Collezione microbica ENEA
I microrganismi per applicazioni in agricoltura
Il suolo nasconde un numero straordinario di specie microbiche che, con le loro attività metaboliche, sono fra gli attori principali dei cosiddetti “servizi ecosistemici” quali il ciclo della sostanza organica, la mobilizzazione degli elementi nutritivi, la formazione dell’humus, lo sviluppo delle piante, il sequestro del carbonio. Il suolo ospita oltre un quarto di tutte le specie viventi del Pianeta. In pochi grammi di terreno ci sono 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. Il suolo rappresenta quindi una complessa rete di interazioni che coinvolge una moltitudine di esseri viventi.
Le attività metaboliche di questi organismi, in particolare i batteri, sono essenziali per l’intero ecosistema. La sua biodiversità ne garantisce il mantenimento in condizioni di salute, ed è quindi alla base di beni necessari alla nostra sopravvivenza, come cibo, acqua ed aria pulita. Inoltre, poiché il suolo costituisce la seconda riserva di carbonio del Pianeta, la sua componente biologica ha un ruolo importante anche per la regolazione del clima, e la riduzione della biodiversità ne riduce la capacità di regolare la composizione dell’atmosfera e di contrastare il riscaldamento globale. Le pressioni che le attività antropiche, direttamente e indirettamente esercitano sul suolo, hanno innescato un processo di degrado che, al contrario, si realizza in tempi drammaticamente più brevi. Il degrado dei suoli consiste in fenomeni di erosione, salinizzazione, contaminazione, acidificazione, da cui derivano una perdita di carbonio e di biodiversità, una ridotta capacità di trattenere l’acqua, lo sconvolgimento dei cicli dei gas e dei nutrienti e una minore degradazione degli agenti contaminanti, che si traducono in una sostanziale perdita di fertilità e diminuzione della produttività dei suoli stessi, oltre ad un peggioramento sensibile dell’intero scenario ecologico. La conservazione della biodiversità del suolo è un presupposto fondamentale per salvaguardare le comunità di organismi che svolgono in esso funzioni essenziali, e per garantire quindi l’equilibrio funzionale di tutto l’ecosistema.
Microorganismi per la produzione primaria: aree di ricerca
L’ENEA è da anni interessato allo studio di sistemi atti alla tutela della qualità e fertilità del suolo, con la partecipazione a progetti di ricerca nazionali e internazionali. Nel corso delle sperimentazioni, sono stati selezionati ceppi microbici PGPR (Plant-Growth-Promoting-Rhizobacteria) e ceppi azotofissatori. Le conoscenze tecnico-scientifiche ricoprono le seguenti aree tematiche:
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Microbiologia del suolo:
Analisi della diversità genetica e funzionale di popolazioni batteriche del suolo e della rizosfera di piante di interesse agronomico; analisi del contenuto plasmidico delle comunità batteriche del suolo; valutazione dell'effetto degli usi del suolo e delle pratiche agronomiche sulla biodiversità genetica e funzionale delle popolazioni batteriche del suolo; analisi delle interazioni tra i microrganismi del suolo e della rizosfera e piante di interesse agronomico; studio del microbioma del suolo e della rizosfera di piante di interesse agronomico; individuazione dei biomarcatori di qualità e stato di salute del suolo; culturomica e metagenomica del suolo e della rizosfera; isolamento di microrganismi benefici.
