Sembrano situazioni e tecnologie tratte da un film di fantascienza, ma il futuro prende davvero corpo nei laboratori del Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) un nucleo di ricerca che opera all’interno dello SMART (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology).
Qui i ricercatori esplorano nuovi approcci e nuove metodologie, ben lontani dai paradigmi tradizionali, e ultimamente hanno progettato un nuovo tipo di sensore ottico nanobionico per le piante in grado di rilevare e monitorare, in tempo reale, i livelli di arsenico.
L’arsenico e i suoi composti sono nocivi per la salute dell’uomo perché possono indurre malattie cardiovascolari o generare lesioni cutanee e forme tumorali, ma livelli elevati di arsenico nel suolo sono anche dannosi per le piante, inibendo la loro crescita, e le colture possono assorbire l’arsenico dal suolo, portando alla contaminazione del cibo. Non solo. L’arsenico negli ambienti sotterranei può anche contaminare le acque con effetti devastanti per tutto l’ambiente.
Il team di ricercatori aveva rilevato la presenta di arsenico nel riso e negli spinaci ma ha voluto anche analizzare una particolare specie di felce, Pteris cretica, che può assorbire e tollerare alti livelli di arsenico senza alcun effetto dannoso. È nata così l’idea di progettare un rilevatore di arsenico vegetale ultrasensibile, in grado di intercettare anche concentrazioni molto basse di arsenico, fino a 0,2 parti per miliardo (il limite medio per i rilevatori di arsenico è di 10 parti per miliardo).
Per misurare i livelli di arsenico normalmente viene effettuato un campionamento, l’esame dei tessuti vegetali, l’estrazione e l’analisi mediante spettrometria di massa. Una metodologia che richiede tempi lunghi e strumentazioni complesse e costose. Il nuovo approccio messo a punto dai ricercatori invece abbina i sensori basati su nanoparticelle alla capacità naturale delle piante di recuperare in modo efficiente i metaboliti attraverso le radici e di veicolarli al proprio interno. Ciò consente il rilevamento dell’assorbimento di arsenico nelle piante viventi in tempo reale e per registrare le evidenze bastano apparecchiature elettroniche portatili ed economiche come una piattaforma Raspberry Pi dotata di una fotocamera simile a quella di uno smartphone.
Questi nuovi nanosensori possono essere integrati in molte specie di piante e potrebbero risultare decisivi sia per la sicurezza alimentare sia per il monitoraggio ambientale generale.
Secondo il team, infatti, l’agricoltura di precisione di fatto è una strategia che deve riuscire ad affrontare concretamente le sfide in continuo divenire, sia sul fronte della sicurezza alimentare sia sul fronte della sostenibilità. Per questo servono nuove tecnologie. Così è nato anche il nuovo “Portable Raman leaf-clip sensor”, un dispositivo portatile che è in grado di monitorare in campo e in tempo reale la salute delle piante e di individuare le loro carenze prima della comparsa di sintomi visibili e della conseguente perdita di resa.
È una sonda che utilizza la spettroscopia Raman e che si aggancia intorno a una foglia per un’analisi spettrale rapida in vivo dei metaboliti vegetali, inclusi carotenoidi e nitrati.
Questa soluzione ha permesso di conoscere i livelli di azoto nelle piante ma può essere impiegata anche per rilevare livelli di altri fenotipi di stress delle piante come siccità, stress da caldo e freddo, stress salino. L’ampia gamma di fattori di stress che può essere intercettata, la facilità d’impiego e la velocità con cui vengono rilevate la natura e l’entità delle minacce rendono questo dispositivo la soluzione ideale per l’uso in campo da parte degli agricoltori.
Il sistema portatile è stato progettato in collaborazione con la società locale Technospex Pte Ltd. Il sensore Raman con fermaglio a foglia è costituito con stampa a 3D attorno a un gruppo sonda Raman a base di fibra. “I risultati hanno mostrato che le misurazioni effettuate in campo e in piena luce utilizzando il dispositivo portatile dal vivo davano gli stessi risultati di quelle ottenute con uno spettrometro Raman da banco su sezioni fogliari in condizioni di laboratorio”, ha affermato il professor Rajeev Ram, co-responsabile del MIT autore del documento e Principal Investigator presso DiSTAP.
Un articolo sulla soluzione “Plant Nanobionic Sensors for Arsenic Detection” è stata pubblicato sulla rivista Advanced Materials; l’articolo sul progetto “Portable Raman leaf-clip sensor for rapid detection of plant stress” è uscito sulla rivista Scientific Reports.
Le due immagini relative ai due progetti sono del centro di Ricerca SMART.
questa è la tecnologia che mi piace e che dà il senso del cambiamento e dell’innovazione che segue i problemi del mondo
Questo vuol dire davvero esplorare le potenzialità di nuovi approcci, materiali e tecnologie. Ci vuole davvero una marcia in più per progettare il futuro.