Đất Nông Nghiệp Có Khỏe Không? Kiểm Tra Sự Hoạt Động của Vi Khuẩn

Doug Palen điều hành một trang trại gia đình ở miền trung bắc Kansas, nơi ông đã gọi là nhà suốt cả cuộc đời. Kể từ khi ông bắt đầu làm nông nghiệp cho bản thân vào đầu những năm 1990, ông đã thử nghiệm nhiều loại kiểm tra đo lường sức khỏe đất, như các phân tích dinh dưỡng cơ bản và các phân tích axit béo. Những kiểm tra này giúp nông dân có cái nhìn về sự màu mỡ của đất họ, hoặc ước lượng về cách vi khuẩn nhỏ bé trong đất đang phản ứng với các điều kiện môi trường thay đổi. “Tôi không chắc rằng bất kỳ loại kiểm tra nào một mình cũng là câu trả lời cuối cùng hoặc Châu báu linh thiêng,” Palen nói.

Nhưng các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington đang hy vọng sẽ thay đổi điều này. Tháng 8, một nhóm nghiên cứu đã xuất bản một nghiên cứu chứng minh khái niệm trong Tạp chí Xã hội Hóa học Điện cho thấy họ có thể sử dụng điện cực để đo lường dòng điện do những vi khuẩn tạo ra. Phát hiện ra một dòng điện, họ kết luận, có nghĩa là đất khỏe mạnh, vì những vi khuẩn đó đang tiến hành hoạt động chuyển hóa—như tái chế chất dinh dưỡng và tạo ra các hợp chất giúp cây trồng chống lại những yếu tố căng thẳng môi trường.

Kỹ sư sinh học hóa học Abdelrhman Mohamed và Haluk Beyenal, hai trong số tác giả của nghiên cứu, trước đây đã cùng nhau làm việc để tạo ra các công cụ để nghiên cứu vi khuẩn trong các hệ thống xử lý nước thải, hồ nước hypersaline ở xa, và suối nước nóng ở Công viên Quốc gia Yellowstone. Họ đã sử dụng công việc trước đó của mình làm cơ sở để nghiên cứu vi sinh vật đất. “Rất nhiều điều mà mọi người hiện nay làm là nhìn vào cấu trúc của đất là, nhưng không phải là cái nó làm—hoạt động vi khuẩn,” Mohamed nói.

Nhìn chung, vi khuẩn đất bao gồm mọi thứ từ vi khuẩn hữu ích đến nấm cộng sinh; có đến 10,000 loài vi khuẩn có thể được tìm thấy trong một gram đất duy nhất. Các sinh vật nhỏ bé phân giải vật liệu, giữ carbon, biến đổi nitơ và tăng cường sẵn có của chất dinh dưỡng quan trọng. Để thực hiện những công việc này, vi khuẩn cần chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và quá trình tiêu thụ năng lượng của họ tạo ra hoạt động có thể được đọc bằng cảm biến. 

Mặc dù các kiểm tra khác có thể vẽ bức tranh về thành phần hóa học và vật lý của đất, việc đo lường hoạt động vi khuẩn cung cấp một hình ảnh tốt hơn về các tính chất hoạt động của hệ thống. "Cảm biến điện hóa sẽ là giọng của đất,” Beyenal nói. “Đó là tầm nhìn khoa học viễn tưởng của tôi.”

Một số kiểm tra đất khác cũng có thể đắt đỏ, hoặc mất nhiều mùa để tạo ra kết quả có thể sử dụng được. Một số khác không phải là dự đoán tốt về năng suất. “Đo lường hoạt động vi khuẩn đưa chúng ta gần hơn,” Mohamed nói. “Hy vọng, chúng tôi không chỉ cung cấp một câu trả lời đơn giản hơn, mà còn là một câu trả lời nhanh hơn.”

Để chứng minh rằng thiết bị của họ có thể hoạt động, họ đã thử nghiệm nó trên cả đất màu mỡ và đất không màu mỡ. Cả hai mẫu đều đến từ một trang trại nghiên cứu lớn đã có dữ liệu tỷ mỷ về đất, cây trồng và tính chất địa hình, bao gồm theo dõi thành phần dinh dưỡng và thành công kinh tế của cây trồng. Cả hai đều được lấy từ ruộng không cày, có cùng độ pH và chứa một lượng hữu cơ đáng kể. Nhưng có một khác biệt quan trọng: Đất màu mỡ có một lượng lúa mạch cao hơn.

