Ученые научились превращать пустынный песок в материал, который удерживает воду вшестеро дольше

Исследователи из Объединенных Арабских Эмиратов и Швейцарии опробовали технологию, позволяющую изменять свойства песка с помощью бактерий и грибов. Они использовали микроорганизмы, способные вырабатывать природные волокна, которые соединяют отдельные песчинки в более прочную структуру. Об этом пишет Sciencealert.

Как ученые создали "живой песок", удерживающий воду?

Результаты исследования показали, что такой подход может существенно влиять на движение воды через песок. В образцах, где микроорганизмы выращивали непосредственно между песчинками, потеря воды уменьшилась приблизительно в шесть раз. Другой метод, что предполагал использование отдельно выращенных целлюлозных листов, снизил водопроницаемость материала примерно в 28 раз.

Научную работу опубликовали в журнале Carbohydrate Polymers. В исследовании приняли участие специалисты Университета Халифы в ОАЭ, швейцарского исследовательского института Empa и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich).

Для сельского хозяйства в засушливых районах это может иметь особое значение. В песчаной почве вода быстро просачивается сквозь промежутки между зернами, поэтому растениям сложнее получать достаточно влаги. Кроме того, незакрепленный песок легко переносится ветром, что способствует эрозии. Исследователи предполагают, что биологические волокна могут помочь решить обе проблемы – сделать песок более устойчивым к разрушению и замедлить прохождение воды.

Как бактерии и грибы скрепляют песчинки

В основе технологии лежит целлюлоза – природный полимер, обеспечивающий значительную часть прочности клеточных стенок растений. Некоторые бактерии также способны вырабатывать целлюлозу, формируя чрезвычайно тонкие волокна.

Такие волокна могут создавать своеобразную сетку вокруг песчинок и соединять их между собой. В результате образуется композитный материал, в котором минеральные частицы удерживаются вместе благодаря биологическим волокнам.

"Это создает своеобразный природный композитный материал", – пояснил Густав Нюстрем, руководитель лаборатории целлюлозы и древесных материалов института Empa.

Для экспериментов ученые использовали бактерию Komagataeibacter medellinensis и два штамма гриба Schizophyllum commune. Хотя грибные штаммы относятся к одному виду, они отличаются характеристиками роста.

Часть песка собрали в дюнах вблизи города Аль-Айн в Объединенных Арабских Эмиратах. Для отдельных испытаний на прочность также использовали стандартизированный лабораторный песок. Перед началом экспериментов материал стерилизовали, а затем добавляли микроорганизмы и питательные растворы. Это позволяло исследователям контролировать условия роста и оценивать, как биологические волокна влияют на структуру песка.

Микроскопические изображения подтвердили, что бактериальная целлюлоза оседает на поверхностях зерен и соединяет соседние частицы. Так формируется сеть волокон, которая изменяет механические свойства материала.

Какой метод оказался более эффективным?

Ученые сравнили два способа укрепления песка. В первом микроорганизмы выращивали непосредственно в песчаной массе, чтобы волокна формировались между зернами. Во втором случае целлюлозу сначала выращивали отдельно в виде тонких листов, которые затем размещали между слоями песка.

Оба метода дали результаты, но имели разные преимущества. Бактериальная обработка оказалась более эффективной, чем использование грибов для непосредственного скрепления песчинок. В течение семи дней бактерии сформировали настолько прочную структуру, что столбик песка высотой примерно 6 сантиметров можно было вынуть из формы и разрезать на части.

Полученные фрагменты сохраняли целостность даже после погружения в воду. Это свидетельствовало о том, что волокна способны поддерживать структуру материала не только в сухой среде.

Грибы также скрепляли песчинки, однако образовавшиеся образцы были более хрупкими. Некоторые из них разрушались при извлечении из форм или разрезании после высыхания.

Эти результаты указывают на то, что различные микроорганизмы могут по-разному влиять на прочность биологически упрочненного песка. Для практического применения важно не только сформировать волокнистую сеть, но и обеспечить ее равномерный рост и достаточную механическую устойчивость.

Целлюлозные листы почти в 28 раз снизили водопроницаемость

Второй подход предполагал использование тонких листов бактериальной целлюлозы, которые выращивали отдельно и укладывали между слоями песка. Они выполняли роль армирующей ткани, помогая распределять нагрузку и удерживать материал вместе.

