La microbiologia del suolo prevede lo studio dei microrganismi nel suolo, le loro funzioni specifiche e la loro influenza sulle proprietà del suolo. Si ipotizza che i primi antichi cianobatteri (noti anche come alghe blu-verdi) siano emersi negli oceani della Terra circa due o quattro miliardi di anni fa. Questi batteri possedevano la capacità di fissare il carbonio attraverso la fotosintesi e di fissare l'azoto, proliferando successivamente e, di conseguenza, rilasciando ossigeno nell'atmosfera e azoto nel suolo. Questo sviluppo evolutivo ha facilitato l’emergere di microrganismi più avanzati, che hanno influenzato in modo significativo la struttura e la fertilità del suolo. I microrganismi del suolo possono essere classificati in diversi gruppi: batteri (compresi cianobatteri e attinomiceti), archaea, funghi, alghe, muffe melmose e protozoi. Ognuna di queste classificazioni mostra caratteristiche distintive e funzioni specifiche all'interno dell'ambiente del suolo.
Ogni grammo di terreno, in particolare all'interno della rizosfera, una regione attorno alle radici delle piante riconosciuta come un centro significativo di diversità microbica, soprattutto sul rizopiano, può ospitare fino a 10 miliardi di cellule batteriche coltivabili. Nel 2011, un gruppo di ricerca ha identificato oltre 33.000 specie batteriche e arcaiche sulle radici della barbabietola da zucchero.
La composizione del rizobioma può subire rapide alterazioni in risposta ai cambiamenti dei fattori ambientali sia biotici che abiotici. La diversità dei microrganismi nel suolo dipende dal pH, dalla struttura del suolo, dal contenuto di materia organica, dalla composizione della comunità vegetale e dalla presenza di contaminanti, come i metalli pesanti.
Batteri
I batteri e gli archaea (inizialmente classificati insieme come batteri), escludendo i virus, rappresentano i più piccoli organismi procarioti presenti nel suolo. Costituiscono i microrganismi più abbondanti nel suolo e svolgono numerose funzioni critiche; per i batteri, questi includono la fissazione dell'azoto e la decomposizione della materia organica. Gli archeobatteri del suolo sono ancora meno compresi, ma si ipotizza che svolgano un ruolo sostanziale nella nitrificazione e nella metanogenesi.
Alcuni batteri sono in grado di colonizzare i minerali del suolo, contribuendo così alla loro alterazione e decomposizione. La composizione complessiva del terreno determina la quantità e la distribuzione dei batteri che prosperano al suo interno. Una maggiore prevalenza di minerali argillosi in una determinata area può portare ad una maggiore abbondanza di batteri che formano biofilm sulle loro superfici. Inoltre, i batteri del suolo contribuiscono alla formazione di aggregati del suolo, che migliorano la salute generale del suolo.
Al di là della rizosfera, dove l'attività batterica è stimolata dalla rizodeposizione e dall'essudazione delle radici, la maggior parte dei batteri all'interno del terreno esiste in uno stato quiescente. Formano colonie batteriche racchiuse all'interno di una matrice polisaccaridica, protette da piastrine di argilla e mostrano resistenza alla siccità. Questi microaggregati batterici possono persistere in questo stato quiescente per periodi prolungati finché non vengono attivati dagli essudati degli apici radicali in crescita o dal muco dei lombrichi scavatori. Di conseguenza, i lixiviati ricchi di zuccheri (ad esempio, in seguito a un evento pollinico) possono anche stimolare la respirazione, la riproduzione e la diffusione dei batteri del suolo dormienti, avviando così un effetto priming sull'attività microbica complessiva del suolo.
All'interno della micorrizosfera, i batteri aiutanti della micorriza stabiliscono associazioni simbiotiche con i funghi micorrizici, facilitando la formazione di micorrize o aumentando le loro capacità funzionali.
