Production and characterization of fully biodegradable biocomposite plant grow plug alternatives for soilless agriculture

Abstract

Soilless agriculture, or hydroponics, is a plant growth method that provides sufficient mineral and nutrient resources to the plant in water without using soil. The importance and need for soilless agriculture, seedling farming and personalized home-type smart soilless farming systems will increase in the future agriculture with the increasing population and decreasing land area, especially in big cities. However, plant grow plugs, the substrates that house the seeds, are currently imported, driving up costs and expanding their carbon footprint. Moreover, their exact composition is often undisclosed, and insufficient toxicity testing is being performed on these plugs, suggesting that they are most likely non-biodegradable and may even contain toxic additives. For truly sustainable cultivation, locally manufactured plant grow plugs made from fully known and eco-friendly ingredients is required. This study aims to develop two types of plant grow plugs that are dimensionally stable and composed of non-toxic, eco-friendly and fully biodegradable materials, designed to support healthy plant growth in soilless agriculture and seedling applications. In this way, an agricultural residue is also valorized and thus contributes to increasing sustainable agricultural production through effective waste management. The agricultural residue used in this study is cocopeat, derived from ground coconut shells, which exhibits a highly hydrophobic character. The first plant grow plug consists of materials fungal mycelium and cocopeat, where mycelium acts as the matrix and cocopeat serves as the reinforcing phase of the biocomposite. Mushroom mycelium is the root system of fungi in fiber-like form which develops with appropriate nutrients and moisture. As mycelium grows, it forms a binding network with cocopeat within a mold, forming the plug's intended size and shape. Mycelium is mixed with sterilized and appropriately moistened cocopeat in molds and incubated under controlled conditions for a defined period. After the desired degree of binding network between the mycelium and cocopeat is obtained, the mycelium is deactivated and its growth is stopped. Deactivated products are ready for use. This plant grow plug is entirely natural, organically recyclable and eco-friendly with properties that promote healthy plant growth. The second plant grow plug contains poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), a biodegradable polymer and cocopeat fiber. PBAT granules, dissolved in a suitable solvent, are precipitated in a non-solvent to form fibers that physically bind within the cocopeat and hold it together. This semi-finished product is then molded into final plug form using suitable molds under controlled temperature and pressure. This grow plug, is organically recyclable, also home compostable, therefore, eco-friendly. Both plug samples produced were subjected to material characterization processes using Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA). Also, water absorption test and compression tests were performed on both plug samples, while plant growth and development tests were conducted on home-use smart garden plant growing devices. These results were compared with those of the reference plug. Overall, all plant growth plugs produced yielded comparable performance, with some showing superior results relative to the reference capsule, indicating their high potential as environmentally friendly and sustainable alternatives. Keywords: Soilless Agriculture, Plant Grow Plug, Mycelium, Cocopeat, PBATTopraksız tarım yani hidroponik, toprak kullanmadan su içinde bitkiye yeterli mineral ve besin kaynaklarını sağlayan bir bitki yetiştirme yöntemidir. Artan nüfus ve özellikle büyük şehirlerde tarım alanların azalması ile geleceğin tarımında topraksız tarımın, öneminin ve ihtiyacının artacağı aşikardır. Ancak, tohumlara yatak vazifesi gören substratlar olan bitki büyütme kapsülleri şu anda ithal ediliyor, bu da maliyetleri ve karbon ayak izlerini artırmaktadır. Dahası, tam bileşimleri genellikle açıklanmıyor olduğu için toksik katkı maddeleri içerebilmekte ve büyük olasılıkla biyobozunur özellik sergilememektedir. Gerçekten sürdürülebilir bir üretim için, içeriği tamamen bilinen ve çevre dostu bileşenlerden yapılmış yerel olarak üretilen bitki büyütme kapsülleri gereklidir. Bu çalışmada, topraksız tarım ve fidecilik sektörüne yönelik boyutsal olarak kararlı, toksik olmayan, çevre dostu ve tamamen biyolojik olarak parçalanabilen malzemelerden oluşan, iki adet bitki büyütme kapsülü prototipi geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu sayede, tarımsal bir atığın katma değerli bir ürünün bileşimi haline getirilmesi ve böylece etkili atık yönetimi ile sürdürülebilir tarımsal üretimin arttırılması hedeflenmektedir. Bu çalışmada kullanılan tarımsal atık, öğütülmüş hindistan cevizi kabuğundan elde edilen ve yüksek derecede hidrofobik özellik gösteren kokopittir. İlk bitki büyütme kapsülü çalışmamız kokopit malzemesin ve mantar miselyumundan oluşur. Mantar miselyumları mantarların kök sistemleridir. Miselyumlar uygun besin ve nem içeren her ortamda sarma, büyüme ve gelişme eğilimdedir. Miselyum büyüdükçe, bir kalıp içinde kokopitle bir bağlayıcı ağ yani sarım oluşturarak kapsülün son şeklini almasını sağlar. Miselyum, kalıplarda sterilize edilmiş ve uygun miktarda nemlendirilmiş kokopitle karıştırılır ve belirli bir süre boyunca kontrollü koşullar altında inkübe edilir. Miselyum ve kokopit arasında istenen sarım derecesi elde edildikten sonra miselyum deaktive edilir ve büyümesi durdurulur. Deaktive edilmiş ürünler kullanıma hazırdır. Bu bitki büyütme kapsülleri tamamen doğal, organik olarak geri dönüştürülebilir ve sağlıklı bitki büyümesini destekleyen özelliklere sahip çevre dostu kapsüllerdir. İkinci bitki büyütme kapsülü, biyolojik olarak parçalanabilir bir polimer olan poli(bütilen adipat-ko-tereftalat) (PBAT) ve kokopit içerir. Uygun bir çözücüde çözülen PBAT granülleri, kokopit ile fiziksel olarak bağlanan ve onu bir arada tutan lifler oluşturmak için çözücü olmayan bir maddede çökeltilir. Bu yarı mamul ürün daha sonra kontrollü sıcaklık ve basınç altında uygun kalıplar kullanılarak son kapsül formuna getirilir. Bu bitki büyütme kapsülü, organik olarak geri dönüştürülebilir, ayrıca ev kompostlanma şartlarında kompostlanabilir, dolayısıyla çevre dostudur. Üretilen her iki kapsül örneklerine referans olarak seçilmiş kapsüllerin sonuçlarıyla karşılaştırmalı olarak Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM), Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDS), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Termogravimetrik Analiz (TGA), su emme testi ve basma testleri ile malzeme karakterizasyon işlemleri yapılmış, ev tipi akıllı bahçe bitki büyütme cihazlarında ise bitki büyüme ve gelişme testleri yapılmıştır. Sonuçlara göre üretilen bitki büyütme kapsülleri referans kapsülle yarışabilir sonuçlar vermis, çevreci ve sürdürülebilir bir ürün olarak iyi bir alternatif sunmuştur. Anahtar Kelimeler: Topraksız Tarım, Bitki Büyütme Kapsülü, Miselyum, Kokopit, PBAT.