SUSTAINABLE SYMBIOSIS IN A CONTROLLED ENVIRONMENT: DEVELOPMENT OF MYCOBACTERIUM AGROFLORENSIS FOR CROP NUTRITION IN SMART GREENHOUSES SUPPORTING LIFE IN PLANETARY SCIENCES
DOI:
https://doi.org/10.56238/revgeov17n1-053Keywords:
Microbial Symbiosis, Regenerative Agriculture, Smart BiofertilizerAbstract
The project Sustainable Symbiosis in Controlled Environments addresses one of the most challenging and innovative themes in contemporary science: the sustainable production of food in extreme environments, such as agricultural zones impacted by climate change, space missions, and planetary stations. The proposal focuses on the application of advanced microbial biotechnology for the development of a symbiotic bacterium, named Mycobacterium agroflorensis, which has a high capacity to promote plant growth through biological nitrogen fixation and the synthesis of nutrients essential for plant metabolism. Situated at the intersection of planetary sciences, biotechnology, and regenerative agriculture with dual applicability for both terrestrial agricultural systems and controlled environments in space, this study aims to develop and apply Mycobacterium agroflorensis in intelligent greenhouse systems with the goal of establishing a sustainable symbiosis that optimizes the biosynthesis of nutrients essential for plants. The project seeks to reduce dependence on synthetic fertilizers and enhance productive efficiency in controlled agricultural environments, including under simulated space conditions. The methodology was structured in several stages: initially, soil samples were collected from degraded areas of the cerrado in northern Tocantins, characterized by low fertility. In the laboratory, the bacterium was isolated using a culture medium adapted for slow-growing microorganisms. After isolation, molecular identification was performed with the support of artificial intelligence applied to genetic sequencing analysis at the cellular biology and genetics laboratory, followed by symbiotic optimization of the bacterium through its association with saprophytic fungi derived from organic residues such as coffee grounds, bean mycorrhiza, and fungi from cassava leaves. This symbiosis resulted in a biofunctional strain capable of providing nitrogen, phosphorus, and other metabolites essential for plants. The results demonstrated that cultivation in intelligent greenhouses equipped with IoT sensors for continuous monitoring of temperature, humidity, pH, and luminosity showed superior performance when plants were inoculated with the symbiotic bacterium. Within just 72 hours, a significant increase in microbial density (1.2 × 10⁹ CFU/mL) was observed, along with a 35% increase in nitrogen assimilation by the plants. Additionally, significant improvements in seedling growth, coloration, and resistance were verified, even under simulated environmental stress conditions. The conclusion highlights that the use of optimized microbial symbionts is a viable strategy to promote sustainable agriculture in controlled environments. The development of Mycobacterium agroflorensis represents a significant advancement for agricultural and planetary biotechnology, with the potential to offer innovative solutions for regenerative agriculture in the Brazilian semi-arid region, as well as to revolutionize food production in space colonies, lunar bases, or Martian habitats. The integration of data science, biotechnology, microbiology, and the Internet of Things expands the frontiers of scientific research and paves the way for new models of sustainability and food sovereignty on Earth and beyond.
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References
ALMEIDA, J. S.; SOUZA, M. R. Avaliação do uso de biofertilizantes na agricultura sustentável. Revista Brasileira de Biotecnologia, v. 15, n. 3, p. 120-130, 2022.
ALMEIDA, J. R.; SANTOS, M. F. Modelagem matemática aplicada à bioengenharia: princípios e aplicações. Revista Brasileira de Biotecnologia, v. 16, n. 2, p. 115-129, 2019.
ANDRADE, M. S.; PEREIRA, L. R. Integração de sistemas sustentáveis e IoT na agricultura moderna. Revista Brasileira de Tecnologia Agrícola, v. 15, n. 2, p. 45-58, 2023.
ANCAR, A. (1994). Mechanisms of DNA repair by photolyase and excision nuclease. Biochemistry, 33(2), 593–600.
