JP2022526949A - ポリマーを含む成長培地 - Google Patents

Abstract

開示される様々な例は、膨張ポリマー粒子を含む成長培地、ならびに、植物の根が成長培地に受け入れられるように、成長培地、栄養溶液及び植物を収容する容器を含む、成長環境に関する。成長培地の滅菌及び成長促進剤を含む成長培地の調製を含む、成長培地の調製の関連方法も考えられる。

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１９年３月２８日に出願された仮出願第６２／８２５，２４９号の利益を主張し、あらゆる目的のためにその全体を参照により本明細書に取り込む。

本開示は、一般に、農業用成長培地、より具体的には、再利用可能であり、ガス及び栄養素を含むこともできる膨張ポリマー農業用成長培地に関する。

屋内農業は、節約できるエネルギーの量、使用できる水の効率及び従来の農業に通常に伴うリスクの低減のために、近年、より一般的になってきた。エネルギーの節約に関して、屋内農業では、キャノピーライトなどのＬＥＤを含む成長照明を使用して、栽培場が受け取る光の特定の波長を制御する。植物の成長は、栄養素、光及び二酸化炭素の利用可能性に起因する。植物は、クロロフィル及びその他の色素を使用して、光のエネルギーを吸収し、それを光合成と呼ばれるプロセスで植物が使用できるエネルギーに変換する。例えば、すべての植物に含まれるクロロフィルaは、紫青及び橙赤の光の波長からほとんどのエネルギーを吸収する。農民は、植物及びその色素に関する知識を使用して、エネルギーを節約するために使用する成長光を調節する。

特定の種類の屋内農業は、典型的な屋外農業とは異なる方法で水を使用する。例えば、水耕農業は、成長中の植物に土壌を使用せず、植物の根が暴露される水溶媒中で植物が成長するのに必要なすべての栄養素及びミネラルを含む。土壌の代わりに、植物はパーライト又は砂利などの不活性培地によって支持される。また、幾つかの水耕栽培に組み込まれる閉ループ灌漑システムは、地下水及び土壌から発生する可能性のある汚染物質がシステムに侵入するのを防ぎながら、水の使用量の半分以上を節約し、使用される肥料の量を低減する。

リスク低減はまた、屋内農業の人気の上昇に役割を果たす主要な要因である。例えば、植物が伝統的な屋外農業方法で栽培されるときに、有害生物、病気及び悪天候ならびに他の源による収量損失のより大きなリスクがある。さらに、食用植物及び果物を生み出す可能性のある植物を地元で栽培して、食料供給者から流通業者、例えばレストラン、スーパーマーケット、地元の農民市場までの距離を縮めることができ、これにより、輸送コストを削減し、地元の調達による鮮度の確保を助けることができる。

屋内農業における目標の１つは、望ましくない病原体から植物を保護することである。これは、そのような病原体の汚染が、無菌環境下で行われなければならない手順から得られる結果に誤りを引き起こす農業バイオテクノロジーなどの科学の分野に特に当てはまる。このように、土壌を使用せずに屋内環境で植物を成長させるための水耕支持培地は開示されており、水と、植物の成長に必要な栄養素は栄養素溶液で提供される。しかしながら、これらの例における支持培地は、植物の根が成長するにつれて、支持培地及び根を保持する容器内の圧力を増加させる。この増加した圧力は、容器の空気の相対的な余地を減らし、容器内の空気を押し出し又はさもなければ容器から散逸させる原因となりうる。圧力の増加の影響は、固い支持培地の性質によって悪化し、多くの空気を保持することができない。一般に、容器内の空気が不足すると、植物の根が呼吸に空気を利用するために植物の成長が抑制されることがある。さらに、支持培地は、水が溜まると藻及びカビが成長しやすく、植物の成長に有害である。というのは、そのような藻類及びカビは根に必要な多くの酸素を飢餓させるからである。支持培地が直面する別の問題は、根が非常に早く成長し、培地及び容器を満たし、その後に、根が成長して容器から外にそして光の中に追い出され、再び藻類が成長することを可能にし、また、他の望ましくない結果をもたらす。

さらに、屋内農業にとってより環境に優しい選択肢と考えられる再利用可能な成長培地に対する需要が高まっている。１つの課題は、使用するたびに効果的に滅菌できるように化学的に不活性である材料を見つけることである。例えば、植物が成長すると、植物の根が成長培地に入り、成長培地に受け入れられ、成長培地内に植物病原体が残ることがあり、培地内で成長される予定の次の植物に病気を引き起こす可能性があるため、成長培地の滅菌プロセスは重要であることができる。したがって、最も信頼性の高い滅菌方法は、化学薬剤、熱又は放射線を使用することである。しかしながら、これらの方法には独自の欠点がある。

