Каждый год американские фермеры теряют до 12 процентов своих культур из-за болезней и еще 12 процентов из-за вредителей. Болезненные растения приносят миллиарды долларов упущенной выгоды в сельском хозяйстве.
Проблема в том, что болезни растений трудно обнаружить, пока не стало слишком поздно. Со временем появляются видимые симптомы - например, увядшие листья или обесцвечивание - болезнь достаточно прогрессировала, чтобы ее можно было вылечить.
Но растения сообщают об окружающей среде, когда они больны или подвергаются нападениям, просто не так, как мы когда-либо могли понять в реальном времени - до сих пор. Команда инженеров во главе с Гэри МакМюрреем, руководителем отдела технологий обработки пищевых продуктов в Технологическом институте Джорджии (штат Джорджия), разработала метод мониторинга и декодирования этих сообщений, позволяющий фермерам выявлять и лечить болезни до того, как они приживутся. Его видение: роботизированные руки, которые захватывают и идентифицируют сигналы естественных болезней растений на лету.
Все растения производят естественные сигналы в форме летучих органических соединений (ЛОС), чтобы предупредить окружающих о том, что на них нападает. Система МакМюррея захватывает эти соединения, используя миниатюрную версию газового хроматографа (называемого микро-ГХ). Устройства, которые были первоначально разработаны на рубеже 20-го века, используются для разделения химических веществ в сложных образцах - в случае МакМюррея, газы, выделяемые заводом. Когда газ нагревается и проходит через колонку, а электронный датчик обнаруживает соединения, содержащиеся в пробе.
Там нет защемления или извлечения образцов и отправки их обратно в лабораторию для анализа - процесс, который может занять несколько дней или недель. Вся информация, которая нужна микро ГХ, находится в воздухе, что означает, что лечение болезней или спасение растений от них может стать намного быстрее.
Приложения для газовой хроматографии выходят далеко за рамки сельскохозяйственных культур. Например, Министерство внутренней безопасности использует их для обнаружения определенных типов газов и опасных химических веществ. И исследователи также используют их для скрининга некоторых типов заболеваний органов пищеварения у людей.
Традиционно хроматографы были большими устройствами длиной от 3 до 10 метров; Достижения в области наноматериалов и производства позволили McMurray создать батарею размером с 8-вольтовую батарею.
«Мы никогда не могли бы построить это; даже пять лет назад это было бы невозможно », - говорит он.
Micro GC McMurray может быть установлен на манипулятор на существующем сельскохозяйственном оборудовании, таком как трактор или плуг. Рука держала устройство над листьями растения и собирала образцы воздуха. Небольшой компьютер, не более мощный, чем обычный ноутбук или iPhone, может затем обрабатывать данные из образцов для выявления любых патогенных микроорганизмов; быстрое промывание гелия подготавливает датчик для оценки его следующего образца.
Поскольку они такие маленькие, «[мы] можем построить несколько микро-ГХ на одного робота», - говорит МакМюррей. «У меня может быть 10, 20, даже 100 из них на одном тракторе».
Это означает, что один трактор может собирать образцы из стеблей, корней и почек одновременно.
Система Micro GC также может быть использована для проверки всей нашей пищи - от фруктов до овощей и зерновых - на наличие болезней.
«Свежие продукты, которые поставляются по всему миру, могут нести различные вредители или болезни. Если у вас есть какой-либо датчик, который можно развернуть в полевых условиях или мобильный датчик, вы можете обнаружить летучие органические соединения, которые выходят из растений », - утверждает МакМюррей. «Это может решить некоторые очень большие проблемы».
В настоящее время команда заканчивает лабораторное тестирование микроГХ, чтобы убедиться, что его результаты согласуются с результатами более крупных хроматографов. В августе или сентябре они проведут свои первые полевые испытания, в ходе которых исследователь проведет микроГХ по персиковым полям, чтобы проверить их на наличие Peachtree Root Rot.
Хотя этот первоначальный тест будет сосредоточен на конкретном заболевании, газовая хроматография может отсеивать одновременно десятки патогенных микроорганизмов, что также отличает его от других подходов, говорит МакМюррей.
Даже с технологией, патологам растений все равно придется составлять карту выбросов ЛОС, связанных с определенными планами и определенными заболеваниями.
Растения, выбросы ЛОС которых уже хорошо документированы, будут иметь возможность, когда начнется скрининг микро ГХ; другие потребуют больше времени и исследований для диагностики и лечения. «Патоген, который мы выбрали, о котором никто ничего не знает, - говорит МакМюррей, - но, например, о некоторых грибах известно очень много».
По словам МакМюррея, Georgia Tech micro GC - важный поворотный момент в удобстве использования и масштабируемости.
«То, что у нас есть, мы считаем уникальным, - говорит МакМюррей, - эти новые производственные процессы открывают совершенно новую эру датчиков».
