Innovative geomaterials for a sustainable agriculture and Agri-Food traceability

A causa dell’uso eccessivo di fertilizzanti con bassa efficienza, c’è stato un crescente interesse per lo sviluppo di nuove pratiche agricole ecosostenibili. L’uso di materiali geologici, tra cui le zeolititi, ha avuto uno sviluppo tra le tecniche in grado di fronteggiare questa sfida poiché le zeolititi sono considerate dei fertilizzanti a lento rilascio e permettono di adsorbire/desorbire lentamente i nutrienti e l’acqua, migliorando la crescita delle piante e riducendo le perdite nell’ambiente. Possono anche essere applicate come trattamento fogliare creando una pellicola su foglie e frutti e proteggendoli dai parassiti e dagli stress ambientali. Inoltre, l’applicazione di prodotti può portare a cambiamenti significativi nell’impronta geochimica delle piante. Sono quindi state studiate le composizioni geochimiche e isotopiche nell’ottica della tracciabilità alimentare per distinguere i prodotti finali grazie alle pratiche agricole e all’identificazione geografica. Il lavoro è stato organizzato in due esperimenti nel campo dell’olivicoltura e della viticoltura, nei quali sono ancora oggi utilizzati grandi quantità di fertilizzanti e pesticidi. Per migliorare la sostenibilità nell’olivicoltura, il progetto Zeoliva ha sperimentato la zeolitite come ammendante del suolo per ridurre l’input di N dai fertilizzanti. Nei tre siti sperimentali in Emilia-Romagna (Italia), sono stati confrontati l’uso delle pratiche tradizionali (100% di input di N) e l’uso della zeolitite con una riduzione dei fertilizzanti (<50% di input di N) su olivi giovani. I risultati, nonostante la riduzione dell’input di N nella tesi con zeolitite, non hanno evidenziato nessuna differenza tra i trattamenti, suggerendo che l’uso di zeolititi può effettivamente portare a un miglioramento delle pratiche agronomiche con una riduzione fino al 50% dei fertilizzanti applicati, con conseguenti benefici ambientali. Inoltre negli ultimi anni è cresciuta la necessità di un’identificazione geografica e pratiche agricole ecosostenibili. È stata quindi studiata la composizione geochimica e isotopica di suoli, foglie, olive e oli provenienti da diverse località italiane per determinare 1) l’area di provenienza e 2) gli effetti dei trattamenti fogliari. Le Principal Component Analysis e Partial Least Square Discriminant Analysis hanno permesso di discriminare molto bene sia la provenienza geografica che i trattamenti fogliari grazie agli elementi in traccia contenuti in suoli, foglie e olive. Le PCA e PLS-DA hanno anche mostrato una buona separazione geografica e dei trattamenti fogliari grazie alla firma isotopica del carbonio negli acidi grassi degli oli, rivelando che gli acidi stearico, linoleico e oleico sono stati i più discriminanti. In conclusione, sulla base delle analisi degli elementi in traccia e degli isotopi, è stato possibile 1) identificare la provenienza geografica e 2) individuare un’importante strumento per identificare i prodotti grazie ai trattamenti fogliari, consentendo agli agricoltori di sviluppare un metodo “personalizzato” per identificare in maniera univoca il loro prodotto. Nell’ambito della viticoltura è stata testata la combinazione di diverse pratiche agricole (uso della zeolitite) e delle condizioni di stress idrico per discriminare il prodotto finale. Lo stress idrico ha avuto effetti sullo stato fisiologico delle viti, sul TC e Δ13C delle foglie, mentre l’uso della zeolitite come ammendante del suolo ha influenzato la composizione geochimica dei suoli e delle foglie. Le PCA e PLS-DA dei campioni hanno confermato la separazione dei gruppi in funzione delle pratiche agricole ed hanno evidenziato l’importanza della zeolitite nella composizione geochimica. Da questi risultati si è potuto ipotizzare che l’uso della zeolitite nella viticoltura permette una discriminazione nelle foglie grazie agli elementi in traccia, con probabili effetti anche sui grappoli.

The overuse and low efficiency of fertilizers led to an increased interest in innovative and eco-friendly strategies to improve the sustainability of agriculture. The use of geologic materials, such as zeolitite, is a well-established technique to face this challenge. Thanks to their properties, zeolitites are considered soil improvers and they are applied in soil to retain and slowly release nutrients and water, improving plant growth and reducing nutrient losses in the environment. They are also sprayed as particle film on plant leaves and fruit to protect them from pests and environmental stresses. However, strategies which imply the modification of the soil properties may also induce changes in the geochemical fingerprint of the plant. Therefore, the geochemical and isotopic compositions were studied in plants and final products with a food traceability approach to identify the geochemical footprint and to identify the product according to the agricultural practices and the geographical origin. The work has been organized into two experiments focusing on olive growing and grapevine where large quantities of N fertilizer and pesticides are still used. To improve the sustainability of agriculture, the ZeOliva project experimented the use of a zeolitite as soil amendment to reduce the input of N fertilizers. In three fields in the Emilia-Romagna region (Italy), young olive trees grown on zeolite-amended soil (<50% of N-input) were compared to trees grown on unamended soil (100% N-input). Results showed no significant differences between the two treatments, although the control received twice the N-input from fertilization. Based on these results, it is proposed that the use of zeolitite in olive growing allows a reduction in the amount of fertilizer by up to 50%, with many environmental benefits. Moreover, the demand for geographical identification of agri-food products and eco-friendly agricultural practices has become of great interest. Thereby, geochemical and isotopic analyses of soil, leaf, olive and olive oil from different sites in Italy were performed aiming at identifying geochemical fingerprints to determine 1) the geographical origin and 2) the effect of different foliar treatments. Principal Component Analysis and Partial Least Square Discriminant Analysis highlighted a good distinction between the sites, and leaves and olives showed that it is possible to discriminate different foliar treatments thanks to trace elements. PCA and PLS-DA also showed a good separation from different sites thanks to the carbon signature of olive oil Fatty Acids (FAs), revealing stearic, linolenic and oleic acids as the best discriminators. Also the influence of foliar treatments gave a good separation from groups, proving that agricultural practices can influence the isotopic fingerprints of FAs. Based on trace element analyses and isotopic composition, it can be put forward that 1) the geographical origin could be discriminated and 2) different foliar treatments can be recognized, which means that farmers can develop a method to pinpoint their product through geochemical markers. The combination of agricultural practices and water stress conditions was investigated in grapevine to discriminate their effects on the final product. The use of zeolitite as soil amendment was tested on normally irrigated plants and under water stress. Water stress conditions highlighted their influence on plant physiological status and TC in leaves, as well Δ13C, with lower values in water-stressed than well-watered plants. Zeolitite showed meaningful effects on the geochemical composition of soils and leaves. PCA and PLS-DA of data confirmed the separation due to the agricultural practices and highlighted the importance of zeolitite in the geochemical composition. Based on these results, it is suggested that the use of zeolitite in grapevine allows discrimination in the trace element composition of leaf samples, which could be detected in grapes.