Hoe krijg je meststoffen zo efficiënt mogelijk in een plant? Door ze met microscopisch kleine naaldjes direct in de plant te injecteren, zeggen onderzoekers in Singapore. Zo is er minder verlies van meststoffen en planten blijken er sneller van te groeien.

Onderzoekers aan de National University in Singapore beschrijven een nieuwe techniek voor het toedienen van microbiële meststoffen. Met een afbreekbaar plakkertje met micro-naalden erop kunnen de meststoffen direct via de bladeren of stengel in de plant worden geïnjecteerd. Ze publiceerden er onlangs over in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials.

Minder kunstmest

Tegenwoordig is het gebruik van extra voedingsstoffen in de landbouw vaak geen keuze, maar een noodzaak. Door de wereldwijd stijgende vraag naar voedsel en een krimpende oppervlakte aan bruikbare landbouwgrond is in de jaren veertig van de vorige eeuw een Groene Revolutie op gang gekomen. De brede invoering van chemische kunstmest maakte veel hogere opbrengsten mogelijk, maar kende ook een keerzijde. Lucht en water raakten vervuild, stikstofverbindingen stapelden zich op in de bodem en dat leidde tot een cascade aan negatieve milieueffecten. Als reactie hierop kwamen er afgelopen jaren langzaam meer alternatieven op de markt, waaronder biofertilizers.

Levend alternatief

Biofertilizers, ook wel microbiële meststoffen genoemd, worden steeds vaker ingezet in de landbouw, al blijft het in Nederland wel vaak beperkt tot de biologische landbouw of gespecialiseerde teelt. Biofertilizers bestaan uit levende organismen die van nature rond de wortels van de plant voorkomen en de groei bevorderen, zoals bacteriën en schimmels. Plantengroeibevorderende rhizobacteriën (PGPR) leven bij de wortels van planten en zetten voedingsstoffen uit de grond om in hapklare bouwstenen voor de plant. In ruil daarvoor krijgen ze suikers van de plant. Deze samenwerking is cruciaal voor het overleven van veel planten, ook in de landbouw.

Het toedienen van de biofertilizer gebeurt momenteel door zaden te coaten met de nuttige micro-organismen of door ze rechtstreeks toe te voegen aan de grond. Dat brengt echter uitdagingen met zich mee. De micro-organismen moeten daarvoor eerst worden gekweekt en kunnen na toevoeging aan de grond wegspoelen met regenwater, afsterven door een te hoge zuurgraad of de concurrentie om voedingstoffen verliezen van de al aanwezige bodemorganismen. Dit maakt dat de methode nog weinig efficiënt is en zorgt ervoor dat de groei van de plant traag op gang komt.

De plakkers met micronaalden liggen in petrischaaltjes. Links zijn de plakkers voor stengels van de plant, met naaldjes van 430 μm hoog. Rechts liggen de plakkertjes voor de bladeren van de plant, met naaldjes van 140 μm hoog.

Micronaaldjes

Onderzoekers van de National University of Singapore willen de biofertilizers daarom boven de grond toedienen, om zo de problemen in de bodem te omzeilen. Ze ontwikkelden een techniek waarbij micronaaldjes op een klein plakkertje de bacteriën via het blad of de stengel in de plant brengen. De naaldjes zijn 140 μm hoog bij gebruik op de bladeren en 430 μm voor op de stengels. Het plakkertje is gemaakt van afbreekbaar materiaal dat wordt gegoten in een mal of 3D-geprint, waarbij de bacteriën direct aan het materiaal worden toegevoegd.

Het plakkertje, voorzien van zestienhonderd micronaaldjes, kan eenvoudig met de hand in een blad of stengel worden gedrukt. Vervolgens lost het materiaal binnen een minuut op en komen de bacteriën in de plant terecht. Van daaruit migreren ze vanzelf naar de wortels, waar ze hun rol als nutriëntenomzetter vervullen. Op deze manier wordt de concurrentie in de bodem omzeild, de micro-organismen komen immers rechtstreeks in de plant terecht.

De onderzoekers maakten er een korte video over:

Microneedles boost plant growth, delivering biofertilisers directly into plant tissue

Succesverhaal, en nu?

De directe injectie van de bacteriën leidde in eerste proeven tot een snellere groei in bladgrootte en totale plantomvang, in vergelijking met toediening in de bodem. De methode is getest op twee plantensoorten, waaronder boerenkool. Bovendien was er bij de micro-injecties ongeveer 15 procent minder biofertilizer nodig dan bij toepassing in de bodem.

Met deze resultaten willen de onderzoekers verder aan de slag om de productie te vergroten. Zo onderzoeken ze het gebruik van landbouwrobots om de techniek op grote schaal toe te passen, omdat handmatig aanbrengen traag en inefficiënt is. Ook zullen de plakkertjes op meer plantensoorten worden getest. De eerste resultaten schetsen in ieder geval een veelbelovend beeld. 

Foto's: College of Design and Engineering, National University of Singapore