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头发作为城市农业的生长介质找到了新的根基

感谢新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的科学家们,沙龙地板上的一团被丢弃的头发有一天可以帮助你种植午餐沙拉,他们创造了用于城市农业的生长培养基——称为水培基质——使用从人类头发中提取的角蛋白。

在水培中,作物在没有土壤的情况下种植,使用的基质既可以作为支撑结构,又可以作为水和养分的储存器。南洋理工大学研究小组开发的基于角蛋白的底物已在微型蔬菜和绿叶蔬菜等作物上进行了测试,包括大白菜和芝麻菜叶,也称为火箭。

在他们的研究中,南大研究人员首先从发廊收集的人类头发中提取角蛋白。角蛋白溶液与纤维素纤维混合以增强其强度,然后将其干燥成海绵状基材。

这种基质是可持续的、可生物降解的和环保的,因为它是由废料制成的,并且在降解时成为植物的营养来源。根据实验室测试,这种基于角蛋白的基质的产量与目前市场上可用的材料相当。

领导这项研究的南大材料科学与工程学院 (MSE) 副院长 Ng Kee Woei 教授说:“除了头发,畜牧业还产生大量的角蛋白作为生物废物,因为它大量存在于羊毛、牛角、蹄和羽毛。由于可以从多种类型的农场废物中提取角蛋白,因此开发基于角蛋白的水培基质可能是回收农场废物作为可持续农业的一部分的重要策略。”

研究人员希望他们的基材能够为目前的商业产品提供可再生的替代品,例如由岩棉、聚氨酯和酚醛泡沫制成的产品,这些产品不可持续,也不能为植物提供营养。

这项概念验证研究的结果发表在同行评审的科学期刊ACS 可持续化学与工程上。该研究起源于 NTU-Harvard 可持续纳米技术倡议,该倡议与美国哈佛大学的 TH Chan 公共卫生学院合作。

今天头发,明天收割

角蛋白由氨基酸组成,氨基酸是植物生长的营养来源。这些氨基酸还可以结合其他类型的营养物质并在受控条件下释放它们。因此,角蛋白作为一种用于水培和都市农业的生长培养基具有巨大的潜力,其中及时释放养分和水分是必不可少的。

然而,角蛋白本身的强度不足以形成底物。研究人员将其与纤维素纤维混合以增强其结构并提高其水膨胀能力。纤维素是从软木浆中提取的,这意味着最终产品是可持续的。

所得角蛋白-纤维素底物包含高度互连的孔结构,可改善毛细作用。这让基质吸取水基营养液,为植物根部持续提供水和养分。

“由此产生的水培基质在水性条件下具有高孔隙率和良好的机械弹性,”该论文的第一作者、南洋理工大学 MSE 研究员赵志同博士说。“此外,这种基于角蛋白的基质可以吸收和保留大量水分,使其成为支持种子发芽和水培作物生长的有前景的生长培养基。”

水培基质的一个重要特性是它们能够保留足够的水分以支持作物生长,这可以通过吸水能力来评估。Ng 教授说:“我们基于角蛋白的基质可以容纳高达其原始重量 40 倍的水,这与目前可用的商业基质相当。”

在他们的实验中,研究人员种植了模式植物拟南芥和蔬菜,包括芝麻菜和白菜。一克人的头发可以产生大约三块大约 1.5 厘米 x 1.5 厘米 x 3 厘米的基质,或者是一个小冰块的大小。

芝麻菜和白菜幼苗在基于角蛋白的基质中发育良好,具有健壮的根和芽系统。

“植物在角蛋白基质中的根系实际上比在市售的酚醛泡沫中长得多,这是一个有希望的迹象,表明植物根可以更好地穿透基于角蛋白的基质并更有效地吸收从基质释放的养分,”教授说吴。

定制基质以获得最大的营养效率

为了进一步提高基质的营养成分,南洋理工大学 MSE 的合著者胡晓教授在基质中加入了铜等纳米营养素。

这些营养素通过抑制各种植物病害来帮助提高种子发芽率、作物产量和整体植物健康。

“基于角蛋白的底物不仅为掺入不同类型和形式的植物营养素提供了一个可持续的平台,而且与现有产品相比,还具有其他几个优势。一个优势是可以更好地灵活地调整营养释放曲线以适应植物的生长。南大南洋环境与水研究所环境化学和材料研究负责人胡教授说: .

在目前的形式下,研究小组开发的角蛋白底物可以持续四到八周,具体取决于条件。它也不会留下任何废物,不像目前市场上可用的商业基质在收获后不会降解并变成固体废物。

角蛋白也可以从家禽羽毛中提取,其中含有与人类头发中的蛋白质相似的蛋白质。

该研究团队正在与包括当地城市农场在内的行业合作伙伴进行谈判,以进行大规模的现场测试。其中一项测试旨在调整基质的成分以适应不同类型的蔬菜作物,包括那些根部较粗的作物。

2022 年 6 月 23 日, 《用于增强水培幼苗发育的可持续营养基质》发表在ACS 可持续化学与工程上。

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