XXXIX ciclo Tematiche XXXIX ciclo

Tematiche XXXIX ciclo

Ottimizzazione dei rapporti pianta/suolo in sistemi di intercropping legumi-cereali

Il progetto di dottorato di Riccardo Picone è parte del progetto Horizon Europe chiamato LEGUMINOSE (https://www.leguminose.eu/) e si pone l’obiettivo di studiare le differenze occorrenti a livello del Plant-Soil Feedback in sistemi di intercropping di legumi e cereali. Le attività di ricerca programmate saranno svolte principalmente presso l’Università degli Studi di Firenze e la Leibniz Universität Hannover, con possibili collaborazioni con altre Università e centri di ricerca coinvolti nel progetto.

L’ipotesi alla base del progetto di ricerca prevede che la co-coltura dei due diversi gruppi di piante, basata sulla loro complementarità fisiologica, possa influire positivamente sulle proprietà fisicochimiche, biochimiche e microbiologiche del suolo e che, di conseguenza, questi miglioramenti possano riflettersi sulla performance colturale determinando un’intensificazione sostenibile.

Nello specifico, le variazioni delle interazioni tra suolo e pianta saranno valutate dal punto di vista della performance colturale, delle proprietà fisicochimiche e biochimiche del suolo e dell’ecologia microbica delle diverse nicchie ecologiche del sistema suolo-pianta (rizosfera, suolo bulk e radice), considerando anche gli effetti sulla diffusione e l’abbondanza dei più comuni fitopatogeni d’interesse. Pertanto, un approccio multidisciplinare sarà implementato. Verrà effettuata la valutazione agronomica della resa delle co-colture rispetto ai relativi sistemi in sole cropping, considerando l’acquisizione dei nutrienti dal suolo e la qualità dei prodotti.

Saranno quindi implementate le più importanti applicazioni del campo della chimica del suolo, con particolare interesse verso la disponibilità per le piante dei principali nutrienti (N, P, K e micronutrienti) e l’abbondanza del C organico, considerando anche la Stable Isotopic Composition, le emissioni di gas serra e la Net Ecosystem Production.

Dal punto di vista biochimico, verranno valutate la funzionalità potenziale degli enzimi coinvolti nei cicli biogeochimici degli elementi e la composizione chimica della biomassa microbica. Diversi approcci molecolari (qPCR e sequenziamento) e di fingerprinting metabolico saranno utilizzati per determinare abbondanza, struttura e funzionalità potenziale dei diversi gruppi microbici e delle comunità microbiche, rispettivamente. I primi due approcci verranno utilizzati anche per la determinazione degli effetti della co-coltura sui fitopatogeni.

I risultati del progetto di dottorato andranno a fornire, insieme a quelli dell’intero progetto LEGUMINOSE, le linee guida per la scelta delle migliori combinazioni di leguminose e cerealicole da utilizzare su larga scala per consentire un’intensificazione sostenibile della produzione agricola.

Produzione di idrogeno in sistemi bio-elettrochimici con batteri rossi non sulfurei 

Dottoranda: Chiara Capelli

L’obiettivo principale del progetto è quello di sviluppare una tecnologia innovativa per la produzione di bio-H2 in celle bio-elettrochimiche, a partire da due rifiuti industriali: siero di latte (cheese whey, CW) e acque reflue di birrificio (brewery wastewater, BW).

CW e BW verranno prima fermentati (dark fermentation) per produrre H2 e ottenere acidi grassi volatili (VFA). I VFA costituiranno il substrato per i microrganismi che cresceranno nel compartimento anodico di un reattore bio-elettrochimico.

Gli elettroni derivati dall’ossidazione anodica dei VFA verranno utilizzati per stimolare ulteriormente la produzione di H2 da parte dei batteri rossi non sulfurei (PNSB) presenti al catodo dello stesso reattore.