化学滅菌に関しては、過酸化水素、アルコール、第四級アンモニウム塩及び漂白剤が一般的な選択肢の一部である。酵素製品を使用して、水耕培地での滅菌プロセスをスピードアップすることもできる。しかしながら、既存の成長培地はしばしば分解性であるため、化学薬剤を繰り返し使用して成長培地を滅菌すると、成長培地を廃棄する前に比較的少ない回数しか使用できない。熱滅菌は、独自の欠点がある別の選択肢である。例えば、オーブンを使用して成長培地を加熱するならば、滅菌を確保するために成長培地をどの長さでそしてどの温度で加熱しなければならないかを正確に知ることは難しいことがある。加熱しすぎると、特定の成長培地は不快な臭い又は煙を生じることがあり、これは吸入すると有害であることがある。放射線滅菌にも同じ欠点がある。典型的に、放射線タイプの滅菌には紫外線照射が使用されるが、放射線への長時間暴露は、成長培地に損傷を引き起こし、成長培地の物理的又は化学的特性を変化させることがある。

本明細書に開示されるのは成長培地構成の例である。１つの例（「例１」）によれば、成長培地は膨張ポリマー粒子を含む。膨張ポリマー粒子は、１つ以上の植物成長促進剤を保持し、その表面及び内部での微生物の拡散を防ぐ。

例１に加えて別の例（「例２」）によれば、前記成長培地は、膨張ポリマー粒子に伴うヒドロゲル材料を含む。

上述の例のいずれかに加えて別の例（「例３」）によれば、前記１つ以上の植物成長促進剤は栄養素溶液を含む。

上述の例のいずれかに加えて別の例（「例４」）によれば、前記１つ以上の植物成長促進剤は、膨張ポリマー粒子内に維持されたガスを含む。

例５に加えて別の例（「例５」）によれば、前記ガスは、空気、酸素及び窒素ガスのうちの少なくとも１つを含む。

上述の例のいずれかに加えて別の例（「例６」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は不活性であり、再利用可能である。

上述の例のいずれかに加えて別の例（「例７」）によれば、前記膨張ポリマーは、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む。

例１～６のいずれかに加えて別の例（「例８」）によれば、前記膨張ポリマーは、延伸フッ素化エチレンプロピレン（ｅＦＥＰ）を含む。

例１～６のいずれかに加えて別の例（「例９」）によれば、前記膨張ポリマーは発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）を含む。

上述の例のいずれかに加えて別の例（「例１０」）によれば、前記膨張ポリマー粒子の複数の層をさらに含む。各層は、膨張ポリマー粒子のセットを含む。膨張ポリマー粒子の各セットは、膨張ポリマー粒子の別の各セットの１つ以上の成長促進剤とは区別される１つ以上の植物成長促進剤を含む。

別の例（「例１１」）によれば、成長環境は、植物の根が成長培地に受け入れられるように、栄養素溶液及び植物を収容する容器に受け入れられた上述の例のいずれか１つの成長培地を含む。

別の例（「例１２」）によれば、成長培地を調製する方法は、膨張ポリマー粒子を滅菌すること、前記膨張ポリマー粒子を第一の植物成長促進剤で充填すること、前記膨張ポリマー粒子を容器に入れること、前記容器を第二の植物成長促進剤で充填すること、及び、前記容器を蓋で覆うことを含む。

例１２に加えて別の例（「例１３」）によれば、この方法は、前記膨張ポリマー粒子上にコーティングの層を適用することをさらに含む。

例１３に加えて別の例（「例１４」）によれば、前記コーティングはヒドロゲル材料である。

例１２～１４のいずれか１つに加えて別の例（「例１５」）によれば、前記第一の植物成長促進剤及び前記第二の植物成長促進剤は、ガス及び栄養素溶液のうちの１つ以上である。

例１５に加えて１つの例（「例１６」）によれば、前記ガスは、空気、酸素及び窒素ガスのうちの少なくとも１つを含む。

例１２～１６のいずれか１つに加えて別の例（「例１７」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は不活性であり、再利用可能である。

例１２～１７のいずれか１つに加えて別の例（「例１８」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む。

例１２～１８のいずれかに加えて別の例（「例１９」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、延伸フッ素化エチレンプロピレン（ｅＦＥＰ）を含む。

例１２～１９のいずれかに加えて別の例（「例２０」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）を含む。

例１２～２０のいずれかに加えて別の例（「例２１」）によれば、成長培地を調製する方法は、膨張ポリマー粒子の複数の層を形成することをさらに含む。各層は、膨張ポリマー粒子のセットを含む。膨張ポリマー粒子の各セットは、膨張ポリマー粒子の別の各セットの１つ以上の成長促進剤とは区別される又は異なる１つ以上の植物成長促進剤を含む。

別の例（「例２２」）によれば、成長培地は、多孔質微細構造を有する膨張ポリマー粒子を含む。膨張ポリマー粒子は、１つ以上の植物成長促進剤を保持し、前記粒子の外面上での微生物の付着及び増殖うちの少なくとも１つに耐性がある。膨張ポリマー粒子は、膨張ポリマー粒子内の微生物の付着及び増殖のうちの少なくとも１つにも耐性がある。

例２２に加えて別の例（「例２３」）によれば、前記成長培地は、膨張ポリマー粒子に伴うヒドロゲル材料をさらに含む。

例２２又は２３に加えて別の例（「例２４」）によれば、前記１つ以上の植物成長促進剤は、栄養素溶液を含む。

例２２～２４のいずれか１つに加えて別の例（「例２５」）によれば、前記１つ以上の植物成長促進剤は、前記膨張ポリマー粒子内に維持されたガスを含む。

例２５に加えて別の例（「例２６」）によれば、前記ガスは、空気、酸素、窒素ガス及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。

