Zusammenfassung:
Angesichts der Herausforderungen der zunehmenden weltweiten Landverwüstung und der anhaltenden Reduzierung landwirtschaftlicher Nutzflächen schlug ein Forschungsteam aus der Schweiz und den Vereinigten Arabischen Emiraten eine kreative Lösung vor: Sand „lebendig“ zu machen. Die Forschung wurde gemeinsam von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und der Khalifa-Universität in Abu Dhabi durchgeführt. Die Forscher hoffen, dass durch die Einführung spezifischer Mikroorganismen der Wüstensand, der ursprünglich unfruchtbar und locker war und für die landwirtschaftliche Produktion nahezu ungeeignet war, in eine neue Matrix umgewandelt werden kann, die Wasser zurückhalten, Erosion widerstehen und das Pflanzenwachstum unterstützen kann. Das Forschungsteam nennt diese Technologie „Living Sand“.
Mehr als 90 % des Landes der VAE sind von Wüste bedeckt und die für die landwirtschaftliche Produktion verfügbare Fläche beträgt weniger als 5 % der Gesamtfläche. Derzeit kann das Land nur etwa 10 bis 15 % seines Nahrungsmittelbedarfs selbst produzieren, der Rest ist stark von Importen abhängig. Forscher weisen darauf hin, dass dieses Problem nicht nur im Nahen Osten auftritt. Angesichts des globalen Klimawandels, der Waldschädigung und der Übernutzung von Land stehen immer mehr Regionen vor ähnlichen Herausforderungen der Landdegradierung und Wüstenbildung.
Traditionelles Sandland ist für den landwirtschaftlichen Anbau nicht geeignet. Für Sandkörner ist es schwierig, untereinander eine stabile Struktur zu bilden, was den Boden anfällig für Wind- und Wassererosion macht. Gleichzeitig mangelt es Sand an organischen Nährstoffen und er kann das Mikroben- und Pflanzenwachstum nicht über einen langen Zeitraum aufrechterhalten. Noch schlimmer ist, dass das Wasser schnell aus den Lücken zwischen den Sandkörnern versickert, wodurch die Bewässerungseffizienz extrem niedrig wird.
Um diese Probleme anzugehen, führte das Forschungsteam bestimmte Bakterien und Pilze in die Sandumgebung ein. Diese Mikroorganismen sind in der Lage, natürliche langkettige Moleküle, sogenannte Biopolymere, abzusondern und weiter große Netzwerke aus Mikrofasern zu bilden. Diese Fasern verteilen sich wie ein natürlicher Leim zwischen den Sandkörnern und verbinden die ursprünglich unabhängigen Sandkörner zu einer stabileren Gesamtstruktur.
Der Forschungsleiter sagte, dass dies aus materialwissenschaftlicher Sicht tatsächlich der Schaffung eines natürlichen Verbundmaterials aus Sandkörnern und biologischen Fasern gleichkäme. Mikroskopische Aufnahmen zeigen, dass mikrobiell erzeugte Fasernetzwerke einzelne Sandkörner umhüllen und verbinden, was dem losen Sand eine beispiellose strukturelle Festigkeit verleiht.
Um die Wirkung zu überprüfen, verwendeten die Forscher Laborsandproben und Sandproben, die aus echten Sanddünen in Abu Dhabi gesammelt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die mechanische Festigkeit der mit Bakterien behandelten Proben deutlich verbessert wurde und ihre Erosionsbeständigkeit viel höher war als die von gewöhnlichem Sand.
Noch wichtiger ist, dass auch die Wasserrückhalteleistung deutlich verbessert wurde. Experimentelle Daten zeigten, dass die Wasserdurchdringungsrate in mit Bakterien behandeltem Sand um etwa das Sechsfache reduziert war. Dadurch kann sonst schnell abfließendes Gießwasser länger im Substrat verbleiben und schafft so Voraussetzungen für zukünftiges Pflanzenwachstum.
Das Forschungsteam entwickelte außerdem eine zweite Verbesserung. Sie verwendeten Bakterien, die Nanozellulose produzieren, um ultradünne Schichten aus Biofasern zu erzeugen, und kombinierten diese Materialien abwechselnd mit Sandschichten, um eine stoffartige Struktur zu erzeugen. Im Vergleich zur ersten Variante kann durch diesen Schichtaufbau die Stabilität und das Wasserhaltevermögen des Sandes weiter verbessert werden.
Testergebnisse zeigen, dass nach der Einführung der Nanozellulose-Schichtstruktur die Wasserdurchdringungsrate um das erstaunliche 28-fache sinkt. Im Vergleich zu gewöhnlichem Sand wurde seine Wasserspeicherkapazität erheblich verbessert. Allerdings wiesen die Forscher auch darauf hin, dass der aktuelle Herstellungszyklus dieser Methode lang sei und noch Raum für weitere Effizienzsteigerungen bestehe.
Das mikrobielle Wachstum selbst erfordert eine Nährstoffquelle. Diesbezüglich ist das Forschungsteam davon überzeugt, dass es keine Hindernisse gibt, die schwer zu lösen sind. Denn die von Bakterien und Pilzen benötigten Kohlenstoffquellen und Zucker können direkt aus verfügbaren Bestandteilen in landwirtschaftlichen Abfällen oder organischen Abfällen stammen und bilden so ein relativ kostengünstiges Recyclingmodell.
Forscher betonen, dass „lebendiger Sand“ immer noch nur der erste Schritt zur Umwandlung der Wüste in Ackerland ist. Das Hauptziel besteht nicht darin, sofort komplette Ackerflächen zu schaffen, sondern den Sand zunächst mit der Fähigkeit auszustatten, Feuchtigkeit zu speichern und das Wachstum weiterer Mikroorganismen zu unterstützen. Sobald sich ein stabiles mikrobielles Ökosystem gebildet hat, ist es möglich, weitere Pflanzen und andere organische Stoffe einzuführen, um die Bodenqualität schrittweise zu verbessern.
Da immer mehr Gebiete auf der Welt mit Problemen der Landdegradation konfrontiert sind, hat diese neue Technologie, die natürliche Mikroorganismen zur Umwandlung von Wüsten nutzt, große Aufmerksamkeit erhalten. Auch wenn es bis zu groß angelegten landwirtschaftlichen Anwendungen noch ein weiter Weg ist, glaubt das Forschungsteam, dass Wüstengebiete durch die Einbringung von „Leben“ in den Sand in Zukunft neue Möglichkeiten für die landwirtschaftliche Entwicklung haben könnten.
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