C'è una fattoria in Arkansas che coltiva semi di soia, Mais, e il riso che punta ad essere l'azienda agricola scientificamente più avanzata al mondo. I campioni di suolo vengono passati attraverso potenti macchine per sequenziare geneticamente i loro microbi, i droni stanno volando in alto catturando immagini iperspettrali delle colture, e presto i supercomputer sgranocchieranno gli enormi volumi di dati raccolti.

Scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (Berkeley Lab), lavorando con l'Università dell'Arkansas e Glennoe Farms, spero che questo progetto, che riunisce biologia molecolare, biogeochimica, tecnologie di rilevamento ambientale, e apprendimento automatico, rivoluzionerà l'agricoltura e creerà pratiche agricole sostenibili a vantaggio sia dell'ambiente che delle aziende agricole. In caso di successo, prevedono di essere in grado di ridurre la necessità di fertilizzanti chimici e migliorare l'assorbimento di carbonio nel suolo, migliorando così la redditività a lungo termine del terreno, aumentando allo stesso tempo i raccolti.

Un pezzo centrale della ricerca è capire il ruolo dei microbi nella salute del suolo.

"I microbi sono una componente fondamentale della salute e della produttività del suolo, " ha detto lo scienziato Ben Brown. "Capendo come funzionano i microbi e modificando gli ambienti in cui funzionano, alla fine possiamo progettare comunità microbiche per migliorare la produttività del suolo. Cosa c'è di più, La ricerca del Berkeley Lab sta dimostrando che i suoli sani sono più resistenti agli shock del sistema come il cambiamento climatico, siccità, e insetti".

Una sfida chiave per portare avanti questi obiettivi è il riconoscimento della significativa variabilità spaziale delle proprietà del suolo all'interno di un singolo campo e tra i campi. Il progetto "AR1K Smart Farm" ha riunito una serie di competenze per concentrarsi su un 1, Fattoria di 1000 acri vicino a Stoccarda, Arkansas, come banco di prova. Il progetto è co-guidato da Haruko Wainwright, un esperto in metodologie di monitoraggio e stima ambientale nell'Area di Scienze della Terra e dell'Ambiente del Berkeley Lab, e Ben Brown, un esperto in machine learning e analisi microbica nell'area delle bioscienze.

Suolo:l'ecosistema più complesso del pianeta

Le Nazioni Unite prevedono che la popolazione mondiale crescerà fino a raggiungere i 9,8 miliardi entro il 2050; nutrire così tante persone richiederà un aumento della produzione alimentare di oltre il 70%. Eppure le pratiche agricole industrializzate hanno impoverito la maggior parte dei terreni agricoli del paese di carbone attivo e di un ecosistema microbico equilibrato. Ciò si riflette nelle misurazioni della materia organica che in media solo dall'1 al 2% nella maggior parte dei terreni agricoli, rispetto a livelli storici intorno al 10 per cento.

"I nostri agricoltori dipendono da una pesante prescrizione di semi geneticamente modificati, fertilizzante, erbicidi chimici, e pesticidi per rendere un raccolto redditizio, " ha detto Jay McEntire, manager di Glennoe Farms. "Per l'agricoltore questa dipendenza aumenta i costi dei fattori di produzione e aumenta il rischio economico. Per il proprietario terriero i suoli impoveriti e i regimi chimici rappresentano rischi per la sostenibilità sia economica che ambientale".

Basandosi sulle iniziative ENIGMA e Microbes to Biomes di Berkeley Lab, gli scienziati del progetto stanno cercando di sviluppare e valutare modifiche microbiche, che possono essere pensati come "probiotici per il suolo, " per sostituire il carbonio, fosforo, e altri nutrienti che sono stati persi. L'uso ripetuto di fertilizzanti sfusi e prodotti chimici nel corso degli anni ha impoverito i terreni e causato altri danni ambientali, creando un circolo vizioso che rende l'attuale modello di agricoltura industriale potenzialmente insostenibile e sempre più costoso poiché ogni anno sono richiesti sempre più additivi per fertilizzanti chimici e a base di sale.

Cosa c'è di più, l'offerta mondiale di fosforo è limitata.

Ma il Berkeley Lab sta cercando una soluzione microbica. "La buona notizia è che ci sono moltissimi microbi che hanno enzimi chiamati fitasi che sono in grado di risolubilizzare il fosforo inorganico, " che sono essenzialmente gli "avanzi" nel terreno dopo che le piante hanno assorbito ciò di cui hanno bisogno dal fosforo della roccia, secondo Brown.

Sebbene il concetto di emendamenti microbici non sia nuovo, anzi, i prodotti commerciali sono sul mercato - manca una comprensione predittiva di come il microbioma del suolo interagisce con e influenza la crescita delle piante.

"Ci sono milioni di specie di microbi per centimetro cubo di suolo, " disse Brown. "Quando ti avvicini alla radice della pianta e ai suoi tessuti interni, si va da milioni a dozzine. Quindi le piante fanno un lavoro eccezionale nel coltivare i loro microbiomi. Rilasciano materiali, compresi i composti antimicrobici, uccidere selettivamente i microbi indesiderati, e rilasciano cibo per incentivare i microbi benefici. È un'interazione altamente simbiotica ed enormemente complessa, e non ne capiamo quasi nulla."

Colmare 18 ordini di grandezza

La sfida sarà capire le relazioni causa-effetto tra gli emendamenti microbici e la crescita delle piante. "Stai cercando di collegare eventi su scale temporali rilevanti per le molecole con eventi che si verificano nel corso di una stagione di crescita di sei mesi, " ha detto Brown. "Stai cercando di collegare qualcosa come 18 ordini di grandezza attraverso scale spazio-temporali. Questo è seriamente non banale."

È qui che entrano in gioco i droni.

I sensori iperspettrali sui droni saranno in grado di rilevare la riflettanza della luce dalle piante e vedere centinaia di canali di spettri, dal visibile al vicino infrarosso. "L'occhio umano ha solo tre canali:rosso, verde, e blu, " ha detto Wainwright. "Puoi vedere se una foglia sembra gialla o verde. Ma con centinaia di canali puoi misurare il contenuto di carbonio e azoto, e puoi dire molto sulla salute delle piante, malattie delle piante, o chimica delle foglie, tutto ciò influisce sulla resa delle colture".

Inoltre, le tecniche geofisiche di superficie sono utilizzate per mappare le proprietà elettriche del suolo in 3-D, che controlla notevolmente le attività microbiche del suolo.

L'apprendimento automatico è lo strumento che legherà tutti i dati insieme. "L'approccio scientifico di squadra sperimentato al Berkeley Lab viene utilizzato per integrare tutte le informazioni all'interno del contesto di apprendimento automatico, " ha detto Wainwright. "Il nostro obiettivo finale è fornire informazioni utili alla comunità agricola".

Attualmente gli agricoltori non dispongono di tali informazioni, anche se servizi e prodotti sono sorti fornendo varie soluzioni di "big data". "Tutte le aziende private hanno un grande incentivo a bloccare i propri set di dati, quindi non possono essere utilizzati insieme ad altri set di dati, " Wainwright ha detto. "Ecco dove il settore pubblico, come Berkeley Lab, può intervenire. Non siamo incentivati ​​dal profitto."

La sfida scientifica è formidabile ma non insormontabile. "Pensiamo che sia un problema trattabile, e speriamo di dimostrarlo il prossimo anno, " disse Bruno.