Biofertilizers as a sustainable strategy of phosphorus efficiency in agricultural soils

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pacheco, Inês Cardoso
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/37809
Resumo: Tese de mestrado, Ecologia e Gestão Ambiental, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018
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spelling Biofertilizers as a sustainable strategy of phosphorus efficiency in agricultural soilsConsórcios rizosféricosBactérias solubilizadoras de fósforoFungos micorrízicos arbuscularesFósforo no soloCooperaçãoTeses de mestrado - 2018Departamento de Biologia AnimalTese de mestrado, Ecologia e Gestão Ambiental, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018O fósforo (P) é um macronutriente essencial para todos os organismos vivos, encontrando-se presente no solo em concentrações que variam entre 400 – 1200 mg kg-1. É um recurso essencial para a produção de alimentos, contudo a sua disponibilidade é limitada uma vez que as plantas só conseguem absorver P na forma solúvel a qual representa apenas 20% do P presente no solo. A maioria dos solos agrícolas contém grandes reservas de P, uma parte considerável dos quais se acumulou como consequência de aplicações regulares de fertilizantes fosfatados, provenientes da rocha fosforite. A fosforite é uma fonte de P não renovável, e o seu uso intensivo na agricultura tem levado à depleção deste recurso natural. Consequentemente, a União Europeia (UE) tem desafiado a comunidade científica para encontrar soluções para este problema, e tem feito recomendações aos produtores agrícolas para reduzir a adubação em cerca de 33 %. Os microrganismos desempenham um papel fundamental no ciclo biogeoquímico do P. Entre a grande diversidade de microrganismos do solo, os fungos micorrízicos arbusculares (AMF) e as bactérias solubilizadoras de fósforo (PSB) estão diretamente envolvidos na aquisição de P pela planta. Muitos estudos apontam para os efeitos benéficos e cooperativos da inoculação de AMF e/ou PSB no crescimento de determinadas plantas, assim como para a aquisição de P. No entanto, a maioria dos seus efeitos benéficos é observada em experiências conduzidas tanto in vitro como em solo estéril. Um teste mais realista do seu potencial seria avaliar se a adição de inóculos compostos por AMF e/ou PSB a um solo agrícola iria proporcionar um benefício no crescimento da planta. Tais testes são importantes porque permitem avaliar o efeito de AMF e PSB num solo com uma comunidade microbiana pré-existente e em condições reais de produção agrícola. Estes microorganismos, se demonstrados os seus efeitos benéficos em solo agrícula, poderiam ser estudados com mais detalhe com vista a serem usados como biofertilizante. Um biofertilizante é definido como “uma substância que contém microrganismos vivos que, quando aplicados a sementes, superfícies de plantas ou solo, colonizam a rizosfera ou o interior da planta e promovem o crescimento aumentando a oferta ou a disponibilidade de nutrientes primários para a planta hospedeira”. A cultura de cereais é uma das principais causas dos impactos antropogénicos no ciclo biogeoquímico do P, pela demanda contínua de fertilizantes fosfatados e pela remoção sucessiva de P dos campos, associada à recolha dos produtos agrícolas. Há, portanto, necessidade de melhorar a eficiência do uso do P nos sistemas agrícolas, a fim de salvaguardar as reservas deste e a nossa segurança alimentar. Isto poderia ser alcançado aumentando a absorção de P do solo pela planta (eficiência de aquisição de P; PAE) e/ou aumentando a produtividade por unidade de P na parte aérea da planta (eficiência de utilização interna de P; PUE). O principal objetivo deste estudo foi testar uma estratégia de gestão alternativa às práticas atuais de fertilização agrícola, com base na aplicação de biofertilizantes que operam em várias etapas do ciclo do P, a fim de reduzir a aplicação de fertilizantes fosfatados e aumentar a eficiência de P pela planta. A nossa hipótese defende que a aplicação de biofertilizantes adequados pode promover a eficiência das plantas, aumentando a produtividade e a qualidade dos alimentos, e reduzindo a aplicação de grandes quantidades de fertilizantes fosfatados. Especificamente as seguintes questões foram abordadas para avaliar a estratégia de gestão agrícola proposta: a) Será que inoculantes microbianos aumentam a eficiência do P em plantas de milho num sistema agrícola? b) Será que os inoculantes microbianos promovem a produtividade do milho e aqualidade do grão? c) Será que inoculantes microbianos promovem o crescimento das plantas e a eficiência do uso do P pela planta sob um regime de fertilização reduzida (redução de 33% de P)? E esse efeito depende da riqueza específica e identidade das espécies microbianas? Para responder a estas questões, dois sistemas experimentais foram estabelecidos. Num sistema agrícola intensivo de milho, três inoculantes microbianos foram testados (AMF - Rhizoglomus irregulare -, PSB - Pseudomonas sp. - e AMF+PSB). Foi mostrado que: i) PSB e AMF+PSB aumentaram a produtividade das plantas, especificamente a forragem verde; ii) PSB aumentou PAE, através do aumento