Každý rok američtí zemědělci ztratí až 12 procent svých plodin na chorobu a dalších 12 procent na škůdce. Nemocné rostliny představují ušlý zisk v zemědělství v miliardách dolarů.
Potíž je v tom, že je obtížné zjistit choroby rostlin, než bude příliš pozdě. Časem se objevují viditelné příznaky - například zkažené listy nebo změna barvy - nemoc postoupila natolik, aby byla neléčitelná.
Rostliny však dají svému okolí vědět, když jsou nemocní nebo jsou pod útokem, jen tak, jak jsme to kdy dokázali pochopit v reálném čase - dosud. Tým inženýrů vedený Garym McMurrayem, vedoucím divize technologie zpracování potravin na Gruzínském technologickém institutu (Georgia Tech), vyvinul metodu pro sledování a dekódování těchto zpráv, aby umožnil farmářům identifikovat a léčit nemoci dříve, než se zakoření. Jeho vize: robotické paže, které zachycují a identifikují signály přirozené nemoci rostlin za běhu.
Všechny rostliny produkují přirozené signály ve formě těkavých organických sloučenin (VOC), které upozorňují okolí na to, co na ně útočí. Systém McMurray zachycuje tyto sloučeniny pomocí miniaturizované verze plynového chromatografu (nazývaného micro GC). Zařízení, která byla původně vyvinuta na přelomu 20. a 20. století, se používají k oddělení chemikálií v komplexních vzorcích - v případě McMurraye plyny, které rostlina emituje. Když se plyn zahřívá a prochází kolonou a elektronický senzor detekuje sloučeniny, které vzorek obsahuje.
Neexistuje žádné sevření ani škubání vzorků a jejich spuštění zpět do laboratoře k analýze - proces, který může trvat několik dní nebo týdnů. Všechny informace, které micro GC potřebuje, jsou ve vzduchu, což znamená, že léčba nemocí nebo záchrana rostlin před nimi by mohla být mnohem rychlejší.
Aplikace pro plynovou chromatografii sahají daleko za plodiny. Ministerstvo vnitřní bezpečnosti je například používá k detekci určitých typů plynů a nebezpečných chemických látek. Vědci je také používají k testování určitých typů onemocnění trávicího traktu u lidí.
Chromatografy jsou tradičně velkými zařízeními od 3 do 10 metrů; Pokroky v nanomateriálech a výrobě umožnily společnosti McMurray vytvořit baterii, která má velikost 8 V baterie.
"To bychom nikdy nemohli postavit;" dokonce před pěti lety nebylo by to možné, “říká.
Mikro GC společnosti McMurray lze namontovat na robotické rameno na stávajícím zemědělském vybavení, jako je traktor nebo pluh. Paže by držela zařízení nad rostlinnými listy a shromažďovala vzorky vzduchu. Malý počítač, ne výkonnější než základní notebook nebo iPhone, pak může zpracovat data ze vzorků k identifikaci jakýchkoli patogenů; rychlé propláchnutí hélia připraví senzor k vyhodnocení jeho dalšího vzorku.
Protože jsou tak malí, „[můžeme] postavit více mikro GC na jednoho robota, “ říká McMurray. "Mohu mít 10, 20, dokonce 100 z nich na jednom traktoru."
To znamená, že jeden traktor mohl shromažďovat vzorky ze stonků, kořenů a pupenů současně.
Systém micro GC lze také použít k screeningu veškerého našeho jídla - od ovoce po zeleninu a zrna - na nemoci.
"Čerstvé produkty, které se přepravují po celém světě, mohou nést různé škůdce nebo nemoci." Máte-li nějaký druh senzoru nasazeného v terénu nebo mobilního senzoru, mohli byste detekovat VOC, které pocházejí z rostlin, “tvrdí McMurray. "Mohlo by to vyřešit některé velmi velké problémy."
Tým v současné době dokončuje laboratorní testování na mikro GC, aby se ujistil, že jeho výsledky jsou konzistentní s výsledky z větších chromatografů. V srpnu nebo září provedou svůj první polní test, ve kterém výzkumník projde micro GC přes broskvová pole a otestuje Peachtree Root Rot.
Zatímco tento počáteční test se zaměří na konkrétní onemocnění, plynová chromatografie dokáže skrínovat desítky patogenů najednou, což je také odlišuje od jiných přístupů, říká McMurray.
I s touto technologií budou patologové rostlin stále muset mapovat emise VOC spojené s určitými plány a určitými chorobami.
Rostliny, jejichž emise VOC jsou již dobře zdokumentovány, budou mít při zahájení screeningu na mikro GC krok zpět; jiní budou potřebovat více času a výzkumu k diagnostice a léčbě. "Patogen, který jsme si vybrali, nikdo o ničem neví, " říká McMurray, "ale například o některých houbách je toho hodně známo."
MicroMC společnosti Georgia Tech je však důležitým bodem obratu v použitelnosti a škálovatelnosti, říká McMurray.
„Co si myslíme, že je jedinečné, “ říká McMurray, „tyto nové výrobní procesy otevírají zcela novou éru senzorů.“
