Pflanzen können nicht sprechen, wenn sie durstig sind. Und visuelle Anzeichen, wie z. B. schrumpfende oder bräunliche Blätter, beginnen erst, wenn der größte Teil ihres Wassers aufgebraucht ist. Um Wasserverlust früher zu erkennen, meldeten sich Júlia Barbosa und Kollegen ACS Applied Materials & Interfaces, geschaffen haben ein tragbarer Sensor für Pflanzenblätter. Das System überträgt Daten drahtlos an eine Smartphone-App und ermöglicht so die Fernverwaltung von Trockenstress in Gärten und Feldfrüchten.
Neuere Wearables sind weit mehr als einfache Schrittzähler. Einige Smartwatches überwachen mittlerweile die elektrische Aktivität des Herzens mithilfe von Elektroden, die auf der Haut aufliegen. Und da viele Geräte die erfassten Daten drahtlos übertragen können, können Ärzte den Gesundheitszustand ihrer Patienten auch aus der Ferne überwachen und beurteilen.
Ähnlich könnten tragbare Geräte für Pflanzen Landwirten und Gärtnern helfen, den Gesundheitszustand ihrer Pflanzen, einschließlich des Blattwassergehalts – einem entscheidenden Indikator für Stoffwechsel und Trockenstress –, aus der Ferne zu überwachen. Bisher hatten Forscher Metallelektroden für diesen Zweck entwickelt, doch diese lösten sich häufig ab, was die Genauigkeit der Daten beeinträchtigte. Daher suchte das Team um Renato Lima nach einer Elektrode, die zuverlässig und fest haftet und sich für die Langzeitüberwachung des Wasserstresses von Pflanzen eignet.
Die Forscher stellten zwei Arten von Elektroden her: eine aus Nickel, das in einem schmalen, verschnörkelten Muster abgeschieden wurde, und die andere aus teilweise verbranntem Papier, das mit einem wachsartigen Film überzogen war. Als das Team beide Elektroden mit durchsichtigem Klebeband an abgelösten Sojabohnenblättern befestigte, zeigten die auf Nickel basierenden Elektroden eine bessere Leistung und erzeugten größere Signale, wenn die Blätter austrockneten. Die aus Metall hafteten auch stärker im Wind, was wahrscheinlich daran lag, dass das dünne, verschnörkelte Design des Metallfilms es ermöglichte, dass sich mehr Klebeband mit der Blattoberfläche verbindet.
Als nächstes erstellten die Forscher ein pflanzentragbares Gerät mit den Metallelektroden und befestigten es an einer lebenden Pflanze in einem Gewächshaus. Das Gerät gab Daten drahtlos an eine Smartphone-App und eine Website weiter, und eine einfache, schnelle maschinelle Lerntechnik konvertierte diese Daten erfolgreich in den Prozentsatz des verlorenen Wassergehalts.
Die Forscher sagen, dass die Überwachung des Wassergehalts auf Blättern indirekt Informationen über die Exposition gegenüber Schädlingen und Giftstoffen liefern kann. Da das pflanzentragbare Gerät in Innenräumen zuverlässige Daten liefert, planen sie nun, die Geräte in Gärten und Feldfrüchten im Freien zu testen, um festzustellen, wann Pflanzen bewässert werden müssen, wodurch potenziell Ressourcen eingespart und die Erträge gesteigert werden können.
Barbosa und Kollegen schreiben jedoch in ihrem Artikel, dass die Technologie auch die Lebensmittelsicherheit sowie die Erträge verbessern könnte. „Unsere Plattform kann von entscheidender Bedeutung sein, nicht nur um Einblicke in die Leistungsfähigkeit von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln zu gewinnen und so deren Markteinführung zu beschleunigen, sondern auch um die Bewertung der Toxizität von Nanomaterialien durch die Echtzeitüberwachung der Pflanzenentwicklung zu unterstützen und damit zur Sicherheit von Nanotechnologien beizutragen.“
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Barbosa, JA, Freitas, VMS, Vidotto, LHB, Schleder, GR, de Oliveira, RAG, da Rocha, JF, Kubota, LT, Vieira, LCS, Tolentino, HCN, Neckel, IT, Gobbi, AL, Santhiago, M. und Lima, RS (2022) „Biokompatible tragbare Elektroden auf Blättern zur Vor-Ort-Überwachung des Wasserverlusts von Pflanzen“, ACS Applied Materials & Interfaces. https://doi.org/10.1021/acsami.2c02943
