Hvert år mister amerikanske landmænd op til 12 procent af deres afgrøder til sygdom og yderligere 12 procent mod skadedyr. Syge planter tegner sig for milliarder af dollars i tabt fortjeneste i landbrugssektoren.
Problemet er, at plantesygdomme er svære at få øje på, før det er for sent. Efterhånden er der synlige symptomer - visne blade f.eks. Eller misfarvning - sygdommen er fremskredet nok til at være ubehandelig.
Men planter lader deres omgivelser vide, når de er syge eller er under angreb, bare ikke på en måde, vi nogensinde har været i stand til at forstå i realtid - indtil nu. Et team af ingeniører ledet af Gary McMurray, divisionschef for fødevareforarbejdningsteknologi ved Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), har udviklet en metode til at overvåge og afkode disse meddelelser for at lade landmændene identificere og behandle sygdomme, før de slår rod. Hans vision: robotarme, der fanger og identificerer planternes naturlige sygdomssignaler på farten.
Alle planter producerer naturlige signaler i form af flygtige organiske forbindelser (VOC'er) for at advare omgivelserne om, hvad der angriber dem. McMurrays system indfanger disse forbindelser ved hjælp af en miniaturiseret version af en gaskromatograf (kaldet en mikro GC). Enhederne, der oprindeligt blev udviklet omkring århundredeskiftet, bruges til at adskille kemikalier i komplekse prøver - i McMurrays tilfælde udsender de gasser, en plante udsender. Når gas opvarmes og ledes gennem en søjle, og en elektronisk sensor registrerer de forbindelser, prøven indeholder.
Der er ingen klemme eller plukning af prøver og køre dem tilbage til laboratoriet til analyse - en proces, der kan tage dage eller uger at gennemføre. Al den information, mikro GC har brug for, er i luften, hvilket betyder, at behandling af sygdomme eller redde planter fra dem, kan komme meget hurtigere.
Anvendelserne til gaskromatografi strækker sig langt ud over afgrøder. Department of Homeland Security, for eksempel, bruger dem til at detektere visse typer gasser og farlige kemikalier. Og forskere har også brugt dem til at screene efter bestemte typer fordøjelsessygdom hos mennesker.
Traditionelt har kromatografer været store enheder overalt fra 3 til 10 meter lange; Fremskridt inden for nanomaterialer og fremstilling har gjort det muligt for McMurray at oprette et, der er på størrelse med et 8-volt batteri.
”Vi kunne aldrig have bygget dette; endda for fem år siden det ville ikke have været muligt, ”siger han.
McMurrays mikro GC kunne monteres på en robotarm på eksisterende landbrugsudstyr, såsom en traktor eller plov. Armen vil holde enheden over plantebladene og samle luftprøver. En lille computer, ikke mere kraftfuld end en grundlæggende bærbar computer eller iPhone, kan derefter behandle data fra prøverne for at identificere eventuelle patogener; en hurtig skylning med helium forbereder sensoren til at evaluere sin næste prøve.
Fordi de er så små, "[vi] kan bygge flere mikro-GC'er på en robot, " siger McMurray. ”Jeg kan have 10, 20, endda 100 af dem på en enkelt traktor.”
Det betyder, at en traktor kan samle prøver fra stilke, rødder og knopper samtidigt.
Mikro-GC-systemet kunne også bruges til at screene alle vores fødevarer - fra frugter til grøntsager og korn - for sygdom.
”Friske råvarer, der bliver sendt rundt på [kloden] kunne have forskellige skadedyr eller sygdomme. Hvis du har en slags feltudvidelig eller mobil sensor, kan du registrere de VOC'er, der kommer ud af planterne, ”postulerer McMurray. ”Det kunne løse nogle meget store problemer.”
Holdet afslutter i øjeblikket laboratorietest for mikro GC for at sikre, at dets resultater er i overensstemmelse med resultaterne fra større kromatografer. I august eller september kører de deres første felttest, hvor en forsker går en mikro-GC gennem ferskenfelter for at teste for Peachtree Root Rot.
Mens den indledende test vil fokusere på en specifik sygdom, kan gaskromatografi screene for snesevis af patogener på én gang, hvilket også adskiller det fra andre tilgange, siger McMurray.
Selv med teknologien skal plantepatologer stadig kortlægge VOC-emissionerne i forbindelse med visse planer og visse sygdomme.
Planter, hvis VOC-emissioner allerede er veldokumenteret, får en ny start, når mikro GC-screening er i gang; andre vil kræve mere tid og forskning for at diagnosticere og behandle. "Den patogen, vi valgte, er der ingen, der ved noget om, " siger McMurray, "men for eksempel er der meget kendt om visse svampe."
Men Georgia Tech micro GC er et vigtigt vendepunkt i brugervenlighed og skalerbarhed, siger McMurray.
"Det, vi har, synes vi er unikt, " siger McMurray, "disse nye produktionsprocesser åbner op for en helt ny æra af sensorer."
