Исследователи из швейцарского института материаловедения Empa и Университета Халифы в Абу-Даби разработали технологию под названием «живой песок». Её суть в том, чтобы с помощью бактерий и грибов связать песчинки между собой и заставить песок дольше удерживать воду. В перспективе это может помочь выращивать сельскохозяйственные культуры там, где сейчас это почти невозможно, — на бесплодных пустынных землях.
Снимок под микроскопом: волокна биополимера скрепляют песчинки водоудерживающего «живого песка» | Источник изображения — newatlas.com
Почему в пустыне так трудно заниматься земледелием
Сельское хозяйство в Объединённых Арабских Эмиратах сталкивается с множеством трудностей. Большая часть страны — пустыня, и лишь около 5% её территории пригодно для земледелия. В результате ОАЭ производят только 10–15% необходимого продовольствия и сильно зависят от импорта, а это всегда уязвимое положение.
При этом проблема далеко не только местная. Из-за стремительной вырубки лесов и глобального потепления всё больше территорий по всему миру становятся похожими на пустыни, так что задача превращения песка в пригодную для растений среду может стать актуальной для многих регионов гораздо раньше, чем кажется.
Дожди в ОАЭ — большая редкость, и даже с орошением выращивать культуры в песке крайне сложно. В нём мало питательных веществ, а песчинки не слипаются друг с другом, как частицы плодородной почвы, которые скрепляют глина и органическое вещество. Поэтому песчаный грунт легко подвергается эрозии и не способен долго удерживать воду: она быстро просачивается сквозь промежутки между песчинками.
Как работает «живой песок»
Идея, лежащая в основе технологии, одновременно остроумна и проста: если частицы не держатся вместе, нужно добавить что-то липкое. Исследователи вносили в песок определённые виды бактерий и грибов. Эти микроорганизмы образуют целую сеть волокон и биополимеров, которые разрастаются между песчинками и делают материал более связным. Проще говоря, это похоже на смешивание песка с природным клеем. Похожий механизм работает и в природе: тонкие нити грибницы и выделения почвенных микробов помогают частицам обычной почвы объединяться в комочки.
Для проверки учёные использовали как лабораторный песок, так и песок, собранный на дюнах Абу-Даби. Полученный материал оказался заметно устойчивее обычного песка, а бактериальная обработка замедлила движение воды через него в шесть раз. Для будущих посадок это важно: чем медленнее уходит вода, тем дольше она остаётся в верхнем слое грунта.
Образцы «живого песка» лучше сохраняли форму и дольше удерживали воду, чем обычный песок | Источник изображения — newatlas.com
Микроорганизмам для роста и распространения, конечно, нужно питание, но у этой задачи, похоже, есть простое решение. По словам исследователей, источником питательных веществ могут стать сахара из органических отходов, так что «корм» для бактерий уже широко доступен.
Второй подход: геотекстиль из наноцеллюлозы
Команда опробовала и другой метод. На этот раз использовались бактерии, вырабатывающие наноцеллюлозу, из которой формировали так называемый геотекстиль. В строительстве этим термином называют полотна для укрепления грунта, а в данном случае речь идёт об очень тонких листах целлюлозы, которые соединяют с песком в виде слоёв.
Такая слоистая структура делает песок стабильнее и помогает ему удерживать воду. Результаты оказались ещё впечатляющее: вода просачивалась в 28 раз медленнее. Главный недостаток метода на данный момент очевиден — он требует много времени.
Ограничения и следующие шаги
Важно понимать, что ни одна из этих технологий не превращает песок в плодородную почву по волшебству. На этой стадии работы не показано и то, что в обработанном песке действительно растут культуры. Даже после обработки он всё ещё уступает настоящей почве в прочности и устойчивости, но такой цели пока и не ставилось.
Задача состоит в том, чтобы придать песку ровно столько связности и влагоёмкости, сколько нужно для создания условий, в которых растения потенциально смогут расти. Поэтому работа — скорее первый шаг, чем готовое решение, но шаг весьма значительный.
«Такой подход позволяет нам вносить в песок органическое вещество и воду и в какой-то мере стабилизировать его. В идеале это затем позволит развиваться другим микроорганизмам и растениям, запуская процесс, который сделает почву более устойчивой и плодородной», — объясняет Густав Нюстрём, руководитель лаборатории целлюлозы и древесных материалов Empa и один из авторов исследования.
Пока работа находится на лабораторной стадии. Следующим шагом станет проверка того, сможет ли песок, обработанный бактериями и грибами, поддерживать рост растений в теплице и в полевых условиях. Статья с результатами исследования опубликована в научном журнале Carbohydrate Polymers.