Processi biochimici
Una caratteristica importante dei batteri è la loro versatilità biochimica. Ad esempio, il genere batterico Pseudomonas è in grado di metabolizzare una vasta gamma di sostanze chimiche e fertilizzanti. Al contrario, un altro genere, Nitrobacter, trae la sua energia esclusivamente attraverso l'ossidazione del nitrito in nitrato. Il genere Clostridium esemplifica la versatilità batterica, poiché può proliferare in condizioni anaerobiche, a differenza di molte altre specie, respirando anaerobicamente. Diverse specie di Pseudomonas, come Pseudomonas aeruginosa, possiedono la capacità sia di respirazione aerobica che anaerobica, utilizzando il nitrato come accettore terminale di elettroni.
Gli archaea sono eccezionalmente adattati ad ambienti chimicamente e fisicamente estremi, grazie ai loro caratteristici lipidi di membrana e ai percorsi metanogenici che integrano diversi coenzimi specifici di questo lignaggio microbico.
Fissazione dell'azoto
L'azoto rappresenta spesso un nutriente limitante fondamentale sia nel suolo che nell'acqua. I batteri facilitano la fissazione dell’azoto, un processo che converte il diazoto atmosferico in composti azotati utilizzabili dalle piante, come l’ammoniaca. Alcuni batteri che fissano l'azoto, come i cianobatteri, sono autotrofi e acquisiscono carbonio dall'atmosfera tramite la fotosintesi, mentre altri sono eterotrofi e ottengono carbonio dalla materia organica del suolo (ad esempio Clostridium) o da un ospite simbiotico (ad esempio Rhizobium). Inoltre, alcuni batteri chemiotrofi del suolo, esemplificati da Nitrobacter, generano energia ossidando gli ioni nitrito in ioni nitrato. Sebbene questi batteri non fissino l'azoto, sono parte integrante della nitrificazione, una fase cruciale nel ciclo dell'azoto.
Attinomiceti
Gli actinomiceti (o actinobatteri) sono un gruppo di batteri che presentano diverse caratteristiche simili ai funghi, probabilmente attribuibili all'evoluzione convergente derivante da habitat e stili di vita condivisi. I confini delle loro specie sono spesso indistinti, un fenomeno legato alla prevalenza del trasferimento genico orizzontale. Anche se in gran parte ipotetica, la possibilità di un trasferimento genico orizzontale dagli attinomiceti ai funghi ancestrali non può essere scartata, poiché potrebbe spiegare i loro tratti morfologici e biochimici condivisi.
Somiglianze con i funghi
Nonostante la loro classificazione all'interno del regno dei batteri, numerosi attinomiceti mostrano caratteristiche simili ai funghi, come morfologia simile, modelli di ramificazione, formazione di spore e produzione di metaboliti secondari.
- Le loro strutture miceliali si ramificano in modo analogo a quelle dei funghi.
- Producono sia miceli aerei che conidi.
- Nelle colture liquide, la loro crescita si manifesta come grumi o pellet discreti, in contrasto con le sospensioni torbide uniformi tipiche di altri batteri.
Antibiotici
Una caratteristica importante degli attinomiceti è la loro capacità di produrre antibiotici. Esempi di questi antibiotici includono streptomicina, neomicina, eritromicina e tetraciclina. La streptomicina è impiegata nel trattamento della tubercolosi e di specifiche infezioni batteriche, mentre la neomicina serve a mitigare il rischio di infezione batterica durante le procedure chirurgiche. L'eritromicina combatte varie infezioni batteriche, tra cui bronchite, pertosse (tosse convulsa), polmonite e infezioni che colpiscono le orecchie, l'intestino, i polmoni, il tratto urinario e la pelle.
