- Der von Wissenschaftlern entwickelte „lebende Sand“ kann die Wasseraufnahme verlangsamen.
- Mikrobielle Fasern können zur Stabilisierung des Bodens und zur Verringerung von Erosion beitragen.
- Laboruntersuchungen zeigen, dass Cellulose effektiv Sandkörner verbinden kann.
- Die Technologie befindet sich derzeit noch im Laborstadium und wurde nicht in der Praxis getestet.
Bakterien, die in der Lage sind, feine Cellulosefasern zu spinnen, können lockeren Wüstensand zu einem stabileren Material verbinden, dessen Wasserabflussgeschwindigkeit deutlich langsamer ist als die von normalem Sand. Wissenschaftler der Khalifa University in den Vereinigten Arabischen Emiraten, des Empa in der Schweiz und der ETH Zürich haben getestet, ob mikrobielle Fasern ähnlich wie Pflanzenwurzeln, Pilzfäden und mikrobielle Sekrete im Boden Sandkörner zusammenkleben und die Wasserbewegung darin verändern können.
Herstellungsmethoden für lebenden Sand
Das Forschungsteam verwendete zwei Methoden zur Herstellung von „lebendem Sand“. Die erste Methode besteht darin, Mikroben direkt im Sand zu kultivieren, um den sogenannten „lebenden Sand“ zu erzeugen, was die Durchlässigkeit in den Abflussprüfungen um etwa das Sechsfache reduzierte. Die zweite Methode besteht darin, die flachen Bakteriencellulosefasern separat zu kultivieren und diese zwischen den Sandschichten zu platzieren, was die Durchlässigkeit auf etwa ein28stel der unbehandelten Sandsenken konnte. Die Forscher verwendeten die Cellulose produzierenden Bakterien Komagataeibacter medellinensis und zwei Pilzstämme von Schizophyllum commune, wobei der verwendete Sand aus den Dünen in der Nähe von Al Ain in den VAE sowie standardisierter Labor-Sand für einige Festigkeitsprüfungen stammte.
Vor der Zugabe von Mikroben und Nährlösungen wurde der Sand sterilisiert. Mikroskopische Bilder zeigen, dass die Cellulose an der Oberfläche der Sandkörner haftet und benachbarte Sandkörner verbindet.
Gustav Nyström, Leiter des Labors für Cellulose und Holzmaterialien am Empa, bezeichnete dieses Ergebnis als „ein natürliches Verbundmaterial“. Die von Bakterien erzeugten Proben sind stabiler. Innerhalb von sieben Tagen kann eine etwa 6 cm (2,4 Zoll) hohe Sandsäule stabil aus der Form entnommen und in kleine Stücke geschnitten werden, die im Wasser intakt bleiben. Obwohl die Pilzproben ebenfalls Sandkörner verbinden können, sind sie zerbrechlicher, und einige brechen beim Herausnehmen aus der Form oder nach dem Trocknen und Schneiden. Die Cellulosefasern wirken ähnlich wie Verstärkungsgewebe und können die aufgebrachte Kraft effektiv verteilen.
In einer Demonstration mit einer Belastung von 10 kg (22 Pfund) brach der unbehandelte Sandblock stärker zusammen als der mit Cellulosefasern verstärkte Sandblock, während die länger kultivierten Fasern in der Regel stabilere Proben bieten, die auch die Wasserpermeabilität signifikant verringern.
Potenzielle Anwendungen mikrobieller Fasern
Das Team ist der Ansicht, dass mikrobielle Fasern eine biologisch abbaubare Alternative zu bestimmten synthetischen Materialien zur Stabilisierung des Bodens bieten könnten, während eine stärkere Verbindung der Sandkörner auch zur Verringerung von Erosion beitragen könnte. In den Experimenten wurde die Staubemission nicht gemessen. Nyström erklärte, dass diese Methode es den Forschern ermöglicht, organische Stoffe und Wasser in den Sand einzubringen und ihn bis zu einem gewissen Grad zu stabilisieren. Für den Sand, in dem die Fasern zwischen den Sandkörnern wachsen, stieg die Wasserhaltefähigkeit von etwa 20,2 % auf 25,5 %, was von den Wissenschaftlern als geringfügig bezeichnet wird. Drei Forscher haben ein Patent beantragt, das sich in der Prüfung befindet.
Die Forschung befindet sich jedoch noch im Laborstadium. Mikroben erhalten unter kontrollierten Bedingungen Wasser und Nährstoffe, und ihr Wachstum benötigt Sauerstoff. Das Wachstum der Bakteriensäulen ist nicht gleichmäßig, die Festigkeit an der Spitze ist deutlich geringer als an der Basis. In den Experimenten wurde das Pflanzenwachstum nicht getestet, noch wurde die Lebensdauer des Materials unter Wüstenbedingungen bestimmt. Die relevanten Studien wurden in der Zeitschrift „Carbohydrate Polymers“ veröffentlicht.
Zukunftspotenzial und Herausforderungen der lebenden Sandtechnologie
Diese Forschung zeigt das Anwendungspotenzial von mikrobieller Cellulose in Wüstenumgebungen, insbesondere zur Verringerung der Wasseraufnahme und zur Stabilisierung des Bodens. Angesichts der Auswirkungen des globalen Klimawandels wird das Problem der Wüstenbildung immer gravierender, und diese Technologie bietet eine nachhaltige Lösung. Dennoch befindet sich die Technologie derzeit noch im Laborstadium, es fehlen Daten zur praktischen Anwendung und zur Bewertung langfristiger Effekte, sodass weitere Forschungen erforderlich sind, um ihre Wirksamkeit und Durchführbarkeit in natürlichen Umgebungen zu gewährleisten.