Opracowanie technologii badania on-line oraz in-situ stopnia zmycia pestycydów z liści i owoców drzew owocowych pozwalających na redukcję środków ochrony roślin

Pierwszym z realizowanych celi projektu jest określenie przydatności użycia bezpośredniego pomiaru fluorescencji charakterystycznej dla substancji czynnych zawartych w pestycydach. Tego typu badania będą adekwatne do rejestracji pestycydów, które wykazują zjawisko fluorescencji (np. Kaptan).

Konsekwencją realizacji projektu  jest opracowanie szybkiego, taniego i łatwego w stosowaniu narzędzia do monitoringu on-line i in-situ poziomu stężenia substancji czynnej na roślinie w warunkach polowych. Zbudowanie urządzenia, które pozwoli na ilościową i jakościową detekcję pestycydów na lisicach i owocach jabłoni w sadzie.

Jednym z etapów projektu jest optymalizacja parametrów i procesu pośredniej detekcji wybranych pestycydów z wykorzystaniem sensorów fluorescencyjnych typu turn-off. Nie wszystkie substancje czynne zawarte w pestycydach wykazują zjawisko fluorescencji, aby umożliwić pomiar on-line sygnału fluorescencji w przypadku tego typu pestycydów, zaproponowano wykorzystanie narzędzia pośredniego do ich detekcji.

Projekt ma na celu automatyzację pomiaru depozycji pestycydów poprzez zbudowanie ramienia robotycznego, na którym zostanie zamontowane skonstruowane wcześniej urządzenie. Ramię to umieszczone na ciągniku bądź platformie sadowniczej będzie w automatyczny sposób zbliżało detektor do liści i owoców w celu wykonania pomiarów.         

Opracowanie szybkiego, taniego i łatwego w stosowaniu narzędzia do monitoringu on-line i in-situ poziomu stężenia substancji czynnej na roślinie w warunkach polowych uzupełni wiedzę sadownika o bardzo istotną, brakującą obecnie informację niezbędną do prawidłowego i efektywnego przeprowadzania zabiegów. Możliwość szybkiego sprawdzania stopnia zmycia pestycydów po opadzie pozwoli na bardziej świadome dobieranie potrzebnych w danym momencie środków ochrony roślin oraz ich dawek.  

Działania podejmowane w ramach projektu

• Etap 1 - Optymalizacja parametrów detekcji pestycydów z wykorzystaniem spektroskopii UV-Vis-NIR.
• Etap 2 - Zbudowanie i optymalizacja urządzenia do badania obecności pestycydów na liściach i owocach jabłoni domowej w warunkach badań on-line oraz in-situ.
• Etap 3 - Optymalizacja parametrów i procesu pośredniej detekcji wybranych pestycydów z wykorzystaniem sensorów fluorescencyjnych typu turn-off.
• Etap 4 - Zbudowanie i optymalizacja robotycznego ramienia pozwalającego na automatyczny pomiar obecności pestycydów na liściach i owocach jabłoni domowej.  

Główne korzyści z realizacji projektu

Do spodziewanych, konkretnych efektów działań podejmowanych w ramach operacji należy:

• opracowanie technologii dedykowanej do upraw plantacji sadowniczych jabłoni – w tym celu zostanie opracowane nowe inteligentne urządzenie do monitorowania on-line oraz in-situ  (na plantacji sadowniczej w terenie) stopnia zmycia środków ochrony roślin w sezonie,
• poprawienie jakość owoców jabłoni poprzez znaczną redukcję środków ochrony roślin w trakcie cyklu wzrostu owoców,
• jako bezpośrednie efekty działań spodziewane są także publikacje naukowe promujące uzyskane rezultaty projektu (1 publikacja na rok, w trakcie trwania projektu minimum 2 publikacje naukowe w czasopismach z tzw. listy filadelfijskiej),
• dodatkowo zostaną udostępniane w publikacjach branżowych i mediach społecznościowych rezultaty realizacji niniejszego projektu,
• powstanie także strona internetowa, która będzie miejsce promocji rezultatów projektu.                                                          

Dodatkowo warto dodać, że potencjalny obszar oddziaływania wykracza poza terytorium RP. Samo proponowane w badaniach zastosowanie urządzenia w produkcji jabłek potencjalnie będzie miało zastosowanie we wszystkich krajach, w których produkowane są jabłka.

