Daha sürdürülebilir bir tarım için toprak mikroplarının gücünü kullanmak  

Science Daily ‘de yayınlanan makaleyi Yeşil Gazete gönüllü çevirmeni  Cem Sabuncu’nun çevirisi ile paylaşıyoruz

                                                                        ***

“Geleceğin çiftliği” projesi mikrobiyoloji ile makine öğrenimini bir araya getiriyor. Geleceğin çiftlikleri, 2050 yılında 9,8 milyona ulaşacağı tahmin edilen dünya nüfusunu nasıl doyuracak? “Akıllı Çiftlik” projesi, kimyasal gübrelere olan ihtiyacı azaltmak, toprağın karbon bağlama yetisini güçlendirmek ve böylece mahsul verimini arttırırken arazinin uzun vadede yaşama gücünü iyileştirmek için mikrobiyoloji ve makine öğrenimini bir araya getiriyor.

Arkansas’da soya fasulyesi, mısır ve pirinç tarımı yapan bir çiftlik, bilimsel anlamda dünyanın en gelişmiş çiftliği olmayı hedefliyor. Toprak örnekleri güçlü makinelerden geçirilerek mikropların genetik sekanslanması yapılıyor, ekili alanların üzerinde uçan insansız hava araçları hiperspektral görüntüler alıyor ve yakında, toplanmış muazzam büyüklükteki veriler süper bilgisayarlar tarafından işlenmeye başlanacak.

Fotoğraf: Lynn Grooms

ABD Enerji Bakanlığı’nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Laboratuvarı)’nda Arkansas Üniversitesi (University of Arkansas) ve Glennoe Çiftlikleri’yle beraber çalışan bilim insanları, moleküler biyoloji, biyojeokimya, çevresel algılama (environmental sensing) teknolojileri ve makine öğrenimi gibi alanları bir araya getiren bu projenin tarımda bir devrime yol açacağını ve hem çevrenin hem de çiftçilerin yararına olacak sürdürülebilir tarımsal uygulamalar ortaya çıkartacağını umut ediyorlar. Projenin başarılı olursa, bilim insanları kimyasal gübrelere olan gereksinimin azalacağını, toprağın karbon bağlama yetisinin güçleneceğini ve böylece, mahsul verimi artarken arazinin de uzun vadede yaşama gücünün (viability) iyileşeceğini düşünüyorlar.

Araştırmanın ana fikri mikropların toprak sağlığında oynadığı rolü anlamak.

Bilim insanı Ben Brown: “Mikroplar toprak sağlığı ve üretkenliği açısından kritik bileşenler. Mikropların nasıl çalıştıklarını ve faaliyette bulundukları çevreyi nasıl değiştirdiklerini anlayarak toprak üretkenliğini arttırmaya yönelik mikrobik topluluklar oluşturabiliriz. Dahası, Berkeley Laboratuvarı’nın yaptığı çalışma bize sağlıklı toprakların iklim değişikliği, kuraklık ve haşereler gibi sistem şoklarına karşı daha dirençli olduklarını gösteriyor.

Bu hedeflere ulaşmanın önündeki önemli bir zorluk, tek bir parsel içinde veya iki farklı arazi arasında belirgin düzeyde var olan toprak özelliklerinin mekansal değişkenmekansal değişkenliğin tanımlanması. Geniş bir yelpazeden uzmanları bir araya getiren “AR1K Smart Farm” (AR1K Akıllı Çiftlik) projesi Stuttgart, Arkansas’da yaklaşık 405 hektarlık bir araziyi test alanı olarak kullanıyor. Proje, çevresel görüntüleme ve tahmin metodolojisi uzmanı Haruko Wainwright ve Berkeley Laboratuvarı kapsamındaki Biosciences Area (Biyolojik Bilimler Alanı)’da makine öğrenimi ve mikrobik analiz uzmanı olan Ben Brown’ın eş önderliğinde yürütülüyor.

