Rolnik, który zaczyna wiosną prace w polu, musi podjąć bardzo ważną decyzję: ile nawozu zastosować. Jeśli użyje go za mało, rośliny będą rosły słabiej. Jeśli da za dużo, część azotu nie zostanie wykorzystana przez uprawy. Trafi do gleby, a potem wraz z wodą może spływać do rowów, rzek i wód podziemnych. Tam azotany stają się problemem. Mogą przyczyniać się do zarastania zbiorników wodnych, obniżania ilości tlenu w wodzie i pogarszania warunków życia organizmów wodnych. Zbyt wysokie stężenie azotanów w wodzie pitnej jest też niekorzystne dla zdrowia ludzi.

Dlatego coraz ważniejsze staje się pytanie: jak szybko sprawdzić, ile azotanów jest już w glebie? Dziś wiele takich analiz wykonuje się w laboratoriach. W ten sposób uzyskuje się dokładne wyniki, ale wymagane jest pobranie próbki, przewiezienie jej, przygotowanie i oczekiwanie na rezultat. W codziennej pracy rolnika przydałby się prostszy sposób - czujnik, który szybko pokaże na miejscu, czy nawożenie jest potrzebne czy też nie.

Właśnie taki kierunek badań opisano w artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym Materials (doi: 10.3390/ma19050847). Autorami są badacze z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie oraz Instytutu Fizyki w Zagrzebiu. Ich celem było ulepszenie istniejącego już czujnika do oznaczania azotanów tak, aby dawał stabilny i powtarzalny wynik także w realnej próbce gleby.

Detektor działa jak mała elektroda reagująca na jeden składnik - w tym przypadku na jony azotanowe. Można ją porównać do bardzo wyspecjalizowanego nosa chemicznego, który nie rozpoznaje całego zapachu gleby, lecz szuka jednego konkretnego aromatu. Sercem elektrody jest cienka membrana, czyli warstwa, która tworzy informację o obecności azotanów. Potem ta informacja jest zamieniana na sygnał elektryczny, który wyświetli się na mierniku.

Tu pojawia się najważniejsza część pomysłu polskich i chorwackich naukowców. Między membraną a elektrodą umieścili oni bardzo cienką warstwę nanocząstek tlenku cynku z dodatkiem metali szlachetnych: platyny, srebra albo złota. Nanocząstki są tak małe, że ich rozmiary liczy się w milionowych częściach milimetra. Dzięki temu mogą one sprawnie pośredniczyć w przekazywaniu sygnału. W uproszczeniu działają jak lepszy most między światem chemii, gdzie są jony azotanowe, a światem elektroniki, gdzie pojawia się wynik pomiaru.

Nanocząstki przygotowano metodą laserową. Materiał zanurzony w wodzie był naświetlany impulsami lasera, w wyniku czego powstały drobne cząstki tlenku cynku domieszkowane wybranym metalem. Najlepsze wyniki dała wersja z platyną. Miała stabilny sygnał, dobrą powtarzalność i potrafiła wracać do właściwego wskazania po zmianie stężenia azotanów.

Po testach kalibracyjnych w laboratorium, badacze pobrali próbkę prawdziwej gleby, wysuszyli ją, wypłukali z niej azotany wodą i zmierzyli ich ilość nową elektrodą. Wynik wyniósł 196 ± 8,7 mg azotanów na kilogram gleby, co po przeliczeniu odpowiada około 44 mg azotu azotanowego na kilogram. To wynik raczej wysoki — wskazujący, że w takiej glebie rośliny miałyby już znaczną ilość dostępnego azotu, a dalsze nawożenie wymagałoby ostrożności. Następnie do próbek dodano znane ilości azotanów, żeby sprawdzić, czy czujnik potrafi je prawidłowo wykryć. Uzyskano odczyt równy 97,2–101 proc. dodanej ilości, co oznacza, że elektroda dobrze poradziła sobie z realnym materiałem.

Lepszy czujnik azotanów może pozwolić na efektywniejsze uprawy. To oznacza mniejsze koszty, mniejsze straty nawozu i mniejsze ryzyko zanieczyszczenia wód. W przyszłości podobne elektrody mogłyby trafić do przenośnych mierników albo sieci czujników rozmieszczonych na polu. Rolnik mógłby wtedy szybciej sprawdzać stan gleby i podejmować decyzje na podstawie danych, a nie tylko doświadczenia i kalendarza. (PAP)

kmp/ agt/