W EU do największych producentów jabłek poza Polską należą Włochy i Francja, w skali światowej Chiny, Stany Zjednoczone i Turcja. Sukces rezultatu potencjalnie otworzy jego twórcom wejście na rynki państw skupiających się na produkcji proekologicznej, czyli wszystkich Państw Unii Europejskiej, Stanów Zjednoczonych czy Kanady.

Spodziewanym rezultatem operacji będzie opracowanie nowego urządzenia (narzędzia pomiarowego dla sadowników) opartego na technologii spektroskopii UV/Vis/NIR oraz spektrofluorymetrii. Opracowanie niniejszego rozwiązania przyczyni się  poprawiającej jakość owoców jabłoni, która umożliwi znaczną redukcję środków ochrony roślin.

Streszczenie praktyki

We współczesnej uprawie jabłoni decyzje o zabiegach środkami ochrony roślin podejmowane są na podstawie danych ze stacji pomiarowych. Dostarczają one informacji dotyczących charakterystyki wysiewów zarodników parcha jabłoni oraz ilości opadów. Na podstawie tych danych oraz znajomości parametrów zmywania fungicydów w zależności od ilości opadów określa się czy plantacja jest zabezpieczona przed kolejnymi opadami, które wiążą się z kolejną infekcją. Niejednokrotnie trudno jest określić zmycie fungicydów przez deszcz, gdyż zależy ono nie tylko od ilości opadów, ale także m.in. od intensywności oraz czasu jego trwania. W sytuacjach braku pewności skutecznej ochrony rekomendowane jest wykonanie zabiegu zapobiegawczego. Poprzez zastosowanie technologii łączącej w sobie analizy spektroskopii UV/Vis/IR ze spektrofluorymetrią uzyskujemy możliwość prowadzania oznaczeń jakościowych i ilościowych. Proponowane przez nas urządzenie pozwoli tym samym na szybkie i  tanie określanie stopnia zmycia fungicydów przez deszcz. Parametr ten będzie uzupełnieniem otrzymywanych do tej pory danych ze stacji pomiarowych. Pozwoli on na dokładniejsze określanie stopnia ochrony, przez co wyeliminowanie zabiegów środkami ochrony roślin w sytuacjach, kiedy nie są one potrzebne. Ograniczenie stosowania pestycydów zostało zawarte w strategii Europejskiego Zielonego Ładu. Ponadto, ograniczenie stosowania pestycydów zwiększa rentowność produkcji owoców. 

Osiągnięte rezultaty

Prace przeprowadzone niniejszym projekcie skupiały się na opracowaniu metod detekcji fotochemicznych/spektroskopowych pestycydów stosowanych w praktyce sadowniczej.

Głównymi celami przeprowadzonych prac było określenie właściwości spektralnych pestycydów oraz materiału biologicznego (liście i jabłka) jak i pomiar widm poszczególnych składników w próbkach sadowniczych (pestycydy na liściach i jabłkach) oraz na tej podstawie dobór komponentów układu pomiarowego. Do badań wyselekcjonowano powszechnie stosowane fungicydy i insektycydy w liczbie kilkudziesięciu substancji. Dla wszystkich produktów przeprowadzono analizy technikami najłatwiejszymi do implementacji w warunkach polowych tj. pomiar absorbancji, fluorescencji oraz widma Ramana.

W ramach przeprowadzonych prac zdecydowano się na zastosowanie spektrometru do ultra-szybkiego skanowania wraz ze źródłami światła wzbudzenia z możliwością detekcji pestycydów na podstawie sygnału fluorescencji. Urządzenie sprawdza się w warunkach polowych dzięki solidnemu wykonaniu i odporności na czynniki zewnętrzne. Wszystkie wrażliwe komponenty, takie jak spektrometr czy elementy elektroniki, są umieszczone w obudowach zabezpieczających przed pyłem, wilgocią i drobnymi uderzeniami. W typowych warunkach polowych system jest w stanie przeprowadzić serię pomiarów na wielu drzewach w krótkim czasie – szacunkowo jedno stanowisko pomiarowe (liść lub owoc) jest analizowane w ciągu kilkudziesięciu sekund, co obejmuje stabilizację, akwizycję widma i odjazd. W ciągu godziny można zatem przebadać dziesiątki próbek na różnych drzewach, co stanowi ogromną poprawę wydajności w porównaniu do tradycyjnych metod laboratoryjnych. Dodatkowo opracowana technologia ramienia robotycznego z czujnikiem stanowi zatem innowacyjne rozwiązanie wpisujące się w ideę rolnictwa precyzyjnego i zrównoważonego, gdzie dawki środków chemicznych mogą być optymalizowane na podstawie rzetelnych danych terenowych. To przełomowe podejście ma potencjał nie tylko poprawić efektywność ochrony roślin i obniżyć koszty prowadzenia sadu, ale także zminimalizować negatywny wpływ pestycydów na środowisko poprzez unikanie zbędnych oprysków.