例２２～２６のいずれか１つに加えて別の例（「例２７」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は不活性である。

例２２～２７のいずれか１つに加えて別の例（「例２８」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む。

例２２～２８のいずれか１つに加えて別の例（「例２９」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、延伸フッ素化エチレンプロピレン（ｅＦＥＰ）を含む。

例２２～２９のいずれか１つに加えて別の例（「例３０」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）を含む。

例２２～３０のいずれか１つに加えて別の例（「例３１」）によれば、複数の層のそれぞれは、前記複数の層のうちの互いに異なる層の成長促進剤とは異なる成長促進剤を含む。

別の例（「例３２」）によれば、成長環境は、容器、前記容器内の栄養素溶液、前記容器内に受け入れられた例２２～３１のいずれかの成長培地、及び、前記成長培地内に受け入れられた、根を有する植物を含む。

別の例（「例３３」）によれば、成長環境を調製する方法は、膨張ポリマー粒子を含む成長培地を滅菌すること、及び、前記膨張ポリマー粒子を第一の植物成長促進剤で処理することを含む。

例３３に加えて別の例（「例３４」）によれば、この方法は、膨張ポリマー粒子を容器内に入れること、及び、前記容器を第二の植物成長促進剤で充填することをさらに含む。

例３３又は３４に加えて別の例（「例３５」）によれば、この方法は、前記容器を蓋で覆うことをさらに含む。

例３３～３５のいずれかに加えて別の例（「例３６」）によれば、前記成長培地の滅菌は、化学的、熱及び照射滅菌技術のうちの少なくとも１つを含む。

例３３～３６のいずれかに加えて別の例（「例３７」）によれば、前記成長培地は、前記膨張ポリマー粒子に適用される親水性処理剤を含む。

例３７に加えて別の例（「例３８」）によれば、前記親水性処理剤は、前記膨張ポリマー粒子に適用されるヒドロゲル材料を含む。

例３３～３８のいずれかに加えて別の例（「例３９」）によれば、前記第一の植物成長促進剤及び前記第二の植物成長促進剤は、ガス及び栄養素溶液から選ばれる。

例３３に加えて別の例（「例４０」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は多孔質微細構造を含む。また、前記膨張ポリマー粒子を前記第一の植物成長促進剤で処理することは、前記第一の植物成長促進剤を前記膨張ポリマー粒子の多孔質微細構造内に受け入れさせることを含む。

例４０に加えて別の例（「例４１」）によれば、前記第一の植物成長促進剤は、前記膨張ポリマー粒子内に維持される、栄養溶液及びガスのうちの1つ以上を含み、場合により、空気、酸素、窒素ガス及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つである。

例３３～４１のいずれか１つに加えて別の例（「例４２」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は不活性である。

例３３～４２のいずれか１つに加えて別の例（「例４３」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む。

例３３～４３のいずれか１つに加えて別の例（「例４４」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、延伸フッ素化エチレンプロピレン（ｅＦＥＰ）を含む。

例３３～４４のいずれか１つに加えて別の例（「例４５」）によれば、前記膨張ポリマー粒子は、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）を含む。

例３３～４５のいずれか１つに加えて別の例（「例４６」）によれば、成長環境を調製する方法は、膨張ポリマー粒子の複数の層を形成することをさらに含む。複数の層のそれぞれは、複数の層のうちの他の１つのそれぞれの成長促進剤とは異なる成長促進剤を含む。

上述の例はまさに実施例であり、本開示によって別の方法で提供される本発明の概念の範囲を制限又は限定するために読まれるべきではない。複数の実施例が開示されているが、さらに他の実施形態が例示的な例を示して記載する以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。したがって、図面及び詳細な説明は、本質的に限定的なものではなく、本質的に例示的なものと考えられるべきである。

添付の図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成し、実施形態を示し、記載とともに、本開示の原理を説明するのに役立つ。

図１は、少なくとも１つの実施形態による、容器、粒子及び栄養素溶液を使用する無土壌成長環境の概略図である。

図２は、少なくとも１つの実施形態による、図１に開示されるとおりの粒子の概略図である。

図３は、少なくとも１つの実施形態による、粒子の層を有する別の無土壌成長環境の概略図である。

図４は、少なくとも１つの実施形態による、植物を成長させるために粒子を実装する方法のフローチャートである。

図５は、少なくとも１つの実施形態による、図１に示される容器の上面図である。

定義及び用語
本開示は、限定的な方法で読まれることが意図されない。例えば、本出願で使用される用語は、そのような用語に帰する分野での意味の関係で広く読まれるべきである。

不正確さの用語に関して、「約」及び「ほぼ」という用語は、交換可能に使用されて、記載された測定値を含み、また、記載された測定値に合理的に近い測定値も含む測定値を指すことができる。記載された測定値に合理的に近い測定値は、関連技術の当業者によって理解され、容易に確認されるように、記載された測定値から合理的に少量だけ逸脱する。このような逸脱は、例えば、測定誤差又は性能を最適化するために行われた小さな調整に起因することができる。関連技術の当業者がそのような合理的に小さな違いの値を容易に確認できないと判断された場合には、「約」及び「ほぼ」という用語は、記載されている値±10％を意味するものと理解できる。

