北京
科学家证明，微生物生物聚合物通过黏结沙粒并减缓水分运动，可帮助退化土地转变为更具韧性的土壤。
科学家正逐步让沙漠土壤变得更可行，方法是提高持续受风蚀影响的沙子的持水能力。瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）和阿布扎比哈利法科技大学的研究人员发现，用微生物生物聚合物网络加固的沙子可将排水速度减慢至原来的近1/28。
与塑料类似，生物聚合物是天然长链分子。这些材料可从细菌和植物中获得。
通过黏结沙粒并减缓水分运动，微生物生物聚合物可帮助微生物和植物定殖，从而可能支持退化土地逐步转变为更具韧性的土壤。
微生物纤维捕获沙粒
在本研究中，科学家使用了能产生纤维素的微生物细胞。纤维素是一种天然生物聚合物，由重复的葡萄糖单元构成。这些极细的线状结构由某些细菌和植物产生，可增强其结构强度。
为测试微生物能在多大程度上赋予沙子更多“生命力”，研究人员采用两种方法。第一种方法中，他们取用从阿联酋艾因附近沙丘采集的沙样和标准化实验室沙子，然后将样品暴露于包括细菌和真菌在内的微生物中。
为确保测试样品中不残留任何活体物质，研究人员在引入微生物和新鲜营养液之前对样品进行了灭菌。
研究中，研究人员使用了产生纤维素的细菌——麦德林驹形杆菌（Komagataeibacter medellinensis）以及两株裂褶菌（Schizophyllum commune）。这些微生物形成生物聚合物，浸透沙子，形成一种捕获附近颗粒的网状结构。
“这形成了一种天然复合材料，”Empa纤维素与木材材料实验室负责人古斯塔夫·尼斯特伦（Gustav Nyström）说。
细菌形成的复杂纤维结构增强了土壤强度，并使排水速度降至纯沙样品的约1/6。
在比较研究中，研究人员表明，混合细菌的土壤样品比纯沙和经真菌处理的沙样坚固得多。
研究人员发现，在一周后对经微生物处理的土壤样品进行的强度测试中，含细菌的沙柱长度接近6厘米，强度足以从模具中取出并切成小块而不断裂。
另一方面，研究人员指出，经真菌处理的样品抗断裂性较差。其中一些沙柱在从模具中取出时，或在干燥程序后切成小块时断裂。
纤维素片提高强度并减少水分流失
研究人员发现，当他们先单独培养纤维素片（也称为生物织物），再将其置于两层沙子之间时，强度和保水性都取得了更大进展。这种夹层结构起到增强织物的作用，分散施加在材料上的力，使样品显著更坚韧。
这些样品在10千克载荷的坍塌测试中也表现更好。
研究人员发现，纤维素片生长时间更长的样品变得更强。他们还记录到，用纤维素片加固的沙子中排水减少幅度最大。
为测量保水性，团队将水倒入装有不同沙样的管中，并记录每个样品排水所需时间。尽管这种基于片材的方法更费人力，但它在结构稳定性和保水性方面都产生了最佳结果。
与未处理沙子相比，用纤维素片加固的沙子使水渗透性降至近1/28，而直接在沙中生长的纤维使水渗透性降至约1/6。
研究结果表明，微生物纤维可为用于稳定土壤的某些合成材料提供可生物降解的替代品。
“这种方法使我们能够将有机物和水引入沙子，并在一定程度上使其稳定，”尼斯特伦说。
他们说，通过增强颗粒间连接，生物聚合物网络还可帮助减少风驱动的土壤侵蚀。
研究人员已为该技术提交专利申请。不过他们提醒，这项工作完全在受控实验室条件下进行，微生物和营养供应都受到仔细调控。团队尚未开展涉及作物生长的田间试验，也未评估加固材料在长期暴露于恶劣沙漠条件下的耐受性。
研究结果发表在《碳水化合物聚合物》（Carbohydrate Polymers）上。
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