Soil community dynamics as indicators of soil health under waste-derived inputs

Abstract

The intensification of global water scarcity, exacerbated by climate change, poses a critical threat to agricultural productivity, particularly in arid and semi-arid regions. Concurrently, the extensive reliance on synthetic chemical fertilizers continues to degrade soil health and ecosystem functioning. Transitioning to a circular bioeconomy by utilizing treated wastewater (TWW) for irrigation and anaerobic digestate (AD) for fertilization offers a sustainable strategy to mitigate these severe resource deficits, provided these waste-derived inputs undergo proper treatment prior to application. To comprehensively evaluate their safety and efficacy, this thesis investigated the short- and medium-term ecological consequences of TWW and AD applications, analyzing plant performance alongside the high-resolution assembly of soil microbial (bacteria and fungi) and nematode communities. Field trials across diverse crops (maize, lavender, anise, olive, and pomegranate) confirmed that TWW and AD effectively supplied essential water and nutrients, supporting plant biomass on par with, or exceeding, conventional agricultural practices. High-throughput amplicon sequencing (16S rRNA and ITS) revealed that the overall structure and alpha diversity of the indigenous soil microbial communities were not significantly affected by the application of these waste-derived inputs. Microbial source tracking demonstrated that the native soil microbiome relies on high functional redundancy to exhibit profound resistance to biological invasion. The survival of exogenous microbes was severely constrained by a robust dual-barrier system comprising a primary abiotic oxidative filter and intense secondary biotic competition which restricted microbial transfer to a marginal fraction of highly resilient, spore-forming bacteria and completely halted fungal colonization. Rather than inducing direct compositional disruption, TWW and AD influenced the soil ecosystem indirectly through nutrient enrichment. This nutrient influx stimulated specific beneficial microorganisms essential for carbon and nitrogen cycling. However, TWW also acted as an environmental disturbance that distinctly reshaped microbial co-occurrence networks; it intensified interspecific competition among bacteria—thereby reducing their overall network complexity—while simultaneously driving fungal networks toward higher modularity and niche partitioning. Furthermore, this nutrient-driven cascade exerted a strong bottom-up trophic effect that accelerated the soil bacterial energy channel. This shift significantly increased the abundance of beneficial bacterivorous nematodes, enhancing microbial grazing and subsequent nutrient mineralization, all without degrading overall food web complexity or ecological maturity. Concurrently, these circular inputs provided a natural mechanism of biological control; the degradation of organic acids and nitrogenous substances generated nematicidal compounds that successfully suppressed major plant-parasitic taxa, thereby reducing phytosanitary risks. Overall, this research demonstrates that the application of properly treated wastewater and anaerobic digestate directly addresses agricultural resource scarcity without compromising the structural integrity or diversity of the soil food web. By preserving native microbial resilience and fostering beneficial indirect trophic interactions, these circular practices represent safe, highly effective tools for sustainable agricultural management.

