Agronomic role of arbuscolar mycorrhizal fungi in agro-ecosystems managed with organic wastes and low quality water

In the conventional or intensive agriculture systems, to support the ever-increasing demand for agricultural products, the widespread use of mineral fertilizers and agro-chemicals (fungicides and insecticides), has led to the loss of soil fertility and soil biodiversity with a negative impact on the sustainability of the agro-ecosystem. In this context, a viable alternative to conventional or intensive agriculture systems, can be considered the low-input and/or organic ones, based on the use of organic fertilizer and/or amendment, and on the promotion of the role played by native soil microorganism or by bio-fertilizers introduced ones, to maintain the crop productivity. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are an important group of soil microorganism that establish a symbiotic relationship with about 80-90% of plants. AMF play an essential role to support a sustainable environment, improving the nutrient availability (particularly P) to the plant, enhancing tolerance and/or resistance to abiotic and biotic stress, thus maintaining the crop productivity. Their beneficial effects can be inhibited or reduced by conventional or intensive agriculture practices. However, these negative effects can be mitigated by the use of organic wastes as fertilizer/amendment produced by agro-industrial activities (olive mill wastewater) and biogas process (digestate). Digestate ((liquid (DLF) and solid fraction (DSF)) is a by-product of anaerobic digestion process for biogas production, characterized by a different physical-chemical composition mainly due to degraded feedstock. Generally, DLF is characterized by a high NH4-H:TN ratio, lower organic matter contents and N:P ratio shifted to nitrogen (N), while opposite characteristics are found in DSF. The physical-chemical characteristics of digestate determine its agronomic value, which can be spreaded (DLF) or applied (DSF) directly in soil as organic fertilizer/amendment. Although several studies reported a digestate positive effect on soil microbial communities, to our knowledge the effect of DLF and DSF distribution on AMF inoculated plants has not yet been investigated. In Mediterranean basin, from olive oil process, large amounts of olive mill wastewater (OMW) are produced in a short-period of time (2-4 months during year). Also the OMWs, in relation to their physical-chemical composition, can be used in agriculture as fertilizer/amendment in soil, especially providing organic matter and potassium (K). Nevertheless, OMW has antimicrobial and phytotoxic effects due to the high contents of phenolic compounds. So far, the OMW spreading effect on AMF symbiosis is poorly investigated. However, some authors reported a negative OMW effect on AMF symbiosis with a decrease of root colonization. In semi-arid and arid Mediterranean regions with limited freshwater resources, especially during spring-summer period, the use of poor quality water for irrigation is becoming a viable alternative to maintain crop yield and agriculture sustainability. Although this wastewaters contain dissolved salts which can negatively affect the soil microbial communities and crop production, it is widely demonstrated that AMF symbiosis improves nutrient and water uptake under saline conditions, even if the physiological and biochemical mechanisms involved are still unclear. Considering the above mentioned, the aim of this Ph. D. research was to study and evaluation, in two different Italian bioclimatic contexts (Sicily and Veneto), AMF inoculation effects on biomass production on energy crops fertilized with digestate (liquid and solid fraction) and forage crops fertilized with olive mill wastewater or irrigated with poor quality water. The research activities conducted in Veneto has been focused on the agronomic role of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation, considering also the environmental impacts in terms of soil CO2 emissions and nitrogen leaching, on: i) energy crop biomass production using DLF as fertilizer; ii) triticale biomass production under different fertilization rates (mineral fertilizer, DLF, DSF and not fertilizer) using seed-coated fungicides. The most relevant findings are the following: - on energy crops: AMF inoculation did not increase the biomass production, except in Jerusalem artichoke managed with double biomass cutting. In the un-inoculated plots, a root colonization by indigenous mycorrhizal community was found. AMF inoculation contributed to NH4-N leaching reduction but increased NO3-N leaching and soil CO2 emission. Among the studied species, giant reed was the most productive energy crop in terms of biomass production, followed by miscanthus, sorghum, maize, Jerusalem artichoke, and lolium; however it showed a lower nitrogen use efficiency and higher cumulative soil CO2-C emissions. Miscanthus and sorghum showed the best N and P use efficiency, with a moderate NO3-N leaching and lower cumulative soil CO2-C emissions. - In triticale: AMF root colonization was inhibited by the presence of seed-coated fungicide. Nevertheless, in DSF treatment, the highest AMF colonization observed was probably due to the low available P form and the high organic matter content which probably contributed to mitigate fungicide negative effect. Mineral fertilization determined the highest triticale dry biomass production compared to organic fertilizer (DLF and DSF) even if the environmental (e.g. higher CO2(eq) emission) and economical (e.g. fertilizer costs) aspects should be considered. The researches conducted in Sicily have been focused on AMF inoculation effects on: i) a three years legume-based succession producing forage (Triticum durum Desf.-Medicago scutellata L. intercropping), broad bean (Vicia faba L. minor) and chickpea (Cicer arietinum L.) grain, using different OMW volumes as the only fertilization source; ii) a yearly evaluation of millet genotypes for forage production using irrigation water at two salinity levels and two water restitution regimes. The most relevant findings are the following: - on crop succession: in the first year, AMF inoculation increased the durum wheat biomass yield, but not affected the medicago scutellata biomass production. AMF root colonization was not influenced by OMW volumes, with a significant higher N and P uptake observed in inoculated durum wheat; while, no statistical effect of AMF was found on N and P uptake in scutellata. In the second year, AMF inoculation did not affect broad bean grain yield and determined a higher P uptake in broad bean grain. Moreover, AMF inoculation promoted root nodule number and weight in broad bean in absence of OMW volumes. Considering the two years, OMW spreading promoted the fabaceae productions with a higher biomass in scutellata and grain yield in broad bean, whereas it did not show any effect on durum wheat biomass production. OMW spreading reduced the weed presence in the first year and broad bean nodulation in the second one. - On millet: salt stress conditions negatively influenced AMF inoculum effects on forage production, without any difference between the two studied genotypes (Unikum and Kinelskoje). In absence of salinity treatment, AMF inoculation increased the forage production only in Unikum. Under water stress (25% ETm restitution) AMF inoculation promoted the forage production, whereas no significant AMF effect was observed in well-watered condition. Unikum proved to be the best millet genotype in experimental field conditions with more than double forage production compared to Kinelskoje.