do conteúdo de P na planta; iii) AMF+PSB aumentou PUE; iv) todos os inoculantes afetaram a alocação de P na planta, resultando numa menor concentração de P no grão. Embora o inoculante PSB não seja o mais eficiente na promoção da produção de biomassa vegetal, é de facto o mais eficiente no aumento do teor de P na planta e, portanto do valor nutricional da forragem verde do milho, aumentando o teor de P na palha (folhas e colmo) e reduzindo a concentração de P no grão, o que poderia ser extremamente útil em sistemas de produção onde a disponibilidade de P é realmente baixa. Tendo em consideração o panorama Europeu, onde os solos contêm mais P do que o recomendado, mesmo que indisponível para as plantas, os resultados obtidos com o consórcio AMF+ PSB são mais relevantes. AMF+PSB foi o inoculante mais eficiente em promover o crescimento das plantas por unidade de P no tecido vegetal. Esta pode ser uma característica importante no aumento do valor nutricional do grão de milho. Este inoculante poderá, no futuro, ser testado como uma forma de reduzir os insumos de P, idealmente em 33%, como recomendado pela UE, para verificar se a produtividade é mantida. Portanto, este consórcio AMF+PSB poderá ser um dos principais contribuintes na produção de recursos alimentares de alto valor, com aumento zero na degradação da terra, reduzindo os impactos ambientais negativos. Este inóculo foi sugerido para ser testado num ensaio de vaso como forma a reduzir a aplicação de P no solo. Num ensaio de vaso onde a fertilização de P foi reduzida (33% menos que a dose recomendada de fertilizante), testámos distintos consórcios microbianos (uma espécie de AMF - Rhizoglomus irregulare - combinada com diferentes espécies de PSB - Pseudomonas sp. 1, Pseudomonas sp. 2, Pseudomonas sp. 3 -) no desempenho da planta e eficiência de P. Esperava-se que um consórcio microbiano com mais espécies fosse mais eficiente em promover o crescimento de plantas e a eficiência de uso de P, obtendo respostas da planta similares àquelas obtidas com 100% de fertilização de P. Foi demonstrado que: i) consórcios com a mesma riqueza específica, que incluem uma espécie de AMF combinada com uma única espécie de PSB (1, 2 ou 3), apresentaram plantas com crescimento e características fisiológicas e nutricionais (P) semelhantes, porém estas diferenças não são significativas quando comparadas com plantas dos controlos não inoculados; ii) o aumento da riqueza específica em consórcios pela combinação de AMF com duas espécies de PSB mostrou efeitos inconsistentes no desempenho da planta, dependendo do consórcio. O consórcio AMF+PSB(1+3) aumentou o crescimento das plantas e a nutrição em P, enquanto o AMF+PSB (1+2) não promoveu essas características quando comparado às plantas controlo. iii) as plantas tratadas com o consórcio com mais espécies, resultado da combinação de AMF e três espécies de bactérias (AMF+PSB(1+2+3)) apresentaram o melhor desempenho, revelando morfologia, nutrição em P e eficiência da aquisição do P semelhante às plantas de um controlo não inoculado com 100% de fertilização de P. Portanto, a maior eficiência do uso do P para solos agrícolas foi alcançada com consórcio com mais espécies. Este estudo mostrou que um consórcio microbiano contendo AMF+PSB pode melhorar o desempenho da planta e a eficiência do uso do P em solos agrícolas. Os nossos resultados indicam também que, dependendo da combinação de bactérias, existe um potencial para cooperação entre AMFe PSB para promover a aquisição de P, porém cada consórcio afetou a eficiência do uso do P de maneiras distintas. Os nossos resultados chamam a atenção para a necessidade de ter em consideração as relações entre os componentes do consórcio e entre estas e o hospedeiro no efeito do biofertilizante na cultura, o que pode explicar as inconsistências reportadas para o efeito do biofertilizante. A política agrícola comum (PAC) na UE poderá promover o uso de biofertilizantes como uma ferramenta para corrigir a contribuição da agricultura para o desequilíbrio do ciclo biogeoquimico do P. Deste modo os países da UE poderiam tornar-se menos dependentes da disponibilidade de reservas de fosforite, bem como caminhar para uma intensificação sustentável da agricultura. O uso de microrganismos rizosféricos como AMF e PSB em consórcios multifuncionais polimicrobianos pode ser o despertar para uma intensificação agrícola mais sustentável baseada numa estratégia sustentável do uso do P em solos agrícolas.Phosphorus (P) is one of the major limiting factors for crop growth. Even though P is a non-renewable resource and its reserves are drastically decreasing, it is continuously applied in the form of mineral fertilizers in intensive agricultural systems, to increase crop production. The consequences of both its overuse and depletion have led to inestimable environmental damages and has brought insecurity to economies. Microorganisms play a key role in the biogeochemical cycle of P. Among the great diversity of soil microorganisms, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and phosphorus solubilizing bacteria (PSB) are directly involved in plant P acquisition. Many studies point to the beneficial effects of AMF and / or PSB