Selenium nanoparticles as slow-release fertilizers for mustard plants

Selenium is een minuscuul nutriënt dat een enorme rol speelt in de menselijke gezondheid, waarbij het fungeert als een vitale hulp bij voortplanting, spierfunctie en de verdediging van het lichaam tegen schade. Toch krijgen miljoenen mensen over de hele wereld er, ondanks het belang ervan, te weinig van binnen via de voeding, omdat de bodem in hun regioën dit element mist. Boeren proberen dit al lang te verhelpen door selenium aan de grond toe te voegen, maar de traditionele manier om dit te doen is diep gebrekkig. De gebruikelijke chemische zouten die hiervoor worden gebruikt, lossen onmiddellijk op in water. Wanneer het regent of wanneer velden worden geïrrigeerd, spoelen deze zouten weg voordat planten ze kunnen gebruiken, waarbij ze het nutriënt meevoeren naar rivieren en grondwater waar het wilde dieren kan schaden. Dit laat de bodem uitgeput en het milieu vervuild achter, wat een cyclus creëert waarin de meststof faalt om de gewassen of de mensen die hen eten te voeden.

Onderzoekers van het Indian Institute of Technology Delhi en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf in Duitsland hebben een ander pad verkend, één die een giftig afvalproduct omzet in een langzaam vrijkomende voedingsbron voor planten. In plaats van opgeloste chemicaliën te gebruiken, gebruikten zij microscopische organismen om solide, piepkleine sferen van selenium te bous. Deze sferen, bekend als biogene nanodeeltjes, zijn niet alleen puur selenium; ze zijn omhuld met een natuurlijke laag van eiwitten en suikers geproduceerd door de microben die hen hebben gemaakt. Deze buitenste laag werkt als een beschermende schil, die het selenium binnenhoudt en het langzaam vrijgeeft, vergelijkbaar met een capsule met vertraagde afgifte. Het team testte of deze door levende organismen gemaakte sferen lang genoeg in de bodem konden blijven om gegeten te worden door mosterdplanten, een snelgroeiend gewas dat vaak wordt gebruikt om de opname van nutriënten door planten te bestuderen.

Om te zien of dit idee werkte, maakten de wetenschappers deze seleniumsferen eerst met behulp van twee verschillende soorten microben: een veelvoorkomende bacterie genaamd E. coli en een mengsel van microben die gevonden worden in het slib van afvalwaterzuiveringsinstallaties. Ze reinigden de resulterende deeltjes zorgvuldig om ervoor te zorgen dat ze puur waren en onderzochten vervolgens hun structuur. Ze ontdekten dat de door E. coli gemaakte sferen kleiner waren, terwijl de microben uit het slib grotere maakten, maar beide waren bedekt met de beschermende biologische laag die hen hun unieke eigenschappen geeft. De onderzoekers plaatsten deze deeltjes vervolgens in potten met aarde en waterden deze regelmatig, om een echte landbouwomgeving na te bootsen. Ze vergeleken hoeveel selenium er uit de bodem spoelde bij het gebruik van deze nieuwe deeltjes versus de traditionele, snel oplosbare chemische zouten.

De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer het team de traditionele zouten gebruikte, spoelde het overgrote deel van het selenium — meer dan 60 procent voor het ene type en over 86 procent voor het andere — binnen acht weken uit de bodem en in het water. In schril contrast hiermee bleven de seleniumsferen gewoon op hun plek. De deeltjes gemaakt door E. coli hielden 96,7 procent van het selenium in de bodem, terwijl die gemaakt van het slib 91,7 procent vasthielden. De beschermende coating slaagde erin de afgifte te vertragen, waardoor werd voorkomen dat het nutriënt verloren ging aan het milieu. Dit betekende dat het selenium beschikbaar bleef in de grond voor de planten om te vinden, in plaats van te verdwijnen in de afwatering.

Het team liet vervolgens Indiase mosterdplanten groeien in deze potten om te zien of de planten het selenium daadwerkelijk konden eten van deze langzaam vrijkomende sferen. Na acht weken waren de planten aanzienlijk hoger gegroeid en hadden ze langere wortels ontwikkeld in vergelijking met de planten die zonder selenium waren gekweekt. Belangrijker nog, de planten hadden het selenium uit de sferen succesvol opgenomen. De mosterdplanten namen ongeveer 28 procent van het selenium op dat werd geleverd door de E. coli-sferen en ongeveer 24 procent van de door slib gemaakte sferen. Terwijl de traditionele chemische zouten snel werden opgenomen, spoelden ze ook te snel weg om volledig benut te kunnen worden. De sferen boden echter een gestage aanvoer die de planten in de loop van de tijd konden gebruiken. De studie toonde aan dat het selenium niet alleen in de wortels bleef zitten, maar ook naar de scheuten en bladeren werd getransporteerd, wat de plek is waar het het meest nuttig zou zijn voor menselijke consumptie als deze planten als voedsel zouden worden verbouwd.

Dit werk suggereert dat het gebruik van microben om seleniumsferen te creëren een krachtig middel kan zijn voor de landbouw. Het biedt een manier om gewassen te bemesten zonder de zware milieukosten van afspoeling, waardoor het nutriënt in de bodem blijft waar het hoort. De onderzoekers merkten op dat deze sferen minder toxisch zijn dan de chemische alternatieven en goedkoop geproduceerd kunnen worden met behulp van afvalmaterialen. Door een potentieel verontreinigend middel om te zetten in een gestage bron van voeding, pakt deze aanpak zowel het probleem van seleniumtekort bij mensen als het probleem van seleniumvervuiling in waterwegen aan. De studie beweert niet de wereldwijde voedselcrisis te hebben opgelost, maar biedt een duidelijke, gemeten demonstratie dat deze door levende organismen gemaakte deeltjes effectief in de bodem kunnen blijven en planten kunnen voeden, wat een veelbelovend alternatief biedt voor de oude, verspillende methoden van bemesting.