Approcci innovativi per la stima del fabbisogno idrico delle colture

Dottorando: Andrea Carli

"Effetti dello stress idrico sui parametri agronomici, morfologici e fisiologici di genotipi di mais con diversa tolleranza alla siccità”

Come incrementare la produzione alimentare, utilizzando le risorse in modo sostenibile, è la principale sfida che il settore agricolo si trova ad affrontare per rispondere alla crescente domanda ed ai limiti che i cambiamenti climatici stanno apportando alla disponibilità delle risorse, come ad esempio quella idrica.

Comprendere le risposte delle piante all'aumento della carenza idrica è fondamentale per la sostenibilità dell'agricoltura e per la sicurezza alimentare. Data la necessità di ridurre l'apporto irriguo, saranno confrontati diversi genotipi di mais (Zea mays L.), includendo genotipi sensibili e tolleranti allo stress idrico. In particolare, i diversi genotipi testati saranno valutati tramite lo studio di parametri agronomici, morfologici, fisiologici e della risposta allo stress idrico.

I genotipi di mais saranno sottoposti ad irrigazione deficitaria al fine di identificare quelli caratterizzati da una maggiore efficienza d’uso dell’acqua (WUE). Lo studio dell'interazione tra morfologia e fisiologia stomatica esplica un ruolo centrale nella comprensione delle risposte del mais ai cambiamenti climatici in atto e della produzione di cultivar più efficienti e resistenti al clima. Lo studio esaminerà il coordinamento dell'anatomia e della fisiologia della foglia al fine di ottimizzare gli scambi gassosi  fogliari e il trasporto dell'acqua con l'obiettivo di identificare i genotipi con maggiore risposta stomatica in grado di rispondere prontamente alle variazioni ambientali.

Saranno applicati diversi indici utilizzati in letteratura, come indici di tolleranza allo stress, di resa, morfologici e indici fisiologici al fine di individuare quelli che si correlano maggiormente con la tolleranza alla siccità. 

Sarà valutata l’efficienza di utilizzo dell’acqua sulla base della resa in granella, della biomassa totale e dei volumi irrigui. Inoltre, un obiettivo sarà quello di ricercare un nuovo indice di tolleranza allo stress idrico da applicare per il mais. Infine, sarà analizzata la granella prodotta per osservare l’effetto dell’irrigazione deficitaria sulle caratteristiche qualitative.

I risultati potranno avere implicazioni di ampio respiro per lo sviluppo di cultivar di mais più produttive e resistenti al clima, favorendo la diffusione della coltivazione del mais in aree con scarse disponibilità idriche. I risultati della sperimentazione potranno essere impiegati per l’ottimizzazione e la programmazione delle tecniche di irrigazione per la crescita in condizioni di siccità.

L'identificazione delle caratteristiche morfologiche e fisiologiche del mais che favoriscono l'alta produttività e la resilienza al clima, aiuterà a comprendere le probabili risposte a un mondo più secco e ciò faciliterà lo sviluppo di genotipi più resilienti al clima futuro.

 

Dottoranda: Giulia Pastacaldi

"Modelli di stima del coefficiente colturale basati su immagini multispettrali da drone”

Per raggiungere uno sviluppo sostenibile dal punto di vista ambientale è necessaria una gestione efficiente delle risorse idriche, soprattutto in condizioni climatiche mutevoli e con risorse idriche limitate. In agricoltura, l’acqua viene principalmente consumata sottoforma di acqua evapotraspirata (ET), tradizionalmente calcolata utilizzando il metodo proposto dalla FAO56, che si basa sul calcolo dell’evapotraspirazione di riferimento (ET0) e su un coefficiente colturale (K c ). Il monitoraggio rapido e accurato dell’ET svolge un ruolo importante nella progettazione di sistemi di irrigazione dei terreni agricoli, volti a migliorare l’efficienza d’uso dell’acqua per l’irrigazione durante tutto il ciclo colturale. Le tecnologie di telerilevamento basate sull’utilizzo di droni soddisfano queste esigenze.

Le bande multispettrali nelle regioni del visibile e dell’infrarosso vengono utilizzate per ottenere indici vegetativi, attraverso calcoli tra bande, in grado di offrire un metodo alternativo per valutare il K c e ottenerne una distribuzione spazio-temporale ad elevata risoluzione.