À, làm thế nào nhỉ: Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm thiết bị của họ, đất màu mỡ tạo ra một dòng điện, đạt đến tối đa 34.4 microamperes sau khoảng ba ngày. Đất không màu mỡ gần như không tạo ra gì cả. (Dòng của nó chỉ là khoảng 1% so với đất màu mỡ.)

“Tôi đã chắc chắn là bất ngờ và hứng thú, đặc biệt là khi chúng tôi thực hiện một bộ thử nghiệm khác và tìm thấy kết quả tương tự,” nói nhà khoa học đất và cộng tác tác giả của nghiên cứu Maren Friesen.

Cái đầu tiên đi vào đất của họ được làm từ điện cực vải than chì, các mảnh vải linh hoạt với dây đồng và titan nhô ra. Mỗi cái gần như giống như một chiếc thảm chuột máy tính. Chúng được kết nối với một thiết bị lớn hơn gọi là một potentiostat, một hộp cỡ bánh ngọt, đo lường dòng điện.

Cho thử nghiệm của họ, họ đã sàng lọc đất khô vào một hộp 48 ounce, đặt các điện cực ở các độ sâu khác nhau trong đất. Sau khi đặt một điện cực, họ che phủ nó bằng một vài centimet đất khác, và sau đó đặt một cái khác. Sau đó, họ sử dụng potentiostat để đọc kết quả điện áp trên máy tính.

Là một biện pháp phụ, họ cũng sử dụng kính hiển vi quét điện tử để chụp hình ảnh với độ phân giải rất cao của các điện cực vải than. Những hình ảnh này cho thấy một sự phát triển vi khuẩn nhiều mật độ hơn trên các điện cực ở đất khỏe mạnh. Trong khi những vi khuẩn đó phủ lên sợi than chì như rêu mọc khắp một cái cây, các vi khuẩn từ đất không khỏe mạnh xuất hiện giống như một miếng nhỏ.

"Đất đã được mô tả như 'biên giới cuối cùng' để hiểu rõ đa dạng vi sinh vật, vì nó rất đa dạng và cộng đồng vi sinh vật rất phức tạp," nói Friesen, tham chiếu đến một bài báo năm 2010 của Alistair Fritter, một nhà sinh thái giờ đã nghỉ hưu tại Đại học York. Bài báo của Fritter lập luận rằng, trong khi con người dành rất nhiều thời gian và nguồn lực để ngăn chặn động vật trở nên tuyệt chủng, người ta có thể thậm chí không biết đến tất cả các loài vi sinh vật trong đất có thể đang đối mặt với nguy cơ.

Nhưng nông nghiệp công nghiệp đang đe dọa những vi khuẩn này. Khi nông dân tập trung vào việc cày liền mạch các ruộng của cùng một loại cây và tiêu diệt các loại cây không có lợi nhuận (còn được gọi là cỏ dại) bằng hóa chất, hệ sinh thái vi khuẩn có thể trở nên không khỏe. Các phương pháp này, cày truyền thống và mất mát đất canh tác do xây dựng thành phố, đã thúc đẩy sự mất mát đất có thể canh tác. Lũ lụt và hạn hán gia tăng do biến đổi khí hậu làm tình hình trở nên tồi tệ hơn, làm đảo lộn sự cân bằng của dưỡng chất và các sinh sống trong đất với lượng nước quá nhiều hoặc quá ít.

Điều này là một vấn đề lớn, vì nó có thể gây ra một loạt sự mất mát đa dạng sinh học, cũng như mất mát kinh tế cho nông dân. Theo Nền khoa học-chính sách Liên chính phủ về Đa dạng sinh học và Dịch vụ Hệ sinh thái, đã xuất bản một đánh giá về suy thoái đất và phục hồi năm 2018, ít nhất 3.2 tỷ người bị ảnh hưởng bởi sự tồi tệ của đất. Mặc dù không giới hạn ở một khu vực, các khu vực ở Châu Phi cận Sahara, Nam Mỹ và Đông Nam Á đang phải đối mặt với tình hình tồi tệ nhất do công nghiệp hóa và mất mát đất do rửa trôi.

