Tidlig opdagelse af ozon på jordoverfladen kan hjælpe med at forhindre skader på druer og æbler

Landmænd og frugtavlere rapporterer, at klimaændringer fører til øgede ozonkoncentrationer på jordoverfladen i deres marker og frugtplantager - en eksponering, der kan forårsage irreversible planteskader, reducere afgrødeudbyttet og true fødevareforsyningen, siger materialekemikere ledet af Trisha Andrew ved University of Massachusetts Amherst.

Skriver ind Videnskabens fremskridt , medforfatterne Jae Joon Kim og Ruolan Fan viser, at Andrew-laboratoriets metode til dampaflejring af ledende polymer-"tatoveringer" på planteblade kan give avlere mulighed for nøjagtigt at opdage og måle sådanne ozonskader, selv ved lave eksponeringsniveauer. Deres elastiske polymertatoveringer placeret på bladene giver mulighed for "hyppig og langsigtet overvågning af cellulær ozonskade i økonomisk vigtige afgrøder som vindruer og æbler, " siger Andrew.

De skriver, "Vi valgte druer (Vitis vinifera L.) som vores modelplante, fordi frugtudbyttet og frugtkvaliteten af ​​vinstokke falder betydeligt ved eksponering for jordnær ozon, fører til betydelige økonomiske tab." Jordnær ozon kan produceres ved vekselvirkningen mellem nitrater i gødning og solen, for eksempel.

UMass Amherst vinavl Elsa Petit, som rådgav kemiteamet, siger, at sensortatoveringen kan være særlig nyttig for drueindustrien. "Med klimaændringer, ozon vil stige, og denne nye sensor kan være yderst nyttig til at hjælpe landmænd med at handle, før skaden kan genkendes af øjet, " siger hun. Jordnær ozon kan afbødes ved tidlig påvisning og behandling af jordoverfladen med trækul eller zeolitpulver.

Som Andrew forklarer, hendes laboratorium, finansieret af National Science Foundation, tilpassede elektrodedampaflejringsmetoden, de havde udviklet tidligere, til at belægge stoffer til medicinske sensorenheder til en ny anvendelse - på levende planter. Den ledende polymerfilm, poly (3, 4-ethylendioxytiophen), PEDOT, er kun 1 mikron tyk, så den slipper sollys ind og gør ikke ondt på blade. Ikke-metal, kulstofbaserede polymerer, der fungerer som ledende elektroder, bruges i stigende grad i design af bløde materialer, siden de blev opfundet i 1970'erne, tilføjer hun.

"Vores fungerer som en midlertidig tatovering på et menneske, " siger Andrew. "Det vaskes ikke væk, og polymerens elektriske egenskaber nedbrydes ikke, selv over lang tid. Vi har nogle tatoverede planter i et drivhus på campus og et år senere vokser de stadig fint, sætter rødder og blade ud som normalt."

For at teste for tidlig ozonskade, hun og kolleger bruger et håndholdt impedansspektrometer tilpasset fra human medicinsk praksis. Når den rører ved elektrodetatoveringen, en udlæsning rapporterer forholdet mellem elektrisk modstand vs frekvens. Denne spændingsværdi ændres ved tilstedeværelse af forskellige faktorer, herunder oxidativ skade fra ozon.

Andrew siger, "Du får et billede i bølgeform; et softwareprogram passer til bølgen, så vi kan udtrække visse vævsparametre. Vi kan genkende mønstre for forskellige former for skader. Det er ensartet og bemærkelsesværdigt nøjagtigt. Hvis du bruger det på den samme plante over et år. , så længe planten er sund, ændrer signalet sig ikke rigtigt over den tid."

"Problemet videnskabeligt er, at visuelle ozonskader ser nøjagtigt ud, som hvis du vandede planten for lidt, eller den fik for meget sol. Dette projekt blev intellektuelt interessant for os, da vi så på ozonsignaturen på vores udlæsninger, og det var meget forskellig fra tørke eller UV-skader. Ozon producerer en unik ændring i den højfrekvente elektriske impedans og fasesignaler fra blade."

Forskerne håber, at deres opfindelse kan bruges af landmænd og frugtavlere, der kunne placere et par "reporterplanter" blandt afgrøder for med jævne mellemrum at overvåge jordens ozonniveauer. "Det giver dig et billede af, hvad der foregår i din jord, " foreslår Andrew. "Du kan blive advaret, hvis gødningsniveauet er forkert, for eksempel. Dette kan ske, især med fødevareafgrøder, der har brug for meget sol og gødning for at producere, som meloner, druer og frugtplantage. Nogle planter er meget følsomme over for det."