Hình ảnh kính hiển vi cho thấy các sợi polyme sinh học giúp liên kết các hạt cát (Ảnh: Khalifa University)

Trong đất cát, nước thường nhanh chóng thoát qua các khe hở giữa những hạt cát khiến cây trồng khó duy trì độ ẩm cần thiết. Bên cạnh đó, cát rời rạc cũng dễ bị gió cuốn đi khiến việc trồng trọt trên những vùng đất cát trở nên khó khăn.

Được công bố trên tạp chí Carbohydrate Polymers, công trình nghiên cứu do các nhà khoa học Đại học Khalifa (UAE), Viện nghiên cứu Empa của Thụy Sĩ và Đại học ETH Zurich phối hợp thực hiện đã tìm cách khắc phục tình trạng này bằng cách sử dụng các sợi do vi khuẩn và nấm tạo ra để liên kết các hạt cát, giúp vật liệu mới giữ nước tốt hơn và ổn định hơn.

Các nhà khoa học sử dụng vi khuẩn Komagataeibacter medellinensis có khả năng sản xuất xenluloza và hai chủng nấm thuộc loài Schizophyllum commune. Thí nghiệm được tiến hành với cát thu thập từ các cồn cát gần Al Ain, UAE, cùng một số mẫu cát tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm.

Sau khi bổ sung vi sinh vật và dung dịch dinh dưỡng vào cát đã được tiệt trùng, nhóm nghiên cứu nhận thấy các sợi xenluloza bám vào bề mặt hạt cát, đồng thời kết nối những hạt nằm cạnh nhau. Quá trình này tạo thành một mạng lưới liên kết giúp các hạt cát gắn chặt hơn.

Nhóm nghiên cứu gọi vật liệu hình thành từ quá trình nuôi cấy vi sinh vật trực tiếp trong cát là “cát sống”. Theo ông Gustav Nyström, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Vật liệu Xenluloza và Gỗ của Empa, các sợi xenluloza tạo nên một loại vật liệu kết hợp giữa thành phần hữu cơ và cát tự nhiên.

Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp sử dụng vi khuẩn giúp giảm khả năng thấm nước của cát khoảng 6 lần. Lượng nước được giữ lại trong mẫu cát tăng từ khoảng 20,2% lên 25,5%.

Sau 7 ngày nuôi cấy, các nhà khoa học đã tạo được cột cát cao khoảng 6cm có độ kết dính đủ để lấy ra khỏi khuôn và cắt thành từng miếng. Các mẫu này vẫn giữ nguyên hình dạng khi đặt trong nước. Trong khi đó, những mẫu sử dụng nấm có độ bền thấp hơn, một số bị vỡ trong quá trình lấy khỏi khuôn hoặc cắt sau khi sấy khô.

Các mẫu cát được gia cố bằng sợi vi sinh vẫn giữ nguyên hình dạng khi ở trong nước (Ảnh: Khalifa University)

Ngoài phương pháp nuôi cấy trực tiếp trong cát, nhóm nghiên cứu còn thử nghiệm cách đặt các tấm xenluloza vi khuẩn giữa những lớp cát. Các tấm này được nuôi cấy riêng, sau đó đưa vào mẫu cát để tăng độ bền và hạn chế nước thấm qua.

Kết quả cho thấy phương pháp này giúp giảm khả năng thấm nước xuống còn khoảng 1/28 so với cát chưa qua xử lý. Trong thử nghiệm chịu tải trọng 10kg, khối cát có các tấm xenluloza cũng giữ được hình dạng tốt hơn so với mẫu thông thường. Những tấm được nuôi cấy lâu hơn nhìn chung giúp vật liệu dẻo dai hơn.

Theo nhóm nghiên cứu, các sợi do vi sinh vật tạo ra có thể trở thành giải pháp thay thế một số vật liệu tổng hợp dùng để ổn định đất nhờ khả năng phân hủy sinh học. Việc liên kết các hạt cát cũng có thể góp phần hạn chế xói mòn do gió, dù nghiên cứu chưa trực tiếp đo lường hiệu quả này.

Tuy nhiên, công trình hiện mới được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Vi sinh vật cần được cung cấp nước, chất dinh dưỡng và ôxy để phát triển. Nhóm nghiên cứu cũng ghi nhận vi khuẩn sinh trưởng không đồng đều trong cột cát, khiến phần trên yếu hơn đáng kể so với phần dưới.

Các nhà khoa học chưa thử nghiệm khả năng sinh trưởng của cây trồng trên vật liệu mới hoặc xác định vật liệu có thể duy trì độ bền trong bao lâu dưới điều kiện sa mạc. Vì vậy, cần thêm nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng dụng của “cát sống” trong nông nghiệp và cải tạo đất khô hạn.