Ogni anno, gli agricoltori statunitensi perdono fino al 12% delle loro colture a causa di malattie e un altro 12% a causa di parassiti. Le piante malate rappresentano miliardi di dollari di profitti persi nel settore agricolo.
Il problema è che le malattie delle piante sono difficili da individuare prima che sia troppo tardi. Con il passare del tempo ci sono sintomi visibili - foglie appassite, per esempio o scolorimento - la malattia è abbastanza avanzata da non essere curabile.
Ma le piante fanno sapere a chi li circonda quando sono malate o sotto attacco, solo in un modo che non siamo mai riusciti a capire in tempo reale - fino ad ora. Un team di ingegneri guidato da Gary McMurray, capo divisione per la tecnologia di trasformazione alimentare presso il Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), ha sviluppato un metodo per monitorare e decodificare quei messaggi per consentire agli agricoltori di identificare e curare le malattie prima che attecchiscano. La sua visione: bracci robotici che catturano e identificano al volo i segnali delle malattie naturali delle piante.
Tutte le piante producono segnali naturali, sotto forma di composti organici volatili (COV), per avvisare l'ambiente circostante di ciò che li sta attaccando. Il sistema di McMurray cattura quei composti usando una versione miniaturizzata di un gascromatografo (chiamato micro GC). I dispositivi, originariamente sviluppati intorno al volgere del 20 ° secolo, vengono utilizzati per separare i prodotti chimici all'interno di campioni complessi: nel caso di McMurray, i gas emessi da una pianta. Quando il gas viene riscaldato e fatto passare attraverso una colonna e un sensore elettronico rileva i composti contenuti nel campione.
Non è necessario pizzicare o spennare i campioni e riportarli in laboratorio per l'analisi, un processo che può richiedere giorni o settimane per essere completato. Tutte le informazioni di cui il micro GC ha bisogno sono nell'aria, il che significa che curare le malattie o salvare le piante da esse, potrebbe ottenere molto più velocemente.
Le applicazioni per la gascromatografia vanno ben oltre le colture. Il Dipartimento per la sicurezza interna, ad esempio, li utilizza per rilevare determinati tipi di gas e sostanze chimiche pericolose. E i ricercatori li stanno anche usando per lo screening di alcuni tipi di malattie digestive nell'uomo.
Tradizionalmente, i cromatografi erano dispositivi di grandi dimensioni da 3 a 10 metri di lunghezza; i progressi nei nanomateriali e nella produzione hanno permesso a McMurray di crearne uno delle dimensioni di una batteria da 8 volt.
“Non avremmo mai potuto costruirlo; anche cinque anni fa non sarebbe stato possibile ", afferma.
Il micro GC di McMurray potrebbe essere montato su un braccio robotizzato su attrezzature agricole esistenti, come un trattore o un aratro. Il braccio avrebbe tenuto il dispositivo sopra le foglie della pianta e avrebbe raccolto campioni d'aria. Un piccolo computer, non più potente di un laptop o iPhone di base, può quindi elaborare i dati dei campioni per identificare eventuali agenti patogeni; una rapida vampata di elio prepara il sensore a valutare il suo prossimo campione.
Perché sono così piccoli, "[possiamo] costruire più micro GC su un robot", afferma McMurray. "Posso avere 10, 20, anche 100 di loro su un singolo trattore."
Ciò significa che un trattore potrebbe raccogliere campioni da steli, radici e gemme contemporaneamente.
Il sistema di micro GC potrebbe anche essere usato per schermare tutti i nostri alimenti, dalla frutta alle verdure e ai cereali, alla ricerca di malattie.
“I prodotti freschi che vengono spediti in tutto il mondo potrebbero portare vari parassiti o malattie. Se si dispone di una sorta di sensore mobile o dispiegabile sul campo, è possibile rilevare i COV che escono dagli impianti ”, postula McMurray. "Potrebbe risolvere alcuni problemi molto grandi."
Il team sta attualmente finendo i test di laboratorio per il micro GC per assicurarsi che i suoi risultati siano coerenti con quelli dei cromatografi più grandi. In agosto o settembre, eseguiranno il loro primo test sul campo, in cui un ricercatore condurrà un micro GC attraverso i campi di pesche per testare il Peachtree Root Rot.
Mentre quel test iniziale si concentrerà su una malattia specifica, la gascromatografia può selezionare contemporaneamente dozzine di agenti patogeni, che lo distingue anche da altri approcci, afferma McMurray.
Anche con la tecnologia, i patologi delle piante dovranno ancora mappare le emissioni di COV associate a determinati piani e determinate malattie.
Gli impianti le cui emissioni di COV sono già ben documentate avranno un vantaggio quando sarà avviata la schermatura del micro GC; altri richiederanno più tempo e ricerche per diagnosticare e trattare. "L'agente patogeno che abbiamo scelto, nessuno ne sa nulla", afferma McMurray, "ma, per esempio, si sa molto su alcuni funghi".
Ma il micro GC Georgia Tech rappresenta un importante punto di svolta in termini di usabilità e scalabilità, afferma McMurray.
"Ciò che abbiamo riteniamo unico", afferma McMurray, "questi nuovi processi produttivi stanno aprendo una nuova era di sensori".
