LASOSTANZA ORGANICA NEL SUOLO

1. LASOSTANZA ORGANICA NEL SUOLO CICLO DEL CARBONIO

2. La sostanza organica si divide generalmente in quattro classi: Gli organismi viventi Sostanze organiche non ancora decomposte Sostanze organiche in via di trasformazione Sostanze umificate Riguardo all’ultima classe, notevoli sono le difficoltà che si incontrano nel frazionamento e nella caratterizzazione dei vari componenti. Nella visione moderna le sostanze umiche tipiche sono costituite da molecole lineari, a catena lunga e flessibile e più volte ripiegata su se stessa, di natura in buona parte fenolica. Le loro dimensioni e la loro forma in soluzione dipendono dal pH e dalla presenza di sali neutri. In questa visione, che scaturisce dalle ricerche condotte con le tecniche più avanzate, si può tuttavia inquadrare solo una parte dei costituenti organici del suolo. I PROCESSI COLLEGATI ALL’UMIFICAZIONE E’ abbastanza arduo delineare correttamente le varie tappe che regolano i flussi del carbonio nel suolo e ciò non tanto per la complessità delle vie metaboliche che concorrono a formare il ciclo e che sono sintetizzati nella Figura 1 (cliccare sul tasto in basso), quanto per la difficoltà di caratterizzare alcuni dei processi fondamentali. Di fatto non è agevole distinguere i processi di degradazione dei residui vegetali, per esempio dagli stessi processi di mineralizzazione delle sostanze umiche che ne derivano, e in termini agronomici, quando si parla di mineralizzazione del carbonio organico spesso non è possibile considerare i due processi se non uniti. E’ però indispensabile prendere in considerazione i diversi processi separatamente. Essi vengono suddivisi in quattro fasi corrispondenti a: CLASSI DI SOSTANZA ORGANICA 1Apporti organici al suolo Processi Collegati All’umificazione 2Degradazione degli apporti 3Polimerizzazione e risintesi 4Mineralizzazione Schema generale

3. . Gli apporti di carbonio organico al suolo in parte a) sono fenomeni periodici se non occasionali, legati alla fase finale del catabolismo o all’abbandono di spoglie di organismi viventi, in parte b) sono processi attivi determinati dall’attività dell’apparato radicale delle piante. Riguardo al secondo punto, Il contributo di carbonio da parte delle radici è stato sottovalutato sino ad epoche assai recenti. Allevando infatti piante in atmosfera di 14CO2 è possibile dimostrare che gli apporti radicali al suolo sono di ordine di grandezza sempre superiore al 20% del peso secco totale della pianta. Si possono annoverare tre categorie principali di sostanze rilasciate dagli apparati radicali: Le secrezioni, le sostanze mucillaginose, le spoglie radicali. (Figura 2). Le secrezionisono composte da sostanze a basso peso molecolare (acidi organici, aminoacidi, ecc.) rilasciate dall’apparato radicale, molto probabilmente per esigenze di tipo nutrizionale. Sostanze mucillaginose vengono rilasciate dalle radici con le funzioni principali di modificare i meccanismi di trasporto metabolico e di contrastare l’impedimento meccanico della fase solida del suolo. Spoglie radicali devono essere intese nel senso più ampio del termine: da singole lisi cellulari ai resti di tessuti specifici o di radici intere o di loro settori. (Figura 2). 1. PROCESSI COLLEGATI ALL’UMIFICAZIONE GLI APPORTI ORGANICI

