Il suolo agrario metodologie innovative per il mantenimento e l’incremento della fertilità. Gonzaga Mn, 6 settembre 2013 Salute e mantenimento della fertilità del terreno agrario Anna Benedetti Centro di Ricerca per lo Studio delle Relazioni tra Pianta e Suolo (RPS) Via della Navicella, 2 Roma [email protected] 1 contenuti  Concetto di fertilità del suolo  Mezzi tecnici per la fertilizzazione  Esempi di innovazione 19/02/2014 2 Concetto di fertilità del suolo Fertilità, biodiversità, qualità, sostenibilità 19/02/2014 3 Concetto di fertilità del suolo 19/02/2014 4 Concetto di fertilità del suolo  Fertilità integrale FISICA CHIMICA BIOLOGICA 19/02/2014 5 L’ habitat suolo  Il suolo è l’ambiente naturale, costituito da materiali minerali ed organici, che sulla superficie della Terra garantisce la vita agli organismi viventi.  Recentemente è stato definito “la zona critica” della terra meritando un’attenzione particolare grazie al suo ruolo chiave negli equilibri ambientali a sostegno dell’intera vita del nostro pianeta. MICRORGANISMI DEL SUOLO • Il suolo nasconde un numero straordinario di forme di vita, un’intricata rete di interazioni che coinvolge un’enorme quantità di biomassa vivente, oltre 3000 Kg/ha in un suolo agricolo (Bloem et al., 2003). • Pochi grammi di terreno possono contenere miliardi di batteri, centinaia di chilometri di ife fungine, decine di migliaia di protozoi, migliaia di nematodi, alcune centinaia di insetti, aracnidi, vermi e centinaia di metri di radici di piante. Approccio ecosistemico SUOLO PIANTA MICRORGANISMI APPROCCIO ECOSISTEMICO: RELAZIONI SUOLO PIANTA - FUNZIONI BIOLOGICHE DEL SUOLO CLIMA Approccio ecosistemico Pedofauna e Biomassa microbica Rizosfera e sistema degli aggregati Processi di mineralizzazione Attività enzimatiche Funzionamento del suolo (Lavelle e Spain 2001) Bilancio tra mineralizzazione ed umificazione della sostanza organica Dal grado di sincronizzazione e sinlocalizzazione dei nutrienti in funzione della richiesta nutrizionale da parte delle piante La struttura fisica che determina quantità e patterns degli scambi gassosi e dei movimenti dell’acqua attraverso il suolo Unità interattive funzionali (biodiversità) Cicli biogeochimici Impatto e gestione 1. “Metabolica” (0,1-1 anno) 2. Strutturalmente resistente (2-5 anni) 3. Sostanza organica attiva (2-4 anni) 4. Lenta o fisicamente stabilizzata (20-50 anni) 5. Passiva o chimicamente protetta (800-1200 anni) a) (Jenkinson 1987) h) b) c) d) e) f) g) Ciclo dell'azoto azotofissazione biologica; azotofissazione industriale; assorbimento vegetale; immobilizzazione; nitrificazione; denitrificazione; utilizzazione da parte degli animali; Mineralizzazione; Direttiva nitrati Protocollo di Kyoto Gas-serra Convenzione biodiversità Lotta alla desertificazione Strategia tematica conservazione del suolo Ecc.. Risultati monitoraggio 2011-2012 Roma Viterbo Fertilità biologica del suolo PRE-ALLARME 15% BUONA 38% Latina Rieti MEDIA 47% Mezzi tecnici per la fertilizzazione CONVENZIONALI INNOVATIVI 19/02/2014 12 Fertilizzanti minerali Fertilizzanti organici Fertilizzanti organo-minerali Revisione del 2003 Ammendanti Correttivi Substrati di coltura Biostimolanti Mezzi tecnici per la fertilizzazione Cosa si intende per efficienza agronomica di un fertilizzante Mezzi tecnici per la fertilizzazione Efficienza ed efficacia: significato e differenze l'efficacia indica la capacità di raggiungere l'obiettivo prefissato, l'efficienza valuta l'abilità di farlo impiegando le risorse minime indispensabili. L’EFFICIENZA DI IMPIEGO DEI FERTILIZZANTI Sono stati proposti diversi parametri per valutare l’efficienza di impiego dei concimi: efficienza di resa = resa produttiva/elemento applicato efficienza di recupero = elemento recuperato/elemento applicato