De bosjes weggegooid haar op de salonvloer kunnen ooit helpen om je lunchsalade te laten groeien, dankzij wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), die het groeimedium hebben gecreëerd dat wordt gebruikt in stadslandbouw - ook wel hydrocultuursubstraten genoemd - met behulp van keratine gewonnen uit mensenhaar.

Bij hydrocultuur worden gewassen geteeld zonder aarde, met behulp van een substraat dat zowel als ondersteuningsstructuur als als reservoir voor water en voedingsstoffen fungeert. De op keratine gebaseerde substraten die zijn ontwikkeld door het NTU-onderzoeksteam zijn getest met gewassen zoals microgroenten en bladgroenten, waaronder de Chinese kool paksoi en rucolabladeren, ook wel rucola genoemd.

In hun onderzoek haalden de NTU-onderzoekers eerst keratine uit mensenhaar dat in kapsalons was verzameld. De keratineoplossing wordt gemengd met cellulosevezels om het te versterken, dat vervolgens wordt gedroogd tot een sponsachtig substraat.

Het substraat is duurzaam, biologisch afbreekbaar en milieuvriendelijk omdat het is gemaakt van afvalmateriaal en een bron van voedingsstoffen voor de planten wordt als het afbreekt. De opbrengst van dit op keratine gebaseerde substraat is volgens laboratoriumtests vergelijkbaar met materialen die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn.

Professor Ng Kee Woei, associate chair aan de NTU's School of Materials Science and Engineering (MSE), die het onderzoek leidde, zei:"Naast haar produceert de veehouderij grote hoeveelheden keratine als bioafval, omdat het overvloedig wordt aangetroffen in wol, hoorns, hoeven en veren. Aangezien keratine kan worden gewonnen uit veel soorten landbouwafval, zou het ontwikkelen van op keratine gebaseerde hydrocultuursubstraten een belangrijke strategie kunnen zijn voor het recyclen van landbouwafval als onderdeel van duurzame landbouw."

De onderzoekers hopen dat hun substraat een hernieuwbaar alternatief biedt voor het huidige commerciële aanbod, zoals die gemaakt van steenwol, polyurethaan en fenolschuim, die niet duurzaam zijn en geen voeding aan planten leveren.

De bevindingen van deze proof-of-concept-studie zijn gepubliceerd in het peer-reviewed wetenschappelijke tijdschrift ACS Sustainable Chemistry &Engineering . De studie vindt zijn oorsprong in het NTU-Harvard Initiative for Sustainable Nanotechnology, een samenwerking met T.H. Chan School of Public Health in de Verenigde Staten.

Vandaag haar, morgen bijknippen

Keratine is samengesteld uit aminozuren die een bron van voedingsstoffen zijn voor plantengroei. Deze aminozuren kunnen ook andere soorten voedingsstoffen binden en onder gecontroleerde omstandigheden vrijgeven. Keratine heeft daarom een ​​groot potentieel als groeimedium dat wordt gebruikt in hydrocultuur en stadslandbouw, waar het tijdig vrijgeven van voedingsstoffen en water essentieel is.

Keratine is op zichzelf echter niet sterk genoeg om een ​​substraat te vormen. De onderzoekers vermengden het met cellulosevezels om de structuur te versterken en de waterzwelling te verbeteren. De cellulose is gewonnen uit naaldhoutpulp, waardoor het eindproduct duurzaam is.

Het resulterende keratine-cellulosesubstraat bevat een sterk onderling verbonden poriestructuur, wat een verbeterde capillaire werking mogelijk maakt. Hierdoor kan het substraat de op water gebaseerde voedingsoplossing opzuigen om continu water en voedingsstoffen naar de plantenwortels te voeren.

"De resulterende hydrocultuursubstraten hebben een hoge porositeit en een goede mechanische veerkracht onder waterige omstandigheden", zegt de eerste auteur van het artikel, Dr. Zhao Zhitong, een onderzoeksmedewerker bij NTU's MSE. "Bovendien kan dit op keratine gebaseerde substraat grote hoeveelheden water opnemen en vasthouden, waardoor het een veelbelovend groeimedium is om zaadkieming en gewasgroei in hydrocultuur te ondersteunen."

Een belangrijke eigenschap van hydrocultuursubstraten is hun vermogen om voldoende water vast te houden om de groei van gewassen te ondersteunen, wat kan worden beoordeeld aan de hand van de wateropnamecapaciteit. Prof Ng zei:"Ons substraat op basis van keratine kan tot 40 keer zijn oorspronkelijke gewicht vasthouden, wat vergelijkbaar is met commerciële substraten die momenteel beschikbaar zijn."

In hun experimenten kweekten de onderzoekers de modelplant Arabidopsis en groenten, waaronder rucola en paksoi. Een gram mensenhaar kan ongeveer drie blokken substraten produceren van ongeveer 1,5 cm bij 1,5 cm bij 3 cm, of de grootte van een klein ijsblokje.

Zowel rucola- als paksoi-zaailingen ontwikkelden zich goed in op keratine gebaseerde substraten, met robuuste wortel- en scheutsystemen.

"De planten groeiden in feite veel langere wortelsystemen in de op keratine gebaseerde substraten dan in commercieel verkrijgbare fenolische schuimen, wat een veelbelovend teken is dat groentewortels beter kunnen doordringen in op keratine gebaseerde substraten en effectiever voedingsstoffen kunnen absorberen die vrijkomen uit de substraten," zei prof. Ng.

Substraten aanpassen voor maximale nutriëntenefficiëntie

Om het voedingsgehalte van de substraten verder te verhogen, heeft co-auteur professor Hu Xiao van NTU's MSE nanonutriënten zoals koper in de substraten opgenomen.

Deze voedingsstoffen helpen de ontkieming van zaden, de gewasopbrengst en de algehele plantgezondheid te verbeteren door verschillende soorten plantenziekten te onderdrukken.

"Het op keratine gebaseerde substraat biedt niet alleen een duurzaam platform voor het opnemen van verschillende soorten en vormen van plantenvoedingsstoffen, maar heeft ook verschillende andere voordelen ten opzichte van bestaande producten. Een voordeel is dat er een betere flexibiliteit is om het nutriëntenafgifteprofiel aan te passen aan de groei van Deze technologie heeft een groot potentieel om de productiviteit van stadslandbouw aanzienlijk te verhogen om aan de behoeften van de samenleving te voldoen, met name in het schaarse Singapore, "zei Prof Hu, die ook leiding geeft aan de inspanningen voor milieuchemie en materialen bij NTU's Nanyang Environment and Water Research Institute .

In zijn huidige vorm kan het door het onderzoeksteam ontwikkelde keratinesubstraat vier tot acht weken meegaan, afhankelijk van de omstandigheden. Het laat ook geen afval achter, in tegenstelling tot commerciële substraten die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn en die na de oogst niet worden afgebroken en vast afval worden.

De keratine kan ook worden gewonnen uit pluimveeveren, die eiwitten bevatten die zich op dezelfde manier gedragen als de eiwitten in mensenhaar.

Het onderzoeksteam is in gesprek met industriële partners, waaronder lokale stadsboerderijen, om grootschalige veldtesten uit te voeren. Eén zo'n test is bedoeld om de samenstelling van het substraat aan te passen aan verschillende soorten groentegewassen, inclusief die met dikkere wortels.

"Sustainable Nutrient Substrates for Enhanced Seedling Development in Hydroponics" is gepubliceerd in ACS Sustainable Chemistry &Engineering op 23 juni 2022. + Verder verkennen

Biochar geschikt substraat voor grondloze hydrocultuurtomaten