Biodegradowalne czujniki gleby mogą zmienić podejście do rolnictwa i ochrony

Nowe badania z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Paula M. Rady nad biodegradowalnymi czujnikami mogą zmienić sposób, w jaki rolnicy śledzą, mierzą i reagują w czasie rzeczywistym na aktywność mikrobiologiczną ich gleby, co ma duże implikacje dla rozwiązania problemu globalnych emisji gazów cieplarnianych.

Praca, niedawno opublikowana w r Zaawansowana nauka, był prowadzony przez Madhura Atreyę (Ph.D.MechEngr'22) oraz profesorów Grega Whitinga i Jasona Neffa z CU Boulder. Opisuje, jak tani i łatwy do wydrukowania czujnik może mierzyć zdrowie gleby śledząc swój własny rozkład w rzeczywistości czas— wszystko to przy niewielkim lub zerowym wpływie na środowisko zewnętrzne i przy użyciu łatwo dostępnej elektroniki.

„Degradacja obiektu, niezależnie od tego, czy jest to nasz nowy czujnik, czy zardzewiały stary samochód, może opowiedzieć historię o jego środowisku. W tym artykule pokazujemy, że sposób, w jaki proste biodegradowalne urządzenie zawodzi w glebie, może nam powiedzieć coś o aktywności mikrobiologicznej tej gleby, co jest przydatne w różnych sytuacjach” – powiedział Atreya.

Ponad jedna trzecia gleb na całym świecie jest zubożona, co prowadzi do zwiększonego zużycia nawozów, a co za tym idzie, do zwiększonej emisji gazów cieplarnianych. Atreya powiedział, że uzyskanie szczegółowego wglądu w ilość nawozów stosowanych na danym obszarze lub ogólną zdrowotność gleby ma kluczowe znaczenie zarówno dla poprawy podaży produktów rolnych, jak i potencjalnego spowolnienia utraty różnorodności biologicznej w działania ochronne ale tradycyjnie było trudne do osiągnięcia.

Dzieje się tak częściowo dlatego, że uzyskanie odpowiednich wskaźników wymaga usunięcia gleby i przesłania jej do laboratorium w celu analizy. To wymaga czasu, a zawartość drobnoustrojów zarówno w próbce, jak iw terenie może się zmieniać w międzyczasie. Atreya powiedział, że inne podejścia do gromadzenia tego rodzaju informacji są albo równie pracochłonne, albo brakuje im aspektów raportowania w czasie rzeczywistym i łatwego dostępu do danych, które zespół stara się osiągnąć.

„Istnieją dwa programy – Tea Bag Index i Soil Your Undies – które zachęcają ludzi na całym świecie do zakopywania przedmiotów w ziemi i ilościowego lub jakościowego monitorowania ich fizycznego rozkładu, aby zrozumieć otaczający stan gleby” – powiedział. „Nasz nowy czujnik można traktować jako elektroniczną wersję tego podejścia”.

Zespół koncentruje się obecnie na poprawie możliwości produkcyjnych i trwałości swoich czujników.

„Badamy inne materiały, których możemy użyć do stworzenia podobnych czujników, które mogą być lepsze i ukierunkowane na bardziej specyficzne drobnoustroje/aktywność enzymatyczna," powiedział. „Ostatnio zdobyliśmy również nowy grant z programu ARPA-E Departamentu Energii, który pozwoli nam zbadać aspekty cyklu azotowego w glebie”.

Atreya spędził trochę czasu jako inżynier projektant w przemyśle, zanim przybył do CU Boulder, aby uzyskać stopień doktora. Ukończył studia latem 2022 roku i obecnie pracuje jako pracownik naukowy ze stopniem doktora w Whiting.

„Zainteresowałem się zrównoważony projekt od dłuższego czasu, ale nigdy nie wyobrażałem sobie, że będę pracował w drukowanej, biodegradowalnej elektronice” – powiedział. „Gleba jest bardzo skomplikowana i każda partia może się różnić. Na szczęście miałem świetny zespół ds gleba oraz ekspertom ds. polimerów w dziedzinie inżynierii i z całego kampusu, którzy pomogli mi i byli mentorami po drodze”.