Funghi
Sebbene i batteri spesso superino i funghi nel numero di cellule, i funghi possono fornire una quantità significativamente maggiore di biomassa e mostrare tassi di respirazione più elevati in determinati ambienti del suolo. I funghi svolgono diversi ruoli nella salute del suolo, inclusa la decomposizione dei detriti vegetali, in particolare del legno; contribuire all'aggregazione del suolo; servire come fonti di cibo per organismi del suolo più grandi; agendo come agenti patogeni del suolo; e formando simbiosi vegetali benefiche (ad esempio, micorrize). La differenziazione delle specie tra i funghi si basa principalmente sull'esame microscopico delle dimensioni, della forma e del colore delle loro spore riproduttive. Questo compito impegnativo, che tradizionalmente richiede colture su piastre o camere, è stato significativamente avanzato grazie alle metodologie molecolari. I fattori ambientali che influenzano la crescita e la distribuzione dei batteri e degli attinomiceti hanno un impatto simile sui funghi. Sia la qualità che la quantità della sostanza organica del suolo sono direttamente correlate alla composizione della comunità fungina. I funghi generalmente prosperano meglio dei batteri in condizioni di terreno acido. Inoltre i funghi proliferano nei terreni secchi e aridi a causa della loro natura aerobica; un maggiore contenuto di umidità del suolo riduce la disponibilità di ossigeno, essenziale per la loro crescita. Numerose specie fungine possono crescere nell'aria, sfuggendo a condizioni sature, e alcune sono addirittura in grado di assorbire direttamente l'acqua atmosferica tramite superfici idrofile delle pareti cellulari.
Alghe
Le alghe sono organismi autotrofi, in grado di sintetizzare i propri composti di carbonio tramite la fotosintesi. Questo processo trasforma l'energia luminosa in energia chimica, che viene successivamente immagazzinata come amido. Di conseguenza, la crescita delle alghe richiede un’esposizione alla luce, portando alla tipica distribuzione delle alghe del suolo in aree con adeguata luce solare e umidità moderata, generalmente vicine alla superficie. Non sempre però l’esposizione solare diretta è obbligatoria; le alghe possono prosperare sotto la superficie del suolo in condizioni di temperatura e umidità costanti, mostrando eterotrofia facoltativa quando sono presenti fonti di carbonio facilmente disponibili, come il glucosio. Inoltre, sono state osservate interazioni sinergiche tra Chlorella vulgaris e i batteri della rizosfera per promuovere la crescita delle piante.
Categorie
Le alghe del suolo sono generalmente classificate in Chlorophyceae e Bacillariophyceae (diatomee). Le cloroficee in genere possiedono solo la clorofilla come pigmento primario, che conferisce una tonalità verde, mentre le diatomee contengono clorofilla insieme a pigmenti aggiuntivi come il carotenoide fucoxantina, che conferisce una colorazione bruno-dorata.
Protozoi
I protozoi sono protisti eucarioti unicellulari noti per essere tra i primi microrganismi a impegnarsi nella riproduzione sessuale. Ciò ha rappresentato un significativo progresso evolutivo rispetto alla duplicazione delle spore, un metodo su cui fanno affidamento molti altri microrganismi del suolo, poiché ha facilitato il silenziamento delle mutazioni deleterie. Questi organismi sono classificati in tre categorie principali: flagellati, amebe e ciliati. Molti protozoi del suolo sono batterivori, mentre altri consumano sia batteri che funghi. Alcune specie sono esclusivamente micofaghe e alcuni protozoi del suolo sono saprofagi e traggono sostentamento dalle particelle di humus. All’interno della rizosfera, i protozoi partecipano ad un ciclo microbico, un meccanismo di feedback positivo che comprende le radici in crescita, i loro essudati, i batteri che si nutrono di questi essudati e i protozoi batterivori. Questi ultimi rilasciano i nutrienti, precedentemente sequestrati nella biomassa microbica, in una forma disponibile per le piante.