4. Sono processi di degradazione quelli che conducono a monomeri o comunque a molecole di piccole dimensioni a partire da materiali organici pervenuti al suolo. A seconda della loro natura e del loro stato fisico possono decomporsi con velocità differenti. Il ruolo della pedofauna nel modificare le proprietà fisiche dei materiali più resistenti e rigidi è essenziale. Esso consiste nella triturazione e nell’amminutinamento dei residui, con la preparazione del successivo attacco microbico. Altri microrganismi, tra i quali primeggiano i funghi, devono comunque essere considerati pionieri della degradazione di questi tipi di tessuti. Oltre che la consistenza fisica, anche le caratteristiche chimiche dei materiali organici può influenzare la velocità della loro degradazione (vedi ad esempio i residui acidi delle conifere). Il tipo di attacco microbico può anch’esso influenzare la velocità e l’andamento della degradazione. Rilevante è ad esempio l’effetto depressivo esercitato da sostanze fitotossiche che si producono nel corso di fermentazioni anomale di cui la paglia, aggiunta al terreno, favorisce l’instaurazione. Le condizioni ambientali , infine , tra cui la più importante è lo stato ossidoriduttivo del suolo, possono esercitare un’influenza dominante. Infatti, in caso di aerobiosi, la degradazione conduce alla formazione di CO2, di cellule microbiche e di energia, mentre in anaerobiosi si sviluppano processi fermentativi che bloccano la degradazione a stadi intermedi delle ossidazioni, con produzione di metano, ridotta formazione di cellule microbiche e di energia. L’effetto delle condizioni ambientali è sinteticamente espresso dalla Figura 3. L’andamento di questi processi in funzione dell’aerazione può essere esteso al trattamento dei rifiuti Vista la serie di fattori che intervengono, è errato considerare il valore fertilizzante di un materiale organico in base al solo tenore di carbonio. L’apporto organico può avere destini molto diversi in funzione di fattori intriseci e spesso estranei alla sua natura. 2. PROCESSI COLLEGATI ALL’UMIFICAZIONE LA DEGRADAZIONE DEGLI APPORTI ORGANICI

5. I processi di umificazione veri e propri consistono nella formazione , in più fasi, di molecole di dimensioni relativamente grandi nel corso di resintesi e polimerizzazioni. Parlando diresintesi ci si riferisce ai materiali che non entrano a far parte dell’organismo che li produce, ossia che vengono immessi nell’ambiente esterno. I più importanti di questi materiali sono: PROTEINE CARBOIDRATI SOSTANZE FENOLICHE Alcuni autori hanno recentemente fornito dati in base ai quali i componenti aromatici delle sostanze umiche derivano più dai carboidrati che dalle sostanze fenoliche presenti negli apporti organici . Tali dati perciò appaiono da supporto al concetto che i componenti fenolici delle sostanze umiche derivano esclusivamente da processi di resintesi. Ad esempio dalla via metabolica dell’acido scichimico ( presente in quasi tutti i vegetali) deriva una grande quantità di composti aromatici, come in particolare gli acidi fenolici, i naftoli, gli aminoacidi aromatici, gli acidi cinnamici ecc. (FIGURA 4) Comunque siano originati i monomeri fenolici, essi possono polimerizzare in modo diverso ed esistono oggi tre ipotesi sul significato delle polimerizzazioni: 1.La prima ipotesi è che le polimerizzazioni siano regolate dai microrganismi mediante meccanismi e vie biosintetiche in parte simili a quelle caratteristiche dei vegetali per la biosintesi della lignina. Essa pertanto assegna all’umificazione un ruolo funzionale, ossia essenziale per migliorare le condizioni di vita degli organismi. 2. La seconda ipotesi considera le polimerizzazioni come conseguenza dell’esigenza dei microrganismi di eliminare rapidamente quei monomeri (fenoli e acidi fenolici) che, anche a basse concentrazioni, manifestano una tossicità più o meno marcata. 3. La terza ipotesi prevede che i monomeri fenolici derivanti dalla depolimerizzazione della lignina possano polimerizzare nuovamente e spontaneamente in assenza di ogni intervento degli organismi viventi, reagendo con l’ossigeno e con la catalisi di molti costituenti inorganici (ossidi di manganese, fillosilicati, minerali di ferro, ecc.) 3. PROCESSI COLlEGATI ALL’UMIFICAZIONE POLIMERIZAZIONE E RESINTESI

