آمده یک سوسپانسیون کاملاً یکنواخت نیست و مجموعه‌ای از ذرات در ابعاد نانو، زیرمیکرون و همچنین تجمع‌های بزرگ‌تر را دربرمی‌گیرد. میانگین اندازه هیدرودینامیکی موسوم به Z-average حدود ۴۸۲٫۵ نانومتر گزارش شد و جمعیت کوچک‌تری از ذرات نیز در حدود ۱۲۰٫۵ نانومتر قرار داشت.
طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy; FT-IR) وجود گروه‌های عاملی شاخص سلولز، ازجمله گروه‌های هیدروکسیل و پیوندهای گلیکوزیدی، را پس از فرایند شیمیایی تأیید کرد. همچنین پراش پرتو ایکس (X-ray Diffraction; XRD) الگوی مشخصه سلولز نوع I را نشان داد و شاخص بلورینگی نمونه حدود ۹۱٫۷ درصد برآورد شد. پتانسیل زتا نیز برای بررسی بار سطحی و رفتار کلوئیدی ذرات اندازه‌گیری شد، هرچند مقدار عددی آن در بخش نتایج گزارش نشده بود.
یکی از نخستین آزمون‌ها به بررسی توانایی نمونه‌ها در نگه‌داری آب اختصاص داشت. پژوهشگران خاک‌اره، نانوسلولز و ترکیب‌های آن‌ها با خاک رس را با یکدیگر مقایسه کردند. نتایج نشان داد خاک‌اره به دلیل ساختار متخلخل خود توانایی بیشتری برای جذب و نگه‌داری آب داشت. در این آزمایش، خاک‌اره توانست ۲۶٫۲۱ میلی‌لیتر آب را نگه دارد، درحالی‌که مقدار آب نگه‌داری‌شده برای نانوسلولز خالص ۳٫۴۶ میلی‌لیتر و برای ترکیب خاک رس و نانوسلولز ۳٫۸۷ میلی‌لیتر بود.
پژوهشگران برای بررسی کاربرد کشاورزی، جو (Hordeum vulgare) را در خاک‌های حاوی خاک‌اره، نانوسلولز و ترکیب‌های مختلف این مواد کشت کردند. وزن تر، طول ساقه، برگ و ریشه و همچنین شاخص‌های فیزیولوژیک مانند میزان کلروفیل، پروتئین، ترکیبات فنولی و فلاونوئیدی اندازه‌گیری شد.
نتایج نشان داد پاسخ گیاه به ترکیب‌های مختلف یکسان نیست. ترکیب خاک رس و نانوسلولز رشد ریشه را تقویت کرد و طول ریشه در این تیمار به ۱۱٫۵ سانتی‌متر رسید؛ طول ساقه نیز ۲۳٫۵ سانتی‌متر گزارش شد. از سوی دیگر، خاک غنی‌شده با خاک‌اره بیشترین مقدار پروتئین برگ، حدود ۱۴۹٫۱۴ میکروگرم بر گرم، و همچنین بالاترین مقادیر ترکیبات فنولی، فلاونوئیدی و شاخص کلروفیل را در میان شرایط بررسی‌شده نشان داد. بنابراین، هر یک از تیمارها اثر متفاوتی بر ویژگی‌های گیاه داشتند و نمی‌توان یک تیمار را به‌عنوان عامل بهبود همه شاخص‌ها معرفی کرد.
پژوهشگران همچنین تغییرات الگوی DNA گیاهان را با استفاده از دو نشانگر مولکولی RAPD-PCR و SCoT-PCR بررسی کردند. میزان چندشکلی مشاهده‌شده با این دو روش به‌ترتیب ۲۲٫۵ و ۱۳٫۷ درصد بود. بااین‌حال، این یافته به‌معنای اثبات ایجاد جهش ژنتیکی یا تغییرات اپی‌ژنتیکی در گیاه نیست. این روش‌ها صرفاً تفاوت‌هایی را در الگوهای باندی DNA نشان می‌دهند و نمی‌توانند مشخص کنند که این تفاوت‌ها ناشی از جهش، تغییرات اپی‌ژنتیکی یا حتی تغییرات فنی مربوط به فرایند واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) بوده‌اند. ازاین‌رو، نتایج را دقیق‌تر می‌توان به‌عنوان تفاوت در اثرانگشت مولکولی گیاهان رشدکرده در شرایط مختلف توصیف کرد.
