Igal aastal kaotavad USA põllumehed kuni 12 protsenti oma põllukultuuridest haiguste ja veel 12 protsenti kahjurite vastu. Haiged taimed annavad miljardeid dollareid saamata jäänud kasumit põllumajanduses.
Probleem on selles, et taimehaigusi on raske märgata enne, kui on liiga hilja. Aja jooksul on nähtavaid sümptomeid - näiteks närbunud lehed või värvimuutused - haigus on juba piisavalt arenenud, et olla ravitav.
Kuid taimed annavad oma ümbrusele teada, kui nad on haiged või rünnaku all, lihtsalt mitte viisil, mida me kunagi reaalajas mõista saanud oleme - seni. Inseneride meeskond, mida juhib Georgia tehnikainstituudi (Georgia Tech) toidutöötlemise tehnoloogia osakonna juhataja Gary McMurray, on välja töötanud meetodi nende teadete jälgimiseks ja dekodeerimiseks, et võimaldada põllumajandustootjatel enne juurdumist haigusi tuvastada ja ravida. Tema nägemus: robotrelvad, mis tabavad ja tuvastavad lendude ajal taimede looduslike haiguste signaale.
Kõik taimed annavad lenduvate orgaaniliste ühendite (LOÜ) kujul looduslikke signaale, et hoiatada ümbrust nende ründamise eest. McMurray süsteem hõivab need ühendid, kasutades gaasikromatograafi (nn mikro GC) miniatuurset versiooni. Algselt 20. sajandi paiku välja töötatud seadmeid kasutatakse kemikaalide eraldamiseks keerukates proovides - McMurray juhtumi korral eraldavad taimed gaasi. Gaasi kuumutamisel ja kolonni läbimisel ning elektrooniline andur tuvastab proovis sisalduvad ühendid.
Proove ei tohi näppida ega kitkuda ning need viiakse laborisse tagasi analüüsimiseks - protsess, mille täitmine võib võtta päevi või nädalaid. Kogu teave, mida mikro GC vajab, on õhus, mis tähendab haiguste ravimist või taimede päästmist nende eest, võib saada palju kiiremini.
Gaasikromatograafia rakendused ulatuvad kaugemale põllukultuuridest. Näiteks sisejulgeolekuministeerium kasutab neid teatud tüüpi gaaside ja ohtlike kemikaalide tuvastamiseks. Ja teadlased kasutavad neid ka inimeste teatud tüüpi seedehaiguste skriinimiseks.
Tavapäraselt on kromatograafid olnud suured seadmed, mille pikkus on 3–10 meetrit; nanomaterjalide ja tootmise areng on võimaldanud McMurray'l luua sellise, mis on 8-voldise aku suurune.
„Seda poleks me kunagi osanud ehitada; isegi viis aastat tagasi see poleks olnud võimalik, ”ütleb ta.
McMurray mikro-GC-d saab paigaldada olemasolevate põllutöömasinate, näiteks traktori või adra, robotvarda külge. Arm hoiaks seadet taimelehtede kohal ja võtaks õhuproove. Väike arvuti, mis pole võimsam kui tavaline sülearvuti või iPhone, saab seejärel töödelda proovide andmeid patogeenide tuvastamiseks; kiire heeliumi loputus valmistab andurit ette järgmise proovi hindamiseks.
Kuna nad on nii väikesed, suudame "[ühe] roboti külge ehitada mitu mikro-GC-d", ütleb McMurray. "Neid võib mul ühel traktoril olla 10, 20 ja isegi 100."
See tähendab, et üks traktor võib koguda proove varredest, juurtest ja pungadest üheaegselt.
Mikro GC süsteemi saab kasutada ka kogu meie toidu - puuviljadest köögiviljadeni ja teradeni - haiguste kontrollimiseks.
„Värskeid tooteid, mida veetakse ümber maakera, võib olla mitmesuguste kahjurite või haiguste kandja. Kui teil on mingi põllul kasutatav või mobiilne andur, saaksite tuvastada taimedest väljuvad lenduvad orgaanilised ühendid, ”postuleerib McMurray. "See võib lahendada mõned väga suured probleemid."
Meeskond lõpetab praegu mikro-GC laborikatseid, veendumaks, et selle tulemused vastavad suuremate kromatograafide tulemustele. Augustis või septembris korraldavad nad oma esimese põldtesti, mille käigus teadlane kõnnib mikro-GC virsikupõldude kaudu, et testida Peachtree Root Rotti.
Kuigi see esialgne test keskendub konkreetsele haigusele, saab gaasikromatograafia abil skriinida kümneid patogeene korraga, mis eristab seda ka teistest lähenemisviisidest, väidab McMurray.
Isegi tehnoloogiaga peavad taimepatoloogid ikkagi kaardistama teatud plaanide ja teatud haigustega seotud LOÜ heitkogused.
Taimedel, mille lenduvate orgaaniliste ühendite heitkogused on juba hästi dokumenteeritud, tehakse samm-samm, kui GC mikrokontroll toimub; teised vajavad diagnoosimiseks ja raviks rohkem aega ja uuringuid. "Meie valitud patogeenist ei tea keegi midagi, " ütleb McMurray, "kuid näiteks teatud seente kohta on palju teada."
Kuid Georgia Tehnika mikro-GC on oluline pöördepunkt kasutatavus ja mastaapsus, ütles McMurray.
"See, mis meie arvates on ainulaadne, " ütleb McMurray, "need uued tootmisprotsessid avavad andurite jaoks täiesti uue ajastu."
