Forskere udvikler teknologi, der gør det muligt for forskere at afbilde vådområders jordaktivitet i realtid

Vises på forsiden af Soil Science Society of America Journal , forskere ved University of Maryland (UMD) og det spanske nationale forskningsråd samarbejdede om at skabe et nyt kamera, der muliggør billeddannelse af vådområdejordaktivitet i realtid. Dette kamera giver den klassiske IRIS (indikator for reduktion af jord) teknologi en stor opgradering. IRIS bruges universelt af forskere og jordvurderere til at afgøre, om jordbunden opfører sig som vådområder og derfor bør klassificeres som sådan.

Imidlertid, før dette nye kamera, jordbedømmere kunne ikke kvantificere hastigheden af ​​jernreduktion i mættede vådområder, og forskere havde ingen måde at visualisere processen i realtid. Denne teknologi åbner op for nye forskningsmuligheder inden for jordbundsvidenskab, og giver en overbevisende top om, hvor biokemisk aktive vådområder der egentlig er.

"Interessen for dette papir har været virkelig fantastisk, selvom det ikke var grunden til, at jeg oprindeligt lavede kameraet, " siger Brian Scott, ph.d.-kandidat i miljøvidenskab og teknologi ved UMD. "Avisen viser, at dette kamera virkelig virker, men det, der interesserede folk, var billeddannelsen i realtid og hastigheden af ​​jernreduktion i vådområder. Men for at være ærlig, den egentlige grund til, at jeg gjorde det, var ikke af den praktiske grund til at beregne satser. Det handlede mere om at prøve at udforske måder at visualisere, hvad der sker i miljøet. Jeg studerer jord, og alt er under jorden. Så jeg udviklede denne metode til at se på, hvad der faktisk sker under overfladen, hvilket er virkelig spændende for mig."

"Der er tre vigtige parametre, der er nødvendige for at klassificere et område som et vådområde:hydrologi eller vand, plantesamfundet, og jordegenskaber, tilføjer Martin Rabenhorst, æret jordforsker, professor i miljøvidenskab og teknologi ved UMD, og medforfatter på dette papir. "Disse er alle kritiske, fordi vådområder er stærkt regulerede og beskyttede økosystemer. Jorden er måske den mest komplicerede brik i puslespillet, fordi du skal bekræfte, at visse biogeokemiske processer faktisk sker under jorden, hvor de ikke let kan ses."

Rabenhorst er selv en opfinder af en grønnere metode til IRIS, en teknologi, der bruges til at måle mængden af ​​jernreduktion i jord. Teknologien bruger jernoxidbelægninger på plastikrør eller film, der skubbes ned i jorden og efterlades i 30 dage, så jorden kan reagere med malingen. Når disse reaktioner opstår, malingen er delvist opløst fra røret. Hvis 30 procent eller mere af malingen fjernes, jorden opfører sig som typisk vådområdejord.

"Dette er virkelig på grund af biokemien af ​​mikroorganismer i jorden, " forklarer Scott. "De organismer, jeg studerer, indånder jern på samme måde, som vi indånder ilt. Disse mikroorganismer er anaerobe, fordi de trives i miljøer uden ilt og har brug for jernet til at ånde. Ilt er giftigt for dem, så de lever i vådområder, hvor jorden ofte er mættet med vand og mindre iltrig. Disse organismer er så udbredte i vådbundsjord, at de er grundlaget for vores test for at se, om en jord er hydrisk. IRIS-test er derfor blevet et omdrejningspunkt for biogeokemikere, der studerer vådområder."

Selvom denne teknologi har potentialet til at føre videnskabsmænd ned ad alle mulige nye forskningsveje, det er uklart, om det kan føre til forbedringer hen ad vejen for den typiske jordbedømmer, der bruger klassisk IRIS-teknologi.

Men som Scott beskriver det, de virkelige resultater af papiret kommer i de metoder, der blev brugt til at skabe dette kamera, som han siger nu kan reproduceres af nogen for omkring $ 100. Han konverterede et borescope-kamera, der blev brugt af blikkenslagere og andre branchefolk til at afbilde nedløbsrør, og kombineret det med et trådløst system, der sender information i realtid med blot et lille solpanel for at se, hvad der sker 24-7. "Nogle af de ting, der er de vigtigste for dette papir, var ikke rigtig resultaterne; det var udviklingsprocessen, der åbner op for nye applikationer og forskningsmuligheder, som er virkelig spændende, " siger Scott.

Ideen kom til Scott, mens han var frivillig i Osvaldo Salas laboratorium ved Arizona State University ved hjælp af en maskine kaldet en mini rhizotron, der bruges til at tælle trærødder med et kamera gennem et hult rør i jorden. Scott tænkte, "Hvis vi kan tage billeder af rødder, vi burde være i stand til at tage billeder af andre ting under jorden. "Så til sidst, da Scott kom til Maryland for at forfølge sin ph.d. og begyndte at arbejde med Rabenhorst, tingene faldt på plads. Processen, imidlertid, var ikke uden sine udfordringer.

"Når nogen har gennemgået hele denne lange proces med, hvordan man får noget til at fungere, så kan vi nemt gøre det igen og igen, men det tager lang tid at finde ud af det, " siger Scott. "Det tog lang tid at finde ud af, hvordan man fik dette kamera til at fungere, og jeg løb ind i vejspærringer, hvor jeg næsten holdt op, hvis det ikke var for andres input og ideer."

Scott opfordrer især nogle få personer undervejs, der hjalp med at holde denne proces i gang. En bachelor assistent, Kristin Webb, hjalp med at skitsere de indledende designs til kameraet. En anden bachelor i miljøvidenskab og teknologi og nyuddannet, William Jacob Mast, hjalp med at designe og printe kameraskallen ved hjælp af en 3-D printer. Og spanske samarbejdspartnere ved det spanske nationale forskningsråd havde en lignende idé samtidig og hjalp med at finde måder at konvertere videobillederne til flade billeder, der kunne analyseres.

Scott understreger vigtigheden af ​​kollaborativ videnskab gennem hele denne proces, og ønsker at gøre denne teknologi tilgængelig for andre, så den kan fremme videnskaben og i sidste ende miljømæssig sundhed. "Jeg er ikke interesseret i at patentere denne særlige teknologi, fordi jeg ønsker, at videnskaben skal være til gavn for alle, " forklarer Scott. "Det handler ikke om penge med det her, det handler om påvirkningen af ​​miljøet. Jeg brugte faktisk mine egne penge på at hjælpe med at sikre, at dette kunne blive bygget sammen med støtte fra afdelingen, og jeg tror, ​​at hvis det virker, og hvis det hjælper en anden videnskabsmand med at gøre en endnu større opdagelse, så er det det værd. Det handler om at hjælpe den verden, vi lever i. "

Scott er glad for at kunne bidrage til jordbundsvidenskab og fokusere på genopretning af kritiske økosystemer som vådområder. "Jeg var miljøingeniør i årevis, så jeg har en interesse i at passe på miljøet, og meget af det, miljøingeniører gør, er at rydde op i rod, " siger Scott. "Alt, hvad jeg gør nu, er relateret til økosystemgendannelse og genopretning. Jeg plejede at rydde op i rod, men det er et andet dyr at faktisk tage økosystemer tilbage til deres tidligere herlighed og genoprette deres økologiske funktion. "

Dette papir, med titlen "Makro- og mikroskopiske visuelle billeddannelsesværktøjer til at undersøge metalreducerende bakterier i jord, " er offentliggjort i Soil Science Society of America Journal .