Een wetenschappelijk onderzoeksteam van de Nationale Universiteit van Singapore heeft onlangs een "microneedle biofertilizer patch" -systeem voor planten ontwikkeld, waarvan wordt verwacht dat het de groeiprestaties van gewassen aanzienlijk zal verbeteren, terwijl het verbruik van kunstmest wordt verminderd en de milieuverspilling veroorzaakt door traditionele bemesting zal worden verminderd. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Andy Tay, de leider van het project en assistent-professor aan het Institute of Health Innovation and Technology (iHealthtech) van de National University of Singapore, zei dat dit idee voortkomt uit de verwijzing naar menselijke microbiële migratie en methoden voor injectie van medicijnen. Het team veronderstelde dat als nuttige micro-organismen rechtstreeks in de bladeren of stengels van planten zouden worden afgeleverd, zoals ze aan mensen zouden worden toegediend, ze binnen de plant naar de wortels zouden kunnen migreren en hun werk zouden kunnen doen, terwijl het risico op verzwakking door de zuurgraad of concurrerende micro-organismen in de bodemomgeving zou worden verminderd.

Om deze ‘vaste puntvoeding’ te bereiken, maakten de onderzoekers oplosbare micronaaldpleisters en ingekapselde ‘levende biomeststof’ bestaande uit nuttige micro-organismen in de naaldpunten. In het experiment gebruikte het team een ​​mengsel van plantengroeibevorderende rhizosfeerbacteriën (PGPR), bestaande uit Actinobacteria (Streptomyces) en Agromyces-Bacillus flora, om het metabolisme van voedingsstoffen te bevorderen en plantengroeihormonen te stimuleren. De resultaten toonden aan dat onder kasomstandigheden boerenkool en kool behandeld met micronaaldpleisters aanzienlijk beter waren dan traditionele behandelingen in termen van planthoogte, bladoppervlak en bovengrondse biomassa.

Belangrijker nog is dat deze methode besparingen oplevert in de hoeveelheid gebruikte kunstmest: vergeleken met conventionele inenting van biomeststof in de bodem, vermindert de micronaaldpleisteroplossing de gebruikte hoeveelheid biomeststof met ongeveer 15%. Het onderzoeksteam wees erop dat dit voordeel voortkomt uit een nauwkeurigere toediening van kunstmest, waardoor de verspilling van kunstmest en de daarmee samenhangende milieubelasting als gevolg van niet-doelmatige kunstmest aanzienlijk wordt verminderd.

Volgens de definitie van het onderzoeksteam is "levende biomeststof" een groep bestaande uit nuttige bacteriën en schimmels, die kunnen worden beschouwd als de "plantenverpleegster" van gewassen, die gewassen helpt de stress van het milieu te verlichten en de opnamecapaciteit van voedingsstoffen te verbeteren. De traditionele aanpak is om het in de bodem toe te passen, maar de zuurgraad van de bodem en de aanwezigheid van concurrerende micro-organismen verzwakken vaak de effectiviteit ervan, waardoor slechts een deel van de micro-organismen in de wortelzone terechtkomt. De nieuwe methode van het Singaporese team omzeilt daarentegen bodembarrières door nuttige micro-organismen rechtstreeks in bladeren of stengels te injecteren, waardoor ze snel de plaats van actie kunnen bereiken.

Qua materialen en processen kozen de onderzoekers voor polyvinylalcohol (PVA), een goedkoop en biologisch afbreekbaar polymeer, als drager. Het oppervlak van de experimentele patch is ongeveer 1 vierkante centimeter en bevat een reeks micronaalden met een naaldlengte van ongeveer 140 micron, geschikt voor bladeren, of micronaalden met een naaldlengte van ongeveer 430 micron, geschikt voor stengels. Deze micronaalden zijn gerangschikt in een reeks van 40 x 40, bestaande uit piramides van 140 micron hoog. Het team mengde de micro-organismen eerst in een PVA-oplossing en gebruikte vervolgens micro-mallen om de micro-organismen op de punt van de naald te "vergrendelen".

Bij gebruik werkt het als een omgekeerde vingerhoed: telers drukken simpelweg met hun duim op de pleister, of oefenen gelijkmatige druk uit met behulp van een eenvoudige handapplicator, waardoor de micronaalden het plantenweefsel kunnen binnendringen zonder schade aan te richten. Na ongeveer 60 seconden lossen de micronaalden op in de plant, waardoor de opgesloten micro-organismen vrijkomen, terwijl de naalden zelf in het plantenweefsel blijven en uiteindelijk worden afgebroken.

Het team benadrukte dat deze set micronaaldpatchtechnologie de productie van 3D-printen ondersteunt, een snelle voorbereiding mogelijk maakt en een relatief uniform inbrengeffect kan bereiken bij het bedekken van een groot bladoppervlak. Ontworpen met het oog op opslagstabiliteit, kunnen de micro-organismen in de pleister onder normale opslagomstandigheden tot vier weken actief blijven, waardoor het voor boerderijen gemakkelijker wordt om vooraf een voorraad aan te leggen. Vergeleken met het in de bodem aanbrengen van biomeststoffen kent deze methode bijna geen ‘ontbrekende’ situaties, waardoor planten, inclusief hoogwaardige gewassen, er zekerder van zijn dat ze voldoende hoeveelheden ‘medicatie’ ontvangen.

Het is de moeite waard te vermelden dat de micronaaldtechnologie zelf niet de eerste keer is dat deze in de plantenwereld wordt gebruikt. Soortgelijke micronaaldpleisters zijn al eerder gebruikt om pesticiden aan planten toe te dienen. Andy Tay wees er echter op dat dit de eerste keer is dat biomeststoffen die verband houden met plantenwortels rechtstreeks via bladeren of stengels kunnen worden toegediend om de plantengroei te bevorderen. Hij zei dat dit nieuwe concept van "micronaaldbiomeststof" belangrijke ideeën biedt voor het oplossen van veel uitdagingen waarmee bodeminentingsmethoden worden geconfronteerd.

Kijkend naar de toekomst hoopt het onderzoeksteam dat deze technologie van pas kan komen op gebieden als verticale landbouw, stadslandbouw en de teelt van medicinale planten. Tay zei dat een van de volgende aandachtspunten het verbeteren van de schaalbaarheid is, en het team is van plan de integratie van micronaaldtechnologie met landbouwrobots en automatiseringssystemen te onderzoeken, zodat deze kan worden toegepast in grootschalige landbouwscenario's. Daarnaast zal het onderzoek worden uitgebreid naar meer gewassen, zoals aardbeien, en zal verder worden nagegaan hoe micro-organismen effectief migreren van bladeren naar wortels binnen de plant.

Samengesteld uit /ScitechDaily