Sviluppo di Fertilizzanti Innovativi Intelligenti

Agricultural production is predicted to increase globally over the next decade, driven by both population and income growth. Food production for up to at 49% of the total share of agricultural output. Therefore, as conventional agriculture heavily depends on mineral fertilizers, the global fertilizer demand is also expected to increase. Moreover, it is estimated that up to 50% of nitrogen (N) applied as mineral fertilizer is lost in the environment by means of leaching, run off and vaporization, which may result in undesired side effects, such as eutrophication of water bodies, contamination of aquifers and greenhouse gas emissions. In this context, the use of biofertilizers (BFs) – bio-derived ingredients employed as fertilizing agents – have the potential to revolutionize fertilization practices in agriculture, by reducing the input of traditional fertilizers and their related environmental impact. Despite its recognized potential, the widespread adoption of biofertilizers remains limited. This project aimed at designing different types of BFs, by developing both microbial and non-microbial bioformulations, to reduce both N inputs and losses into the environment. Therefore, the efficacy and applicability of the designed formulations were explored for the fertilization of cereal crops and compared to traditional fertilizers. In the light of the several factors contributing to determine the success of BFs application to soil and plants, the design of bioformulations can be challenging. For these reasons, the study focused on the optimization of product design for the development of scalable tailored bio-formulations. Based on latest knowledge, product design was based on (1) the selection of microbial strains with the function of interest, (2) the selection the most appropriate carrier and mode of application to enable scalability and applicability and (3) the test of agronomic efficacy of the final bio-formulations. Non-microbial formulations were assembled based on the selection of materials with appropriate physico-chemical properties and plant-growth-promoting features. Microbial formulations were formulated via isolation of microbial strains, and further selection of the most competitive, rhizo-competent bacteria owning the plant-beneficial functional traits of interest. Results suggested that microbial formulations can improve N content of wheat crops in pot. Based on these experiments, it was possible to conclude that the contact between microbes and plant tissues can influence the BFs performance, and that rhizo-competency is amongst the most relevant features for successful BFs design. On the other hand, non-microbial formulations increased the yield maize in field conditions, by increasing N retention in soil, improving nitrogen use efficiency of the plant and reducing N losses. Thus, BFs own the potential to reduce N inputs and its related environmental impacts, paving the way to a more sustainable agriculture.

La produzione agricola è prevista in aumento a livello globale nel prossimo decennio, spinta dalla crescita della popolazione e del reddito. La produzione alimentare rappresenta fino al 49% della quota totale di output agricolo. Pertanto, poiché l'agricoltura convenzionale dipende fortemente dai fertilizzanti minerali, si prevede che anche la domanda globale di fertilizzanti aumenti. Inoltre, si stima che fino al 50% dell'azoto (N) applicato come fertilizzante minerale venga perso nell'ambiente attraverso il dilavamento, il deflusso e la vaporizzazione, il che può comportare effetti collaterali indesiderati, come l'eutrofizzazione delle acque, la contaminazione delle falde acquifere e le emissioni di gas serra. In questo contesto, l'uso di biofertilizzanti (BF) – ingredienti di origine biologica impiegati come agenti fertilizzanti – ha il potenziale per rivoluzionare le pratiche di fertilizzazione in agricoltura, riducendo l'uso di fertilizzanti tradizionali e il loro impatto ambientale. Nonostante il loro potenziale riconosciuto, l'adozione diffusa dei biofertilizzanti rimane limitata. Questo progetto mirava a progettare diversi tipi di BF, sviluppando sia bioformulazioni microbiche che non microbiche, per ridurre sia gli input di N che le perdite nell'ambiente. Pertanto, sono state esplorate l'efficacia e l'applicabilità delle formulazioni progettate per la fertilizzazione delle colture cerealicole, confrontandole con i fertilizzanti tradizionali. Alla luce dei diversi fattori che contribuiscono al successo dell'applicazione dei BF nel suolo e nelle piante, la progettazione delle bioformulazioni può essere sfidante. Per queste ragioni, lo studio si è concentrato sull'ottimizzazione del design del prodotto per lo sviluppo di bioformulazioni scalabili e su misura. Basandosi sulle ultime conoscenze, il design del prodotto si è basato su (1) selezione di ceppi microbici con la funzione d'interesse, (2) selezione del supporto più appropriato e delle modalità di applicazione per consentire scalabilità e applicabilità e (3) test dell'efficacia agronomica delle bioformulazioni finali. Le formulazioni non microbiche sono state assemblate sulla base della selezione di materiali con proprietà fisico-chimiche appropriate e caratteristiche di promozione della crescita delle piante. Le formulazioni microbiche sono state formulate attraverso l'isolamento di ceppi microbici e la successiva selezione dei batteri più competitivi e rhizo-competenti con tratti funzionali benefici per le piante. I risultati suggeriscono che le formulazioni microbiche possono migliorare il contenuto di N nelle colture di grano in vaso. Sulla base di questi esperimenti, è stato possibile concludere che il contatto tra microbici e tessuti vegetali può influenzare le prestazioni dei BF e che la rhizo-competenza è una delle caratteristiche più rilevanti per un design di successo dei BF. D'altra parte, le formulazioni non microbiche hanno aumentato la resa del mais in condizioni di campo, migliorando la ritenzione di N nel suolo, aumentando l'efficienza d'uso dell'azoto da parte della pianta e riducendo le perdite di N. Pertanto, i BF hanno il potenziale di ridurre gli input di N e i relativi impatti ambientali, aprendo la strada a un'agricoltura più sostenibile.