Sử dụng công cụ laser theo dõi sự phát triển của thực vật và sức khỏe của đất
Thứ sáu, 21-02-2025 | 08:17:13
|
Madhavi Martin quan sát quá trình quang phổ phân hủy do laser gây ra. Bà là người tiên phong trong việc sử dụng nó trong nghiên cứu sinh học. Nguồn: Carlos Jones/ORNL, Bộ Năng lượng Mỹ.
Những cây cao gầy đung đưa trong làn gió nhẹ ở những cánh đồng mẫu lớn. Trong tương lai, những cây dương trong một khung cảnh như thế này có thể là nguồn nhiên liệu bền vững để cung cấp năng lượng cho máy bay hoặc xe hạng nặng. Chúng cũng có thể giúp chúng ta lưu trữ nhiều carbon hơn trong đất. Cả năng lượng sinh học và lưu trữ carbon đều là những chiến lược quan trọng để giảm lượng carbon dioxide trong khí quyển gây ra biến đổi khí hậu.
Nhưng trước khi điều đó có thể trở thành hiện thực, các nhà khoa học cần hiểu rõ hơn về những gì đang diễn ra cả trên bề mặt và dưới mặt đất. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ đã đi đầu trong việc sử dụng một công cụ đo lường độc đáo để phân tích thực vật, đất và các mẫu sinh học khác. Đây là một phần công việc mà các nhà khoa học đã thực hiện trong hơn một thập kỷ tại Trung tâm đổi mới năng lượng sinh học (Trung tâm nghiên cứu năng lượng sinh học của DOE) để cải thiện sự phát triển của cây trồng năng lượng sinh học.
Khảo sát bên dưới bề mặt đất
Cây và rễ là một phần của hệ sinh thái vô cùng phức tạp và đa dạng. Hai lô đất gần nhau hoặc thậm chí cùng một lô đất ở các độ sâu khác nhau có thể khác nhau về cấu trúc, độ ẩm và hệ vi sinh vật.
Đặc biệt, các nguyên tố hóa học trong đất có thể có tác động lớn đến cách cây trồng phát triển và phản ứng với căng thẳng. Nitơ, phốt pho, canxi và các nguyên tố khác rất cần thiết cho sự phát triển và sinh tồn của cây trồng. Cách cây trồng hấp thụ và sử dụng các nguyên tố này phụ thuộc vào gen và môi trường của chúng. Mặc dù các nhà khoa học biết rằng có mối quan hệ giữa tất cả các yếu tố khác nhau này, nhưng họ không có nhiều thông tin chắc chắn về các mối quan hệ đó. Việc thiếu dữ liệu khiến chúng ta khó biết được những gì người nông dân có thể thay đổi để ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng và lưu trữ carbon.
Tìm ra những thành phần có trong thực vật và đất sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa những gì xảy ra trên và dưới mặt đất. Thông tin này có thể giúp chúng ta phát triển công nghệ sinh học giúp nông dân trồng cây năng lượng sinh học bền vững hơn. Nó cũng có thể giúp các nhà khí hậu học hiểu rõ hơn về cách thực vật phản ứng với sự thay đổi môi trường, bao gồm cả cháy rừng.
Phát kiến từ một công cụ
Phổ phân tích phá hủy cảm ứng laser (LIBS) cung cấp một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các nguyên tố hóa học trong thực vật và đất. Giống như thám tử sử dụng dấu vân tay của con người để tìm hiểu thêm về hiện trường vụ án, LIBS cung cấp cho các nhà khoa học một cách để tạo ra dấu vân tay hóa học độc đáo của mẫu đó.
Công cụ mà các nhà khoa học sử dụng cho LIBS tạo ra xung laser nano thứ cấp năng lượng cao tạo ra tia lửa. Tia lửa đó nóng đến mức nó loại bỏ lớp trên cùng của mẫu theo cách tạo ra một luồng plasma (Plasma là trạng thái vật chất mà các electron tách khỏi nguyên tử, tạo ra các ion tích điện). Khi plasma nguội đi, nó phát ra ánh sáng - nhưng không phải bất kỳ ánh sáng nào. Các bước sóng ánh sáng là đặc trưng cho các nguyên tố cụ thể trong vật liệu đang được nghiên cứu. Sau đó, các nhà khoa học sử dụng một máy quang phổ để đo bước sóng ánh sáng và một máy dò ghi lại cường độ của sóng ánh sáng.
Trước đây, các nhà khoa học chủ yếu sử dụng LIBS để theo dõi các quy trình công nghiệp và nghiên cứu vật liệu dùng để sản xuất hàng hóa. Nhưng Madhavi Martin, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của DOE, đã tiên phong trong việc sử dụng LIBS để nghiên cứu các vật liệu sinh học như đất và thực vật.
So với các phương pháp phân tích khác đối với vật liệu sinh học, LIBS cực kỳ nhanh và hiệu quả, các nhà khoa học có khả năng sử dụng LIBS ngay tại hiện trường. Với rất ít hoặc không cần chuẩn bị mẫu, các nhà khoa học có thể nhận được kết quả có độ phân giải cao rất nhanh. LIBS có thể phân tích mẫu trong mili giây và cho phép các nhà khoa học thử nghiệm hơn 100 mẫu mỗi ngày. Nó đặc biệt hữu ích để phát hiện các nguyên tố nhẹ hơn quan trọng đối với các nhà sinh vật học, như nitơ và carbon. LIBS cũng có thể phát hiện các nguyên tố độc hại như thủy ngân và chì.
