Para uma criança, o solo é apenas sujeira - um lar para minhocas. Para um jardineiro, o solo é uma coleção de matéria orgânica e nutrientes. Mas para as plantas, o solo é um foco de atividade química. E as plantas não apenas observam, eles participam ativamente desta atividade.

As plantas liberam produtos químicos no solo, chamados exsudatos, que dizem aos micróbios para ligar ou desligar certos processos químicos. Os cientistas estão começando a entender esses sinais e esperam explorá-los para melhorar a eficiência, sustentabilidade e impacto ambiental da indústria agrícola de trilhões de dólares.

Os três principais nutrientes que as plantas precisam para crescer são o carbono, nitrogênio e fósforo. As necessidades de carbono de uma planta vêm do ar na forma de dióxido de carbono, mas as necessidades de nitrogênio e fósforo vêm do solo, e muitas vezes o nitrogênio é o elemento em menor suprimento naturalmente - e assim, para aumentar seus rendimentos, os agricultores adicionam nitrogênio ao solo.

O fertilizante de nitrogênio artificial é um componente essencial de um sistema agrícola que alimenta mais de 7 bilhões de pessoas, mas vem com um enorme custo ambiental. Conforme a população cresce, e conforme os hábitos alimentares mudam para dietas mais baseadas em carne, a poluição por nitrogênio parece destinada a se tornar um problema ainda maior.

Combate à poluição por nitrogênio

"A extensão em que nos intrometemos no ciclo do nitrogênio globalmente é surpreendente, "diz o professor Herbert Kronzucker, chefe da Escola de Biociências da Universidade de Melbourne.

"210 milhões de toneladas de nitrogênio por ano são retiradas da atmosfera e transformadas em uma forma sólida de nitrogênio por meio das atividades humanas. E a maior parte disso acaba como fertilizante no solo agrícola.

"Mas menos da metade disso pode realmente ser capturado pelas plantas. O resto é perdido na atmosfera como gás nitrogênio ou óxido nitroso do gás de efeito estufa, ou lixiviados em cursos de água, onde é um grande poluente.

"Nos E.U.A, mais da metade de todos os lagos são gravemente afetados por muito nitrogênio ou fósforo. "

Mas e se, em vez de adicionar mais e mais nitrogênio ao solo, ajudamos as plantas a usar melhor o nitrogênio que já existe?

Professor Kronzucker e seus colegas da Universidade de Toronto, A Universidade Laval e a Academia Chinesa de Ciências estão procurando plantações que se comunicam com o solo de forma a reduzir suas necessidades de nitrogênio.

"Ficamos interessados ​​na relação entre os produtos químicos das plantas e o impacto que eles têm sobre os micróbios do solo, "diz o professor Kronzucker.

Intromissão humana

O nitrogênio assume muitas formas químicas. As formas mais úteis para o crescimento das plantas são nitrato (NO3-) e amônia (NH3). Os processos químicos no solo transformam o nitrogênio entre essas e outras formas.

Um exemplo é um processo chamado nitrificação, que transforma amônia em nitrato. O nitrato é problemático no solo porque, enquanto as plantas adoram, não dura como a amônia. Ele tende a se dissolver na água e é removido do solo pela chuva e pelas águas subterrâneas. Também, micróbios do solo transformam nitrato em gás nitrogênio, o que é inútil para as plantas.

Todos esses processos são reversíveis, e, eventualmente, o gás nitrogênio é devolvido ao solo por meio de outro processo microbiano denominado fixação de nitrogênio, mas este processo é muito lento para sistemas agrícolas industriais. Os agricultores precisam continuar adicionando mais e mais nitrogênio, e geralmente isso está na forma de fertilizantes de nitrogênio artificiais.

Esses fertilizantes são produzidos usando um processo industrial de uso intensivo de energia que "fixa" o gás nitrogênio, transformando-o em amônia. Este processo, chamado de processo Haber-Bosch, foi um fator importante na Revolução Verde que começou na década de 1960 e agora fornece alimentos para mais de 7 bilhões de pessoas.