In questo contesto, il progetto mira, in primo luogo, a comprendere meglio la variabilità spazio-temporale a scala di campo del consumo idrico delle colture prese in esame, dovuta alle condizioni micro-pedo-climatiche e all’uso non uniforme dell’acqua. Il secondo obiettivo consiste nel prevedere e mappare il K c con approcci sia tradizionali, attraverso il metodo FAO56, il bilancio idrico del suolo e il bilancio energetico, sia innovativi, come i modelli basati sull’utilizzo di sensori su drone (ad esempio, RGB, multispettrale e infrarosso termico). Infine, il progetto mira a identificare il modello di stima del K c più promettente che meglio si adatta a diversi livelli di irrigazione, nonché a valutare la validità del K c tabulato.

Integrazione di sensori ottici e radar per il monitoraggio e caratterizzazione di sistemi colturali a fini modellistici

Dottorando: Luca De Guttry

I sistemi agro-silvo-pastorali estensivi contribuiscono a molteplici funzioni e servizi ecosistemici. Di contro, l'influenza negativa dei cambiamenti climatici e di uso del suolo, insieme alle difficoltà causate dall'abbandono delle terre, ne stanno indebolendo le fondamenta. In breve, il mio progetto di dottorato ha l'ambizione di contribuire allo sviluppo di strumenti e strategie per una gestione più resiliente e sostenibile di questi sistemi.

Per raggiungere questo obiettivo, saranno sfruttate tecniche di telerilevamento, integrando dati provenienti da diversi sensori (ottici e radar), per sviluppare relazioni in grado di stimare importanti parametri vegetazionali, come l'indice di area fogliare (LAI) o l'altezza dell'erba. Contemporaneamente, le immagini satellitari saranno utilizzate per sviluppare un algoritmo di classificazione in grado di distinguere la presenza di diverse comunità vegetali/funzionali, fornendo preziose informazioni da un punto di vista gestionale.

Una seconda linea di ricerca del progetto prevede invece l'utilizzo di un approccio modellistico per simulare la disponibilità di biomassa foraggera a scala di campo. Modelli già esistenti di simulazione della biomassa saranno integrati con input derivati da satellite, al fine di migliorare le loro prestazioni e restituire stime spazializzate (a livello di pixel) della disponibilità foraggera nei sistemi silvo-agro-pastorali estensivi. In generale, l'utilizzo di tecniche di telerilevamento dovrebbe aumentare l'applicabilità dei risultati del progetto, sia a livello spaziale che temporale.

Le aree di studio del progetto devono ancora essere definite nello specifico. Tuttavia, le possibilità includono sistemi alpini (Alpi Carniche), temperati (Appennino Tosco-Emiliano) e mediterranei (Sardegna o Nord Africa), dove progetti già avviati consentono di avere una buona base di misurazioni, che saranno poi integrate con il lavoro sul campo. Se possibile, ciò consentirà di coprire un ampio gradiente climatico, dalle condizioni alpine fino al contesto mediterraneo, e di ottenere dunque una comprensione più approfondita dei sistemi agro-silvo-pastorali in diverse condizioni di crescita.

Impatto delle microplastiche sull'ecologia ruminale

Dottoranda: Adja Lira De Medeiros

La plastica, spesso progettata per il monouso e con limitata riciclabilità, genera un enorme quantità di rifiuti, portando a un inquinamento diffuso negli ecosistemi naturali, in particolare nei mari.

L'inquinamento marino da plastica è un fenomeno antropogenico noto da decenni, con la plastica che si frammenta in microplastiche nell'ambiente acquatico, diffondendosi in tutto il mondo e rappresentando una minaccia per la fauna marina. La bassa degradabilità, insieme a una produzione e un consumo eccessivi, rende l'inquinamento da plastica una seria minaccia per l'ambiente, la salute umana, animale, l'economia e la società.

