Hay una granja en Arkansas que cultiva soja, maíz, y arroz que aspira a ser la granja científicamente más avanzada del mundo. Las muestras de suelo se procesan a través de potentes máquinas para secuenciar genéticamente sus microbios, los drones vuelan por encima y toman imágenes hiperespectrales de los cultivos, y pronto las supercomputadoras procesarán los enormes volúmenes de datos recopilados.

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), trabajando con la Universidad de Arkansas y Glennoe Farms, espero que este proyecto, que reúne la biología molecular, biogeoquímica, tecnologías de detección ambiental, y aprendizaje automático, revolucionará la agricultura y creará prácticas agrícolas sostenibles que beneficien tanto al medio ambiente como a las granjas. Si tiene 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, mientras que al mismo tiempo aumenta el rendimiento de los 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 la productividad del suelo, ", dijo el científico Ben Brown." Al comprender cómo funcionan los microbios y modificar los entornos en los que funcionan, eventualmente podemos diseñar comunidades microbianas para mejorar la productividad del suelo. Y lo que es más, La investigación de Berkeley Lab muestra que los suelos saludables son más resistentes a los impactos del sistema como el cambio climático, sequía, e 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 conocimientos especializados para centrarse en un 1, Granja de 000 acres cerca de Stuttgart, Arkansas, como banco de pruebas. El proyecto está codirigido por Haruko Wainwright, un experto en metodologías de estimación y monitoreo ambiental en el Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab, y Ben Brown, experto en aprendizaje automático y análisis microbiano en el Área de Biociencias.

Suelo:el ecosistema más complejo del planeta

Las Naciones Unidas pronostican que la población mundial aumentará a 9.800 millones en 2050; alimentar a tanta gente requerirá aumentar la producción de alimentos en más del 70 por ciento. Sin embargo, las prácticas agrícolas industrializadas han agotado la mayor parte de las tierras agrícolas del país de carbono activo y un ecosistema microbiano equilibrado. Esto se refleja en las 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 modificadas genéticamente, fertilizante, herbicidas químicos, y pesticidas para hacer una cosecha rentable, "dijo Jay McEntire, gerente de Glennoe Farms. "Para el agricultor, esta dependencia eleva sus costos de insumos y aumenta su riesgo económico. Para el terrateniente, los suelos agotados y los regímenes químicos representan riesgos tanto para la sostenibilidad económica como ambiental".

Sobre la base de las iniciativas ENIGMA y Microbes to Biomes de Berkeley Lab, los científicos del proyecto buscan desarrollar y evaluar enmiendas microbianas, que se pueden considerar como "probióticos para el suelo, "para reemplazar el carbono, fosforoso, y otros nutrientes que se han perdido. El 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, ya que cada año se requieren más y más aditivos de fertilizantes químicos y a granel a base de sal.

Y lo que es más, el suministro mundial de fósforo es limitado.

Pero Berkeley Lab está buscando una solución microbiana. "La buena noticia es, hay muchísimos microbios que tienen enzimas llamadas fitasas que son capaces de resolubilizar fósforo inorgánico, "que son esencialmente las" sobras "en el suelo después de que las plantas absorben lo que necesitan del fósforo de roca, según Brown.

Si bien el concepto de enmiendas microbianas no es nuevo, de hecho, Hay productos comerciales en el mercado:falta una comprensión predictiva de cómo el microbioma del suelo interactúa con el crecimiento de las plantas y cómo lo afecta.

"Hay millones de especies de microbios por centímetro cúbico de suelo, ", Dijo Brown." Al acercarse a la raíz de la planta y sus tejidos interiores, pasas de millones a decenas. Entonces, las plantas hacen un trabajo excepcional al cultivar sus microbiomas. Liberan materiales, incluidos los compuestos antimicrobianos, para matar selectivamente microbios indeseables, y liberan alimentos para incentivar a los microbios beneficiosos. Es una interacción muy simbiótica y enormemente compleja, y no entendemos casi nada al respecto ".

Puente de 18 órdenes de magnitud

El desafío será descubrir las relaciones de causa y efecto entre las enmiendas microbianas y el crecimiento de las plantas. "Intenta conectar eventos en escalas de tiempo relevantes para las moléculas con eventos que ocurren en el transcurso de una temporada de crecimiento de seis meses, ", dijo Brown." Estás tratando de unir algo así como 18 órdenes de magnitud a través de escalas espacio-temporales. Eso no es nada 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 al 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 puede medir el contenido de carbono y nitrógeno, y puedes contar mucho sobre la salud de las plantas, enfermedad de las plantas, o química de las hojas, todo lo cual afecta el rendimiento de los cultivos ".

Además, Se utilizan técnicas geofísicas de superficie para mapear las propiedades eléctricas del suelo en 3-D, 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 en equipo que fue pionero en Berkeley Lab se está utilizando para integrar toda la información en el contexto del aprendizaje automático, ", dijo Wainwright." Nuestro objetivo final es proporcionar inteligencia procesable a la comunidad agrícola ".

Actualmente los agricultores no tienen tal información, a pesar de que han surgido servicios y productos que brindan 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 utilizar junto con otros conjuntos de datos, ", Dijo Wainwright." Ahí es donde el sector público, como Berkeley Lab, puede intervenir. No nos incentivan las ganancias ".

El desafío científico es formidable pero no insuperable. "Creemos que es un problema manejable, y esperamos demostrarlo en el próximo año, "Dijo Brown.