Là một thành viên của nhóm sức khỏe đất phi lợi nhuận No-till on the Plains, Palen đã nhiệt huyết với những vấn đề này. “Đất rất nhiều là một hệ thống sống,” ông nói. Nhóm của ông đề xuất chống lại cày, vì họ nói rằng nó gây ra rửa trôi và phá hủy hệ sinh thái trong đất. “Tôi không chắc rằng một thiết bị đơn lẻ sẽ bao giờ đo lường đúng tất cả các thành phần của đất khỏe mạnh,” Palen nói. Nhưng chiếc đầu dò mà các nhà nghiên cứu Đại học Washington đang phát triển, ông nói, "có thể giúp nhìn thấy xu hướng."

Jenny Kao-Kniffin, giáo sư tại Trường Khoa học Thực vật Tích hợp tại Đại học Cornell, người không liên quan đến nghiên cứu, cho biết bà thấy hứa hẹn khi các nhà khoa học đất liên kết với kỹ sư theo cách này. “Một tình huống mà công cụ này có thể hoạt động tốt là đánh giá ảnh hưởng của một chiến lược quản lý đối với sức khỏe đất hoặc hoạt động vi sinh vật trong đất, như đo lường hiệu ứng của một loại thuốc trừ sâu hoặc chất khử trùng đối với hoạt động sinh học trong đất,” Kao-Kniffen nói. “Một ví dụ khác là đánh giá các thay đổi theo thời gian trong hoạt động sinh học của đất, với sự chuyển đổi từ các phương pháp canh tác thông thường sang hữu cơ.”

Đó là bước tiếp theo mà các tác giả nghiên cứu hình dung: Phát triển một chiếc đầu dò có thể cung cấp các bảng đọc cho nông dân theo thời gian thực. Để làm điều này, họ sẽ làm cho thiết bị có thể mang theo và dễ dàng châm vào đất. (Phiên bản hiện tại kết nối vào ổ cắm và máy tính.) Lý tưởng nhất, họ muốn nông dân nhận kết quả ngay lập tức trên thiết bị di động của họ. “Giấc mơ là bằng cách tìm hiểu những gì đo lường điện hóa cho chúng ta về đất, chúng ta có thể cung cấp cho nông dân các công cụ để đo trực tiếp những điều này,” Friesen nói, cho phép họ điều chỉnh các thực hành, như cách họ sử dụng thuốc trừ sâu và hóa chất, nếu cảm biến chỉ ra rằng đất không sản xuất.

Mặc dù có thể còn vài năm nữa, họ cũng hy vọng đầu dò của họ cuối cùng sẽ có khả năng đo lường những điều khác, như chất hữu cơ và nội dung nước. Beyenal tưởng tượng một cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh về đo lường đất, được lấy từ nhiều lĩnh vực khác nhau, cuối cùng có thể được sử dụng để tạo ra một “chỉ số đất,” hoặc một thang số có thể cho nông dân biết đất của họ khỏe mạnh đến mức nào. "Chúng tôi biết rằng sức khỏe đất thực sự phức tạp,” Beyenal nói. “Đó là điểm xuất phát của chúng tôi. Chúng tôi muốn cung cấp một số con số đơn giản để giúp mọi người hiểu nó."

More Great Mytour Stories

• 📩 Nhận những thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Nhà thiết kế tài năng ít người biết đến giúp Pixar trở nên có thể
• Tại sao Tesla đang thiết kế chip để huấn luyện công nghệ lái xe tự động của mình
• Mẹo học gõ một tay
• Người nghệ sĩ làm thế nào trong thời đại của thuật toán?
• Chim bồ câu, đường cong và vấn đề của người du lịch bán hàng
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận những mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 💻 Nâng cấp công việc của bạn với những chiếc laptop, bàn phím, phương án gõ và tai nghe chống ồn mà đội ngũ Gear yêu thích của chúng tôi đều ưa chuộng