Flagellati
I flagellati, il gruppo di protozoi più piccolo, sono ulteriormente suddivisi in base alle loro capacità fotosintetiche. I flagellati non contenenti clorofilla non sono in grado di fotosintesi, poiché la clorofilla è il pigmento verde responsabile dell'assorbimento della luce. Questi flagellati eterotrofi abitano prevalentemente il suolo, dove le loro popolazioni possono occasionalmente raggiungere diversi milioni per grammo. Al contrario, i flagellati contenenti clorofilla, come Euglena, si trovano tipicamente negli ambienti acquatici. Una caratteristica distintiva dei flagellati sono i loro flagelli, che fungono da modalità di locomozione primaria. Mentre alcune specie possiedono più flagelli, altre esibiscono un singolo flagello che assomiglia a un lungo ramo o un'appendice.
Amebe
Le amebe sono generalmente più grandi dei flagellati e utilizzano un meccanismo locomotore distinto. Sono identificabili tra i protozoi per la loro morfologia simile a una lumaca e per la presenza di pseudopodi. Uno pseudopodio, o "falso piede", è una sporgenza citoplasmatica temporanea che facilita il movimento attraverso le superfici e aiuta nell'inghiottimento del cibo. A differenza dei flagelli, gli pseudopodi non sono appendici permanenti ma piuttosto estensioni temporanee simili a muco. Le amebe nude mostrano libero movimento all'interno degli spazi dei pori pieni d'acqua e dei film d'acqua che avvolgono le radici e gli aggregati del suolo. Al contrario, le amebe testate sono parzialmente racchiuse all'interno di un guscio chitinoso o minerale (test), che fornisce protezione contro l'essiccamento durante i periodi di scarsità d'acqua. Le amebe testate possono persistere in uno stato incistato finché le condizioni ambientali non diventano favorevoli per l'alimentazione e la riproduzione. La loro prevalenza, diversità morfologica e vari adattamenti alle fluttuazioni dell'umidità li rendono preziosi indicatori climatici, fungendo da strumenti significativi per ricostruire i cambiamenti ambientali passati su scale temporali che vanno dai secoli ai millenni.
Ciliates
I ciliati, il gruppo più numeroso all'interno dei protozoi, si muovono utilizzando numerose ciglia corte, che generano movimenti di battito coordinati. Queste ciglia sono appendici simili a capelli il cui movimento multidirezionale conferisce maggiore motilità rispetto ai flagellati o alle amebe. I ciliati mostrano comportamenti complessi, come reazioni di evitamento, che implicano movimenti ciliari coordinati e regolati da strutture analoghe a sofisticati sistemi nervosi, che spesso appaiono indistinguibili da quelli degli organismi macroscopici. Ogni cellula ciliata contiene due tipi nucleari distinti: un micronucleo "germinale" e un macronucleo "somatico". La coniugazione, una forma di isogamia tra due cellule ciliate, rappresenta una modalità primitiva di riproduzione sessuale, che comprende la meiosi, la fecondazione e la riorganizzazione dei sistemi cellulari. Questo processo costituisce un progresso evolutivo significativo, facilitando l'inattivazione (knockout) di informazioni genetiche deleterie e promuovendo un rapido adattamento ai fattori di stress ambientale.
Fagi
I batteriofagi, virus che infettano specificamente i batteri, rappresentano un paradosso: sono tra le entità più abbondanti nelle comunità microbiche, ma rimangono significativamente poco studiati. Nonostante la ricerca limitata, i fagi del suolo svolgono ruoli ecologici ed evolutivi cruciali, contribuendo in modo sostanziale alla salute del suolo e influenzando la diversità microbica, in particolare come agenti primari del trasferimento genico orizzontale. La ricchezza virale, definita come l’abbondanza e la diversità dei fagi all’interno di un ecosistema, è modulata da diversi fattori, tra cui variazioni stagionali, livelli di umidità del suolo, posizione geografica e presenza e crescita della vegetazione. Inoltre, l'abbondanza di batteri all'interno delle comunità del suolo influenza direttamente la ricchezza virale, con elevate popolazioni batteriche correlate con una maggiore prevalenza di fagi.
