Skip to main content

In-Field Live Sensing of Nitrate in Crops for Real-Time Fertilization Adjustment

Article Category

Article available in the folowing languages:

Nowa aplikacja informuje rolników, ile nawozu potrzebują ich uprawy

Niedokładne oszacowanie ilości nawozu, jakiej potrzebują uprawy, może skutkować nadmiernym nawiezieniem pola czy zanieczyszczeniem gleby, powietrza i wody. Zespół projektu LiveSEN stworzył przenośny bioczujnik przetwarzający dane w czasie rzeczywistym, który mierzy poziomy azotu i opracowuje dla rolników przydatne zalecenia na podstawie dużych zbiorów danych (Big Data).

Żywność i zasoby naturalne

Aby zwiększyć żyzność gleby, rolnicy stosują często więcej nawozu, niż rośliny tak naprawdę potrzebują. Dzięki takiemu podejściu plony są wprawdzie faktycznie dobre, jednak ma to swoje ekonomiczne i środowiskowe konsekwencje. Jednym z rozwiązań tego problemu byłaby możliwość korzystania przez rolników z dokładnych i aktualnych danych na temat zawartości azotu w glebie, które umożliwiłoby im dostosowywanie odpowiednich ilości nawozu. Niestety istniejące narzędzia analityczne są niewystarczające, ponieważ generują duże koszty, a cały żmudny proces bazuje na analizach laboratoryjnych. Celem projektu LiveSEN (In-Field Live Sensing of Nitrate in Crops for Real-Time Fertilization Adjustment), który otrzymał grant ERBN na potrzeby dowiedzenia koncepcji projektowej, było opracowanie rozwiązania mierzącego zawartość azotanu bezpośrednio z soków roślin. Pozwoliło to nie tylko uprościć przygotowanie próbek, lecz również – co ważniejsze – umożliwiło przeprowadzanie analiz na miejscu przy użyciu jednorazowych bioczujników elektrochemicznych. W laboratorium przeprowadzono eksperymenty potwierdzające działanie tej metody, a zespół doprecyzowuje obecnie szczegóły związane z produkcją czujników. Badacze dopracowują proces drukowania natryskowego potrzebny do osadzania enzymów i jednocześnie szukają producenta elektrod wykonanych metodą sitodruku, z którym mogliby przygotować plany zautomatyzowanej produkcji masowej. Obecnie stosowane narzędzia analityczne (takie jak azotanowe elektrody jonoselektywne) są kosztowne, trzeba je czyścić po każdym użyciu, ponieważ nie są jednorazowe, i wymagają częstej kalibracji. Poza tym są wrażliwe na różne jony, więc ich odczyty uzyskiwane ze złożonych próbek (np. soków roślin) mogą być niedokładne. „Chcieliśmy opracować bioczujnik używany na miejscu, który dostarczałby natychmiastowych informacji na temat ilości nawozu potrzebnej danym roślinom i nie wymagałby od użytkownika żadnych szkoleń, co wyeliminowałoby konieczność angażowania techników czy ekspertów asystujących w przygotowywaniu próbek, dokonywaniu pomiarów, interpretacji danych i podejmowaniu decyzji”, wyjaśnia Nicolas Plumeré, profesor na Uniwersytecie Ruhry w Bochum oraz kierownik projektu LiveSEN. Opracowany w ramach projektu bioczujnik wykrywa przy użyciu enzymów azotany, które wchodzą w reakcje z elektronami elektrody. Na podstawie liczby tych elektronów wyliczana jest ilość molekuł azotanów znajdujących się w sokach rośliny. W bioczujniku znajdują się również systemy (oczekujące na przyznanie patentu) eliminujące czynniki zakłócające pomiary, w tym enzymy (oksydazy) służące do usuwania rozpuszczonego tlenu, który również mógłby reagować z elektronami, zniekształcając w ten sposób odczyt. Następnie za pośrednictwem zainstalowanej na smartfonie aplikacji podłączonej do systemu w chmurze rolnik otrzymuje od razu informację na temat zalecanego stężenia azotanów. „Rolnicy przekazali nam opinie dotyczące praktycznych aspektów użytkowania zaawansowanych urządzeń w różnych warunkach pogodowych i, na ile to możliwe, w trakcie obsługi sprzętu rolniczego. Dzięki temu byliśmy w stanie dostosować nasze rozwiązanie do ich potrzeb. Oprócz tego rolnicy wskazali inne ważne kwestie, takie jak stężenie fosforanów i siarczanów, dla którego opracowujemy teraz podobny czujnik”, mówi Plumeré. Projekt LiveSEN będzie wykorzystywać dane Big Data do generowania map zalecanych ilości nawozu do użycia, w oparciu o dane z bioczujnika, informacje pogodowe i topograficzne oraz satelitarne obrazowanie multispektralne (mapy pól z chlorofilem, czyli „zielenią”) z unijnego projektu Copernicus. Oznacza to, że rolnicy będą mogli dostosować stopień nawożenia danego pola, zaspokajając potrzeby upraw.

Ulepszone zarządzanie środowiskowe

Prace zespołu LiveSEN są zgodne z unijną Deklaracją współpracy w zakresie „inteligentnej i zrównoważonej cyfrowo przyszłości europejskiego rolnictwa i obszarów wiejskich”. Ponadto projekt ten ułatwi poszczególnym rolnikom i krajowym organom spełnianie warunków określonych w Dyrektywie azotanowej Unii Europejskiej (91/676/EWG). Rolnicy otrzymają czujniki po kosztach produkcji, co zwiększy dokładność zaleceń generowanych na podstawie danych Big Data. W ramach zestawu LiveSEN będzie można skorzystać z opłaconej i dostępnej za pośrednictwem aplikacji na smartfon lub komputer usługi dostarczającej zalecenia w zakresie nawożenia. „Nasz pomysł mógłby zwiększyć ilość plonów o 5–10 % oraz zmniejszyć koszty i stopień zanieczyszczeń, szczególnie emisję CO2, jako że produkcja nawozów azotowych odpowiada w tym przypadku za ponad 1 % tej emisji”, stwierdza Plumeré.

Słowa kluczowe

LiveSEN, plony, azot, Big Data, nawożenie, bioczujnik, rolnictwo, zanieczyszczenie, elektrochemiczne, azotan, rolnicy

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania