Перспективные применения неразрушающих сенсоров для обеспечения продовольственной безопасности и устойчивого сельского хозяйства

Исследователи из междисциплинарной исследовательской группы DiSTAP (SMART) и их коллабораторы из IMRE (A*STAR) и NUS опубликовали обзор, посвящённый последним достижениям в неразрушающем мониторинге здоровья растений — от электрохимических сенсорных массивов до наносенсоров и электронных носов. Отслеживание здоровья растений рассматривается как привлекательная и устойчивая стратегия для оптимизации практик выращивания сельскохозяйственных культур.

Для удовлетворения глобальной потребности в продовольственной безопасности и перехода к устойчивому сельскому хозяйству критически важны внедрение и развитие агротехнологий. Однако повышение урожайности должно минимизировать ущерб окружающей среде. Традиционно фермеры замечают ухудшение состояния растений лишь на поздней стадии, когда меры по исправлению ситуации ограничены.

Современные методы анализа, основанные на хроматографии, являются разрушающими, требуют отбора образцов тканей, трудоёмки и выполняются в лаборатории. Поэтому учёные развивают область точного земледелия, создавая новые сенсоры и аналитические инструменты для помощи фермерам. Использование неразрушающих или минимально инвазивных сенсоров для метаболитов растений стало важным инструментом для мониторинга в реальном времени сигнальных путей растений и их реакции на внешние условия.

«Неразрушающий мониторинг здоровья растений является одной из ключевых стратегий для улучшения практик выращивания культур, дополняя текущие сельскохозяйственные методики», — отметил д-р Гаджендра Пратап Сингх из DiSTAP.

Обзор «Non-destructive Technologies for Plant Health Diagnosis» опубликован в журнале Frontiers in Plant Science. Сенсоры можно разделить на две основные категории:

• In vivo сенсоры (для внутренних сигнальных молекул): электрохимические сенсоры и нанобионические сенсоры растений. Достижения в нанотехнологиях позволили повысить их чувствительность и селективность.
• Сенсоры для внешних сигналов: детектирование молекул на поверхности органов растений и летучих органических соединений (VOCs) в воздухе для межрастительной коммуникации.

Детектирование как внутренних, так и внешних сигналов позволяет проводить неинвазивную диагностику заболеваний растений в реальном времени. Эти сенсоры преобразуют сигналы растений в цифровые, устанавливая прямую связь между растением и фермером.

«Неразрушающие сенсоры, отслеживая физиологические события в реальном времени, позволяют оперативно корректировать условия окружающей среды для повышения продуктивности при минимизации использования ресурсов», — добавил д-р Тедрик Томас Салим Лью (IMRE, A*STAR и NUS), соответствующий автор статьи.

«Сенсоры универсальны и успешны в получении пространственно-временной информации от различных сельскохозяйственно важных видов растений. Они открывают возможность схем управления с обратной связью в реальном времени для точного внесения удобрений и регуляторов роста, а также для своевременного вмешательства с целью минимизации потерь урожая от стресса», — сказал Мервин Анг (DiSTAP), первый автор статьи.

Для решения серьёзных проблем в производстве продуктов питания DiSTAP на протяжении многих лет разрабатывает быстрые, неразрушающие аналитические инструменты, способные в реальном времени получать информацию от живых растений. Данный обзор направлен на продвижение технологий, применимых к сельскохозяйственным культурам в полевых условиях, сокращая разрыв между модельными растениями в биологии и экономически важными культурами.