BASHAN, Y., de-Bashan, L. E. (2010). How the Plant Growth-Promoting Bacterium Azospirillum Promotes Plant Growth — A Critical Assessment. Advances in Agronomy, 108, 77-136.
CARVALHO, J. A.; LIMA, F. R. Fixação biológica de nitrogênio: fundamentos e aplicações na agricultura sustentável. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 45, n. 2, p. 123-135, 2021.
CARVALHO, J. R.; SOUZA, L. M. Aplicações de microrganismos promotores do crescimento vegetal em agricultura sustentável. Revista Brasileira de Biotecnologia, v. 12, n. 2, p. 45-58, 2021.
CARVALHO, M. S. et al. Uso de microrganismos na agricultura sustentável: benefícios e perspectivas. Revista Brasileira de Ciências Agrárias, v. 16, n. 3, p. 1-10, 2021.
COSTA, L. A.; MENDES, F. R. Impacto do fertilizante químico no solo árido. Jornal de Ciências Agrárias, v. 10, n. 1, p. 45-53, 2018.
COSTA, R. A. et al. Influência da radiação solar no metabolismo microbiano: um estudo experimental com Mycobacterium. Journal of Environmental Biotechnology, v. 12, n. 1, p. 45-57, 2021.
CHEN, L., et al. (2018). Bioengineering of Mycobacterium species for industrial applications. Microbial Cell Factories, 17
FAO (2021). The State of Food and Agriculture: Making Agrifood Systems More Resilient to Shocks and Stresses. Rome: FAO.
FAO – Food and Agriculture Organization of the United Nations. The State of Food Security and Nutrition in the World 2021. Roma: FAO, 2021.
FAO – Food and Agriculture Organization of the United Nations. The state of food security and nutrition in the world 2021: Transforming food systems for food security, improved nutrition and affordable healthy diets for all. Rome: FAO, 2021.
FERREIRA, J. A.; MENDES, R. C. Biotecnologia aplicada à agricultura sustentável: avanços e desafios. Revista Ciência & Tecnologia, v. 24, n. 2, p. 45-56, 2017.
FERREIRA, L. S.; MENDES, P. A. Simulação computacional na dinâmica populacional microbiana sob estímulos ambientais. Computational Biology Journal, v. 7, n. 4, p. 230-245, 2018.
FERREIRA, J. A.; ALMEIDA, P. R. Aplicações da Internet das Coisas no monitoramento ambiental de estufas. Journal of Agricultural Engineering, v. 18, n. 3, p. 70-84, 2023.
FREITAS, P. R.; BARBOSA, D. S. Influência da irrigação no crescimento foliar de plantas de ciclo curto. Revista de Agricultura Tropical, v. 12, n. 2, p. 89-97, 2019.
GUERRA, Adriana de Paula et al. Potencial de bactérias do solo como promotoras de crescimento vegetal: uma alternativa para a agricultura sustentável. Revista Brasileira de Agroecologia, v. 16, n. 3, p. 87–99, 2021.
GIL, A. C. Métodos e técnicas de pesquisa social. 7. ed. São Paulo: Atlas, 2017.
GHIMIRE, A. et al. (2022). Microbial Fuel Cells for Smart Agriculture: Prospects and Challenges. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 158, 112151.
GLICK, B.R. (2012). Plant Growth-Promoting Bacteria: Mechanisms and Applications. Scientifica.KHAN, S. M. et al. Smart agriculture with IoT-enabled monitoring systems: Current status and future directions. Computers and Electronics in Agriculture, v. 178, 2020.
KHAN, M. S. et al. (2007). Role of Phosphate-Solubilizing Microorganisms in Sustainable Agriculture — A Review. Agronomy for Sustainable Development, 27(1), 29-43.
KLIPP, E., Liebermeister, W., Wierling, C., & Kowald, A. (2009). Systems Biology: A Textbook. Wiley-VCH.
LIMA, R. F.; PEREIRA, L. S. Microrganismos promotores do crescimento vegetal: mecanismo de ação e aplicações na agricultura. Ciência Rural, v. 49, n. 5, 2019.