All'interno della rizosfera, i fagi influenzano la disponibilità di nutrienti incidendo sulle popolazioni batteriche. I fagi litici, prendendo di mira le popolazioni ospiti, influenzano di conseguenza processi batterici critici come il ciclo del carbonio, dell'azoto, dello zolfo e del fosforo nel suolo. Sebbene i meccanismi non siano del tutto chiariti, è stato osservato che i fagi temperati influenzano le popolazioni batteriche attraverso la mediazione del trasferimento genico orizzontale (HGT). Questo scambio genetico consente ai fagi di alterare la diversità genetica dei loro ospiti, migliorando potenzialmente la forma fisica dell'ospite. I batteriofagi possono anche contribuire alla patogenesi delle piante eliminando i batteri benefici che conferiscono resistenza alle infezioni delle piante. Ad esempio, il fago litico ΦGP100 è noto per eliminare Pseudomonas fluorescens, un batterio che produce composti antifungini, rendendo così le piante più suscettibili ai patogeni fungini.
Diversità morfologica, genomica e del ciclo di vita
La diversità morfologica del batteriofago comprende forme munite di coda, senza coda e filamentose, oltre a un ampio spettro di composizioni di acidi nucleici, tra cui DNA a doppio filamento (dsDNA), DNA a filamento singolo (ssDNA), RNA a doppio filamento (dsRNA) e RNA a filamento singolo (ssRNA). Anche la dimensione genomica tra i batteriofagi mostra una variazione considerevole, che va da 2,5 a 735 kilobasi (kb), con i "fagi giganti" definiti come quelli che possiedono genomi di 200 kb o più. I fagi che vivono nel suolo possono esibire cicli di vita litici, lisogenici o cronici. I fagi litici eseguono il ciclo litico, un processo in cui la replicazione virale culmina nella lisi della cellula ospite, portando alla morte batterica e al rilascio della progenie virionica. Al contrario, i fagi lisogeni integrano il loro genoma nel cromosoma ospite, replicandosi in modo sincrono con l'ospite attraverso il ciclo lisogenico. Questi fagi lisogeni integrati sono chiamati profagi e non producono virioni né inducono la morte della cellula ospite. I fagi temperati possiedono la capacità di passare dal ciclo lisogenico a quello litico, tipicamente innescato da condizioni di stress cellulare batterico. Un'infezione cronica è caratterizzata dalla produzione e dal rilascio continui di virioni senza causare lisi o mortalità delle cellule ospiti.
Mixomiceti e mixobatteri
I mixomiceti (muffe melmose) e i mixobatteri (batteri melmosi) rappresentano alcuni dei microrganismi del suolo più enigmatici. I mixomiceti sono classificati come eucarioti, possiedono nuclei distinti e altri organelli cellulari, mentre i mixobatteri sono procarioti, caratterizzati da componenti cellulari privi di involucro di membrana, simili ad altri batteri (il dominio a cui appartengono i mixobatteri) e agli archaea. Entrambi sono organismi unicellulari che mostrano un comportamento collettivo: i mixomiceti formano sincizi, mentre i mixobatteri creano sciami di numerose cellule mantenute da segnali molecolari intercellulari. Questi microrganismi aggregati dimostrano uno scivolamento coordinato ("intelligente") per il foraggiamento, un processo complesso che rimane in gran parte non studiato. Durante il loro ciclo vitale, attraversano varie fasi, comprese singole cellule microscopiche e forme plasmodiali acellulari nei mixomiceti, o sciami sincronizzati di singole cellule (pseudoplasmodi) mediati dalla segnalazione di contatto nei mixobatteri. Entrambi i gruppi subiscono sporulazione, producendo mixospore all'interno di corpi fruttiferi che mostrano forme e colori diversi a seconda della specie, spesso apparendo iridescenti e prominenti.
