Svake godine poljoprivrednici u SAD-u izgube do 12 posto svojih usjeva na bolesti i još 12 posto na štetočine. Bolesti biljaka čine milijun dolara izgubljene dobiti u poljoprivrednoj industriji.
Problem je u tome što je biljne bolesti teško uočiti prije nego što bude prekasno. Vremenom su se pojavili vidljivi simptomi (na primjer, venuće lišće, ili promjene boje boje) bolest je dovoljno napredovala da je nije moguće liječiti.
Ali biljke obaviještavaju svoju okolinu kada su bolesne ili napadnute, samo ne na način na koji smo to ikada mogli razumjeti u stvarnom vremenu - do sada. Tim inženjera pod vodstvom Garyja McMurraya, voditelja odjela za tehnologiju prerade hrane na Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), razvio je metodu za nadgledanje i dekodiranje tih poruka kako bi poljoprivrednici mogli identificirati i liječiti bolesti prije nego što se ukorijene. Njegova vizija: robotske ruke koje u letu bilježe i prepoznaju prirodne signale bolesti biljaka.
Sve biljke proizvode prirodne signale, u obliku isparljivih organskih spojeva (VOC), kako bi upozorili okolinu na ono što ih napada. McMurray sustav bilježi te spojeve pomoću minijaturističke verzije plinskog kromatografa (nazvanog mikro GC). Uređaji, koji su prvotno razvijeni na prijelazu 20. stoljeća, koriste se za odvajanje kemikalija unutar složenih uzoraka - u slučaju McMurray, plinova koje biljka ispušta. Kako se plin zagrijava i prolazi kroz stup, a elektronički senzor detektira spojeve koje uzorak sadrži.
Nema štancanja ili kidanja uzoraka i pokretanja natrag u laboratorij na analizu - postupak koji bi mogao potrajati danima ili tjednima. Sve informacije koje trebaju mikro GC nalaze se u zraku, što znači da bi liječenje bolesti ili spašavanje biljaka od njih moglo dobiti brže.
Primjene za plinsku kromatografiju protežu se daleko izvan usjeva. Primjerice, Ministarstvo unutarnje sigurnosti koristi ih za otkrivanje određenih vrsta plinova i opasnih kemikalija. A istraživači ih također koriste za otkrivanje određenih vrsta probavnih bolesti kod ljudi.
Tradicionalno, kromatografi su veliki uređaji s duljine od 3 do 10 metara; napredak nanomaterijala i proizvodnje omogućio je McMurrayu da stvori onu veličinu 8-voltne baterije.
"Nikada je nismo mogli sagraditi; čak i prije pet godina to ne bi bilo moguće ", kaže on.
McMurray mikro GC mogao bi se montirati na robotsku ruku na postojeću poljoprivrednu opremu, poput traktora ili pluga. Ruka će držati uređaj iznad lišća biljke i skupljati uzorke zraka. Malo računalo, ne moćnije od osnovnog prijenosnog računala ili iPhonea, tada može obrađivati podatke iz uzoraka kako bi identificiralo sve patogene; brzo ispiranje helija priprema senzor za procjenu njegovog sljedećeg uzorka.
Budući da su tako maleni, "[mi] možemo izgraditi više mikro GC-a na jednom robotu", kaže McMurray. "Mogu imati 10, 20, čak 100 njih na jednom traktoru."
To znači da bi jedan traktor mogao istovremeno sakupljati uzorke sa stabljika, korijenja i pupoljaka.
Sustav mikro GC mogao bi se koristiti i za pregled cijele naše hrane - od voća do povrća i žitarica - na bolesti.
"Svježi proizvodi koji se isporučuju širom svijeta mogu nositi razne štetočine ili bolesti. Ako imate nekakav senzor koji se može aktivirati na terenu ili mobilni, mogli biste detektirati HOS-ove koji silaze iz biljaka ", postulira McMurray. "To bi moglo riješiti neke vrlo velike probleme."
Tim trenutno dovršava laboratorijsko testiranje mikro GC-a kako bi bili sigurni da su njegovi rezultati u skladu s rezultatima većih kromatografija. U kolovozu ili rujnu izvodit će svoj prvi terenski test u kojem će istraživač proći mikro GC kroz polja breskve kako bi testirao korijen truleži breskve.
Iako će se početni test usredotočiti na određenu bolest, plinska kromatografija može pregledati na desetine patogena odjednom, što ga također razlikuje od ostalih pristupa, kaže McMurray.
Čak i uz tehnologiju, biljni patolozi će morati preslikati emisije HOS-a povezane s određenim planovima i određenim bolestima.
Postrojenja čija emisija HOS-a već dobro dokumentirana imat će uvelike korake kada se pokrene mikro GC probijanje; drugima će trebati više vremena i istraživanja za dijagnozu i liječenje. "Patogen kojeg smo odabrali, o kome nitko ništa ne zna", kaže McMurray, "ali na primjer, mnogo se zna o određenim gljivama."
No, Georgia Tech micro GC važna je prekretnica u upotrebljivosti i skalabilnosti, kaže McMurray.
"Ono što mislimo da je jedinstveno", kaže McMurray, "ti novi proizvodni procesi otvaraju potpuno novo razdoblje senzora."
