Ny forskning från Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering om biologiskt nedbrytbara sensorer kan förändra hur bönder spårar, mäter och reagerar i realtid på sin marks mikrobiella aktivitet med stora konsekvenser för att hantera globala växthusgasutsläpp.
Verket, nyligen publicerat i Avancerad vetenskap, leddes av Madhur Atreya (Ph.D.MechEngr'22) och professorerna Greg Whiting och Jason Neff vid CU Boulder. Den beskriver hur en billig och lättskriven sensor kan mäta mark hälsa genom att spåra sin egen nedbrytning i verkligheten tid— allt med liten eller ingen påverkan på dess yttre miljö och genom användning av lättillgänglig elektronik.
"Nedbrytningen av ett föremål, oavsett om det är vår nya sensor eller en rostig gammal bil, kan berätta en historia om dess miljö. I det här dokumentet visar vi att det sätt på vilket en enkel biologiskt nedbrytbar anordning misslyckas i marken kan berätta något om den jordens mikrobiella aktivitet som är användbar i en mängd olika situationer, säger Atreya.
Mer än en tredjedel av jorden runt om i världen är utarmad, vilket leder till ökad användning av gödselmedel och i sin tur ökade utsläpp av växthusgaser. Atreya sa att det är avgörande att få specifik insikt om mängden gödselmedel som används i ett område eller hur hälsosam jorden är totalt sett för att både förbättra jordbruksförsörjningen och potentiellt bromsa förlusten av biologisk mångfald i bevarandeinsatser men har traditionellt sett varit svår att genomföra.
Det beror delvis på att för att få relevanta mätvärden krävs att man tar bort jorden och skickar den till ett labb för analys. Det tar tid och det mikrobiella innehållet i både provet och fältet kan ändras däremellan. Atreya sa att andra tillvägagångssätt för att samla in den här typen av information antingen är lika arbetsintensiva eller saknar den realtidsrapportering och lätta dataåtkomstaspekter som teamet försöker uppnå.
"Det finns två befintliga program - Tea Bag Index och Soil Your Undies - som uppmuntrar människor runt om i världen att begrava föremål i jorden och kvantitativt eller kvalitativt övervaka dess fysiska nedbrytning för att förstå omgivande markhälsa," sa han. "Du kan tänka på vår nya sensor som en elektronisk version av det tillvägagångssättet."
Teamet fokuserar nu på att förbättra tillverkningsbarheten och hållbarheten för sina sensorer.
"Vi utforskar andra material som vi kan använda för att göra liknande sensorer som kan vara bättre och för att rikta in oss på mer specifika markmikrobiella/enzymatisk aktivitet," han sa. "Vi vann också nyligen ett nytt bidrag från Department of Energys ARPA-E-program som gör att vi kan utforska aspekter av markens kvävecykel."
Atreya tillbringade tid som designingenjör inom industrin innan han kom till CU Boulder för att ta sin doktorsexamen. Han tog examen sommaren 2022 och arbetar för närvarande som postdoktor hos Whiting.
"Jag har varit intresserad av hållbar design under ganska lång tid men hade aldrig föreställt mig att jag skulle arbeta med tryckt biologiskt nedbrytbar elektronik”, sa han. "Mark är mycket komplicerad och varje sats kan variera. Som tur var hade jag ett bra team jord och polymerexperter inom teknik och över campus för att hjälpa och mentor mig längs vägen.”