Биоэлектронная почва, вырабатывающие электричество растения, биосенсоры, которые в режиме реального времени различают химические вещества внутри растений – это лишь некоторые из проектов, которым занимается греко-кипрский ученый Элени Ставриниду.
Ставриниду возглавляет команду ePlants, которая разрабатывает современные технологии для сельского хозяйства и окружающей среды.
Работа ведется в Лаборатории органической электроники Линчёпингского университета (Швеция).
Миссия
По итогам экспериментов исследователи установили, что биоэлектрическая почва, над которой они работают, стимулирует рост посевов ячменя на 50% благодаря электрическим разрядам.
«Население планеты растет, в сочетании с изменением климата. Становится ясно, что в скором времени мы не сможем удовлетворять потребности планеты в питательных веществах только с помощью существующих методов ведения сельского хозяйства, – говорит Ставриниду. – С помощью гидропоники (выращивания растений на искусственных средах. – Прим. «ВК») мы сможем выращивать продукты питания в городах, в строго контролируемых условиях».
Элени Ставриниду в 2008 году закончила бакалавриат на факультете физики Университета им. Аристотеля в Салониках. В 2010 году там же защитила магистерскую диссертацию по нанотехнологиям. В 2013 защитила докторскую диссертацию на факультете биоэлектроники Национальной высшей школы горного дела в Сент-Этьене (Франция). С 2014 года работает в Линчёпингском университете.
Методики
О работе группы над биоэлектронной почвой можно прочитать в научной статье. Там говорится, что биоэлектронная почва состоит из органических веществ, смешанных с проводящим полимером под названием PEDOT. Он содержится в обычных предметах, таких как датчики и OLED-дисплеи.
Исследователи изучали влияние электричества на растения ячменя в течение 15 дней до сбора урожая и обнаружили, что подача низкого напряжения электрически стимулирует корни и приводит к увеличению биомассы электрически стимулированных растений на 50% по сравнению с нестимулированными.
Исследователи также заметили, что азот, одно из основных питательных веществ, участвующих в росте растений, подвергается благодаря стимуляции более эффективной переработке. «Однако, несмотря на это открытие, мы еще не до конца понимаем, как стимуляция влияет на переработку питательных веществ», – говорит Ставриниду. Именно на ответе на этот вопрос будут сосредоточены их будущие исследования.
По словам ученого, биоэлектронная почва не только безвредна для окружающей среды, поскольку изготавливается из целлюлозы и проводящего полимера, но и функционирует при низком напряжении. Это безопасная альтернатива предыдущим методам, которые требовали высокого напряжения и бионеразлагаемых материалов.
Таким образом, почва требует мало электроэнергии и сводит к минимуму потребление ресурсов. В исследовании также подчеркивается, что этот метод мог бы свести к минимуму использование удобрений в сельском хозяйстве.
Путь
В 2015 году Элени Ставриниду вместе с профессором Магнусом Бергреном стали пионерами во внедрении электронных устройств внутрь растений. В конечном итоге они превратили сами растения в подобие электронных устройств. Подробнее об этом проекте рассказывается в их статье.
Ученым удалось преобразовать живые розы в электрохимические транзисторы с помощью простого процесса. Цветы впитали в себя проводящий полимер PEDOT, который, циркулируя по их сосудистой системе, образовал органические «провода» внутри стеблей. Когда эти провода были подключены к внешнему источнику электроэнергии, по ним удалось запустить электрический ток.
В 2017 году исследователи пошли еще дальше. Они усовершенствовали полимерный материал, так что, помимо побегов, проводящий материал образовывался в листьях и лепестках цветка. Объединив органические «провода» с электролитом, профессор Ставриниду создала суперконденсатор, который может накапливать электрические заряды, заряжаться и разряжаться сотни раз. «Нам удалось зарядить нашу розу сотни раз без каких-либо потерь в ее производительности. Уровни накопления энергии, которых мы достигли, имеют тот же порядок величины, что и у суперконденсаторов», – рассказывает она.
