Presentazione Benedetti

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]
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contenuti
 Concetto di fertilità del suolo
 Mezzi tecnici per la fertilizzazione
 Esempi di innovazione
19/02/2014
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Concetto di fertilità del suolo
Fertilità, biodiversità, qualità, sostenibilità
19/02/2014
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Concetto di fertilità del suolo
19/02/2014
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Concetto di fertilità del suolo
 Fertilità integrale
FISICA
CHIMICA
BIOLOGICA
19/02/2014
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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
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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
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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
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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
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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.
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Il suolo agrario metodologie innovative per il mantenimento
e l’incremento della fertilità. Gonzaga Mn, 6 settembre 2013
Grazie per l’attenzione

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