様々な実施形態の説明
当業者は、本開示の様々な態様が、意図された機能を発揮するように構成された任意の数の方法及び装置によって実現できることを容易に理解するであろう。本明細書で参照される添付の図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、本開示の様々な態様を例示するために誇張されていることがあり、その点で、図面は限定として解釈されるべきではないことにも留意されたい。

図１は、植物１０２などの光合成生物の成長環境１００の例を示す。成長環境は、植物１０２が成長するときにそれを収容する容器１０４を含む。容器は、栄養素溶液１０６及び粒子１０８を含む成長培地１０５を収容する。以下に記載されるように、様々な例において、粒子１０８は、ポリマー（例えば、フルオロポリマー、ポリエチレン又はその他）材料を含む。容器の上部１１０は、一般に、蓋１１０で覆われるか、又はそうでなければ、容器１１０の内容物が逃げないように閉止されている。図５は、図１に示す容器１１０の上面図を示す。蓋１１０によって形成されるシールは気密である必要はなく、一般的に植物１０２の一部は、蓋１１０を貫通し、植物１０２の葉を光に暴露して光合成を行う。図５において、蓋１１０の開口部５００は、植物１０２が蓋を貫通する場所である。また、蓋１１０は、粒子１０８が容器１０４からの漏れず、又はさもなければ意図せず容器から取り出されることを防止するのを助ける。

図２は、粒子１０８のうちの１つの構造の例を示している。粒子１０８は、複数の層を有することができるが、より少ない（すなわち、単一の層）又はより多くの（すなわち、２つより多い）層を所望の実施に応じて使用する。幾つかの実施形態において、粒子１０８は、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）、延伸フッ素化エチレンプロピレン（ｅＦＥＰ）、それらの組み合わせなどの延伸フルオロポリマー材料、又は、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）などの他の適切なポリマー材料を含む、様々な材料から形成することができるベース又はベース層２００を含む。幾つかの例において、ベース層２００は、延伸フルオロポリマー粒子１０８の全体的な構造（例えば、サイズ及び形状）を画定するのを助ける。粒子１０８は、ベース層２００の内側に配置された内層２０２（又は複数の内層）などの１つ以上の追加の層を含むことができる。内層２０２は、ベース層２００に直接結合されうる（例えば、接着剤及び／又は熱結合を使用して）。層２０２は、植物１０２の成長を促進する固体、流体又はガスのキャリアとして構成されうる。内層２０２は、場合により、１つ以上の成長促進剤を保持するように構成された、延伸フルオロポリマー（例えば、ｅＰＴＦＥ）などのフルオロポリマーから形成される（例えば、コーティングとして、内層２０２の構造内で内部的に）。さらに、本開示は、特定の機能を有する粒子１０８のベース層２００、内層２０２又は任意の追加の層（例えば、外層（図示せず））のそれぞれに言及しているが、本明細書で論じられるとおりのこれらの層の様々な機能は交換可能であり、任意の層によって実行することができる。例えば、内層２０２は、粒子１０８の構造を画定することができ、ベース層２００は、植物成長に不可欠な材料を保持することができる。別の例において、すべての層が特定の機能を発揮でき、粒子１０８が１つ以上の層を欠くときに、残りの層がこれらの機能を発揮する際に代用できる。

例えば、１つの実施形態において、内層２０２は酸素を含み、植物１０２の根が成長するときに利用することができる内層２０２（例えば、層２０２の微細構造内）への酸素を通過させることができる。具体的には、植物が成長すると、植物の根は、溶液１０６中の粒子１０８に向かって伸びる。根が粒子１０８に付着した後に、根は、植物１０２に必要な栄養素を取り出すことができる。酸素は、溶液のみの環境では酸素が不足すると根が「水死する」可能性があるため、酸素は植物の成長に不可欠な要素である。したがって、典型的な水耕農業設備において、根を浸漬させる溶液は、植物が溶液中で呼吸できるように十分な溶存酸素が注入される必要がある。同様に構成されうる内層２０２及び／又はベース層２００に酸素を提供することは、この目的を達成するのを支援することができる。