Nei sistemi agricoli convenzionali o intesivi, il diffuso impiego di fertilizzanti minerali e agro-farmaci (fungicidi e insetticidi), a supporto della crescente domanda di prodotti agricoli, ha spesso compromesso la sostenibilità dell’agro-ecosistema, principalmente a causa di una minore fertilità e biodiversità del suolo agrario. In questo contesto, una valida alternativa può essere offerta dall’adozione di sistemi agricoli a basso-input e/o biologici, basati sull’impiego di fertilizzanti e/o ammendanti organici e sulla valorizzazione del ruolo svolto dai microrganismi indigeni del suolo e/o introdotti tramite biofertilizzanti, nel mantenimento della produttività delle colture. I funghi micorrizici arbuscolari (AMF) sono un importante gruppo di microrganismi della rizosfera che instaurano una relazione simbiotica con circa 80-90% delle piante. Questi funghi svolgono un ruolo importante a supporto della sostenibilità ambientale, incrementando la disponibilità di nutrienti per la pianta ((in particolare fosforo (P)), migliorando la tolleranza e/o resistenza agli stress abiotici e biotici, mantenendo così la produttività delle colture agrarie. I benefici effetti correlati ai funghi micorrizici possono essere inibiti e/o ridotti dalle pratiche agricole convenzionali/intensive quali cospicue fertilizzazioni chimiche, impiego di agro-farmaci (es. fungicidi) e lavorazioni del terreno. Tuttavia questi effetti negativi possono essere mitigati dall’impiego come fertilizzanti/ammendanti di matrici organiche derivanti dai prodotti di scarto dell’agro-industria (acque di vegetazione) e produzione di biogas (digestato). Il digestato ((frazione liquida (FLD) e solida (FSD)) è un sottoprodotto derivante dagli impianti di digestione anerobica di matrici organiche per la produzione di biogas, caratterizzato da una composizione chimico-fisica variabile in relazione alla “dieta” impiegata per alimentare i digestori. In generale, la componente liquida del digestato è caratterizzata da un elevato rapporto NH4:TN, e un basso contenuto di sostanza organica, con un rapporto N:P a favore dell’azoto (N), mentre, caratteristiche opposte sono riscontrabili nel digestato solido. La composizione chimico-fisica del digestato determina il suo valore agronomico, potendo essere direttamente sversato (FLD) o distribuito (FSD) al suolo come fertilizzante/ammendante organico. Sebbene numerosi studi riportano un effetto positivo del digestato sulle comunità dei microrganismi del suolo, sulla base delle nostre conoscenze non sono stati effettuati studi sull’effetto della distribuzione di FLD e FSD su piante inoculate con AMF. Nel bacino del Mediterraneo, dalla molitura delle olive residuano come sottoprodotti di scarto, elevati volumi di acque di vegetazione (AV), prodotte nel breve periodo della stagione molitoria (2-4 mesi l’anno). Anche le AV, in relazione alla loro composizione chimico-fisica possono essere smaltite sversandole nei terreni agricoli con funzione di fertilizzante/ammendante del suolo, in particolare per apportare sostanza organica e potassio (K). Nonostante ciò, se non ben gestite agronomicamente, le AV hanno effetti fitotossici e antimicrobici legati al loro elevato contenuto in composti fenolici. Fin ad ora l’effetto delle AV sulla simbiosi micorrizica è stata poco studiato. Tuttavia, alcuni autori riportano un effetto negativo delle AV sulla simbiosi micorrizica, con una riduzione della colonizzazione delle radici. Nelle regioni semi-aride e aride del Mediterraneo soggette a limitata disponibilità idrica, in particolare nella stagione primaverile-estiva, l’uso di acqua di scarsa qualità ai fini irrigui sta diventando una valida alternativa per il mantenimento delle rese e lo sviluppo agricolo. Sebbene l’elevato contenuto di sali disciolti in queste acque può influenzare negativamente le comunità microbiche del suolo e la resa delle colture, è stato ampiamente dimostrato che la simbiosi micorrizica può mitigare tali effetti negativi migliorando, in condizioni di salinità, l’assorbimento di nutrienti ed acqua delle colture, nonostante i meccanismi fisiologici e biochimici coinvolti, non sono ancora chiari. In considerazione di quanto riportato, lo scopo di questo Dottorato di ricerca è stato quello di studiare e valutare in due differenti contesti bioclimatici (Veneto e Sicilia), l’effetto dell’inoculazione dei funghi micorrizici