Un equipo de investigadores ha desarrollado un laboratorio portátil y automático que permite monitorizar la química del suelo en tiempo real, sin necesidad de componentes costosos.
El objetivo es facilitar el seguimiento de los procesos que suelen ocurrir bajo nuestros pies.
Imagine insertar una cámara en el suelo y obtener continuamente una visión general de cómo se mueve el oxígeno entre las partículas del suelo . O cómo cambia el pH a lo largo del día a medida que se filtra el agua de lluvia.
Parece una gran idea, y un grupo de investigadores de la Universidad de Aarhus también lo cree. Junto con colegas alemanes, ahora lo están haciendo posible.
Han desarrollado un minilaboratorio portátil y automático en forma de tubo, llamado MARTINIS, que puede medir parámetros químicos específicos en el suelo in situ (es decir, donde se producen de forma natural) con una perturbación mínima del microcosmos vivo que realmente es el suelo.
«El suelo es muy complejo, y en cuanto excavamos en él, lo modificamos», explica el profesor asociado Klaus Koren, del Departamento de Biología de la Universidad de Aarhus. «Con MARTINIS, podemos observar lo que sucede a lo largo del tiempo, en alta resolución, y sin tocar las muestras».
Klaus Koren es coautor del artículo sobre MARTINIS, publicado en Sensors and Actuators B: Chemical .
Película sensora en el suelo
El sistema funciona mediante los llamados optodos planares: sensores delgados que se iluminan o cambian de color al exponerse a sustancias químicas específicas, como oxígeno, amoníaco o cambios de pH. Se trata de una tecnología reconocida y de larga trayectoria en laboratorios.
Pero cuando se analiza una muestra de suelo en el laboratorio, sólo se obtienen datos sobre lo que está presente, exactamente dónde y cuándo se tomó la muestra.
«Hemos reducido el equipo de laboratorio a un cilindro de 25 centímetros de diámetro que puede enterrarse en el suelo, lo que permite obtener imágenes continuas del entorno del suelo circundante», explica el estudiante de doctorado Martin Reinhard Rasmussen, quien desarrolló el sistema y cuyo nombre, por cierto, no tiene nada que ver con el nombre del proyecto.
- Cómo funciona MARTINIS (Sistema de imágenes in situ en tiempo real de múltiples analitos):
- Los optodos están montados en el exterior de un tubo de plexiglás, enterrado en el suelo. Dentro del tubo se encuentra una lámpara LED que emite luz en las longitudes de onda adecuadas para las sustancias que se desean detectar, junto con una cámara que registra la luz emitida por el optodo. Todo el sistema está controlado por una computadora Raspberry Pi, que toma imágenes automáticamente y controla el movimiento: todo el conjunto puede moverse dentro del tubo y girar 360 grados.
- La ventaja de los optodos planares es que no solo miden un punto, sino que crean imágenes bidimensionales de las condiciones químicas del suelo, lo cual es crucial para describir procesos edáficos complejos. Además, como la cámara puede moverse y tomar imágenes en secuencia, es posible crear «panoramas» de perfiles completos del suelo.
«Todo funciona de forma automática y cuesta solo entre 500 y 600 euros montarlo uno mismo; además, todos los componentes y el software son de código abierto», afirma Rasmussen.
En el primer modelo, el sistema almacena imágenes en una tarjeta SD, pero el objetivo es equiparlo con una tarjeta 5G. Una visión futura es combinar los datos de MARTINIS con datos de drones y satélites.
MARTINIS aún no está completamente desarrollado como producto comercial. Los investigadores buscan financiación para seguir desarrollando tanto el software como una versión más robusta y lista para su uso en campo.
El sistema ya se ha probado tanto en sustrato para macetas en laboratorio como en campo en Alemania, donde midió la dinámica del oxígeno en las capas del suelo durante varios meses sin presentar fallas, incluso con lluvia y nieve. También se ha probado en las Montañas Rocosas, donde rastreó los cambios en la composición química del suelo tras un incendio forestal.
Del compost a la consultoría
Al monitorear los niveles de pH y oxígeno a lo largo del tiempo y en diferentes ubicaciones, resulta más fácil evaluar cómo cambia la química del suelo, por ejemplo, después de la fertilización o con diferentes métodos de cultivo. Por ejemplo, se necesita mucho oxígeno para lograr un compostaje eficaz.
El sistema claramente es prometedor para la agricultura, pero es poco probable que los agricultores individuales inviertan en él.
Esa es la opinión del profesor Klaus Butterbach-Bahl, coautor del estudio y director del Centro de Investigación del Paisaje para el Futuro Agrícola Sostenible (Land-CRAFT) de la Universidad de Aarhus, donde también trabaja Rasmussen.
«Lo más probable es que sean consultores e ingenieros quienes utilicen el sistema y asesoren a los agricultores con base en los datos que recopilen y analicen. Y lo utilizaremos en nuestra investigación en Land-CRAFT, donde podremos comprender mejor las reacciones redox y los cambios en los niveles de oxígeno y pH», afirma.
En SEGES Innovation, una empresa independiente de investigación e innovación que trabaja para una agricultura y una producción alimentaria sostenibles y competitivas, la especialista en clima Franziska Petra Eller también ve un gran potencial en el nuevo invento:
MARTINIS proporciona información sobre un entorno de difícil acceso: el suelo. El uso in situ de optodos planos permite estudios más realistas de la dinámica espacial y temporal de la química del suelo en campos agrícolas. La investigación aplicada se beneficiará sin duda de este equipo, especialmente porque permite la recopilación automática y sencilla de datos químicos del suelo durante períodos más largos con alta resolución temporal.
Monitoreo del clima y el medio ambiente
Además de beneficiar a la agricultura, las mediciones de MARTINIS podrían contribuir a estudios ambientales y climáticos más amplios.
Cuando los investigadores monitorean microambientes anóxicos (áreas del suelo sin oxígeno), obtienen información sobre los procesos que conducen a la emisión de óxido nitroso (N₂O), un gas de efecto invernadero , que desempeña un papel importante en el cambio climático. Además, los datos de pH pueden ayudar a comprender la evaporación del amoníaco, que afecta la formación de nubes en la atmósfera.
Más información: Martin Reinhard Rasmussen et al., Un sistema novedoso, autónomo y de bajo coste para la obtención de imágenes químicas in situ con optodos planares en suelos, Sensors and Actuators B: Chemical (2024). DOI: 10.1016/j.snb.2024.136894
