Контроль за внесением удобрений можно оптимизировать новым датчиком измерения ионов в почве
Избыток биодоступных питательных веществ в форме нитратов и фосфатов стал серьезной экологической и медицинской проблемой. Сельскохозяйственные стоки являются основным источником этих питательных веществ, вымывая растворимые нитратные и фосфатные ионы в водные экосистемы и питьевые водные ресурсы. Накопление этих загрязняющих веществ может привести к ухудшению состояния окружающей среды, например, к цветению вредных водорослей в водоемах или к опасностям для здоровья людей, например, к метгемоглобинемии – состоянию, при котором нарушается транспорт кислорода в крови. Поэтому необходимо знание локальных концентраций ионов в реальном времени. Команда исследователей предложила модернизировать ионоселективные электроды для коммерческой доступности в полевых условиях.
Об этом сообщает Джейниз Хивин в релизе Университета Миссури. Каждый год фермеры Миссури теряют миллионы долларов в виде ценных питательных веществ, которые смываются в реки и озера. Эти питательные вещества — нитраты и фосфаты, содержащиеся в удобрениях — имеют решающее значение для роста растений, но они наносят ущерб водной жизни, когда попадают в водоемы.
Исследователь из Университета Миссури Маттиас Янг считает, что нашел способ сохранить питательные вещества на земле, где им и место. Он разрабатывает технологию для новых типов датчиков, которые помогут фермерам лучше измерять нитраты и фосфаты в почве, что позволит им эффективнее использовать удобрения.
«Нитраты и фосфаты, попадающие в водоемы, вызывают цветение водорослей, которое убивает рыбу и вредит туризму в прибрежных общинах, помимо прочего. Фермеры же не хотят нести расходы на питательных вещества, потраченные без пользы. Согласно данным Агентства по охране окружающей среды и Министерства сельского хозяйства США, только в Миссури ежегодно тратится около 100 миллионов долларов на удобрения. Таким образом, наша работа имеет большое значение», — сказал Янг, доцент кафедры химической инженерии с совместным назначением на кафедру химии в Колледже искусств и наук Миззу.
Хотя его команда все еще работает над устранением некоторых аспектов в новом датчике, Янг заявляет о том, что скоро они представят более быстрый, надежный и экономически эффективный способ измерения ионов, таких как нитраты, в почве. Это важно, потому что если уровень нитратов низкий, растения не получат питательных веществ, необходимых для роста. Но если он слишком высок, добавление большего количества удобрений будет расточительным, поскольку избыток нитратов будет стекать в водные пути.
Существующие устройства, известные как ион-селективные электроды, могут измерять нитраты и фосфаты, но они дороги и неточны. Один из современных методов требует от фермеров собирать образцы почвы и отправлять их в лабораторию для анализа, что медленно и представляет собой оценку лишь небольшого участка земли. Лаборатории имеют доступ к более сложным датчикам, которые полагаются на специальные молекулы для связывания и измерения ионов, но эти молекулы могут стоить около 10 000 долларов за грамм.
«Фермеры решают, сколько удобрений вносить, но они принимают решения на основе ограниченной информации. Даже дорогие датчики приходится часто калибровать, а это значит, что их нельзя оставлять на поле. Мы решили изменить способ сбора информации путем создания датчика, который измеряет, как быстро ионы проходят через мембрану, а не насколько сильно они с ней связываются. Используя импульсный электрический ток, эти устройства более чувствительны и надежны. Мы разрабатываем портативные датчики для сбора измерений в режиме реального времени, а также датчики, которые можно устанавливать в полевых условиях», — рассказал Янг, добавив, что команда сотрудничает с фермерами из Миссури, добиваясь прогресса в надежде на коммерциализацию недорогих и практичных датчиков.