6. I processi di mineralizzazione a carico della sostanza organica umificata non possono che essere molto lenti. Sia che si accetti l’ipotesi che l’umificazione derivi da esigenze funzionali dei microrganismi del suolo, sia che si accetti l’ipotesi opposta che essa derivi da polimerizzazione catalizzata da costituenti inorganici, non si può che prevedere che la biodegradazione della sostanza organica umificata presenti notevoli difficoltà Un caso particolare di andamento della mineralizzazione è quello del cosiddetto effetto di innesco (priming effect): L’aggiunta di materiali organici al suolo provoca un aumento dell’emissione di CO2 attribuibile non solo, come ci si potrebbe aspettare, alla degradazione dei materiali somministrati, ma anche all’incremento della mineralizzazione della sostanza organica umificata (FIGURA 5) Il priming effect può essere spiegato per la proliferazione dei microrganismi, causata dall’apporto organico, e l’attività intensificata che ne può conseguire anche quando le scorte alimentari più facilmente aggredibili sono esaurite. Nella pratica è assai difficile discernere il processo di mineralizzazione della sostanza organica umificata. dagli altri processi di degradazione. Nell’accezione comune, con il termine di mineralizzazione ci si riferisce alla formazione di composti inorganici e quindi, per ciclo del carbonio, ad ogni processo di ossidazione che dia luogo a sviluppo di CO2, sia che esso derivi dall’attività metabolica endocellulare, sia che si tratti di degradazione degli apporti organici, sia che riguardi propriamente la decomposizione finale della sostanza organica umificata. 4. PROCESSI COLLEGATI ALL’ UMIFICAZIONE MINERALIZZAZIONE

7. Il significato della sostanza organica nel ciclo del carbonio in natura può essere già desunto da una stima dei flussi di carbonio tra atmosfera , piante, animali e suolo, illustrati sinteticamente nella FIGURA 6. Se è vero che le stime di questo tipo vanno sempre considerate con particolare cautela, data l’impossibilità di ottenere cifre di valore assoluto e completamente generalizzabili, è anche vero che esse appaiono assai utili per comprendere l’importanza relativa dei singoli gruppi di popolazioni e comparti ambientali. Il suolo rappresenta una fucina di vita, e non sorprende che dal suolo provenga la maggiorparte della CO2 che rientra nell’atmosfera (fig.6). La sostanza organica è prima di tutto un’immensa riserva di carbonio, superata solo, a livello planetario, da altre riserve che possono considerarsi più o meno statiche: i carbonati che formano o vanno a costituire le rocce, i giacimenti fossili, l’immensa quantità di CO2 disciolta nelle acque ( gli oceani in questo senso vanno considerati come un enorme polmone in grado di tamponare anche sensibili variazioni del contenuto atmosferico di CO2). La stima delle quantità di carbonio in gioco nei diversi comparti delle terre emerse è ancora più illuminante e conduce di fatto all’attribuzione di una funzione di ciascun comparto nel ciclo del carbonio(VEDI FIGURA 7). Si dà per scontato che la funzione della CO2 presentenell’atmosfera (comparto 3, fig. 7) è quella di una riserva immediata di carbonio per la fotosintesi e che quella delle piante consiste nella cattura dell’energia solare che funge da motore per l’intero ciclo (comparto 2, fig. 7). L’energia e il carbonio “intrappolati” nelle piante serve ad alimentare la straordinaria massa di organismi viventi del suolo e gli uomini e gli animali che vivono sul suolo. Uomini e animali possono essere considerati, secondo i punti di vista, da parassiti a causa prima del ciclo. Funzione principale degli organismi viventi del suolo, sempre limitatamente al ciclo del carbonio, è quella dell’eliminazione di ogni rifiuto e residuo vegetale o animale, oltre a quello dell’edificazione della sostanza organica. L’immagazzinamento nel suolo della sostanza organica ha una funzione di conservazione dell’energia (comparto 1, fig. 7). IL SIGNIFICATO AMBIENTALE ED ENERGETICO DELLA SOSTANZA ORGANICA

8. TUTTA LA SUPERBIA E L’ARROGANZA DELL’UOMO DIPENDONO DA CIO’ CHE AVVIENE IN UNO STRATO DI CIRCA 50 CENTIMETRI DI TERRA (E. Righetti)