Onderzoekers van de Washington State University hebben een manier ontwikkeld om de gezondheid van de bodem te beoordelen door de elektrische stroom te meten die wordt geproduceerd door de kleinste microben.

Het team gebruikte een sonde die oorspronkelijk was ontwikkeld om het elektrochemische signaal van microben in aquatische omgevingen te meten. en testte het op gezonde en ongezonde bodemmonsters om het microbiële metabolisme en andere indicatoren van bodemgezondheid te meten. Dit proof-of-concept onderzoek, gepubliceerd in Journal of The Electrochemical Society , zou op een dag kunnen leiden tot een eenvoudige, real-time test voor boeren om te bepalen of de bodem productief is.

"De bodem vormt de basis van al het voedsel dat we eten, en het meeste ervan is wereldwijd afgebroken, zei Maren Friesen, een universitair hoofddocent bij de afdelingen Plantenziektekunde en Gewas- en Bodemwetenschappen en een co-auteur van het onderzoek. "Een van de grootste belemmeringen voor het verbeteren van de bodem is het niet kunnen beschikken over snelle, real-time meting om passende beheerstrategieën voor hen te ontwikkelen. Deze sensor heeft het potentieel om realtime metingen te doen, niet alleen van de structuur van de bodem, maar ook van hoe deze daadwerkelijk functioneert. Het zou een enorme vooruitgang zijn in het veld."

"Ik geloof dat dit een van onze belangrijkste werken is en een grote impact zal hebben op de bepaling van de bodemgezondheid, " zei Haluk Beyenal, professor in de Gene en Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering en corresponderende auteur op het papier.

Andere co-auteurs van het onderzoek zijn onder meer postdoctoraal onderzoeker Abdelrhman Mohamed, en afgestudeerde studenten Eduardo Sanchez en Natalie Sanchez.

Bodemgezondheid is van cruciaal belang voor het succes van landbouw en gewassen wereldwijd, maar meten is niet eenvoudig. Boeren en onderzoekers gebruiken bodemchemie, nutriënten analyse, textuur- en pH-metingen om inzicht te krijgen in de fysische en chemische eigenschappen van de bodem. Hoewel die informatie waardevol kan zijn, het geeft niet altijd weer hoe productief de bodem eigenlijk is.

Dat komt omdat een sleutel tot bodemproductiviteit is hoe microben werken, zei Friesen. Miljarden bacteriën, schimmels en andere organismen spelen een cruciale rol bij de mobilisatie en bevoorrading van voedingsstoffen, verdediging tegen ziekteverwekkers en plantengroei. Maar, tot nu, er is geen eenvoudige, real-time manier om de microbiële activiteit te meten.

"Wat een bodem gunstig maakt voor een plant, is dat deze leeft en al deze bacteriën en schimmels bevat, " ze zei.

In de nieuwe krant het WSU-onderzoeksteam was in staat om stroom door de bodem te meten om microbiële activiteit te bepalen, en onderscheid te maken tussen gezonde en ongezonde bodems.

De onderzoekers gebruikten een sonde die ze een paar jaar geleden ontwikkelden om het elektrochemische signaal van microben in aquatische omgevingen te meten. Vergelijkbaar met hoe mensen eten en ademen, micro-organismen nemen voedsel op en gebruiken vervolgens elektronen die vrijkomen tijdens het metabolisme voor hun energie. Eindelijk, microben geven deze elektronen af ​​aan een acceptormolecuul zoals zuurstof. De sonde die het team ontwikkelde, vervangt deze acceptormoleculen door een elektrode. Met behulp van deze elektrode, ze kunnen dan de elektrische stroom meten en een idee krijgen van de omvang van de microbiële activiteit.

"We zijn in staat om de stofwisseling van de microben te meten door elektronen op te vangen die vrijkomen als onderdeel van het metabolisme, " zei Mohammed, een postdoctoraal onderzoeker aan de Voiland School. "We kijken naar de microben die in de grond ademen."

De twee bodemmonsters die de onderzoekers gebruikten, zijn verzameld bij het R.J. Cook Agrinomy Farm en zagen er qua bodemsamenstelling bijna identiek uit. Ze werden allebei verzameld op percelen die niet waren bewerkt, waren relatief hoog in organische stof, en had dezelfde pH en grondsoort. Maar, de onderzoekers hadden gegevens waaruit bleek dat een van de gronden aanzienlijk productiever was in zijn tarweopbrengst dan de andere.

De onderzoekers ontdekten dat de meer productieve grond een elektrische stroom produceerde, terwijl de minder productieve grond bijna geen stroom produceerde - ongeveer 1% van de meer productieve grond.

"Er was een echt dramatisch verschil in de hoeveelheid opgewekte stroom, ’ zei Friese.

Ze vonden ook een ander verschil tussen de twee bodems in het open circuitpotentieel gemeten in de bodem. Toen ze suiker toevoegden om de metabolische activiteit te stimuleren, de onderzoekers zagen ook de elektrochemische signalen veranderen in de gezonde en ongezonde bodemmonsters die convergeerden, wat suggereert dat de toevoeging van suiker de microbiële activiteit in beide grondsoorten stimuleerde.

"Dat zouden we binnen een paar dagen kunnen zien, de microben in de bodem begonnen te ademen, ' zei Mohammed.

Met alleen de twee grondmonsters die aanvankelijk werden vergeleken, de onderzoekers zeggen dat hun idee nog steeds slechts een proof of concept is. Ze hebben veel aanvullende vragen, zoals wat de wezens doen om stroom te genereren en welke specifieke micro-organismen in de monsters kunnen zijn om productieve grond te creëren.

"We hebben twee verschillende signalen, maar wat vertellen ze echt in termen van de fundamentele parameters van de bodem?" zei Mohamed. "Beide parameters vertellen iets verschillende dingen, en we moeten werken aan hun interpretatie."

Ze willen ook veel meer bodems testen, ook op echte landbouwvelden in plaats van in de gecontroleerde omgeving van een laboratorium. Ze hopen uiteindelijk een draagbare sonde te ontwikkelen die rechtstreeks in de grond kan worden ingebracht om realtime informatie te verstrekken.

"In termen van werken aan een rechtvaardige samenleving met duurzame wereldwijde voedselproductie, Ik denk dat dit de potentie heeft om een ​​baanbrekende technologie te zijn, ' zei Friese.