کاربرد دوم نانوسلولز به پاک‌سازی آب از رنگ‌های مصنوعی مربوط بود. پژوهشگران توانایی خاک‌اره و نانوسلولز را برای جذب سه رنگ مالاشیت گرین (Malachite Green)، نوتال رد (Neutral Red) و برموفنول بلو (Bromophenol Blue) از محلول‌های آبی بررسی کردند. هر دو ماده توانستند شدت رنگ مالاشیت گرین و نوتال رد را در شرایط آزمایشگاهی کاهش دهند. خاک‌اره در حذف مالاشیت گرین عملکرد اندکی بهتر داشت، درحالی‌که نانوسلولز برای نوتال رد کارایی بیشتری نشان داد. به‌گفته پژوهشگران، ساختار نانوالیافی و گروه‌های عاملی سطحی نانوسلولز می‌تواند در این رفتار نقش داشته باشد.
در مقابل، حذف برموفنول بلو که یک رنگ آنیونی است، محدود بود. این تفاوت نشان می‌دهد که بار الکتریکی رنگ و نوع برهم‌کنش آن با سطح جاذب، نقش مهمی در کارایی فرایند جذب دارد. بنابراین، نتایج به‌دست‌آمده را نمی‌توان به همه رنگ‌ها و شرایط واقعی فاضلاب تعمیم داد و برای ارزیابی کاربرد عملی، آزمایش‌های بیشتری در محیط‌های پیچیده‌تر مورد نیاز است.
سومین بخش مطالعه به بررسی ظرفیت نانوسلولز برای کمک به ترمیم زخم اختصاص داشت. پژوهشگران این ماده را در مدل موشی بررسی و تغییر ابعاد زخم را طی ۱۰ روز دنبال کردند. در گروه دریافت‌کننده نانوسلولز، اندازه زخم در آغاز آزمایش ۰٫۴ در ۰٫۶ سانتی‌متر و در روز دهم ۰٫۲ در ۰٫۲ سانتی‌متر بود. در گروه کنترل که تنها بانداژ دریافت کرده بود، اندازه زخم از ۰٫۵ در ۰٫۸ سانتی‌متر به ۰٫۱ در ۰٫۴ سانتی‌متر رسید.
پژوهشگران بر اساس مشاهده ظاهری، زخم‌های تیمارشده با نانوسلولز را در روز دهم نزدیک‌تر به بسته‌شدن کامل توصیف کردند؛ بااین‌حال، اندازه اولیه زخم‌ها در دو گروه یکسان نبود و مطالعه نیز آزمون آماری رسمی برای مقایسه بین دو گروه در زمینه بسته‌شدن زخم گزارش نکرده است. بنابراین، این بخش از پژوهش را باید شواهد اولیه‌ای برای بررسی نانوسلولز به‌عنوان ماده پانسمان دانست، نه اثبات یک اثر درمانی قطعی یا مزیت بالینی کمی‌شده.
مجموع این یافته‌ها نشان می‌دهد که ضایعات چوب می‌توانند ماده اولیه‌ای برای تولید محصولات سلولزی با کاربردهای متفاوت باشند؛ از اصلاح‌کننده‌های خاک و مواد جاذب گرفته تا مواد مورد بررسی برای پانسمان زخم. نکته مهم این است که عملکرد نانوسلولز در هر کاربرد به ویژگی‌های سطحی، ساختار شبکه‌ای، اندازه ذرات و شرایط محیطی وابسته است و نمی‌توان نتایج یک حوزه را مستقیماً به حوزه دیگر تعمیم داد.
به‌گفته پژوهشگران، گام‌های بعدی باید به سمت اصلاح سطح نانوسلولز و ارزیابی دقیق‌تر توانایی آن در جذب آلاینده‌ها در شرایط نزدیک‌تر به فاضلاب واقعی حرکت کند. همچنین لازم است منشأ تغییرات مشاهده‌شده در نشانگرهای مولکولی گیاهان با روش‌های دقیق‌تر مشخص شود. در حوزه زیست‌پزشکی نیز بررسی سازگاری بافتی، نشانگرهای التهاب و تغییرات بلندمدت بافت پس از ترمیم زخم می‌تواند تصویر روشن‌تری از ظرفیت این ماده ارائه کند.
این مطالعه در مجموع نمونه‌ای از رویکرد اقتصاد چرخشی در زیست‌مواد است؛ رویکردی که در آن یک پسماند حاصل از صنایع چوب می‌تواند به ماده‌ای با ارزش افزوده تبدیل شود و سپس در چند مسیر پژوهشی متفاوت مورد ارزیابی قرار گیرد. بااین‌حال، فاصله میان «ظرفیت آزمایشگاهی» و «کاربرد عملی» همچنان قابل‌توجه است و عبور از این مرحله به مطالعات دقیق‌تر، استانداردسازی فرایند تولید و ارزیابی ایمنی و کارایی در شرایط واقعی نیاز دارد.