Forskare från Washington State University har utvecklat ett sätt att bedöma markens hälsa genom att mäta den elektriska ström som produceras av dess minsta mikrober.

Teamet använde en sond som ursprungligen utvecklades för att mäta den elektrokemiska signalen från mikrober i vattenmiljöer, och testade den på friska och ohälsosamma jordprover för att mäta mikrobiell metabolism och andra indikatorer på markhälsa. Denna proof-of-concept-forskning, publiceras i Journal of The Electrochemical Society , kan en dag leda till en enkel, realtidstest för jordbrukare för att avgöra om jorden är produktiv.

"Jorden ligger till grund för all mat vi äter, och det mesta är förstörd över hela världen, sa Maren Friesen, en docent vid institutionerna för växtpatologi och växt- och markvetenskaper och en medförfattare till studien. "Ett av de största hindren för att förbättra jordar är att inte kunna ha snabba, realtidsmätning för att utveckla lämpliga förvaltningsstrategier för dem. Den här sensorn har potential att kunna göra mätningar i realtid, inte bara av jordens struktur utan hur den faktiskt fungerar. Det skulle vara ett stort framsteg på området."

"Jag tror att detta är ett av våra viktigaste arbeten och kommer att ha stor inverkan på bestämning av markens hälsa, " sa Haluk Beyenal, professor vid Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering och motsvarande författare på tidningen.

Andra medförfattare till studien är postdoktor Abdelrhman Mohamed, och doktoranderna Eduardo Sanchez och Natalie Sanchez.

Markhälsa är ytterst viktigt för jordbruk och grödor över hela världen, men att mäta det är inte okomplicerat. Jordbrukare och forskare använder markkemi, näringsämnesanalys, textur- och pH-mätningar för att få förståelse för jordens fysikaliska och kemiska egenskaper. Även om den informationen kan vara värdefull, det speglar inte alltid hur produktiv jorden faktiskt är.

Det beror på att en nyckel till markens produktivitet är hur mikrober fungerar, sa Friesen. Miljarder bakterier, svampar och andra organismer spelar en avgörande roll vid mobilisering och försörjning av näringsämnen, försvar mot patogener och växttillväxt. Men, tills nu, det har inte varit något enkelt, sätt att mäta den mikrobiella aktiviteten i realtid.

"Det som gör en jord nyttig för en växt är att den lever och innehåller alla dessa bakterier och svampar, " Hon sa.

I den nya tidningen, WSU-forskargruppen kunde mäta ström genom marken för att bestämma mikrobiell aktivitet, och särskilja friska och ohälsosamma jordar.

Forskarna använde en sond som de utvecklade för några år sedan för att mäta den elektrokemiska signalen från mikrober i vattenmiljöer. I likhet med hur människor äter och andas, mikroorganismer tar till sig mat och använder sedan elektroner som frigörs under ämnesomsättningen för sin energi. Till sist, mikrober ger dessa elektroner till en acceptormolekyl som syre. Sonden som teamet utvecklade ersätter dessa acceptormolekyler med en elektrod. Med hjälp av denna elektrod, de kan sedan mäta den elektriska strömmen och få en uppfattning om storleken på mikrobiell aktivitet.

"Vi kan mäta mikrobernas metaboliska hastighet genom att fånga elektroner som frigörs som en del av ämnesomsättningen, sa Mohamed, en postdoktor vid Voiland School. "Vi ser mikroberna andas i jorden."

De två jordprover som forskarna använde samlades in från R.J. Cook Agronomy Farm och såg nästan identiska med varandra när det gäller deras jordsammansättning. De hämtades båda från tomter som inte hade brukats, var relativt höga i organiskt material, och hade samma pH och jordtyp. Men, forskarna hade data som visade att en av jordarna hade varit betydligt mer produktiv i sin veteskörd än den andra.

Forskarna fann att den mer produktiva jorden producerade en elektrisk ström medan den mindre produktiva jorden producerade nästan ingen ström - cirka 1% av den mer produktiva jorden.

"Det var en riktigt dramatisk skillnad i mängden ström som genererades, sa Friesen.

De hittade också en annan skillnad mellan de två jordarna i den öppna kretspotentialen uppmätt i jorden. När de tillsatte socker för att stimulera metabol aktivitet, forskarna observerade också de elektrokemiska signalernas förändring i de friska och ohälsosamma jordproverna som konvergerade, vilket tyder på att sockertillsatsen stimulerade den mikrobiella aktiviteten i båda jordtyperna.

"Vi kunde se det på ett par dagar, mikroberna i jorden började andas, " sa Mohamed.

Med bara de två jordproverna som jämfördes initialt, forskarna säger att deras idé fortfarande bara är ett proof of concept. De har många ytterligare frågor, till exempel vad varelserna gör för att generera ström och vilka specifika mikroorganismer som kan finnas i proverna för att skapa produktiv jord.

"Vi har två olika signaler, men vad säger de egentligen när det gäller jordens grundläggande parametrar?" sa Mohamed. "Båda parametrarna säger lite olika saker, och vi måste arbeta med deras tolkning."

De vill också testa mycket mer jordar, inbegripet på faktiska jordbruksfält snarare än i en kontrollerad miljö i ett laboratorium. De hoppas att så småningom utveckla en bärbar sond som kan sättas in direkt i jorden för att ge realtidsinformation.

"När det gäller att arbeta mot ett rättvist samhälle med hållbar global livsmedelsproduktion, Jag känner att detta har potentialen att bli en spelförändrande teknik, sa Friesen.