Hår finder nye rødder som vækstmedium for urban farming

Klumperne af kasseret hår på salongulvet kan en dag hjælpe med at dyrke din frokostsalat, takket være forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), som har skabt vækstmediet, der bruges i bylandbrug - kendt som hydroponics-substrater - ved hjælp af keratin udvundet af menneskehår.

I hydroponics dyrkes afgrøder uden jord ved hjælp af et substrat, der både fungerer som en støttestruktur og et reservoir for vand og næringsstoffer. De keratinbaserede substrater, der er udviklet af NTU-forskerholdet, er blevet testet med afgrøder som mikrogrønt og bladgrøntsager, herunder kinakålsbok choy og rucolablade, også kendt som raket.

I deres undersøgelse ekstraherede NTU-forskerne først keratin fra menneskehår indsamlet fra frisørsaloner. Keratinopløsningen blandes med cellulosefibre for at styrke den, som derefter tørres til et svampet substrat.

Substratet er bæredygtigt, biologisk nedbrydeligt og miljøvenligt, da det er lavet af affaldsmateriale og bliver en kilde til næringsstoffer for planterne, når det nedbrydes. Udbyttet fra dette keratinbaserede substrat er sammenligneligt med materialer, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet, ifølge laboratorietests.

Professor Ng Kee Woei, associeret formand ved NTU's School of Materials Science and Engineering (MSE), som ledede forskningen, sagde:"Udover hår producerer husdyrbrug store mængder keratin som bioaffald, da det findes rigeligt i uld, horn, hove og fjer. Da keratin kan udvindes fra mange typer landbrugsaffald, kan udvikling af keratinbaserede hydroponiske substrater være en vigtig strategi for genanvendelse af landbrugsaffald som en del af bæredygtigt landbrug."

Forskerne håber, at deres substrat tilbyder et fornybart alternativ til nuværende kommercielle tilbud, såsom dem fremstillet af stenuld, polyurethan og phenolskum, som ikke er bæredygtige og ikke giver næring til planter.

Resultaterne af denne proof-of-concept-undersøgelse blev offentliggjort i det peer-reviewede videnskabelige tidsskrift ACS Sustainable Chemistry &Engineering . Undersøgelsen har sit udspring i NTU-Harvard Initiative for Sustainable Nanotechnology, et samarbejde med Harvard Universitys T.H. Chan School of Public Health i USA.

Hår i dag, beskær i morgen

Keratin er sammensat af aminosyrer, der er en kilde til næringsstoffer til plantevækst. Disse aminosyrer kan også binde andre typer næringsstoffer og frigive dem under kontrollerede forhold. Keratin har derfor et stort potentiale som et vækstmedium, der anvendes i hydroponics og urbant landbrug, hvor rettidig frigivelse af næringsstoffer og vand er afgørende.

Keratin er dog ikke stærkt nok i sig selv til at danne et substrat. Forskerne blandede det med cellulosefibre for at styrke dets struktur og forbedre dets vandkvældende evner. Cellulosen blev udvundet af nåletræsmasse, hvilket betyder, at slutproduktet er bæredygtigt.

Det resulterende keratin-cellulosesubstrat indeholder en stærkt indbyrdes forbundet porestruktur, som muliggør forbedret kapillærvirkning. Dette lader substratet trække den vandbaserede næringsopløsning op for kontinuerligt at tilføre vand og næringsstoffer til planterødderne.

"De resulterende hydroponiske substrater har høj porøsitet og god mekanisk modstandsdygtighed under vandige forhold," sagde papirets første forfatter Dr. Zhao Zhitong, en forsker ved NTU's MSE. "Derudover kan dette keratinbaserede substrat absorbere og tilbageholde store mængder vand, hvilket gør det til et lovende vækstmedium til at understøtte frøspiring og afgrødevækst i hydroponics."

En vigtig egenskab ved hydroponiske substrater er deres evne til at tilbageholde tilstrækkeligt vand til at understøtte afgrødevækst, hvilket kan evalueres ved vandoptagelseskapacitet. Prof Ng sagde:"Vores keratinbaserede substrat kan holde vand op til 40 gange sin oprindelige vægt, hvilket er på niveau med kommercielle substrater, der er tilgængelige i øjeblikket."

I deres eksperimenter dyrkede forskerne modelplanten Arabidopsis og grøntsager, herunder rucola og bok choy. Et gram menneskehår kan producere omkring tre blokke af substrater på omkring 1,5 cm gange 1,5 cm gange 3 cm, eller på størrelse med en lille isterning.

Både rucola og bok choy frøplanter udviklede sig godt i keratinbaserede substrater med robuste rod- og skudsystemer.

"Planterne voksede faktisk meget længere rodsystemer i de keratinbaserede substrater end i kommercielt tilgængelige phenolskum, hvilket er et lovende tegn på, at vegetabilske rødder bedre kan trænge ind i keratinbaserede substrater og mere effektivt absorbere næringsstoffer frigivet fra substraterne," sagde prof. Ng.

Tilpasning af substrater for maksimal næringseffektivitet

For yderligere at booste substraternes næringsstofindhold inkorporerede medforfatter professor Hu Xiao fra NTU's MSE nano-næringsstoffer såsom kobber i substraterne.

Disse næringsstoffer hjælper med at forbedre frøspiring, afgrødeudbytte og overordnet plantesundhed ved at undertrykke forskellige typer plantesygdomme.

"Det keratinbaserede substrat tilbyder ikke kun en bæredygtig platform for inkorporering af forskellige typer og former for plantenæringsstoffer, men har også flere andre fordele i forhold til eksisterende produkter. En fordel er at give bedre fleksibilitet til at skræddersy profilen for frigivelse af næringsstoffer, så den passer til væksten af specifik afgrøde. Denne teknologi har et stort potentiale til markant at øge produktiviteten i bylandbrug for at imødekomme samfundets behov, især i Singapore, der er knapt på land," sagde Prof Hu, som også leder miljøkemi- og materialeindsatsen ved NTU's Nanyang Environment and Water Research Institute .

I sin nuværende form kan keratinsubstratet udviklet af forskerholdet vare mellem fire og otte uger, afhængigt af forholdene. Det efterlader heller ikke noget affald, i modsætning til kommercielle substrater, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet, og som ikke nedbrydes og bliver til fast affald efter høst.

Keratinen kan også udvindes fra fjerkræfjer, som indeholder proteiner, der opfører sig på samme måde som proteinerne i menneskehår.

Forskerholdet er i samtaler med industripartnere, herunder lokale bygårde, for at udføre store feltforsøg. En sådan test sigter mod at tilpasse sammensætningen af ​​substratet, så den kan rumme forskellige typer af vegetabilske afgrøder, inklusive dem med tykkere rødder.

"Sustainable Nutrient Substrates for Enhanced Seedling Development in Hydroponics" blev offentliggjort i ACS Sustainable Chemistry &Engineering den 23. juni 2022. + Udforsk yderligere

Biochar-egnet substrat til smudsfri hydroponiske tomater