új eszköz a talajlakó rovarok on-line monitorozására
A projekt háttere A bemutatott anyagok és eredmények a Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézet és a Deák Delta Kft hároméves kollaboratív munkájának eredménye. Az EDAPHOLOG rendszer fejlesztésére és tesztelésére az Európai Unió nyújtott pénzügyi támogatást, a LIFE+ projekt keretében: No. LIFE08 ENV/H/000292 MEDAPHON: Monitoring Soil Biological Activity by using a novel tool: EDAPHOLOGSystem system building and field testing. Munkacsomagok a LIFE+ projektben: (2010. január 1. 2013. március 31.) 1 Akció: Projekt menedzsment (MTA ATK TAKI) 2. Akció: Az EDAPHOLOG rendszer prototípusának megtervezése és legyártása (DeákDelta Kft.) - A mechanikai szerkezet megtervezése és legyártása (Edapholog szondák) - Az elektronikus érzékelők megtervezése és legyártása (Opto-elektronikus érzékelők) - Az adatátvivő és tároló rendszer megtervezése, legyártása és összeszerelése (Adatfogadó és tároló eszközök és az Edaphoweb szoftver) 3. Akció: A prototípus laboratóriumi és kültéri tesztelése (MTA ATK TAKI) - A prototípus csapdázási hatékonyságának és elektronikus detektáló képességének laboratóriumi tesztelése talajlakó állatokkal különböző talajtípusokon. - A prototípus hosszú távú (2 hónap) terepi tesztelése 4. Akció: Demonstratív terepi vizsgálat (MTA ATK TAKI) - 50 helyszínen 200 mérési pont monitorozása szántókon, réteken és erdőkben. - Az új Edapholog monitorozó rendszer működésének és gyakorlati használhatóságának ismertetése: 200 szonda egyidejű használatának bemutatása és a beérkező adatok párhuzamos feldolgozása távirányítással. 5. Akció: Az eredmények széles körben való ismertetése (MTA ATK TAKI) 3
A talajlakó organizmusok jelentősége a talajminőség alakulásában Talajban élő szervezetek igen fontos ökoszisztéma-szolgáltatásokat nyújtanak és alapvetően járulnak hozzá a növények egészségéhez. A jó minőségű talaj épp oly fontos és értékes, mint a tiszta levegő, vagy víz. Talajlakó mikroorganizmusok révén történik többek közt a szerves anyagok lebontása és mineralizációja, a növények tápanyagokkal való ellátása, de részt vesznek pl. a szennyezőanyagok degradációjában is. A talajban élő organizmusok összetétele és egyedszáma és ezek biológiai aktivitása térben és időben igen változatos. A fent felsorolt élőlények igen érzékenyek és hajlamosak előre jelezni, ha valamilyen degradációs folyamat előrehalad a talajban. Ahhoz, hogy a talaj számunkra nyújtott szolgáltatásait maximálisan élvezhessük, elkerülhetetlen a folyamatos monitorozása és minőségének figyelemmel kísérése. Bár a talaj biológiai aktivitásának mérése lehetővé teszi számunkra a földhasználat forrás-hatékony gyakorlását és segít megbecsülni a talaj minőségét, azonban ez még továbbra is bonyolult feladat, mert nem áll rendelkezésre egy megfelelő, megbízható, könnyen alkalmazható módszer. 4
Az EDAPHOLOG rendszer újszerűsége abban áll, hogy elektronikus érzékelői automatikusan számolják a szondákba beleesett talajlakó rovarokat, miközben egyidejűleg testméretüket is megmérik. Több hónapon keresztül képes emberi beavatkozás nélkül működni, miközben a felvett adatokat interneten keresztül továbbítja a megfelelő helyre. 5
Az Innováció Az EDAPHOLOG System új talajbiológiai monitorozó eszközt a talajlakó ízeltlábúak költséghatékony, valós idejű, in situ terepi vizsgálatára fejlesztettük. Ronald Beer és Brian Valentine szíves engedélyével 6
A Szonda A szondákat úgy terveztük és alakítottuk ki, hogy képesek legyenek a talaj felső 15 cm rétegben aktív, mozgékony, talajlakó ízeltlábúak csapdázására, ugyanis itt a legmagasabb a gerinctelen aktivitás. A csapdázási módszer nagyon hasonló az általánosan alkalmazott Barber-csapda módszerhez. A talajlakó ízeltlábúak (0,3-10mm között) belépve a csapdába már nem tudják elhagyni azt, és a csapda aljában található 70%-os alkoholt tartalmazó mintatartóba esnek. A szonda egy külső és egy belső PVC csőből áll (1. ábra). A belső cső tartalmazza az elektronikát, optikai érzékelőket és egy kisebb (2.5 cm) átmérőjű fémcsövet, mely a beeső állatokat továbbítja a szenzorok és a mintatartó felé. A belső cső felső 15 cm-es része hálóval borított, melynek az a feladata, hogy megakadályozza a túl nagy állatok és talajszemcsék behullását. Annak érdekében, hogy megakadályozzuk a talaj szemcsék behullását a csőbe, egy másik rugalmas, külső, műanyag csőháló veszi körbe a belső csőhálót. A kettő közötti rész nedvesített agyaggolyókkal van feltöltve. Ez biztosítja a szoros kapcsolatot a szonda és a környező talaj közt, így a talajlakó állatok probléma nélkül mozoghatnak a szonda felé. Egy szonda 2-3 hónapig működhet megbízhatóan, ezután vezeték-nélkül, induktívan lehet újratölteni. 1.Ábra Edapholog szonda 7