Phát triển để hiểu cách sử dụng LIBS
Tuy nhiên, các nhà khoa học thận trọng khi sử dụng LIBS rộng rãi. Đầu tiên, họ muốn đảm bảo rằng nó sẽ cung cấp kết quả chính xác trong nhiều trường hợp khác nhau. Martin bắt đầu bằng cách áp dụng kỹ thuật này vào ô nhiễm không khí và sau đó là đất. Các nhà khoa học khác bắt đầu sử dụng nó để thử nghiệm trên lá cây, rễ cây và mẫu gỗ.
Cỏ switchgrass (Panicum virgatum L.) có nguồn gốc từ Bắc Mỹ, là một loại cây đa năng có thể mọc ở những nơi mà nhiều loại cây trồng khác không thể. Đây là một loại cây rất hứa hẹn cho năng lượng sinh học, bảo tồn đất và lưu trữ carbon. Trong một nghiên cứu, Martin và nhóm của cô đã sử dụng LIBS để phân tích các nguyên tố trong các mẫu cỏ switchgrass đã bị đốt thành tro. Việc hiểu các nguyên tố trong tro này có thể giúp các nhà khoa học cải thiện các phương pháp biến cỏ switchgrass thành nhiên liệu sinh học tái tạo. Bằng cách phân tích các mẫu từ 11 trang trại khác nhau, họ thấy rằng LIBS đã cung cấp kết quả chính xác cho mục đích sử dụng này.
Cây dương là một loại cây trồng năng lượng sinh học đầy hứa hẹn khác. Là một loại cây bản địa phổ biến, cây dương phát triển nhanh và có bộ gen tương đối đơn giản so với các loại cây khác. Do đó, các nhà khoa học có khả năng thay đổi gen của nó để cải thiện khả năng sinh trưởng và lưu trữ carbon. LIBS có thể giúp các nhà khoa học biết các nguyên tố ở đâu trong cây dương và mối liên hệ giữa chúng với gen liên quan đến chức năng tương ứng.
Trong một nghiên cứu, Martin và nhóm của cô đã thử nghiệm giới hạn về mức độ cần chuẩn bị để sử dụng LIBS. Trước đây, các nhà khoa học đã sấy khô và nghiền các mẫu thực vật trước khi thử nghiệm. Phương pháp đó vừa mất nhiều thời gian vừa cho ra dữ liệu ít chi tiết hơn. Có những phương pháp giữ nguyên cây - như nhúng chúng vào sáp hoặc đông lạnh - nhưng những phương pháp đó thậm chí còn mất nhiều thời gian hơn.
Ngược lại, nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị ít thiết bị nhất có thể, ngoại trừ công cụ LIBS. Họ muốn mô phỏng những gì có thể được sử dụng trên thực địa. Với dao mổ và lưỡi dao, mẫu rễ cây trồng được lấy dễ dàng trong nhà kính, điều mà nông dân có thể làm. Để lấy mẫu đất, họ sử dụng thìa kim loại. Để gắn đất vào phiến kính hiển vi, họ sử dụng băng dính hai mặt thông thường.
Các thử nghiệm đã tiết lộ những gì các nhà khoa học cần và không cần làm để sử dụng LIBS hiệu quả. Công cụ này đã phân tích chính xác các mẫu rễ và chồi của cây, tiết lộ một số chất dinh dưỡng chính. Kết quả từ các mẫu tươi, chưa chuẩn bị gần như giống hệt nhau - nếu không muốn nói là chính xác hơn - so với các mẫu được chuẩn bị nhiều hơn. Tuy nhiên, việc thử nghiệm đất lại không diễn ra tốt như vậy.
Mặc dù họ đã loại bỏ chất lỏng dư thừa, đất vẫn không bám tốt vào các phiến kính. Nó trượt xung quanh và tạo ra rất nhiều "tiếng ồn" không hữu ích trong dữ liệu. Sau khi các nhà khoa học làm khô đất và nén thành viên, dữ liệu thu được đáng tin cậy hơn nhiều. Bất chấp thách thức với mẫu đất, các nhà khoa học kết luận rằng việc thử nghiệm cả đất đã chuẩn bị và chưa chuẩn bị có thể hữu ích. Đất chưa chuẩn bị có thể cung cấp một số hiểu biết có thể giúp các nhà khoa học quyết định mức độ phức tạp của việc chuẩn bị mẫu trước.
Với những nghiên cứu này và các nghiên cứu khác, các nhà khoa học đang ngày càng hiểu rõ hơn về những gì LIBS có thể và không thể làm như một công cụ. Martin hiện đang làm việc với các nhà sinh học nấm để kiểm tra mối quan hệ của nấm với thực vật. Cô thậm chí còn sử dụng LIBS để hỗ trợ cảnh sát trong một vụ án giết người. Một giáo sư từ Đại học Tennessee Knoxville đã được triệu tập làm nhân chứng chuyên môn để phân tích gỗ từ hiện trường vụ án và đã yêu cầu Martin hỗ trợ. Bằng cách phân tích các mẫu bằng LIBS, cô phát hiện ra rằng gỗ trùng khớp với gỗ từ một địa điểm khác. Đó là một bằng chứng dẫn đến bản án cuối cùng.
Mặc dù LIBS là một công cụ mạnh mẽ, Martin và nhóm của cô đã tiết lộ tiềm năng thực sự của nó. Nếu không có suy nghĩ sáng tạo của họ về các ứng dụng của nó, LIBS sẽ không khả dụng để các nhà sinh học sử dụng. Từ năng lượng sinh học đến sinh thái học, những nhà khoa học này đã mở ra cánh cửa cho những hiểu biết và khám phá mới.
Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org
|
![]() ![]() ![]() |
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|