Labor im Reagenzglas: Überwachung der Bodenchemie, ohne sie zu stören
Tragbares und automatisches Minilabor in Röhrenform entwickelt
Ein Forscherteam hat ein tragbares und automatisches Labor entwickelt, das die Bodenchemie in Echtzeit überwachen kann - und das ohne teure Komponenten. Ziel ist es, uns einen leichteren Zugang zu den Prozessen zu verschaffen, die normalerweise unter unseren Füßen stattfinden.
Stellen Sie sich vor, Sie führen eine Kamera in den Boden ein und erhalten kontinuierlich einen Überblick darüber, wie sich der Sauerstoff zwischen den Bodenpartikeln bewegt. Oder wie sich der pH-Wert im Laufe eines Tages verändert, wenn Regenwasser durchsickert. Das klingt nach einer großartigen Idee, und eine Gruppe von Forschern an der Universität Aarhus ist auch dieser Meinung. Gemeinsam mit deutschen Kollegen machen sie es jetzt möglich.
Sie haben ein tragbares und automatisches Minilabor in Röhrenform entwickelt, das MARTINIS heißt und mit dem bestimmte chemische Parameter im Boden an Ort und Stelle gemessen werden können - also dort, wo sie natürlicherweise vorkommen -, ohne den lebendigen Mikrokosmos Boden zu stören.
"Der Boden ist sehr komplex - und sobald wir in ihm graben, verändern wir ihn", erklärt der außerordentliche Professor Klaus Koren vom Fachbereich Biologie der Universität Aarhus. "Mit MARTINIS können wir beobachten, was im Laufe der Zeit passiert, in hoher Auflösung und ohne die Proben zu berühren."
Klaus Koren ist Mitautor der wissenschaftlichen Arbeit über MARTINIS, die in der Zeitschrift Sensors and Actuators B: Chemical veröffentlicht wurde.
Sensorfilm im Boden
Das System arbeitet mit so genannten planaren Optoden - dünne Sensoren, die aufleuchten oder ihre Farbe ändern, wenn sie bestimmten chemischen Substanzen wie Sauerstoff, Ammoniak oder pH-Veränderungen ausgesetzt werden. Dies ist eine bekannte Technologie, die seit langem in Labors eingesetzt wird. Bei der Analyse einer Bodenprobe im Labor erhält man jedoch nur Daten darüber, was genau dort vorhanden ist, wo und wann die Probe entnommen wurde.
"Wir haben die Laborausrüstung auf einen Zylinder mit einem Durchmesser von 25 Zentimetern verkleinert, der in den Boden eingegraben werden kann und eine kontinuierliche Erfassung der umgebenden Bodenumgebung ermöglicht", erklärt der Doktorand Martin Reinhard Rasmussen, der das System entwickelt hat - und dessen Vorname übrigens nichts mit dem Projektnamen zu tun hat.
- So funktioniert MARTINIS (Multi Analyte Real Time In-situ Imaging System):
- Die Optoden sind an der Außenseite eines Plexiglasrohrs angebracht, das in den Boden eingegraben wird. Im Inneren des Rohrs befindet sich eine LED-Lampe, die Licht in den Wellenlängen ausstrahlt, die für die nachzuweisenden Stoffe geeignet sind, sowie eine Kamera, die das von der Optode ausgesandte Licht aufzeichnet. Das gesamte System wird von einem Raspberry-Pi-Computer gesteuert, der automatisch Bilder aufnimmt und die Bewegung steuert - die gesamte Anordnung kann sich im Rohr auf und ab bewegen und um 360 Grad drehen.
- Der Vorteil der planaren Optoden besteht darin, dass sie nicht nur einen einzigen Punkt messen, sondern zweidimensionale Bilder der chemischen Bedingungen des Bodens erstellen - was für die Beschreibung komplexer Bodenprozesse entscheidend ist. Und weil sich die Kamera bewegen und Bilder in Sequenzen aufnehmen kann, ist es möglich, ganze Bodenprofile zu "Panoramen" zusammenzufügen.
