Hvert år mister amerikanske bønder opptil 12 prosent av avlingene sine til sykdom og ytterligere 12 prosent fra skadedyr. Syke planter står for milliarder av dollar i tapt fortjeneste i landbruksnæringen.
Problemet er at plantesykdommer er vanskelige å oppdage før det er for sent. Etter hvert er det synlige symptomer - visne blader, for eksempel eller misfarging - sykdommen har avansert nok til å være ubehandelig.
Men planter lar omgivelsene få vite når de er syke eller er under angrep, bare ikke på en måte vi noen gang har klart å forstå i sanntid - til nå. Et team av ingeniører ledet av Gary McMurray, divisjonssjef for matprosesseringsteknologi ved Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), har utviklet en metode for å overvåke og avkode disse meldingene for å gjøre det mulig for bønder å identifisere og behandle sykdommer før de tar rot. Hans visjon: robotarmer som fanger og identifiserer planters naturlige sykdomssignaler i farten.
Alle planter produserer naturlige signaler, i form av flyktige organiske forbindelser (VOC), for å varsle omgivelsene om hva som angriper dem. McMurrays system fanger opp disse forbindelsene ved hjelp av en miniatyrversjon av en gasskromatograf (kalt mikro GC). Enhetene, som opprinnelig ble utviklet rundt begynnelsen av 1900-tallet, brukes til å skille kjemikalier i komplekse prøver - i McMurrays tilfelle, gassene en plante avgir. Når gass blir oppvarmet og ført gjennom en kolonne, og en elektronisk sensor oppdager forbindelsene prøven inneholder.
Det er ingen klemming eller plukking av prøver og kjøring av dem tilbake til laboratoriet for analyse - en prosess som kan ta dager eller uker å fullføre. All informasjonen mikro GC trenger er i luften, som betyr at behandling av sykdommer, eller redding av planter fra dem, kan komme mye raskere.
Bruksområdene for gasskromatografi strekker seg langt utover avlinger. Department of Homeland Security, for eksempel, bruker dem for å oppdage visse typer gasser og farlige kjemikalier. Og forskere har også brukt dem til å søke etter visse typer fordøyelsessykdom hos mennesker.
Tradisjonelt har kromatografer vært store enheter alt fra 3 til 10 meter lange; fremskritt i nanomaterialer og produksjon har tillatt McMurray å lage et som er på størrelse med et 8-volts batteri.
“Vi kunne aldri ha bygget dette; til og med for fem år siden det hadde ikke vært mulig, sier han.
McMurrays mikro GC kunne monteres på en robotarm på eksisterende gårdsutstyr, for eksempel en traktor eller plog. Armen ville holde enheten over plantebladene og samle luftprøver. En liten datamaskin, ikke kraftigere enn en vanlig bærbar PC eller iPhone, kan deretter behandle data fra prøvene for å identifisere eventuelle patogener; en rask skylling av helium forbereder sensoren til å evaluere sin neste prøve.
Fordi de er så små, "[vi] kan bygge flere mikro-GC-er på en robot, " sier McMurray. "Jeg kan ha 10, 20, til og med 100 av dem på en enkelt traktor."
Det betyr at en traktor kan samle prøver fra stilker, røtter og knopper samtidig.
Micro GC-systemet kan også brukes til å screene all maten vår - fra frukt til grønnsaker og korn - for sykdommer.
"Ferske råvarer som blir sendt rundt på kloden kan bære forskjellige skadedyr eller sykdommer. Hvis du har en slags feltutsettbar eller mobil sensor, kan du oppdage VOC-er som kommer ut av plantene, ”postulerer McMurray. "Det kan løse noen veldig store problemer."
Teamet avslutter for øyeblikket laboratorietesting for mikro GC for å sikre at resultatene stemmer overens med resultatene fra større kromatografer. I august eller september kjører de sin første feltprøve, hvor en forsker vil gå en mikro-GC gjennom ferskenfelt for å teste for Peachtree Root Rot.
Mens den første testen vil fokusere på en spesifikk sykdom, kan gasskromatografi screene for dusinvis av patogener samtidig, noe som også skiller det fra andre tilnærminger, sier McMurray.
Selv med teknologien vil plantepatologer fortsatt måtte kartlegge VOC-utslippene knyttet til visse planer og visse sykdommer.
Planter med VOC-utslipp som allerede er godt dokumentert, vil få en ny gjennomgang når mikro GC-screening er i gang; andre vil kreve mer tid og forskning for å diagnostisere og behandle. "Patogenet vi valgte, ingen vet noe om, " sier McMurray, "men for eksempel er det mye kjent om visse sopp."
Men Georgia Tech micro GC er et viktig vendepunkt i brukervennlighet og skalerbarhet, sier McMurray.
"Det vi har synes vi er unikt, " sier McMurray, "disse nye produksjonsprosessene åpner for en helt ny æra av sensorer."
