Cum se transformă nisipul din deșert în „nisip viu”, cu fibre produse de bacterii şi ciuperci

Pentru fermierii care cultivă pe terenuri nisipoase, irigarea este doar una dintre probleme. Apa se scurge rapid printre granulele de nisip, iar vântul poate împrăștia cu ușurință solul. Pentru ca plantele să supraviețuiască, umiditatea trebuie menținută în apropierea rădăcinilor, iar nisipul trebuie stabilizat, potrivit Science Alert.

O echipă internațională de cercetători a testat o metodă prin care fibrele produse de bacterii și ciuperci pot lega granulele de nisip între ele. Experimentele de laborator au arătat că materialul obținut, denumit „nisip viu”, poate reduce pierderea apei de aproximativ șase ori.

Într-o a doua abordare, oamenii de știință au cultivat separat foi subțiri de celuloză bacteriană, pe care le-au introdus între straturi de nisip. În testele de laborator, această metodă a redus permeabilitatea materialului la apă de aproximativ 28 de ori.

Studiul a fost publicat în revista Carbohydrate Polymers și a implicat cercetători de la Universitatea Khalifa din Emiratele Arabe Unite, institutul elvețian de cercetare Empa și ETH Zurich.

Cum au obținut cercetătorii „nisipul viu”

În solurile naturale, rădăcinile plantelor, filamentele ciupercilor și fibrele produse de microorganisme contribuie la legarea particulelor. Cercetătorii au vrut să afle dacă rețele microscopice asemănătoare pot consolida nisipul și pot modifica modul în care apa circulă prin el.

Pentru experimente, au folosit bacteria Komagataeibacter medellinensis, care produce celuloză, și două tulpini ale ciupercii Schizophyllum commune. Deși aparțin aceleiași specii, cele două tulpini au caracteristici diferite de creștere.

Celuloza conferă o mare parte din rezistența pereților celulari ai plantelor. Unele bacterii produc, la rândul lor, această substanță, sub formă de fibre foarte fine, care pot crea o rețea în jurul particulelor din apropiere.

Cercetătorii au folosit atât nisip colectat din dunele din apropierea orașului Al Ain, din Emiratele Arabe Unite, cât și nisip standardizat de laborator, pentru anumite teste de rezistență. Înainte de introducerea microorganismelor și a soluțiilor nutritive, nisipul a fost sterilizat.

Imaginile obținute la microscop au arătat că fibrele de celuloză bacteriană se atașează de suprafața particulelor de nisip și le leagă între ele.

„Se creează astfel un fel de material compozit natural”, a explicat Gustav Nyström, șeful laboratorului de materiale pe bază de celuloză și lemn din cadrul Empa.

Bacteriile au produs probe mai rezistente decât ciupercile

Tratamentul cu bacterii a dus la obținerea unor probe mai rezistente decât cel cu ciuperci. În numai șapte zile, o coloană de nisip de aproximativ șase centimetri înălțime a devenit suficient de solidă pentru a putea fi scoasă din matriță și tăiată în bucăți. Acestea și-au păstrat forma chiar și atunci când au fost introduse în apă.

Ciupercile au reușit, de asemenea, să lege granulele, însă materialele rezultate au fost mai fragile. Unele probe s-au rupt în timpul scoaterii din matrițe sau la tăiere, după uscare.

Pentru a doua metodă, cercetătorii au cultivat separat foi de celuloză, apoi le-au introdus între straturile de nisip. Acestea au funcționat ca o țesătură de armare, distribuind mai bine forțele aplicate materialului.

Într-un test în care au folosit o greutate de 10 kilograme, un cub de nisip netratat s-a prăbușit mult mai mult decât unul consolidat cu foi de celuloză. În general, foile cultivate pentru o perioadă mai lungă au produs probe mai rezistente. Tot această metodă a avut cel mai puternic efect asupra permeabilității la apă.

Apa s-a scurs mult mai lent prin nisipul tratat

Pentru a măsura permeabilitatea, cercetătorii au turnat apă în tuburi umplute cu nisip și au cronometrat timpul necesar pentru ca aceasta să se scurgă prin partea de jos. Au comparat nisipul netratat cu probe în care fibrele fuseseră crescute direct printre granule și cu probe care conțineau foi de celuloză introduse între straturi. Fiecare variantă a fost testată pe trei probe.

Rezultatele au arătat că foile de celuloză au redus permeabilitatea de aproape 28 de ori față de valoarea înregistrată la nisipul netratat. În schimb, fibrele crescute direct în nisip au scăzut acest indicator de aproximativ șase ori.

Cercetătorii au măsurat și cantitatea de apă reținută de probe. În cazul nisipului în care fibrele au crescut printre granule, această valoare a crescut de la aproximativ 20,2% la 25,5%. Autorii studiului descriu creșterea drept una modestă.

O posibilă soluție pentru stabilizarea solurilor

Echipa consideră că fibrele produse de microorganisme ar putea reprezenta o alternativă biodegradabilă la unele materiale sintetice folosite pentru stabilizarea solului. Legăturile mai puternice dintre granule ar putea contribui și la limitarea eroziunii provocate de vânt, însă experimentele nu au măsurat cantitatea de praf ridicată în aer.

„Această abordare ne permite să introducem materie organică și apă în nisip și să îl stabilizăm într-o anumită măsură”, a declarat Gustav Nyström.

În declarația privind interesele concurente, trei dintre cercetători, Blaise Tardy, M-Haidar A. Dali și Mohamed Hamid Salim, au menționat existența unei cereri de brevet aflate în curs de examinare.

Metoda se află însă încă în stadiul cercetării de laborator. Microorganismele au primit apă și nutrienți în condiții controlate, iar dezvoltarea lor a necesitat oxigen. Creșterea bacteriilor nu a fost uniformă de-a lungul coloanei de nisip, iar partea superioară a fost considerabil mai slabă decât cea inferioară.

Experimentele nu au evaluat creșterea culturilor agricole și nici nu au stabilit cât timp ar rezista materialul în condițiile reale din deșert.

Studiul a fost publicat în revista Carbohydrate Polymers.