Azotany są jednym z kluczowych składników odżywczych dla roślin, ale ich nadmiar prowadzi do poważnych konsekwencji środowiskowych i zdrowotnych. Współczesne rolnictwo stoi więc przed wyzwaniem precyzyjnego określania, ile azotu znajduje się w glebie w danym momencie. Badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie oraz Instytutu Fizyki w Zagrzebiu wskazują, że rozwiązaniem może być nowy typ czujnika elektrochemicznego, zdolnego do szybkich pomiarów bez konieczności korzystania z laboratoriów.

Precyzyjne rolnictwo potrzebuje danych

Decyzja o nawożeniu należy do najważniejszych w całym cyklu uprawy. Zbyt mała ilość azotu ogranicza wzrost roślin, natomiast jego nadmiar prowadzi do strat ekonomicznych i degradacji środowiska. Azotany łatwo przemieszczają się z wodą do rzek i wód gruntowych, przyczyniając się do eutrofizacji, czyli nadmiernego rozwoju glonów i spadku zawartości tlenu w wodzie. Problem ten ma również wymiar zdrowotny, ponieważ wysokie stężenia azotanów w wodzie pitnej mogą być niebezpieczne dla człowieka.

Dotychczasowe metody oznaczania azotanów opierają się głównie na analizach laboratoryjnych. Choć zapewniają wysoką dokładność, są czasochłonne i wymagają specjalistycznej infrastruktury. W praktyce rolniczej oznacza to opóźnienie między pobraniem próbki a uzyskaniem wyniku, co utrudnia podejmowanie bieżących decyzji.

Nanotechnologia w służbie gleby

Nowy czujnik opracowany przez polsko-chorwacki zespół bazuje na elektrodzie selektywnej wobec jonów azotanowych. Kluczową innowacją jest zastosowanie warstwy nanocząstek tlenku cynku domieszkowanych metalami szlachetnymi. Struktury te, dzięki bardzo małym rozmiarom, skutecznie pośredniczą w przekazywaniu sygnału między reakcją chemiczną a układem elektronicznym.

Nanocząstki zostały wytworzone przy użyciu technologii laserowej, polegającej na impulsowym oddziaływaniu światła na materiał zanurzony w cieczy. Wśród testowanych wariantów najlepsze właściwości wykazał czujnik zawierający platynę. Charakteryzował się stabilnością pomiarów oraz zdolnością do powtarzalnego odczytu nawet po zmianach stężenia badanej substancji.

Takie podejście wpisuje się w rozwój nanotechnologii, która coraz częściej znajduje zastosowanie w naukach przyrodniczych i technicznych. W tym przypadku pozwala na zwiększenie czułości i wiarygodności pomiarów w trudnym środowisku, jakim jest gleba.

Od laboratorium do pola

Badacze przetestowali czujnik nie tylko w warunkach laboratoryjnych, ale także na rzeczywistych próbkach gleby. Uzyskane wyniki wskazują na wysoką zgodność pomiarów z rzeczywistym stężeniem azotanów. Dokładność na poziomie bliskim 100 procent potwierdza, że rozwiązanie może być stosowane w praktyce.

Zastosowanie takich czujników w rolnictwie wpisuje się w szerszy trend tzw. rolnictwa precyzyjnego, które wykorzystuje dane pomiarowe do optymalizacji produkcji. Możliwość szybkiego sprawdzenia zawartości azotu bezpośrednio w terenie oznacza nie tylko oszczędność nawozów, ale również ograniczenie ich wpływu na środowisko.