"Das Ganze läuft automatisch und kostet nur 5-600 Euro, um es selbst zu bauen - und alle Teile und Software sind Open Source", sagt Martin Reinhard Rasmussen.
Im ersten Modell speichert das System Bilder auf einer SD-Karte, aber das Ziel ist es, es mit einer 5G-Karte auszustatten. Eine Zukunftsvision ist auch die Kombination von MARTINIS-Daten mit Drohnen- und Satellitendaten.
MARTINIS ist noch nicht vollständig als kommerzielles Produkt entwickelt. Die Forscher bemühen sich derzeit um eine Finanzierung, um sowohl die Software als auch eine robustere, feldtaugliche Version weiterzuentwickeln.
Das System wurde bereits sowohl in Blumenerde im Labor als auch im Feld in Deutschland getestet, wo es die Sauerstoffdynamik in Bodenschichten über mehrere Monate hinweg ohne Fehlfunktionen, selbst bei Regen und Schnee, gemessen hat. Es wurde auch in den Rocky Mountains erprobt, wo es die Veränderungen in der Bodenchemie nach einem Waldbrand verfolgte.
Vom Kompost zur Beratung
Durch die Überwachung des pH-Werts und des Sauerstoffgehalts im Laufe der Zeit und an verschiedenen Orten lässt sich leichter beurteilen, wie sich die Bodenchemie verändert - zum Beispiel nach einer Düngung oder bei unterschiedlichen Anbaumethoden. Für eine wirksame Kompostierung ist zum Beispiel viel Sauerstoff erforderlich.
Das System ist eindeutig vielversprechend für die Landwirtschaft, aber es ist unwahrscheinlich, dass einzelne Landwirte in dieses System investieren werden.
Das ist die Ansicht von Professor Klaus Butterbach-Bahl, einem Mitautor der Studie. Er leitet das Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures (Land-CRAFT) an der Universität Aarhus, der auch Martin Reinhard Rasmussen angehört.
"Wahrscheinlich werden es eher Berater und Ingenieure sein, die das System nutzen und Landwirte auf der Grundlage der von ihnen gesammelten und analysierten Daten beraten. Und wir werden es in unserer Forschung bei Land-CRAFT einsetzen, wo wir Einblicke in Redoxreaktionen und Veränderungen des Sauerstoff- und pH-Werts gewinnen können", sagt er.
Bei SEGES Innovation - einem unabhängigen Forschungs- und Innovationsunternehmen, das sich für eine nachhaltige und wettbewerbsfähige Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion einsetzt - sieht Klimaspezialistin Franziska Petra Eller ebenfalls großes Potenzial in der neuen Erfindung:
"MARTINIS ermöglicht Einblicke in eine sonst schwer zugängliche Umgebung: den Boden. Der In-situ-Einsatz von planaren Optoden ermöglicht realistischere Untersuchungen der räumlichen und zeitlichen Dynamik der Bodenchemie auf landwirtschaftlichen Flächen. Die angewandte Forschung wird zweifellos von dieser Ausrüstung profitieren, zumal sie eine einfache automatische Erfassung von chemischen Bodendaten über längere Zeiträume mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglicht."
Überwachung von Klima und Umwelt
Die Messungen von MARTINIS kommen nicht nur der Landwirtschaft zugute, sondern könnten auch zu umfassenderen Umwelt- und Klimastudien beitragen. Wenn Forscher anoxische Mikroumgebungen - Bereiche im Boden ohne Sauerstoff - überwachen, erhalten sie Einblicke in die Prozesse, die zur Emission des Treibhausgases Lachgas (N₂O) führen, das eine wichtige Rolle beim Klimawandel spielt. Und pH-Daten können zum Verständnis der Ammoniakverdunstung beitragen, die die Wolkenbildung in der Atmosphäre beeinflusst.
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