В ходе демонстрационного испытания исследователи сравнили песчаный куб без укрепления с кубом, в котором использовались целлюлозные листы. На образцы действовала нагрузка массой 10 килограммов. Неукрепленный куб разрушался значительно сильнее, тогда как материал с целлюлозными прослойками лучше сохранял форму.

В целом, целлюлозные листы, выдержанные дольше, обеспечивали более прочные образцы. Кроме того, именно этот метод продемонстрировал наибольшее снижение водопроницаемости. Чтобы измерить этот показатель, ученые засыпали песок в трубки, наливали сверху воду и фиксировали скорость ее вытекания снизу. Были испытаны три варианта материала: обычный песок, песок с волокнами, выращенными непосредственно между зернами, и песок со вставленными целлюлозными листами. Для каждого варианта подготовили по три повторных образца.

Результаты показали, что целлюлозные прослойки снижали водопроницаемость примерно в 28 раз по сравнению с обычным песком. Волокна, выращенные непосредственно в песчаной массе, снижали ее примерно в шесть раз.

В то же время эти показатели характеризуют скорость прохождения воды через материал в лабораторных условиях. Они не означают, что вода обязательно будет оставаться доступной для растений в течение определенного периода в реальных погодных условиях.

Поможет ли "живой песок" сельскому хозяйству в пустынях?

Одним из потенциальных преимуществ технологии является возможность изменить свойства песчаной почвы без использования некоторых синтетических материалов. Биологические волокна могут выполнять роль естественного связующего компонента, который удерживает частицы вместе и со временем потенциально разлагается.

Для сельского хозяйства это может быть полезно в регионах, где вода быстро просачивается через почву, а ветер уносит верхний слой песка. Если материал будет медленнее пропускать воду и лучше сохранять структуру, это потенциально поможет создать более благоприятные условия для растений.

Однако исследователи также обнаружили, что способность удерживать воду выросла не слишком существенно. В образцах, где волокна выращивали непосредственно между песчинками, соответствующий показатель повысился примерно с 20,2% до 25,5%.

Таким образом, основным преимуществом технологии на данный момент является не резкое увеличение общего количества воды, которое может удерживать песок, а снижение скорости ее прохождения через материал. Кроме того, укрепление песка может потенциально уменьшить ветровую эрозию. Если зерна будут лучше держаться вместе, ветру будет сложнее уносить их с поверхности. В то же время в данном исследовании ученые непосредственно не измеряли количество пыли, которая образуется или переносится ветром. Поэтому этот эффект пока остается предположением, а не подтвержденным результатом эксперимента.

Густав Нюстрем отметил, что данный подход позволяет вводить в песок органическое вещество и воду и в определенной степени стабилизировать его. Однако для практического применения технологии необходимо выяснить, насколько эффективно она будет работать за пределами лаборатории.

Какие ограничения имеет новая технология?

Несмотря на многообещающие результаты, исследование находится на лабораторном этапе. Эксперименты проводились в контролируемых условиях, где микроорганизмы получали воду и питательные вещества, необходимые для роста. Им также требовался кислород.

В естественной среде поддерживать такие условия может быть сложнее. Высокая температура, дефицит влаги и другие факторы пустынного климата могут влиять на рост микроорганизмов и стабильность сформированной структуры.

Ученые также заметили неравномерный рост бактерий вдоль песчаного столбика. Его верхняя часть оказалась значительно слабее нижней. Это указывает на то, что для создания однородного материала необходимо лучше контролировать условия формирования волокон.

Еще одно важное ограничение заключается в том, что исследователи не проверяли, как новый материал влияет на рост сельскохозяйственных культур. Также они не установили, как долго укрепленный песок будет сохранять свои свойства в реальных пустынных условиях. Для оценки практической пользы технологии необходимы дальнейшие эксперименты, в частности исследование ее долговечности, устойчивости к высыханию и повторному увлажнению, а также влияния на корни растений.

В работе также отмечается, что трое исследователей – Блез Тарди, М-Хайдар А. Дали и Мохамед Хамид Салим – сообщили о подаче патентной заявки, которая пока находится на рассмотрении. Это важная информация о возможном дальнейшем коммерческом использовании разработки, хотя сама заявка не подтверждает готовность технологии к массовому внедрению.