Ірма Шелест
Пустельний пісок, який зазвичай швидко пропускає воду та легко переноситься вітром, може отримати зовсім інші властивості. Дослідники з Об’єднаних Арабських Еміратів і Швейцарії випробували спосіб біологічного зміцнення піщаних частинок за допомогою бактерій та грибів. Мікроорганізми виробляють природні волокна, що утворюють своєрідну сітку між зернами піску. Вона з’єднує частинки, робить матеріал міцнішим і сповільнює проходження води.
Такий матеріал науковці називають «живим піском», хоча йдеться не про природний ґрунт у звичному розумінні, а про лабораторно створений композит. Його основу становить звичайний пісок, а роль сполучного компонента виконують біологічні волокна. За результатами випробувань, пісок із мікроорганізмами пропускав воду приблизно у шість разів повільніше, ніж необроблений матеріал. В іншій конструкції, де використовували готові целюлозні листи, водопроникність зменшилася майже у 28 разів.
Дослідження провели фахівці Університету Халіфи в ОАЕ, швейцарського дослідницького інституту Empa та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха. Наукову роботу опублікували в журналі Carbohydrate Polymers. Водночас експерименти поки що мають лабораторний характер, тому говорити про готову технологію для масштабного використання в пустелях ще зарано.
Як мікроорганізми перетворюють пісок на міцніший матеріал
Основою нового підходу стала целюлоза — природний полімер, який є важливою складовою клітинних стінок рослин. Деякі бактерії можуть самостійно виробляти целюлозні волокна. Вони формують тонку, але міцну мережу, здатну осідати на поверхні піщинок і з’єднувати їх між собою.
Для дослідів науковці використали бактерію Komagataeibacter medellinensis і два штами гриба Schizophyllum commune. Частину піску зібрали в дюнах поблизу міста Аль-Айн в Об’єднаних Арабських Еміратах. В окремих експериментах застосовували стандартизований лабораторний пісок, щоб порівняння результатів було точнішим.
Перед початком роботи пісок стерилізували, після чого до нього додавали мікроорганізми, воду та поживні розчини. У таких умовах бактерії й гриби могли рости безпосередньо між піщинками. У процесі життєдіяльності вони створювали волокна, які заповнювали проміжки та утримували окремі зерна разом.
Мікроскопічний аналіз підтвердив, що бактеріальна целюлоза вкривала поверхню піщинок і утворювала між ними контакти. У результаті пухка сипка маса поступово перетворювалася на композитний матеріал. Його властивості залежали від виду мікроорганізмів, тривалості вирощування та рівномірності розподілу волокон.
Бактеріальна обробка виявилася найрезультативнішою для безпосереднього скріплення піску. Приблизно за сім днів сформувався настільки міцний зразок, що стовпчик матеріалу заввишки близько шести сантиметрів можна було дістати з форми та розрізати. Окремі фрагменти зберігали цілісність навіть після занурення у воду.
Грибні культури також сприяли з’єднанню зерен, однак отримані зразки були менш стійкими. Деякі з них руйнувалися під час вилучення з форм або розрізання після висихання. Це свідчить, що однакова біологічна концепція може давати різні результати залежно від обраного мікроорганізму.
Чому вода проходить крізь «живий пісок» повільніше
Звичайний пісок має велику кількість проміжків між зернами. Коли на його поверхню потрапляє вода, вона швидко просочується вниз під дією сили тяжіння. Саме тому піщані ґрунти погано утримують вологу, а рослини в посушливих регіонах не завжди встигають використати воду після поливу або опадів.
Біологічні волокна змінюють цю структуру. Вони частково перекривають канали між піщинками, зменшують розмір вільних пор і створюють додаткові поверхні, за які може утримуватися волога. Вода не зникає миттєво в нижніх шарах, а рухається крізь матеріал повільніше.
Учені порівняли три типи зразків: звичайний пісок, пісок із волокнами, вирощеними безпосередньо між зернами, та пісок із готовими целюлозними прошарками. Для випробування матеріал поміщали в трубки, зверху наливали воду, а потім вимірювали швидкість її виходу з нижньої частини.