Toprak: gezegenin en karmaşık ekosistemi

Birleşmiş Milletler 2050’de dünya nüfusunun 9.8 milyara ulaşacağını tahmin ediyor. Bu kadar insanı doyurmak için gıda üretiminin yüzde 70 oranından fazla artması gerekiyor. Ancak endüstriyel tarım uygulamaları ülke genelinde çoğu tarımsal arazinin aktif karbon rezervlerini tüketti ve dengeli bir mikrobik ekosistemden yoksun bıraktı. Bu durumu en güzel şekilde ortaya koyan, topraktaki organik madde ölçümleri oldu. Günümüzde çoğu tarımsal arazide ortalama sadece yüzde 1 ila 2 arasında organik madde mevcutken geçmişte bu sayı yüzde 10 civarlarındaydı.

Glennoe Çitlikleri’nin yöneticisi Jay McEntire: “Çiftçilerimiz ürettikleriyle kar edebilmek için genetiği değiştirilmiş tohumlara, gübrelere, kimyasal herbisit (yabani ot ilacı)’lere ve pestisit (haşere ilacı)’lere ağır ölçüde bağımlılar.” dedi. “Bu bağımlılık çiftçilerin girdi maliyetlerini yükseltirken aldıkları ekonomik riski de arttırıyor. Arazi sahipleri içinse tükenmiş ve yoksullaşmış bir toprak anlamına geliyor ve düzenli kimyasal ilaç uygulamaları ekonomik ve çevresel sürdürülebilirlik açısından riskler teşkil ediyor.

Projede çalışan bilim insanları Berkeley Laboratuvarı’nın ENIGMA ve Mikroplardan Biyomlara (Microbes to Biomes) girişimlerinin bugüne kadar ki çalışmalarını, “toprak probiyotiği” gibi düşünebilecek olan, toprağın kaybettiği karbon, fosfor ve diğer besinleri geri kazandıracak mikrobik iyileştirmeler (microbial amendments) geliştirerek ve bunları değerlendirerek bir sonraki seviyeye taşıyorlar. Gübrelerin ve kimyasalların tekrarlanan kullanımı, mevcut endüstriyel tarım modelinin olanaklar dahilinde sürdürülemez olmasına ve her yıl daha fazla kimyasala ve tuz bazlı gübre katkılarına ihtiyaç duyulmasıyla beraber bu modelin gittikçe pahalılaşmasına sebep olan berbat bir döngü yaratarak yıllar içinde toprağı yoksullaştırdı ve birçok başka çevresel zarara yol açtı.

Dahası, dünyadaki fosfor rezervleri limitli.

Ancak Berkeley Laboratuvarı bu soruna mikrobik bir çözüm arayışında. Brown’a göre: “İyi haber, fitaz enzimi üreterek inorganik fosforu yeniden çözündürebilme yetisine sahip çok sayıda mikrop mevcut”. Bu inorganik fostor, bitkiler kaya bazlı fosforu kullandıktan sonra toprakta “arta kalan”lar.

Mikrobik iyileştirme kavramı yeni bir fenomen olmamasına rağmen (şu an piyasada ticari ürünler mevcut) toprak mikrobiyomunun bitki gelişimine etkisi ve bunların arasındaki etkileşim hala anlaşılmamış durumda.

Bir metreküp toprakta milyonlarca tür mikrop bulunuyor. Bitki köklerine ve onun hücrelerine yaklaştığımızdaysa tür sayısı milyonlardan düzinelere iniyor. Dolayısıyla bitkiler kendi mikrobiyomlarını yetiştirerek ortaya harika bir iş çıkartıyorlar. İstenmeyen mikropları kasten öldürmek için, antibiyotikli bileşikler dahil olmak üzere, birçok farklı madde salgılıyorlar. Yararlı mikropları besleyip teşvik etmek içinse besin maddeleri salgılıyorlar. Bu yüksek derecede simbiyotik ve muazzam karmaşık bir etkileşim ve bu konuyla ilgili neredeyse hiçbir şey bilmiyoruz.