Nos últimos anos, a atividade humana mais do que dobrou a quantidade de nitrogênio que entra no solo terrestre. E metade desse nitrogênio adicional é desperdiçado. Mas o professor Kronzucker diz que não precisa ser assim.

As plantas que crescem em áreas com disponibilidade baixa ou intermitente de nitrogênio produzem exsudatos que podem bloquear ou aumentar as transformações de nitrogênio do solo para melhorar a absorção de nitrogênio quando a disponibilidade de nitrogênio no solo é baixa.

O potencial de exsudatos vegetais

O professor Kronzucker começou a estudar como os exsudados das plantas interagem com a química do nitrogênio do solo nas árvores florestais do Canadá. Mas, desde então, ele se interessou mais pela forma como essa interação funciona com as principais plantações do mundo.

No ano passado, seu grupo publicou sua pesquisa sobre exsudados vegetais de arroz.

“O arroz alimenta três bilhões de pessoas, mas não havia sido investigado por seus exsudatos vegetais, "diz o professor Kronzucker.

Eles descobriram que todas as variedades de arroz testadas tinham exsudatos que poderiam afetar o nitrogênio do solo.

"Esta é uma mudança de paradigma. Para onde quer que olhemos, encontramos algo, "diz o professor Kronzucker.

A equipe então começou a revisar todos os estudos existentes sobre exsudados de plantas em arroz, trigo e milho. Eles estavam particularmente interessados ​​em produtos químicos que inibem especificamente a nitrificação, o processo que transforma a amônia em nitrato.

Este trabalho está publicado em Plantas Naturais .

Eles descobriram que muito pouco se sabe sobre esses inibidores biológicos de nitrificação (BNIs) em exsudatos de raízes de trigo e milho, as duas maiores safras globais depois do arroz. Na verdade, nada se sabe sobre os BNIs no milho.

De sua experiência com arroz, O professor Kronzucker acha que esses exsudatos serão encontrados no trigo e no milho, só precisamos procurá-los.

À medida que ganhamos uma melhor compreensão de como as plantas se comunicam com o solo, essas descobertas podem levar a novas técnicas agrícolas, aditivos artificiais para solo, ou modificação genética para produzir linhagens de cultivo que podem limitar a perda de nitrogênio. Contudo, O professor Kronzucker diz que há "enorme potencial" em simplesmente selecionar cultivares de arroz existentes, trigo e milho para "superestrelas do nitrogênio".

"Se você fizer bem o trabalho de triagem com os tipos de genótipos existentes, você não tem que olhar para a modificação genética, " ele diz.

Uma nova revolução verde

O professor Kronzucker não está surpreso que exsudados de raízes de arroz, trigo e milho são tão mal compreendidos. Em países desenvolvidos, o fertilizante de nitrogênio é relativamente barato e há poucos incentivos para os agricultores despenderem tempo ou esforço para reduzir o uso de fertilizantes. Portanto, tem havido pouco incentivo, ou financiamento, para a pesquisa ajudar nisso. O professor Kronzucker acha que isso vai mudar.

"Agora temos limites de carbono - temos maneiras de reduzir as emissões de carbono. Precisamos de maneiras semelhantes para reduzir as emissões de nitrogênio. Boas práticas devem ser recompensadas, e as más práticas devem ser penalizadas. "

Ele espera que isso leve a uma nova revolução verde.

"Desde o início da revolução verde na década de 1960, vimos um sucesso fenomenal na produção. Mas, como os fertilizantes estavam tão prontamente disponíveis, a maioria das cultivares foi desenvolvida em sistemas com alto teor de nitrogênio e alto fósforo, não sob limitação de nutrientes.

“Agora há uma mudança para cultivares que são eficientes em nutrientes. Em algumas partes do planeta os agricultores fazem isso por necessidade, eles não têm escolha. Na África, é típico trabalhar em condições de nutrientes limitados. "

O professor Kronzucker diz que lugares como a África são onde as "superestrelas do nitrogênio" serão encontradas.

"Nestes lugares existem muitos tesouros que os agricultores selecionaram."