Лаборатория на дроне отслеживает сток удобрений в реальном времени

Что если вместо того, чтобы везти образец воды или почвы в лабораторию, можно было бы доставить лабораторию к образцу? Именно это сделала команда исследователей, представившая в журнале ACS Sensors новую систему мониторинтра нитратов «лаборатория-на-дроне». Дрон позволяет легко проводить отбор проб воды и анализ в реальном времени в труднодоступных местах, таких как крутые канавы или заболоченные низины.

Этот дрон несет на себе миниатюрную лабораторию, предназначенную для измерения концентрации нитратов в труднодоступных водоемах. Автор: Нейтан Джаред

Эта технология может помочь фермерам оптимизировать использование удобрений и предотвратить загрязнение водных путей из-за избыточного стока нитратов.

Почему важен мониторинг нитратов

Азотные удобрения являются важным компонентом современного сельского хозяйства, но большая их часть вымывается с полей через дренажные системы.

Значительная часть этого остаточного азота превращается в нитраты, которые могут вызывать цветение водорослей и образование бескислородных «мертвых зон» в водоемах или загрязнять питьевую воду. Однако мониторинг концентрации нитратов не всегда прост, поскольку большая часть сельскохозяйственного стока находится в удаленных полевых условиях или в грязных канавах, а образцы необходимо отправлять в лабораторию для обработки. Поэтому исследователи разрабатывают способы делать это с помощью дистанционно управляемых устройств.

Как работает «лаборатория-на-дроне»

Джонатан Клауссен и его коллеги хотели создать такую лабораторию-на-дроне для мониторинга загрязнения питательными веществами, которая была бы дешевле и эффективнее существующих аналогов.

Исследователи разработали специальный насос, недорогие электрохимические датчики нитратов и потенциометрическое устройство для быстрого и простого количественного определения концентрации нитратов. Затем они установили это оборудование на коммерчески доступный дрон. Длинная трубка под дроном забирала воду в мини-лабораторию, где она анализировалась прямо в воздухе примерно за семь минут.

Дрон сохранял все результаты на бортовую карту памяти для последующего считывания и анализа и мог обрабатывать несколько образцов перед посадкой.

Производительность и будущее применение

В ходе испытаний сенсорная система исследователей обнаруживала концентрацию нитратов до 2,5 частей на миллион (ppm) и была на 95% точнее, чем типичная лабораторная система электрохимического обнаружения нитратов.

В дренажной канаве на сельскохозяйственном участке в Айове лаборатория-на-дроне обнаружила среднюю концентрацию нитратов 5,39 ppm, что соответствует предыдущим измерениям в этой области и ниже максимального уровня в 10 ppm для питьевой воды, установленного Агентством по охране окружающей среды США.

Команда объясняет, что их новая система делает мониторинг загрязнения нитратами проще, чем раньше, и закладывает основу для будущих применений лаборатории-на-дроне в сельском хозяйстве, таких как мониторинг бактерий или загрязнения пестицидами в водных путях.

Авторы подали заявку на патент США, связанный с этой работой.

Больше информации: Lab-on-a-Drone: Real-Time Electrochemical Sensing of Nitrate in Agricultural Watersheds, ACS Sensors (2025). DOI: 10.1021/acssensors.5c02620

Источник: American Chemical Society