Jordbrukare och fruktodlare rapporterar att klimatförändringar leder till ökade ozonkoncentrationer på markytan i deras åkrar och fruktträdgårdar - en exponering som kan orsaka irreversibla växtskador, minska skördeavkastningen och hota matförsörjningen, säger materialkemister som leds av Trisha Andrew vid University of Massachusetts Amherst.

Skriver in Vetenskapliga framsteg , medförsta författarna Jae Joon Kim och Ruolan Fan visar att Andrew labs metod för ångnedlagning av konduktiva polymer "tatueringar" på växtblad kan göra det möjligt för odlare att exakt upptäcka och mäta sådana ozonskador, även vid låga exponeringsnivåer. Deras fjädrande polymertatueringar placerade på bladen möjliggör "frekvent och långsiktig övervakning av cellulära ozonskador i ekonomiskt viktiga grödor som druvor och äpplen, "Säger Andrew.

De skriver, "Vi valde vindruvor (Vitis vinifera L.) som vår modellväxt eftersom fruktutbytet och fruktkvaliteten hos vinrankor minskar avsevärt vid exponering för markzon. vilket leder till betydande ekonomiska förluster. "Ozon på marknivå kan produceras genom samspelet mellan nitraterna i gödningsmedel och solen, till exempel.

UMass Amherst vinodlare Elsa Petit, som rådde kemiteamet, säger att sensortatueringen kan vara särskilt användbar för druvindustrin. "Med klimatförändringarna ozon kommer att öka och den här nya sensorn kan vara extremt användbar för att hjälpa bönder att agera innan skadan känns igen i ögat, "säger hon. Ozon på marknivå kan dämpas genom tidig upptäckt och behandling av markytan med kol- eller zeolitpulver.

Som Andrew förklarar, hennes labb, finansierad av National Science Foundation, anpassade elektrodångavsättningsmetoden som de hade utvecklat tidigare för att täcka tyger för medicinska sensorer för ny användning-på levande växter. Den ledande polymerfilmen, poly (3, 4-etylendioxitiofen), PEDOT, är bara 1 mikron tjock så att den släpper in solljus och skadar inte bladen. Icke-metall, kolbaserade polymerer som fungerar som ledande elektroder används alltmer i design av mjuka material sedan de uppfanns på 1970-talet, tillägger hon.

"Vår fungerar som en tillfällig tatuering på en människa, "Säger Andrew." Det tvättar inte bort och polymerens elektriska egenskaper försämras inte, även över en lång tid. Vi har några tatuerade växter i ett växthus på campus och ett år senare växer de fortfarande bra, släpper ut rötter och löv som vanligt. "

För att testa för tidig ozonskada, hon och kollegor använder en handhållen impedansspektrometer anpassad från mänsklig medicinsk praxis. När den vidrör elektrodtatueringen, en avläsning rapporterar det elektriska motståndet vs frekvensförhållandet. Detta spänningsvärde ändras i närvaro av olika faktorer, inklusive oxidativ skada från ozon.

Andrew säger, "Du får en vågformad bild; ett program passar vågen så att vi kan extrahera vissa vävnadsparametrar. Vi kan känna igen mönster för olika typer av skador. Det är konsekvent och anmärkningsvärt korrekt. Om du använder det på samma växt under ett år , så länge växten är frisk förändras signalen inte riktigt under den tiden. "

"Problemet är vetenskapligt att visuella ozonskador ser exakt likadana ut som om du vattnade växten för lite eller om den fick för mycket sol. Detta projekt blev intellektuellt intressant för oss när vi tittade på ozonsignaturen för våra avläsningar och det var mycket annorlunda än torka eller UV-skador. Ozon ger en unik förändring av högfrekventa elektriska impedans- och fassignaler från löv. "

Forskarna hoppas att deras uppfinning kan användas av bönder och fruktodlare som kan placera några "reporterväxter" bland grödor för att regelbundet övervaka markens ozonnivåer. "Det ger dig en bild av vad som händer i din jord, "Andrew föreslår." Du kan bli varnad om gödningsmedelsnivån är fel, till exempel. Detta kan hända, särskilt med matgrödor som behöver mycket sol och gödselmedel för att producera, som meloner, druvor och fruktträdgårdar. Vissa växter är mycket känsliga för det. "