Laboratorio en un tubo: control de la química del suelo sin perturbarlo
Un equipo de investigadores ha desarrollado un laboratorio portátil y automático capaz de controlar la química del suelo en tiempo real, y sin necesidad de componentes costosos. El objetivo es facilitarnos el acceso para seguir los procesos que suelen tener lugar ocultos bajo nuestros pies.
Imagínese introducir una cámara en el suelo y obtener continuamente una visión general de cómo se mueve el oxígeno entre las partículas del suelo. O cómo cambia el pH a lo largo de un día a medida que se filtra el agua de lluvia.
Parece una gran idea, y un grupo de investigadores de la Universidad de Aarhus piensa lo mismo. Junto con colegas alemanes, ahora lo están haciendo posible.
Han desarrollado un minilaboratorio portátil y automático en forma de tubo, llamado MARTINIS, que puede medir parámetros químicos específicos del suelo in situ -es decir, donde se producen de forma natural- con una perturbación mínima del microcosmos vivo que es realmente el suelo.
"El suelo es muy complejo y, en cuanto excavamos en él, lo modificamos", explica el profesor asociado Klaus Koren, del Departamento de Biología de la Universidad de Aarhus. "Con MARTINIS, podemos observar lo que ocurre a lo largo del tiempo, en alta resolución y sin tocar las muestras".
Klaus Koren es coautor del artículo científico sobre MARTINIS, publicado en Sensors and Actuators B: Chemical.
Película de sensores en el suelo
El sistema funciona con los llamados optodos planares, sensores delgados que se iluminan o cambian de color cuando se exponen a sustancias químicas específicas como oxígeno, amoníaco o cambios de pH. Se trata de una tecnología bien conocida que se utiliza desde hace tiempo en los laboratorios. Pero cuando se analiza una muestra de suelo en el laboratorio, sólo se obtienen datos sobre lo que hay exactamente en el lugar y el momento en que se tomó la muestra.
"Hemos reducido el equipo de laboratorio a un cilindro de 25 centímetros de diámetro que puede enterrarse en el suelo, lo que permite obtener imágenes continuas del entorno del suelo", explica el estudiante de doctorado Martin Reinhard Rasmussen, que ha desarrollado el sistema y cuyo nombre de pila, por cierto, no tiene nada que ver con el nombre del proyecto.
- Cómo funciona MARTINIS (Sistema de imágenes in situ multianalito en tiempo real):
- Los optodos se montan en el exterior de un tubo de plexiglás que se entierra en el suelo. En el interior del tubo se sitúa una lámpara LED que emite luz en las longitudes de onda adecuadas a las sustancias que se desea detectar, junto con una cámara que registra la luz emitida por el optodo. Todo el sistema está controlado por un ordenador Raspberry Pi, que toma imágenes automáticamente y controla el movimiento: todo el conjunto puede subir y bajar dentro del tubo y girar 360 grados.
- La ventaja de los optodos planares es que no se limitan a medir un único punto, sino que crean imágenes bidimensionales de las condiciones químicas del suelo, lo que resulta crucial para describir procesos edáficos complejos. Y como la cámara puede moverse y tomar imágenes en secuencia, es posible unir "panoramas" de perfiles de suelo completos.
"Todo funciona automáticamente y sólo cuesta entre 5 y 600 euros construirlo, y todas las piezas y el software son de código abierto", explica Martin Reinhard Rasmussen.
En el primer modelo, el sistema almacena las imágenes en una tarjeta SD, pero el objetivo es equiparlo con una tarjeta 5G. Una visión de futuro es también combinar los datos de MARTINIS con los de drones y satélites.
MARTINIS aún no está plenamente desarrollado como producto comercial. Los investigadores están buscando financiación para seguir desarrollando tanto el software como una versión más robusta lista para su uso sobre el terreno.
El sistema ya se ha probado tanto en tierra para macetas en el laboratorio como sobre el terreno en Alemania, donde midió la dinámica del oxígeno en las capas del suelo durante varios meses sin fallar, incluso con lluvia y nieve. También se ha ensayado en las Montañas Rocosas, donde siguió los cambios en la química del suelo tras un incendio forestal.
Del compost a la consultoría
El seguimiento de los niveles de pH y oxígeno a lo largo del tiempo y en distintos lugares facilita la evaluación de los cambios en la química del suelo, por ejemplo, tras la fertilización o con distintos métodos de cultivo. Se necesita mucho oxígeno, por ejemplo, para lograr un compostaje eficaz.
El sistema es prometedor para la agricultura, pero es poco probable que los agricultores inviertan en él.
Así lo cree el profesor Klaus Butterbach-Bahl, coautor del estudio. Dirige el Centro de Investigación del Paisaje en Futuros Agrícolas Sostenibles (Land-CRAFT) de la Universidad de Aarhus, a la que también pertenece Martin Reinhard Rasmussen.
"Lo más probable es que sean consultores e ingenieros quienes utilicen el sistema y asesoren a los agricultores a partir de los datos que recojan y analicen. Y nosotros lo utilizaremos en nuestra investigación en Land-CRAFT, donde podemos conocer mejor las reacciones redox y los cambios en los niveles de oxígeno y pH", explica.
En SEGES Innovation -empresa independiente de investigación e innovación que trabaja por una agricultura y una producción de alimentos sostenibles y competitivas-, la especialista en clima Franziska Petra Eller también ve un gran potencial en el nuevo invento:
"MARTINIS permite conocer un entorno al que de otro modo sería difícil acceder: el suelo. El uso in situ de los optodos planares permite realizar estudios más realistas de la dinámica espacial y temporal de la química del suelo en los campos agrícolas. La investigación aplicada se beneficiará sin duda de este equipo, sobre todo porque permite una fácil recogida automática de datos químicos del suelo durante periodos más largos con una alta resolución temporal."
Vigilancia del clima y el medio ambiente
Además de beneficiar a la agricultura, las mediciones de MARTINIS podrían contribuir a estudios más amplios sobre el clima y el medio ambiente. Cuando los investigadores vigilan los microambientes anóxicos -zonas del suelo sin oxígeno- obtienen información sobre los procesos que conducen a la emisión del gas de efecto invernadero óxido nitroso (N₂O), que desempeña un papel importante en el cambio climático. Y los datos de pH pueden ayudar a comprender la evaporación del amoníaco, que afecta a la formación de nubes en la atmósfera.
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