A pesar de lo avanzada que se ha vuelto la agricultura, sigue existiendo una necesidad apremiante de formas no destructivas de "ver" en el suelo. El Departamento de Energía de EE.UU. Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) ha otorgado $4.6 millones al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) para dos proyectos para abordar esta brecha, brindando a los agricultores información importante para aumentar el rendimiento de los cultivos y al mismo tiempo promover el almacenamiento de carbono en el suelo.
Un proyecto tiene como objetivo utilizar la corriente eléctrica para obtener imágenes del sistema de raíces, lo que acelerará la reproducción de cultivos con raíces adaptadas a condiciones específicas (como la sequía). El otro proyecto desarrollará una nueva técnica de imagen basada en la dispersión de neutrones para medir la distribución de carbono y otros elementos en el suelo.
Berkeley Lab recibió estos premios competitivos de ARPA-E's Programa de Observaciones de la Rizosfera Optimizando el Secuestro Terrestre (ROOTS), que busca desarrollar cultivos que eliminen el carbono de la atmósfera y lo almacenen en el suelo, lo que permite un aumento del 50 % en la profundidad y acumulación de la deposición de carbono, al mismo tiempo que reduce las emisiones de óxido nitroso en un 50 % y aumenta la productividad del agua en un 25 %.
Los déficits de carbono en el suelo son un fenómeno global resultante de muchas décadas de agricultura industrial. Los suelos tienen la capacidad de almacenar cantidades significativas de carbono, lo que reduce las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera y al mismo tiempo mejora la fertilidad del suelo y la retención de agua.
Un EEG para las plantas
El desarrollo de la tecnología Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), que recibió $ 2.3 millones de ARPA-E, está dirigido por el geofísico de Berkeley Lab, Yuxin Wu, también en la División de Ciencias del Clima y Ecosistemas. “Puede pensar en ello como una imagen cerebral, o EEG, donde los electrodos conectados a su cabeza pueden registrar patrones de ondas cerebrales”, dijo Wu. “La nueva tecnología será como un EEG para las plantas”.
Al enviar una pequeña corriente eléctrica al tallo, que luego viajará por todo el sistema de raíces, TERI detectará la respuesta eléctrica tanto de las raíces como del suelo y proporcionará información sobre la masa de raíces, el área de superficie, la profundidad y la distribución en el suelo, junto con datos sobre la textura del suelo y el contenido de humedad y cómo estas variables cambian con el tiempo.
Por el contrario, el enfoque común para estudiar las propiedades de las raíces, que se conoce con el nombre de "shovelomics", no implica mucho más que una pala y un balde de agua antes del análisis de raíces en el laboratorio. “Es un método muy intensivo en mano de obra y de bajo rendimiento para caracterizar las raíces”, dijo Wu. “Y una vez que desentierras la raíz, ya terminaste. No se pueden ver los cambios a lo largo del tiempo”.
Wu ha comenzado las pruebas iniciales en el laboratorio. Posteriormente realizará pruebas de campo con cultivos de trigo en colaboración con La Fundación Noble Samuel Roberts. Con sede en Ardmore, Oklahoma, la Fundación Noble es el instituto de investigación agrícola independiente más grande de los EE. UU. con más de 13,500 acres de tierras agrícolas que realizan investigaciones para permitir que los agricultores y ganaderos aumenten la productividad regional y la administración de la tierra.
Wu y su equipo también se están asociando con Subsurface Insights, una pequeña empresa que se enfoca en el desarrollo de software para aplicaciones geofísicas.
El objetivo del proyecto es desarrollar una tecnología de fenotipado de raíces de próxima generación integrada con el modelado de ecosistemas para acelerar la reproducción de cultivares centrados en las raíces con ciertas características; por ejemplo, una mejor resiliencia climática y una mejor tolerancia a las condiciones de escasez de agua y fertilizantes. En última instancia, la herramienta podría ayudar a aumentar los rendimientos al mismo tiempo que aumenta la entrada de carbono al suelo.
Desde neutrones hasta rayos gamma y detección de carbono
En el segundo proyecto, también adjudicado $2.3 millones, los físicos de Berkeley Lab liderados por Arun Persaud del División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) construirá un instrumento para analizar la química del suelo, sin alterarlo, mediante dispersión inelástica de neutrones. “El generador enviará neutrones al suelo”, dijo Persaud. “Cada neutrón puede reaccionar con los átomos del suelo y generar un rayo gamma, que podemos detectar en la superficie con un detector gamma. Luego medimos la energía de la gamma, ya partir de ahí puedes decir qué tipo de átomo es; carbón o hierro o aluminio, por ejemplo.”
Actualmente se utiliza una tecnología similar en aplicaciones de seguridad nacional, como la detección de explosivos y otros materiales en la carga, y es un área de investigación desde hace mucho tiempo en Berkeley Lab.
“Esta tecnología podrá no solo medir cuánto carbono hay en el suelo, sino también hacerlo con una resolución espacial de unos pocos centímetros”, dijo Wim Leemans, director de ATAP.
ersaud dijo que, a diferencia de las tecnologías actuales para analizar las propiedades del suelo, esta técnica se puede emplear en el campo y puede medir los cambios en el espacio y el tiempo sin perturbar el suelo. Los métodos estándar ahora implican perforar núcleos de suelo y realizar análisis químicos en el laboratorio, lo que no permite repetir las mediciones del mismo suelo y no es práctico en áreas grandes.
Junto con el físico de ATAP Bernhard Ludewigt, Persaud trabajará con Adelphi Technology Inc. para desarrollar el generador de neutrones. El sistema resultante eventualmente podría tomar la forma de un instrumento móvil que toma medidas in situ en el campo de un agricultor.
- julie chao, Universidad de California
Fuente: Universidad de California