別の例において、内層２０２は、多量栄養素及び微量栄養素として分類される１つ以上のミネラル要素を含む。多量栄養素は、タンパク質及び核酸などのしばしば重要な細胞成分を獲得するために植物が大量に利用するものである。多量栄養素ミネラルの例としては、窒素、カリウム、カルシウム、マグネシウム、リン及び硫黄が挙げられる。多量栄養素は、炭素、水素及び酸素などの非ミネラルも挙げることができる。一方、微量栄養素は、典型的に、しばしば酵素活性の補因子として比較的に少量でのみ必要とされるものである。微量栄養素ミネラルの例としては、塩素、鉄、ホウ素、マンガン、亜鉛、銅、モリブデン及びニッケルが挙げられる。一般に、植物は成長して生存するために多量栄養素及び微量栄養素の両方を必要とするため、「必須ミネラル要素」と考えることができる。植物の成長を促進するが、植物のライフサイクルを完了するのに必ずしも不可欠ではない他のミネラル要素もある。このような有益なミネラル要素としては、ナトリウム、ケイ素、コバルト及びセレンが挙げられる。様々な例において、これらの要素は必須ミネラル要素に追加して含まれる。植物成長の必要性に応じて、上記のミネラル及びガスの様々な組み合わせは、内層２０２又は本明細書で言及される他の任意の層に含まれることができる。また、幾つかの例において、容器１０４は、植物の所望のサイクル全体に必要なすべての水、栄養素及び酸素を保持するので、植物に水をやる又は水耕システムを実践する必要はない。植物の望ましいサイクルは、植物が何に使用されるかによって異なることがある。例えば、望ましいサイクルは、農業バイオテクノロジーでの植物の成長において約１４日間であることができる。これは、ワクチン学の重要な部分であるウイルス様粒子（ＶＬＰ）を開発するために植物に必要とされる時間量であるからである。望ましいサイクルの後に、植物はさらなる処理のために容器から取り出され、容器内の粒子は、その後、滅菌され、次いで、無土壌成長環境で再利用されうる。植物の成長サイクルに必要なすべてのもの（水、栄養素及び酸素など）を容器内に配置する方法は、一般に「クラッキー法」と呼ばれる。本明細書に記載されるような容器内の培地を使用すると、この方法の収量を改善しうる。

上記に対処されたものに対する別の追加又は任意選択的な特徴として、幾つかの実施形態において、内層２０２の含有分を調整して、成長環境１００内のｐＨレベルを制御することができる。成長環境１００で成長される植物は、土壌育成植物など、他の状況で成長されるものとは異なる最適ｐＨレベルを有することができる。したがって、様々な状況において、ｐＨレベルを慎重に検討し、成長環境１００で適切なｐＨレベル範囲を維持することが重要であることができる。例えば、水耕環境で成長される多くの植物の最適なｐＨ範囲は５．５～６．５であり、幾つかの例は５．８～６の狭い範囲である。ｐＨレベルが高くなりすぎてアルカリ性になりすぎると、植物は、一般に、成長環境１００内で栄養素を吸収する効率が低下し、周囲に十分な栄養素がある場合でさえ、植物１０２に栄養失調を引き起こす。ｐＨレベルを好ましい範囲に維持するために、自動化されたｐＨコントローラを使用して、水耕システムに酸を注入することができる。追加又は代替の機構として、粒子１０８は、ｐＨ制御を支援して、追加のｐＨコントローラを使用する必要性を低減又はさらには完全に排除するように構成されうる。例えば、経時的に又は成長サイクルの所望の時点で、ｐＨ調整内容物（例えば、酸性物質）を含むことができ、又は、それを放出するように構成されうる。例えば、植物１０２は、発育状態において特定のｐＨを必要としうるが、開花又は結実状態において別のｐＨを必要としうる。

粒子１０８はまた、ベース層２００の外側に位置する外層２０４を最外層として含むことができる。外層２０４は、押し出し、ラッピング、コーティング又は他の方法を含む様々な方法で形成されうる。例えば、ベース層２００の外面は、外層２０４として機能するコーティングを備えていることができる。1つの例において、ミネラル及びガスが内層２０２に注入された後に、ヒドロゲルのコーティングがベース層２００の外面上に適用され、外層２０４を形成する。外層２０４は、内層２０２の内容物が成長環境１００に時期尚早に逃げるのを、又は望ましくない速度で逃げるのを防ぐのを支援するためのシールドとして機能しうる。例えば、粒子１０８内の酸素はゆっくりと溶液１０６内に逃げることができる。というのは、蓋１１０及び容器１０４は密閉シールを形成せず、酸素は容器１０４の外の大気中に、蓋１１０の開口部から逃げることができるからである。このシナリオは、植物１０２の根が、大気中に逃げた酸素を利用できないため、植物の成長に悪影響を与える可能性がある。他のタイプのコーティングも、所望に応じて同様又は異なる目的で適用することができる。さらに、所望の結果を達成するために（例えば、粒子１０８の内容物の放出を制御するために）、必要に応じて複数のコーティングを適用することができる。上記のように、ベース層２００及び外層２０４、ならびに必要に応じて実装することができる追加の層などの任意の他の層の内容物は、成長環境１００内のｐＨレベルを制御し及び／又は隣接層の内容物が逃げるのを防ぐように調整することができることに留意されたい。幾つかの例において、複数の層２００、２０２、２０４のそれぞれは、複数の層の他の１つのそれぞれの成長促進剤とは異なる成長促進剤を含む。

