Makronährstoffe im Boden mit der Zunge messen

Wie misst man Makronährstoffe im Boden?

Zum Glück muss niemand an der Erde lecken, um die darin enthaltenen Nährstoffe zu messen.

Wissenschaftler wie Dr. Maria L. Braunger und Dr. Antonio Riul Jr. arbeiten an einer elektronischen Zunge, die dies ermöglicht. Beide Forscher entwickeln neue Strategien und Geräte für die Nährstoffmessung im Boden.

Aber wie funktioniert dieses Gerät und warum besteht der Bedarf, die Nährstoffe im Boden zu messen?

Wie Dr. Braunger und Dr. Riul in ihre Arbeit: "Die weltweit steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln bei gleichzeitiger Vergrößerung der Produktionsfläche erfordert eine bessere Nutzung der landwirtschaftlichen und natürlichen Ressourcen, was bedeutet, dass die Entwicklung besserer Instrumente für die Präzisionslandwirtschaft einen übermäßigen Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln vermeiden sollte. In diesem Zusammenhang sind detaillierte Informationen zur Bodencharakterisierung wichtig für die Bodenbewirtschaftung und die Pflanzenproduktivität im Rahmen der Präzisionslandwirtschaft."

Was Sie wissen müssen

Beim Gemüseanbau werden Mineralstoffe benötigt, um die Entwicklung der Pflanzen zu gewährleisten.

Es gibt zwei Arten von Mineralstoffen, Mikronährstoffe und Makronährstoffe, wobei diese Unterteilung nicht mit einer größeren oder geringeren Wichtigkeit korreliert, sondern mit der von der Pflanze benötigten Menge.

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Eine Erklärung für den hohen Bedarf an Makronährstoffen ist die Tatsache, dass sie eine strukturelle Rolle spielen, in den kleinen Teilen der DNA (Desoxyribonukleinsäure) und der RNA (Ribonukleinsäure) enthalten sind, bei der Aktivierung von Enzymen und der Photosynthese.

Sechs chemische Elemente werden als Makronährstoff-Mineralien betrachtet: Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K), Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und Schwefel (S).

Präzisionslandwirtschaft bedeutet, die richtigen Mengen an Makro- und Mikronährstoffen im Boden zu haben, und die Autoren weisen darauf hin, wie wichtig es ist, einen gesunden Boden zu erhalten.

Bei diesem Ansatz der Landwirtschaft werden alle verfügbaren Daten berücksichtigt, um die Effizienz, Produktivität und Nachhaltigkeit der ländlichen Produktion zu verbessern. Die Gemüsearten haben unterschiedliche Bedürfnisse, und der Boden sollte sie mit allen für ein gesundes Wachstum erforderlichen Nährstoffen versorgen. Die Menge der Nährstoffe ist jedoch für das menschliche Auge im Boden nicht sichtbar und muss daher gemessen werden.

Mit der heutigen Technologie werden die Nährstoffe im Boden gemessen, indem die Proben zur langsamen und teuren chemischen Analyse an ein spezialisiertes Labor geschickt werden. Die elektronische Zunge des Autors (e-tongue) ist ein hochmodernes Gerät, das in Kürze eine lokale, schnelle und kostengünstige Analyse verspricht.

Aber was ist eine E-Zunge und wie schmeckt sie den Boden?

Bei der menschlichen Geschmackswahrnehmung nehmen die Geschmacksknospen salzige, saure, bittere, süße und umami-Aromen wahr. Die Geschmacksrezeptorzellen in den Geschmacksknospen reagieren mit Ionen, die in den im Speichel gelösten Lebensmitteln enthalten sind.

Die Zellen senden dem Gehirn unermessliche elektrische Informationen über den Geschmack.

Die elektronische Zunge ist ein Gerät, das das menschliche Gegenstück nachahmt und im Allgemeinen aus einer Reihe von Sensoreinheiten besteht, die die Geschmacksknospen simulieren. Kurz gesagt, wenn sie in eine Flüssigkeit getaucht werden, können die Sensoreinheiten Veränderungen in der äußeren Umgebung durch Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften spüren.

Das Gerät

Um eine Bodenprobe zu messen, muss der Boden in Wasser aufgelöst und durch eine Anordnung von vier Sensoren geleitet werden.

Die Probe wirkt wie ein dielektrisches Medium und der Sensor wie ein Parallelplattenkondensator. Die in der Probe vorhandenen Ionen, die das Sensorarray passieren, verändern die Impedanz unterschiedlich, je nach der elektrischen Beschaffenheit der Materialien, aus denen die einzelnen Sensoreinheiten bestehen.

Der Unterschied in der elektrischen Antwort erzeugt einen Fingerabdruck der analysierten Probe. Die kapazitiven Impedanzdaten eines Sensors werden durch einen Frequenzdurchlauf zwischen 1 Hz und 1 MHz eines sinusförmigen Signals mit einer Amplitude von 25 mV erfasst.

Berücksichtigt man die Variation aller Messeinheiten zusammen und wendet eine mathematische Behandlung an, ist es möglich, einen Messpunkt für eine Probe in einem 2D-Plot zu erhalten.

Die nächste Herausforderung

Bisher konnte die E-Zunge nur qualitativ reagieren, und die Herausforderung besteht heute darin, quantitativ zu messen, wie viel Kalium (zum Beispiel) in einer Bodenprobe vorhanden ist.

Eine Alternative ist die Verwendung eines Standardbodens (z. B. reich an Kalium), und die Methode gibt an, wie weit die Probe von diesem Standard entfernt ist, indem sie die Kaliummenge in der Bodenprobe schätzt. Wenn man für jeden Makronährstoff einen Standard hat, kann man überprüfen, ob eine Probe zu nah oder zu weit (arm bzw. reich) von den einzelnen Nährstoffen entfernt ist.

Wissenschaftliche Figur aus Mind the Graph

Mit Hilfe der E-Zungen-Antwort und der Kenntnis des Nährstoffgleichgewichts im Boden kann der Landwirt die Bodenkorrektur durch die Wahl des richtigen Düngers in einer bestimmten Region steuern und so die Verschwendung einer blinden Wahl verringern.

Mit diesem Gerät wollen Dr. Braunger und Dr. Raul die Präzisionslandwirtschaft mit einem Gerät unterstützen, das kostengünstig, einfach, schnell und vor Ort einsetzbar ist. Wir hoffen, dass wir bald E-Zungen haben werden, die den Landwirten in der Landwirtschaft der Zukunft helfen.

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