Специалисты показали, что микробные биополимеры, скрепляя частицы песка и замедляя ток воды, способны содействовать преобразованию истощенных территорий в более стабильный грунт.
Евгения Васильева
Сгруппированные песчинки с микробными волокнами. Источник фото: Университет Халифа
Наука шаг за шагом движется к тому, чтобы сделать пустынные почвы более подходящими для жизни за счет усиления способности песка, страдающего от непрерывной ветровой эрозии, удерживать влагу.
Группа исследователей из Empa и Университета науки и технологий Халифа в Абу-Даби установила, что песок, скрепленный сетями микробных биополимеров, замедляет отток воды почти в 28 раз.
Подобно пластику, биополимеры являются природными молекулами с длинной цепью. Эти вещества можно получать из бактерий и растений.
Скрепляя песчинки и замедляя ток воды, микробные биополимеры способны помочь микроорганизмам и растениям закрепиться, что в перспективе содействует постепенному превращению истощенных земель в более стабильный грунт.
Микробные композитные волокна скрепляют частицы песка
В рамках данной работы специалисты применили микробные клетки, производящие целлюлозу — природный биополимер, состоящий из повторяющихся звеньев глюкозы. Эти крайне тонкие нитевидные структуры вырабатываются некоторыми бактериями и растениями и усиливают их структурную прочность.
Чтобы проверить, насколько эффективно микробы способны оживить песок, исследователи задействовали два подхода. Сначала они взяли образцы песка, собранные в дюнах неподалеку от Аль-Айна в ОАЭ, а также стандартизированный лабораторный песок, после чего подвергли образцы воздействию микробов, включая бактерии и грибки.
Чтобы удостовериться, что в изучаемых образцах не осталось живых организмов, исследователи стерилизовали их перед тем, как внести в них микробы и свежие питательные растворы.
В своей работе ученые использовали бактерию, продуцирующую целлюлозу, Komagataeibacter medellinensis и два штамма гриба Schizophyllum commune. Эти микробы образовали биополимеры, которые пропитали песок, создав сетку, удерживающую близлежащие частицы.
«Получается своего рода натуральный композитный материал», — говорит Густав Нюстрем, руководитель лаборатории целлюлозы и древесных материалов в Empa.
Сложные волокнистые структуры, созданные бактериями, повысили прочность грунта и замедлили дренаж воды в шесть раз по сравнению с образцами чистого песка.
В ходе сравнительного исследования ученые показали, что образцы грунта, смешанные с бактериями, оказались заметно устойчивее, чем чистый песок и образцы песка, обработанные грибками.
Исследователи обнаружили, что в ходе испытаний на прочность образцов грунта, обработанных микроорганизмами, через неделю песчаная колонна с бактериями достигла почти шести сантиметров в длину и была достаточно прочной, чтобы ее можно было извлечь из формы и разрезать на части, не повредив.
С другой стороны, исследователи отметили, что образцы, обработанные грибком, были менее прочными. Некоторые из этих песчаных колонн ломались при извлечении из форм или при разрезании на части после сушки.
Листы целлюлозы повышают прочность и снижают потерю воды
Исследователи добились гораздо большего прогресса как в прочности, так и в удержании воды, когда сначала выращивали листы целлюлозы, также называемые биотекстилем, по отдельности, а затем помещали их между двумя слоями песка. Этот промежуточный слой действовал как армирующая ткань и распределял нагрузку, приложенную к материалу, делая образцы значительно прочнее.
Эти образцы также показали лучшие результаты в испытаниях на сжатие с использованием 10-килограммовых грузов.
Исследователи обнаружили, что образцы, в которых целлюлозные листы выдерживались в течение длительного времени, стали еще прочнее. Кроме того, они зафиксировали значительное снижение водопроницаемости песка, армированного целлюлозными листами.
Чтобы измерить водоудерживающую способность, команда налила воду в трубки, заполненные различными образцами песка, и засекла время, за которое вода вытекла из каждой из них. Хотя этот метод с использованием листов был более трудоемким, он показал наилучшие результаты как с точки зрения структурной стабильности, так и с точки зрения водоудерживающей способности.
Песок, армированный листами целлюлозы, снизил водопроницаемость почти в 28 раз по сравнению с необработанным песком, в то время как волокна, выращенные непосредственно в песке, снизили водопроницаемость примерно в шесть раз.