efficienza fisiologica = resa produttiva/elemento recuperato I concimi che assicurano una dotazione in elementi nutritivi disponibili per le colture maggiore, per tempi più lunghi e comunque in “sincronia” con le esigenze delle piante sono caratterizzati da una più alta efficienza di impiego. Alcuni concimi di nuova concezione presentano una efficienza maggiore dei corrispondenti concimi tradizionali che si evince dai coefficienti di utilizzazione più alti. Produzione delle colture Nutrizione Sviluppo delle piante e nella produzione Salvaguardia ambientale Contenimento delle perdite Sostenibilità delle risorse Titolo Efficacia Risparmio energetico Efficienza Attivazione metabolica Vantaggio economico Validità agronomica = Efficacia + Efficienza Produzioni Produzioni + ambiente Produzioni + ambiente + economico/energetico Produzioni + ambiente + economico/energetico + sostenibilità Esempi di innovazione 19/02/2014 19 BIODIVERSITÀ E MICRORGANISMI UTILI BIOTECNOLOGIE: DEFINIZIONE L'uso integrato della biochimica, della microbiologia e dell'ingegneria per ottenere applicazioni tecnologiche delle proprietà di microrganismi, cellule coltivate o parti di tali sistemi biologici. BIODIVERSITÀ E MICRORGANISMI UTILI MICRORGANISMI DEL SUOLO COLTIVABILI (<10%) ISOLAMENTI NON COLTIVABILI MONITORAGGIO Colture pure Consorzi BIODIVERSITÀ E MICRORGANISMI UTILI Applicazioni agronomiche biofertilizzanti biostimolatori bioprotezione stress biotici stress abiotici Applicazioni ambientali bioremediation-rhizoremediation cambiamenti climatici Applicazioni industriali bioenergie compostaggio fine chemicals, bulk chemicals… APPLICAZIONI AGRONOMICHE Applicazioni biotecnologiche della microbiologia del suolo: le origini Dall’antichità: consociazioni e avvicendamenti con leguminose. 1896: Brevetto NITRAGIN = inoculo a base di rizobi. Dal 1930: Inoculi a base di Azotobacter. Dal 1970: scoperta di PGPR promotori di crescita (Azospirillum) e di biocontrollo (Pseudomonas) Il presente: Sviluppo del concetto di “agricoltura sostenibile” riduzione dell’uso di prodotti chimici (fertilizzanti, pesticidi…) salvaguardia dell’ambiente e della fertilità del suolo tutela della salute Ricerca di risorse biologiche in alternativa a processi e prodotti chimico-fisici Necessità di proteggere la biodiversità microbica del suoli APPLICAZIONI AGRONOMICHE Uso di inoculi di microrganismi del suolo nella pratiche agronomiche Vantaggi (rispetto ai trattamenti chimici) Minor costo Minor impatto ambientale Specificità di azione Sinergie di funzione e di azione Assenza di residui (Persistenza) APPLICAZIONI AGRONOMICHE I FUNGHI MICORRIZICI biofertilizzanti fitostimolatori bioprotezione stress biotici stress abiotici MICORRIZOSFERA Funghi micorrizici (ifosfera) + Popolazioni microbiche + Radici delle piante WOOD WIDE WEB APPLICAZIONI AGRONOMICHE APPLICAZIONI COMMERCIALI ECTOMICORRIZE Produzione di piantine di essenze forestali o ornamentali Produzione di corpi fruttiferi (Tuber, Boletus…) ENDOMICORRIZE Ortive; fruttiferi; seminativi Applicazioni agronomiche/ambientali (colonizzazione suoli aridi; phytoremediation…) DISTRIBUZIONE Direttamente vicino al seme o alla radice della piantina alla messa a dimora Confettatura o impolveratura del seme Distribuzione alla semina con microgranulatori (seminativi) APPLICAZIONI AMBIENTALI: bioremediation BIOREMEDIATION strategia o processo che usa microrganismi, o piante, o enzimi prodotti da microrganismi o piante per detossificare sostanze contaminanti nel suolo o in altri ambienti Include: Mineralizzazione: completa conversione di un contaminante organico nei suoi costituenti inorganici da parte di una sola specie o di un consorzio di microrganismi Biodegradazione: parziale o totale trasformazione o detossificazione di contaminanti da parte