Исследователи из Вашингтонского государственного университета (WSU) предложили необычный способ оценивать состояние почвы – по электрическим сигналам, которые генерируют живущие в ней микроорганизмы. Их работа показала, что микроорганизмы, образующие на поверхности электродов, так называемые электрохимически активные биопленки, создают характерные электрические сигналы, по которым можно отличить богатую питательными веществами здоровую почву от обедненной. Это открытие может привести к созданию недорогих датчиков, способных оценивать состояние почвы в реальном времени без дорогостоящих и длительных лабораторных анализов.
Состояние почвы играет ключевую роль в сельском хозяйстве. От него зависят урожайность, способность удерживать влагу, эффективность использования удобрений и устойчивость растений к стрессам. Однако оценка здоровья почвы остается непростой задачей. Традиционно для этого проводят химические анализы, определяют содержание питательных веществ, изучают состав микробных сообществ и активность почвенных ферментов. Такие исследования требуют времени, специального оборудования и позволяют получить лишь разовую картину состояния почвы.
Американские ученые решили использовать для этих целей естественную электрическую активность почвенных микроорганизмов. В почве постоянно присутствуют вещества, способные отдавать и принимать электроны (так называемые редокс-соединения), а также бактерии, которые могут передавать электроны на внешние поверхности. Если поместить в землю углеродный электрод и подать на него небольшое напряжение, часть микроорганизмов начинает использовать его в своих обменных процессах. На поверхности электрода формируется биопленка, а возникающий электрический ток отражает активность микробного сообщества. Чем она выше, тем сильнее и характернее сигнал.
Чтобы проверить, действительно ли такие сигналы связаны с состоянием почвы, ученые взяли два типа почвы с одного участка в штате Вашингтон. Первая более 15 лет регулярно удобрялась компостом и использовалась для выращивания томатов. Вторая находилась рядом и в течение многих лет не получала органических удобрений. Анализы подтвердили, что первая почва содержит значительно больше органического вещества, фосфора, калия, сульфатов и микроэлементов, а также отличается более высокой микробной активностью.
После этого исследователи установили в оба образца углеродные электроды и с помощью нескольких электрохимических методов начали отслеживать возникающие сигналы. Эти методы позволяли измерять силу тока, электрический потенциал и характер окислительно-восстановительных процессов на поверхности электродов.
Затем в оба образца почвы на 16 дней поместили углеродные электроды площадью 4, 16 и 64 см². Уже через неделю электрические сигналы здоровой и обедненной почвы начали заметно различаться. В здоровой почве формировались характерные электрохимические сигналы, указывающие на развитие активных микробных биопленок, тогда как в менее плодородной почве сильнее проявлялись сигналы, предположительно связанные с другими окислительно-восстановительными процессами. К 16-му дню плотность электрического тока в здоровой почве оказалась значительно выше для всех размеров электродов.
Даже на электродах без приложенного напряжения ученые наблюдали различия в форме электрохимических сигналов. Это говорит о том, что метод способен фиксировать естественные особенности почвенных микробных сообществ, а не только реакцию микроорганизмов на экспериментальные условия.
При этом исследователи обнаружили важное ограничение технологии. Чем больше был электрод, тем слабее оказывался сигнал в расчете на единицу площади. На электродах площадью 64 см² плотность тока была почти втрое ниже, чем на электродах площадью 16 см². Кроме того, крупным электродам требовалось больше времени для формирования устойчивой биопленки. По мнению авторов, это связано с неоднородностью самой почвы и ограниченным переносом питательных веществ в ее порах.
Тем не менее даже самые крупные электроды уверенно различали более здоровые и менее здоровые почвы. Это означает, что электрические сигналы почвенных микроорганизмов могут служить надежным индикатором состояния почвы независимо от размеров датчика. В перспективе такие системы могут стать частью технологий точного земледелия, позволяя аграриям оперативно отслеживать изменения в почвенном микробиоме и своевременно принимать решения о внесении удобрений, поливе и восстановлении плодородия.
