Biofertilizzanti

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Nell’ultimo decennio si è sentito molto parlare di biofertilizzanti e del loro utilizzo in agricoltura per favorire la fertilità del suolo. In questo articolo scopriremo cosa sono e perché rappresentano un’importante risorsa rinnovabile, nonché un’alternativa ai fertilizzanti di sintesi. Un approfondimento sui plant growth promoting bacteria (o PGPB), biofertilizzanti capaci di promuovere la crescita delle piante, ne esaminerà i vari meccanismi di azione.

Cosa sono i biofertilizzanti?

I biofertilizzanti sono preparazioni contenenti microrganismi vivi (batteri, funghi, alghe), in grado di favorire l’incremento della fertilità del suolo.

Il primo utilizzo dei biofertilizzanti risale curiosamente al 300 a.C., quando i nostri antenati si resero conto dell’importanza delle colture di leguminose, che vivono in simbiosi con i batteri azotofissatori, e impararono a sfruttarle, coltivando a rotazione l’erba medica per arricchire di azoto il terreno e renderlo naturalmente più fertile.

Il suolo di per sé contiene già diversi microrganismi benefici, ma le cattive pratiche agronomiche ne stanno gradualmente diminuendo la fertilità e ne stanno causando l’erosione, la perdita di nutrienti, l’accumulo di elementi tossici e il ristagno idrico^[6]. Di conseguenza, i biofertilizzanti stanno diventando sempre più popolari in molti Paesi e per molte colture, al fine di ripristinare e aumentare l’attività microbica nel suolo.

I biofertilizzanti possono essere applicati al seme, alla superficie delle piante o direttamente al suolo. I microrganismi che li compongono colonizzano abilmente la rizosfera, ossia quella porzione di suolo che circonda le radici di una pianta, e ne favoriscono la crescita.

Tra i processi naturali più importanti che hanno luogo nel suolo grazie all’attività biologica di questi microrganismi vi sono:

la fissazione dell’azoto;
la solubilizzazione del fosforo;
il rilascio di sostanze che regolano la crescita della pianta;
la produzione di antibiotici;
la biodegradazione della materia organica^[1].

Le modalità di azione dei biofertilizzanti sono diverse a seconda del microrganismo e della coltura trattata, perciò possono essere utilizzati soli o in combinazione tra loro. Per una facile applicazione, i biofertilizzanti sono confezionati in supporti idonei come lignite o torba, per garantire una buona conservazione del prodotto^[6].

Perché usare i biofertilizzanti?

L’agricoltura convenzionale ha portato ad una crescente dipendenza delle colture e del suolo dai fertilizzanti sintetici, la cui produzione però non è sostenibile. Un esempio eclatante è quello del fosforo, per il quale si stima che il momento di massima produzione verrà raggiunto intorno al 2030 (picco del fosforo); allo stesso modo, le altre risorse sulla Terra commercialmente convenienti si esauriranno in 50-100 anni^[4].

Per quanto tempo ancora avremo forniture di fosforo a basso costo per i fertilizzanti? L’agricoltura dipende da questo elemento e a meno che non si considerino soluzioni che permettano il recupero e il riciclo del fosforo, la sua mancanza causerà un calo della produzione alimentare globale. D’altra parte, l’eccessivo sfruttamento e l’uso improprio dei fertilizzanti di sintesi causa inquinamento dell’aria e soprattutto delle falde acquifere per eutrofizzazione dei corpi idrici (eccessivo sviluppo di alghe e batteri per l’accumulo eccessivo di elementi nutritivi come azoto e fosforo, con conseguente aumento del consumo di ossigeno e morte dei pesci)^[2]. In questo contesto è dunque facile comprendere perché è importante preferire i biofertilizzanti.

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I biofertilizzanti rientrano nella strategia di gestione integrata della fertilità del suolo (ISFM, Integrated Soil Fertility Management), che comprende: la gestione dei nutrienti basata sulla conservazione delle risorse naturali; la fissazione biologica dell’azoto; una maggiore efficienza degli input utilizzati. Il primo vantaggio dell’ISFM (e quindi anche dell’utilizzo dei biofertilizzanti) è rappresentato dal miglioramento della fertilità del suolo nel lungo periodo proprio attraverso l’impiego di vari microrganismi utili. Questi, infatti, una volta inoculati, possono moltiplicarsi e così mantenere il suolo naturalmente fertile e sano. La pratica agricola della concimazione diventa così sostenibile, rinnovabile e conveniente^[2].

Grazie ai biofertilizzanti è possibile osservare un aumento della resa rispetto a quella ottenuta con i fertilizzanti di sintesi dal 5 al 40% su diverse colture, come mais, sorgo, pomodoro, cavolfiore^[6].

