Проблема: исчезающие подводные леса
Представьте морское дно — когда-то здесь росли водоросли и кораллы, прятались мальки рыб и ракообразные и ещё огромное множество водных организмов. Но из-за техногенных загрязнений, интенсивного вылова промысловых видов эти «подводные мегаполисы» исчезают. Восстановить их сложно, но существуют методы, позволяющие улучшить состояние экосистемы.
Примером структур, используемых для восстановления экосистем, может быть прикрепление молодых водорослей к гравию перед высадкой («зеленый гравий»). Эффективность искусственной инфраструктуры или среды обитания для восстановления обычно зависит от ряда факторов, включая конструкцию, материал, из которого она изготовлена, возможность быстрой настройки, гибкость и воспроизводимость процесса изготовления, чтобы его можно было легко применить к широкому спектру сложных конструкций
Но большинство успешных полевых решений с использованием искусственных конструкций, напечатанных на 3D-принтере, включают применение цементного бетона и материалов на основе пластика, что может негативно влиять на окружающую среду из-за выделения тяжёлых металлов и микропластика.
Решение: 3D-печать биополимерами
В последнее время всё больше вариантов решения данной проблемы основываются на использовании биополимеров, как экологически чистого материала.
Учёные предложили неожиданный подход: печатать «рифы» на 3D-принтере из отходов. Остатки кукурузных початков, скорлупа орехов, панцири ракообразных и даже выброшенные водоросли перерабатывают в сырьё для печати.
Непосредственно рифы могут базироваться на полилактиде (PLA), полигидроксибутирате (PHB), целлюлозе. Структуры из данных полимером могут успешно поддерживать имплантацию и рост кораллов.
Но не все биополимеры сразу подходят на роль «спасителей экосистем». Так, некоторые их них необходимы претерпеть ряд модификаций, чтобы приобрести необходимые свойства для использования в печати рифов.
Одно из главных свойств биополимеров – биоразлагаемость. Она позволяет искусственным структурам сохраняться только в течение запланированного периода в жизненном цикле целевого организма или при формировании среды обитания, после чего они разлагаются. Например, структуры, напечатанные на 3D-принтере, могут способствовать росту и защите организмов, а затем разрушаться, когда достаточное количество взрослых организмов вырастет и построит собственную структуру.
Успешные примеры
Было показано, что искусственные структуры, напечатанные на 3D-принтере, улучшают развитие коралловых рифов и рифов из мидий в лабораторных и полевых условиях. Коралловые рифы, изготовленные из композита PLA/PHA и PLA с добавлением стальной стружки, успешно позволили поселиться рифообразующим кораллам Porites astreoides в контролируемой лабораторной среде. Первоначальная выживаемость на 3D-печатных рифах была выше, чем на известняковых плитах. Аналогичным образом, было обнаружено, что напечатанный на 3D-принтере «каркас» PLA-коралла поддерживает рост и размножение кораллов, засеянных живыми коралловыми микро-фрагментами, в течение нескольких месяцев в лабораторных условиях. Полевые испытания также доказали эффективность искусственных структур, напечатанных на 3D-принтере, для рифообразующих организмов.
Также учёные исследовали формирование рифов из голубых мидий с использованием сложенных друг на друга листов BESE-Elements, оплетённых волокнистым тростниковым канатом. Так, структуры, напечатанные на 3D-принтере, способствовали заселению мидий и защите от хищников, что привело к значительному увеличению их биомассы, особенно в неповреждённых и незаглублённых искусственных конструкциях.
Что дальше?
Биомиметические искусственные биоразлагаемые структуры, напечатанные на 3D-принтере и имитирующие естественную среду обитания, могут стать революционной технологией для масштабного восстановления экосистем. Данный метод можно сделать ещё более экономичным, если использовать биополимеры, полученные из отходов как экологичного материала для печати. Возможно, уже совсем скоро мы сможем печатать самые разнообразные водные экосистемы на 3д-принтере и исследовать на их примере жизнь морских обитателей.