Khám phá một phần bí ẩn dưới đất bằng kỹ thuật chụp ảnh đồng bộ hóa

Nguồn: CC0 Public Domain.

Peter Kopittke, chuyên gia khoa học đất đại học Quensland và Enzo Lombi từ đại học South Australia rất lạc quan trong việc sử dụng một kỹ thuật mới về hình ảnh dựa trên việc đồng bộ hóa ghi lại ở dạng 3D sự tương tác phức tạp của đất và rễ.

Nghiên cứu được kỳ vọng sẽ mang lại lợi ích tiềm năng cho ngành nông nghiệp Úc, vốn đang đối mặt với những thách thức đáng kể do chất lượng đất suy giảm.

Theo Kopittke: "Trong một thời gian dài, chúng tôi đã mô tả khu vực này là 'một nửa ẩn số’, bởi vì chúng tôi thực sự có rất ít thông tin về những gì đang diễn ra dưới đó, nơi đất, không khí, rễ cây và chất hữu cơ hình thành một khối không đồng nhất hoặc để đánh giá các sự vật mà chúng tôi làm để cải thiện chúng".

Do những hạn chế về đất đai ở Úc từ việc nhiễm mặn, axit hóa và bồi lắng, đã gây ra thiệt hại hàng tỷ đô la cho ngành nông nghiệp mỗi năm. Kỹ thuật mới này được phát triển để bổ sung cho các nghiên cứu nông nghiệp thực địa hiện có, mở ra khả năng dự đoán tác động của các chất dinh dưỡng chính và phân bón mà nông dân sử dụng để cải thiện chất lượng đất. Kopittke cho biết: “Rễ cũng quan trọng như chồi trên mặt đất, vì vậy đây là một bước tiến đáng kể trong việc tìm hiểu xem liệu các biện pháp can thiệp có cải thiện năng suất cây trồng hay không”.

Một đoạn video 3D ấn tượng, được dựng lại từ hình ảnh chụp cắt lớp X-quang trên hệ thống hình ảnh và chùm tia Y tế, với phần mềm phân tích dữ liệu mới do TS. Helen Hou phát triển, cho thấy chi tiết mạng lưới rễ mịn nằm trong một mẫu đất lớn.

Trong một phân tích sơ bộ, nhóm nghiên cứu đã thu thập hình ảnh chụp cắt lớp của một cây lúa mì đã được bón phân lân ở độ sâu khoảng 15cm. Cây trồng tiếp cận chất dinh dưỡng từ toàn bộ độ sâu của đất, không chỉ trên bề mặt.

Trước đây, nông dân không có cách nào để xác định việc bón phân lân ở độ sâu nào nhằm tránh gây tốn kém, trừ khi sử dụng thiết bị đặc biệt. Kopittke giải thích: "Thông tin được che giấu dưới bề mặt. Đối với một nông dân thực hiện khoản đầu tư này và không thấy cải thiện, đây là một tình huống xấu. Và bạn sẽ dễ quan sát sự phát triển của rễ ở độ sâu tầng đất nơi phân lân được bón”.

Một ưu điểm khác của kỹ thuật này là khả năng của chùm tia X đồng bộ hóa có thể chứa các mẫu lớn. Các mẫu để nghiên cứu bằng tia X trong phòng thí nghiệm thường có kích thước bằng một lon nước ngọt và điều này không giúp mô tả toàn bộ hệ thống rễ dưới mặt đất.

Kopittke nhận định: “Những mẫu lớn này đại diện hơn cho những gì đang thực sự xảy ra trong môi trường đất. Dữ liệu đồng bộ hóa bổ sung thông tin thu được bằng các phương pháp phân tích thực địa thông thường. Nhóm của chúng tôi đang tiến hành các thí nghiệm thực địa do GRDC tài trợ, đang chạy và lấy mẫu trở lại Melbourne cho bộ phận Synchrotron thuộc Tổ chức Khoa học Công nghệ Hạt nhân Úc. Chúng tôi có tất cả các phép đo thông thường về năng suất cây trồng và kiểm tra phản ứng của rễ với những thay đổi trong đất. Cách cải thiện khác nhau, các chất dinh dưỡng khác nhau và rễ đã tương tác với đất như thế nào trước những tác động đó".

Kopittke, một trong những nhà khoa học đất xuất sắc nhất của Úc, cho rằng phương pháp này có thể là phương pháp đầu tiên thuộc loại này.

Nhiệm vụ đầy thử thách là tinh chỉnh hình ảnh phức tạp được đảm nhận bởi nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Helen Hou, chuyên gia từ cơ quan Hình ảnh và chùm tia Y khoa tại Australia Synchrotron với sự tài trợ của GRDC.

Kopittke cho biết: “Mặc dù đã có phần mềm tái tạo hình ảnh thí nghiệm, nhưng vẫn cần phần mềm đặc biệt để gỡ rối và cô lập rễ cây, đất và không khí. TS. Helen, người không phải là nhà khoa học đất nhưng có kiến thức nền tảng về công nghệ thông tin, đã đóng góp đáng kể vào khả năng phân tích dữ liệu của chúng tôi”. Ông bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thành viên của nhóm Hình ảnh và chùm tia Y Khoa tại Australian Synchrotron, TS. Daniel Hausermann, TS. Chris Hall và TS. Anton Maksimento, những người đã hỗ trợ các thí nghiệm trong thời điểm phong tỏa do COVID-19.

Daniel Hausermann nhận định: “Mặc dù đây không phải là lần đầu tiên chúng tôi sử dụng chùm tia X, chúng tôi đã xem xét các cây trong các nghiên cứu về phản ứng của chúng đối với hạn hán, nghiên cứu này đang mở rộng khả năng phân tích để mang lại lợi ích cho nông nghiệp. Trong khi đó Kopittke cho biết: “Chúng tôi đang thực hiện được nửa chặng đường của dự án và đang bắt đầu tiếp cận với những người khác trên khắp nước Úc. Chúng tôi có thể làm việc với bạn và bạn có thể tăng giá trị cho công việc hiện có của mình”.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org