La presenza di plastica nei suoli agricoli e nell'ambiente acquatico aumenta i potenziali rischi per la salute umana attraverso l'ingestione di alimenti contaminati da microplastiche. Il progetto proposto mira a approfondire l'impatto delle microplastiche sui ruminanti, con particolare attenzione alla comunità microbica nel rumine, che influisce sulla qualità del latte e della carne. Si prevede di identificare i metaboliti rilasciati dalle microplastiche nel rumine al fine di valutare i danni o la capacità dei batteri di neutralizzarli. I risultati attesi contribuiranno a comprendere le potenziali conseguenze delle microplastiche sulla comunità microbica nel rumine e sulla sicurezza del latte e della carne destinati al consumo umano.

Impatto agronomico/ambientale e processi microbici coinvolti nelle interazioni tra derivati zootecnici e biochar

Dottoranda: Elisabetta Toni

Le attività agricole sono corresponsabili dell’emissione di tre dei più importanti gas effetto serra, tra i quali il protossido di azoto, che possiede un potenziale di riscaldamento globale 298 superiore a quello dell’anidride carbonica.

La fertilizzazione azotata, apportata al suolo attraverso l’utilizzo di derivati zootenici, contribuisce al processo di emissione per opera dei microrganismi coinvolti nel ciclo dell’azoto. Il biochar, per contro, utilizzato come ammendante nel suolo trattato con derivati zootecnici, permette una riduzione delle emissioni di protossido di azoto.

Lo scopo di questo progetto è quello di andare a studiare le interazioni tra microrganismi coinvolti nel ciclo dell’azoto e il biochar. La sperimentazione prevede l’allestimento di una prova in campo e due prove in laboratorio. Attraverso la prova in campo andremo a studiare la correlazione tra le emissioni di protossido di azoto in parcelle trattate con biochar e digestato e la comunità microbica presente.

Nella prima sperimentazione di laboratorio verranno allestiti dei mesocosmi allo scopo di indagare come biochar, con caratteristiche fisico-chimiche diverse, interagiscono con i batteri produttori di protossido di azoto.

Una volta individuato il biochar più performante nella mitigazione dell’emissione dell’N2O, verrà allestita la seconda prova sperimentale di laboratorio. Lo scopo di questa prova sarà quello di studiare il processo di trasferimento di elettroni tra batteri coinvolti nel ciclo dell’azoto e il biochar individuato nella prova precedente.

Colture microalgali per l'ottenimento di materie prime per applicazioni biosostenibili in campo industriale e alimentare

Dottorando: Lorenzo Reali

Le microalghe (inclusi i cianobatteri) sono microrganismi fotosintetici ossigenici che negli ultimi anni sono stati studiati per produrre molecole di interesse come polimeri, molecole bioattive e pigmenti. L’interesse per queste molecole è cresciuto grazie alle loro proprietà antiossidanti, antinfiammatorie, antimicrobiche e regolatrici di crescita. I polisaccaridi sono tra le molecole più studiate tra quelle prodotte dalle microalghe.

Le microalghe possono sintetizzare i polisaccaridi come glucani di riserva (amido, glicogeno e β-glucani) o come polisaccaridi extracellulari (EPS). L’ EPS si può trovare in varie forme. Per esempio, può essere incluso nella parete cellulare, escreto come struttura definita o rilasciato come mucillagine. I polisaccaridi sono stati studiati per la loro applicazione in diversi settori come l’industria nutraceutica ed alimentare, la cosmesi e la produzione di biomateriali.

In questo progetto, sarà svolto uno screening a livello di laboratorio per valutare il potenziale produttivo di differenti ceppi microalgali per differenti tipologie di polimeri selezionando i ceppi in base alla produttività in termini di biomassa, il contenuto in polisaccaride e la produttività di polisaccaride anche in condizioni di stress.

I polisaccaridi dei ceppi selezionati saranno caratterizzati per struttura molecolare e composizione monomerica. Il potenziale di produzione su larga scala sarà valutato sui ceppi selezionati in impianti pilota all’aperto o al chiuso, mirando ad ottimizzare il consumo energetico e la fissazione della CO₂ per rendere la produzione più sostenibile sia a livello ambientale che economico. Sui polisaccaridi estratti da queste colture, saranno svolti test per valutare possibili applicazioni di queste molecole in campo industriale.