Er is een boerderij in Arkansas die sojabonen verbouwt, maïs, en rijst die ernaar streeft de wetenschappelijk meest geavanceerde boerderij ter wereld te worden. Bodemmonsters worden door krachtige machines geleid om hun microben genetisch te laten sequensen, drones vliegen over het hoofd en maken hyperspectrale beelden van de gewassen, en binnenkort zullen supercomputers de enorme hoeveelheden verzamelde gegevens verwerken.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), werken met de Universiteit van Arkansas en Glennoe Farms, hoop dat dit project, die moleculaire biologie samenbrengt, biogeochemie, technologieën voor omgevingsdetectie, en machinaal leren, zal een revolutie teweegbrengen in de landbouw en duurzame landbouwpraktijken creëren die zowel het milieu als de boerderijen ten goede komen. Indien succesvol, ze stellen zich voor dat ze de behoefte aan chemische meststoffen kunnen verminderen en de opname van koolstof in de bodem kunnen verbeteren, waardoor de levensvatbaarheid van het land op lange termijn wordt verbeterd, terwijl tegelijkertijd de oogstopbrengst wordt verhoogd.

Een centraal onderdeel van het onderzoek is het begrijpen van de rol van microben in de gezondheid van de bodem.

"Microben zijn een cruciaal onderdeel van de gezondheid en productiviteit van de bodem, " zei wetenschapper Ben Brown. "Door te begrijpen hoe microben werken en de omgevingen waarin ze functioneren te wijzigen, we kunnen uiteindelijk microbiële gemeenschappen ontwikkelen om de bodemproductiviteit te verbeteren. Bovendien, Onderzoek van Berkeley Lab toont aan dat gezonde bodems beter bestand zijn tegen systeemschokken zoals klimaatverandering, droogte, en insecten."

Een belangrijke uitdaging voor het bevorderen van deze doelen is de erkenning van de aanzienlijke ruimtelijke variabiliteit van bodemeigenschappen binnen een enkel veld en tussen velden. Het "AR1K Smart Farm"-project heeft een scala aan expertise samengebracht om zich te concentreren op een 1, 000 hectare grote boerderij in de buurt van Stuttgart, Arkansas, als proefbed. Het project wordt mede geleid door Haruko Wainwright, een expert in milieumonitoring- en schattingsmethoden in Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area, en Ben Bruin, een expert in machine learning en microbiële analyse op het gebied van biowetenschappen.

Bodem:het meest complexe ecosysteem ter wereld

Volgens de Verenigde Naties zal de wereldbevolking in 2050 groeien tot 9,8 miljard; om zoveel mensen te voeden, zal de voedselproductie met meer dan 70 procent moeten worden verhoogd. Toch hebben geïndustrialiseerde landbouwpraktijken een meerderheid van de landbouwgrond van het land uitgeput van actieve koolstof en een uitgebalanceerd microbieel ecosysteem. Dit wordt weerspiegeld in metingen van organische stof die in de meeste landbouwgronden gemiddeld slechts 1 tot 2 procent zijn, vergeleken met historische niveaus van ongeveer 10 procent.

"Onze boeren zijn afhankelijk van een zwaar voorschrift van genetisch gemodificeerde zaden, kunstmest, chemische herbiciden, en pesticiden om een ​​winstgevende oogst te maken, " zei Jay McEntire, manager van Glennoe Farms. "Voor de boer verhoogt deze afhankelijkheid hun inputkosten en verhoogt het hun economische risico. Voor de landeigenaar vormen uitgeputte bodems en chemische regimes risico's voor zowel economische als ecologische duurzaamheid."

Voortbouwend op de initiatieven ENIGMA en Microbes to Biomes van Berkeley Lab, de projectwetenschappers willen microbiële amendementen ontwikkelen en evalueren, die kan worden gezien als "probiotica voor de bodem, " om de koolstof te vervangen, fosfor, en andere voedingsstoffen die verloren zijn gegaan. Herhaaldelijk gebruik van bulkmeststoffen en chemicaliën door de jaren heen hebben de bodem uitgeput en andere milieuschade veroorzaakt, het creëren van een vicieuze cirkel die het huidige model van industriële landbouw potentieel onhoudbaar maakt - en steeds duurder omdat er elk jaar meer en meer chemische en op zout gebaseerde meststoffen nodig zijn.

