Jedes Jahr verlieren US-amerikanische Landwirte bis zu 12 Prozent ihrer Ernte durch Krankheiten und weitere 12 Prozent durch Schädlinge. Kranke Pflanzen verursachen Gewinneinbußen in Milliardenhöhe in der Landwirtschaft.
Das Problem ist, dass Pflanzenkrankheiten schwer zu erkennen sind, bevor es zu spät ist. Mit der Zeit treten sichtbare Symptome auf, z. B. welke Blätter oder Verfärbungen. Die Krankheit ist so weit fortgeschritten, dass sie nicht mehr behandelt werden kann.
Aber Pflanzen lassen ihre Umgebung wissen, wenn sie krank sind oder angegriffen werden, nur nicht auf eine Weise, die wir jemals in Echtzeit verstehen konnten - bis jetzt. Ein Team von Ingenieuren unter der Leitung von Gary McMurray, Abteilungsleiter für Lebensmittelverarbeitungstechnologie am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), hat eine Methode zur Überwachung und Dekodierung dieser Nachrichten entwickelt, mit der Landwirte Krankheiten identifizieren und behandeln können, bevor sie Wurzeln schlagen. Seine Vision: Roboterarme, die die natürlichen Krankheitssignale von Pflanzen im Handumdrehen erfassen und identifizieren.
Alle Pflanzen produzieren natürliche Signale in Form von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), um die Umgebung vor Angriffen zu warnen. Das McMurray-System erfasst diese Verbindungen unter Verwendung einer miniaturisierten Version eines Gaschromatographen (Micro-GC genannt). Die Geräte, die ursprünglich um die Wende des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden, dienen dazu, Chemikalien in komplexen Proben zu trennen - im Fall von McMurray die Gase, die eine Pflanze emittiert. Während das Gas erhitzt und durch eine Säule geleitet wird, erkennt ein elektronischer Sensor die in der Probe enthaltenen Verbindungen.
Proben müssen nicht eingeklemmt oder gezupft und zur Analyse zurück ins Labor geschickt werden - ein Vorgang, der Tage oder Wochen dauern kann. Alle Informationen, die der Mikro-GC benötigt, sind in der Luft, was bedeutet, dass die Behandlung von Krankheiten oder die Rettung von Pflanzen viel schneller erfolgen kann.
Die Anwendungen für die Gaschromatographie gehen weit über die Kultur hinaus. Das Heimatschutzministerium verwendet sie zum Beispiel, um bestimmte Arten von Gasen und gefährlichen Chemikalien zu erkennen. Und Forscher verwenden sie auch, um nach bestimmten Arten von Verdauungskrankheiten beim Menschen zu suchen.
Traditionell waren Chromatographen große Geräte mit einer Länge von 3 bis 10 Metern. Dank der Fortschritte bei Nanomaterialien und der Herstellung konnte McMurray ein Produkt herstellen, das der Größe einer 8-Volt-Batterie entspricht.
„Wir hätten das nie bauen können; sogar vor fünf Jahren das wäre nicht möglich gewesen “, sagt er.
McMurrays Micro-GC kann an einem Roboterarm vorhandener landwirtschaftlicher Geräte wie Traktoren oder Pflüge montiert werden. Der Arm hielt das Gerät über den Pflanzenblättern und sammelte Luftproben. Ein kleiner Computer, der nicht leistungsfähiger als ein einfacher Laptop oder ein iPhone ist, kann dann Daten aus den Proben verarbeiten, um etwaige Krankheitserreger zu identifizieren. Eine schnelle Spülung mit Helium bereitet den Sensor auf die Auswertung der nächsten Probe vor.
Weil sie so klein sind, "können wir mehrere Mikro-GCs auf einen Roboter aufbauen", sagt McMurray. "Ich kann 10, 20, sogar 100 von ihnen auf einem einzigen Traktor haben."
Dies bedeutet, dass ein Traktor gleichzeitig Proben von Stielen, Wurzeln und Knospen sammeln kann.
Das Mikro-GC-System könnte auch verwendet werden, um alle unsere Lebensmittel - von Obst über Gemüse bis hin zu Getreide - auf Krankheiten zu untersuchen.
„Frische Produkte, die rund um den Globus versandt werden, können verschiedene Schädlinge oder Krankheiten haben. Wenn Sie einen vor Ort einsetzbaren oder mobilen Sensor haben, können Sie die VOCs erkennen, die aus den Anlagen austreten “, postuliert McMurray. "Es könnte einige sehr große Probleme lösen."
Das Team beendet derzeit Labortests für die Mikro-GC, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse mit denen größerer Chromatographen übereinstimmen. Im August oder September werden sie ihren ersten Feldtest durchführen, bei dem ein Forscher einen Mikro-GC durch Pfirsichfelder führt, um auf Peachtree Root Rot zu testen.
Während sich dieser erste Test auf eine bestimmte Krankheit konzentrieren wird, kann die Gaschromatographie nach Dutzenden von Krankheitserregern gleichzeitig suchen, was ihn auch von anderen Ansätzen unterscheidet, sagt McMurray.
Auch mit dieser Technologie müssen Pflanzenpathologen die mit bestimmten Plänen und bestimmten Krankheiten verbundenen VOC-Emissionen erfassen.
Pflanzen, deren VOC-Emissionen bereits gut dokumentiert sind, werden mit Beginn des Micro-GC-Screenings einen Schritt voraus sein. andere benötigen mehr Zeit und Forschung, um zu diagnostizieren und zu behandeln. "Der von uns gewählte Erreger, von dem niemand etwas weiß", sagt McMurray, "aber über bestimmte Pilze ist zum Beispiel viel bekannt."
Laut McMurray ist der Georgia Tech micro GC jedoch ein wichtiger Wendepunkt in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit und Skalierbarkeit.
"Was wir haben, ist unserer Meinung nach einzigartig", sagt McMurray. "Diese neuen Herstellungsverfahren eröffnen eine ganz neue Ära der Sensoren."
