Vertikala gårdar med sina jordfria, datorstyrda miljöer kan låta som sci-fi. Men det finns ett växande miljö- och ekonomiskt fall för dem, enligt ny forskning om radikala sätt att lägga mat på våra tallrikar.

Den tvärvetenskapliga studien som kombinerar biologi och teknik sätter steg mot att påskynda tillväxten av denna gren av precisionsjordbruk, inklusive användning av aeroponik som använder näringsberikade aerosoler i stället för jord.

Utförd av John Innes Center, University of Bristol och den aeroponiska teknikleverantören LettUs Grow, studien identifierar framtida forskningsområden som behövs för att påskynda hållbar tillväxt av vertikalt jordbruk med hjälp av aeroponiska system.

Dr Antony Dodd, en gruppledare vid John Innes Center och senior författare till studien, säger:"Genom att ge grundläggande biologiska insikter i sammanhanget med växternas fysik i en aerosol, vi kan hjälpa den vertikala jordbruksverksamheten att bli mer produktiv snabbare, samtidigt som man producerar hälsosammare mat med mindre miljöpåverkan. "

Jack Farmer, Chief Scientific Officer på LettUs Grow och en av författarna till studien, tillägger:"Klimatförändringar kommer bara att öka efterfrågan på denna teknik. Beräknade förändringar i regionala vädermönster och vattentillgänglighet kommer sannolikt att påverka jordbrukets produktivitet snart. Vertikalt jordbruk erbjuder möjligheten att odla högvärdiga näringsrika grödor på ett klimatbeständigt sätt alla året runt, bevisar en tillförlitlig inkomstström för odlare. "

Vertikalt jordbruk är en typ av inomhusbruk där grödor odlas i staplade system med vatten, belysning och näringskällor noggrant kontrollerade.

Det är en del av en snabbt växande sektor som stöds av artificiell intelligens där maskiner lärs att hantera dagliga trädgårdsuppgifter. Branschen kommer att växa årligen med 21% till 2025 enligt en kommersiell prognos (Grand View Research, 2019).

Gröna fördelar inkluderar bättre utnyttjande av utrymme eftersom vertikala gårdar kan placeras i stadsområden, färre matmil, isolering från patogener, minskad markförstöring och återvinning av näringsämnen och vatten.

Vertikala gårdar tillåter också produktkonsistens, prisstabilisering, och odling på breddgrader som är oförenliga med vissa grödor som öknen eller arktis.

"Vertikala system gör att vi kan utöka latitudintervallet där grödor kan odlas på planeten, från Dubais öknar till Islands fyra timmar långa vinterdagar. Faktiskt, om du odlade grödor på Mars skulle du behöva använda denna typ av teknik eftersom det inte finns någon jord, "säger doktor Dodd.

Studien, som visas i journalen Ny fytolog , lägger upp sju steg - strategiska områden för framtida forskning som behövs för att stödja ökad produktivitet och hållbarhet för aeroponiska vertikala gårdar.

Dessa försöker förstå:

Varför aeroponisk odling kan vara mer produktiv än hydroponisk eller jordodling.

Förhållandet mellan aeroponisk odling och dygns dygnsrytmer av växter.

Rotutveckling av en rad grödor under aeroponiska förhållanden.

Förhållandet mellan aerosoldroppstorlek och avsättning och växtprestanda.

Hur vi kan skapa ramar för att jämföra vertikal jordbruksteknik för en rad grödor.

Hur aeroponiska metoder påverkar mikrobiella interaktioner med växtrötter.

Arten av återvinning av rotutsöndringar (vätskor som utsöndras av växternas rötter) i näringslösningarna i slutna aeroponiska system.

Rapporten hävdar att en drivkraft för teknisk innovation på vertikala gårdar minimerar driftskostnaderna samtidigt som produktiviteten maximeras - och att investeringar i grundläggande biologisk forskning har en betydande roll.

Dr Dodds forskningsområde täcker dygnsrytmer - biologiska klockor som anpassar växtfysiologi och molekylära processer till den dagliga cykeln av ljus och mörker. Han avslutade nyligen ett år långt Royal Society Industry Fellowship med LettUs Grow.

Detta innebar att kombinera Dr Dodds expertis inom dygnsrytm och växtfysiologi med arbetet från LettUs Growts team av biologer och ingenjörer för att utforma optimala aeroponiska odlingsregimer. Detta är ett viktigt undersökningsområde eftersom dessa molekylära interna timers kommer att fungera annorlunda på vertikala gårdar.

Aeroponiska plattformar används ofta för att odla högvärdiga grödor som sallader, pak choi, örter, små mässingsgrödor, ärtskott och bönskott. LettUs Grow arbetar också med tillväxtregimer för frukt- och rotfrukter som jordgubbar och morötter, samt aeroponisk förökning av träd för både frukt och skogsbruk.

John Innes Center forskare har uppfödt en rad broccoli anpassad för att växa inomhus för en större stormarknad och ett av syftena med forskningen kommer att vara att testa hur vi genetiskt kan justera fler grödor för att växa i det kontrollerade utrymmet på vertikala gårdar.

Bethany Eldridge, en forskare vid University of Bristol som studerar rot-miljö-interaktioner och första författaren till studien tillägger:"Med tanke på att 80% av jordbruksmarken i världen rapporteras ha måttlig eller svår erosion, förmågan att odla grödor i ett jordlöst system med minimalt med gödselmedel och bekämpningsmedel är fördelaktigt eftersom det ger en möjlighet att odla grödor i områden som står inför jorderosion eller andra miljöfrågor som algblomning i lokala vattenförekomster som kan ha drivits av traditionella, jordbaserad, lantbruk."

Lilly Manzoni, Chef för forskning och utveckling på LettUs Grow och en författare till studien säger, "Detta papper är unikt eftersom det är bredare än ett typiskt växtforskningspapper, det kombinerar ingenjörernas expertis, aerosolforskare, växtbiologer och trädgårdsodlare. Det underbara med kontrollerad miljö jordbruk och aeroponik är att det verkligen är tvärvetenskapligt "