Prognozowanie zagrożeń ekosystemów leśnych poprzez implementację innowacyjnego elektronicznego systemu rozpoznawania zapachów

20 kwietnia 2018 r. w Instytucie Badawczym Leśnictwa w Sękocinie Starym odbyło się zorganizowane przez Zakład Ochrony Lasu seminarium pt. „Zastosowanie e-nosa do prognozowania zagrożenia drzewostanów sosnowych przez barczatkę sosnówkę i sprawców patogenicznej zgorzeli siewek drzew leśnych”.

Celem tego spotkania było przedstawienie głównych założeń oraz zakresu prac związanych z realizacją projektu PROZEL pt. „Prognozowanie zagrożeń ekosystemów leśnych poprzez implementację innowacyjnego elektronicznego systemu rozpoznawania zapachów”, finansowanego w latach 2018-2020 w ramach III edycji programu BIOSTRATEG „Środowisko naturalne, rolnictwo i leśnictwo”. Projekt realizowany jest przez konsorcjum, które tworzy Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej (lider), Zakład Ochrony Lasu IBL (wykonawca) oraz firma 23RS Coras (jednostka wdrażająca).

W imieniu Dyrekcji IBL uczestników seminarium przywitała dr hab. Iwona Skrzecz

Prof. dr hab. Mirosław Karpierz z Wydziału Fizyki PW. Lider projektu PROZEL

W spotkaniu udział wzięło około 50 osób, w tym przedstawiciele Zespołów Ochrony Lasu w Gdańsku i Łopuchówku, wykonawcy projektu oraz pracownicy Instytutu. W trakcie seminarium wygłoszono następujące referaty:

Cele i metodyka badań projektu PROZEL (mgr inż. Sławomir Ślusarski, mgr inż. Miłosz Tkaczyk – Zakład Ochrony Lasu IBL),
Możliwości wykrywania patogenów za pomocą zapachów (dr hab. Tomasz Oszako – Zakład Ochrony Lasu IBL),
Czujniki gazów (prof. dr hab. Leszek Adamowicz – Wydział Fizyki PW),
Rodzaje i budowa e-nosów (dr inż. Cezariusz Jastrzębski – Wydział Fizyki PW),
E-nos w zastosowaniach (mgr inż. Rafał Tarakowski – Wydział Fizyki PW).

Mgr inż. Sławomir Ślusarski z Zakładu Ochrony Lasu IBL

Mgr inż. Miłosz Tkaczyk z Zakładu Ochrony Lasu IBL

Na wstępie mgr inż. Sławomir Ślusarski i mgr inż. Miłosz Tkaczyk poinformowali, że głównym celem projektu jest zbudowanie urządzenia pomiarowego nazwanego nosem elektronicznym (e-nos), pozwalającego na wykrywanie zapachów emitowanych przez barczatkę sosnówkę (Dendrolimus pini) – groźnego szkodnika drzewostanów sosnowych oraz przez patogeniczne dla drzew leśnych lęgniowce z rodzaju Phytophthora, a także grzyby powodujące zgorzel siewek (gatunki z rodzajów Pythium sp., Fusarium sp., Rhizoctonia sp. i Cylindrocarpon sp.). Zakres realizowanych prac został podzielony na 13 zadań (WP – Work Packages). Badania przyrodnicze składają się z dwóch modułów, z czego pierwszy – fitopatologiczny obejmuje 4 zadania, w tym: hodowlę czystych kultur fitopatogenów (WP1), sztuczną inokulację sadzonek dębowych patogenami (WP2) oraz terenowe próby wykrywania patogenów przy użyciu e-nosa (WP3). Natomiast w module entomologicznym wyróżniono 5 zadań, w ramach których prowadzona jest laboratoryjna hodowla barczatki sosnówki (WP5), będą określone różnice w wydzielaniu feromonów przez gąsienice tego gatunku (WP6), a także zostaną wykonane próby wykorzystania e-nosa do wykrywania gąsienic zimujących w ściole (WP7) oraz żerujących w koronach drzew (WP8). Prace w obu modułach zakończą się opracowaniem uzyskanych wyników (WP4 i WP9).

Dr hab. Tomasz Oszako z Zakładu Ochrony Lasu IBL

W kolejnym referacie, dr hab. Tomasza Oszako podkreślił pilną potrzebę wykrywania patogenów w próbkach środowiskowych, ze względu na intensyfikację międzynarodowego obrotu materiału roślinnego, który może sprzyjać rozprzestrzenianiu się organizmów inwazyjnych. Jego zdaniem, zastosowanie e-nosa do wykrywania lęgniowców w szkółkach może pomóc pracownikom Lasów Państwowych w ocenie zagrożenia siewek przez te organizmy, a także wytypować rośliny niezainfekowane, które mogłyby w ten sposób uzyskiwać certyfikaty „wolnych od obcych patogenów inwazyjnych”. Zdaniem dr. hab. Tomasza Oszako, elektroniczny nos wpisuje się w poszukiwanie technik zapewniających szybką i pewną identyfikacji patogenów w próbkach środowiskowych. Jego zdaniem, e-nos może również zostać wykorzystany do poszukiwania takich grzybów jak np. trufle.

