Laboratorie i et rør: Sådan kan man følge med i jordens kemi uden at forstyrre den
En gruppe forskere har udviklet et bærbart og automatisk laboratorium, som kan overvåge kemien i jorden i realtid – endda uden dyre komponenter. Det skal give os lettere adgang til at følge de processer, der ellers foregår skjult under fødderne på os.
Forestil dig, at man kunne sætte et kamera ned i jorden og løbende få et overblik over, hvordan ilten bevæger sig mellem jordpartiklerne. Eller hvordan pH ændrer sig hen over et døgn, når regnen siver ned.
Det lyder som en rigtig god idé, og det synes en gruppe forskere på Aarhus Universitet også. Derfor er de sammen med tyske kolleger i fuld gang med at gøre det muligt.
De har udviklet et bærbart og automatisk mini-laboratorium i rørform, kaldet MARTINIS, som kan måle bestemte kemiske parametre i jorden in situ – altså dér, hvor de foregår – med minimal forstyrrelse af det levende mikrokosmos, som jord faktisk er.
"Jord er meget kompleks – og så snart vi graver i den, ændrer vi den," forklarer lektor Klaus Koren fra Institut for Biologi på Aarhus Universitet. "Med MARTINIS kan vi se, hvad der sker over tid, i høj opløsning og uden at røre ved prøverne."
Klaus Koren er medforfatter på den videnskabelige artikel om MARTINIS, som forskerne har publiceret i Sensors and Actuators B: Chemical.
Sensorfolie i jorden
Systemet fungerer ved hjælp af såkaldte planar optoder – tynde sensorer, der lyser op eller skifter farve, når de påvirkes af bestemte kemiske stoffer som ilt, ammoniak eller pH-ændringer. Det er kendt teknologi, som man længe har udnyttet i laboratorier.
Men når man analyserer en jordprøve i et laboratorium, får man kun data på, hvad der er i jorden lige dér, hvor prøven er taget, på det tidspunkt, den blev taget.
”Vi har skaleret laboratorieudstyret ned til en cylinder på 25 centimeter i diameter, som man kan grave ned i jorden, og så løbende få billeder fra jordmiljøet omkring den," forklarer ph.d.-studerende Martin Reinhard Rasmussen, som har udviklet systemet – og hvis fornavn ikke har noget at gøre med navnet på projektet.
Sådan fungerer MARTINIS (Multi Analyte Real Time In-situ Imaging System):
Optoderne monteres på ydersiden af et plexiglasrør, som graves ned i jorden. Inde i røret sidder en LED-lampe, der kan lyse i de bølgelængder, der passer til de stoffer, man vil registrere, samt et kamera, der registrerer det lys, optoden udsender. Hele systemet styres af en Raspberry Pi-computer, der automatisk tager billeder og styrer bevægelser – hele molevitten kan nemlig bevæge sig op og ned i røret og dreje 360 grader.
Fordelen ved planar optoder er således, at de ikke bare måler ét punkt ad gangen, men danner todimensionelle billeder af jordens kemiske forhold – hvilket er vigtigt i beskrivelsen af komplekse jordprocesser. Og fordi kameraet kan bevæge sig og tage billeder i sekvenser, kan man sammensætte "panoramabilleder" af hele jordprofiler.
"Det hele kører automatisk og koster kun 5-600 euro at bygge selv – og alle dele og software er open source," fortæller Martin Reinhard Rasmussen.
I den første model gemmer systemet billederne på et SD-kort, men målet er at forsyne det med et 5G-kort. En fremtidig vision er desuden at kombinere målinger fra MARTINIS med drone- og satellitdata.
MARTINIS er endnu ikke færdigudviklet som kommercielt produkt. Forskerne søger nu midler til at videreudvikle både softwaren og en mere robust version til feltbrug.
Forskerne har allerede afprøvet systemet både i pottemuld i laboratoriet og i felten i Tyskland – hvor det har målt iltdynamik i jordlag gennem flere måneder, uden nedbrud, selv i regn og sne. De har også lavet forsøg med det i Rocky Mountains, hvor de har fulgt ændringerne i jordens kemiske sammensætning efter en skovbrand.
Fra kompost til konsulentbrug
Ved at kunne følge pH og iltindhold over tid og sted bliver det nemmere at vurdere, hvordan jordens kemiske forhold ændrer sig – f.eks. efter gødning eller under forskellige dyrkningsmetoder. Der skal f.eks. meget ilt til at opnå en effektiv kompostering.
Systemet kan således have åbenlys interesse for landbruget. Men det bliver næppe de enkelte landmænd, der investerer i det.
