Hay una granja en Arkansas que cultiva soja, maíz y arroz cuyo objetivo es ser la granja científicamente más avanzada del mundo. Las muestras de suelo se procesan a través de potentes máquinas para que sus microbios sean secuenciados genéticamente, los drones vuelan por encima tomando imágenes hiperespectrales delos cultivos, y pronto las supercomputadoras estarán procesando los enormes volúmenes de datos recopilados.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, en colaboración con la Universidad de Arkansas y Glennoe Farms, esperan que este proyecto, que reúne biología molecular, biogeoquímica, tecnologías de detección ambiental y aprendizaje automático, revolucione la agriculturay crear prácticas agrícolas sostenibles que beneficien tanto al medio ambiente como a las granjas. Si tienen éxito, prevén poder reducir la necesidad de fertilizantes químicos y mejorar la absorción de carbono del suelo, mejorando así la viabilidad a largo plazo de la tierra, al tiempo que aumentanrendimientos de cultivos.
Una pieza central de la investigación es comprender el papel de los microbios en la salud del suelo.
"Los microbios son un componente crítico de la salud y productividad del suelo", dijo el científico Ben Brown. "Al comprender cómo funcionan los microbios y modificar los entornos donde funcionan, eventualmente podemos diseñar comunidades microbianas para mejorar la productividad del suelo. Además, Berkeley Lab'sLa investigación muestra que los suelos sanos son más resistentes a las crisis del sistema, como el cambio climático, la sequía y los insectos ".
Un desafío clave para avanzar en estos objetivos es el reconocimiento de la variabilidad espacial significativa de las propiedades del suelo dentro de un solo campo y entre campos. El proyecto "AR1K Smart Farm" ha reunido una gama de experiencia para enfocarse en una granja de 1,000 acrescerca de Stuttgart, Arkansas, como banco de pruebas. El proyecto es codirigido por Haruko Wainwright, experto en monitoreo ambiental y metodologías de estimación en el Área de Ciencias del Medio Ambiente y Tierra de Berkeley Lab, y Ben Brown, experto en aprendizaje automático y análisis microbiano enÁrea de Biociencias.
Suelo: el ecosistema más complejo del planeta
Naciones Unidas pronostica que la población mundial crecerá a 9.800 millones para 2050; alimentar a muchas personas requerirá aumentar la producción de alimentos en más del 70 por ciento. Sin embargo, las prácticas agrícolas industrializadas han agotado la mayoría de las tierras agrícolas de carbón activo del paísy un ecosistema microbiano equilibrado. Esto se refleja en mediciones de materia orgánica que promedian solo del 1 al 2 por ciento en la mayoría de las tierras agrícolas, en comparación con niveles históricos de alrededor del 10 por ciento.
"Nuestros agricultores dependen de una fuerte prescripción de semillas genéticamente modificadas, fertilizantes, herbicidas químicos y pesticidas para producir un cultivo rentable", dijo Jay McEntire, gerente de Glennoe Farms. "Para el agricultor, esta dependencia aumenta sus costos de insumos yaumenta su riesgo económico. Para el propietario, los suelos agotados y los regímenes químicos representan riesgos tanto para la sostenibilidad económica como ambiental ".
Basándose en las iniciativas ENIGMA y Microbios a biomas de Berkeley Lab, los científicos del proyecto buscan desarrollar y evaluar enmiendas microbianas, que pueden considerarse como "probióticos para el suelo", para reemplazar el carbono, el fósforo y otros nutrientes que han sidoEl uso repetido de fertilizantes y productos químicos a granel a lo largo de los años ha agotado los suelos y ha causado otros daños ambientales, creando un círculo vicioso que hace que el modelo actual de agricultura industrial sea potencialmente insostenible, y cada vez más caro a medida que más y más sal química y a granel.se requieren aditivos a base de fertilizantes cada año.
Además, el suministro mundial de fósforo es limitado.
Pero Berkeley Lab está buscando una solución microbiana. "La buena noticia es que hay muchos microbios que tienen enzimas llamadas fitasas que son capaces de resolubilizar el fósforo inorgánico", que son esencialmente los "restos" en el suelo después de las plantastoman lo que necesitan del fósforo de roca, según Brown.
Si bien el concepto de enmiendas microbianas no es nuevo, de hecho, los productos comerciales están en el mercado, falta una comprensión predictiva de cómo el microbioma del suelo interactúa y afecta el crecimiento de las plantas.
"Hay millones de especies de microbios por centímetro cúbico de suelo", dijo Brown. "Cuando te acercas a la raíz de la planta y sus tejidos interiores, pasas de millones a docenas. Así que las plantas hacen un trabajo excepcional al cultivar sus microbiomas".Liberan materiales, incluidos compuestos antimicrobianos, para matar selectivamente microbios indeseables, y liberan alimentos para incentivar a los microbios beneficiosos. Es una interacción altamente simbiótica y enormemente compleja, y no entendemos casi nada ".
Puenteando 18 órdenes de magnitud
El desafío será descubrir las relaciones de causa y efecto entre las enmiendas microbianas y el crecimiento de las plantas. "Estás tratando de conectar eventos en escalas de tiempo relevantes para las moléculas con eventos que ocurren en el transcurso de un crecimiento de seis mesestemporada ", dijo Brown." Estás tratando de unir algo así como 18 órdenes de magnitud a través de escalas espacio-temporales. Eso es realmente no trivial ".
Ahí es donde entran los drones.
Los sensores hiperespectrales en los drones podrán detectar la reflectancia de la luz de las plantas y ver cientos de canales de espectros, desde el visible hasta el infrarrojo cercano. "El ojo humano tiene solo tres canales: rojo, verde y azul".dijo Wainwright. "Puedes ver si una hoja se ve amarilla o verde. Pero con cientos de canales puedes medir el contenido de carbono y nitrógeno, y puedes decir mucho sobre la salud de las plantas, las enfermedades de las plantas o la química de las hojas, todo lo cual afecta el cultivorendimiento."
Además, se utilizan técnicas geofísicas de superficie para mapear las propiedades eléctricas del suelo en 3-D, lo que controla en gran medida las actividades microbianas del suelo.
El aprendizaje automático es la herramienta que unirá todos los datos. "El enfoque de ciencia del equipo pionero en Berkeley Lab se está utilizando para integrar toda la información dentro del contexto del aprendizaje automático", dijo Wainwright. "Nuestro objetivo final esproporcionar inteligencia procesable a la comunidad agrícola ".
Actualmente, los agricultores no tienen dicha información, a pesar de que los servicios y productos han surgido proporcionando varias soluciones de "big data". Todas las empresas privadas tienen un gran incentivo para bloquear sus propios conjuntos de datos, por lo que no se pueden usar en conjuntocon otros conjuntos de datos ", dijo Wainwright." Ahí es donde el sector público, como Berkeley Lab, puede intervenir. No estamos incentivados por las ganancias ".
El desafío científico es formidable pero no insuperable. "Creemos que es un problema manejable, y esperamos probarlo el próximo año", dijo Brown.
El equipo de Berkeley Lab incluye a Nicola Falco, Craig Ulrich, Baptiste Dafflon, Louise Glass y Susan Hubbard. Están colaborando con la Universidad de Arkansas con el apoyo de los fondos de Investigación y Desarrollo Dirigidos por Laboratorio y la colaboración con Glennoe Farms, los propietarios yM2Capital Partners LLC.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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