Prof. dr hab. Leszek Adamowicz z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej

Następnie prof. dr hab. Leszek Adamowicz zwrócił uwagę na wszechstronność zastosowania czujników gazów w codziennym życiu. Przypomniał, że urządzenia te znalazły zastosowanie m. in. w przemyśle obronnym, lotniczym, optycznym, w sieciach obsługujących Internet przedmiotów, w energetyce, robotyce oraz wielu innych dziedzinach. Współczesne czujniki gazowe muszą spełniać szereg wymagań: muszą być trwałe, nadawać się do wielokrotnego użytku, a przede wszystkim charakteryzować się wysoką czułością i dobrą selektywnością. Nie bez znaczenia są również niskie koszty ich wytwarzania oraz niskie zużycie energii. Prelegent podkreślił także, że doskonalenie czujników gazowych wymaga wielokierunkowych badań fizycznych i chemicznych oraz odbywa się dzięki rozwojowi nanotechnologii.

Dr inż. Cezariusz Jastrzębski z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej

W trakcie kolejnego referatu, dr inż. Cezariusz Jastrzębski przedstawił wiele informacji z zakresu fizyki zmysłu węchu, w tym również człowieka. Prelegent podkreślił, że dla zmysłu węchu ważne jest spektrum zapachów, czułość na dane zapachy oraz dokładność ich identyfikacji w środowisku. Doktor Jastrzębski omówił także sposób przenoszenia sygnału poprzez receptory węchu. Następnie zwrócił uwagę, że zazwyczaj e-nosy składają się z wieloczujnikowej matrycy, jednostki przetwarzania informacji wykorzystującej koncepcje sztucznej sieci neuronowej, oprogramowania z cyfrowymi algorytmami rozpoznawania wzorców i referencyjnego systemu baz. Ponadto, szczegółowo scharakteryzował różne rodzaje sensorów (czujników) wykorzystywanych do konstrukcji e-nosów oraz przedstawił obszary zastosowania e-nosów.

Mgr inż. Rafał Tarakowski z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej

Część referatową seminarium zakończył mgr inż. Rafał Tarakowski omawiając metody przetwarzania informacji uzyskanych z różnego rodzaju czujników. Prelegent zwrócił uwagę na te czujniki, które zostaną wykorzystane przy konstrukcji e-nosa będącego przedmiotem realizacji projektu PROZEL. Przedstawił także wcześniejsze doświadczenia pracowników Wydziału Fizyki PW w konstrukcji e-nosów wykorzystywanych m. in. do określania różnic między tytoniem w papierosach różnych marek, do rozróżniania kawy arabica od robusta, rozpoznawania paliw z różnymi biokomponentami, wykrywania materiałów wybuchowych oraz rozpoznawania wielu rodzajów mleka. Ważną częścią tej prezentacji było przedstawienie pierwszych wyników uzyskanych w ramach projektu PROZEL, a także zaakcentowanie planów na przyszłość, które obejmują m. in. miniaturyzacje urządzenia, zastosowanie nowych rodzajów czujników, optymalizację zasilania urządzenia, skrócenie czasu pomiaru i nauczenie systemu rozpoznawania różnych szkodników leśnych.

Dr inż. Piotr Gawęda z Zespołu Ochrony Lasu w Gdańsku (DGLP)

Mgr inż. Hubert Jakoniuk z Zespołu Ochrony Lasu w Łopuchówku (DGLP)

Dyskusja

Głos zabiera mgr inż. Włodzimierz Dutkiewicz

Dr inż. Tomasz Jabłoński z Zakładu Ochrony Lasu IBL

Prof. dr hab. Bronisław Pura z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej

Po prezentacji wszystkich referatów odbyła się dyskusja dotycząca m. in. metod prognozowania występowania barczatki sosnówki oraz patogenów drzew leśnych. W tej części spotkania dominowała także tematyka związana z różnymi zastosowaniami urządzeń do wykrywania zapachów. Na zakończenie spotkania, uczestnicy podkreślili innowacyjność projektu i zwrócili uwagę na to, że zastosowanie e-nosa może ułatwić pracownikom Lasów Państwowych ocenę występowania barczatki sosnówki oraz patogenów drzew, co z kolei pozwoli na wskazanie szkółek leśnych oraz drzewostanów zagrożonych przez te organizmy.