18 basamak farkı birleştirmek

Önümüzdeki en büyük zorluk mikrobik iyileştirmelerle bitki gelişimi arasındaki neden sonuç ilişkisini anlamak olacaktır. “Moleküler zaman ölçeğinde gerçekleşen olaylarla yaklaşık 6 aylık bir bitki gelişimi süreci boyunca yaşanan olayları birbirleriyle ilişkilendirmeye çalışıyorsunuz. Mekan-zaman ölçeğinde aralarında 18 basamak fark olan sayıları birleştirmeye çalışıyorsunuz. Bu kesinlikle basit bir şey değil.” diyor Brown.

İşte bu noktada insansız hava araçları devreye giriyorlar.

 İnsansız hava araçlarının üzerlerindeki hiperspektral sensörler, bitkilerden yansıyan ışığı saptayabilme ve görünür ışıktan yakın kızılötesine kadar yüzlerce kanal spektrumu algılayabilme kapasitesine sahipler. Wainwright: “İnsan gözünün kırmızı, yeşil ve mavi olmak üzere sadece 3 tane kanalı var. Sarı veya yeşil renkte bir yaprağı görebilirsiniz. Ancak yüzlerce kanala sahipseniz yapraktaki karbon ve azot miktarını ölçebilirsiniz ve mahsul verimini yakından etkileyen bitkinin sağlığı, bitki hastalıkları veya yaprak kimyası gibi alanlarda oldukça fazla bilgiye sahip olabilirsiniz.” dedi.

Bununla beraber, yüzey jeofizik teknikleri kullanılarak toprağın elektriksel özelliklerinin 3 boyutlu haritası çıkartılıyor. Bu özellikler topraktaki mikrobik aktiviteyi tayin eder nitelikte.

Bütün verileri birbirine bağlayacak araç, makine öğrenimi olacak. Wainwright: “Berkeley Laboratuvarı’nın öncülük ettiği takım bilimi yaklaşımı, makine öğrenimi bağlamında bütün bildiklerimizi bir araya getirmek için kullanılıyor. Nihai hedefimiz tarım dünyasına sahada kullanmaya hazır bilgi sunmak.” dedi.

Piyasada “büyük veri” (ing: big data) kullanılarak çözüm üreten ürünler ve hizmetlerin mevcut olmasına ve artarak çoğalması rağmen çiftçiler, bu denli bir bilgiye sahip değiller. Wainwright: “Özel şirketlerin tamamının sahip oldukları veri setlerini gizli tutmalarının büyük bir sebebi var. Diğer veri setleriyle beraber, başkaları tarafından kullanılamasın diye. İşte bu noktada kamu sektörü devreye giriyor. Mesela Berkeley Laboratuvarı. Bizi teşvik eden faktör kesinlikle kar değil.” dedi.

Önümüzde aşılması zor, bilimsel bir problem var, ama aşılmaz değil. Brown: “Bence karşımızda çözülebilir bir problem var ve önümüzdeki sene bunu kanıtlamayı umut ediyoruz.” dedi.

Berkeley Laboratuvarı ekibi Nicola Falco, Craig Ulrich, Baptiste Dafflon, Louise Glass ve Susan Hubbard gibi isimleri de bünyesinde barındırıyor. Arkansas Üniversitesi beraber çalışan ekibin finansmanını ABD Enerji Bakanlığı kapsamındaki Laboratuvara Yönelik Araştırma Geliştirme (Laboratory Directed Research and Development) programı sağlıyor. Arazi sahibi Glennoe Çiftlikleri ve M2Capital Partners LLC şirketiyle de işbirliği yapılıyor.

 

Haberin İngilizce orijinali

Yeşil Gazete için çeviren: Cem Sabuncu

 

(Yeşil Gazete, Science Daily)