Группа исследователей разработала портативную и автоматическую лабораторию, которая может контролировать химию почвы в режиме реального времени - и без дорогостоящих компонентов. Цель - предоставить более легкий доступ к отслеживанию процессов, которые обычно происходят скрытно под нашими ногами.
Представьте себе, что вы вставляете камеру в почву и непрерывно получаете обзор того, как кислород перемещается между частицами почвы или как pH изменяется в течение дня по мере просачивания дождевой воды. Это звучит как отличная идея, и группа исследователей из Орхусского университета тоже так думает. Вместе с немецкими коллегами они теперь делают это возможным.
Ученые разработали портативную и автоматическую мини-лабораторию в форме трубки под названием MARTINIS, которая может измерять определенные химические параметры в почве in situ, то есть там, где они встречаются естественным образом, с минимальным вмешательством в живой микрокосм, которым на самом деле является почва.
3D-модель MARTINIS и фотография реальной системы внутри цилиндрического корпуса из плексигласа длиной 70 см. 1) Камера Raspberry Pi HQ с телеобъективом 16 мм для Raspberry Pi. 2) Фильтр излучения, блокиратор синего и ультрафиолетового излучения. 3) Raspberry Pi 4 model B 4 GB. 4) Светодиод 395 нм. 5) Белый светодиод 5 мм. 6) Шаговый двигатель (вращательное движение). 7) Шаговый двигатель (вертикальное движение). 8) Резистор для светодиода 395 нм. 9) Реле. 10) Вентилятор 10 мм. 11) Триггер концевого выключателя. 12) Шарикоподшипник 13) Зубчатое кольцо для вращательного движения. 14) Понижающий регулятор напряжения. 15) 2 шаговых драйвера A4988. 16) Шестерня для вращательного движения. 17) Датчик температуры/влажности. 18) Датчик расстояния Time-of-Flight. Источник: Мартин Рейнхард Расмуссен, Sensors and Actuators: B. Chemical.
«Почва очень сложная, и как только мы ее копаем, мы ее меняем», — объясняет доцент кафедры биологии Орхусского университета Клаус Корен: «С помощью MARTINIS мы можем наблюдать, что происходит с течением времени, в высоком разрешении и не прикасаясь к образцам».
Клаус Корен является соавтором статьи о MARTINIS, опубликованной в журнале Sensors and Actuators B: Chemical. DOI: 10.1016/j.snb.2024.136894
Система работает с использованием так называемых планарных оптодов — тонких датчиков, которые загораются или меняют цвет при воздействии определенных химических веществ, таких как кислород, аммиак или при изменении pH. Это известная технология, которая давно используется в лабораториях.
Однако при анализе образца почвы в лаборатории вы получаете только данные о том, что именно в нем присутствует, где и когда именно был взят образец.
«Мы уменьшили лабораторное оборудование до цилиндра диаметром 25 сантиметров, который можно закопать в почву, что позволит непрерывно получать изображения окружающей почвенной среды», - объясняет аспирант Мартин Райнхард Расмуссен, разработавший систему, чье имя, кстати, не имеет никакого отношения к названию проекта.
Как работает MARTINIS (мультианалитная система визуализации в реальном времени).
Оптоды установлены снаружи плексигласовой трубки, которая зарыта в почву. Внутри трубки находится светодиодная лампа, которая излучает свет на длинах волн, подходящих для веществ, которые вы хотите обнаружить, а также камера, которая регистрирует свет, излучаемый оптодом. Система управляется компьютером Raspberry Pi, который автоматически делает снимки и управляет движением - вся конструкция может двигаться вверх и вниз внутри трубки и вращаться на 360 градусов.
Преимущество планарных оптодов в том, что они не просто измеряют одну точку, а создают двумерные изображения химических условий почвы, что имеет решающее значение при описании сложных почвенных процессов. А поскольку камера может двигаться и делать снимки последовательно, можно сшивать «панорамы» целых почвенных профилей.
«Все работает автоматически, а самостоятельная сборка обойдется всего в 5–600 евро, а все детали и программное обеспечение имеют открытый исходный код», - говорит Расмуссен.
В первой модели система хранит изображения на SD-карте, но цель состоит в том, чтобы оснастить ее картой 5G. Будущее видение также заключается в объединении данных MARTINIS с данными дронов и спутников.
MARTINIS пока не полностью разработан как коммерческий продукт. В настоящее время исследователи ищут финансирование для дальнейшей разработки как программного обеспечения, так и более надежной версии, готовой к использованию в полевых условиях.
Система уже была протестирована как в почве для рассады в лаборатории, так и в полевых условиях в Германии, где она измеряла динамику кислорода в слоях почвы в течение нескольких месяцев без сбоев, даже в дождь и снег. Она также была опробована в Скалистых горах, где она отслеживала изменения в химии почвы после лесного пожара.
Мониторинг уровня pH и кислорода с течением времени и в разных местах позволяет легче оценить, как изменяется химия почвы, например, после внесения удобрений или при различных методах возделывания. Например, для эффективного компостирования требуется много кислорода.
Система, несомненно, перспективна для сельского хозяйства, но маловероятно, что отдельные фермеры будут в нее инвестировать. Так считает профессор Клаус Буттербах-Баль, соавтор исследования. Он возглавляет Центр ландшафтных исследований в области устойчивого сельскохозяйственного будущего (Land-CRAFT) в Университете Орхуса, где также работает Расмуссен.
«Скорее всего, это будут консультанты и инженеры, которые будут использовать систему и давать советы фермерам на основе собираемых и анализируемых ими данных. И мы будем использовать ее в наших исследованиях в Land-CRAFT, где мы сможем получить представление об окислительно-восстановительных реакциях и изменениях уровней кислорода и pH», - говорит он.
Специалист по климату Франциска Петра Эллер из SEGES Innovation - независимой исследовательской и инновационной компании, которая работает над созданием устойчивого и конкурентоспособного сельского хозяйства и производства продуктов питания - также видит большой потенциал в новом изобретении: «MARTINIS позволяет получить представление об окружающей среде, доступ к которой в противном случае был бы затруднен: почве. Использование плоских оптодов in situ позволяет проводить более реалистичные исследования пространственной и временной динамики химии почвы на сельскохозяйственных полях. Прикладные исследования, несомненно, выиграют от этого оборудования, особенно потому, что оно позволяет легко и автоматически собирать химические данные о почве за более длительные периоды времени с высоким временным разрешением».
Источник: Aarhus University.
На заглавном фото - микробиолог Мартин Рейнхард Расмуссен разработал и построил систему MARTINIS в рамках своего докторского проекта в Орхусском университете. Здесь он в поле со своим прототипом. Автор фото: Питер Ф. Гаммелби, Aarhus University.