Proyecto H2020 SENSOILS: Detección de procesos del suelo para mejorar la biodisponibilidad del nitrógeno en los cultivos
- Tipo Proyecto
- Status Completado
- Ejecución 2015 -2022
- Presupuesto asignado 1.978.475,00 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto SENSOILS
Desarrollamos una nueva generación de suelos artificiales capaces de informar sobre la naturaleza de los cambios químicos que ocurren en el suelo debido a la actividad biológica, utilizando un plástico común de bajo índice de refracción e introduciendo funciones mediante una capa delgada de material funcional. Para el núcleo de la partícula, utilizamos FEP (etileno propileno fluorado), y el proyecto ha identificado y sintetizado con éxito polímeros con funciones adecuadas para su uso en suelos artificiales. Hemos desarrollado una nueva plataforma de microscopía y tuberías para la fabricación de cámaras de microcosmos donde se pueden introducir y visualizar microorganismos, nutrientes y otros aditivos de forma flexible, en vivo e in situ. También hemos logrado avances clave en el desarrollo de técnicas computacionales, proponiendo el primer modelo de órgano completo para simular la morfogénesis con resolución celular.
Gracias a estas nuevas tecnologías, pudimos rastrear el comportamiento de los microbios del suelo durante la colonización de la rizosfera. Con nuestros nuevos sistemas de imágenes en vivo, hemos revelado el asombroso nivel de coordinación que emplean las bacterias del suelo para desplazarse por la estructura del suelo y colonizar la planta huésped. Demostramos que las células bacterianas se mueven en bandadas, de forma similar a como se observa normalmente en organismos superiores más complejos, como aves y peces. También demostramos que estos movimientos son posibles gracias a la capacidad de las bacterias para crear flujos laminares de agua localizados, pero constantes, a través del suelo, moviéndose así en grupo en lugar de individualmente.
El proyecto ha dado lugar a varias publicaciones destacadas en revistas como PNAS, New Phytologist e ISME Journal, y otras publicaciones aún se encuentran en evaluación en revistas de alto impacto. El proyecto también ha supuesto un gran impulso para el desarrollo científico, con numerosos proyectos de seguimiento financiados a nivel nacional e internacional. Otros resultados incluyen publicaciones en periódicos nacionales, redes sociales y científicos en sus primeras etapas de desarrollo profesional en diversas instituciones de investigación de todo el mundo.
El rendimiento de los cultivos que actualmente sustentan a la población mundial depende en gran medida de agroquímicos (p. ej., fertilizantes N/P/K y pesticidas) y variedades de cultivos modernas (p. ej., variedades de trigo enano) desarrolladas a finales del siglo XX a expensas de la salud del suelo. Como parte de la estrategia "De la granja a la mesa", la Comisión Europea tiene como objetivo reducir las pérdidas de nutrientes en al menos un 50 % para 2030, una reducción del 20 % en el uso de fertilizantes y, al mismo tiempo, mejorar la calidad del suelo. Para abordar este desafío, es urgente identificar soluciones sostenibles para la fertilidad del suelo y el rendimiento de los cultivos basadas en la comprensión de los procesos microbianos del suelo.
En el proyecto SENSOIL, hemos probado nuevas ideas radicales para estudiar la dinámica de las raíces y los microbios del suelo. La investigación demostró que, al inventar suelos artificiales y tecnologías de imagen, es posible rastrear las interacciones microbianas y la asociación con las raíces de los cultivos, al mismo tiempo que se observan los cambios en la composición química del suelo. Utilizando estas nuevas tecnologías, el proyecto reveló nuevas formas de movimiento bacteriano, lo que indica que las migraciones en el suelo podrían ser más rápidas y extensas de lo estimado previamente, pero también revela cómo estos procesos se vuelven sensibles a los cambios en las propiedades del suelo. Los descubrimientos del proyecto SENSOIL podrían tener un gran impacto en nuestra comprensión del ecosistema del suelo, a la vez que ayudan a la industria agrotecnológica a desarrollar soluciones más sostenibles.
La producción de alimentos se basa en la aplicación de fertilizantes nitrogenados, que pueden contribuir significativamente a la producción de gases de efecto invernadero y a la eutrofización de los agroecosistemas. Por lo tanto, es necesario optimizar el uso de fertilizantes nitrogenados.
El reciente desarrollo de suelos transparentes en mi grupo ofrece un amplio margen para comprender los procesos implicados en el transporte reactivo de nutrientes en el suelo y su interacción con la biota edáfica. Mi equipo combinará principios de óptica, ingeniería química, física, química y biología de suelos, así como biología vegetal, para visualizar y caracterizar el movimiento del nitrógeno en el suelo a microescala. Desarrollaremos una nueva generación de análogos de suelo transparentes que miden el estado biológico y químico de los suelos. Esto permitirá, por primera vez, caracterizar el transporte en la superficie de las partículas del suelo y dilucidar el papel de los contactos raíz-partícula-partícula, la exudación y la transformación microbiana en la biodisponibilidad del nitrato y el amonio.
El legado de la investigación será el conocimiento, los conceptos, los sistemas modelo de suelo y los enfoques de imagen para comprender y predecir la biodisponibilidad de nutrientes en el suelo, con énfasis en la nitrificación como modelo del movimiento del nitrógeno en el suelo. Se patentarán suelos transparentes y tecnologías de imagen, lo que podría allanar el camino para sensores químicos 3D y tener aplicaciones en el mejoramiento de cultivos y el fenotipado de precisión. La comprensión de los movimientos de nutrientes en el suelo conducirá a un progreso sustancial en el desarrollo de fertilizantes más eficientes. Los nuevos sistemas modelo de suelo podrían utilizarse para comprender mejor la propagación de enfermedades transmitidas por el suelo, la biorremediación de suelos contaminados y los mecanismos subyacentes a la biodiversidad y la actividad del suelo.
Cuatro áreas principales del proyecto han impulsado significativamente el campo y trascendido el ámbito estatal.
En primer lugar, el desarrollo de tecnologías de estructura de núcleo-capa para crear partículas de suelo sensibles o "suelos sensibles". Estas tendrán una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, en la investigación científica, el cultivo y el desarrollo de fertilizantes. Esto ha requerido avances significativos en la ciencia de los polímeros, y las técnicas podrían utilizarse en otras áreas de la ciencia y la tecnología.
Nuestro trabajo está contribuyendo significativamente al campo de la microscopía de suelos. Hemos desarrollado una serie de enfoques que permiten la observación en vivo de los microbios del suelo. Fabricamos nuevos sistemas fluídicos para el control de las condiciones del suelo bajo microscopio.
El trabajo de modelado computacional para la simulación del desarrollo radicular en el suelo es sumamente prometedor. Prevemos que será posible realizar simulaciones de raíces completas con resoluciones celulares y, al mismo tiempo, modelar el suelo a nivel de partícula. El modelo y los algoritmos se están implementando en DualSPHysics, una herramienta de simulación comunitaria de código abierto.
El trabajo centrado en la comprensión de los factores que afectan la actividad microbiana en la rizosfera está, y apenas está comenzando a, beneficiarse del desarrollo tecnológico del proyecto. En particular, esperamos poder cuantificar con precisión el coeficiente de movilidad de los microbios del suelo que rodean las raíces de las plantas y predecir qué contribuye al mantenimiento de ciertos microbios en la rizosfera.
- NEIKER-INSTITUTO VASCO DE INVESTIGACION Y DESARROLLO AGRARIO SA (NEIKER)
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