혀로 토양 다량 영양소 측정

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 않고도 전 세계적으로 식량 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. 이러한 맥락에서 토양 특성화를 위한 상세한 정보는 정밀 농업에 있어 토양 관리와 작물 생산성에 매우 중요합니다."

알아야 할 사항

채소를 재배할 때는 작물 성장을 위해 미네랄 영양소가 필요합니다.

미네랄 영양소에는 미량 영양소와 다량 영양소의 두 가지 유형이 있으며, 이러한 구분은 필수 영양소의 많고 적음이 아니라 작물에 필요한 양과 상관관계가 있습니다.

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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.

6가지 화학 원소가 다량 영양소 미네랄로 간주됩니다: 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 유황(S).

정밀 농업은 토양에 다량 영양소와 미량 영양소를 적절히 공급하는 것을 의미하며, 저자는 건강한 토양을 유지하는 것이 중요하다고 말합니다.

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 느리고 비용이 많이 드는 화학 분석을 위해 샘플을 전문 실험실로 보내 토양 영양분을 측정합니다. 저자가 개발한 전자 혀(전자 텅)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. 미뢰의 미각 수용체 세포는 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 각 감지 장치를 구성하는 재료의 전기적 특성에 따라 임피던스를 다르게 변화시킵니다.

전기적 응답의 차이는 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.