Übermässige Landnutzung, Abholzung und der Klimawandel führen zu vermehrter Wüstenbildung in zahlreichen Regionen der Welt. Einmal begonnen, löst der Prozess oft eine Kettenreaktion aus: Durch den Verlust der Nährstoffe im Boden wird die Vegetation immer spärlicher, was die Erde vermehrt der Erosion durch Wind und Wasser aussetzt.

Aus einer Wüste wieder fruchtbaren Boden zu machen, benötigt enorm viel Ressourcen – insbesondere auch Wasser, das gerade in Wüstenregionen ein kostbares Gut ist. Forschende der Empa und der «Khalifa University of Science and Technology» in Abu Dhabi haben nun einen neuartigen ersten Schritt untersucht, mit dem die weitere Bodenverbesserung in Sandwüsten vereinfacht werden könnte: Sie haben dem Sand Leben eingehaucht.

Sand ist ein besonders fordernder Bodengrund für die Landwirtschaft. Er enthält keine organischen Nährstoffe, die Mikroorganismen oder Pflanzen eine Lebensgrundlage bieten könnten. Sandkörner halten nicht zusammen, was sandhaltige Böden besonders anfällig auf Erosion macht. Und Sand lässt Wasser schnell durchsickern, wodurch der Bedarf an Bewässerung sehr hoch ist.

Die Forschenden aus dem Empa-Labor «Cellulose and Wood Materials», gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen in Abu Dhabi, begegneten all diesen Herausforderungen auf einen Schlag. Sie versetzen den Sand mit bestimmten Bakterien und Pilzen, die Netzwerkstrukturen zwischen den Sandkörnern bilden und ihnen so mehr Zusammenhalt verleihen. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift «Carbohydrate Polymers» veröffentlicht.

Biopolymere als natürliches Bindemittel

Die Grundlage dieser mikrobiellen Netzwerke bilden sogenannte Biopolymere: natürliche Moleküle, die aus langen Ketten bestehen – ähnlich wie unsere Kunststoffe. Die Mikroorganismen bilden lange Biopolymer-Fasern, die den Sand durchziehen. «Es entsteht eine Art natürlicher Verbundwerkstoff», sagt Gustav Nyström, Leiter des «Cellulose and Wood Materials»-Labors und Co-Autor der Studie.

Um ihren Ansatz zu testen, versetzten die Forschenden Sandproben aus Abu Dhabi mit unterschiedlichen Mikroorganismen in einer Nährlösung und kontrollierten danach ihre mechanische Widerstandsfähigkeit und ihre Wasserdurchlässigkeit. Das Resultat: Insbesondere die mit Bakterien versetzten Proben waren deutlich robuster als reiner Sand, und liessen das Wasser bis zu sechsmal langsamer durchsickern.

Neben den Versuchen, bei denen die Mikroben direkt in den Sandproben ihr Werk verrichteten, verfolgten die Forschenden noch einen zweiten Ansatz. Dabei liessen sie die Mikroorganismen – in diesem Fall Bakterien, die Nanocellulose produzieren – sogenannte Geotextilien herstellen. Die Bakterien produzierten im Labor Matten aus Cellulose, die die Forschenden daraufhin mit dem Sand zu Schichtstrukturen zusammenfügten. Der arbeitsintensivere Prozess lieferte die besten Ergebnisse in Bezug auf Stabilität und Wasserdurchlässigkeit. Letztere war bei den geschichteten Proben gar um das 28-fache verlangsamt.

Ausgangspunkt für Wachstum

Allzu stabil ist Sand auch mit Biopolymeren nicht – das muss er aber auch nicht sein. «Der Ansatz ermöglicht uns, erste organische Materie und Wasser in den Sand zu bringen und ihn etwas zu stabilisieren», sagt Nyström. «Im Idealfall ermöglicht das das Wachstum weiterer Mikroorganismen und Pflanzen und startet so den Prozess, bei dem der Boden stabiler und fruchtbarer wird.» Blaise Tardy, Professor an der «Khalifa University» und Co-Autor der Studie, ergänzt: «Der Einsatz solcher Mikroorganismen ist keine Science Fiction: Die Wüste ist hier, und die Nährstoffe sind in den Vereinigten Arabischen Emiraten leicht verfügbar, zum Beispiel Zucker aus Lebensmittelabfällen und komplexe Nährstoffe aus grünen Siedlungsabfällen.»

Die Sandversuche im Labor waren nur der erste Schritt, ermahnen die Forscher. Nun gilt es, die Biopolymere in kontrollierten Feldstudien oder in Gewächshäusern einzusetzen, um zu sehen, welchen Einfluss sie auf das Wachstum von Pflanzen haben und wie gross das Potenzial der Technologie für die Landwirtschaft ist. Diese Aufgabe überlassen die Materialwissenschaftler und -wissenschaftlerinnen der Empa anderen Forschenden aus einschlägigen Fachgebieten.