1 Ábra Az Edapholog szonda keresztmetszetben rádió antenna (álcázva) belső rovarháló kertészeti agyaggolyó külső rovarháló talajszemcse visszafogó külső mechanikai tartó opto-elektronikus szenzor áramkörökkel induktív töltő külső PVC cső akkumulátorok mintatartó 8
EDAPHOLOG, egy monitorozó rendszer Az EDAPHOLOG monitorozó rendszer alapját egy innovatív szonda alkotja, mely optikai-elektronikai szenzorok segítségével képes valós időben a talajlakó mezofauna mérésére, további eleme a szintén saját fejlesztésű GSM / GPRS adattovábbító egység, mely a szondák adatait a központi szerverre továbbítja. A monitorozás folyamatos távoli ellenőrzésére egy Oracle és Java alapú vezérlő szoftvert is kifejlesztettünk. 2. Ábra Edapholog monitorozó rendszer 9
Az opto-elektronikus infravörös érzékelő működése Az opto-elektronikus, állatszámláló szenzor a talajlakó ízeltlábúakat beesés közben érzékeli, eközben megbecsli az egyedek testméretét. Az érzékelés az infravörös fény intenzitásának megváltozásán alapul. Az infravörös foto diódák 30 -os szögben emmitáló, 950 nm hullámhosszú fényt bocsátanak ki, a divergens fényt plan-convex lencsék homogenizálják. Az infra fénysugár áthalad az érzékelési mezőn, majd egy második plan-convex lencse fokuszálja az érzékelő felé. Az érzékelési mezőt megszakító állat intenzitásváltozást okoz, melynek amplitúdója és hossza alapján a mikrokontroller egység digitális jellé alakítja az észlelést. Ezután az elsődleges jel 1-255 közötti értéket a valós testméret becslésére kalibrálhatjuk. 3. Ábra Opto-elektronikai szenzor 3. Ábra Opto-elektronikai szenzor keresztmetszete 10
Adat továbbítás és a szenzorok távoli irányítása Ha egy állatka beleesik a szondába, az esemény rögzítésre kerül, majd a logger az adatokat a központi adatbázisba továbbítja. Az adatgyűjtő logger állandó és valós idejű rádiós kapcsolatot tart fent a hozzá rendelt szondákkal és a GSM / GPRS-kapcsolaton keresztül pedig a központi szerverrel. Az adatgyűjtő egy vízálló elektromos szekrény belsejében található, 7 Ah Li-ion akkumulátor és napelem is táplálja. A GPRS adatüzenetek küldésének gyakoriságát a felhasználó maga állíthatja be. A szondák antennáit a környezetnek megfelelően álcáztuk. 5. Ábra Az Edapholog rendszer adattovábbító loggere 11
EDAPHOWEB: Web alapú vezérlés és adat megjelenítő szoftver A vezérlő szoftver három alegységből áll: (1), relációs adatbázis biztonsági tárolással, (2) vezérlőegység a szondák és adatgyűjtő egységek nyomon követésére és (3) web alapú alkalmazás az elemzésre és megjelenítésre. Az EDAPHOLOG rendszer minden egységét (szondák, adatgyűjtő egységek) egy Java alapú vezérlő szoftver ellenőrzi, melyet kifejezetten ehhez a rendszerhez fejlesztettünk ki. Az adatbázis az Oracle -n fut. Az adatok megjelenítése is a vezérlő szoftveren keresztül történik. A vezérlő szoftver lehetővé teszi, hogy valós időben követhessük a vizsgálatokat: minden szondát és adatgyűjtőt egyidejűleg utasíthassunk egy internetes oldalon keresztül. Az oldalról az adatok nyers vagy feldolgozott formában is letölthetőek, táblázatos vagy grafikus formában tekinthetőek meg. Az EDAPHOWEB segítségével monitorozás teljes folyamatát ellenőrizhetjük (6. ábra): (1) Projects menü alatt a monitorozott helyszíneket, (2) a Devices menü alatt az EDAPHOLOG egységeket lehet beállítani és nyomon követni; Az Options menü alatt SMS-ekkel utasíthatjuk az adatgyűjtő egységeket és a Graphs & Data menü alatt az adatokat kérdezhetjük le és tekinthetjük meg. 6. Ábra EDAPHOWEB 12
