Titlu prioect: Sensing, mapping, inteconecting: tools for soil functions and services valuation

Acronim: SOILSERV

Contractul de finanțare nr. 760104/23.05.2023, cod CF 245/29.11.2022

Director de proiect: Paulo PEREIRA

Durata: 36 luni

Perioada implementare: 01.07.2023 – 30.06.2026

Abstract (EN):

Soil microbiota (SB) is recognized as Earth’s biological engine that are indispensable to sustain vital ecosystem processes (SES) and for maintaining soil functions (SF) but pressures of global change, it is expected a potential alteration. SOILSERV has in concept to combine remote sensing (SENSING) and spatial modelling (MODELLING) with new approaches for soil microbiota abundance (lipidomics) and functionality assessment (metabolomics) with aim to link disparate soil functions, mediated by soil microbiome, to ecosystem services goods and components (INTERCONNECTING). The use of these tools, allows to SOILSERV a contiguous MAPPING, by ‘filling the gaps’ between in situ phenotypic structure abundance of field samples and potential ecosystem services delivering. SOILSERV will combine soil microbiota phenotypic structure abundance data covering 5 geoclimatic regions from Romania (Continental, Black Sea, Pannonian, Steppe and Alpine sites) with synoptic environmental parameter data predicted from remote sensing satellite image models (SIM). This will be enlarged with MAP (Microbial Assemblage Prediction) and PRMT (Predicted relative Metabolic Turnover) approaches, where: 1.) MAP facilitate to predict microbial community phenotypic structure and abundance as a function of SIM data by creating a Bayesian co-dependency network of used lipidomic markers to express microbial phenotypes; and 2.) PRMT, a translation tool that uses the changing relative abundance of functional lipidomic markers, and that of metabolic and co-metabolic products between samples to predict the changing capacity of the community to consume or generate metabolites. The generated outcome is a system-scale model of microbiota phenotypes and metabolism as a function of environmental properties that were estimated from remotely sensed satellite images SIM allowing thus soil microbiome functioning qualitative and quantitative assessment, and its connection with delivered soil services.

Abstract (RO):

Microbiota solului este indispensabila pentru susținerea proceselor vitale ale ecosistemului și menținerea funcțiilor solului fiind estimata o potențială alterare din cauza presiunilor schimbărilor globale. SOILSERV propune combinarea teledetecției (SENSING) și modelarii spațiale (MODELLING) cu noi abordări pentru evaluarea abundenței microbiotei solului (lipidomică) și a funcționalității acesteia (metabolomică), cu scopul corelarii funcțiile disparate ale solului, mediate de microbiota, cu serviciile ecosistemice (IINTERCONNECTING). Utilizarea acestor instrumente permite o cartografiere (MAPPING) adiacentă, prin „umplerea golurilor” dintre abundența structurii fenotipice in situ a probelor de teren și serviciile ecosistemice potențial furnizate. SOILSERV va combina datele de abundență a structurii fenotipice a microbiotei solului pentru 5 regiuni geoclimatice din România (situri continentale, pontică, panonică, stepă, alpina) cu datele sinoptice ale parametrilor de mediu obtinute din modele de imagini satelitare prin teledetecție (SIM). Datele vor fi completate cu abordări MAP (Microbial Assemblage Prediction) și PRMT (Predicted Relative Metabolic Turnover), unde: MAP facilitează prezicerea structurii și abundenței fenotipice a comunității microbiene, funcție de datele SIM, prin crearea unei rețele de codependență bayesiană a markerilor lipidomici folosiți pentru exprimarea fenotipurilor microbiene iar PRMT, instrument convertor utilizand abundența relativă în schimbare a markerilor lipidomici funcționali și cea a produselor metabolice și co-metabolice dintre probe, poate prezice capacitatea în schimbare a comunității/consumul/generarea de metaboliți. SOILSERV va furniza un model la nivelul sistemului fenotipurilor și metabolismului microbiotei corelat cu proprietățile de mediu estimate din imagini satelitare prin detectia SIM, permițând evaluarea calitativă și cantitativă a funcționării microbiomului solului și conexiunii sale cu serviciile de sol furnizate.

Faza 1

Activitatea de baza în cadrul acestei faze a constat în demararea activității de evaluare a regiunii biogeografice alpine. Pentru zona Fan s-a propus evaluarea impactului păşunatului şi turismului  asupra pășunilor. Pentru realizarea obiectivelor propuse s-au stabilit pentru parcelele studiate din regiunea biogeografică alpină: indicatorii fizico-chimici pentru evaluarea proprietăților probelor de sol din regiunea biogeografică alpină; indicatorii pentru poluanți de origine antropică din sol, pe baza celor observați în teren, destinați stabilirii inventarului presiunilor antropice pentru parcelele studiate; parametrii meteorologici care vor fi utilizați pentru determinarea inventarului presiunilor cauzate de schimbările climatice; indicatorii pentru evaluarea microbiotei solului care vor sta la baza cuantificării  abundenței, structurii și funcționării microbiotei solului din probele de sol colectate de pe parcelele studiate din regiunea biogeografică alpină, şi indicii de proximitate şi teledetecție pentru evaluarea serviciilor ecosistemice ale solului.

