Для фермеров, обрабатывающих песчаные почвы, полив — это лишь часть работы. Вода быстро просачивается сквозь щели между песчинками, а ветер может уносить рыхлый песок. Для поддержания жизни растений необходимо удерживать влагу вокруг их корней и сохранять песок на месте.
Ученые проверили, могут ли волокна, вырабатываемые бактериями и грибами, связывать эти зерна вместе.
Выращивание микроорганизмов непосредственно в песке позволило создать материал, который они назвали «живым песком», и, как показали испытания, он может сократить потери воды в шесть раз.
В другом подходе они вырастили тонкие листы бактериальной целлюлозы и поместили их между слоями песка, снизив водопроницаемость примерно в 28 раз в лабораторных условиях.
В исследовании , опубликованном в журнале Carbohydrate Polymers , приняли участие исследователи из Университета Халифа в Объединенных Арабских Эмиратах, научно-исследовательского института Empa в Швейцарии и Цюрихского технологического института (ETH Zurich).
В почве корни, грибковые нити и волокна, вырабатываемые микробами, помогают удерживать частицы вместе. Исследователи проверили, могут ли подобные микроскопические сети укрепить песок и изменить движение воды в нем.
Они использовали целлюлозопродуцирующую бактерию Komagataeibacter medellinensis и два штамма гриба Schizophyllum commune . Эти штаммы грибов принадлежат к одному виду, но имеют разные характеристики роста.
Целлюлоза придает клеточным стенкам растений большую часть их прочности. Некоторые бактерии также производят ее, выделяя чрезвычайно тонкие волокна, которые могут образовывать сетку вокруг находящихся рядом частиц.
В исследовании использовался песок, собранный с дюн вблизи Аль-Айна в ОАЭ, а также стандартизированный лабораторный песок для проведения определенных испытаний на прочность. Перед добавлением микроорганизмов и питательных растворов исследователи стерилизовали песок.
На микроскопических изображениях была видна бактериальная целлюлоза, прикрепленная к поверхности зерен и связывающая соседние зерна.
«Это позволяет создать своего рода природный композитный материал», — сказал Густав Нистрём, руководитель лаборатории целлюлозных и древесных материалов Empa.
Обработка бактериями позволила получить более прочные образцы, чем обработка грибами. В течение семи дней песчаный столбик высотой около 6 сантиметров достаточно хорошо держался, чтобы его можно было извлечь из формы и разрезать на куски. Эти куски оставались целыми при помещении в воду.
Грибы также скрепляли зерна, но их образцы были более хрупкими. Некоторые из них рассыпались при извлечении из форм или при разрезании после сушки.
Во втором подходе исследователи выращивали целлюлозные листы по отдельности и помещали их между слоями песка. Листы действовали как армирующая ткань, помогая распределять усилие, приложенное к материалу.
В ходе демонстрации с использованием нагрузки в 10 килограммов необработанный песчаный куб разрушился гораздо сильнее, чем куб, армированный целлюлозными листами. Листы, выращенные в течение более длительного времени, как правило, делали образцы более прочными. Листы также обеспечили наибольшее снижение водопроницаемости.
Для проверки этого предположения исследователи наливали воду в заполненные песком трубки и засекали время, за которое она вытекала снизу. Они сравнивали необработанный песок с песком, содержащим волокна, выращенные между зернами, и песком, содержащим отдельно выращенный целлюлозный лист. Каждая группа включала три повторных образца.
Вставленный лист снизил проницаемость (или скорость прохождения воды) примерно до одной двадцать восьмой от значения необработанного песка, а волокна, выращенные непосредственно внутри песка, уменьшили ее примерно в шесть раз.
Исследователи также измерили, сколько воды могут удерживать образцы. Для песка, содержащего волокна, выращенные непосредственно между зернами, этот показатель увеличился примерно с 20,2% до 25,5%. Ученые описывают это увеличение как незначительное.
Группа исследователей предполагает, что микробные волокна могут стать биоразлагаемой альтернативой некоторым синтетическим материалам, используемым для стабилизации почвы. Более прочные связи между зернами также могут помочь ограничить ветровую эрозию, хотя в экспериментах не измерялись выбросы пыли.
«Такой подход позволяет нам вносить в песок органические вещества и воду, тем самым несколько стабилизируя его», — сказал Нистрём.
В заявлении о конфликте интересов, опубликованном в статье, трое исследователей — Блейз Тарди, М.-Хайдар А. Дали и Мохамед Хамид Салим — сообщили о подаче заявки на патент, находящейся на рассмотрении.
Данная работа по-прежнему носит лабораторный характер. Микроорганизмы получали воду и питательные вещества в контролируемых условиях, и для их роста требовался кислород. Рост был неравномерным по всей толще бактериального песка, и верхняя часть была значительно слабее нижней.
В ходе экспериментов не проверялся рост сельскохозяйственных культур и не устанавливался срок выживания материала в условиях пустыни.
Результаты исследования опубликованы в журнале Carbohydrate Polymers .