di microrganismi o piante APPLICAZIONI AGRONOMICHE BIOFERTILIZZANTI prodotti contenenti microrganismi vivi che, quando applicati a sementi, superfici vegetali o suolo, colonizzano la rizosfera o i tessuti vegetali e ne promuovono la crescita aumentando la disponibilità e l’assorbimento dei nutrienti da parte della pianta. Aumento delle quote disponibili di nutrienti Fissazione azoto Solubilizzazione fosforo Solubilizzazione microelementi BIOFERTILIZZANTI: Batteri azotofissatori Azotofissatori che formano biocenosi: Azotobacter Beijerinckia Azospirillum Azospirillum brasilense Azospirillum lipoferum 20-30 Kg/ha N2 Produzione di fattori promotori della crescita (fitoormoni) Achromobacter Bacillus Campylobacter Maggior sviluppo apparato radicale Maggior uptake di acqua e nutrienti BIOFERTILIZZANTI: Batteri azotofissatori leguminose Azotofissatori simbionti: Batteri Gram – Alfa-proteobatteri Beta-proteobatteri Noduli = tubercoli radicali Rhizobium Mesorhizobium Ensifer Bradyrhizobium Azorhizobium Allorhizobium Methylobacterium Devosia Achrobactrum Phyllobacterium Burkholderia Cupriavidus Herbaspirillum Batteri Gram + Attinomiceti Frankia Angiosperme Attinorrize BIOFERTILIZZANTI: Batteri azotofissatori Prodotti commerciali SELEZIONE: PRODUZIONE: Adsorbimento su torba Efficienza di nodulazione Inoculanti liquidi Efficienza di azoto-fissazione Capacità di insediamneto USO: Competitività su popolazioni autoctone Batterizzazione dei semi Persistenza Rhizobium leguminosarum v. viciae pisello, fava, lenticchia Rhizobium leguminosarum v. phaseoli fagiolo Mesorhizobium ciceri cece Bradyrhizobium Soia, arachide Sinorhizobium meliloti medica, trigonella Rhizobium leguminosarum v. trifolii trifoglio VISION: Produzione industriale biotech di fertilizzanti azotati BIOSTIMOLATORI: produzione di fitormoni IMPIEGO DI INOCULI: VANTAGGI (rispetto ai trattamenti ormonali): Minor costo Ampio spettro d’azione Principi attivi prodotti a concentrazioni ottimali Presenza simultanea di più azioni benefiche APPLICAZIONI PRATICHE Trattamenti alla semente Scarsa efficacia su piante adulte Migliore efficacia con consorzi Forte stimolo alla germinazione e all’emergenza Stimolo della crescita Resistenza a fattori di stress BIOSTIMOLATORI: produzione di sostanze non ormonali COMPOSTI VOLATILI 2,3-butandiolo acetoino Bacillus subtilis Promozione della crescita, incremento dell’attività fotosintetica e incremento del contenuto in clorofilla in A. thaliana Bacillus amyloliquefaciens Enterobacter cloacae pirrolchinolina chinone (PQQ) Pseudomonas fluorescens Promotore della crescita di pomodoro e cocomero Biodisponibilità dei nutrienti e biomassa microbica Biomassa Biomassa microbica microbica biodiversità metabolomica substrato fenomica Approccio biochimico biodisponibilità genomica Approccio molecolare APPLICAZIONI AMBIENTALI: cambiamenti climatici Suolo: Carbon sink e Carbon source C sink: immobilizzazione del C sotto forma di sostanza organica Contenuto medio in biomassa del suolo in un pascolo in aree temperate (perso fresco)*: Piante: C/N ~ 40; 20.000 kg/ha Biomassa microbica funghi: C/N ~ 40; 3000 kg/ha alghe: C/N ~ 40; 200 kg/ha batteri: C/N ~ 10; 4000 kg/ha protozoi: C/N ~ 10; 380 kg/ha Biomassa  Effetto sulla salvaguardia degli stock di C organico diretto e indiretto (struttura e stabilità degli aggregati di suolo) *Pimentel, Environment, Development and Sustainability 2006 BIOPROTEZIONE: protezione da stress biotici CONTROLLO BIOLOGICO DA: microrganismi patogeni infestanti insetti Microrganismi del suolo per la produzione di bioenergie Metano Idrogeno Etanolo Butanolo Bioelettricità 19/02/2014 37 APPLICAZIONI INDUSTRIALI: prodotti vari PRODOTTO USI Health foods Integratori alimentari Ficobiliproteine Coloranti alimentari Diagnostica Polisaccaridi