Un vasto campo de árboles altos y delgados se balancea con una ligera brisa. En el futuro, los álamos en una escena como ésta podrían ser una fuente de combustible sostenible para propulsar aeronaves o vehículos pesados.
por el Departamento de Energía de EE. UU.
También podrían ayudarnos a almacenar más carbono en el suelo. Tanto la bioenergía como el almacenamiento de carbono son estrategias importantes para reducir la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera que causa el cambio climático.
Pero antes de que eso se haga realidad, los científicos necesitan comprender mejor lo que sucede tanto por encima como por debajo del suelo . Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han sido pioneros en el uso de una herramienta de medición única para analizar plantas, suelo y otras muestras biológicas . Es parte del trabajo que los científicos han realizado durante más de una década en el Centro de Innovación en Bioenergía (un Centro de Investigación de Bioenergía del DOE) para mejorar el crecimiento de los cultivos bioenergéticos.
Investigando debajo de la superficie
Las plantas y sus raíces forman parte de sistemas ecológicos increíblemente complejos y diversos. Dos parcelas de suelo cercanas o incluso la misma parcela a diferentes profundidades pueden diferir en su estructura, humedad y microbios.
En particular, los elementos químicos del suelo pueden tener efectos importantes en el crecimiento de las plantas y en su respuesta al estrés. El nitrógeno, el fósforo, el calcio y otros elementos son esenciales para el crecimiento y la supervivencia de las plantas. La forma en que las plantas absorben y utilizan estos elementos depende de sus genes y del entorno. Si bien los científicos saben que existen relaciones entre todos estos factores diferentes, no tienen mucha información sólida sobre esas relaciones. Esa falta de datos hace que sea difícil saber qué podrían cambiar los agricultores para afectar el crecimiento de las plantas y el almacenamiento de carbono.
Poder averiguar de forma rápida, precisa y detallada qué elementos están presentes en las plantas y el suelo aumentaría enormemente nuestra comprensión de las conexiones entre lo que sucede por encima y por debajo de la tierra. Esta información podría ayudarnos a desarrollar biotecnología que ayude a los agricultores a cultivar cultivos bioenergéticos de forma más sostenible. También podría ayudar a los científicos del clima a comprender mejor cómo responden las plantas al cambio ambiental, incluidos los incendios forestales.
Una explosión de una herramienta
La espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) ofrece una herramienta poderosa para investigar los elementos químicos en las plantas y el suelo. De la misma manera que los detectives utilizan las huellas dactilares humanas para averiguar más sobre la escena de un crimen, la LIBS ofrece a los científicos una manera de crear una huella química única de esa muestra.
La herramienta que utilizan los científicos para el LIBS produce un pulso láser de nanosegundos de alta energía que crea una chispa. Esa chispa es tan caliente que elimina la capa superior de la muestra de una manera que forma una columna de plasma. (El plasma es un estado de la materia en el que los electrones se separan de los átomos, dando lugar a iones cargados). A medida que el plasma se enfría, emite luz, pero no cualquier luz. Las longitudes de onda de la luz son específicas de elementos particulares en el material que se está estudiando. Luego, los científicos utilizan un espectrómetro que mide las longitudes de onda de la luz y un detector que registra la intensidad de las ondas de luz.
En el pasado, los científicos utilizaban principalmente la tecnología LIBS para supervisar los procesos industriales y estudiar los materiales utilizados para fabricar bienes. Pero Madhavi Martin, científica del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, fue pionera en el uso de la tecnología LIBS para estudiar materiales biológicos como suelos y plantas.
En comparación con otros métodos de análisis de materiales biológicos, el método LIBS es increíblemente rápido y eficiente. Si alguna vez has hecho un análisis del suelo de tu jardín, lo has tenido que enviar a un laboratorio. Por el contrario, los científicos pueden utilizar el método LIBS directamente en el campo.
Con poca o ninguna preparación de la muestra, los científicos pueden obtener resultados de alta resolución muy rápidamente. LIBS puede analizar muestras en milisegundos y permite a los científicos analizar más de 100 muestras al día. Es especialmente útil para detectar elementos más ligeros que son importantes para los biólogos, como el nitrógeno y el carbono. LIBS también puede detectar elementos tóxicos que pueden revelar contaminación ambiental, como el mercurio y el plomo.
