Une feuille de vigne saine avec le "tatouage" d'ozone perceptible par rapport à une feuille endommagée par l'ozone. Crédit :Université du Massachusetts Amherst
Les agriculteurs et les producteurs de fruits signalent que le changement climatique entraîne une augmentation des concentrations d'ozone à la surface du sol de leurs champs et vergers, une exposition qui peut causer des dommages irréversibles aux plantes, réduire les rendements des cultures et menacer l'approvisionnement alimentaire, disent les chimistes des matériaux dirigés par Trisha Andrew à l'Université du Massachusetts à Amherst.
Écrire dans Avancées scientifiques , les co-premiers auteurs Jae Joon Kim et Ruolan Fan montrent que la méthode du laboratoire d'Andrew consistant à déposer en phase vapeur des « tatouages » de polymère conducteur sur les feuilles des plantes peut permettre aux producteurs de détecter et de mesurer avec précision ces dommages causés par l'ozone, même à de faibles niveaux d'exposition. Leurs tatouages en polymère résilient placés sur les feuilles permettent « une surveillance fréquente et à long terme des dommages cellulaires causés par l'ozone dans les cultures économiquement importantes telles que les raisins et les pommes, ", dit André.
Ils écrivent, « Nous avons sélectionné le raisin (Vitis vinifera L.) comme plante modèle car le rendement en fruits et la qualité des fruits de la vigne diminuent considérablement lors de l'exposition à l'ozone troposphérique, entraînant des pertes économiques importantes. » L'ozone troposphérique peut être produit par l'interaction entre les nitrates contenus dans les engrais et le soleil, par exemple.
Elsa Petit, vinicultrice d'UMass Amherst, qui a conseillé l'équipe de chimie, dit que le tatouage du capteur pourrait être particulièrement utile à l'industrie du raisin. "Avec le changement climatique, l'ozone augmentera et ce nouveau capteur pourrait être extrêmement utile pour aider les agriculteurs à agir avant que les dommages ne soient reconnaissables à l'œil nu, " dit-elle. L'ozone troposphérique peut être atténué par une détection précoce et un traitement de la surface du sol avec du charbon de bois ou des poudres de zéolite.
Comme l'explique André, son labo, financé par la National Science Foundation, adapté la méthode de dépôt en phase vapeur d'électrodes qu'ils avaient développée plus tôt pour enduire les tissus des dispositifs de détection médicaux pour une nouvelle utilisation - sur les plantes vivantes. Le film polymère conducteur, poly (3, 4-éthylènedioxytiophène), PÉDOT, n'a que 1 micron d'épaisseur, donc il laisse entrer la lumière du soleil et n'endommage pas les feuilles. Non-métal, les polymères à base de carbone faisant office d'électrodes conductrices sont de plus en plus utilisés dans la conception de matériaux mous depuis leur invention dans les années 1970, Elle ajoute.
Une illustration de la façon dont l'ozone est détecté via un tatouage en polymère sur une feuille. Crédit :Université du Massachusetts Amherst
"Le nôtre agit comme un tatouage temporaire sur un humain, " dit Andrew. " Il ne se lave pas et les propriétés électriques du polymère ne se dégradent pas, même sur une longue période. Nous avons des plantes tatouées dans une serre sur le campus et un an plus tard, elles poussent toujours bien, arracher les racines et les feuilles comme d'habitude."
Pour tester les premiers dommages causés par l'ozone, elle et ses collègues utilisent un spectromètre d'impédance portatif adapté de la pratique médicale humaine. Quand il touche le tatouage d'électrode, un affichage indique la relation résistance électrique vs fréquence. Cette valeur de tension change en présence de divers facteurs, y compris les dommages oxydatifs causés par l'ozone.
André dit, « Vous obtenez une image de forme d'onde ; un logiciel s'adapte à l'onde afin que nous puissions extraire certains paramètres tissulaires. Nous pouvons reconnaître des modèles pour différents types de dommages. C'est cohérent et remarquablement précis. Si vous l'utilisez sur la même plante pendant plus d'un an , tant que la plante est en bonne santé, le signal ne change pas vraiment pendant ce temps. »
"Scientifiquement, le problème est que les dommages visuels causés par l'ozone sont exactement les mêmes que si vous arrosiez trop peu la plante ou qu'elle recevait trop de soleil. Ce projet est devenu intellectuellement intéressant pour nous lorsque nous avons examiné la signature d'ozone de nos lectures et c'était très différent de la sécheresse ou des dommages causés par les UV. L'ozone produit un changement unique dans l'impédance électrique à haute fréquence et les signaux de phase des feuilles. »
Les scientifiques espèrent que leur invention pourrait être utilisée par les agriculteurs et les producteurs de fruits qui pourraient placer quelques "plantes rapporteurs" parmi les cultures pour surveiller périodiquement les niveaux d'ozone dans le sol. "Cela vous donne une image de ce qui se passe dans votre sol, " suggère Andrew. " Vous pouvez être alerté si le niveau d'engrais est incorrect, par exemple. Cela peut arriver, surtout avec les cultures vivrières qui ont besoin de beaucoup de soleil et d'engrais pour produire, comme les melons, raisins et fruits du verger. Certaines plantes y sont très sensibles."
