Laboratorio in provetta: monitorare la chimica del suolo senza disturbarlo
Un team di ricercatori ha sviluppato un laboratorio portatile e automatico in grado di monitorare la chimica del suolo in tempo reale - e senza componenti costosi. L'obiettivo è quello di facilitare l'accesso ai processi che di solito avvengono nascosti sotto i nostri piedi.
Immaginate di inserire una telecamera nel terreno e di avere una panoramica continua di come l'ossigeno si muove tra le particelle del suolo. O di come il pH cambi nell'arco di una giornata con l'infiltrazione dell'acqua piovana.
Sembra una grande idea e lo pensa anche un gruppo di ricercatori dell'Università di Aarhus. Insieme a colleghi tedeschi, la stanno rendendo possibile.
Hanno sviluppato un mini-laboratorio portatile e automatico in forma di tubo, chiamato MARTINIS, che può misurare parametri chimici specifici nel suolo in situ, cioè dove si trovano naturalmente, con un disturbo minimo per il microcosmo vivente che è il suolo.
"Il suolo è molto complesso e, non appena lo scaviamo, lo cambiamo", spiega il Professore Associato Klaus Koren del Dipartimento di Biologia dell'Università di Aarhus. "Con MARTINIS possiamo osservare ciò che accade nel tempo, ad alta risoluzione e senza toccare i campioni".
Klaus Koren è coautore dell'articolo scientifico su MARTINIS, pubblicato su Sensors and Actuators B: Chemical.
Pellicola di sensori nel suolo
Il sistema funziona con i cosiddetti optodi planari, sottili sensori che si illuminano o cambiano colore quando vengono esposti a specifiche sostanze chimiche come ossigeno, ammoniaca o variazioni di pH. Si tratta di una tecnologia ben nota, utilizzata da tempo nei laboratori. Ma quando si analizza un campione di terreno in laboratorio, si ottengono solo dati su ciò che è presente esattamente dove e quando il campione è stato prelevato.
"Abbiamo ridotto l'attrezzatura da laboratorio a un cilindro di 25 centimetri di diametro che può essere interrato nel terreno, consentendo di ottenere immagini continue dell'ambiente circostante", spiega il dottorando Martin Reinhard Rasmussen, che ha sviluppato il sistema e il cui nome, per inciso, non ha nulla a che fare con il nome del progetto.
- Come funziona MARTINIS (Multi Analyte Real Time In-situ Imaging System):
- Gli optodi sono montati all'esterno di un tubo di plexiglass, che viene interrato nel terreno. All'interno del tubo si trova una lampada a LED che emette luce alle lunghezze d'onda adatte alle sostanze che si desidera rilevare, insieme a una telecamera che registra la luce emessa dall'optodo. L'intero sistema è controllato da un computer Raspberry Pi, che scatta automaticamente le immagini e controlla il movimento: l'intero gruppo può muoversi su e giù all'interno del tubo e ruotare di 360 gradi.
- Il vantaggio degli optodi planari è che non si limitano a misurare un singolo punto, ma creano immagini bidimensionali delle condizioni chimiche del suolo, un aspetto fondamentale per descrivere i processi complessi del suolo. Inoltre, poiché la telecamera può spostarsi e scattare immagini in sequenza, è possibile mettere insieme "panorami" di interi profili del suolo.
"Il tutto funziona in modo automatico e costa solo 5-600 euro per essere costruito da soli, e tutte le parti e il software sono open source", spiega Martin Reinhard Rasmussen.
Nel primo modello, il sistema memorizza le immagini su una scheda SD, ma l'obiettivo è di dotarlo di una scheda 5G. Una visione futura è anche quella di combinare i dati di MARTINIS con quelli di droni e satelliti.
MARTINIS non è ancora completamente sviluppato come prodotto commerciale. I ricercatori sono attualmente alla ricerca di finanziamenti per sviluppare ulteriormente il software e una versione più robusta pronta per il campo.
Il sistema è già stato testato in laboratorio e sul campo in Germania, dove ha misurato la dinamica dell'ossigeno negli strati del suolo per diversi mesi senza alcun malfunzionamento, anche in caso di pioggia e neve. È stato anche sperimentato nelle Montagne Rocciose, dove ha seguito i cambiamenti nella chimica del suolo dopo un incendio boschivo.
Dal compost alla consulenza
Monitorando i livelli di pH e ossigeno nel tempo e nei diversi luoghi, diventa più facile valutare come cambia la chimica del suolo, ad esempio dopo la concimazione o con diversi metodi di coltivazione. Per ottenere un compostaggio efficace, ad esempio, è necessario molto ossigeno.
Il sistema è chiaramente promettente per l'agricoltura, ma è improbabile che i singoli agricoltori vi investano.
Questo è il parere del professor Klaus Butterbach-Bahl, coautore dello studio. Egli dirige il Centro per la ricerca sul paesaggio nei futuri agricoli sostenibili (Land-CRAFT) dell'Università di Aarhus, dove è affiliato anche Martin Reinhard Rasmussen.
"È più probabile che siano consulenti e ingegneri a utilizzare il sistema e a consigliare gli agricoltori sulla base dei dati raccolti e analizzati. Inoltre, lo utilizzeremo nella nostra ricerca presso Land-CRAFT, dove potremo avere una visione delle reazioni redox e dei cambiamenti nei livelli di ossigeno e pH", afferma.
Anche la specialista del clima Franziska Petra Eller di SEGES Innovation, una società indipendente di ricerca e innovazione che lavora per un'agricoltura e una produzione alimentare sostenibili e competitive, vede un grande potenziale nella nuova invenzione:
"MARTINIS permette di conoscere un ambiente altrimenti difficilmente accessibile: il suolo. L'uso in situ degli optodi planari consente studi più realistici delle dinamiche spaziali e temporali della chimica del suolo nei campi agricoli. La ricerca applicata trarrà indubbiamente vantaggio da questa apparecchiatura, soprattutto perché consente una facile raccolta automatica di dati chimici del suolo su periodi più lunghi con un'alta risoluzione temporale."
Monitoraggio del clima e dell'ambiente
Oltre ai benefici per l'agricoltura, le misurazioni di MARTINIS potrebbero contribuire a studi più ampi sull'ambiente e sul clima. Quando i ricercatori monitorano i microambienti anossici, ossia le aree del suolo prive di ossigeno, possono comprendere i processi che portano all'emissione del gas serra protossido di azoto (N₂O), che svolge un ruolo significativo nel cambiamento climatico. Inoltre, i dati sul pH possono aiutare a comprendere l'evaporazione dell'ammoniaca, che influisce sulla formazione delle nuvole nell'atmosfera.
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