Boeren en fruittelers melden dat klimaatverandering leidt tot verhoogde ozonconcentraties op het bodemoppervlak in hun velden en boomgaarden - een blootstelling die onomkeerbare plantenschade kan veroorzaken, oogstopbrengsten verminderen en de voedselvoorziening bedreigen, zeggen materiaalchemici onder leiding van Trisha Andrew van de University of Massachusetts Amherst.

Inschrijven wetenschappelijke vooruitgang , co-eerste auteurs Jae Joon Kim en Ruolan Fan laten zien dat de methode van het Andrew Lab om geleidende polymeer "tatoeages" op plantenbladeren op te dampen, telers in staat kan stellen dergelijke ozonschade nauwkeurig te detecteren en te meten, zelfs bij lage blootstellingsniveaus. Hun veerkrachtige polymeertattoos op de bladeren zorgen voor "frequente en langdurige monitoring van cellulaire ozonschade in economisch belangrijke gewassen zoals druiven en appels, ' zegt André.

Zij schrijven, "We hebben druiven (Vitis vinifera L.) gekozen als onze modelplant omdat de vruchtopbrengst en de vruchtkwaliteit van wijnstokken aanzienlijk afnemen bij blootstelling aan ozon op leefniveau. leidt tot aanzienlijke economische verliezen." Ozon op leefniveau kan worden geproduceerd door de interactie tussen de nitraten in kunstmest en de zon, bijvoorbeeld.

UMass Amherst-vinoloog Elsa Petit, die het chemieteam adviseerde, zegt dat de sensortattoo vooral nuttig kan zijn voor de druivenindustrie. "Met klimaatverandering, ozon zal toenemen en deze nieuwe sensor kan zeer nuttig zijn om boeren te helpen handelen voordat de schade met het oog te herkennen is, " zegt ze. Ozon op leefniveau kan worden verminderd door vroege detectie en behandeling van het bodemoppervlak met houtskool of zeolietpoeders.

Zoals Andreas uitlegt, haar laboratorium, gefinancierd door de National Science Foundation, pasten de methode voor het opdampen van elektroden aan die ze eerder hadden ontwikkeld om stoffen voor medische detectieapparatuur te coaten voor een nieuw gebruik - op levende planten. De geleidende polymeerfilm, poly (3, 4-ethyleendioxytiofeen), PEDOT, is slechts 1 micron dik, dus het laat zonlicht binnen en beschadigt de bladeren niet. Niet-metaal, op koolstof gebaseerde polymeren die fungeren als geleidende elektroden worden sinds de uitvinding in de jaren 70 steeds vaker gebruikt in het ontwerp van zachte materialen, zij voegt toe.

"Onze tatoeage werkt als een tijdelijke tatoeage op een mens, " zegt Andrew. "Het spoelt niet weg en de elektrische eigenschappen van het polymeer gaan niet achteruit, zelfs over een lange tijd. We hebben wat getatoeëerde planten in een kas op de campus en een jaar later groeien ze nog steeds prima, het uitzetten van wortels en bladeren zoals normaal."

Om te testen op vroege ozonschade, zij en collega's gebruiken een draagbare impedantiespectrometer die is aangepast aan de menselijke medische praktijk. Wanneer het de elektrodetattoo raakt, een uitlezing meldt de relatie tussen elektrische weerstand en frequentie. Deze spanningswaarde verandert in aanwezigheid van verschillende factoren, inclusief oxidatieve schade door ozon.

Andreas zegt, "Je krijgt een golfvormbeeld; een softwareprogramma past bij de golf, zodat we bepaalde weefselparameters kunnen extraheren. We kunnen patronen herkennen voor verschillende soorten schade. Het is consistent en opmerkelijk nauwkeurig. Als je het gedurende een jaar op dezelfde plant gebruikt , zolang de plant gezond is verandert het signaal in die tijd niet echt."

"Het wetenschappelijk probleem is dat visuele ozonschade er precies hetzelfde uitziet alsof je de plant te weinig water hebt gegeven of te veel zon krijgt. Dit project werd intellectueel interessant voor ons toen we naar de ozonsignatuur van onze metingen keken en het was heel anders dan droogte of UV-schade. Ozon produceert een unieke verandering in de hoogfrequente elektrische impedantie en fasesignalen van bladeren."

De wetenschappers hopen dat hun uitvinding kan worden gebruikt door boeren en fruittelers die een paar 'reporterplanten' tussen gewassen kunnen plaatsen om periodiek de ozonniveaus in de bodem te controleren. "Het geeft je een beeld van wat er in je bodem gebeurt, " suggereert Andrew. "Je kunt worden gewaarschuwd als het kunstmestniveau verkeerd is, bijvoorbeeld. Dit kan gebeuren, vooral bij voedselgewassen die veel zon en kunstmest nodig hebben om te produceren, zoals meloenen, druiven en boomgaardvruchten. Sommige planten zijn er erg gevoelig voor."