図２は、粒子１０８を本質的に丸いものとして示しているが、粒子１０８は、任意の適切なサイズ及び形状であることができ、すべてが同じサイズ及び／又は形状を共有する必要はなく、これは、部分的に、培地内で成長される植物１０２のタイプ及びサイズによって決定されうることに留意されたい。適切な粒子１０８としては、例えば、粒子の長さ、幅及び高さのそれぞれが約２０ｍｍ未満、約１０ｍｍ未満、約７ｍｍ未満、約５ｍｍ未満又は約３ｍｍ未満であるものが挙げられる。幾つかの例において、粒子１０８は、長さが幅及び高さよりも大きくなるような長尺構成であることができ、その場合に、長さは、約５０ｍｍ未満、約４０ｍｍ未満、約３０ｍｍ未満、約２０ｍｍ未満又は約１０ｍｍ未満であることができる。さらに、粒子１０８は、貫通孔、穿孔、マクロ細孔、マイクロ細孔、又は、植物の根がより簡単に粒子１０８内の栄養素にアクセスするのを支援することができる他の特徴を含むことができる。また、図１は、すべての粒子１０８が同様のサイズ及び形状であることを示しているが、粒子１０８の幾つかは、他の粒子１０８よりも大きくても又は小さくてもよく、さらに又は代わりに形状が様々であってもよいことに留意されたい。１つの実施形態において、粒子１０８は、実質的に等しい濃度で容器全体に分散することができ、他の例において、容器１０４の上面近くに、底面よりも多くの粒子１０８を集中させることができ、又はその逆も可能である。

幾つかの実施形態において、粒子１０８は、疎水性、親水性又はその両方であることができる。疎水性粒子は、時間遅延ベースで栄養素、特にガスを格納するのに特に効果的であることができる。例えば、疎水性粒子は、主に水を含む栄養素溶液１０６中にうまく溶解せず、粒子１０８が植物１０２の根によって物理的に穿刺されるまで、ガスの放出を遅らせることができる。したがって、１つの実施形態において、格納された栄養素が放出されるタイミングを制御するために、層２００、２０２、２０４のうちの１つは疎水性であるが、他の２つの層は親水性であり、又はその逆である。幾つかの例において、膨張ポリマー粒子１０８の外面（例えば、外層２０４又はベース層２００の外面）は、微生物の付着及び増殖のうちの少なくとも１つに耐性がある。幾つかの例において、成長培地１０５は、膨張ポリマー粒子１０８内（例えば、内層２０２内）の微生物の付着及び増殖のうちの少なくとも１つに耐性であることができる。

図３は、成長培地１０５を含む層状成長環境３００の例を示す。成長環境３００において、容器１０６内に位置する成長培地１０５は、形成される３つの別個の層、すなわち、第一の層３０２、第二の層３０４及び第三の層３０６に分離される。各層は、異なる粒子のセットを含む（例えば、異なる構成及び／又は内容物を有する）。例えば、粒子のセットのそれぞれは、異なる濃度のガスを有することができ、粒子の他のセットと別個に維持される。成長環境３００の例において、粒子のセットは、上層、中間層及び下層に分離されるが、水平に分離する必要なく、段階的なサイズのリング、水平層として又は他の構成として形成されうる。関係なく、図３に示されるように、第一の層３０２（図示の上層）は、粒子の第一のセット３０８、第二の層３０４（図示の中間層）は、粒子の第二のセット３１０を含み、第三の層３０６（図示の下層）は、粒子の第三のセット３１２を含む。各層の粒子のセット内に含まれる液体、固体及び／又はガスは、異なる植物成長の必要性に対応する。例えば、第一の層３０２は、上層として位置決めされることができ、したがって、第一の層が表面に最も近いので植物の根（図示せず）が到達する粒子の第一のセットとして位置決めされることができ、そして根が成長してくると、第二の層３０４、最終的には第三の層３０６まで深く伸びる。各層３０２、３０４、３０６の内容物は、より多くの栄養素が吸収されるように根がより速く成長するように第一の層３０２における植物成長のための正しい栄養素を提供し、次に第二の層３０４における葉の成長ならびに第三の層３０６における花及び果実の生成を促進するように代替の栄養素を提供するなどして、成長する植物の要求と相関するように設計できる。

例えば、第一の層３０２は、植物の根の成長速度を増加させるために、窒素よりもリン及びカリウムが豊富な肥料を含むことができる。１つの例において、肥料は、Ｎ－Ｐ－Ｋ比（すなわち、窒素－リン－カリウム比）が３－２０－２０であることができる。第一の層３０２の別の例は、根の成長を刺激することが知られている植物ホルモンであるオーキシン（例えば、インドール酪酸及びナフチル酢酸）を含むことができる。さらに、第二の層３０４及び第三の層３０６は、必要に応じて、葉及び／又は果実及び花の成長をサポートするために、より多くの窒素を含むことができる。図示のように、成長環境３００内の粒子混合物は、特性が均一ではなくてよく、栄養素、酸素及び／又は粒子の他の内容物を特定の植物及び/又は用途に合わせた方法で配置することができる。

成長環境１００又は３００などの成長環境での使用に適した粒子を製造する１つの方法は、所望の細かさ（又は逆に粗さ）の粒子を生成するように材料を破砕することによる。１つの例において、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）、延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）及び／又は他の材料を使用して粒子を形成することができる。粒子を製造する他の適切な方法としては、チョッピング、切断、モールド成形、シェディング又は他の方法を挙げることができる。

図４は、上記のような成長環境を実装する方法４００のフローチャートを示す。第一の工程４０２において、粒子１０８は滅菌される。次に、粒子１０８は、工程４０４において植物成長促進剤で満たされ、それは、例えば、所望のガスであることができる。１つの実施形態において、所望のガスは、植物の成長に必要な酸素又は他のガスであることができる。別の例において、上述のミネラル多量栄養素及び微量栄養素などの様々な栄養素は、所望のガスの代わりに、又はそれに加えて、粒子１０８を充填又は部分的に充填することができる。次に、工程４０６において、コーティングが粒子１０８の外面に適用されるべきかどうかが決定される。上記のように、コーティングは、ポリアクリル酸カリウム又はポリアクリル酸ナトリウムなどのヒドロゲルであることができる。コーティングが必要であると決定されるならば、工程４０８において、コーティングの層は粒子１０８上に適用される。次に、コーティングされた粒子１０８は、工程４１０において容器内に配置される。さもなければ、コーティングが必要でないならば、粒子１０８は、コーティングなしで容器内に配置される（工程４０８）。次に、容器は、工程４１２で栄養素溶液又は植物成長促進剤で充填される。最後に、工程４１４において、蓋を使用して容器を覆う。

上述の記載は、成長環境で使用するための様々な特徴及び関連する利点を提供する。幾つかの実施形態において、粒子は、圧縮可能及び／又は順応性であり、根及び／又は容器に過度の応力又は圧力を加えることなく植物の根を成長させることができる。このような粒子を使用することで、容器を逃げる空気をより少量（例えば、従来の土壌環境と比較して）にすることができる。別の実施形態において、粒子は、粒子の意図された目的に望ましい形状を達成するために成形可能である。

幾つかの実施形態において、粒子は、粒子の表面ならびにその内部への微生物の付着及び拡散を防止する。例えば、特定の成長環境において、藻類及び真菌（その胞子を含む）が存在し得る。これらの微生物は、容器の外部から気流を介して輸送され、粒子の内面又は外面に付着することができる。しかしながら、粒子に使用される材料は、そのような微生物の付着及び/又は成長に対して特に耐性であることができる。驚くべきことに、粒子状材料としてｅＰＴＦＥを使用すると、これらの微生物の成長及び増殖が阻害されることが発見された。例えば、ｅＰＴＦＥの疎水性により、微生物が長期間表面に付着するのを防ぐのを支援することができる。したがって、様々な例において、粒子はｅＰＴＦＥなどのポリマーから形成され、それは微生物の成長を阻害するように構成されている。さらに、幾つかの粒子は、粉砕されたｅＰＴＦＥフレーク、又は、液体環境で微生物を成長させるために使用できる別の形態を取ることができる。例えば、このような粒子は、１つ以上の微生物（例えば、藻類）が播種された液体を含む容器に入れることができる。容器は、微生物の成長を促進するために光源に暴露されうる（例えば、太陽の下に置かれる）。液体は、微生物の成長に必要な水、栄養素及び／又は他の成分を含むことができる。藻類は液体中で成長するが、ｅＰＴＦＥフレーク上では成長しないような条件下で成長することができ、藻類の取り出し及び収穫が容易になることが観察された。

様々な実施形態において、粒子は不活性で再利用可能である。上述のように、望ましくない病原体から植物を保護することは、考慮に入れるべき重要な要因である可能性がある。１つの例において、粒子は、前の植物が粒子から作られた成長培地において成長を終えた後に粒子が容器から取り出され、次いで、とりわけ、化学滅菌、熱滅菌及び/又は照射による滅菌などの手段で滅菌される。滅菌が完了すると、粒子は処理又は再処理されて（本明細書において「リチャージ」と呼ばれる）、再び所望の栄養素を含み（本明細書において「回復」とも呼ばれる）、次に容器に入れられ、植物の成長に再び使用される。その植物は、同じ粒子を使用して成長された以前の植物と異なるタイプ又は種類であってもよい。言い換えれば、ｅＰＴＦＥなどの不活性材料を使用することにより、病原体は滅菌プロセス中に粒子が分解することなく簡単に除去することができ、そのため、粒子は様々な植物のために再利用できる。幾つかの例において、成長培地は、成長培地からの植物の根の除去（例えば、脱離又は分離）を容易にして、次のサイクルのための成長培地のクリーニング及び回復を容易にする。上述の滅菌及びリチャージプロセスは、上述の根の除去の容易さによってさらに促進されうる。さらに、自動化は、成長環境（例えば、自動収穫システム）により容易に導入されうる。上述の除去の容易さ、成長培地を滅菌/クリーニングする能力は、自動化を通じて一貫した結果を保証するのを支援することができる。

別の実施形態において、個々の粒子は、所望の形状、サイズ及び／又は含有分で構成されることができ、粒子のセットを形成する粒子は、異なる形状、サイズ及び／又は含有分を達成するために変化させることができ、及び／又は、複数の粒子のセット（例えば、層）は、形状、サイズ及び含有分を変化させることができる。例えば、粒子のサイズは、非常に細い根又はより大きな根、又は他の成長の必要性を考慮して調整されうる。さらに別の実施形態において、粒子は、ガスで満たされている及び／又は低密度を有する粒子が成長培地の上面に浮くのを防ぐために加重されうる。加重された粒子を得る１つの例は、粒子に使用されているポリマー（ｅＰＴＦＥなど）より重い異なる抗微生物性ポリマーを付着させることを含み、その結果、加重された粒子は、適宜、容器の下層に沈むことができる。別の実施形態において、材料の微細ストランドを容器の底に付着させることができる。ストランド又はリボン様粒子は、上記と同じ方法で処理でき、浮力が発生する傾向があることがある。容器が水及び栄養素溶液で満たされると、上述のストランドは直立して浮く傾向がある。この実施形態は、「成長培地」が容器と一体であるため、自動化にも役立つことができる。