Зразки з волокнами, сформованими всередині піску, пропускали воду приблизно у шість разів повільніше. Ще кращий результат продемонстрували тонкі листи бактеріальної целюлози, які вкладали між шарами піску. Вони знизили водопроникність приблизно у 28 разів порівняно з необробленим матеріалом.
Целюлозні листи виконували одразу кілька функцій. Вони сповільнювали рух води, працювали як армувальні прошарки та допомагали піщаним блокам витримувати навантаження. Під час одного з демонстраційних тестів на зразки діяла сила, еквівалентна масі 10 кілограмів. Незміцнений піщаний куб руйнувався значно сильніше, тоді як матеріал із целюлозними вставками краще зберігав форму.
Водночас важливо правильно трактувати отримані цифри. Шестикратне зменшення водопроникності не означає, що рослина автоматично отримуватиме воду протягом у шість разів довшого періоду. У реальному ґрунті на результат впливатимуть температура, сонячне випаровування, вітер, склад води, активність мікроорганізмів і коренева система рослин.
Дослідники також зафіксували лише помірне збільшення загальної здатності піску утримувати воду: приблизно з 20,2% до 25,5% у зразках із волокнами, вирощеними між піщинками. Отже, головний ефект технології полягає не в різкому збільшенні об’єму накопиченої вологи, а в уповільненні її проходження крізь матеріал.
Де технологію можуть застосувати та що ще потрібно перевірити
Найочевидніша сфера використання «живого піску» — сільське господарство в посушливих регіонах. У пустелях і напівпустелях вода є обмеженим ресурсом, а піщаний ґрунт часто не може довго зберігати вологу біля коренів. Якщо сповільнити інфільтрацію, рослини потенційно матимуть більше часу для поглинання води.
Іншою перевагою може стати зміцнення поверхні ґрунту. Незакріплений пісок легко переноситься вітром, через що виникають дюни, пилові потоки та ерозія. Волокниста мережа здатна утримувати зерна разом, однак саме зменшення вітрового перенесення піску в цьому дослідженні безпосередньо не вимірювали. Тому такий ефект поки залишається перспективним припущенням, а не доведеним результатом.
Біологічний метод може зацікавити й у сфері відновлення деградованих земель. На відміну від деяких синтетичних зв’язувальних речовин, целюлоза є природним матеріалом і потенційно може поступово розкладатися. Проте її екологічна безпечність залежатиме від масштабів застосування, складу поживних середовищ, поведінки мікроорганізмів і тривалості збереження сформованої структури.
Поки що технологія має низку суттєвих обмежень. У лабораторії мікроорганізми отримували контрольовану кількість води, поживних речовин і кисню. У справжній пустелі підтримувати такі умови набагато складніше. Висока температура, тривале висихання, ультрафіолетове випромінювання та різкі перепади температур можуть перешкоджати росту бактерій і грибів або руйнувати волокна.
Науковці також помітили, що бактерії росли нерівномірно вздовж піщаного стовпчика. Верхня частина зразка виявилася слабшою за нижню. Це означає, що для практичного використання потрібно навчитися рівномірно розподіляти мікроорганізми, воду та поживні компоненти на значній площі.
Окремо необхідно перевірити довговічність матеріалу. Поки що не встановлено, як він поводитиметься після багаторазового висихання й зволоження, сильних дощів або тривалого впливу сонця. Також дослідники ще не визначили, чи не заважатиме целюлозна структура розвитку коренів і чи не змінюватиме вона хімічний склад ґрунту.
На наступних етапах потрібні випробування у великих контейнерах і відкритих ґрунтових ділянках, а також досліди з реальними сільськогосподарськими культурами. Важливо оцінити витрати води та поживних речовин для вирощування волокон, швидкість створення матеріалу й можливість його нанесення на великі площі.
Отже, перетворення пустельного піску на біологічно укріплений матеріал є перспективним напрямом, але не готовим рішенням для масштабного озеленення пустель. Експерименти показали, що бактерії та гриби здатні змінювати механічні властивості піску, а целюлозні волокна — істотно сповільнювати рух води. Чи стане така технологія практичним інструментом для землеробства в посушливих регіонах, залежатиме від подальших досліджень її ефективності, вартості, довговічності та впливу на довкілля.