inoculation on the growth of certain plants, as well as on P. If the beneficial effects of these microorganisms are proven in agricultural soil, they could be further studied with the aim of developing a viable biofertilizer. Biofertilizer is defined as “a substance which contains living microorganisms which, when applied to seed, plant surfaces, or soil, colonizes the rhizosphere or the interior of the plant and promotes growth by increasing the supply or availability of primary nutrients to the host plant”. Grain crops are one of the key drivers of the current global P cycle through its continued demand for P fertilizer, and the successive removal of P from fields in the harvested grain. Therefore, there is a need to improve P efficiency in agricultural systems in order to safeguard P and food security. This could be accomplished by increasing P uptake from soil (P-acquisition efficiency; PAE) and/or by enhancing productivity per unit of P in the shoot of the plant (internal P utilization efficiency; PUE). The main goal of this study was to test an alternative management strategy to the current agricultural fertilization practices, based on the application of biofertilizers that operate at various stages of the P cycle in order to reduce P fertilizer application and increase plant P use efficiency. It has been hypothesized that application of suitable biofertilizers promote plant P use efficiency, increasing plant productivity and food quality, and reducing the input of large amounts of P fertilizers. To achieve this, two experimental systems were established. In an intensive maize agricultural field, three different microbial inoculants were tested: Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF - Rhizoglomus irregulare -), Phosphate solubilizing bacteria (PSB - Pseudomonas sp. 1, Pseudomonas sp. 2, Pseudomonas sp. 3 -) and AMF+PSB. It was shown that: i) PSB and AMF+PSB enhanced plant productivity, specifically green forage; ii) PSB increased PAE, by increasing P content; iii) AMF+PSB increased PUE; iv) all inoculants affected P allocation within the plant, resulting in lower P concentration in the grain. When looking at the European panorama, where soils contain more P than recommended, even if unavailable to plants, the results obtained with the consortium inoculum (AMF+PSB) are more relevant. This inoculum was further tested on a pot experiment as a way to reduce P inputs. In a reduced P fertilization pot assay (33 % less than the recommended fertilizer dose), we tested distinct microbial consortia (one AMF species combined with different species of PSB) on plant performance and P use efficiency. It was expected that a more diverse bacterial consortium would be more efficient at promoting plant growth and P use efficiency, attaining plant responses similar to those obtained with 100 % P fertilization. It was shown that: i) consortia with similar species richness, that includes one AMF species combined with one single species of PSB (1, 2 or 3), showed similar plant growth, physiological and P nutrition characteristics among them, however not significantly different from the uninoculated controls; ii) Increasing species richness in consortia by combining AMF with twospecies of PSB showed inconsistent effects in plant performance depending on the consortium. One of the consortia (AMF+PSB(1+3)) increased plant growth and P nutrition, while the other (AMF+PSB(1+2)) did not promote these traits when compared to the control plants. iii) plants treated with the most diverse consortium, resulted of combining AMF and three species of bacteria (AMF+PSB(1+2+3)) had the best performance, revealing growth morphology, P nutrition, P acquisition efficiency similar to an uninoculated control with 100 % P fertilization. Therefore, the highest P efficiency for agricultural soils was achieved with the most diverse consortium. This study showed that a microbial consortium containing AMF+PSB can improve plant performance and P use efficiency in agricultural soils. Our results also indicate that, depending on the bacterial combination, there is a potential for cooperation between AMF and PSB to promote P acquisition, but each consortium affected the P use efficiency in different ways. Our results point out the need to take into account the relationships between the components of the consortium and between the host crop and the biofertilizer, which may explain the inconsistencies reported for the biofertilizer effect. Overall, the use of rhizospheric microorganisms such as AMF and PSB in polymicrobial multifunctional consortia may be the wake-up call for a more sustainable agricultural intensification based on a sustainable P-use strategy in agricultural soils.Cruz, Cristina, 1964-Correia, Patrícia Maria Ferreira, 1970-Repositório da Universidade de LisboaPacheco, Inês Cardoso2021-10-26T00:30:12Z201820182018-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/37809TID:202191257enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:35:10Zoai:repositorio.ul.pt:10451/37809Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:51:47.625776Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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