Nonostante siano costituiti da una singola, estesa cellula multinucleata e privi di un sistema di coordinamento centralizzato, i mixomiceti sono in grado di prendere complesse decisioni nutrizionali. Allo stesso modo, il termine "intelligenza" è stato proposto per caratterizzare il comportamento sociale dei mixobatteri, in particolare poiché le singole cellule formano connessioni transitorie con gli altri durante il movimento.
Regolamento di composizione
L'acido salicilico, l'acido jasmonico e l'etilene sono ormoni vegetali fondamentali che regolano l'immunità innata all'interno delle foglie delle piante. I mutanti che mostrano carenze nella sintesi e nella segnalazione dell'acido salicilico dimostrano una maggiore suscettibilità ai microbi che colonizzano le piante ospiti per l'acquisizione di nutrienti. Al contrario, i mutanti con alterata sintesi di acido jasmonico ed etilene e vie di segnalazione sono ipersensibili agli insetti erbivori e ai microbi che inducono la morte delle cellule ospiti per l'estrazione dei nutrienti. La complessità di modulare una comunità microbica diversificata all’interno delle radici delle piante supera quella di eliminare un numero limitato di agenti patogeni da una foglia di pianta. Pertanto, la regolazione della composizione del microbioma radicale può richiedere meccanismi immunitari distinti rispetto a quelli che governano i microbi fogliari.
Uno studio del 2015 ha esaminato un gruppo di mutanti ormonali di Arabidopsis, che mostravano alterazioni nella sintesi o nella segnalazione di ormoni vegetali singoli o combinati. Lo studio ha analizzato sia la comunità microbica nel terreno adiacente alle radici sia i batteri che risiedono nei tessuti radicali. Le alterazioni nella segnalazione dell’acido salicilico hanno indotto uno spostamento riproducibile nell’abbondanza relativa di phyla batterici all’interno del compartimento endofitico. Questi cambiamenti osservati erano coerenti in numerose famiglie all'interno dei phyla interessati, suggerendo che l'acido salicilico funge potenzialmente da regolatore cruciale della struttura della comunità del microbioma.
I tradizionali ormoni di difesa delle piante svolgono anche un ruolo nella crescita delle piante, nel metabolismo e nelle risposte allo stress abiotico. Questa funzionalità sfaccettata complica la precisa delucidazione del meccanismo attraverso il quale l'acido salicilico regola il microbioma.
Durante il processo di addomesticamento delle piante, la selezione umana ha dato priorità ai tratti associati al miglioramento delle piante, piuttosto che favorire associazioni benefiche con il microbioma. Anche i più piccoli cambiamenti nell'abbondanza di specie batteriche specifiche possono influenzare profondamente le difese e la fisiologia delle piante, spesso con impatti solo minori sulla struttura complessiva del microbioma.
Attività biochimica
La maggior parte degli enzimi del suolo proviene da batteri, funghi e radici delle piante. La loro attività biochimica contribuisce in modo significativo sia alla stabilizzazione che al degrado della struttura del suolo. L’attività enzimatica tende ad essere elevata negli appezzamenti trattati con letame rispetto a quelli che ricevono fertilizzanti inorganici, sebbene alcune ricerche indichino che una combinazione di fertilizzanti minerali e organici produce risultati superiori alla sola applicazione di letame. Inoltre, la microflora presente nella rizosfera può potenziare l'attività enzimatica all'interno di quella zona specifica.
Applicazioni
Contesto agricolo
I microbi svolgono un ruolo cruciale in agricoltura migliorando la disponibilità di nutrienti per le piante, sintetizzando ormoni che promuovono la crescita, stimolando il sistema immunitario delle piante e modulando le risposte allo stress delle piante. In generale, un microbioma del suolo più diversificato è correlato a una riduzione delle malattie delle piante e a un aumento della resa dei raccolti.