Numerosi Alimentazione bivalvi Produzione di larve Beta-carotene Colorante alimentare Astaxantina Polli Salmone Acidi grassi poliinsaturi (PUFA) Alimentazione umana ed animale Inoculanti del suolo Condizionatori di struttura Fertilizzanti Scambiatori ionici Bioassorbimento di metalli Biomassa Depurazione delle acque Prodotti isotopici Diagnostici, ricerca Sostanze bioattive Antibiotici, chemioterapia Vitamine (E, B12) Additivi alimentari (Prodotti di interesse commerciale da microrganismi fotosintetici; CSMA – CNR, Univ. Firenze) Biomasse microbiche BIOMOLECOLE Acido L-Glutammico Acido citrico L-Lisina Acido lattico Vitamina C Acido gluconico Antibiotici Xantano Aspartame L-Idrossifenilalanina Dextrano Vitamina B12 Farmaci ricombinanti rDNA Enzimi (Branduardi, Porro, Smeraldi 2006) APPLICAZIONI INDUSTRIALI: bioplastiche POLIIDROSSIALCANOATI (PHA) Macromolecole sintetizzate da più di 250 batteri (gram+ e gram-) Polimeri plastici completamente biodegradabili Bacillus megaterium (1926) PHAs(SCL) Alcaligenes eutrophus PHAs(MCL) Pseudomonas oleovorans APPLICAZIONI INDUSTRIALI: compostaggio Fermentazione naturale con avvicendamento di diverse popolazioni microbiche Prima fase (mesofila): microrganismi mesofili e termotolleranti, batterie funghi Fase termofila: attinomiceti, batteri sporigeni, funghi cellulosolitici termofili, azotofissatori.Igienizzazione (mortecellule vegetative di patogeni e semi infestanti) Fase di raffreddamento e maturazione: batteri diminuiscono; attinomiceti, funghi e azotofissatorri aumentano Fase di maturazione e stabilizzazione: al termine prevalgono basidiomiceti Progetti sviluppati dal CRA-RPS Bioelettricità microbica (BEM) Anna Benedetti Valorizzazione dei sottoprodotti della filiera del biodisel (EXTRAVALORE) Laura Bardi Produzione di bioetanolo come valorizzazione energetica innovativa dei reflui zootecnici (ZOOETANOLO) Flavio Fornasier Produzione integrata di bioetanolo e biogas da una coltura agraria a basso consumo idrico, il sorgo zuccherino: aspetti tecnologici, economici energetici ed ambientali (MULTISORGO) Flavio Fornasier Valorizzazione energetica di residui organici di attività agroindustriali mediante utilizzo in celle a combustione del biogas da digestione anaerobica (VEROBIO) Laura Bardi Recupero di scarti derivanti da attività agrozootecniche per scopi energetici ( BIOMOLENER) Laura Bardi 19/02/2014 41 Programma Nazionale Biodiversità di interesse agrario Adozione delle linee guida nazionali per la conservazione in situ, on farm ed ex situ, della biodiversità vegetale, animale e microbica di interesse agrario. (12A08142) . 24-7-2012 GAZZETTA UFFICIALE DELLA REPUBBLICA ITALIANA Serie generale - n. 171 Biodiversità vegetale Biodiversità animale Biodiversità microbica PNBA - PIANO NAZIONALE SULLABIODIVERSITA’ DI INTERESSE AGRARIO Gruppo MICROBIOLOGIA: Prof. Gianluigi Cardinali – Università degli Studi di Perugia Dott.ssa Anna Benedetti – CRA – Centro per lo Studio delle Relazioni tra Pianta e Suolo Linee guida per la conservazione delle risorse genetiche di interesse agroalimentare SUOLO Compilazione scheda informativa Conservazione del germoplasma vegetale Raccolta suolo corrispondente EROSIONE ALTO VALORE CASO B CASO A CASO B Livello ROUTINE CASO A Azione 0 Analisi matricale 1 Valutazione della IBF Conservazione del suolo ex situ 2 Analisi della composizione genetica e funzionale della comunità microbica 3 Sequenziamento e caratterizzazione di singole specie ed eventuale conservazione ex situ 4 Monitoraggio spazio-temporale. Il monitoraggio spaziale potrà essere facoltativo, mentre il monitoraggio temporale sarà obbligatorio. 1 1 4 2 3 4 Il suolo agrario metodologie innovative per il mantenimento e l’incremento della fertilità. Gonzaga Mn, 6 settembre 2013 Grazie per l’attenzione