LIMA, R. M.; COSTA, F. S. Monitoramento inteligente via IoT para agricultura de precisão. Revista de Agricultura de Precisão, v. 7, n. 1, p. 33-42, 2022.
LOGAN, B.E., HAMELERS, B., ROZENDAL, R., SCHRÖDER, U., KELLER, J., FREGUIA, S., ... & RABAEY, K. (2006). Microbial fuel cells: methodology and technology. Environmental Science & Technology, 40(17), 5181–5192.
LIMA, F. T. et al. Otimização da produção microbiana por controle da radiação luminosa: avanços em bioprocessos. Biotechnology Advances, v. 41, p. 107553, 2023.
LU, H. ET AL. (2023). Influence of Ionized Water on Soil Microbial Interactions and Plant Growth. Journal of Environmental Microbiology, 78(3), 456-469.
MARTINS, F. S. et al. Uso de biofertilizantes microbianos para aumento da produtividade agrícola e sustentabilidade. Ciência Rural, v. 52, n. 5, e20220034, 2022.
MARTINS, G. R.; OLIVEIRA, D. S. Uso de modelagem matemática para o desenvolvimento de processos biotecnológicos. Revista de Engenharia Biológica, v. 25, n. 3, p. 192-205, 2020.
MARTINS, A. C.; SILVEIRA, D. S. Caracterização metabólica do Mycobacterium agroflorensis em ambientes controlados. Journal of Microbial Biotechnology, v. 12, n. 4, p. 202-210, 2020.
MENDES, P., et al. (2020). Mathematical Modeling in Biotechnology. Biotechnology Advances, 44, 107626.
OLIVEIRA, M. A. et al. Caracterização e potencial agrícola de Mycobacterium spp. isolados de solos agrícolas. Journal of Applied Microbiology, v. 127, n. 3, p. 789-798, 2019.
OLIVEIRA, P. T.; SANTOS, E. G. Aproveitamento da radiação solar em sistemas agrícolas sustentáveis. Revista Energia e Meio Ambiente, v. 14, n. 3, p. 98-110, 2019.
OLIVEIRA, M. C.; PEREIRA, T. S. Desenvolvimento de microrganismos multifuncionais para agricultura sustentável: avanços e desafios. Journal of Sustainable Agriculture, v. 12, n. 3, p. 45-60, 2023.
ORGANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS. Objetivos de Desenvolvimento Sustentável. 2023.
PEREIRA, S. M.; COSTA, F. A. Sinergia entre fertilizantes químicos e biofertilizantes no desenvolvimento vegetal. Revista Brasileira de Agroecologia, v. 14, n. 3, p. 110-120, 2022.
ONU – Organização das Nações Unidas. Transforming our world: the 2030 agenda for sustainable development. New York: ONU, 2015.
RASTOGi, R. P., Richa, Kumar, A., Tyagi, M. B., & Sinha, R. P. (2010). Molecular mechanisms of ultraviolet radiation-induced DNA damage and repair. Journal of Nucleic Acids, 2010.
RAMIREZ, M., et al. (2015). Modeling microbial growth kinetics using differential equations. Applied Microbiology and Biotechnology, 99, 1221–1232.
RODRIGUES, L. F. et al. Potencial biotecnológico do Mycobacterium agroflorensis em sistemas agrícolas. Revista Brasileira de Microbiologia Aplicada, v. 9, n. 2, p. 150-159, 2021.
RODRIGUES, V. P. et al. Modelagem computacional na bioengenharia: aplicações e perspectivas. Journal of Computational Biotechnology, v. 14, n. 2, p. 99-114, 2022.
SALTELLI, A., et al. (2008). Global Sensitivity Analysis: The Primer. Wiley.
SANTOS, M. E.; et al. Biofertilizantes e eficiência fotossintética em plantas cultivadas. Revista Brasileira de Botânica, v. 17, n. 2, p. 140-150, 2021.
