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Biopolymere machen Wüstensand zu „lebendem Sand“, der Wasser länger zurückhält
Lockerer Sand lässt Regen- und Bewässerungswasser schnell in tiefere Schichten versickern. Ein Team hat Sand mit Fasern von Bakterien und Pilzen vernetzt und dadurch den Wasserdurchfluss in Laborversuchen stark verlangsamt. Besonders wirksam waren vorgefertigte Zellulosematten. Ob damit unter Wüstenbedingungen tatsächlich Pflanzen wachsen können, wurde noch nicht untersucht.
Dübendorf (Schweiz). In trockenen Regionen ist sandiger Boden für die Landwirtschaft besonders problematisch. Zwischen den einzelnen Körnern liegen große Hohlräume, durch die Wasser rasch versickert. Zudem fehlt häufig organisches Material, das den Boden zusammenhält und Mikroorganismen mit Nährstoffen versorgt.
Bei fruchtbaren Böden bilden Wurzeln, Pilzfäden und andere biologische Fasern dagegen ein Netzwerk zwischen den Bodenteilchen. Es stabilisiert deren Struktur und beeinflusst, wie sich Feuchtigkeit verteilt. Ein ähnlicher Effekt könnte sich gezielt auch in nahezu reinem Sand erzeugen lassen.
Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) um Dr. Gustav Nyström haben nun untersucht, ob faserbildende Mikroorganismen Sandkörner miteinander verbinden können. Dafür nutzte das Team unter anderem Wüstensand aus Dünen nahe Al Ain in den Vereinigten Arabischen Emiraten und verglich mehrere biologische Verfahren.
Eine Versuchsreihe setzte auf das Bakterium Komagataeibacter medellinensis, das besonders feine Zellulosefasern bildet. Zusätzlich prüften die Wissenschaftler zwei Stämme des Pilzes Schizophyllum commune, dessen fadenförmiges Geflecht ebenfalls Sandkörner miteinander verbinden kann. Die zuvor sterilisierten Proben erhielten Nährlösungen und wurden unter kontrollierten Bedingungen bebrütet.
Unter dem Mikroskop zeigte sich, dass die bakteriellen Fasern eng an den Sandkörnern anliegen und zwischen ihnen Brücken bilden. So entstand ein Material, das sich anders verhielt als loser Sand. Die Pilze erzeugten ebenfalls zusammenhängende Strukturen, erreichten aber eine geringere mechanische Festigkeit.
„Es entsteht eine Art natürlicher Verbundwerkstoff“, erklärt Dr. Gustav Nyström.
Nach rund sieben Tagen ließen sich die bakteriell behandelten Sandzylinder aus ihren Formen lösen und in kleinere Stücke schneiden. Einige dieser Stücke blieben sogar im Wasser zusammenhängend. Die Festigkeit war allerdings innerhalb der Proben unterschiedlich, weil die Mikroben nicht überall gleich stark gewachsen waren.
Wie stark sich die Behandlung auf das Wasser auswirkt, testete das Team in durchströmten Sandsäulen. Beim direkt mit Bakterienfasern vernetzten Sand sank die Wasserdurchlässigkeit gegenüber unbehandeltem Sand um rund 83 Prozent. Das Wasser bewegte sich unter diesen Laborbedingungen damit etwa sechsmal langsamer durch die Probe.
Noch stärker wirkte ein zweites Verfahren. Dabei ließen die Forscher zunächst außerhalb des Sands dünne Matten aus bakterieller Zellulose wachsen und legten sie anschließend zwischen Sandschichten. Diese biologischen Geotextilien verminderten die Wasserdurchlässigkeit um rund 96,5 Prozent, sodass sie nur noch etwa ein Achtundzwanzigstel des Ausgangswertes erreichte.