Un esempio di biofertilizzanti: i PGPB

Per plant growth-promoting bacteria (PGPB) si intende i batteri presenti nel suolo che promuovono la crescita delle piante e che possono essere utilizzati come efficaci biofertilizzanti. I PGPB possono essere liberi e formare una specifica relazione simbiotica con le piante, essere endofiti e colonizzare alcune porzioni di tessuto vegetale o ancora essere cianobatteri.

I PGPB sono capaci di influenzare la crescita delle piante in modo diretto o indiretto. I meccanismi diretti riguardano l’acquisizione di risorse o la modificazione dei livelli ormonali vegetali. I meccanismi indiretti, invece, comprendono la promozione di una maggior resistenza della pianta agli attacchi degli agenti patogeni e l’attivazione di una forma di difesa denominata resistenza sistemica indotta (ISR)^[5].

Meccanismi di azione diretta dei PGPB

Tra i meccanismi di azione diretta dei PGPB, ossia di quelli che facilitano l’acquisizione delle risorse, vi sono:

la fissazione dell’azoto;
la solubilizzazione del fosforo;
il sequestro del ferro.

Fissazione dell’azoto

L’azoto è uno dei nutrienti più importanti ed essenziali per la crescita e la produttività delle colture. Il 78% dell’azoto è presente nell’atmosfera ma in una forma non disponibile per le piante (azoto molecolare, N₂); per poter essere utilizzato dalle piante, l’azoto atmosferico deve quindi essere convertito in ammoniaca (NH₃) attraverso il processo di fissazione biologica dell’azoto (Biological Nitrogen Fixation, BNF), operato da microrganismi che utilizzano un complesso enzimatico noto come nitrogenasi. Tali microrganismi che fissano l’azoto sono classificati come simbiotici e non simbiotici.

L’esempio più noto di simbiosi è quello tra le piante leguminose e il batterio Rhizobium leguminosarum, che è capace di fissare dai 50 ai 100 kg/ha di azoto attraverso la formazione di tipici noduli sull’intera superficie dell’apparato radicale. Tali noduli radicali fungeranno da vere e proprie fabbriche di produzione dell’ammoniaca^[2].

I batteri non simbionti appartengono per lo più ai generi Azotobacter e Azospirillum, tra gli altri. I batteri del genere Azotobacter sono batteri liberi che crescono bene in un terreno povero di azoto; se infatti il suolo abbonda di ammoniaca o di nitrati l’attività azotofissatrice cessa perché troppo dispendiosa dal punto di vista energetico. I batteri del genere Azospirillum, appartenenti alla famiglia delle Rhodospirillaceae, sono utilizzati come biofertilizzanti per le colture di mais, riso e grano e portano ad un aumento della resa del 20-25%^[3].

Solubilizzazione del fosforo

Nonostante il fosforo sia un elemento abbondante nel terreno, la maggior parte di questo è insolubile, quindi non disponibile per l’assorbimento radicale. Inoltre, gran parte del fosforo inorganico solubile utilizzato nei fertilizzanti sintetici viene immobilizzato, convertendosi facilmente nella forma non disponibile per la pianta, subito dopo essere stato applicato al campo. Essendo quindi per la pianta molto complicato acquisire il fosforo autonomamente, i microrganismi che sono in grado di solubilizzare questo macronutriente sono considerati dei promettenti biofertilizzanti.

Tali microrganismi possono convertire il fosforo inorganico (forma non direttamente disponibile per la pianta) in forme solubili (HPO₄^2- e H₂PO₄^–). La solubilizzazione del fosforo inorganico avviene per azione di acidi organici a basso peso molecolare (come gli acidi gluconico e citrico, sintetizzati da diversi batteri del suolo) o per azione di gruppi idrossilici e carbossilici che possono legare (chelare) i cationi del fosforo provocandone la conversione.

Generi di batteri capaci di solubilizzare il fosforo sono ad esempio Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Burkolderia, Achromobacter, Agrobacterium, Micrococcus, Acetobacter, Flavobacterium e Erwinia^[6].

Sequestro di ferro

Il ferro è uno dei nutrienti vitali per quasi tutte le forme di vita. Nell’ambiente aerobico, il ferro esiste prevalentemente come ione ferrico (Fe³⁺) e può facilmente formare un composto altamente insolubile, l’idrossido di ferro, che risulta non disponibile per le piante. Alcuni batteri possono rilasciare nel suolo degli agenti chelanti del ferro a basso peso molecolare noti come siderofori; le piante assimilano il ferro proprio dai siderofori batterici mediante diversi meccanismi di importazione.

Meccanismi di azione indiretta dei PGPB

La maggior parte dei PGPB è utilizzata per combattere le malattie delle piante, avvalendosi proprio dei loro meccanismi di azione indiretta.

