Аннотация:
Столкнувшись с проблемами растущего глобального опустынивания земель и продолжающегося сокращения сельскохозяйственных земель, исследовательская группа из Швейцарии и Объединенных Арабских Эмиратов предложила творческое решение: сделать песок «живым». Исследование проводилось совместно Швейцарской федеральной лабораторией материаловедения и технологий (Empa) и Университетом Халифы в Абу-Даби. Исследователи надеются, что путем внедрения специфических микроорганизмов песок пустыни, который изначально был бесплодным, рыхлым и почти непригодным для сельскохозяйственного производства, можно превратить в новую матрицу, способную удерживать воду, противостоять эрозии и поддерживать рост растений. Исследовательская группа называет эту технологию «Живой песок».
Более 90% земель ОАЭ покрыто пустыней, а земли, доступные для сельскохозяйственного производства, составляют менее 5% от общей площади. В настоящее время страна может производить лишь около 10–15% своих потребностей в продовольствии, а остальное сильно зависит от импорта. Исследователи отмечают, что эта проблема характерна не только для Ближнего Востока. В условиях глобального изменения климата, деградации лесов и чрезмерного использования земель все больше и больше регионов сталкиваются с аналогичными проблемами деградации земель и опустынивания.
Традиционные песчаные земли не подходят для сельскохозяйственного возделывания. Песчинкам трудно образовать между собой устойчивую структуру, что делает почву подверженной ветровой и водной эрозии. В то же время в песке не хватает органических питательных веществ, и он не может поддерживать рост микробов и растений в течение длительного времени. Что еще более серьезно, так это то, что вода будет быстро просачиваться из промежутков между песчинками, что делает эффективность орошения крайне низкой.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа ввела в песчаную среду определенные бактерии и грибы. Эти микроорганизмы способны секретировать естественные длинноцепочечные молекулы, называемые биополимерами, и в дальнейшем образовывать большие сети микроволокон. Эти волокна будут распределяться между песчинками, как натуральный клей, соединяя изначально независимые песчинки, образуя более стабильную общую структуру.
Ответственный за исследование сказал, что с точки зрения материаловедения это фактически эквивалентно созданию природного композитного материала, состоящего из песчинок и биологических волокон. Микроскопические изображения показывают, что созданная микробами сеть волокон обволакивает и соединяет отдельные зерна песка, придавая рыхлому песку беспрецедентную структурную прочность.
Чтобы проверить его эффект, исследователи использовали для тестирования лабораторные образцы песка и образцы песка, собранные из реальных песчаных дюн в Абу-Даби. Результаты показали, что механическая прочность образцов, обработанных бактериями, значительно улучшилась, а их эрозионная стойкость значительно выше, чем у обычного песка.
Что еще более важно, показатели удержания воды также были значительно улучшены. Экспериментальные данные показали, что в песке, обработанном бактериями, скорость проникновения воды снижается примерно в шесть раз. Это означает, что поливная вода, которая в противном случае быстро стекала бы, может дольше оставаться в субстрате, создавая условия для будущего роста растений.
Исследовательская группа также разработала второе улучшение. Они использовали бактерии, производящие наноцеллюлозу, для создания ультратонких слоев биоволокон и поочередно комбинировали эти материалы со слоями песка, чтобы создать структуру, подобную ткани. По сравнению с первым вариантом, эта слоистая структура может еще больше улучшить стабильность и водоудерживающую способность песка.
Результаты испытаний показывают, что после применения слоистой структуры наноцеллюлозы скорость проникновения воды снижается в 28 раз. По сравнению с обычным песком его способность удерживать воду значительно улучшена. Однако исследователи также отметили, что текущий производственный цикл этого метода длительный и еще есть возможности для дальнейшего повышения эффективности.
Для роста микроорганизмов необходим источник питательных веществ. В связи с этим исследовательская группа считает, что не существует препятствий, которые трудно было бы решить. Потому что источники углерода и сахара, необходимые бактериям и грибам, могут поступать непосредственно из доступных компонентов сельскохозяйственных или органических отходов, что образует относительно недорогую модель переработки.
Исследователи подчеркивают, что «живой песок» — это пока лишь первый шаг на пути превращения пустыни в пахотную землю. Основная цель — не сразу создать полноценные сельскохозяйственные угодья, а сначала наделить песок способностью удерживать влагу и поддерживать рост большего количества микроорганизмов. Как только будет сформирована стабильная микробная экосистема, можно будет в дальнейшем вводить растения и другие органические вещества для постепенного улучшения качества почвы.
Поскольку все больше и больше территорий по всему миру сталкиваются с проблемами деградации земель, эта новая технология, использующая природные микроорганизмы для преобразования пустынь, привлекла широкое внимание. Хотя до крупномасштабного применения в сельском хозяйстве еще предстоит пройти некоторый путь, исследовательская группа полагает, что, вдохнув «жизнь» в песок, пустынные районы могут получить новые возможности для сельскохозяйственного развития в будущем.
Комментарии