We współczesnej uprawie jabłoni decyzje o zabiegach środkami ochrony roślin podejmowane są na podstawie danych ze stacji pomiarowych. Dostarczają one informacji dotyczących charakterystyki wysiewów zarodników parcha jabłoni oraz ilości opadów. Na podstawie tych danych oraz znajomości parametrów zmywania fungicydów w zależności od ilości opadów określa się czy plantacja jest zabezpieczona przed kolejnymi opadami, które wiążą się z kolejną infekcją. Niejednokrotnie trudno jest określić zmycie fungicydów przez deszcz, gdyż zależy ono nie tylko od ilości opadów, ale także m.in. od intensywności oraz czasu jego trwania. W sytuacjach braku pewności skutecznej ochrony rekomendowane jest wykonanie zabiegu zapobiegawczego. Poprzez zastosowanie technologii łączącej w sobie analizy spektroskopii UV/Vis/IR ze spektrofluorymetrią uzyskujemy możliwość prowadzania oznaczeń jakościowych i ilościowych. Kluczowymi zaletami jest szybkość pomiarów, bardzo niska granica oznaczalności, jak również stosunkowo niski koszt aparatury. Dzięki swoim komplementarnym cechom spektroskopia UV-Vis/IR oraz spektrofluorymetria pozwalają na dokładną identyfikację i oznaczenie substancji w mieszaninach na śladowych poziomach stężeń. Poprzez zastosowanie technologii łączącej w sobie analizy spektroskopii UV/Vis/IR ze spektrofluorymetrią uzyskujemy możliwość prowadzania oznaczeń jakościowych i ilościowych. Kluczowymi zaletami jest szybkość pomiarów, bardzo niska granica oznaczalności, jak również stosunkowo niski koszt aparatury. Ponadto sektroskopia UV-Vis/IR oraz spektrofluorymetria pozwalają na dokładną identyfikację i oznaczenie substancji w mieszaninach na śladowych poziomach stężeń. Dlatego też zaproponowane przez nas rozwiązanie niesie za sobą główne korzysci, albowiem pozwala na szybkie określanie stopnia zmycia fungicydów przez deszcz. Parametr ten będzie uzupełnieniem otrzymywanych do tej pory danych ze stacji pomiarowych. Pozwoli on na dokładniejsze określanie stopnia ochrony, przez co wyeliminowanie zabiegów środkami ochrony roślin w sytuacjach, kiedy nie są one potrzebne. Ograniczenie stosowania pestycydów zostało zawarte w strategii Europejskiego Zielonego Ładu. Ponadto, ograniczenie stosowania pestycydów zwiększa rentowność produkcji owoców.

Dodatkowe informacje

Operacja przyczyni się do realizacji pierwszego celu EPI na rzecz wydajnego i zrównoważonego rolnictwa: wspieranie sektorów rolnictwa i leśnictwa efektywnych pod względem wykorzystania zasobów, rentownych gospodarczo, produktywnych, konkurencyjnych, niskoemisyjnych oraz przyjaznych dla klimatu i odpornych na jego zmianę, zmierzających w kierunku rolno-ekologicznych systemów produkcji oraz harmonijnie wykorzystujących z podstawowych surowców naturalnych, od których rolnictwo i leśnictwo są zależne, poprzez realizację przedmiotowego projektu.

Planowana do realizacji operacja, mająca na celu opracowanie i wdrożenie technologii zautomatyzowanego, taniego i szybkiego pomiaru stopnia zmycia pestycydów na plantacji jabłoni przyczyni się do wyeliminowania zbędnych zabiegów SOR, przez co do mniejszego nasycenia owoców jabłoni szkodliwymi dla zdrowia środkami ochrony roślin.