arbuscolari sulla produzione di colture erbacee da biomassa, fertilizzate con digestato (frazione liquida e/o solida), e da foraggio fertilizzate con acque di vegetazione, o irrigate con acqua di scarsa qualità. Le attività di ricerca condotte in Veneto sono state finalizzate alla valutazione del ruolo agronomico degli AMF, considerando anche l’impatto ambientale in termini di emissioni di CO2 e lisciviazioni di azoto dal suolo, in relazione a: i) produzione di colture erbacee da biomassa fertilizzate con FLD; ii) resa in biomassa di triticale conciato con fungicida, confrontando differenti tipi di fertilizzazione (minerale, FLD, FSD ed assenza di fertilizzazione). I risultati ottenuti mostrano quanto segue: - su colture da biomassa: l’inoculazione con AMF non ha incrementato la resa, eccetto in topinambur gestito con doppio taglio; nel trattamento non inoculato è stata riscontrata una colonizzazione delle radici da parte di funghi micorrizici indigeni presenti nel suolo. L’inoculazione con AMF ha contribuito a ridurre le perdite per lisciviazione di NH4-N, ma di contro ha incrementato la lisciviazione di NO3-N e le emissioni di CO2 dal suolo. Tra le specie studiate, l’arundo è stata quella più produttiva in termini di biomassa, seguita da miscanthus, sorgo, mais, topinambur e lolium, tuttavia con una minore efficienza d’uso dei nutrienti e maggiori emissioni di CO2-C cumulate. Il miscanthus e sorgo hanno mostrato altresì il migliore utilizzo di N e P, con moderate perdite per lisciviazione di NO3-N e basse emissioni di CO2-C cumulate. - In triticale: l’effetto dell’inoculazione di AMF è stato inibito dal fungicida presente nei semi conciati. Tuttavia, la maggiore percentuale di colonizzazione delle radici è stata rilevata in presenza del trattamento con FDS, probabilmente a causa del contenuto di sostanza organica, che ha mitigato l’effetto del fungicida, e per la presenza di P in forma poco disponibile per la pianta. La fertilizzazione minerale ha determinato la maggiore produzione di biomassa delle piante di triticale rispetto alla fertilizzazione organica (FDL e FDS), anche se è necessario considerare gli aspetti ambientali (elevate emissioni di CO2(eq)) ed economici (costo dei fertilizzanti) connessi a tale trattamento. Le attività di ricerca condotte in Sicilia sono state focalizzate sull’effetto degli AMF su: i) successione triennale per la produzione di foraggio (consociazione Triticum durum Desf. - Medicago scutellata L.) e granella di favino (Vicia faba L. minor) e cece (Cicer arietinum L.), utilizzando differenti volumi di AV come unica fonte di fertilizzazione; ii) due genotipi di miglio per la produzione di foraggio, irrigati con acqua a due livelli di salinità e due regimi di restituzione idrica. I risultati ottenuti mostrano quanto segue: - nella successione colturale: nel primo anno, l’inoculazione con AMF ha incrementato la resa di frumento, ma non quella di medicago scutellata. I volumi di AV non hanno influenzato la colonizzazione delle radici da parte dei funghi micorrizici inoculati, determinando solo in frumento, un maggiore assorbimento di N e P. Nel secondo anno, gli AMF non hanno influenzato la resa in granella del favino, determinando però un significativo maggiore assorbimento di P nella granella. Inoltre, gli AMF, in assenza di AV, hanno promosso l’azotofissazione attraverso un maggiore numero e peso di noduli radicali della leguminosa. Considerando i due anni sperimentali, le AV hanno incrementato la produzione di biomassa in scutellata e la resa in favino, ma non hanno influenzato la produzione di biomassa in frumento. Le AV hanno ridotto la presenza di infestanti al primo anno e il numero di noduli radicali in favino al secondo anno. - In miglio: l’effetto dell’inoculazione di AMF sulla produzione di foraggio è stato negativamente influenzato dall’irrigazione con acqua salina, indipendentemente dai due genotipi studiati (Unikum e Kinelskoje); mentre in assenza di stress salino, gli AMF hanno incrementato la produzione di foraggio solo in Unikum. In condizioni di stress idrico (restituzione al 25% dell’ETm), gli AMF hanno promosso la produzione di foraggio, mentre nessun effetto è stato osservato in condizioni ottimali di irrigazione. Unikum è stato il genotipo maggiormente produttivo nelle condizioni sperimentali siciliane, con una produzione di foraggio più che doppia rispetto al Kinelskoje.