I PGPB sono capaci di controllare i patogeni della pianta attraverso azioni di antagonismo microbico diretto, come la competizione per i nutrienti con i patogeni, la produzione di antibiotici e la produzione di metaboliti antifungini.

Oltre all’antagonismo diretto, alcune interazioni batteri-pianta possono indurre meccanismi tramite i quali la pianta può difendersi meglio dai batteri, funghi e virus patogeni: questo fenomeno è noto come resistenza sistemica indotta (ISR). I PGPB sono capaci di innescare una reazione nelle radici della pianta e di creare così un segnale che si diffonde in tutto l’organismo vegetale; questo segnale si traduce infine nell’attivazione di meccanismi di difesa che possono essere a loro volta attivi o passivi. I batteri possono attivare l’ISR attraverso diversi componenti cellulari, come i lipopolisaccaridi di membrana, i flagelli o attraverso i siderofori.

Un buon esempio di applicazione dei PGPB per le loro azioni indirette è quello del Trichoderma (un fungo, non un batterio), impiegato comunemente come agente di biocontrollo per le malattie fungine. Trichoderma può infatti difendere le piante attraverso diversi meccanismi di azione, come ad esempio il parassitismo, la produzione di antibiotici, la competizione e l’induzione di resistenza nella pianta^[5].

Conclusioni

Sebbene i biofertilizzanti, negli ultimi decenni, vengano ampiamente utilizzati in agricoltura in tutto il mondo, le informazioni sulle modalità di colonizzazione dei microrganismi e sul loro effetto sull’ecosistema sono ancora scarsamente conosciute. Infatti, l’efficacia di un biofertilizzante nel suolo è condizionata dalla presenza della microflora indigena, già presente nella rizosfera che viene trattata. L’inoculazione di PGPB può portare a cambiamenti nella struttura della microflora già presente e questo è un fattore importante da considerare per garantire la sicurezza dell’introduzione di nuovi batteri nell’ambiente. Altri importanti fattori che devono essere considerati per garantire l’efficacia di un trattamento biofertilizzante riguardano l’effetto non-target (ossia l’effetto su ospiti diversi da quelli desiderati) e l’effetto sulla struttura fisica e chimica del suolo (tessitura, capacità di ritenzione idrica, porosità, erosione).

È per questo motivo che un ottimo biofertilizzante deve possedere alcune caratteristiche di base, come il rispetto per l’ambiente (non deve essere tossico, ne inquinante e deve essere biodegradabile), il rilascio rapido e controllato dei batteri nel terreno, l’applicabilità con macchine seminatrici standard e la possibilità di stoccaggio a lungo termine (i biofertilizzanti dovrebbero avere una durata di conservazione sufficiente ad essere metabolicamente vitali in numero elevato in condizioni difficili).

In ogni caso, i biofertilizzanti sono un’importante risorsa, capace insieme ad altre pratiche agricole sostenibili di far fronte al problema di sfamare una popolazione globale in aumento in un momento in cui l’agricoltura si trova ad affrontare vari stress ambientali. È importante educare le persone e gli agricoltori ai vantaggi a lungo termine dell’utilizzo di biofertilizzanti^[3]. È vero che il biofertilizzante può essere considerato più costoso e il suo effetto più lento rispetto ai fertilizzanti di sintesi, ma attraverso l’uso di biofertilizzanti è possibile coltivare piante sane, migliorando al contempo la sostenibilità e la salute del suolo. È auspicabile che l’uso dei biofertilizzanti riduca sempre più quello dei fertilizzanti sintetici e dei pesticidi, sebbene ad oggi non siamo ancora in grado di sostituirne l’uso^[1].

Referenze

Mohammadi, K., & Sohrabi, Y. (2012). Bacterial biofertilizers for sustainable crop production: a review. ARPN Journal of Agricoltural and Biological Science, 7(5), 307-316;
Mishra, D., et al. (2013). Role of bio-fertilizer in organic agriculture: a review. Research Journal of Recent Sciences ISSN, 2277, 2502;
Bhardwaj, D., et al. (2014). Biofertilizers function as key player in sustainable agriculture by improving soil fertility, plant tolerance and crop productivity. Microbial cell factories, 13(1), 1-10;
Elser, J., & Bennett, E. (2011). A broken biogeochemical cycle. Nature, 478(7367), 29-31;
Lugtenberg, B., & Kamilova, F. (2009). Plant-growth-promoting rhizobacteria. Annual review of microbiology, 63, 541-556;
Bhattacharjee, R., & Dey, U. (2014). Biofertilizer, a way towards organic agriculture: A review. African Journal of Microbiology Research, 8(24), 2332-2343.

Immagine in evidenza di Dino Michelini, Wikimedia Commons.