Вчені навчилися перетворювати пустельний пісок на матеріал, який утримує воду вшестеро довше
Дослідники з Об'єднаних Арабських Еміратів і Швейцарії випробували технологію, яка дає змогу змінювати властивості піску за допомогою бактерій і грибів. Вони використали мікроорганізми, здатні виробляти природні волокна, що з'єднують окремі піщинки в міцнішу структуру. Про це пише Sciencealert.
Результати дослідження показали, що такий підхід може істотно впливати на рух води крізь пісок. У зразках, де мікроорганізми вирощували безпосередньо між піщинками, втрата води зменшилася приблизно в шість разів. Інший метод, що передбачав використання окремо вирощених целюлозних листів, знизив водопроникність матеріалу приблизно у 28 разів.
Наукову роботу опублікували в журналі Carbohydrate Polymers. У дослідженні взяли участь фахівці Університету Халіфи в ОАЕ, швейцарського дослідницького інституту Empa та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха (ETH Zurich).
Для сільського господарства в посушливих районах це може мати особливе значення. У піщаному ґрунті вода швидко просочується крізь проміжки між зернами, тому рослинам складніше отримувати достатньо вологи. Крім того, незакріплений пісок легко переноситься вітром, що сприяє ерозії. Дослідники припускають, що біологічні волокна можуть допомогти розв'язати обидві проблеми – зробити пісок стійкішим до руйнування та сповільнити проходження води.
В основі технології лежить целюлоза – природний полімер, який забезпечує значну частину міцності клітинних стінок рослин. Деякі бактерії також здатні виробляти целюлозу, формуючи надзвичайно тонкі волокна.
Такі волокна можуть створювати своєрідну сітку навколо піщинок і з'єднувати їх між собою. У результаті утворюється композитний матеріал, у якому мінеральні частинки утримуються разом завдяки біологічним волокнам.
"Це створює своєрідний природний композитний матеріал", – пояснив Густав Нюстрем, керівник лабораторії целюлози та деревних матеріалів інституту Empa.
Для експериментів науковці використали бактерію Komagataeibacter medellinensis і два штами гриба Schizophyllum commune. Хоча грибні штами належать до одного виду, вони відрізняються характеристиками росту.
Частину піску зібрали в дюнах поблизу міста Аль-Айн в Об'єднаних Арабських Еміратах. Для окремих випробувань на міцність також застосовували стандартизований лабораторний пісок. Перед початком експериментів матеріал стерилізували, а потім додавали мікроорганізми та поживні розчини. Це давало змогу дослідникам контролювати умови росту та оцінювати, як біологічні волокна впливають на структуру піску.
Мікроскопічні зображення підтвердили, що бактеріальна целюлоза осідає на поверхнях зерен і з'єднує сусідні частинки. Так формується мережа волокон, яка змінює механічні властивості матеріалу.
Учені порівняли два способи зміцнення піску. У першому мікроорганізми вирощували безпосередньо в піщаній масі, щоб волокна формувалися між зернами. У другому целюлозу спочатку вирощували окремо у вигляді тонких листів, які потім розміщували між шарами піску.
Обидва методи дали результати, але мали різні переваги. Бактеріальна обробка виявилася ефективнішою за використання грибів для безпосереднього скріплення піщинок. Протягом семи днів бактерії сформували настільки міцну структуру, що стовпчик піску заввишки приблизно 6 сантиметрів можна було вийняти з форми та розрізати на частини.
Отримані фрагменти зберігали цілісність навіть після занурення у воду. Це свідчило про те, що волокна здатні підтримувати структуру матеріалу не лише в сухому середовищі.
Гриби також скріплювали піщинки, проте утворені зразки були крихкішими. Деякі з них руйнувалися під час виймання з форм або розрізання після висихання.
Ці результати вказують на те, що різні мікроорганізми можуть по-різному впливати на міцність біологічно зміцненого піску. Для практичного застосування важливо не лише сформувати волокнисту мережу, а й забезпечити її рівномірний ріст та достатню механічну стійкість.
Другий підхід передбачав використання тонких листів бактеріальної целюлози, які вирощували окремо та вкладали між шарами піску. Вони виконували роль армувальної тканини, допомагаючи розподіляти навантаження й утримувати матеріал разом.