別の態様は、粒子１０８の反射特性である。例えば、ｅＰＴＦＥは反射率が高く、ｅＰＴＦＥを製造するために使用されるプロセスに応じて、反射率は９０％以上、幾つかの例においては９５％を超え又は９８％を超える反射率に達することができる。したがって、ｅＰＴＦＥ粒子又は他の反射性材料が使用されるときに、粒子１０８は、光が植物の根系に入るのを防ぎ、容器１０４内の領域を実質的に暗く保つことを可能にする。これは、特定のタイプの植物（例えば、植物の根が光に暴露されていないときによく成長することができる非水生植物）の成長に有利であることができる。

さらに別の実施形態において、「浮遊島」又は「浮遊粒子塊」構成は、本明細書に記載の粒子を使用することで利用される。浮遊島は、粒子の内部が栄養素及び他の植物成長促進剤ならびにガスで満たされるように、複数の層状の粒子を最初に調製することにより形成される。次に、粒子は、ネッティング、ラッピング、バンドリング、接着及び個別の粒子を結合する他の方法などの様々な手段により結合される。結合された粒子は、「浮遊島」を形成することができ、それを、次に、水生環境に配置して、粒子が少なくとも所定の期間浮遊し続けることを可能にすることができる。１つの例において、この浮遊島構成は、島内で植物が成長することを可能にするために種子で満たされることができる。別の例において、この浮遊島構成は、「バイオカプセル化」と呼ばれるプロセスで粒子内に特定のタイプの細菌を含ませることにより、粒子内の細菌は水中にある汚染物質（ハイドロフラッキング又はオイルスピルの結果として水中に放出される炭化水素など）を摂取し、それによって湖又は貯水池を浄化するように、湖又は貯水池などの大量の水の中の汚染水を浄化するためにも使用されることができる。

本出願の発明は、一般的に及び特定の実施形態に関しての両方で上記に記載されてきた。本開示の範囲から逸脱することなく、実施形態において様々な変更及び変形を行うことができることが当業者に明らかである。したがって、実施形態は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等形態の範囲内に入るかぎり、本発明の変更及び変形を網羅することが意図されている。

Claims (15)

1. 膨張ポリマー粒子を含む成長培地であって、該膨張ポリマー粒子は、１つ以上の植物成長促進剤を保持し、かつ、その表面及び内部での微生物の拡散を防ぐように構成されている、成長培地。
2. 前記膨張ポリマー粒子に伴うヒドロゲル材料をさらに含む、請求項１記載の成長培地。
3. 前記１つ以上の植物成長促進剤は栄養素溶液を含む、請求項１又は２記載の成長培地。
4. 前記１つ以上の植物成長促進剤は、前記膨張ポリマー粒子内に維持されたガスを含む、請求項１～３のいずれか１項記載の成長培地。
5. 前記ガスは、空気、酸素、窒素ガス及びそれらの組み合わせから選ばれる少なくとも１つを含む、請求項４記載の成長培地。
6. 前記膨張ポリマー粒子は不活性であり、かつ、再利用可能である、請求項１～５のいずれか１項記載の成長培地。
7. 前記膨張ポリマーは延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む、請求項１～６のいずれか１項記載の成長培地。
8. 前記膨張ポリマーは延伸フッ素化エチレンプロピレン（ｅＦＥＰ）を含む、請求項１～６のいずれか１項記載の成長培地。
9. 前記膨張ポリマーは発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）を含む、請求項１～６のいずれか１項記載の成長培地。
10. 膨張ポリマー粒子の複数の層をさらに含み、各層は、膨張ポリマー粒子のセットを含み、膨張ポリマー粒子の各セットは、膨張ポリマー粒子の別の各セットの１つ以上の成長促進剤とは区別される１つ以上の植物成長促進剤を含む、請求項１～９のいずれか１項記載の成長培地。
11. 植物の根が成長培地に受け入れられるように、栄養素溶液及び植物を収容する容器に受け入れられた、請求項１～１０のいずれか１項記載の成長培地を含む、成長環境。
12. 膨張ポリマー粒子を滅菌すること、
    前記膨張ポリマー粒子を第一の植物成長促進剤で充填すること、
    前記膨張ポリマー粒子を容器に入れること、
    前記容器を第二の植物成長促進剤で充填すること、及び
    前記容器を蓋で覆うこと、
    を含んでなる、成長培地を調製する方法。
13. 前記膨張ポリマー粒子上にコーティングの層を適用することをさらに含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記コーティングはヒドロゲル材料である、請求項１３記載の方法。
15. 前記第一の植物成長促進剤及び前記第二の植物成長促進剤は、ガス及び栄養素溶液から選ばれる、請求項１２～１４のいずれか１項記載の方法。

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