Yhdysvaltain maanviljelijät menettävät vuosittain jopa 12 prosenttia satoistaan tauteihin ja vielä 12 prosenttia tuholaisiin. Sairaat kasvit aiheuttavat miljardeja dollareita menetettyä voittoa maatalousalalla.
Ongelmana on, kasvisairauksia on vaikea havaita ennen kuin on liian myöhäistä. Ajan myötä on näkyviä oireita - esimerkiksi kuivuneet lehdet tai värimuutokset - tauti on edennyt tarpeeksi, jotta se ei olisi hoidettavissa.
Mutta kasvit ilmoittavat ympäristöönsä, kun ovat sairaita tai uhattuna, vain tavalla, jota emme ole koskaan voineet ymmärtää reaaliajassa - tähän asti. Suunnittelijaryhmä, jota johtaa Georgian instituutin (Georgia Tech) elintarvikejalostustekniikan osaston päällikkö Gary McMurray, on kehittänyt menetelmän näiden viestien seuraamiseen ja purkamiseen, jotta viljelijät voivat tunnistaa ja hoitaa sairauksia ennen juurtumista. Hänen visio: robottivarret, jotka vangitsevat ja tunnistavat kasvien luonnolliset sairaussignaalit lennossa.
Kaikki kasvit tuottavat luonnollisia signaaleja haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) muodossa varoittaakseen ympäristöä siitä, mikä heitä hyökkää. McMurray-järjestelmä vangitsee nämä yhdisteet käyttämällä pienikokoista versiota kaasukromatografista (nimeltään mikro-GC). Laitteita, jotka kehitettiin alun perin 1900-luvun vaihteen ympäri, käytetään kemikaalien erottamiseen monimutkaisissa näytteissä - McMurrayn tapauksessa kasvi emittoi kaasuja. Kun kaasua kuumennetaan ja kuljetetaan pylvään läpi, ja elektroninen anturi havaitsee näytteen sisältämät yhdisteet.
Näytteitä ei puristeta tai niputetaan ja ajaa niitä takaisin laboratorioon analysointia varten - prosessi, jonka valmistuminen voi kestää päiviä tai viikkoja. Kaikki mikro-GC: n tarvitsema tieto on ilmassa, mikä tarkoittaa sairauksien hoitamista tai kasvien peittämistä niistä, voisi saada paljon nopeammin.
Kaasukromatografiasovellukset ulottuvat huomattavasti viljelykasvien ulkopuolelle. Esimerkiksi kotimaan turvallisuusministeriö käyttää niitä tiettyjen kaasujen ja vaarallisten kemikaalien havaitsemiseen. Ja tutkijat ovat myös käyttäneet niitä seuloakseen tietyntyyppisiä ihmisten ruuansulatuksesta johtuvia sairauksia.
Kromatografit ovat perinteisesti olleet suuria laitteita kaikkialla 3-10 metristä; nanomateriaalien ja valmistuksen edistyminen on antanut McMurraylle mahdollisuuden luoda 8-volttisen akun kokoinen.
”Emme olisi koskaan voineet rakentaa tätä; jopa viisi vuotta sitten se ei olisi ollut mahdollista ”, hän sanoo.
McMurrayn mikro-GC voitiin asentaa robottivarsiin olemassa oleviin maatilalaitteisiin, kuten traktoriin tai auraan. Varsi pitäisi laitetta kasvien lehtien yläpuolella ja keräisi ilmanäytteitä. Pieni tietokone, joka ei ole tehokkaampi kuin kannettava tietokone tai iPhone, voi sitten käsitellä näytteistä saatuja tietoja patogeenien tunnistamiseksi; nopea heliumin huuhtelu valmistaa anturia arvioimaan seuraavaa näytettä.
Koska ne ovat niin pieniä, "[voimme] rakentaa useita mikro-GC: itä yhdelle robotille", McMurray sanoo. "Niitä voi olla 10, 20 tai jopa 100 yhdellä traktorilla."
Tämä tarkoittaa, että yksi traktori voi kerätä näytteitä varista, juurista ja silmuista samanaikaisesti.
Mikro-GC-järjestelmää voitaisiin käyttää myös kaikkien ruokiemme - hedelmistä vihanneksiin ja jyviin - tautien seulontaan.
”[Maapallon] ympäri kuljetettavat tuoretuotteet voivat kantaa erilaisia tuholaisia tai sairauksia. Jos sinulla on jonkinlainen kenttälaite tai siirrettävä anturi, voisit havaita kasvien aiheuttamat VOC-pitoisuudet ”, McMurray olettaa. "Se voisi ratkaista joitain erittäin suuria ongelmia."
Ryhmä viimeistelee parhaillaan mikro-GC: n laboratoriotestausta varmistaakseen, että sen tulokset ovat yhdenmukaisia suurempien kromatografointien tulosten kanssa. Elo- tai syyskuussa he suorittavat ensimmäisen kenttätestin, jossa tutkija kävelee mikro-GC: tä persikkakenttien läpi Peachtree-juurimästä varten.
Ensimmäisessä testissä keskitytään tiettyyn sairauteen, mutta kaasukromatografialla voidaan seuloa kymmeniä patogeenejä kerralla, mikä erottaa sen myös muista lähestymistavoista, McMurray sanoo.
Jopa tekniikan kanssa, kasvipatologien on silti kartoitettava tiettyihin suunnitelmiin ja tiettyihin sairauksiin liittyvät VOC-päästöt.
Kasveilla, joiden VOC-päästöt on jo dokumentoitu, tehdään jalka ylös, kun mikro-GC-seulonta on käynnissä; toiset vaativat enemmän aikaa ja tutkimusta diagnoosiin ja hoitoon. "Valitsemamme taudinaiheuttajan, kukaan ei tiedä mitään", McMurray sanoo, "mutta esimerkiksi tietyistä sienistä tiedetään paljon."
Mutta Georgia Tech micro GC on tärkeä käännekohta käytettävyydelle ja skaalautuvuudelle, McMurray sanoo.
"Se mitä olemme mielestämme ainutlaatuista", McMurray sanoo, "nämä uudet valmistusprosessit avaavat aivan uuden anturien aikakauden."
