Un laboratoire en tube : contrôler la chimie du sol sans le perturber
Une équipe de chercheurs a mis au point un laboratoire portable et automatique capable de surveiller la chimie du sol en temps réel - et sans composants coûteux. L'objectif est de faciliter l'accès aux processus qui se déroulent habituellement sous nos pieds.
Imaginez que vous insériez une caméra dans le sol et que vous obteniez en permanence un aperçu de la manière dont l'oxygène se déplace entre les particules du sol. Ou comment le pH change au cours d'une journée lorsque l'eau de pluie s'infiltre.
L'idée semble excellente, et un groupe de chercheurs de l'université d'Aarhus le pense aussi. En collaboration avec des collègues allemands, ils sont en train de la rendre possible.
Ils ont mis au point un mini-laboratoire portable et automatique sous forme de tube, appelé MARTINIS, qui peut mesurer des paramètres chimiques spécifiques dans le sol in situ - c'est-à-dire là où ils se trouvent naturellement - en perturbant le moins possible le microcosme vivant qu'est véritablement le sol.
"Le sol est très complexe et dès que nous le creusons, nous le modifions", explique le professeur associé Klaus Koren du département de biologie de l'université d'Aarhus. "Avec MARTINIS, nous pouvons observer ce qui se passe au fil du temps, en haute résolution et sans toucher les échantillons.
Klaus Koren est coauteur de l'article scientifique sur MARTINIS, publié dans Sensors and Actuators B : Chemical.
Film capteur dans le sol
Le système utilise des optodes planaires, c'est-à-dire de minces capteurs qui s'illuminent ou changent de couleur lorsqu'ils sont exposés à des substances chimiques spécifiques telles que l'oxygène, l'ammoniac ou des variations de pH. Il s'agit d'une technologie bien connue, utilisée depuis longtemps dans les laboratoires. Mais lorsqu'on analyse un échantillon de sol en laboratoire, on n'obtient que des données sur ce qui est présent exactement à l'endroit et au moment où l'échantillon a été prélevé.
"Nous avons réduit l'équipement de laboratoire à un cylindre de 25 centimètres de diamètre qui peut être enfoui dans le sol, ce qui permet une imagerie continue de l'environnement du sol", explique Martin Reinhard Rasmussen, étudiant en doctorat, qui a développé le système - et dont le prénom n'a d'ailleurs rien à voir avec le nom du projet.
- Comment fonctionne MARTINIS (Multi Analyte Real Time In-situ Imaging System) ?
- Les optodes sont montés à l'extérieur d'un tube en plexiglas, qui est enterré dans le sol. À l'intérieur du tube se trouve une lampe LED qui émet de la lumière aux longueurs d'onde adaptées aux substances à détecter, ainsi qu'une caméra qui enregistre la lumière émise par l'optode. L'ensemble du système est contrôlé par un ordinateur Raspberry Pi, qui prend automatiquement des images et contrôle les mouvements - l'ensemble peut se déplacer de haut en bas à l'intérieur du tube et pivoter sur 360 degrés.
- L'avantage des optodes planaires est qu'elles ne se contentent pas de mesurer un seul point, mais créent des images bidimensionnelles des conditions chimiques du sol, ce qui est crucial pour décrire les processus complexes du sol. Et comme la caméra peut se déplacer et prendre des images en séquences, il est possible d'assembler des "panoramas" de profils pédologiques entiers.
"Le système fonctionne automatiquement et sa construction ne coûte que 5 à 600 euros, et toutes les pièces et le logiciel sont libres", explique Martin Reinhard Rasmussen.
Dans le premier modèle, le système stocke les images sur une carte SD, mais l'objectif est de l'équiper d'une carte 5G. Il est également prévu de combiner les données de MARTINIS avec celles des drones et des satellites.
MARTINIS n'est pas encore totalement développé en tant que produit commercial. Les chercheurs sont actuellement à la recherche de fonds pour poursuivre le développement du logiciel et d'une version plus robuste prête à être utilisée sur le terrain.
Le système a déjà été testé dans du terreau en laboratoire et sur le terrain en Allemagne, où il a mesuré la dynamique de l'oxygène dans les couches du sol pendant plusieurs mois sans dysfonctionnement, même sous la pluie et la neige. Il a également été testé dans les montagnes Rocheuses, où il a suivi les changements de la chimie du sol après un incendie de forêt.
Du compost à la consultance
En surveillant les niveaux de pH et d'oxygène au fil du temps et dans différents lieux, il devient plus facile d'évaluer comment la chimie du sol évolue, par exemple après une fertilisation ou sous l'effet de différentes méthodes de culture. Une grande quantité d'oxygène, par exemple, est nécessaire pour obtenir un compostage efficace.
Le système est clairement prometteur pour l'agriculture, mais il est peu probable que les agriculteurs individuels investissent dans ce système.
C'est ce que pense le professeur Klaus Butterbach-Bahl, coauteur de l'étude. Il dirige le Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures (Land-CRAFT) à l'université d'Aarhus, où Martin Reinhard Rasmussen est également affilié.
"Il est plus probable que ce soient des consultants et des ingénieurs qui utilisent le système et conseillent les agriculteurs sur la base des données qu'ils collectent et analysent. Nous l'utiliserons également dans le cadre de nos recherches au Land-CRAFT, où nous pourrons mieux comprendre les réactions d'oxydoréduction et les changements dans les niveaux d'oxygène et de pH", explique-t-il.
Chez SEGES Innovation - une société indépendante de recherche et d'innovation qui œuvre pour une agriculture et une production alimentaire durables et compétitives - Franziska Petra Eller, spécialiste du climat, voit également un grand potentiel dans cette nouvelle invention :
"MARTINIS donne un aperçu d'un environnement qui est autrement difficile d'accès : le sol. L'utilisation in situ d'optodes planaires permet des études plus réalistes de la dynamique spatiale et temporelle de la chimie du sol dans les champs agricoles. La recherche appliquée bénéficiera sans aucun doute de cet équipement, d'autant plus qu'il permet de collecter automatiquement et facilement des données chimiques sur le sol sur de longues périodes avec une résolution temporelle élevée."
Surveillance du climat et de l'environnement
En plus d'être utiles à l'agriculture, les mesures effectuées par MARTINIS pourraient contribuer à des études plus larges sur l'environnement et le climat. Lorsque les chercheurs surveillent les microenvironnements anoxiques, c'est-à-dire les zones du sol dépourvues d'oxygène, ils comprennent mieux les processus qui conduisent à l'émission d'oxyde nitreux (N₂O), un gaz à effet de serre qui joue un rôle important dans le changement climatique. Les données relatives au pH peuvent également aider à comprendre l'évaporation de l'ammoniac, qui influe sur la formation des nuages dans l'atmosphère.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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