Das Laserwerkzeug bietet Einblicke in das Pflanzenwachstum und die Bodengesundheit

Ein riesiges Feld mit hohen, dünnen Bäumen schwankt in einer leichten Brise. In Zukunft könnten Pappelbäume in einer solchen Szene eine Quelle für nachhaltiges Kraftstoff sein, um Flugzeuge oder schwere Fahrzeuge zu betreiben. Sie könnten uns auch helfen, mehr Kohlenstoff im Boden zu speichern. Sowohl die Bioenergie- als auch die Kohlenstoffspeicherung sind wichtige Strategien zur Reduzierung der Kohlendioxidmenge in unserer Atmosphäre, die den Klimawandel verursacht.

Aber bevor dies Realität werden kann, brauchen Wissenschaftler ein besseres Verständnis dafür, was sowohl über als auch unter dem Boden geschieht. Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Department of Energy haben den Weg in den Weg in Verwenden eines einzigartigen Messwerkzeugs Analyse von Pflanzen, Boden und anderen biologischen Proben. Es ist Teil der Arbeit, die Wissenschaftler seit mehr als einem Jahrzehnt im Zentrum für Bioenergie -Innovation (ein Doe Bioenergy Research Center) geleistet haben, um das Wachstum von Bioenergiepflanzen zu verbessern.

Untersuchung unter der Oberfläche

Pflanzen und ihre Wurzeln sind Teil unglaublich komplexer und vielfältiger ökologischer Systeme. Zwei nahe gelegene Grundstücke oder sogar das gleiche Diagramm in verschiedenen Tiefen können ihre Struktur, Feuchtigkeit und Mikroben unterscheiden.

Insbesondere die chemischen Elemente im Boden können große Auswirkungen darauf haben, wie Pflanzen wachsen und auf Stress reagieren. Stickstoff, Phosphor, Kalzium und andere Elemente sind für das Pflanzenwachstum und das Überleben von wesentlicher Bedeutung. Wie Pflanzen diese Elemente aufnehmen und verwenden, hängt von ihren Genen und ihrer Umwelt ab. Während Wissenschaftler wissen, dass es Beziehungen zwischen all diesen verschiedenen Faktoren gibt, haben sie nicht viele solide Informationen über diese Beziehungen. Dieser Mangel an Daten macht es schwierig zu wissen, welche Landwirte sich ändern könnten, um das Anlagenwachstum und die Kohlenstoffspeicherung zu beeinflussen.

In der Lage zu sein, schnell, genau und im Detail herauszufinden, welche Elemente in Pflanzen und Boden vorhanden sind, würde unser Verständnis der Verbindungen zwischen dem, was über und unterirdisch geschieht, erheblich verbessern. Diese Informationen könnten uns helfen, Biotechnologie zu entwickeln, die den Landwirten hilft, Bioenergiepflanzen nachhaltiger auszubauen. Es könnte auch den Klimaforten helfen, besser zu verstehen, wie Pflanzen auf Umweltveränderungen reagieren, einschließlich Waldbränden.

Eine Explosion eines Werkzeugs

Die Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie (LIBS) bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der chemischen Elemente in Pflanzen und Boden. Wie Detektive nutzen menschliche Fingerabdrücke, um mehr über einen Tatort zu erfahren, bietet LIBS Wissenschaftlern eine Möglichkeit, einen einzigartigen chemischen Fingerabdruck dieser Stichprobe zu schaffen.

Die Werkzeuge, die Wissenschaftler für LIBs verwenden, erzeugen einen hochen Energie -Nanosekunden -Laserpuls, der einen Funken erzeugt. Dieser Funke ist so heiß, dass er die obere Schicht der Probe auf eine Weise entfernt, die eine Plume Plasma macht. (Plasma ist ein Materiezustand, in dem Elektronen von Atomen getrennt sind und zu geladenen Ionen führen.) Wenn sich das Plasma abkühlt, gibt es Licht ab – aber nicht irgendein Licht. Die Wellenlängen des Lichts sind spezifisch für bestimmte Elemente des zu untersuchenden Materials. Die Wissenschaftler verwenden dann ein Spektrometer, das Lichtwellenlängen misst, und einen Detektor, der die Intensität der Lichtwellen aufzeichnet.

In der Vergangenheit verwendeten Wissenschaftler hauptsächlich LIBs, um industrielle Prozesse zu überwachen und Materialien zur Herstellung von Waren zu studieren. Aber Madhavi Martin, ein Wissenschaftler bei Doe’s Oak Ridge National Laboratory, war Pionier der Verwendung von LIBs, um biologische Materialien wie Böden und Pflanzen zu untersuchen.

Im Vergleich zu anderen Analysemethoden für biologische Materialien ist LIBS unglaublich schnell und effizient. Wenn Sie jemals in Ihrem Garten Boden getestet haben, mussten Sie ihn in ein Labor schicken. Im Gegensatz dazu können Wissenschaftler möglicherweise Libs direkt im Feld verwenden.

Mit wenig bis gar keiner Vorbereitung der Stichprobe können Wissenschaftler sehr schnell hochauflösende Ergebnisse erzielen. LIBs können Proben in Millisekunden analysieren und es Wissenschaftlern ermöglichen, mehr als 100 Proben pro Tag zu testen. Es ist besonders nützlich, um leichtere Elemente zu erkennen, die für Biologen wie Stickstoff und Kohlenstoff wichtig sind. LIBs können auch giftige Elemente erkennen, die Umweltkontaminationen wie Quecksilber und Blei aufdecken können.