Полученные результаты позволяют предположить, что микробные волокна могут стать биоразлагаемой альтернативой некоторым синтетическим материалам, используемым для стабилизации грунта.
«Такой подход позволяет нам добавить в песок органические вещества и воду и в некоторой степени стабилизировать его», — говорит Нюстрем.
По их словам, биополимерные сети, укрепляя связи между песчинками, могут также помочь снизить ветровую эрозию почвы.
Исследователи подали заявку на патент на эту технологию. Однако они предупредили, что работа проводилась исключительно в контролируемых лабораторных условиях, где тщательно регулировались как сами микробы, так и подача питательных веществ.
Команда еще не проводила полевых испытаний, связанных с выращиванием сельскохозяйственных культур, и не оценивала, насколько хорошо армированный материал выдержит длительное воздействие суровых условий пустыни. Результаты исследования были опубликованы в журнале Carbohydrate Polymers.
Из лаборатории — в полевые условия
Перспективы применения технологии в полевых условиях пока остаются предметом дальнейших исследований. Ученые подчеркивают, что лабораторные испытания проводились при строго контролируемых температуре, влажности и питательной среде, тогда как реальная пустыня подвергает материалы постоянным перепадам температур, интенсивному солнечному излучению и сильным ветрам.
Открытым остается вопрос, смогут ли микроорганизмы выживать и поддерживать синтез целлюлозы в условиях, где доступ к воде и питательным веществам ограничен. Кроме того, необходимо оценить, как поведет себя биополимерная сетка при многократных циклах увлажнения и высыхания, а также при механических нагрузках, связанных с движением транспорта или выпасом скота.
Отдельного внимания заслуживает экономическая сторона вопроса. Выращивание целлюлозных листов и их последующее размещение между слоями песка требует значительных трудозатрат, что на данном этапе делает метод более дорогим по сравнению с традиционными способами закрепления грунтов, такими как механическое уплотнение или использование синтетических полимеров.
Исследователи предполагают, что стоимость может быть снижена за счет масштабирования производства биотекстиля и оптимизации питательных растворов, однако без детального технико-экономического анализа говорить о широком внедрении преждевременно.
В то же время биоразлагаемость материала является существенным преимуществом, поскольку исключает накопление микропластика в экосистемах, что особенно важно для охраняемых природных территорий.
Важным направлением будущих работ станет оценка влияния биополимеров на местную микрофлору и fauna пустынь. Внесение чужеродных бактериальных штаммов, даже если они относятся к naturally occurring видам, может изменить баланс микробных сообществ в почве.
Ученые планируют изучить, как долго сохраняется активность Komagataeibacter medellinensis после прекращения подачи питательных веществ и не вытеснят ли они аборигенные микроорганизмы. Кроме того, предстоит выяснить, способны ли целлюлозные сети служить субстратом для развития патогенных грибков, что могло бы негативно сказаться на здоровье растений при последующем озеленении территории.
Широкие перспективы технологии
С практической точки зрения технология может найти применение не только в пустынных регионах, но и на территориях, подверженных опустыниванию вследствие интенсивного земледелия или вырубки лесов. В таких зонах закрепление песка биополимерами способно стать промежуточным этапом перед высадкой засухоустойчивых растений, которые в свою очередь укрепят грунт корневой системой и обогатят его органическим веществом.
Исследователи не исключают, что комбинация микробных биополимеров с гидрогелями или компостом даст синергетический эффект, увеличив влагоудержание и сократив потребность в поливе. Однако любые подобные комбинации требуют отдельной проверки на совместимость компонентов и отсутствие токсичности для растений.
Наконец, научная группа намерена сосредоточиться на полевых испытаниях, которые должны дать ответ на ключевой вопрос: сохраняется ли эффект усиления грунта на протяжении нескольких сезонов.
Для этого планируется заложить экспериментальные площадки в ОАЭ и сравнить образцы с биополимерной обработкой и без нее по показателям эрозии, влажности и всхожести растений.
Если результаты окажутся обнадеживающими, технология может стать частью комплексных программ по борьбе с опустыниванием, реализуемых на государственном уровне.
Тем не менее авторы призывают не спешить с выводами и подчеркивают, что переход от лабораторных колонн к реальным ландшафтам требует учета множества факторов, которые невозможно смоделировать в стенах лаборатории.
