LASOSTANZA ORGANICA NEL
SUOLO
CICLO DEL CARBONIO
CLASSI DI SOSTANZA ORGANICA
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:
Processi
Collegati
All’umificazione
Schema generale
1.
PROCESSI COLLEGATI ALL’UMIFICAZIONE
GLI APPORTI ORGANICI
.
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
14CO è possibile dimostrare che gli
2
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).
1.
2.
3.
Le secrezioni
sono
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).
2.
PROCESSI COLLEGATI ALL’UMIFICAZIONE
LA DEGRADAZIONE DEGLI APPORTI ORGANICI
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.
3.
PROCESSI COLlEGATI ALL’UMIFICAZIONE
POLIMERIZAZIONE E RESINTESI
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 di resintesi 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.)
4.
PROCESSI COLLEGATI ALL’ UMIFICAZIONE
MINERALIZZAZIONE
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.
IL SIGNIFICATO AMBIENTALE ED ENERGETICO DELLA SOSTANZA ORGANICA
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 presente nell’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).
TUTTA LA SUPERBIA E L’ARROGANZA
DELL’UOMO DIPENDONO DA CIO’ CHE
AVVIENE IN UNO STRATO DI CIRCA 50
CENTIMETRI DI TERRA
(E. Righetti)