华盛顿州立大学的研究人员开发了一种通过测量土壤中最微小微生物产生的电流来评估土壤健康的方法。
该团队使用最初开发的探针来测量水生环境中微生物的电化学信号，并在健康和不健康的土壤样本上进行测试，以测量微生物代谢和土壤健康的其他指标。这项发表在《电化学学会杂志》上的概念验证研究有朝一日可以为农民提供简单、实时的测试，以确定土壤是否具有生产力。
“土壤支撑着我们吃的所有食物，其中大部分在世界范围内都已退化，”该研究的合著者、植物病理学和作物与土壤科学系副教授 Maren Friesen 说。“改善土壤的最大障碍之一是无法进行快速、实时的测量来为它们制定适当的管理策略。这种传感器有可能不仅能够实时测量土壤的结构土壤，但它实际上是如何运作的。这将是该领域的一个巨大进步。”
“我相信这是我们最重要的工作之一，将对土壤健康的测定产生重大影响，”该论文的通讯作者、Gene and Linda Voiland 化学工程与生物工程学院教授 Haluk Beyenal 说。
该研究的其他合著者包括博士后研究员 Abdelrhman Mohamed，以及研究生 Eduardo Sanchez 和 Natalie Sanchez。
土壤健康对于全球农业和作物的成功至关重要，但衡量它并不简单。农民和研究人员使用土壤化学、养分分析、质地和 pH 值测量来了解土壤的物理和化学特性。虽然这些信息可能很有价值，但它并不总是反映土壤的实际生产力。
弗里森说，这是因为土壤生产力的关键是微生物的功能。数十亿细菌、真菌和其他生物在营养动员和供应、抵御病原体和植物生长方面发挥着关键作用。但是，到目前为止，还没有简单、实时的方法来测量微生物活动。
“使土壤对植物有益的原因在于它是活的，并且含有所有这些细菌和真菌，”她说。
在这篇新论文中，WSU 研究团队能够测量通过土壤的电流以确定微生物活动，并区分健康和不健康的土壤。
研究人员使用他们几年前开发的探针来测量水生环境中微生物的电化学信号。与人类的饮食和呼吸方式类似，微生物摄取食物，然后利用新陈代谢过程中释放的电子作为能量。最后，微生物将这些电子提供给受体分子，例如氧。该团队开发的探针用电极代替了这些受体分子。使用这个电极，他们可以测量电流并了解微生物活动的大小。
“我们能够通过捕获作为新陈代谢一部分释放的电子来测量微生物的代谢率，”Voiland 学院的博士后研究员 Mohamed 说。“我们正在观察微生物在土壤中呼吸。”
研究人员使用的两个土壤样本是从 RJ Cook 农学农场收集的，它们的土壤成分看起来几乎相同。它们都是从未耕种的地块中收集的，有机质含量相对较高，并且具有相同的 pH 值和土壤类型。但是，研究人员的数据显示，其中一种土壤的小麦产量明显高于另一种土壤。
研究人员发现，生产力较高的土壤会产生电流，而生产力较低的土壤几乎不产生电流——大约是生产力较高土壤的 1%。
“产生的电流量确实存在巨大差异，”弗里森说。
他们还在土壤中测得的开路电位中发现了两种土壤之间的另一个差异。当他们添加糖来刺激代谢活动时，研究人员还观察到健康和不健康土壤样本的电化学信号变化会聚，这表明糖的添加刺激了两种土壤类型的微生物活动。
“我们可以看到，几天后，土壤中的微生物开始呼吸，”穆罕默德说。
最初只比较了两个土壤样本，研究人员说他们的想法仍然只是一个概念证明。他们还有许多其他问题，例如这些生物正在做什么来产生电流，以及样品中可能存在哪些特定微生物来创造高产土壤。
“我们有两种不同的信号，但它们在土壤的基本参数方面真正说明了什么?”穆罕默德说。“这两个参数说明的事情略有不同，我们需要研究它们的解释。”
他们还希望测试更多土壤，包括在实际农田中，而不是在实验室的受控环境中。他们希望最终开发出一种便携式探头，可以直接插入土壤中以提供实时信息。
Friesen 说：“就实现全球可持续粮食生产的公正社会而言，我认为这有可能成为改变游戏规则的技术。”
