Klumparna av kasserat hår på salongsgolvet kan en dag hjälpa till att odla din lunchsallad, tack vare forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), som har skapat det tillväxtmedium som används i stadsodling – känt som hydroponics substrat – med hjälp av keratin extraherat från människohår.

I hydroponics odlas grödor utan jord, med hjälp av ett substrat som fungerar som både en stödstruktur och en reservoar för vatten och näringsämnen. De keratinbaserade substraten som utvecklats av NTU:s forskargrupp har testats med grödor som mikrogrönsaker och bladgrönsaker, inklusive kinakålen bok choy och ruccola blad, även känd som raket.

I sin studie extraherade NTU-forskarna först keratin från människohår som samlats in från frisörsalonger. Keratinlösningen blandas med cellulosafibrer för att stärka den, som sedan torkas till ett svampigt substrat.

Substratet är hållbart, biologiskt nedbrytbart och miljövänligt eftersom det är tillverkat av avfallsmaterial och blir en näringskälla för växterna när det bryts ned. Utbytet från detta keratinbaserade substrat är jämförbart med material som för närvarande finns på marknaden, enligt laboratorietester.

Professor Ng Kee Woei, biträdande ordförande vid NTU:s School of Materials Science and Engineering (MSE), som ledde forskningen, sa:"Förutom hår producerar boskapsuppfödning stora mängder keratin som bioavfall, eftersom det finns rikligt i ull, horn, hovar och fjädrar. Eftersom keratin kan utvinnas från många typer av jordbruksavfall, kan utveckling av keratinbaserade hydroponiska substrat vara en viktig strategi för återvinning av jordbruksavfall som en del av ett hållbart jordbruk."

Forskarna hoppas att deras substrat erbjuder ett förnybart alternativ till nuvarande kommersiella erbjudanden, som de tillverkade av stenull, polyuretan och fenolskum som inte är hållbara och inte ger näring till växter.

Resultaten av denna proof-of-concept-studie publicerades i den peer-reviewed vetenskapliga tidskriften ACS Sustainable Chemistry &Engineering . Studien har sitt ursprung i NTU-Harvard Initiative for Sustainable Nanotechnology, ett samarbete med Harvard Universitys T.H. Chan School of Public Health i USA.

Hår idag, klipp imorgon

Keratin består av aminosyror som är en källa till näringsämnen för växttillväxt. Dessa aminosyror kan även binda andra typer av näringsämnen och frigöra dem under kontrollerade förhållanden. Keratin har därför stor potential som ett odlingsmedium som används inom hydrokultur och urbant jordbruk, där det är viktigt att frigöra näringsämnen och vatten i rätt tid.

Keratin är dock inte tillräckligt starkt i sig för att bilda ett substrat. Forskarna blandade det med cellulosafibrer för att stärka dess struktur och förbättra dess vattensvällningsförmåga. Cellulosan extraherades från barrmassa, vilket betyder att slutprodukten är hållbar.

Det resulterande keratin-cellulosasubstratet innehåller en mycket sammankopplad porstruktur, vilket möjliggör förbättrad kapillärverkan. Detta låter substratet dra upp den vattenbaserade näringslösningen för att kontinuerligt mata vatten och näringsämnen till växtrötterna.

"De resulterande hydroponiska substraten har hög porositet och god mekanisk motståndskraft under vattenhaltiga förhållanden", säger tidningens första författare Dr. Zhao Zhitong, en forskare vid NTU:s MSE. "Dessutom kan detta keratinbaserade substrat absorbera och hålla kvar stora mängder vatten, vilket gör det till ett lovande tillväxtmedium för att stödja fröns groning och grödans tillväxt i hydroponics."

En viktig egenskap hos hydroponiska substrat är deras förmåga att behålla tillräckligt med vatten för att stödja grödans tillväxt, vilket kan utvärderas genom vattenupptagningsförmåga. Prof Ng sa:"Vårt keratinbaserade substrat kan hålla vatten upp till 40 gånger dess ursprungliga vikt, vilket är i nivå med kommersiella substrat som för närvarande finns tillgängliga."

I sina experiment odlade forskarna modellväxten Arabidopsis och grönsaker inklusive ruccola och bok choy. Ett gram människohår kan producera cirka tre block av substrat på cirka 1,5 cm gånger 1,5 cm gånger 3 cm, eller storleken på en liten isbit.

Både ruccola- och bok choy-plantor utvecklades väl i keratinbaserade substrat, med robusta rot- och skottsystem.

"Växterna växte faktiskt mycket längre rotsystem i de keratinbaserade substraten än i kommersiellt tillgängliga fenolskum, vilket är ett lovande tecken på att vegetabiliska rötter bättre kan penetrera keratinbaserade substrat och mer effektivt absorbera näringsämnen som frigörs från substraten", säger prof. Ng.

Anpassa substrat för maximal näringseffektivitet

För att ytterligare öka substratens näringsinnehåll inkorporerade medförfattaren professor Hu Xiao från NTU:s MSE nano-näringsämnen som koppar i substraten.

Dessa näringsämnen hjälper till att förbättra frögroningen, skörden och den allmänna växthälsan genom att undertrycka olika typer av växtsjukdomar.

"Det keratinbaserade substratet erbjuder inte bara en hållbar plattform för inkorporering av olika typer och former av växtnäringsämnen, utan har också flera andra fördelar jämfört med befintliga produkter. En fördel är att ge bättre flexibilitet för att skräddarsy profilen för frisättning av näringsämnen för att passa tillväxten av specifik gröda. Den här tekniken har stor potential att avsevärt förbättra produktiviteten för stadsodling för att möta samhällets behov, särskilt i det knappa landet i Singapore", säger prof Hu, som också leder miljökemi- och materialinsatsen vid NTU:s Nanyang Environment and Water Research Institute .

I sin nuvarande form kan keratinsubstratet som utvecklats av forskargruppen hålla mellan fyra till åtta veckor, beroende på förhållandena. Det lämnar inte heller något avfall efter sig, till skillnad från kommersiella substrat som för närvarande finns på marknaden som inte bryts ned och blir fast avfall efter skörd.

Keratinet kan också utvinnas från fjäderfäfjädrar, som innehåller proteiner som beter sig på samma sätt som proteinerna i människohår.

Forskargruppen för samtal med industripartners, inklusive lokala urbana gårdar, för att utföra storskaliga fälttester. Ett sådant test syftar till att anpassa sammansättningen av substratet så att det passar olika typer av grönsaksgrödor, inklusive de med tjockare rötter.

"Sustainable Nutrient Substrates for Enhanced Seedling Development in Hydroponics" publicerades i ACS Sustainable Chemistry &Engineering den 23 juni 2022. + Utforska vidare

Biokol lämpligt substrat för smutsfria hydroponiska tomater