Elk jaar verliezen Amerikaanse boeren tot 12 procent van hun gewassen aan ziekten en nog eens 12 procent aan plagen. Zieke planten zijn goed voor miljarden dollars aan verloren winst in de landbouwsector.
Het probleem is dat plantenziekten moeilijk te herkennen zijn voordat het te laat is. Tegen de tijd zijn er zichtbare symptomen - bijvoorbeeld verwelkte bladeren of verkleuring - de ziekte is zo ver gevorderd dat deze niet te behandelen is.
Maar planten laten hun omgeving weten wanneer ze ziek zijn of worden aangevallen, alleen niet op een manier die we ooit in realtime hebben kunnen begrijpen - tot nu toe. Een team van ingenieurs onder leiding van Gary McMurray, afdelingshoofd voor voedselverwerkingstechnologie bij het Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), heeft een methode ontwikkeld om die berichten te volgen en te decoderen zodat boeren ziekten kunnen identificeren en behandelen voordat ze wortel schieten. Zijn visie: robotarmen die de natuurlijke ziektesignalen van planten tijdens de vlucht vastleggen en identificeren.
Alle planten produceren natuurlijke signalen, in de vorm van vluchtige organische stoffen (VOS), om de omgeving te waarschuwen voor wat hen aanvalt. Het systeem van McMurray vangt die verbindingen op met behulp van een miniatuurversie van een gaschromatograaf (een micro-GC). De apparaten, die oorspronkelijk rond het begin van de 20e eeuw werden ontwikkeld, worden gebruikt om chemicaliën in complexe monsters te scheiden - in het geval van McMurray, de gassen die een plant uitstoot. Terwijl gas wordt verwarmd en door een kolom wordt geleid, detecteert een elektronische sensor de verbindingen die het monster bevat.
Er worden geen monsters geknepen of geplukt en teruggebracht naar het laboratorium voor analyse - een proces dat dagen of weken kan duren. Alle informatie die de micro-GC nodig heeft, is in de lucht, wat betekent dat het behandelen van ziekten of het redden van planten er veel sneller van kan worden.
De toepassingen voor gaschromatografie reiken veel verder dan gewassen. Het Department of Homeland Security gebruikt ze bijvoorbeeld om bepaalde soorten gassen en gevaarlijke chemicaliën te detecteren. En onderzoekers gebruiken ze ook om te screenen op bepaalde soorten spijsverteringsziekten bij mensen.
Traditioneel waren chromatografen grote apparaten van 3 tot 10 meter lang; door de vooruitgang in nanomaterialen en productie heeft McMurray er een kunnen maken die zo groot is als een 8-volt batterij.
“We hadden dit nooit kunnen bouwen; zelfs vijf jaar geleden het zou niet mogelijk zijn geweest ', zegt hij.
McMurray's micro-GC kan op een robotarm worden gemonteerd op bestaande landbouwmachines, zoals een tractor of ploeg. De arm zou het apparaat boven de bladeren van de plant houden en luchtmonsters verzamelen. Een kleine computer, niet krachtiger dan een standaardlaptop of iPhone, kan vervolgens gegevens uit de monsters verwerken om eventuele ziekteverwekkers te identificeren; een snelle spoeling van helium bereidt de sensor voor op het evalueren van het volgende monster.
Omdat ze zo klein zijn, "kunnen [we] meerdere micro-GC's op één robot bouwen", zegt McMurray. "Ik kan er 10, 20, zelfs 100 op één tractor hebben."
Dat betekent dat een tractor tegelijkertijd monsters van stengels, wortels en knoppen kon verzamelen.
Het micro GC-systeem kan ook worden gebruikt om al ons voedsel, van fruit tot groenten en granen, op ziekten te screenen.
“Verse producten die over de hele wereld worden verscheept, kunnen verschillende plagen of ziekten bevatten. Als je een soort in het veld inzetbare of mobiele sensor hebt, kun je de VOS detecteren die van de planten afkomen, ”postuleert McMurray. "Het zou een aantal zeer grote problemen kunnen oplossen."
Het team is momenteel bezig met het voltooien van laboratoriumtests voor de micro-GC om ervoor te zorgen dat de resultaten consistent zijn met die van grotere chromatografen. In augustus of september zullen ze hun eerste veldtest uitvoeren, waarbij een onderzoeker een micro-GC door perzikvelden loopt om te testen op Peachtree Root Rot.
Terwijl die eerste test zich op een specifieke ziekte zal concentreren, kan gaschromatografie tegelijkertijd op tientallen pathogenen screenen, wat het ook onderscheidt van andere benaderingen, zegt McMurray.
Zelfs met de technologie zullen plantenpathologen nog steeds de VOS-uitstoot in kaart moeten brengen die gepaard gaat met bepaalde plannen en bepaalde ziekten.
Planten waarvan de VOS-uitstoot al goed is gedocumenteerd, zullen een opstapje krijgen wanneer micro-GC-screening van start gaat; anderen hebben meer tijd en onderzoek nodig om een diagnose te stellen en te behandelen. "De ziekteverwekker die we hebben gekozen, weet niemand, " zegt McMurray, "maar er is bijvoorbeeld veel bekend over bepaalde schimmels."
Maar de Georgia Tech micro GC is een belangrijk keerpunt in bruikbaarheid en schaalbaarheid, zegt McMurray.
"Wat we denken dat uniek is, " zegt McMurray, "deze nieuwe productieprocessen openen een heel nieuw tijdperk van sensoren."
