นักวิจัยสร้าง "ทรายมีชีวิต” ใช้แบคทีเรียและเชื้อราทำให้ทรายกักเก็บน้ำได้ หวังเพาะปลูกในทะเลทราย

นักวิจัยจากสถาบัน Empa ของสวิตเซอร์แลนด์ และ Khalifa University ในสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ กำลังพัฒนาทรายที่ถูกเรียกว่า Living Sand หรือ “ทรายมีชีวิต” ซึ่งอาศัยแบคทีเรียและเชื้อราเข้ามาช่วยจัดการโครงสร้างทางชีวภาพระหว่างเม็ดทราย เพื่อให้ทรายยึดเกาะกันและกักเก็บน้ำได้นานขึ้น

"ทรายมีชีวิต" คืออะไร ?

สหรัฐอาหรับเอมิเรตส์เป็นหนึ่งในประเทศที่มีพื้นที่ส่วนใหญ่เป็นทะเลทราย และมีพื้นที่ที่เหมาะกับการทำเกษตรกรรมเพียงส่วนน้อย การผลิตอาหารภายในประเทศจึงมีข้อจำกัดและต้องพึ่งพาการนำเข้าเป็นจำนวนมาก หนึ่งในอุปสรรคสำคัญคือคุณสมบัติของทรายเอง เม็ดทรายมีขนาดค่อนข้างใหญ่และมีช่องว่างระหว่างอนุภาคจำนวนมาก ทำให้น้ำสามารถไหลผ่านลงไปได้อย่างรวดเร็ว แตกต่างจากดินที่มีโครงสร้างซึ่งสามารถกักเก็บน้ำและสารอาหารไว้บริเวณรากพืชได้ดีกว่า

ทรายยังมีอินทรียวัตถุและสารอาหารที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืชในปริมาณต่ำ อีกทั้งโครงสร้างที่ยึดเกาะกันไม่ดีทำให้ทรายมีแนวโน้มถูกกัดเซาะและเคลื่อนตัวได้ง่าย การทำให้ทรายเหมาะกับการปลูกพืชจึงไม่ได้หมายถึงเพียงการเติมน้ำเข้าไป แต่ต้องทำให้ทรายสามารถรักษาความชื้นและสร้างโครงสร้างที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตด้วย

นักวิจัยจึงเกิดแนวคิดว่า หากเม็ดทรายไม่สามารถยึดเกาะกันได้ดี อาจใช้สิ่งมีชีวิตเข้ามาช่วยสร้าง “กาวธรรมชาติ” ระหว่างเม็ดทรายให้ยึดติดกัน นักวิจัยจึงได้นำจุลินทรีย์ที่สามารถสร้างเส้นใยและไบโอพอลิเมอร์เข้ามาเติบโตภายในโครงสร้างที่มีช่องว่างของทราย โดยใช้แบคทีเรียที่สามารถสร้างนาโนเซลลูโลสจากแบคทีเรีย (Bacterial nanocellulose) ขณะที่อีกแนวทางใช้เชื้อราที่สร้างเส้นใย ไมซีเลียม (Mycelium)

เส้นใยและสารชีวภาพที่จุลินทรีย์สร้างขึ้นสามารถแทรกตัวระหว่างเม็ดทรายและเชื่อมอนุภาคเหล่านั้นเข้าด้วยกัน ส่งผลให้ทรายมีความเหนียวแน่นและมีความเสถียรมากขึ้น การเติบโตของเส้นใยจากจุลินทรีย์สามารถเพิ่มทั้งการยึดเกาะระหว่างเม็ดทรายและความสามารถในการกักเก็บน้ำของวัสดุได้

แบคทีเรียสามารถผลิตนาโนเซลลูโลส ซึ่งเป็นโครงสร้างเส้นใยขนาดเล็กมาก ส่วนเชื้อราจะสร้างเส้นใยไมซีเลียมที่สามารถแผ่กระจายผ่านช่องว่างของวัสดุ เมื่อเส้นใยเหล่านี้เติบโตและเชื่อมต่อระหว่างเม็ดทราย ก็จะช่วยสร้างโครงข่ายที่ทำให้ทรายมีความเหนียวแน่นมากขึ้น