Wachsen, um die Gebrauch von Libs zu verstehen

Aber Wissenschaftler sprangen nicht nur in die Verwendung von LIBS. Erstens wollten sie sicherstellen, dass es unter verschiedenen Umständen genaue Ergebnisse erzielen würde. Martin begann mit der Anwendung der Technik auf Luftverschmutzung und dann auf Böden. Andere Wissenschaftler begannen, es auch um Pflanzenblätter, Wurzeln und Holzproben zu testen.

Switchgrass ist ein besonderer Bereich von Interesse. Switchgrass in Nordamerika ist eine vielseitige Pflanze, die an Orten wächst, die viele andere Pflanzen nicht können. Es ist eine sehr vielversprechende Pflanze für Bioenergie, Bodenschutz und Kohlenstoffspeicher. In einer Studie Martin und ihr Team verwendete Bibliotheken, um die Elemente in Switchgras -Proben zu analysieren, die zu Asche verbrannt worden waren. Das Verständnis der Elemente in dieser Asche kann Wissenschaftlern helfen, die Methoden zu verbessern, um den Schalter in erneuerbare Biokraftstoffe umzuwandeln. Durch die Analyse von Proben aus 11 verschiedenen Farmen stellten sie fest, dass LIBs genaue Ergebnisse für diese Verwendung lieferten.

Pappel ist eine weitere vielversprechende Bioenergieernte. Pappel wächst schnell und hat im Vergleich zu anderen Bäumen ein relativ einfaches Genom. Infolgedessen könnten Wissenschaftler möglicherweise ihre Genetik verändern, um ihr Wachstum und ihre Kohlenstoffspeicherung zu verbessern. Libs können Wissenschaftlern helfen, zu wissen, wo sich die Elemente in Pappelbäumen befinden und wie sich das bezieht, welche Gene mit welchen Funktionen verbunden sind.

In einer Studie Martin und ihr Team testete die Grenzen Wie wenig Vorbereitung erforderlich ist, um LIBS zu verwenden. In der Vergangenheit hatten Wissenschaftler Pflanzenproben getrocknet und aufgelegt, bevor sie sie testeten. Diese Methode brauchte viel Zeit und führte zu weniger detaillierten Daten. Es gab Methoden, die die Pflanzen ganz hielten – wie sie in Wachs eingebettet oder einfrieren -, aber diejenigen, die noch mehr Zeit dauerten.

Im Gegensatz dazu hat das Team so wenig Vorbereitung mit so wenig Ausrüstung wie möglich vorbereitet und das Libs -Tool speichern. Sie wollten nachahmen, was vor Ort verwendet werden könnte. Mit einem Skalpell und einer Klinge nahmen sie Wurzelproben von Treibhauspflanzen, so wie es ein Landwirt tun könnte. Um den Boden zu probieren, verwendeten sie einen Spatel. Um den Boden am Mikroskop-Objektträger zu befestigen, verwendeten sie ein gewöhnliches doppelseitiges Klebeband.

Die Tests zeigten, was Wissenschaftler tun und müssen nicht, um LIBs effektiv zu verwenden. Das Werkzeug analysierte genau die Proben der Wurzeln und Triebe der Pflanzen und enthüllte eine Reihe von Hauptnährstoffen. Die Ergebnisse der frischen, unvorbereiteten Proben waren fast identisch – wenn auch nicht genauer – zu denen mit mehr Vorbereitung. Die Bodentests verlief jedoch nicht so gut.

Obwohl sie die überschüssige Flüssigkeit entfernten, hielt sich der Boden nicht gut an die Folien. Es glitt herum und führte zu vielen nicht hilfreichen „Rauschen“ in den Daten. Nachdem die Wissenschaftler den Boden ausgetrocknet und in Pellets drückten, waren die resultierenden Daten viel zuverlässiger. Trotz der Herausforderung mit dem unvorbereiteten Boden kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass das Testen sowohl vorbereiteter als auch unvorbereiteter Boden nützlich sein kann. Unvorbereiteter Boden kann einige Erkenntnisse liefern, die Wissenschaftlern helfen können, die Komplexität der Probenvorbereitung im Voraus zu entscheiden.

Mit diesen und anderen Studien wachsen Wissenschaftler ihr Verständnis dafür, was Bibliotheken als Werkzeug können und nicht. Martin arbeitet derzeit mit Pilzbiologen zusammen, um die Beziehung von Pilzen zu Pflanzen zu untersuchen. Sie benutzte sogar Libs, um die Polizei in einem Mordfall zu unterstützen. Ein Professor von der University of Tennessee Knoxville wurde als Sachverständiger genannt, um Holz von einem Tatort aus zu analysieren, und bat Martin um Hilfe. Durch die Analyse der Proben mithilfe von LIBS stellte sie fest, dass das Holz Holz von einem anderen Ort aus stimmte. Es war ein Beweis, der zu einer eventuellen Verurteilung führte.

Während Libs ein mächtiges Werkzeug für sich ist, haben Martin und ihr Team sein wahres Potenzial enthüllt. Ohne ihr kreatives Denken über seine Anwendungen wäre LIBS für Biologen nicht zur Verfügung. Von der Bioenergie bis zur Ökologie haben diese Wissenschaftler die Tür zu neuen Erkenntnissen und Entdeckungen geöffnet.

Bereitgestellt durch das US -Energieministerium

ph-tech