Microbial composition and biogeochemical functioning in organic farming systems: from soil regeneration to functional food innovation

Abstract

[eng] The circular bioeconomy provides a valuable framework to enhance the sustainability and resilience of agri-food systems by closing nutrient and material cycles. In this thesis, we investigated how the integration of plant-based by-products (e.g. plant residues compost, ramial chipped wood-RCW) and tomato processing residues (e.g. tomato pomace-TP) can be recirculated within the tomato production chain to improve soil health, microbial functioning, and the nutritional quality of both raw and processed tomato products. We conducted a multidisciplinary study combining field trials, shotgun metagenomic sequencing, and food processing and chemistry to evaluate the agroecological and nutritional impacts of two main strategies: (i) the use of differentiated organic fertilisation regimes with varying C/N ratios to influence soil microbiota, nutrient cycling, and fruit production and quality; and (ii) the valorization of TP as a functional ingredient in tomato-based culinary preparations. Our findings show that organic fertilisation with reduced nitrogen and higher carbon inputs (N-poor+C) can promote the accumulation of health-related phenolic compounds in tomato varieties less sensitive to drought, without compromising yield. Moreover, RCW application significantly influenced soil microbiome structure and function, stimulating C- and P-degradation pathways, increasing microbial biomass, and favouring beneficial taxa such as nitrogen-fixing bacteria and lignocellulose-degrading organisms. Notably, RCW-amended soils showed reduced abundances of nitrification, denitrification and methanogenesis genes, supporting their potential to mitigate environmental impacts and reinforce nutrient retention mechanisms. A second line of investigation evaluated the incorporation of TP into tomato sauces using different culinary techniques (Thermomix®, sous-vide Roner®, and pan-frying) to further integrate by-product valorisation across the food chain. Multivariate chemometric analysis revealed that TP enrichment significantly elevated the concentration of health-promoting bioactive compounds, particularly phenolics. The cooking method had a stronger influence on metabolite retention than either time or temperature: while Thermomix® facilitated the release of antioxidant compounds, the Roner® technique better preserved the sauce’s volatile fraction. Altogether, the findings demonstrate that the circular use of plant residues, RCW at the production stage and TP at the food processing stage, can enhance agroecosystem resilience, soil fertility, and food functionality. This thesis provides novel insights into the integration of soil and food research within circular and regenerative agricultural models, offering specific strategies for more sustainable and nutritionally relevant food systems.

[cat] La bioeconomia circular proporciona un marc valuós per millorar la sostenibilitat i la resiliència dels sistemes agroalimentaris, mitjançant el tancament dels cicles de nutrients i materials. En aquesta tesi, hem investigat com la integració de subproductes vegetals (per exemple, compost de residus vegetals, fusta de brancam triturada [RCW]) i residus de la transformació del tomàquet (per exemple, pellofa de tomàquet [TP]) poden ser recirculats dins la cadena de producció del tomàquet per tal de millorar la salut del sòl, el funcionament microbià i la qualitat nutricional tant del tomàquet fresc com del processat. Hem dut a terme un estudi multidisciplinari combinant assaigs de camp, seqüenciació metagenòmica (shotgun), i tècniques de transformació i anàlisi química d’aliments per avaluar els impactes agroecològics i nutricionals de dues estratègies principals: (i) l’ús de règims diferenciats de fertilització orgànica amb diverses relacions C/N per influir en la microbiota del sòl, el cicle de nutrients i la producció i qualitat del fruit; i (ii) la valorització de la TP com a ingredient funcional en preparacions culinàries a base de tomàquet. Els nostres resultats mostren que la fertilització orgànica amb entrades reduïdes de nitrogen i altes en carboni (N-baix+C) pot afavorir l’acumulació de compostos fenòlics beneficiosos per a la salut en varietats de tomàquet menys sensibles a la sequera, sense comprometre el rendiment. A més, l’aplicació de RCW va influir de manera significativa en l’estructura i la funció de la microbiota del sòl, estimulant vies de degradació de carboni i fòsfor, incrementant la biomassa microbiana i afavorint tàxons beneficiosos com ara bacteris fixadors de nitrogen i organismes degradadors de lignocel·lulosa. Cal destacar que els sòls esmenats amb RCW van mostrar una menor abundància de gens relacionats amb la nitrificació, desnitrificació i metanogènesi, fet que dona suport al seu potencial per mitigar impactes ambientals i reforçar els mecanismes de retenció de nutrients. Una segona línia de recerca va avaluar la incorporació de TP en salses de tomàquet mitjançant diferents tècniques culinàries (Thermomix®, sous-vide Roner® i fregit en paella), amb l’objectiu de potenciar la revalorització de subproductes al llarg de tota la cadena alimentària. L’anàlisi quimiomètrica multivariant va evidenciar que l’enriquiment amb TP incrementava de manera significativa la concentració de compostos bioactius amb propietats beneficioses per a la salut, especialment els fenòlics. El mètode de cocció va influir més en la retenció de metabòlits que no pas el temps o la temperatura: mentre que la Thermomix® afavoria l’alliberament de compostos antioxidants, la tècnica Roner® preservava amb més eficàcia la fracció volàtil de la salsa.

En conjunt, els resultats demostren que l’ús circular de residus vegetals, RCW en la fase de producció i TP en la fase de transformació alimentaria, pot millorar la resiliència dels agroecosistemes, la fertilitat del sòl i la funcionalitat dels aliments. Aquesta tesi aporta noves perspectives sobre la integració de la recerca en sòls i aliments dins models agrícoles circulars i regeneratius, oferint estratègies específiques per a sistemes alimentaris més sostenibles i nutricionalment rellevants.