Há uma fazenda em Arkansas cultivando soja, milho, e arroz que almeja ser a fazenda cientificamente mais avançada do mundo. Amostras de solo são executadas em máquinas poderosas para que seus micróbios sejam sequenciados geneticamente, drones estão voando acima, tirando imagens hiperespectrais das plantações, e em breve os supercomputadores estarão processando os enormes volumes de dados coletados.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), trabalhando com a University of Arkansas e Glennoe Farms, espero que este projeto, que reúne biologia molecular, biogeoquímica, tecnologias de detecção ambiental, e aprendizado de máquina, irá revolucionar a agricultura e criar práticas agrícolas sustentáveis ​​que beneficiam o meio ambiente e as fazendas. Se for bem sucedido, eles imaginam ser capazes de reduzir a necessidade de fertilizantes químicos e aumentar a absorção de carbono pelo solo, melhorando assim a viabilidade a longo prazo da terra, enquanto, ao mesmo tempo, aumenta os rendimentos das colheitas.

Uma peça central da pesquisa é entender o papel dos micróbios na saúde do solo.

"Os micróbios são um componente crítico da saúde e produtividade do solo, "disse o cientista Ben Brown." Compreendendo como os micróbios funcionam e modificando os ambientes onde funcionam, podemos eventualmente criar comunidades microbianas para aumentar a produtividade do solo. O que mais, A pesquisa do Berkeley Lab mostra que solos saudáveis ​​são mais resistentes a choques no sistema, como mudanças climáticas, seca, e insetos. "

Um desafio chave para o avanço dessas metas é o reconhecimento da significativa variabilidade espacial das propriedades do solo dentro de um único campo e entre campos. O projeto "AR1K Smart Farm" reuniu uma gama de conhecimentos para se concentrar em um, Fazenda de 000 acres perto de Stuttgart, Arkansas, como uma cama de teste. O projeto é co-liderado por Haruko Wainwright, um especialista em monitoramento ambiental e metodologias de estimativa na área de Ciências da Terra e Ambientais do Berkeley Lab, e Ben Brown, especialista em aprendizado de máquina e análise microbiana na área de biociências.

Solo:o ecossistema mais complexo do planeta

A população mundial está prevista pelas Nações Unidas para crescer para 9,8 bilhões até 2050; alimentar essa quantidade de pessoas exigirá o aumento da produção de alimentos em mais de 70%. No entanto, as práticas agrícolas industrializadas esgotaram a maioria das terras agrícolas do país de carbono ativo e um ecossistema microbiano equilibrado. Isso se reflete em medições de matéria orgânica em média apenas 1 a 2 por cento na maioria das terras agrícolas, em comparação com níveis históricos de cerca de 10 por cento.

"Nossos agricultores dependem de uma receita pesada de sementes geneticamente modificadas, fertilizante, herbicidas químicos, e pesticidas para render uma safra lucrativa, "disse Jay McEntire, gerente da Glennoe Farms. “Para o agricultor, essa dependência aumenta seus custos de insumos e aumenta seu risco econômico. Para o proprietário de terras, solos esgotados e regimes químicos representam riscos para a sustentabilidade econômica e ambiental”.

Com base nas iniciativas ENIGMA e Microbes to Biomes do Berkeley Lab, os cientistas do projeto estão procurando desenvolver e avaliar alterações microbianas, que pode ser considerado como "probióticos para o solo, "para substituir o carbono, fósforo, e outros nutrientes que foram perdidos. O uso repetido de fertilizantes e produtos químicos a granel ao longo dos anos esgotou os solos e causou outros danos ambientais, criando um ciclo vicioso que torna o modelo atual de agricultura industrial potencialmente insustentável - e cada vez mais caro à medida que mais e mais aditivos químicos e fertilizantes à base de sal são necessários a cada ano.

O que mais, o suprimento mundial de fósforo é limitado.

Mas o Berkeley Lab está buscando uma solução microbiana. "A boa notícia é que existem muitos e muitos micróbios que possuem enzimas chamadas fitases, que são capazes de ressolubilizar o fósforo inorgânico, "que são essencialmente as" sobras "no solo depois que as plantas absorvem o que precisam do fósforo da rocha, de acordo com Brown.

Embora o conceito de alterações microbianas não seja novo - na verdade, produtos comerciais estão no mercado - falta uma compreensão preditiva de como o microbioma do solo interage e afeta o crescimento das plantas.

“Existem milhões de espécies de micróbios por centímetro cúbico de solo, "Disse Brown." À medida que você se aproxima da raiz da planta e de seus tecidos internos, você vai de milhões para dezenas. Portanto, as plantas fazem um trabalho excepcional no cultivo de seus microbiomas. Eles liberam materiais, incluindo compostos antimicrobianos, para matar seletivamente micróbios indesejáveis, e eles liberam alimentos para incentivar micróbios benéficos. É uma interação altamente simbiótica e extremamente complexa, e não entendemos quase nada sobre isso. "

Construindo uma ponte sobre 18 ordens de magnitude

O desafio será descobrir as relações de causa e efeito entre as alterações microbianas e o crescimento das plantas. "Você está tentando conectar eventos em escalas de tempo relevantes para moléculas a eventos que ocorrem ao longo de uma estação de cultivo de seis meses, "disse Brown." Você está tentando conectar algo como 18 ordens de magnitude em escalas espaço-temporais. Isso é realmente não trivial. "

É aí que os drones entram.

Sensores hiperespectrais nos drones serão capazes de detectar a refletância da luz das plantas e ver centenas de canais de espectros, do visível ao infravermelho próximo. "O olho humano tem apenas três canais - vermelho, verde, e azul, "disse Wainwright." Você pode ver se uma folha parece amarela ou verde. Mas, com centenas de canais, você pode medir o conteúdo de carbono e nitrogênio, e você pode dizer muito sobre a saúde das plantas, doença de planta, ou química da folha, todos os quais afetam o rendimento da colheita. "

Além disso, técnicas geofísicas de superfície são usadas para mapear as propriedades elétricas do solo em 3-D, que controla muito as atividades microbianas do solo.

O aprendizado de máquina é a ferramenta que unirá todos os dados. "A abordagem da ciência da equipe pioneira no Berkeley Lab está sendo usada para integrar todas as informações dentro do contexto de aprendizado de máquina, "disse Wainwright." Nosso objetivo final é fornecer inteligência acionável para a comunidade agrícola. "

Atualmente os agricultores não têm essas informações, embora serviços e produtos tenham surgido fornecendo várias soluções de "big data". "Todas as empresas privadas têm um grande incentivo para bloquear seus próprios conjuntos de dados, então eles não podem ser usados ​​em conjunto com outros conjuntos de dados, "Wainwright disse." É aí que o setor público, como o Berkeley Lab, pode intervir. Não somos incentivados pelo lucro. "

O desafio científico é formidável, mas não intransponível. "Achamos que é um problema tratável, e esperamos provar isso no próximo ano, "Brown disse.