นักวิจัยทดสอบแนวทางนี้ทั้งกับทรายในห้องปฏิบัติการและทรายที่เก็บมาจากเนินทรายในกรุงอาบูดาบี ผลการทดลองพบว่าทรายที่ผ่านการปรับปรุงด้วยจุลินทรีย์มีเสถียรภาพมากกว่าทรายทั่วไป และสามารถชะลอการเคลื่อนผ่านของน้ำได้ ทรายมีความคงตัวมากขึ้น และการเคลื่อนผ่านของน้ำช้าลงประมาณ 6 เท่า เมื่อเทียบกับทรายทั่วไป

หากทรายสามารถเก็บน้ำไว้ได้นานขึ้น ก็อาจเพิ่มช่วงเวลาที่น้ำและความชื้นอยู่บริเวณที่รากพืชสามารถเข้าถึงได้ อย่างไรก็ตาม ผลการทดลองนี้ยังเป็นการวัดคุณสมบัติของวัสดุ ไม่ได้หมายความว่าพืชสามารถเติบโตและให้ผลผลิตในทรายดังกล่าวได้แล้ว

นักวิจัยยังได้ทดลองอีกแนวทางหนึ่ง โดยนำแบคทีเรียที่สามารถผลิตนาโนเซลลูโลสมาสร้างเป็นแผ่นบาง ๆ แล้วนำแผ่นเหล่านี้มาวางสลับกับชั้นทราย ทำหน้าที่คล้าย จีโอเท็กซ์ไทล์ (Geotextile) หรือวัสดุที่ใช้สร้างโครงสร้างและควบคุมการเคลื่อนที่ของน้ำภายในชั้นวัสดุ

เมื่อจัดวางเป็นโครงสร้างหลายชั้น แผ่นนาโนเซลลูโลสสามารถช่วยเพิ่มความเสถียรของทรายและชะลอการซึมผ่านของน้ำได้มากขึ้น การทดลองพบว่าน้ำสามารถเคลื่อนผ่านโครงสร้างดังกล่าวได้ช้าลงถึงประมาณ 28 เท่า เมื่อเทียบกับทรายที่ไม่ได้รับการปรับปรุง

อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อจำกัดที่สำคัญคือกระบวนการผลิตแผ่นนาโนเซลลูโลสต้องใช้เวลา ทำให้การนำไปใช้งานในพื้นที่ขนาดใหญ่ยังเป็นโจทย์ที่ต้องพัฒนาต่อ

"ทรายมีชีวิต" ยังไม่ใช่ดินที่ปลูกพืชได้

อีกประเด็นที่น่าสนใจคือ หากต้องการให้แบคทีเรียและเชื้อราเติบโตในทรายอย่างต่อเนื่อง จุลินทรีย์เหล่านี้จำเป็นต้องมีแหล่งสารอาหาร นักวิจัยมองว่าน้ำตาลที่ได้จากขยะอินทรีย์อาจนำมาใช้เป็นแหล่งสารอาหารสำหรับจุลินทรีย์ได้ แนวคิดนี้ทำให้ทรายมีชีวิต สามารถนำเอามาใช้กำจัดขยะอินทรีย์ได้

แม้แนวคิดนี้จะฟังดูเหมือนเป็นวิธีเปลี่ยนทะเลทรายให้กลายเป็นพื้นที่เกษตร แต่ในความเป็นจริงงานวิจัยยังอยู่ห่างจากจุดนั้น นักวิจัยยังไม่ได้แสดงให้เห็นว่าพืชเศรษฐกิจสามารถเติบโตในทรายที่ผ่านการปรับปรุงด้วยแบคทีเรียและเชื้อราได้จริง และทรายที่ผ่านการทดลองก็ยังมีคุณสมบัติแตกต่างจากดินที่อุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ

เป้าหมายในขั้นนี้จึงไม่ใช่การสร้างดินที่สมบูรณ์แบบ แต่เป็นการปรับปรุงคุณสมบัติพื้นฐานของทรายให้มีความสามารถในการยึดเกาะและกักเก็บน้ำมากพอที่จะสร้างสภาพแวดล้อมที่อาจเอื้อต่อการเติบโตของพืชในอนาคต