Det vurderer professor Klaus Butterbach-Bahl, der er medforfatter på studiet. Han leder Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures (Land-CRAFT) ved Aarhus Universitet – som Martin Reinhard Rasmussen i øvrigt også er tilknyttet.
"Det vil snarere være konsulenter og ingeniører, som kan anvende systemet og rådgive landbruget ud fra de data, de henter og analyserer. Og så vil vi bruge det i vores forskning i Land-CRAFT, hvor vi kan få indblik i redox-reaktioner og ændringer i ilt- og pH-niveauer," siger han.
Hos SEGES Innovation – en uafhængig forsknings- og innovationsvirksomhed, der arbejder for en bæredygtig og konkurrencedygtig landbrugs- og fødevareproduktion – ser specialkonsulent for klima Franziska Petra Eller store perspektiver i den nye opfindelse:
“MARTINIS giver indsigt i et miljø, der ellers er svært tilgængeligt, nemlig jordbunden. In situ-brug af planar optoder muliggør mere realistiske undersøgelser af den rumlige og tidsmæssige jorddynamik på landbrugsmarker. Anvendt forskning vil helt sikkert have gavn af dette udstyr, især da det nemt muliggør automatisk indsamling af kemiske jorddata over længere tid med en høj tidsmæssig opløsning.”
Overvågning af klima og miljø
Ud over at gavne landbruget vil målingerne fra MARTINIS kunne bidrage til større miljø- og klimaundersøgelser. Når forskerne overvåger anoxiske mikromiljøer – altså områder i jorden uden ilt – kan de få indsigt i de processer der fører til udledningen af drivhusgassen lattergas (N₂O), som spiller en vigtig rolle i klimaforandringerne. Og data om pH-værdier kan bruges til at forstå fordampning af ammoniak, som påvirker dannelsen af skyer i atmosfæren.
Fakta:
Klaus Koren er vejleder for artiklens hovedforfatter, Martin Reinhardt Rasmussen.
Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures (Land-CRAFT) er et såkaldt Pionercenter, der er etableret og finansieret i samarbejde mellem uddannelses- og forskningsministeren, Danmarks Grundforskningsfond, Carlsbergfondet, Lundbeckfonden, Novo Nordisk Fonden, Villum Fonden, Aarhus Universitet og Københavns Universitet.
Land-CRAFT-centeret vil understøtte den grønne omstilling af landbruget ved at etablere den nødvendige grundlæggende og tværfaglige forståelse af de processer, der påvirker landbrugsproduktionen og de tilhørende miljø- (f.eks. udvaskning af kvælstof), klima- (udledning af drivhusgasser) og biodiversitetspåvirkninger. Centret vil især nå disse mål ved at se på ændringer i landbrugspraksis påvirker næringsstof- og drivhusgasstrømmene i landskabet.
Klaus Butterbach-Bahns arbejde med at kortlægge, hvordan landbruget påvirker klimaet gennem udledning af klimagasser, og hvad vi kan gøre ved det, indbragte ham i 2024 en Nobel Sustainability Award. Prisen, som er stiftet af efterkommerne af Alfred Nobels bror, Ludvig, er siden 2022 blevet uddelt til forskere, der har gjort en særlig indsats for den bæredygtige omstilling.)
Supplerende oplysninger | |
| Vi bestræber os på, at alle vores artikler lever op til Danske Universiteters principper for god forskningskommunikation. På den baggrund er artiklen suppleret med følgende oplysninger: | |
| Finansiering | Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures (Land-CRAFT), finansieret i samarbejde mellem Uddannelses- og Forskningsministeriet, Danmarks Grundforskningsfond, Carlsbergfondet, Lundbeckfonden, Novo Nordisk Fonden, Villum Fonden, Aarhus Universitet og Københavns Universitet. |
| Samarbejdspartnere | Institut for Biologi og Institut for Agroøkologi, Aarhus Universitet samt Helmholtz Zentrum München, Tyskland. |
| Læs mere | Videnskabelig artikel i Sensors and Actuators B: Chemical |
| Kontakt | Ph.d.-studerende Martin Reinhard Rasmussen Institut for Biologi Aarhus Universitet martin.rasmussen@bio.au.dk Mobil: 23 29 58 04 Lektor Klaus Koren Institut for Biologi Aarhus Universitet klaus.koren@bio.au.dk Mobil: +45 93 50 92 61 Professor Klaus Butterbach-Bahl Institut for Agroøkologi Aarhus Universitet klaus.butterbach-bahl@agro.au.dk Mobil: 93 50 82 38 |