试管实验室：在不干扰的情况下监测土壤化学

一组研究人员开发了一个便携式自动实验室，可以实时监测土壤化学，而且不需要昂贵的组件。目的是让我们更容易遵循通常隐藏在我们脚下的过程。

想象一下，将一台相机插入土壤中，不断了解氧气如何在土壤颗粒之间移动。或者雨水渗入时pH值在一天内的变化。

这听起来是个好主意，奥胡斯大学的一组研究人员也这么认为。现在，他们与德国同事一起，使这一切成为可能。

他们开发了一种便携式、自动化的管状微型实验室，称为MARTINIS，可以在原位测量土壤中的特定化学参数，即它们自然发生的地方，对土壤真实存在的微观世界的干扰最小。

奥胡斯大学生物系副教授Klaus Koren解释说：“土壤非常复杂，一旦我们深入研究，我们就会改变它。”。“借助MARTINIS，我们可以在不接触样品的情况下，以高分辨率观察随时间的变化。”Klaus Koren是发表在《传感器和执行器B:Chemical》上的关于MARTINIS的论文的合著者。

土壤中的传感器膜

该系统使用所谓的平面光电二极管工作——当暴露于特定的化学物质（如氧气、氨或pH值变化）时，这些薄传感器会发光或变色。这是一种众所周知的技术，长期以来一直在实验室中使用。

但是在实验室分析土壤样本时，你只能得到关于样本存在的数据，确切地说是在何时何地采集的。

“我们已经将实验室设备缩小到直径25厘米的圆柱体，可以埋在土壤中，从而可以对周围的土壤环境进行连续成像，”开发该系统的博士生Martin Reinhard Rasmussen解释道，顺便说一句，他的名字与项目名称无关。

MARTINIS（多分析物实时原位成像系统）的工作原理：光电二极管安装在埋在土壤中的有机玻璃管的外部。管内有一个LED灯，它以适合你想要检测的物质的波长发光，还有一个记录光电二极管发出的光的摄像头。整个系统由Raspberry Pi计算机控制，该计算机自动拍摄图像并控制运动——整个组件可以在管内上下移动并旋转360度。平面验光仪的优点是，它们不仅可以测量单个点，还可以创建土壤化学条件的二维图像——这在描述复杂的土壤过程时至关重要。由于相机可以按顺序移动和拍摄图像，因此可以将整个土壤剖面的“全景图”拼接在一起。

Rasmussen说：“这一切都是自动运行的，自己构建只需要5-600欧元，所有部件和软件都是开源的。”。

在第一种型号中，系统将图像存储在SD卡上，但目标是为其配备5G卡。未来的愿景也是将MARTINIS数据与无人机和卫星数据相结合。

MARTINIS尚未完全开发为商业产品。研究人员目前正在寻求资金，以进一步开发该软件和更强大的现场就绪版本。

该系统已经在实验室和德国的田间盆栽土壤中进行了测试，在那里，它在几个月内测量了土壤层中的氧气动态，即使在雨雪中也没有出现故障。它也在落基山脉进行了试验，在那里它追踪了森林大火后土壤化学的变化。

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从堆肥到咨询

通过监测一段时间内和不同地点的pH值和氧气水平，可以更容易地评估土壤化学变化情况，例如施肥后或不同栽培方法下。例如，为了实现有效的堆肥，需要大量的氧气。

该系统显然对农业有希望，但个体农民不太可能对其进行投资。

这是该研究的合著者Klaus Butterbach Bahl教授的观点。他是奥胡斯大学可持续农业未来景观研究中心（Land CRAFT）的负责人，拉斯穆森也隶属于该大学。

“更有可能是顾问和工程师使用该系统，并根据他们收集和分析的数据为农民提供建议。我们将在Land CRAFT的研究中使用它，在那里我们可以深入了解氧化还原反应以及氧气和pH值的变化，”他说。

在SEGES Innovation——一家致力于可持续和有竞争力的农业和粮食生产的独立研究和创新公司——气候专家Franziska Petra Eller也看到了这项新发明的巨大潜力：

“MARTINIS提供了对土壤这一难以进入的环境的洞察。平面视景板的原位使用可以更真实地研究农业领域土壤化学的时空动态。应用研究无疑将受益于这台设备，特别是因为它可以轻松地以高时间分辨率自动收集更长时间的化学土壤数据。”

监测气候和环境

除了有利于农业，MARTINIS的测量还将有助于农业。S可以为更广泛的环境和气候研究做出贡献。

当研究人员监测缺氧微环境（土壤中没有氧气的区域）时，他们可以深入了解导致温室气体一氧化二氮（N2O）排放的过程，N2O在气候变化中起着重要作用。pH值数据有助于了解氨蒸发，氨蒸发会影响大气中云的形成。p