Mikrofluidyka przyszłością rolnictwa, czyli innowacyjna analiza gleby
Podczas stosowania nawozów w uprawach rolnych rolnicy opierają się zazwyczaj na obliczeniach, szacunkach i zaleceniach, a nie na analizie rzeczywistych potrzeb gleby i roślin. W rezultacie często dochodzi do nadmiernego nawożenia, co wiąże się z poważnymi konsekwencjami, wśród których warto wymienić: mniejsze plony i niepotrzebne koszty ponoszone przez rolników, zanieczyszczenie wód gruntowych, eutrofizacja zbiorników wodnych, emisja gazów cieplarnianych z gleby oraz wyczerpywanie się zasobów nawozów naturalnych. W związku z tym konieczne jest opracowanie bardziej efektywnych metod stosowania nawozów, które pozwolą zachować wysoką wydajność plonów przy jednoczesnym zmniejszeniu negatywnego wpływu na środowisko, a także przyniosą szereg korzyści rolnikom, obniżając nakłady finansowe na zakup nawozów. Jedyną przeszkodą dla modernizacji nawożenia jest brak szybkich i opłacalnych sposobów analizy gleby. Wyzwanie podjął zespół finansowanego przez UE projektu MobiLab, który zaprojektował czujnik typu laboratorium chipowe do określania stężenia najważniejszych składników odżywczych roślin (amoniak, azotany, fosforany i potas) w glebie. Podczas pracy naukowcy opierali się na wynikach wielokrotnie nagradzanego projektu OPTIFERT.
Cel: prostota
Zespół projektu opracował innowacyjne urządzenie do analizy gleby oparte na elektroforezie kapilarnej, które umożliwia szybką i dokładną identyfikację stężenia makroskładników odżywczych, dzięki czemu może stać się przydatnym narzędziem w rolnictwie precyzyjnym. „Przeprowadzanie badań w konwencjonalnym laboratorium wymaga czasu i pieniędzy. Urządzenie iMETOS MobiLab pozwala obniżyć koszty, ponieważ zawartość składników odżywczych w glebie jest analizowana przy użyciu chipa mikrofluidycznego”, mówi Günther Kriechhammer, koordynator projektu. Jako że badane związki są mikroskopijnej wielkości, wymagało to od naukowców dużej pomysłowości i zastosowania wiedzy z zakresu mikrofluidyki – dziedziny nauki zajmującej się manipulowaniem i kontrolowaniem przepływu cieczy przez sieć mikrokanałów o wymiarach od dziesiątek do setek mikrometrów. „Najważniejszym zadaniem podczas projektowania urządzenia było zredukowanie jego złożoności – wymagało to od nas ogromnego wysiłku umysłowego”, wyjaśnia Kriechhammer. „Mniejsza złożoność oznacza niższe koszty produkcji, mniej źródeł błędów, lepsze zrozumienie zasady działania oraz łatwiejsze serwisowanie i rozwiązywanie problemów podczas użytkowania przez klientów”. Urządzenie iMETOS MobiLab można stosować w terenie do przeprowadzania pomiarów bezpośrednio na polach. Mogą je także bez problemu obsługiwać użytkownicy, którzy nie mają żadnego doświadczenia w badaniach laboratoryjnych. Dane pomiarowe są powiązane ze współrzędnymi GPS (za pomocą aplikacji mobilnej) i przesyłane do chmury, gdzie są bezpiecznie przechowywane i udostępniane użytkownikowi. Zebrane informacje można łatwo przekształcić w formaty nadające się do odczytu maszynowego, co pozwala na automatyczne ustalanie zmiennej dawki nawozów, odpowiedniej dla danych upraw, oraz stosowanie jej na polu przy użyciu maszyn rolniczych wyposażonych w komponenty do rolnictwa precyzyjnego, takich jak rozsiewacze nawozu i opryskiwacze.
Znaczne oszczędności
Dzięki urządzeniu do analizy składników odżywczych europejscy rolnicy będą mogli określać potrzeby w zakresie zastosowania nawozu na polach w ciągu zaledwie kilku minut i bez konieczności posiadania specjalistycznej wiedzy. Ponadto będą mogli zaoszczędzić do 35 % ilości stosowanych nawozów, co może oznaczać potencjalne oszczędności w wysokości do 6 mld euro rocznie na poziomie UE. Urządzenie iMETOS MobiLab może przynieść szereg korzyści na każdym etapie łańcucha produkcji w nowoczesnym rolnictwie. Urządzenie powstało także z myślą o małych i średnich gospodarstwach rolnych, dlatego jego cena nie jest wygórowana. Jego powszechne wdrożenie pomoże również wzmocnić wiodącą pozycję UE na światowym rynku produktów dla rolnictwa precyzyjnego. „Jak na razie głównymi użytkownikami urządzenia w Europie są konsultanci, pracownicy techniczni z większych gospodarstw oraz spółdzielnie. Pozytywną niespodzianką było odkrycie, że urządzenie nie służy tylko do analizy gleby, ale jest z powodzeniem wykorzystywane do badań soków mlecznych roślin, a nawet ścieków”, podsumowuje Kriechhammer.
Słowa kluczowe
MobiLab, gleba, nawóz, czujnik, mikrofluidyka, elektroforeza, rolnictwo precyzyjne, rośliny, czujnik do analizy składników odżywczych