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Sostenibilità e qualità delle produzioni agroalimentari e agroforestali:
Caratterizzazione delle comunità batteriche in suoli coltivati con pratiche di agricoltura sostenibile (inerbimento, non lavorazione del terreno, rotazioni, bassi livelli di concimazione), con un differente uso e un diverso livello di intensificazione colturale; identificazione di microrganismi indicatori della fertilità dei suoli agricoli e forestali; identificazione di microrganismi rizosferici ad attività promotrice della crescita delle piante ed antagonista di funghi patogeni (PGPR) da utilizzare come inoculanti microbici per la sostenibilità in agricoltura. L’ENEA, nel corso degli anni ha isolato dalla rizosfera di piante di mais batteri con attività di azotofissazione e di promozione della crescita della pianta (PGPMs, Plant Growth-Promoting Microbes), agenti di biocontrollo di funghi patogeni come anche ha identificato particolari ceppi batterici idonei ad essere utilizzati quali indicatori dello stato di salute e fertilità del suolo. L’utilizzo in agricoltura di PGPMs in applicazioni singole e in consorzi rappresenta un efficace strumento di promozione della crescita delle piante e/o di controllo delle malattie delle piante, in alternativa ai pesticidi chimici e a vantaggio della salute dell’uomo e dell’ambiente. L’ENEA ha isolato, selezionato e caratterizzato antagonisti microbici naturali, quali ad esempio i ceppi Burkholderia ambifaria MCI-7 e Bacillus subtilis ET-1 in grado di contrastare lo sviluppo di funghi fitopatogeni mediante la sintesi di diversi tipi di metaboliti, fra cui siderofori, enzimi litici e antibiotici. In particolare, per quest’ultimo ceppo sono stati sviluppati, su scala pilota, protocolli per produrre biomassa cellulare e metaboliti secondari ad azione antifungina. Prove sperimentali sono state inoltre condotte in vivo su diverse colture.
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Uso di consorzi microbici per migliorare la produttività agricola e aumentare la produttività e la qualità degli alimenti, e adozione di strategie di gestione che consentano di aumentare la sostenibilità e la produttività dell'agricoltura globale.
Riconosciuto lo straordinario valore che la biodiversità microbica del suolo ha per le piante e l'essere umano bisogna ora capire come sfruttarlo per migliorare la produzione delle colture e la vita dell'uomo. Tra le azioni sostenibili si sta facendo strada sempre più in questi ultimi anni l’utilizzo di alcuni trattamenti microbici (ovvero alcuni prodotti probiotici per le piante) che potrebbero renderci meno dipendenti dai fertilizzanti chimici. Lo sfruttamento del potenziale multifunzionale della biodiversità sotterranea in agricoltura e l’introduzione di popolazioni microbiche con un potenziale di promozione della crescita vegetale potranno migliorare sia la fertilità dei suoli sia la resistenza delle colture a stress biotici e abiotici. Consorzi microbici multifunzionali costituiti da PGPMs (Plant Growth- Promoting Microorganims) con diverse funzioni (azotofissatori, solubilizzatori di fosfati, antagonisti di fitopatogeni) sono i candidati di eccellenza per favorire l’aumento della produttività e la sostenibilità delle catene alimentari, con la creazione di nuovi alimenti sostenibili e di qualità. L’utilizzo delle colture microbiche in agricoltura potrebbe dare avvio a una nuova rivoluzione verde, molto più sostenibile rispetto alla precedente. La sfida è quella di valorizzare la biodiversità microbica del suolo e sviluppare nuovi bio-prodotti in grado, applicati alle colture, di difenderle dagli stress abiotici e biotici ma anche di aumentare la capacità di assorbimento dei nutrienti o migliorare la qualità della produzione. Nel corso delle attività del progetto SIMBA, i ricercatori del Laboratorio Sostenibilità, Qualità e Sicurezza delle Produzioni Agroalimentari dell’ENEA hanno sviluppato consorzi microbici multifunzionali che sono stati applicati in pieno campo pper il miglioramento della produzione e della qualità in alcune piante di interesse agroalimentare: frumento, mais, pomodoro. I ricercatori ENEA hanno selezionato alcuni PGPM (microrganismi che promuovono la crescita delle piante) assemblandoli in tre consorzi sottoposti poi a sperimentazione in serra e in pieno campo. Nella ricerca sono stati anche presi in considerazione i possibili mezzi per somministrare i microrganismi in modo efficace e semplice alle colture in campo.