Laboratóriumi vizsgálatok Laboratóriumi vizsgálatokat végeztünk annak érdekében, hogy értékelni tudjuk az EDAPHOLOG rendszer használhatóságát az egyedszám és testméret mérésében, vagyis hogy mennyire megfelelő alternatíva a hagyományos technikákkal szemben. Elsőként élő állatokkal teszteltük a szondákat. A számlálási siker vizsgálatában azt az eredményt kaptuk, hogy a számlálási hatékonyság 100%- os volt 0,7 mm hosszú vagy ennél nagyobb ízeltlábúak esetében (7. ábra). A testméretet 1 mm-es kategóriákban, vagy a közvetlen adatok függvénykonvertálásával lehet megkapni (8. ábra). 7. Ábra Az Edapholog szonda számolási sikeressége 8. Ábra Az Edapholog szonda testhossz becslése 13
A szonda számolás hatékonysága és mérete becslése mellett fontos a csapdázási hatékonysága is. Terepi körülményeket szimulálva laboratóriumban teszteltük a szondának ezt a képességét. Természetes kondícióknak megfelelően kis mozgásképességű ugróvillásokat használva 3 egyedsűrűséget állítottunk be: alacsony, közepes és magas denzitás. 34 napig követük a fogás hatékonyságát. Az eredmények azt mutatják, hogy a csapdázási hatékonyság többé-kevésbé állandó, illetve ahogy az várható volt, a csapdázásban szignifikáns különbség mutatható ki a denzitásnak megfelelően. Magas kezdeti denzitás mellett magasabb a csapdázott állatok száma is. Megjegyzendő továbbá, hogy a csapdázás nem nőtt olyan szintre, hogy az veszélyeztette volna a populáció fennmaradását. 9. Ábra Az Edapholog szonda fogási hatékonysága 14
Terepi vizsgálat 2012-ben A mezofauna összetételének időbeli dinamikáját (egyedszám és testméret eloszlás) 50 különböző helyszínen vizsgáltuk az EDAHOLOG rendszer segítségével, különböző élőhelyeken és talaj típusokon: száraz gyepekben, üde legelőkön, tölgyes ill. bükkös erdőkben és szántókon. Talajtípusok szerint pedig: agyagbemosódásos barna erdőtalajokon, csernozjom talajokon, humuszos homoktalajokon, réti talajokon és szikesen. Minden helyszínen 4 EDAPHOLOG-szondát és egy adatgyűjtő logger egységet telepítettünk. A szondák rádiójelekkel kommunikálnak az adatgyűjtőkkel. Minden EDAPHOLOG-szondát az adatgyűjtő egység 50 méteren belüli körzetébe telepítettük, mivel ezen a távolságon belül garantált csak a biztonságos kommunikáció a szondák és adatgyűjtők közt. A monitorozást az Edaphoweb-en keresztül irányítottuk (ábra. 10-11). 10. Ábra Terepi vizsgálatok 15
Eredményként elmondható, hogy a szondák rendeltetésszerűen működtek. Egy esetben tapasztaltuk, hogy a szondába talajvíz beszivárgott. Azonban a nagy fémépítmények, magasfeszültségű elektromos vezetékek, vezeték-nélküli biztonsági rendszerek zavarhatják az EDAPHOLOG rendszer rádiós jelátvitelét. 11. Ábra Az EdaphoWeb oldala a Kaposvar 1 Monitoring helyen 16
Bár 2012-ben nem tudtuk a teljes szezont végig monitorozni, az időjárási viszonyok változásának hatása így is kimutatható volt (12. ábra). A 13. ábrán látható, hogy az opto-elektronikus érzékelők a vártnak megfelelően működtek, a szonda szenzoraival érzékelt és a csapdájával fogott egyedszám közel azonos volt. Figure 12. Temporal dynamics of data sensed at all site of Pilot study (avarage of 123 probes) Figure 13. Comparison of the captured and sensed invertebrates 17
A 14. ábrán a Pilot vizsgálatban használt közel 200 db Edapholog szonda által érzékelt gerinctelen állat összesített egyedszámát mutatjuk be. A számok az egyes mintahelyeknek felelnek meg, a betűk a mintavételi pontokat (azaz adatgyűjtő egységeket), a körök pedig az egyes szondákat jelölik. Láthatjuk, hogy eltérő nagyságú volt a mezofauna aktivitás a különböző talaj fizikai féleségeknél, noha a mintahelyen belüli heterogenitás egyes helyeken magas volt. 14. Ábra a 2012. évi terepi vizsgálat eredményeinek térképi bemutatása 18
Projektvezető: Dr. Miklós Dombos, tudományos főmunkatárs dombos@rissac.hu; dombos.miklos@agrar.mta.hu Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézet H-1022 Budapest, Herman Ottó út 15. Tel: +36 30 8582816 Projektgazda: Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézet Társ kedvezményezett: Deákdelta Kft., Kistelek Projekt honlap: www.medaphon.hu 19
www. medaphon.hu