Aunque el nitrógeno es un nutriente esencial para los cultivos, el exceso puede filtrarse del suelo y terminar en las aguas subterráneas. Este tipo de contaminación por nitrato es peligrosa para las personas que beben agua de pozo contaminada y es perjudicial para el medio ambiente. Los nuevos sensores podrían usarse tanto en el campo como como herramienta de investigación agrícola para monitorear la lixiviación de nitrato y ayudar a desarrollar métodos para mitigar sus efectos nocivos.
Ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado sensores de bajo costo que brindan un monitoreo continuo y en tiempo real de los niveles de nitrato en tipos de suelo comunes en Wisconsin. Estos sensores electroquímicos impresos podrían permitir a los agricultores tomar decisiones más informadas sobre el manejo de nutrientes y obtener beneficios económicos, informa Adam Maleczek en un comunicado de la universidad.
“Nuestros sensores podrían brindar a los agricultores una mejor comprensión del perfil de nutrientes de su suelo y de cuánto nitrato está disponible para las plantas, ayudándoles a tomar decisiones más precisas sobre la cantidad de fertilizante que realmente necesitan. Si pueden comprar menos fertilizantes, el ahorro de costos para las granjas de grandes superficies podría ser significativo”, dice Joseph Andrews, profesor asistente de ingeniería mecánica en UW-Madison, quien dirigió el estudio.
Los métodos actuales para monitorear el nitrato del suelo requieren mucha mano de obra, son costosos y no proporcionan datos en tiempo real. Es por eso que Andrews, un experto en electrónica impresa, y su equipo decidieron crear una solución mejor y menos costosa.
En este proyecto, los investigadores utilizaron un proceso de impresión por inyección de tinta para fabricar sensores potenciométricos, un tipo de sensor electroquímico de película delgada. Estos sensores se utilizan normalmente para medir con precisión el nitrato en soluciones líquidas, pero no son adecuados para su uso en suelos donde las partículas grandes del suelo los rayan e interfieren con las mediciones precisas.
“El principal desafío que intentábamos resolver era encontrar una manera de hacer que estos sensores electroquímicos funcionaran bien en condiciones de suelo duras y detectaran con precisión iones de nitrato”, dice Andrews.
El equipo decidió colocar una capa de fluoruro de polivinilideno sobre el sensor. Este material tiene dos características clave. En primer lugar, tiene poros muy pequeños, de unos 400 nanómetros de tamaño, que permiten el paso de los iones de nitrato, bloqueando las partículas del suelo. En segundo lugar, es hidrofílico, es decir, atrae el agua y actúa como una esponja, absorbiéndola.
“Entonces, nuestro sensor absorbe cualquier agua cargada de nitrato y esto es realmente importante porque el suelo también actúa como una esponja y perderás la batalla para introducir humedad en tu sensor si no puedes igualar el potencial de absorción de agua del suelo. Estas características de la capa de fluoruro de polivinilideno nos permiten extraer agua cargada de nitrato, llevarla a la superficie de nuestro sensor y detectar el nitrato con precisión”, explica Andrews.
Los investigadores detallaron su logro en un artículo publicado en marzo de 2024 en la revista Advanced Material Technologies.
Descripción esquemática del principio de funcionamiento de un sensor potenciométrico de circuito abierto proporcionado por una membrana de PVDF. Fuente de la foto: Tecnologías de materiales avanzados (2024). DOI: 10.1002/admt.202301140
El equipo probó sus sensores en dos tipos diferentes de suelo nativos de Wisconsin: arenoso, que es común en la parte centro-norte del estado, y suelo franco limoso, que es común en el suroeste de Wisconsin, y descubrió que los sensores producían resultados precisos.
Los investigadores ahora están integrando sus sensores de nitrato en un sistema de sensores multifuncional al que llaman “pegatina de sensor”, en el que se adhieren tres tipos diferentes de sensores a una superficie de plástico flexible con adhesivo en la parte posterior. Estas pegatinas también contienen sensores de humedad y temperatura.
Los investigadores colocan varias pegatinas sensoriales en la varilla, las colocan a diferentes alturas y luego entierran la varilla en el suelo. Así, la instalación les permite realizar mediciones a diferentes profundidades del suelo.
“Al medir los niveles de nitrato, la humedad y la temperatura a diferentes profundidades, ahora podemos cuantificar el proceso de lixiviación de nitrato y registrar cómo se mueve el nitrato a través del suelo, lo que antes no era posible”, dice Andrews.
Los investigadores planean realizar pruebas adicionales de sus sensores en el verano de 2024 colocando 30 varillas de sensores en el suelo en la Estación de Investigación Agrícola Hancock de la Universidad de Wisconsin-Madison y la Estación de Investigación Agrícola de Arlington.
Los coautores del artículo incluyen a Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai y Jingyi Huang, profesor de ciencia del suelo.
Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison. Foto: Estudiante Shuohao Cai coloca una varilla sensora con pegatinas de sensores multifunción que permiten realizar mediciones a diferentes profundidades en el suelo en la Estación de Investigación Agrícola Hancock de UW-Madison para probar la tecnología del equipo. Autor de la foto: Kuan-Yu.
