Ускоренный анализ элементов для изучения роста растений и хранения углерода в почве
Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США продемонстрировали применение лазерного аналитического метода для ускорения понимания ключевых свойств растений и почвы, влияющих на рост биоэнергетических культур и хранение углерода в почве.
Исследователи адаптировали метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (LIBS) для быстрого анализа распределения питательных элементов в корнях биоэнергетической культуры — тополя. Метод, описанный в журнале Plant and Soil, предоставляет ключевые данные за доли времени с лучшим пространственным разрешением, чем традиционные анализы, и практически без подготовки образцов корней, стеблей и почвы.
Поскольку элементы питания, такие как азот, железо и кальций, влияют на трансформацию и хранение углерода в почвах, более эффективное профилирование их распределения с высоким разрешением может дать представление о показателях и потенциальных рычагах для увеличения количества углерода, хранящегося под землей.
«Этот метод ускоряет анализ и восполняет пробелы в данных, ускоряя нашу способность оптимизировать продуктивность растений и методы управления почвой, способствующие увеличению потенциала секвестрации углерода под землей», — говорит Удая Каллури, биолог-системщик растений из ORNL.
Изучение «черного ящика»
Подземный мир Каллури описывает как «черный ящик» по сравнению с объемом знаний о надземных процессах растений. Существует острая необходимость в методах измерения, чтобы заполнить пробелы в понимании пространственно-временной изменчивости корневых систем растений и почвы.
Невероятное разнообразие и сложность подземных систем создает проблему. Корневые системы различаются по архитектуре, анатомии и химическому составу. Состав почвы сильно различается по влажности, кислотности, элементному составу, структуре и микробным популяциям.
«Наличие скудных и плохо разрешенных данных ограничивало нашу способность прогнозировать и оптимизировать продуктивность растений и потенциальную способность систем растение-почва к секвестрации углерода», — отмечает Каллури.
Преимущества метода LIBS
Мадхави Мартин, эксперт по LIBS и руководитель группы по характеристике биоматериалов и биомассы в ORNL, в этом исследовании продемонстрировала использование LIBS на свежих образцах корней растений и почвы. Предыдущие методы требовали сушки образцов растений и их измельчения в порошок в трудоемком процессе, который давал менее подробную информацию о локализации питательных веществ.
«Чувствительность практически к каждому элементу периодической таблицы и получение элементной подписи образца за миллисекунды делают LIBS очень привлекательным методом для исследования больших объемов образцов», — говорит исследователь ORNL Хантер Эндрюс, эксперт по LIBS и первый автор публикации.
С этим новым подходом обработка сотен и тысяч образцов с нескольких полевых участков становится более реалистичной и эффективной.
«Сравнивая эти элементные подписи с наборами данных о генетических вариациях тополя, мы можем определить функцию генов, которые используют определенные элементы», — говорит Мартин. — «Эти новые идеи могут помочь оптимизировать связывание углерода растениями и углубить наше понимание свойств биомассы, способствующих производству биоэнергии».
Исследование «Rapid in situ nutrient element distribution in plants and soils using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)» было проведено в рамках Центра биоэнергетических инноваций (CBI). CBI ускоряет разработку растений и микробов, релевантных для биоэнергетики, чтобы обеспечить производство экологичного авиационного топлива, биопродуктов, которые связывают углерод, и устойчивых заменителей пластиков и других продуктов, вредных для окружающей среды.