Le pratiche agricole, in particolare l'applicazione di ammendanti al suolo come fertilizzanti e pesticidi, possono degradare il rizobioma del suolo (ecosistema microbico rizosferico) se i loro impatti negativi non vengono mitigati. Al contrario, ecosistemi del suolo robusti migliorano la fertilità attraverso vari meccanismi, come la fornitura di azoto e la difesa contro parassiti e malattie, diminuendo contemporaneamente il fabbisogno di acqua e altri input agricoli. Alcune metodologie potrebbero persino consentire la coltivazione in terreni precedentemente ritenuti inadatti all'agricoltura.
I rizobi, un gruppo specifico di batteri, abitano i sistemi radicali delle piante leguminose, dove facilitano la conversione dell'azoto atmosferico in una forma biologicamente disponibile.
Le micorrize, o funghi radicali, stabiliscono un'intricata rete di sottili filamenti, noti come ife extramatrici, che si estendono ampiamente nel terreno. Queste strutture funzionano come estensioni fisiologiche delle radici della pianta ospite, migliorando significativamente l'assorbimento di acqua e diversi nutrienti.
Le piante espellono fino al 30% del carbonio fisso dalle radici sotto forma di essudati, che comprendono zuccheri, amminoacidi, flavonoidi, acidi alifatici e acidi grassi. Questi composti servono ad attrarre e nutrire le specie microbiche vantaggiose e allo stesso tempo scoraggiare ed eliminare quelle dannose.
Applicazioni commerciali
La stragrande maggioranza dei prodotti microbici registrati funziona come biopesticidi (agenti di biocontrollo o bioprotezione), che attualmente costituiscono circa il 10% del mercato mondiale dei pesticidi. Alcuni microbi sono disponibili in commercio da diversi decenni, tra cui i funghi biofungicidi Trichoderma, che inibiscono i funghi patogeni, e il Bacillus thuringiensis, un efficace larvicida del bruco. Serenade, ad esempio, è un biopesticida formulato con un ceppo Bacillus subtilis riconosciuto per le sue caratteristiche antifungine e gli effetti di promozione della crescita delle piante. Questo prodotto può essere applicato come liquido sia alle piante che al terreno per combattere vari agenti patogeni, ottenendo l'accettazione sia nei sistemi agricoli convenzionali che in quelli biologici.
Le principali società agrochimiche, come Bayer, hanno avviato investimenti sostanziali in questa tecnologia. Nel 2012, Bayer ha acquisito AgraQuest per 425 milioni di dollari, stanziando un budget annuale di ricerca di 10 milioni di euro per condurre sperimentazioni sul campo su numerosi nuovi funghi e batteri. Questi studi mirano a identificare candidati in grado di sostituire i pesticidi chimici o di funzionare come biostimolanti per migliorare la salute e lo sviluppo delle colture. Novozymes, un'azienda specializzata in fertilizzanti microbici e pesticidi, ha stabilito una partnership strategica con Monsanto. Novozymes ha successivamente investito in un biofertilizzante contenente il fungo del suolo Penicillium bilaiae e in un bioinsetticida che incorporava il fungo Metarhizium anisopliae. Seguendo questa tendenza, Syngenta e BASF hanno acquisito aziende focalizzate sullo sviluppo di prodotti microbici nel 2014, mentre Dupont ha effettuato acquisizioni simili nel 2015.
Un'indagine del 2007 ha rivelato che una complessa relazione simbiotica che coinvolge funghi e virus consente alle specie di erba Dichanthelium lanuginosum di prosperare nei terreni geotermici del Parco Nazionale di Yellowstone, dove le temperature possono raggiungere i 60 °C (140 °F). I prodotti derivati da questa comprensione, introdotti nel mercato statunitense nel 2014 per mais e riso, sono progettati per indurre una risposta adattiva allo stress nelle colture.
Sia negli Stati Uniti che in Europa, le aziende hanno il compito di fornire agli organismi di regolamentazione prove complete che dimostrino la sicurezza sia dei singoli ceppi microbici che della formulazione complessiva del prodotto. Questo requisito rigoroso ha spinto molti prodotti esistenti a essere classificati come "biostimolanti" anziché "biopesticidi".