Перспективы
Исследователи полагают, что создание электронных растений может найти множество применений в будущем. Нельзя исключать, что такие растения когда-нибудь превратятся в живые источники электричества.
Среди перспектив, открывшихся в результате работы профессора Ставриниду и команды ePlants в 2015 году, было создание биосенсоров. Они регистрируют уровни биомолекул растений. По ее словам, это могло бы улучшить лекарственные свойства растений и ускорить разработку новых препаратов. Это также могло бы позволить будущим производителям управлять цветением и созреванием растений.
В 2021 году эта перспектива воплотилась в жизнь благодаря созданию биосенсоров, которые в режиме реального времени отслеживают уровень сахара глубоко в тканях растений. «Биосенсоры основаны на органических электрохимических транзисторах, которые могут быть имплантированы в растения для мониторинга уровня сахара в режиме реального времени, непрерывно в течение двух дней, и предоставления информации о росте и других биологических процессах», – объясняет ученый.
Биосенсоры сейчас используются для фундаментальных исследований в области растениеводства, но в будущем они могут применяться в сельском хозяйстве для оптимизации условий выращивания или мониторинга качества продукции. В долгосрочной перспективе их также можно использовать для управления выращиванием новых видов растений в неблагоприятных условиях.
По словам исследователей, механизмы, с помощью которых регулируется метаболизм растений, и то, как изменения уровня сахара влияют на их рост, все еще относительно малоизучены. Предыдущие эксперименты обычно основывались на анализе растительных тканей. Но биосенсор команды ePlant дает информацию, не повреждая растения, и может раскрыть неизвестные данные об их метаболизме.
«Мы обнаружили изменение уровня сахара в растениях, о котором раньше не было известно. В будущем мы сосредоточимся на понимании того, как изменяются эти уровни, когда растения испытывают стресс», – добавляет Элени Ставриниду.
Биоэлектронные технологии позволяют проводить углубленные исследования реакции растений на окружающую среду и стресс. Растения, как люди и животные, вырабатывают электрические сигналы в ответ на раздражение. «Сегодня существует острая потребность в выращивании растений, более устойчивых к экологическим вызовам. Это поможет, например, сохранять леса более здоровыми в будущем. Вот почему важно понять, как растения реагируют на стресс», – говорит она.
Эксперименты
В качестве модели быстрой электрической реакции у растений исследователи используют плотоядное растение венерина мухоловка. Его естественная ловушка для насекомых имеет на внутренней стороне маленькие сенсорные волоски. Попавшиеся насекомые расщепляются ферментом, их питательные вещества поглощаются растением. Но чтобы захлопнуть ловушку, к волоскам нужно прикоснуться дважды в течение примерно 30 секунд.
Электрическая реакция в живых организмах основана на разнице напряжений между внутренней и внешней средами клеток, обусловленной движением электрически заряженных атомов. Когда сигнал срабатывает из-за сенсорного волоска, ионы очень быстро проходят через клеточную мембрану, и это быстрое изменение напряжения вызывает распространение импульса.
Исследователи разработали технологию многоэлектродной матрицы, используемую для изучения появления и распространения электрического сигнала в венериной мухоловке. Измерительное устройство состоит из очень тонкой электродной пленки (как пищевая пластиковая пленка) и повторяет изгиб внешней поверхности стручков растения. Исследователи, стимулируя чувствительный волосок и используя около 30 электродов, измерили сигнал в мочке растения и засняли его движения, чтобы сопоставить его с закрытием ловушки.
«Теперь мы можем с уверенностью сказать, что электрический сигнал исходит от сенсорных волосков растения и распространяется в основном радиально, без какого-либо четкого направления», – заключает Элени Ставриниду.
Текст подготовлен по материалам «Политис»
По теме
Кипр – одна из шести стран Евросоюза, где за последнее время выросла стоимость сельхозпродукции. Показатели отражают стоимость фруктов, овощей и оливкового масла по тем ценам, по которым их продают производители. Подробнее рассказывали здесь.