SANTOS, R. A.; LIMA, E. F. Estratégias biotecnológicas para mitigação dos efeitos das mudanças climáticas na agricultura. Revista de Ciências Ambientais, v. 8, n. 1, p. 12-25, 2020.
SANTOYO, G. et al. (2012). Plant Growth-Promoting Bacteria: Mechanisms and Applications. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 12(3), 437-453.
SILVA, P. J.; PEREIRA, V. H. Metodologias para avaliação do crescimento foliar em ambientes controlados. Cadernos de Ciências Agrárias, v. 9, n. 1, p. 30-38, 2020.
SILVA, P. H.; PEREIRA, R. S. Impactos da biotecnologia no aumento da produção agrícola em regiões vulneráveis. Revista de Agricultura Sustentável, v. 15, n. 1, p. 33-44, 2020.
SILVA, T. P. et al. Potencial do uso de microrganismos na redução do uso de fertilizantes químicos. Journal of Agricultural Science, v. 12, n. 4, p. 112-120, 2020.
SOUZA, A. C.; OLIVEIRA, D. F. Impactos ambientais e econômicos do uso de fertilizantes químicos e alternativas biotecnológicas. Revista Ambiente & Água, v. 13, n. 1, p. 1-15, 2018.
MORAES, P. R. S. et al. Interação simbiótica entre fungos micorrízicos e microrganismos bacterianos na borra do café: impacto na saúde do solo. Ciência Agronômica, v. 50, n. 4, p. 567-578, 2019.
SILVA, A. B.; PEREIRA, M. C. Impactos da radiação solar no crescimento microbiano: uma revisão. Revista Microbiológica, v. 21, n. 3, p. 180-190, 2020.
SILVA, J. M.; PEREIRA, R. A. Estufas sustentáveis: conceitos e aplicações. Revista de Agricultura Sustentável, v. 11, n. 1, p. 22-34, 2020.
SOUZA, M. V. et al. Sistemas integrados sustentáveis com IoT e energia solar para cultivo microbiano. Revista de Biotecnologia Aplicada, v. 8, n. 2, p. 59-68, 2022.
RODRIGUES, L. M.; SOUZA, R. A. Biotecnologia aplicada à otimização da ciclagem de nutrientes no solo. Biotecnologia & Ciência, v. 28, n. 1, p. 77-90, 2020.
SANTOYO, G. et al. (2012). Plant Growth-Promoting Bacteria: Mechanisms and Applications. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 12(3), 437-453.
SANTOS, F. R. et al. Aplicações da bateria microbiana Mycobactery em processos bioenergéticos agrícolas. Revista de Tecnologia e Energia Renovável, v. 9, n. 1, p. 101-110, 2022.
SILVA, A. P. et al. O papel dos microrganismos na agricultura sustentável: uma revisão. Revista Brasileira de Microbiologia, v. 49, n. 3, p. 523-536, 2018.
SILVA, A. C. et al. Microrganismos promotores de crescimento vegetal: mecanismos de ação e aplicações sustentáveis na agricultura. Revista Brasileira de Biotecnologia Aplicada, v. 2, n. 1, p. 45-58, 2023.
SPOSITO, G. (2008). The Chemistry of Soils. Oxford University Press.SMITH, S.E., & READ, D.J. (2008). Mycorrhizal Symbiosis. Academic Press.
SINGH, Dhiraj Kumar et al. Effect of LED light spectra on growth and secondary metabolites in plants: A review. Plant Physiology Reports, v. 25, p. 1–14, 2020. DOI: 10.1007/s40502-020-00516-x.
WAYNE, L.G., & KUBICA, G.P. (1986). The Mycobacteria. In: Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology.
ZAR, J.H. (2010). Biostatistical Analysis (5th ed.). Pearson Education.
ZHANG, Y. et al. Internet of Things-based smart agriculture: Toward high-efficiency nutrient management with biosensors. Sensors, v. 22, n. 4, 2022.