Họ đã tạo ra phương tiện cho cây phát triển được sử dụng trong nông nghiệp đô thị được gọi là giá thể thủy canh bằng cách sử dụng keratin chiết xuất từ tóc người.

Tái chế rác thải ở trang trại

Trong thủy canh, cây trồng không cần đất mà dùng giá thể. Giá thể đóng vai trò vừa là cấu trúc hỗ trợ, vừa là nơi chứa nước và chất dinh dưỡng nuôi cây. Chất nền dựa trên keratin do các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU) phát triển đã được thử nghiệm với các loại cây trồng như rau mầm và các loại rau ăn lá, bao gồm cải thìa, xà lách rocket.

Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học của NTU lần đầu tiên chiết xuất keratin từ tóc người được thu thập ở các tiệm làm tóc. Dung dịch keratin được trộn với sợi xenlulo để tăng cường độ cứng, sau đó được làm khô thành chất nền xốp.

Giá thể trên có thể phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường vì được làm từ vật liệu phế thải. Sau đó, nó trở thành nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho thực vật sau khi bị phân hủy. Theo các thử nghiệm, sản lượng chất nền làm từ keratin này có thể so sánh với các vật liệu hiện có trên thị trường.

Giáo sư Ng Kee Woei, Phó Chủ tịch Trường Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật (MSE) của NTU là người dẫn đầu nghiên cứu trên. Ông cho biết, ngoài tóc, việc chăn nuôi gia súc sản xuất một lượng lớn keratin dưới dạng chất thải sinh học vì nó được tìm thấy nhiều trong lông, sừng, móng động vật.

Do keratin có thể được chiết xuất từ nhiều loại rác thải trang trại, nên việc phát triển giá thể thủy canh dựa trên keratin có thể là một chiến lược quan trọng để tái chế loại rác thải này, biến nó thành một phần của nông nghiệp bền vững.

Các nhà nghiên cứu hy vọng chất nền của họ cung cấp một giải pháp thay thế cho các sản phẩm thương mại hiện tại, như chất nền làm từ bông khoáng (rockwool), polyurethane và bọt phenolic không bền vững và không cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.

Các phát hiện của nghiên cứu trên đã được công bố trên tạp chí khoa học ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Đây là nghiên cứu có nguồn gốc từ Sáng kiến NTU-Harvard về Công nghệ nano bền vững được kết hợp giữa NTU và Đại học Harvard của Mỹ.

Hứa hẹn những vụ thu hoạch

Các nhà nghiên cứu Zhao Zhitong, Ng Kee Woei và Pan Xiaoyong (từ trái sang) với mẫu cây giống cải ngọt mọc trên môi trường keratin (hình khối màu trắng) và môi trường thông thường.

Keratin bao gồm các axit amin là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho sự phát triển của cây. Các axit amin này cũng có thể liên kết các loại chất dinh dưỡng khác và giải phóng chúng trong điều kiện được kiểm soát. Do đó, keratin có tiềm năng to lớn như một phương tiện giúp thực vật tăng trưởng được dùng trong thủy canh và nông nghiệp đô thị.

Tuy nhiên, bản thân keratin không đủ mạnh để tạo thành chất nền. Các nhà nghiên cứu đã trộn nó với sợi xenlulo để tăng cường cấu trúc và cải thiện khả năng trương nước của nó.

Xenlulo được chiết xuất từ bột gỗ mềm, giúp sản phẩm cuối cùng được tạo ra có tính bền vững.

Chất nền keratin - xenlulo được tạo thành có chứa cấu trúc lỗ chân lông liên kết chặt chẽ với nhau, cho phép cải thiện hoạt động của mao mạch. Điều này giúp giá thể hút dung dịch dinh dưỡng dạng nước để liên tục cung cấp nước và chất dinh dưỡng cho rễ cây.

Một trong những tác giả của nghiên cứu là Tiến sĩ Zhao Zhitong, ông cho biết giá thể thủy canh thu được có độ xốp cao và khả năng phục hồi cơ học tốt trong điều kiện có nước. Ngoài ra, chất nền làm từ keratin này có thể hấp thụ và giữ lại một lượng lớn nước, làm cho nó trở thành một phương tiện nuôi dưỡng đầy hứa hẹn, hỗ trợ sự nảy mầm của hạt giống và sự phát triển của cây trồng trong hệ thống thủy canh.

Một đặc tính quan trọng của giá thể thủy canh là khả năng giữ đủ nước để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng và có thể được đánh giá theo khả năng hút nước của nó. Giáo sư Ng cho biết, chất nền làm từ keratin có thể giữ nước gấp 40 lần trọng lượng ban đầu, ngang bằng với chất nền thương mại hiện có.

Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã trồng cây mô hình Arabidopsis và các loại rau bao gồm gồm cải thìa, xà lách rocket. Một gam tóc người có thể tạo ra khoảng 3 khối chất nền có kích thước khoảng 1,5cm x 1,5cm x 3cm.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, cả cây con cải thìa, xà lách rocket đều phát triển tốt trong giá thể dựa trên keratin, với hệ thống rễ và chồi khỏe mạnh.

Theo Giáo sư Ng, các cây thực sự đã phát triển hệ thống rễ dài hơn nhiều trong chất nền dựa trên keratin so với trong bọt phenolic bán sẵn trên thị trường. Đó là một dấu hiệu đầy hứa hẹn cho thấy rễ rau có thể thâm nhập tốt hơn vào giá thể dựa trên keratin và hấp thụ hiệu quả hơn các chất dinh dưỡng tiết ra từ giá thể.

Điều chỉnh chất nền để đạt hiệu quả dinh dưỡng tối đa

Để tăng cường hơn nữa hàm lượng chất dinh dưỡng của chất nền, đồng tác giả, Giáo sư Hu Xiao, đã kết hợp các chất dinh dưỡng nano như đồng vào chất nền. Những chất dinh dưỡng này giúp tăng cường khả năng nảy mầm của hạt, tăng năng suất cây trồng và sức khỏe tổng thể của cây bằng cách ngăn chặn các loại bệnh thực vật khác nhau.

Giáo sư Hu là người đứng đầu nỗ lực về vật liệu và hóa học môi trường tại Viện Nghiên cứu Nước và Môi trường Nanyang của NTU. Ông cho biết, chất nền dựa trên keratin không chỉ cung cấp một nền tảng bền vững để kết hợp các loại và dạng dinh dưỡng thực vật khác nhau, mà còn có một số lợi thế khác so với các sản phẩm hiện có.

Ở dạng hiện tại, chất nền keratin do nhóm nghiên cứu phát triển có thể tồn tại từ 4 đến 8 tuần, tùy thuộc vào điều kiện. Nó cũng không để lại chất thải, không giống như các chất nền thương mại hiện có trên thị trường vốn bị biến chất và trở thành chất thải rắn sau khi thu hoạch cây.