Η εντατικοποίηση της παγκόσμιας λειψυδρίας, η οποία επιδεινώνεται από την κλιματική αλλαγή, αποτελεί κρίσιμη απειλή για την αγροτική παραγωγικότητα, ιδίως στις άνυδρες και ημι-άνυδρες περιοχές. Παράλληλα, η εκτεταμένη εξάρτηση από τα συνθετικά χημικά λιπάσματα εξακολουθεί να υποβαθμίζει την υγεία του εδάφους και τη λειτουργία των οικοσυστημάτων. Η μετάβαση σε μια κυκλική βιοοικονομία μέσω της αξιοποίησης επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων για άρδευση και αναερόβιου χωνεύματος για λίπανση, προσφέρει μια βιώσιμη στρατηγική για τον μετριασμό αυτών των σοβαρών ελλείψεων σε πόρους, υπό την προϋπόθεση ότι αυτές οι προερχόμενες από απόβλητα εισροές υφίστανται την κατάλληλη επεξεργασία πριν από την εφαρμογή τους. Για την ολοκληρωμένη αξιολόγηση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητάς τους, η παρούσα διατριβή διερεύνησε τις βραχυπρόθεσμες και μεσοπρόθεσμες οικολογικές συνέπειες των εφαρμογών επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων και αναερόβιου χωνεύματος, αναλύοντας την απόδοση των φυτών παράλληλα με την ανάλυση των εδαφικών μικροβιακών κοινοτήτων (βακτήρια και μύκητες) και των κοινοτήτων των νηματωδών. Πειραματικοί χειρισμοί αγρών σε διάφορες καλλιέργειες (αραβόσιτος, λεβάντα, γλυκάνισος, ελιά και ροδιά) επιβεβαίωσαν ότι τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα και το αναερόβιο χώνευμα παρείχαν αποτελεσματικά το απαραίτητο νερό και τα θρεπτικά συστατικά, υποστηρίζοντας τη φυτική βιομάζα σε επίπεδα ίσα ή ανώτερα από τις συμβατικές γεωργικές πρακτικές. Η αλληλούχηση νέας γενιάς (16S rRNA και ITS) αποκάλυψε ότι η συνολική δομή και η α-ποικιλότητα των αυτόχθονων εδαφικών μικροβιακών κοινοτήτων δεν επηρεάστηκαν σημαντικά από την εφαρμογή αυτών των εισροών. Η ιχνηλάτηση μικροβιακής προέλευσης (microbial source tracking) κατέδειξε ότι το γηγενές εδαφικό μικροβίωμα βασίζεται στον υψηλό λειτουργικό του πλεονασμό (functional redundancy) για να επιδείξει ισχυρή αντίσταση στη βιολογική εισβολή. Η επιβίωση των εξωγενών μικροβίων περιορίστηκε αυστηρά από ένα ισχυρό σύστημα διπλού φραγμού –αποτελούμενο από ένα πρωτογενές αβιοτικό οξειδωτικό φίλτρο και έντονο δευτερογενή βιοτικό ανταγωνισμό– το οποίο περιόρισε τη μικροβιακή μεταφορά σε ένα οριακό κλάσμα εξαιρετικά ανθεκτικών, σπορογόνων βακτηρίων και ανέκοψε πλήρως τον αποικισμό από μύκητες. Αντί να προκαλέσουν άμεση δομική διαταραχή, τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα και το αναερόβιο χώνευμα επηρέασαν το εδαφικό οικοσύστημα έμμεσα, μέσω του εμπλουτισμού σε θρεπτικά συστατικά. Αυτή η εισροή θρεπτικών διέγειρε συγκεκριμένους ωφέλιμους μικροοργανισμούς, απαραίτητους για τον κύκλο του άνθρακα και του αζώτου. Ωστόσο, τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα λειτούργησαν επίσης ως περιβαλλοντική διαταραχή που αναδιαμόρφωσε διακριτά τα δίκτυα μικροβιακής συνύπαρξης (co-occurrence networks)· ενέτειναν τον διαειδικό ανταγωνισμό μεταξύ των βακτηρίων μειώνοντας έτσι τη συνολική πολυπλοκότητα του δικτύου τους ενώ ταυτόχρονα ώθησαν τα δίκτυα των μυκήτων προς υψηλότερη δομοστοιχειακότητα (modularity) και διαχωρισμό του οικολογικού τους θώκου (niche partitioning). Επιπλέον, αυτή η επαγόμενη από τα θρεπτικά συστατικά αλυσιδωτή επίδραση άσκησε μια ισχυρή τροφική επίδραση από τη βάση προς την κορυφή (bottom-up effect) που επιτάχυνε το βακτηριακό ενεργειακό κανάλι του εδάφους. Αυτή η μετατόπιση αύξησε σημαντικά την αφθονία των ωφέλιμων βακτηριοφάγων νηματωδών, ενισχύοντας τη μικροβιακή βόσκηση (microbial grazing) και την επακόλουθη ανοργανοποίηση των θρεπτικών συστατικών, χωρίς να υποβαθμιστεί η συνολική πολυπλοκότητα του τροφικού πλέγματος ή η οικολογική ωριμότητα. Παράλληλα, αυτές οι κυκλικές εισροές παρείχαν έναν φυσικό μηχανισμό βιολογικού ελέγχου· η αποικοδόμηση οργανικών οξέων και αζωτούχων ουσιών παρήγαγε νηματωδοκτόνες ενώσεις που κατέστειλαν επιτυχώς τα κύρια φυτοπαρασιτικά γένη, μειώνοντας έτσι τους φυτοϋγειονομικούς κινδύνους. Συνολικά, η παρούσα έρευνα αποδεικνύει ότι η εφαρμογή κατάλληλα επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων και αναερόβιου χωνεύματος αντιμετωπίζει άμεσα την ανεπάρκεια γεωργικών πόρων, χωρίς να θέτει σε κίνδυνο τη δομική ακεραιότητα ή την ποικιλότητα του εδαφικού τροφικού πλέγματος. Διατηρώντας την ανθεκτικότητα του γηγενούς μικροβιώματος και προωθώντας ωφέλιμες έμμεσες τροφικές αλληλεπιδράσεις, οι συγκεκριμένες κυκλικές πρακτικές αποτελούν ασφαλή και εξαιρετικά αποτελεσματικά εργαλεία για τη βιώσιμη γεωργική διαχείριση.