Współczesne rolnictwo to często strzelanie na oślep kilogramami nawozów. Międzynarodowy zespół naukowców postanowił to ukrócić, udoskonalając czujnik azotanów, który w czasie rzeczywistym powie rolnikowi, czego naprawdę brakuje w ziemi.
Co roku europejscy rolnicy wysypują na pola miliony ton nawozów azotowych. Spora część z nich jest zużywana niepotrzebnie. Trafia do gleby, która ma już wystarczająco dużo azotu, a stamtąd spływa do rzek, jezior i wód gruntowych, powodując problemy ekologiczne warte miliardy euro.
Jak czytamy na łamach portalu Nauka w Polsce, naukowcy z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie i Instytutu Fizyki w Zagrzebiu opracowali czujnik, który pozwala zmierzyć stężenie azotanów w glebie na miejscu, bez wysyłania próbek do laboratorium. Jego serce to warstwa nanocząstek tlenku cynku z domieszką platyny. To materiał tak drobny, iż jego rozmiary mierzy się w milionowych częściach milimetra.
Problem za miliardy euro, którego rolnik nie widzi gołym okiem
Azot jest fundamentem życia roślin. Bez niego nie powstają białka, chlorofil ani kwasy nukleinowe, a roślina po prostu nie rośnie. Właśnie dlatego nawozy azotowe (mocznik, saletra amonowa, roztwory saletrzano-mocznikowe) są najpowszechniej stosowanymi nawozami na świecie. W samej Unii Europejskiej rolnictwo zużywa rocznie ponad 10 mln ton czystego azotu w formie nawozów mineralnych.
Problem w tym, iż rośliny wykorzystują zaledwie część podanego azotu. Szacunki wahają się od 40 do 70 proc., w zależności od typu uprawy, pogody i stanu gleby. Reszta zostaje w glebie, skąd wymywana jest przez deszcz do wód gruntowych, rzek i jezior. Tam azotany powodują eutrofizację, czyli nadmierne wzbogacanie wód w składniki odżywcze, które prowadzi do masowego rozwoju glonów, spadku poziomu tlenu i obumierania organizmów wodnych. To zjawisko, które dotyka zbiorników wodnych od Bałtyku po Adriatyk, i którego koszty ekologiczne i ekonomiczne są ogromne.
Unia Europejska od 1991 r. reguluje ten problem Dyrektywą Azotanową, która ogranicza ilość azotu z nawozów naturalnych do 170 kg na hektar rocznie w strefach wrażliwych. Limity prawne to jedno, a precyzyjna wiedza o tym, ile azotu jest w glebie tu i teraz, to zupełnie co innego. Rolnik podejmujący wiosenną decyzję o nawożeniu operuje w dużej mierze na wyczuciu, doświadczeniu i kalendarzowej rutynie, bo jedyna alternatywa, czyli laboratoryjne badanie gleby, jest kosztowna, czasochłonna i niepraktyczna w skali codziennej pracy.
Rolnik będzie mieć laboratorium w kieszeni
Standardowa procedura oznaczania azotanów w glebie wygląda tak: rolnik pobiera próbkę gleby z pola, pakuje ją, wysyła do akredytowanego laboratorium chemicznego, tam próbka jest suszona, mielona, ekstrahowana, analizowana metodą spektrofotometryczną lub chromatograficzną, a wynik wraca po kilku dniach do kilku tygodni. Koszt jednej analizy w Polsce to od kilkudziesięciu do ponad 100 zł w zależności od zakresu oznaczeń.
Dla dużego gospodarstwa, które chciałoby zbadać stężenie azotanów na każdym polu (a w idealnym scenariuszu w kilku punktach na każdym polu, bo gleba nie jest jednorodna), to wydatek i logistyka, które skutecznie zniechęcają do częstych pomiarów. W efekcie wielu rolników nawozi na oko albo według ogólnych zaleceń, które nie uwzględniają faktycznego stanu konkretnego pola w konkretnym momencie.
Tani, przenośny, dający wynik w minutach zamiast tygodni czujnik polowy zmieniłby to fundamentalnie. Rolnik mógłby sprawdzić glebę przed nawożeniem i dowiedzieć się, iż na jednym polu azotu brakuje, a na sąsiednim jest go za dużo. Zamiast nawozić wszystko jednakowo, mógłby nawozić precyzyjnie, oszczędzając pieniądze, zmniejszając straty nawozu i ograniczając wypłukiwanie azotanów do wód.
Rolnictwo precyzyjne oparte na danych z czujników, GPS, dronów i satelitów jest jednym z najszybciej rosnących sektorów agrobiznesu. Brakuje mu jednak jednego kluczowego elementu: taniego, wiarygodnego sensora glebowego, który da się zabrać w pole. I właśnie nad tym pracują naukowcy z Lublina i Zagrzebia.
