토양의 다량 영양소를 측정하는 방법은 무엇인가요?

다행히도 흙에 존재하는 영양분을 측정하기 위해 흙을 핥을 필요는 없습니다.

다음과 같은 과학자 마리아 L. 브라운거 박사 그리고 안토니오 리울 주니어 박사 는 이를 위해 전자 혀를 개발하고 있습니다. 두 연구자는 토양의 영양분을 측정하기 위한 새로운 전략과 장치를 개발하고 있습니다.

그렇다면 이 장치는 어떻게 작동하며 토양 영양분을 측정해야 하는 이유는 무엇일까요?

브라운거 박사와 리울 박사는 다음과 같이 말했습니다. 그들의 작업: "생산 면적을 늘리지 않고 식량에 대한 세계 수요가 증가하려면 농업 및 천연 자원을 더 잘 활용해야 하며, 이는 정밀 농업을 위한 더 나은 도구의 개발로 농약과 비료의 과도한 사용을 피해야 한다는 것을 의미합니다. 이 안에서 컨텍스트토양 특성화를 위한 상세 정보는 토양 관리와 작물 재배에 중요합니다. 생산성 정밀 농업을 다룰 때 말이죠."

알아야 할 사항

채소를 재배할 때는 작물 성장을 위해 미네랄 영양소가 필요합니다.

두 가지가 있습니다. 유형 미네랄 영양소, 미량 영양소, 다량 영양소로 나뉘는데, 이 구분은 필수 영양소의 많고 적음이 아니라 작물에 필요한 양과 상관관계가 있습니다.

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Mind the Graph의 토양 관련 삽화

다량 영양소가 다량으로 필요한 이유 중 하나는 다량 영양소가 구조적 역할을 하고, DNA(데옥시리보핵산)와 RNA(리보핵산)의 작은 부분, 효소 활성화 및 광합성에 존재한다는 사실입니다.

여섯 화학 원소는 다량 영양소 미네랄로 간주됩니다: 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 유황(S).

정밀 농업은 토양에 적절한 양의 다량 영양소와 미량 영양소를 보유하는 것을 의미하며, 저자는 다음과 같이 말합니다. 중요성 건강한 토양을 유지하는 데 도움이 됩니다. 

이러한 농업 접근 방식은 농촌 생산의 효율성, 생산성 및 지속 가능성을 개선하기 위해 사용 가능한 모든 데이터를 고려합니다. 채소마다 필요한 영양소가 다르기 때문에 토양은 채소가 건강하게 자라는 데 필요한 모든 영양소를 제공해야 합니다. 그러나 영양분의 양은 토양에서 사람의 눈으로 볼 수 없으므로 측정이 필요합니다. 

오늘날의 기술은 샘플을 전문 기관에 보내 토양 영양분을 측정합니다. 실험실 느리고 비싼 화학 분석을 위해. 저자의 전자 혀(전자 혀)는 곧 현지에서 빠르고 저렴하게 분석할 수 있는 최첨단 장치입니다.

하지만 전자 혀란 무엇이며 어떻게 흙의 맛을 느낄 수 있을까요?

인간의 미각은 짠맛, 신맛, 쓴맛, 단맛, 감칠맛을 감지하는 미뢰를 통해 이루어집니다. 미각 수용체 는 타액에 녹아 있는 음식물에 존재하는 이온과 반응하는 역할을 합니다.

세포는 맛에 대한 엄청난 전기적 정보를 뇌로 보냅니다. 

전자 혀는 사람의 혀를 모방한 장치로, 일반적으로 미뢰를 모방한 여러 감지 장치로 구성됩니다. 간단히 말해, 액체에 담그면 감지 장치가 전기적 특성의 변화를 통해 외부 환경의 변화를 느낄 수 있습니다.

장치

토양 샘플을 측정하려면 토양을 물에 녹인 후 4개의 센서 어레이를 통과시켜야 합니다.

샘플은 유전체 매체로, 센서는 병렬 플레이트 커패시터로 작동합니다. 센서 어레이를 통과하는 시료에 존재하는 이온은 전기적 특성에 따라 임피던스를 다르게 변화시킵니다. 자연 각 감지 장치를 구성하는 재료의 비율입니다. 

The 차이 전기적 응답에서 분석된 샘플의 지문을 생성합니다. 센서의 정전 용량 임피던스 데이터는 진폭이 25mV인 정현파 신호의 1Hz~1MHz 주파수 스윕을 통해 수집됩니다.

모든 감지 단위의 변화를 함께 고려하고 수학적 처리를 적용하면 2D 평면 플롯에서 샘플에 대한 측정 지점을 가질 수 있습니다. 

다음 과제

지금까지는 전자 혀가 정성적인 반응을 보였을 수 있지만, 오늘날의 과제는 토양 샘플에 칼륨(예: 칼륨)이 얼마나 많이 존재하는지 정량적으로 측정하는 것입니다. 

다른 방법은 표준 토양(예: 칼륨이 풍부한 토양)이 있고 이 방법은 토양 샘플의 칼륨 양을 추정하여 샘플이 해당 표준에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알려줍니다. 각 다량 영양소에 대한 표준이 있으면 샘플이 각 영양소에 너무 가깝거나 너무 먼지(각각 부족하거나 풍부한지) 확인할 수 있습니다.

Mind the Graph로 만든 과학 피규어

전자 혀 반응을 통해 토양의 영양소 균형을 파악하면 농부는 특정 지역에 적합한 비료를 선택하여 토양 교정을 관리할 수 있으므로 맹목적인 선택으로 인한 낭비를 줄일 수 있습니다.

낭비를 줄이고 생산성을 향상시키는 것이 정밀 농업의 목표이며, 브라운거 박사와 라울 박사는 이 장치를 통해 저렴하고 간단하며 빠르게 현장에서 사용할 수 있는 장치로 정밀 농업을 지원하고자 합니다. 곧 전자 혀가 미래의 농업에서 농부들을 도울 수 있기를 기대합니다.

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브라운거 박사와 라울 박사가 농부들을 돕고 있습니다, Mind the Graph 는 필요한 모든 것을 찾을 수 있는 다양한 일러스트레이션 카테고리로 논문이나 프레젠테이션을 준비하는 데 도움이 됩니다.


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