Rezultate obținute

  • Procedura de prelevare elaborată/stabilită
  • Parcelele de prelevare din regiunea biogeografică alpină selectate
  • Punctele de prelevare pentru fiecare parcelă stabilite
  • Indicatori fizico-chimici selectați 
  • Indicatori pentru poluanți de origine antropică din sol pe baza celor observați în teren selectați
  • Parametri meteorologici selectați
  • Indicatori pentru evaluarea microbiotei solului selectați
  • Indici de proximitate şi teledetecție pentru evaluarea serviciilor ecosistemice ale solului selectați

Faza 2

Activitățile desfășurate în această fază au constat în:  selectarea parcelelor de studiu în regiunea biogeografică continentală; caracterizarea solurilor colectate din Fan – regiunea biogeografică alpină; extinderea indicatorilor legați de microbiomul solului (lipidomică) stabiliți în Faza 1, deoarece aceștia sunt actori cheie în multiplele funcții ale solului și în serviciile ecosistemice aferente. Astfel, pentru realizarea tuturor obiectivelor propuse în Faza 2, s-au prelevat probe de mediu din regiunea biogeografică continentală  şi s-a început implementarea planului de analize pentru caracterizarea zonei Fan, regiunea biogeografică alpină: s-au evaluat proprietățile probelor de sol în scopul realizării inventarului presiunilor antropice; s-au colectat datele meteorologice de la stațiile meteorologice disponibile pentru realizarea inventarului presiunilor cauzate de schimbările climatice; s-a evaluat abundența, structura și funcționarea microbiotei solului în probe de sol prelevate din zona Fan şi s-a procedat la evaluarea funcțiilor solului prin intermediul microbiotei solului (instrumentală, senzorială).

Rezultate obtinute

  • Parcele selectate din regiunea biogeografică continentală pentru studiul propus prin proiect
  • Proprietăți fizico-chimice ale solurilor colectate de pe parcela Fan, regiunea biogeografică alpină (stabilite în planul de lucru)
  • Inventarul presiunilor antropice pentru zona Fan din regiunea biogeografică alpină
  • Parametri meteorologici colectați pentru regiunea biogeografică alpină în perioada de prelevare
  • Hărți ale distribuției spațiale a abundenței microbiomului solului în zona Fan, regiunea biogeografică alpină
  • Fracțiuni de lipide membranare ale microbiomului solului în zona Fan, regiunea biogeografică alpină
  • Abundența microbiotei și structura fenotipică a microbiotei din zona Fan (regiunea biogeografică alpină)
  • Indicatori ai funcțiilor solului mediate de microbiota solului selectați

Faza 3

Activitățile desfășurate au avut ca obiective: selectarea parcelelor de studiu în regiunea biogeografică panonică; caracterizarea solurilor colectate din aceasta regiune şi  extinderea indicatorilor legați de microbiomul solului (lipidomică, metabolomică), deoarece aceștia sunt actori cheie în multiplele funcții ale solului și în serviciile ecosistemice aferente. După prelevarea probelor de sol din regiunea biogeografică panonică s-au evaluat proprietățile solurilor prelevate, pe baza parametrilor și metodelor stabilite în fazele anterioare. Datele obținute (analize de laborator) vor sta la baza cartografierii parametrilor monitorizați pentru regiunea biogeografică panonică. Pentru extinderea indicatorilor microbiotei solului prin fracționarea extinsă a lipidelor (lipidomică, metabolomică, volatilomică) au fost utilizate tehnici gaz-cromatografice pentru fracționarea lipidelor membranelor microbiene și determinarea metaboliților primari si secundari din probele de sol. Structura fenotipică și abundența microbiomului solului au fost determinate prin tehnici cromatografice. Rezultatele obţinute stau la baza evaluării abundenței, structurii și funcționării microbiotei solului din regiunea biogeografică panonică.

Rezultate obtinute

  • Coordonatele punctelor de eșantionare pentru fiecare parcelă din regiunea biogeografică panonică
  • Proprietăți fizico-chimice ale solurilor colectate de pe parcelele de studiu, regiunea biogeografică panonică
  • Inventarul presiunilor antropice pentru zona biogeografică panonică
  • Date pregătite (analiză statistică)  pentru realizarea de hărți de distribuție spațială a abundenței microbiomului solului şi hărți de distribuție spațială a proprietăților solului în regiunea biogeografică panonică
  • Abundența și structura fenotipică a microbiotei din regiunea biogeografică panonică
  • Date spațiale colectate, imagini Google Earth, pentru fiecare teren studiat