At grave dybt:Udnytte jordmikrobernes kraft til et mere bæredygtigt landbrug

Der er en gård i Arkansas, der dyrker sojabønner, majs, og ris, der sigter mod at være den mest videnskabeligt avancerede gård i verden. Jordprøver køres gennem kraftfulde maskiner for at få deres mikrober genetisk sekventeret, droner flyver overhead og tager hyperspektrale billeder af afgrøderne, og snart vil supercomputere knuse de enorme mængder data, der er indsamlet.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), arbejder med University of Arkansas og Glennoe Farms, håber dette projekt, som samler molekylærbiologi, biogeokemi, miljøfølende teknologier, og maskinlæring, vil revolutionere landbruget og skabe bæredygtige landbrugspraksis, der gavner både miljøet og landbrugene. Hvis det lykkes, de forestiller sig at kunne reducere behovet for kemisk gødning og forbedre jordens kulstofoptagelse, forbedrer dermed jordens levedygtighed på lang sigt, samtidig med at udbyttet øges.

Et centralt stykke af forskningen er at forstå mikrobernes rolle i jordens sundhed.

"Mikrober er en kritisk komponent i jordens sundhed og produktivitet, "sagde videnskabsmanden Ben Brown." Ved at forstå, hvordan mikrober fungerer og ændre de miljøer, hvor de fungerer, vi kan til sidst konstruere mikrobielle samfund for at forbedre jordens produktivitet. Hvad mere er, Berkeley Labs forskning viser, at sunde jordarter er mere modstandsdygtige over for systemstød såsom klimaforandringer, tørke, og insekter. "

En central udfordring for at fremme disse mål er anerkendelsen af ​​den betydelige rumlige variation i jordens egenskaber inden for et enkelt felt og mellem marker. "AR1K Smart Farm" -projektet har samlet en række ekspertise for at fokusere på en 1, 000 hektar stor gård nær Stuttgart, Arkansas, som en test seng. Projektet ledes af Haruko Wainwright, en ekspert i miljøovervågning og estimeringsmetoder i Berkeley Labs jord- og miljøvidenskabelige område, og Ben Brown, en ekspert i maskinlæring og mikrobiel analyse inden for biovidenskabeligt område.

Jord:det mest komplekse økosystem på planeten

Verdens befolkning forventes af FN at vokse til 9,8 milliarder i 2050; fodring med, at mange mennesker vil kræve at øge fødevareproduktionen med mere end 70 procent. Alligevel har industrialiseret landbrugspraksis udtømt et flertal af landets landbrugsjord af aktivt kul og et afbalanceret mikrobielt økosystem. Dette afspejles i målinger af organisk stof, der i gennemsnit kun er 1 til 2 procent i de fleste landbrugsjord, sammenlignet med historiske niveauer på omkring 10 procent.

"Vores landmænd er afhængige af en tung recept på genetisk modificerede frø, gødning, kemiske herbicider, og pesticider for at gøre en rentabel afgrøde, "sagde Jay McEntire, bestyrer af Glennoe Farms. "For landmanden øger denne afhængighed deres inputomkostninger og øger deres økonomiske risiko. For grundejer udtømmer jord og kemiske regimer risici for både økonomisk og miljømæssig bæredygtighed."

Bygger på Berkeley Labs ENIGMA og Microbes to Biomes -initiativer, projektforskerne søger at udvikle og evaluere mikrobielle ændringer, som kan betragtes som "probiotika til jord, "at udskifte kulstoffet, fosfor, og andre næringsstoffer, der er gået tabt. Gentagen brug af bulkgødning og kemikalier gennem årene har tømt jorden og forårsaget andre miljøskader, skabe en ond cirkel, der gør den nuværende model for industrielt landbrug potentielt uholdbar - og stadig dyrere, efterhånden som der kræves flere og flere kemiske og bulkbaserede gødningsadditiver hvert år.

Hvad mere er, verdens tilførsel af fosfor er begrænset.

Men Berkeley Lab forfølger en mikrobiel løsning. "Den gode nyhed er, der er masser af mikrober, der har enzymer kaldet fytaser, der er i stand til at resolubilisere uorganisk fosfor, "hvilket i det væsentlige er" resterne "i jorden, efter at planter har optaget det, de har brug for, fra fosforet, ifølge Brown.

Selvom begrebet mikrobielle ændringer ikke er nyt - ja, kommercielle produkter er på markedet - der mangler en forudsigelig forståelse af, hvordan jordmikrobiomet interagerer med og påvirker plantevækst.

"Der er millioner af arter af mikrober pr. Kubikcentimeter jord, "Sagde Brown." Når du nærmer dig plantens rod og dens indre væv, du går fra millioner til snesevis. Så planter gør et fremragende arbejde med at dyrke deres mikrobiomer. De frigiver materialer, herunder antimikrobielle forbindelser, til selektivt at dræbe uønskede mikrober, og de frigiver mad for at stimulere gavnlige mikrober. Det er en yderst symbiotisk og enormt kompleks interaktion, og vi forstår næsten ingenting om det. "

Bygger 18 størrelsesordener

Udfordringen vil være at finde ud af årsag og virkning-forholdet mellem de mikrobielle ændringer og plantevækst. "Du forsøger at forbinde begivenheder i tidsskalaer, der er relevante for molekyler, til begivenheder, der sker i løbet af en seks måneders vækstsæson, "sagde Brown." Du forsøger at bygge bro som noget som 18 størrelsesordener på tværs af spatiotemporale skalaer. Det er seriøst utriveligt. "

Det er her, dronerne kommer ind.

Hyperspektrale sensorer på dronerne vil kunne registrere lysrefleksion fra planterne og se hundredvis af kanaler af spektre, fra det synlige til nær infrarøde. "Det menneskelige øje har kun tre kanaler - rødt, grøn, og blå, "sagde Wainwright." Du kan se, om et blad ser gult eller grønt ud. Men med hundredvis af kanaler kan du måle kulstof- og nitrogenindhold, og du kan fortælle meget om plantesundhed, plantesygdom, eller bladkemi, som alle påvirker afgrødeudbyttet. "

Ud over, overfladegeofysiske teknikker bruges til at kortlægge jordens elektriske egenskaber i 3D, som i høj grad styrer jordens mikrobielle aktiviteter.

Machine learning er værktøjet, der vil binde alle data sammen. "Den teamvidenskabelige tilgang, der var banebrydende på Berkeley Lab, bliver taget i brug til at integrere alle oplysninger inden for maskinlæringskonteksten, "sagde Wainwright." Vores ultimative mål er at give landbrugssamfundet brugbar intelligens. "

Landmænd har i øjeblikket ingen sådanne oplysninger, selvom tjenester og produkter er opstået med forskellige "big data" -løsninger. "Alle de private virksomheder har et stort incitament til at låse deres egne datasæt, så de kan ikke bruges sammen med andre datasæt, "Sagde Wainwright." Det er her den offentlige sektor, ligesom Berkeley Lab, kan træde til. Vi tilskyndes ikke til profit. "

Den videnskabelige udfordring er formidabel, men ikke uoverstigelig. "Vi synes, det er et problem, der kan behandles, og vi håber at bevise det i løbet af det næste år, "Sagde Brown.