Bovendien, de wereldvoorraad van fosfor is beperkt.

Maar Berkeley Lab streeft naar een microbiële oplossing. "Het goede nieuws is, er zijn heel veel microben die enzymen hebben die fytasen worden genoemd en die anorganisch fosfor opnieuw kunnen oplossen, " wat in wezen de "restjes" in de grond zijn nadat planten hebben opgenomen wat ze nodig hebben uit het gesteente fosfor, volgens Bruin.

Hoewel het concept van microbiële amendementen niet nieuw is - inderdaad, commerciële producten zijn op de markt - een voorspellend begrip van hoe het bodemmicrobioom interageert met en de plantengroei beïnvloedt, ontbreekt.

"Er zijn miljoenen soorten microben per kubieke centimeter grond, Brown zei. "Als je de plantenwortel en zijn inwendige weefsels nadert, je gaat van miljoenen naar tientallen. Planten doen dus uitzonderlijk werk door hun microbioom te kweken. Ze geven materialen vrij, inclusief antimicrobiële verbindingen, om selectief ongewenste microben te doden, en ze geven voedsel vrij om nuttige microben te stimuleren. Het is een zeer symbiotische en enorm complexe interactie, en we begrijpen er bijna niets van."

Overbrugging van 18 ordes van grootte

De uitdaging zal zijn om de oorzaak-en-gevolgrelaties tussen de microbiële wijzigingen en plantengroei te achterhalen. "Je probeert gebeurtenissen op tijdschalen die relevant zijn voor moleculen te verbinden met gebeurtenissen die plaatsvinden in de loop van een groeiseizoen van zes maanden, "zei Brown. "Je probeert iets van 18 ordes van grootte te overbruggen over tijdruimtelijke schalen. Dat is serieus niet triviaal."

Dat is waar de drones binnenkomen.

Hyperspectrale sensoren op de drones zullen lichtreflectie van de planten kunnen detecteren en honderden kanalen met spectra kunnen zien, van zichtbaar tot nabij infrarood. "Het menselijk oog heeft slechts drie kanalen - rood, groente, en blauw, "zei Wainwright. "Je kunt zien of een blad er geel of groen uitziet. Maar met honderden kanalen kun je het koolstof- en stikstofgehalte meten, en je kunt veel vertellen over plantgezondheid, plantenziekte, of bladchemie, die allemaal van invloed zijn op de gewasopbrengst."

In aanvulling, geofysische oppervlaktetechnieken worden gebruikt om de elektrische eigenschappen van de bodem in 3D in kaart te brengen, die de microbiële activiteiten in de bodem sterk controleert.

Machine learning is de tool die alle gegevens met elkaar verbindt. "De teamwetenschappelijke benadering die bij Berkeley Lab is ontwikkeld, wordt gebruikt om alle informatie te integreren in de context van machine learning, "zei Wainwright. "Ons uiteindelijke doel is om bruikbare informatie te verstrekken aan de boerengemeenschap."

Momenteel beschikken boeren niet over dergelijke informatie, ook al zijn er diensten en producten ontstaan ​​die verschillende "big data"-oplossingen bieden. "Alle particuliere bedrijven hebben een grote prikkel om hun eigen datasets te vergrendelen, zodat ze niet kunnen worden gebruikt in combinatie met andere datasets, " zei Wainwright. "Dat is waar de publieke sector, zoals Berkeley Lab, kunnen ingrijpen. We worden niet gestimuleerd door winst."

De wetenschappelijke uitdaging is formidabel, maar niet onoverkomelijk. "We denken dat het een handelbaar probleem is, en we hopen het volgend jaar te bewijzen, ' zei Bruin.