La selezione dei batteri per il controllo delle malattie richiede una valutazione approfondita dei loro impatti fisiologici più ampi. Alcuni ceppi batterici soppressivi, ad esempio, possono contrastare la fissazione dell’azoto, rendendolo inaccessibile. Stevens e colleghi hanno osservato che la denitrificazione batterica e la riduzione dissimilativa dei nitrati in ammonio sono particolarmente prevalenti in condizioni di pH elevato.
Microrganismi dannosi
L'organismo unicellulare simile a un fungo Phytophthora infestans, noto per causare la peronospora delle patate e varie altre malattie delle colture, storicamente ha contribuito in modo significativo alle carestie. Inoltre, altre specie fungine e batteriche sono responsabili della decomposizione di radici e foglie.
Numerosi ceppi microbici che si sono dimostrati promettenti in ambienti di laboratorio spesso non sono riusciti a mostrare un'efficacia comparabile in condizioni di campo, principalmente a causa della complessa interazione di fattori del suolo, del clima e dell'ecosistema. Di conseguenza, le aziende hanno dato sempre più priorità ai test sul campo rispetto alle fasi iniziali di laboratorio.
Sfide di persistenza
Le popolazioni di microbi vantaggiosi sono suscettibili di diminuire per periodi prolungati. Ad esempio, mentre Serenade inizialmente promuove un'alta densità di B. subtilis, questi livelli diminuiscono successivamente a causa dell'incapacità del batterio di stabilire una nicchia ecologica sostenibile. Una potenziale strategia compensativa prevede l'impiego di più ceppi microbici sinergici.
I fertilizzanti contribuiscono all'esaurimento della materia organica del suolo. Alcuni tipi, come il triplo perfosfato, introducono oligoelementi dannosi come l'arsenico e il cadmio. Se applicati in quantità superiori al fabbisogno di azoto delle piante, possono portare alla salinizzazione e all’acidificazione del suolo. Inoltre, i fertilizzanti possono sopprimere i funghi micorrizici al di sopra di specifiche soglie di concentrazione, in particolare quelli che coinvolgono il fosforo, e possono trasformare batteri simbiotici benefici in organismi competitivi.
Implementazione del progetto pilota
Un progetto pilota sperimentale condotto in Europa prevedeva l'uso di un aratro per allentare e increspare delicatamente il terreno. Venivano coltivate avena e veccia per attirare la rizobia fissatrice dell'azoto e furono introdotti piccoli ulivi per migliorare la diversità microbica. Un campo non irrigato di 100 ettari è stato diviso in tre zone distinte: la zona A ha ricevuto fertilizzanti chimici e pesticidi convenzionali, mentre le altre due zone sono state trattate con quantità variabili di un biofertilizzante organico. Questo biofertilizzante comprendeva residui d'uva fermentati, un consorzio diversificato di batteri e funghi e quattro tipi distinti di spore micorriziche.
Le colture trattate con la più alta concentrazione di fertilizzante organico hanno raggiunto quasi il doppio dell'altezza di quelle della Zona A e hanno superato di diversi centimetri l'altezza delle colture della Zona C. La resa di questa sezione era paragonabile a quella delle colture irrigue, in netto contrasto con la resa trascurabile osservata utilizzando le tecniche convenzionali. I funghi micorrizici hanno facilitato la penetrazione delle radici nel substrato roccioso secernendo acidi, consentendo alle radici delle piante di estendersi fino a quasi 2 metri di profondità e accedere alle acque sotterranee.
Microbiologi del suolo notevoli
- Nikolai Aleksandrovich Krasil'nikov (1896–1973), uno scienziato russo
- Michael Goodfellow (nato nel 1941), uno scienziato britannico
Agricoltura naturale
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- Agricoltura naturale coreana
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