Creciendo para entender los usos de LIBS
Pero los científicos no se lanzaron a utilizar LIBS de forma generalizada. Primero, querían asegurarse de que arrojaría resultados precisos en una variedad de circunstancias. Martin comenzó aplicando la técnica a la contaminación del aire y luego a los suelos. Otros científicos también comenzaron a utilizarla para analizar hojas de plantas, raíces y muestras de madera.
El pasto varilla es un área de particular interés. Originario de América del Norte, el pasto varilla es una planta versátil que crece en lugares donde muchos otros cultivos no pueden. Es una planta muy prometedora para la bioenergía, la conservación del suelo y el almacenamiento de carbono. En un estudio, Martin y su equipo utilizaron LIBS para analizar los elementos en muestras de pasto varilla que se habían quemado hasta convertirse en cenizas . Comprender los elementos de estas cenizas puede ayudar a los científicos a mejorar los métodos para convertir el pasto varilla en biocombustibles renovables. Al analizar muestras de 11 granjas diferentes, descubrieron que LIBS brindaba resultados precisos para este uso.
El álamo es otro cultivo bioenergético prometedor. Además de ser un árbol nativo común, el álamo crece rápidamente y tiene un genoma relativamente simple en comparación con otros árboles. Como resultado, los científicos podrían modificar su genética para mejorar su crecimiento y almacenamiento de carbono. La tecnología LIBS puede ayudar a los científicos a saber dónde se encuentran los elementos en los álamos y cómo se relaciona eso con qué genes están asociados con qué funciones.
En un estudio, Martin y su equipo probaron los límites de la preparación necesaria para utilizar LIBS. En el pasado, los científicos secaban y molían muestras de plantas antes de analizarlas. Ese método requería mucho tiempo y generaba datos menos detallados. Había métodos que mantenían las plantas enteras (como incrustarlas en cera o congelarlas), pero esos requerían aún más tiempo.
En cambio, el equipo hizo la menor preparación posible con el menor equipo posible, salvo la herramienta LIBS. Querían imitar lo que se podría utilizar en el campo. Con un bisturí y una cuchilla, tomaron muestras de raíces de plantas de invernadero, tal como lo haría un agricultor. Para tomar muestras del suelo, utilizaron una espátula. Para fijar el suelo al portaobjetos del microscopio, utilizaron cinta adhesiva de doble cara común.
Las pruebas revelaron lo que los científicos deben y no deben hacer para utilizar LIBS de manera eficaz. La herramienta analizó con precisión las muestras de raíces y brotes de las plantas, revelando una serie de nutrientes importantes. Los resultados de las muestras frescas, sin preparar, fueron casi idénticos (si no más precisos) a los de las muestras con más preparación. Sin embargo, las pruebas de suelo no fueron tan buenas.
Aunque eliminaron el exceso de líquido, el suelo no se adhirió bien a los portaobjetos. Se deslizó y generó mucho «ruido» inútil en los datos. Una vez que los científicos secaron el suelo y lo prensaron en gránulos, los datos resultantes fueron mucho más confiables. A pesar del desafío con el suelo sin preparar, los científicos concluyeron que probar tanto el suelo preparado como el no preparado puede ser útil. El suelo no preparado puede proporcionar algunas ideas que pueden ayudar a los científicos a decidir la complejidad de la preparación de la muestra de antemano.
Con estos estudios y otros, los científicos están aumentando su comprensión de lo que la LIBS puede y no puede hacer como herramienta. Martin está trabajando actualmente con biólogos de hongos para examinar la relación de los hongos con las plantas. Incluso utilizó la LIBS para ayudar a la policía en un caso de asesinato. Un profesor de la Universidad de Tennessee Knoxville había sido llamado como testigo experto para analizar la madera de la escena de un crimen y le pidió ayuda a Martin. Al analizar las muestras con la LIBS, descubrió que la madera coincidía con la madera de un sitio diferente. Fue una pieza de evidencia que condujo a una condena final.
Aunque la LIBS es una herramienta poderosa por sí sola, Martin y su equipo revelaron su verdadero potencial. Sin su pensamiento creativo sobre sus aplicaciones, la LIBS no estaría disponible para que la utilizaran los biólogos. Desde la bioenergía hasta la ecología, estos científicos han abierto la puerta a nuevos conocimientos y descubrimientos.