Під час демонстраційного випробування дослідники порівняли піщаний куб без зміцнення з кубом, у якому використали целюлозні листи. На зразки діяло навантаження масою 10 кілограмів. Незміцнений куб руйнувався значно сильніше, тоді як матеріал із целюлозними прошарками краще зберігав форму.
Загалом довше вирощені целюлозні листи забезпечували міцніші зразки. Крім того, саме цей метод продемонстрував найбільше зменшення водопроникності. Щоб виміряти цей показник, науковці засипали пісок у трубки, наливали зверху воду та фіксували швидкість її витікання знизу. Випробували три варіанти матеріалу: звичайний пісок, пісок із волокнами, вирощеними безпосередньо між зернами, та пісок із вставленими целюлозними листами. Для кожного варіанта підготували по три повторні зразки.
Результати показали, що целюлозні прошарки зменшували водопроникність приблизно у 28 разів порівняно зі звичайним піском. Волокна, вирощені безпосередньо в піщаній масі, знижували її приблизно в шість разів.
Водночас ці показники характеризують швидкість проходження води крізь матеріал у лабораторних умовах. Вони не означають, що вода обов'язково залишатиметься доступною для рослин упродовж певного періоду за реальних погодних умов.
Однією з потенційних переваг технології є можливість змінити властивості піщаного ґрунту без використання деяких синтетичних матеріалів. Біологічні волокна можуть виконувати роль природного сполучного компонента, який утримує частинки разом і з часом потенційно розкладається.
Для сільського господарства це може бути корисним у регіонах, де вода швидко просочується крізь ґрунт, а вітер переносить верхній шар піску. Якщо матеріал повільніше пропускатиме воду та краще зберігатиме структуру, це потенційно допоможе створити сприятливіші умови для рослин.
Однак дослідники також виявили, що здатність утримувати воду зросла не надто суттєво. У зразках, де волокна вирощували безпосередньо між піщинками, відповідний показник підвищився приблизно з 20,2% до 25,5%.
Отже, основною перевагою технології наразі є не різке збільшення загальної кількості води, яку може утримувати пісок, а зменшення швидкості її проходження крізь матеріал Крім того, зміцнення піску може потенційно зменшити вітрову ерозію. Якщо зерна краще триматимуться разом, вітру буде складніше переносити їх із поверхні. Водночас у цьому дослідженні науковці безпосередньо не вимірювали кількість пилу, який утворюється або переноситься вітром. Тому цей ефект поки залишається припущенням, а не підтвердженим результатом експерименту.
Густав Нюстрем зазначив, що підхід дає змогу вводити в пісок органічну речовину та воду й певною мірою стабілізувати його. Проте для практичного використання технології потрібно з'ясувати, наскільки ефективно вона працюватиме поза лабораторією.
Попри перспективні результати, дослідження перебуває на лабораторному етапі. Експерименти проводили в контрольованих умовах, де мікроорганізми отримували воду та поживні речовини, необхідні для росту. Їм також був потрібен кисень.
У природному середовищі підтримувати такі умови може бути складніше. Висока температура, дефіцит вологи та інші чинники пустельного клімату можуть впливати на ріст мікроорганізмів і стабільність сформованої структури.
Науковці також помітили нерівномірний ріст бактерій уздовж піщаного стовпчика. Його верхня частина виявилася значно слабшою за нижню. Це вказує на те, що для створення однорідного матеріалу потрібно краще контролювати умови формування волокон.
Ще одне важливе обмеження полягає в тому, що дослідники не перевіряли, як новий матеріал впливає на ріст сільськогосподарських культур. Також вони не встановили, як довго зміцнений пісок зберігатиме свої властивості в реальних пустельних умовах. Для оцінювання практичної користі технології необхідні подальші експерименти, зокрема дослідження її довговічності, стійкості до висихання та повторного зволоження, а також впливу на корені рослин.
У роботі також зазначено, що троє дослідників – Блез Тарді, М-Хайдар А. Далі та Мохамед Хамід Салім – повідомили про заявку на патент, яка ще перебуває на розгляді. Це важлива інформація щодо можливого подальшого комерційного використання розробки, хоча сама заявка не підтверджує готовності технології до масового впровадження.
- Останні
- Популярні
Новини по днях
15 жовтня 2026
