Представьте, что вы устанавливаете камеру в почву и наблюдаете, как кислород перемещается между частицами земли или как меняется уровень pH в результате проникновения дождевой воды. Эта концепция вызывает восторг, и ученые из Орхусского университета в соавторстве с немецкими коллегами претворили ее в жизнь.
Команда специалистов создала компактную и автоматизированную мини-лабораторию, названную MARTINIS, в форме трубки, которая способна измерять определенные химические показатели в почве in situ, т.е. в условиях естественной среды, минимально влияя на живой микроклимат, занимаемый землей.
Визуализация 3D-модели MARTINIS и изображение фактической системы внутри цилиндрического корпуса из прозрачного пластика, длиной 70 см. Составляющие системы включают камеру Raspberry Pi HQ с объективом 16 мм, фильтр излучения для блокировки синего и ультрафиолетового излучения, вентилятор, датчики температуры и влажности, а также другие элементы.
«Почва – это сложная среда, и каждым нашим вмешательством при копке мы меняем ее», – поясняет Клаус Корен, доцент биологии из Орхуса. «Благодаря MARTINIS мы можем наблюдать происходящее во времени с высокой детализацией, не нарушая при этом целостность образца».
Клаус Корен является соавтором статьи о MARTINIS, опубликованной в журнале Sensors and Actuators B: Chemical. DOI: 10.1016/j.snb.2024.136894
Система работает на основе планарных оптодов – тонких датчиков, меняющих свой цвет под воздействием определенных химических элементов, таких как кислород, аммиак или изменение pH. Хотя данная технология применяется в лабораториях уже давно, MARTINIS предоставляет возможность вести мониторинг химии почвы в естественных условиях.
При анализе почвенных образцов в лаборатории получают информацию лишь о составе образца в момент его взятия. Но с использованием MARTINIS можно непрерывно получать данные об окружающей почвенной среде, не нарушая ее структуру, в том числе историю изменений.
Аспирант Мартин Райнхард Расмуссен, разработавший систему, объясняет: «Мы ужали лишь необходимые компоненты в цилиндр диаметром 25 см, который зарывается в почву, позволяя получать визуальные данные об окружающей среде». Его имя случайно совпадает с названием проекта.
Принцип работы MARTINIS (мультианалитическая система реального времени).
Планарные оптоды располагаются снаружи прозрачной трубки, зарытой в почву. Внутри трубки находится светодиод, испускающий свет определенной длины волн для обнаружения интересующих веществ, а также камера, регистрирующая свет, излучаемый оптодом. Управление системой осуществляется компьютером Raspberry Pi, который автоматически делает фотографии и управляет движением – трубка может подниматься, опускаться и вращаться.
Преимущество планарных оптодов заключается в возможности создания двумерных изображений химических характеристик почвы, а не просто измерения отдельной точки. Благодаря движению камеры и последовательному съему изображений можно создавать «панорамы» структуры почвы.
«Весь процесс автоматизирован, а себестоимость аппарата всего около 5-600 евро, при этом все компоненты и программное обеспечение доступны с открытым исходным кодом», – отмечает Расмуссен.
В начальной модели система сохраняет изображения на SD-карте, но планируется интеграция сети 5G. В будущем также планируется объединение данных MARTINIS с данными, полученными с дронов и спутников.
MARTINIS еще не является коммерческим продуктом. В настоящее время исследователи ищут финансирование для развития программного обеспечения и создания более надежной версии, готовой к использованию в полевых условиях.
Система уже успешно протестирована как в лабораторных условиях для выращивания саженцев, так и в полевых условиях в Германии, где в течение нескольких месяцев без сбоев исследовалась динамика содержания кислорода в разных слоях почвы, даже при дожде и снеге. Также производилось тестирование в Скалистых горах после лесного пожара для отслеживания изменений в химическом составе почвы.
Мониторинг уровня pH и содержания кислорода во времени и в разных областях облегчает анализ изменений в химии почвы, в частности после добавления удобрений или при использовании различных методов обработки почвы. Например, для эффективного компостирования необходимо обеспечить достаточное содержание кислорода.
Хотя система обладает потенциалом для применения в сельском хозяйстве, маловероятно, что отдельные фермеры будут инвестировать в нее. Так считает профессор Клаус Буттербах-Баль, руководитель Центра ландшафтных исследований в области устойчивого развития сельского хозяйства (Land-CRAFT) Орхусского университета.
«Скорее всего, систему будут использовать консультанты и инженеры для сбора и анализа данных, на основе которых они будут давать рекомендации фермерам. Мы же планируем использовать MARTINIS для наших исследований в Land-CRAFT, чтобы лучше понять окислительно-восстановительные процессы, изменения уровней кислорода и pH в почве», – добавляет он.
Специалист по климату Франциска Петра Эллер из SEGES Innovation высказывает мнение о больших перспективах нового изобретения: «MARTINIS позволяет получить информацию о среде, к которой доступ был бы затруднен – почве. Применение планарных оптодов in situ позволяет проводить более реалистичные исследования химических процессов в почве на сельскохозяйственных полях. Прикладные исследования выиграют от использования этого оборудования, особенно за счет возможности автоматизированного сбора химических данных о почве с высокой временной четкостью».