Chemiczny nos z nanocząstkami platyny
Artykuł opublikowany w czasopiśmie Materials opisuje nowy typ elektrody jonoselektywnej (Ion-Selective Electrode) zaprojektowanej do oznaczania jonów azotanowych w próbkach glebowych. Ta działa trochę jak filtr radiowy. Z całego szumu sygnałów chemicznych obecnych w glebie wyłapuje wyłącznie jeden: jon azotanowy NO₃⁻. Ignoruje wszystko inne i reaguje tylko na to, czego szuka. Reakcja przybiera formę niewielkiego napięcia elektrycznego, którego wartość zmienia się proporcjonalnie do stężenia azotanów w badanej próbce. To napięcie trafia na miernik i zamienia się w liczbę, którą rolnik może odczytać.
Najważniejszym elementem całej konstrukcji jest membrana, czyli cienka warstwa materiału nałożona na elektrodę, która decyduje o selektywności pomiaru. To membrana rozpoznaje jony azotanowe i generuje sygnał. Problem w tym, iż styku między membraną a metalowym rdzeniem elektrody (miejscu, w którym chemia spotyka się z elektroniką) dotyczą największe słabości dotychczasowych konstrukcji: sygnał bywa niestabilny, dryfuje w czasie, a wyniki trudno odtworzyć, zwłaszcza gdy zamiast czystego roztworu laboratoryjnego analizuje się prawdziwą glebę z całym jej chemicznym bagażem.
Rozwiązanie zaproponowane przez polsko-chorwacki zespół polega na wstawieniu między membranę a rdzeń elektrody ultradrobnej warstwy pośredniej – nanocząstek tlenku cynku domieszkowanych metalem szlachetnym: platyną, srebrem lub złotem. Te cząstki, o rozmiarach kilkudziesięciu nanometrów, mają ogromną powierzchnię aktywną w stosunku do swojej objętości i doskonale przewodzą ładunki. Pełnią funkcję stabilizatora – tłumią szum, wyrównują dryfujący sygnał i sprawiają, iż pomiar jest powtarzalny choćby w warunkach, w których starsze konstrukcje traciły wiarygodność.
Wyniki testów robią wrażenie
Prawdziwym sprawdzianem dla wszystkich sensora laboratoryjnego jest moment, w którym musi zmierzyć się z rzeczywistością, a rzeczywistość glebowa jest chemicznie brutalna. Gleba to nie sterylny roztwór z jednym składnikiem: to mieszanina setek substancji, zmiennego pH, materii organicznej i dziesiątek jonów, które mogą zakłócać pomiar.
Zespół z Lublina i Zagrzebia poddał swoją elektrodę dokładnie takiemu testowi. Z pola pobrano próbkę naturalnej gleby, przygotowano z niej ekstrakt wodny i zmierzono w nim stężenie azotanów. Czujnik wskazał 196 ą 8,7 mg jonów azotanowych na kilogram suchej masy – w przeliczeniu na azot azotanowy daje to około 44 mg na kilogram. To wartość, przy której dodatkowe nawożenie azotem wymagałoby rozwagi: gleba jest już dobrze zaopatrzona.
Następnie do próbek glebowych wprowadzono ściśle odmierzone porcje azotanów i sprawdzono, ile z nich sensor rzeczywiście zarejestrował. Odzysk wyniósł od 97,2 do 101 proc. wartości rzeczywistej, co w analityce chemicznej uważa się za wynik bardzo dobry. Oznacza, iż obecność wszystkich substancji towarzyszących w glebie nie zakłóciła pomiaru w istotny sposób. Elektroda z nanocząstkami platyny poradziła sobie z realną próbką praktycznie tak samo dobrze jak z czystym roztworem kalibracyjnym.
Czujnik to nie gotowy produkt, ale droga od prototypu do pola jest krótsza, niż myślisz
To, co opisano w artykule, to prototyp laboratoryjny, nie gotowe urządzenie do kupienia w sklepie rolniczym. Elektroda wymaga dalszych prac nad miniaturyzacją, integracją z przenośnym miernikiem, odpornością na warunki polowe (temperatura, wilgoć, kurz) i nad obniżeniem kosztu produkcji na tyle, żeby była dostępna cenowo dla przeciętnego gospodarstwa.
Zobacz także:
Droga od prototypu elektrochemicznego do komercyjnego sensora polowego jest jednak znacznie krótsza niż w wielu innych dziedzinach technologii. Elektrody jonoselektywne to dojrzała, produkowana masowo od dekad technologia. Innowacja polsko-chorwackiego zespołu dotyczy konkretnego elementu, który poprawia stabilność i powtarzalność istniejącego typu sensora. Wdrożenie tego ulepszenia do komercyjnego produktu nie wymaga budowania nowej technologii od zera, ale modyfikacji istniejącej.
