Måling af elektrisk strøm i jord kunne give svar på jordens sundhed

Washington State University-forskere har udviklet en måde at vurdere jordens sundhed ved at måle den elektriske strøm, der produceres af dens mindste mikrober.

Holdet brugte en sonde oprindeligt udviklet til at måle det elektrokemiske signal fra mikrober i vandmiljøer, og testede det på sunde og usunde jordprøver for at måle mikrobiel metabolisme og andre indikatorer for jordsundhed. Denne proof-of-concept forskning, udgivet i Journal of The Electrochemical Society , kunne en dag føre til en simpel, realtidstest for landmænd for at afgøre, om jorden er produktiv.

"Jorden understøtter al den mad, vi spiser, og det meste af det er nedbrudt på verdensplan, sagde Maren Friesen, en lektor ved Institut for Plantepatologi og Afgrøde- og Jordbundsvidenskab og en medforfatter på undersøgelsen. "En af de største barrierer for at forbedre jordbunden er ikke at kunne have hurtige, realtidsmåling for at udvikle passende ledelsesstrategier for dem. Denne sensor har potentialet til at kunne udføre målinger i realtid, ikke kun af jordens struktur, men hvordan den faktisk fungerer. Det ville være et kæmpe fremskridt på området."

"Jeg tror, ​​at dette er et af vores mest betydningsfulde værker og vil have stor indflydelse på jordsundhedsbestemmelse, " sagde Haluk Beyenal, professor ved Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering og tilsvarende forfatter på papiret.

Andre medforfattere på undersøgelsen omfatter postdoc-stipendiat Abdelrhman Mohamed, og kandidatstuderende Eduardo Sanchez og Natalie Sanchez.

Jordsundhed er af afgørende betydning for landbrug og afgrødesucces på verdensplan, men at måle det er ikke ligetil. Landmænd og forskere bruger jordkemi, næringsstofanalyse, tekstur- og pH-målinger for at få forståelse for jordens fysiske og kemiske egenskaber. Selvom den information kan være værdifuld, det afspejler ikke altid, hvor produktiv jorden faktisk er.

Det er fordi en nøgle til jordproduktivitet er, hvordan mikrober fungerer, sagde Friesen. Milliarder af bakterier, svampe og andre organismer spiller en afgørende rolle i mobilisering og tilførsel af næringsstoffer, forsvar mod patogener og plantevækst. Men, indtil nu, der har ikke været nogen enkel, real-time måde at måle den mikrobielle aktivitet på.

"Det, der gør en jord gavnlig for en plante, er, at den er levende og indeholder alle disse bakterier og svampe, " hun sagde.

I det nye blad, WSU-forskerholdet var i stand til at måle strøm gennem jorden for at bestemme mikrobiel aktivitet, og skelne sund og usund jord.

Forskerne brugte en sonde, som de udviklede for et par år siden, til at måle det elektrokemiske signal fra mikrober i vandmiljøer. Svarende til hvordan mennesker spiser og trækker vejret, mikroorganismer optager mad og bruger derefter elektroner, der frigives under stofskiftet, til deres energi. Endelig, mikrober giver disse elektroner til et acceptormolekyle såsom oxygen. Proben, som holdet udviklede, erstatter disse acceptormolekyler med en elektrode. Ved at bruge denne elektrode, de kan så måle den elektriske strøm og få en idé om størrelsen af ​​mikrobiel aktivitet.

"Vi er i stand til at måle mikrobernes metaboliske hastighed ved at fange elektroner, der frigives som en del af stofskiftet, " sagde Mohamed, en postdoc-forsker i Voiland-skolen. "Vi ser mikroberne trække vejret i jorden."

De to jordprøver, forskerne brugte, blev indsamlet fra R.J. Cook Agronomy Farm og så næsten identiske med hinanden med hensyn til deres jordsammensætning. De blev begge indsamlet fra grunde, der ikke var blevet dyrket, havde et relativt højt indhold af organisk stof, og havde samme pH og jordtype. Men, forskerne havde data, der viste, at den ene af jorden havde været væsentligt mere produktiv i sin hvedeudbytte end den anden.

Forskerne fandt ud af, at den mere produktive jord producerede en elektrisk strøm, mens den mindre produktive jord næsten ikke producerede nogen strøm - omkring 1% af den mere produktive jord.

"Der var en virkelig dramatisk forskel i mængden af ​​genereret strøm, sagde Friesen.

De fandt også en anden forskel mellem de to jorde i det åbne kredsløbspotentiale målt i jorden. Når de tilsatte sukker for at stimulere metabolisk aktivitet, forskerne observerede også de elektrokemiske signalændringer i de sunde og usunde jordprøver, der konvergerer, hvilket tyder på, at sukkertilsætningen stimulerede den mikrobielle aktivitet i begge jordtyper.

"Vi kunne se det om et par dage, mikroberne i jorden begyndte at ånde, " sagde Mohamed.

Med kun de to jordprøver sammenlignet indledningsvis, forskerne siger, at deres idé stadig kun er et proof of concept. De har mange yderligere spørgsmål, såsom hvad skabningerne gør for at generere strøm, og hvilke specifikke mikroorganismer der kan være i prøverne for at skabe produktiv jord.

"Vi har to forskellige signaler, men hvad fortæller de egentlig med hensyn til jordens grundlæggende parametre?" sagde Mohamed. "Begge parametre fortæller lidt forskellige ting, og vi er nødt til at arbejde på deres fortolkning."

De vil også teste meget mere jord, herunder på egentlige landbrugsmarker i stedet for i kontrollerede omgivelser i et laboratorium. De håber i sidste ende at udvikle en bærbar sonde, der kan indsættes direkte i jorden for at give information i realtid.

"Med hensyn til at arbejde hen imod et retfærdigt samfund med bæredygtig global fødevareproduktion, Jeg føler, at dette har potentialet til at blive en spilskiftende teknologi, sagde Friesen.