La fertilità biologica è espressione dell’attività delle entità biotiche residenti nel terreno che stabiliscono associazioni e biocenosi dinamiche ed interagenti, promuovono processi biologici di rilevante significato ecologico e forniscono servizi ecosistemici.

La fertilità biologica

Soil biota and associated size range

La porosità costituisce la sede dell’attività biologica

Gli spazi tra gli aggregati ed all'interno degli aggregati possono ospitare, in presenza di un film d’acqua, dei micro-ambienti, della dimensione di poche decine di µm, in cui si sviluppa la microflora tellurica che esprime l’80-90% dell’attività biologica totale di un suolo (Stotzky, 1997).

Processi biologici che hanno sede nel suolo:

Dinamica dei cicli biogeochimici degli elementi (C, N, P, S), rilascio dei nutrienti ed emissione di GHGs

Degradazione della sostanza organica e sintesi dell’humus

Degradazione di molecole xenobiotiche

Azotofissazione biologica

Rilascio di enzimi extracellulari

Genesi della struttura

Interazione pianta-suolo-patogeni

Essential functions performed by different members of soil organisms (biota)

Essential functions performed by different members of soil organisms (biota)

Servizi ecosistemici essenziali garantiti dal biota del suolo (Bunning and Jimenez, 2003)

Decomposizione e riciclo della sostanza organica

Regolazione della disponibilità degli elementi nutritivi (C, N, P, S)

Controllo dei patogeni tellurici (soppressività)

Interazioni pianta-suolo

Batteri, funghi ed attinomiceti (decompositori primari). Meso e macrofauna

Funghi micorrizici, attinomiceti, batteri azotofissatori, batteri che mineralizzano l’azoto, etc.

Batteri (Bacillus thuringiensis, Pseudomonas fluorescens , etc.) funghi (Trichoderma harzianum, Beauvaria bassiana, etc.)

Microrganismi della rizosfera, PGPR, Rhizobium spp., micorrize, etc.

La popolazione microbica della rizosfera interagisce dinamicamente con l’apparato radicale della pianta

Scambio di metaboliti tra pianta e microrganismi del suolo

The microbial loop in soil

Servizi ecosistemici essenziali garantiti dal biota del suolo (Bunning and Jimenez, 2003)

Genesi della struttura del suolo e regolazione dei processi idrologici

Scambi gassosi e sequestro del carbonio

Degradazione di molecole xenobiotiche

Rilascio di enzimi extracellulari

Escavazione da parte di lombrichi, formiche e termiti, apparati radicali, micorrize

Microrganismi e radici delle piante

Batteri (Pseudomonas spp., Micrococcus spp.) e funghi

Batteri, funghi, radici, pedofauna

I lombrichi sono organismi geobionti, si nutrono di materiali organici attraversando ed ingerendo il suolo. Nei suoli di prateria depositano sino a 30 t/ha/anno di deiezioni (earthworm casts).

1 = specie epigeiche 2 = specie aneciche 3 = specie endogeiche 4 = deposizioni superficiali di escrementi

Indicatori della fertilita’ biologica del suolo e loro significato diagnostico

PARAMETRO INFORMAZIONE

Biomassa microbica Dinamica degli elementi nutritivi, impatto di composti inquinanti e delle pratiche

colturali

Respirazione basale Ossidabilità della sostanza organica, impatto di fattori ambientali e/o antropici

sullo stato fisiologico delle comunità microbiche

Azoto potenzialmente

mineralizzabile

Attività enzimatiche Dinamica degli elementi nutritivi, impatto degli inquinanti e delle pratiche colturali

Carica microbica Dimensione della comunità microbica, impatto di sostanze inquinanti e delle pratiche

colturali

Struttura delle comunità

microbiche

Microfauna (protozoi e

nematodi)

Disponibilità degli elementi nutritivi, impatto di composti inquinanti e delle pratiche

colturali

Mesofauna (collemboli ed

acari)

Presenza di inquinanti

Macrofauna (lombrichi) Impatto degli inquinanti e delle pratiche colturali

Piante bioindicatrici Proprietà chimiche e fisiche del suolo, monitoraggio di inquinanti inorganici

Indicatori di diversità (S,

H’, E)

Stima della diversità tassonomica e/o metabolica delle comunità biotiche, capacità

di risposta e di adattamento a fattori di pressione ambientale e/o antropica

Stima della potenzialità del suolo a rifornire le piante di azoto, potenzialità di

lisciviazione del nitrato

Presenza di gruppi eco-fisiologici all'interno delle comunità microbiche, capacità di

risposta e di adattamento delle comunità microbiche ai fattori di pressione

ambientale e/o antropica

Indicatori biochimici

Quantità della biomassa microbica

Metodo della fumigazione con CHCl3 ed incubazione per 10 giorni a 25°C

Metodo della fumigazione con CHCl3 ed estrazione con 0.5 M K2SO4

CHCl3

Determinazioni analitiche: MBC, MBN, MBP

Determinazione del C e dell’N della biomassa microbica con il metodo della fumigazione con

CHCl3

Microbial biomass C as an early and reliable indicator of soil management

Indicatori biochimici

Attività della biomassa microbica

La respirazione del terreno (Rbas) Viene sperimentalmente determinata come sviluppo di CO2 emessa dal

suolo a seguito della mineralizzazione della sostanza organica.

Dipende dalla natura e dalla quantità del residuo organico.

La respirazione del terreno può essere stimata mediante misure in

laboratorio oppure mediante monitoraggi eseguiti in situ.

Nelle misure in laboratorio l’efflusso di CO2 indica le potenzialità della componente microbica del terreno di mineralizzare substrati organici naturalmente presenti o sperimentalmente addizionati. Viene determinata mediante incubazioni in condizioni ambientali controllate.

Tempo (giorni)1 4 7 14 21 28

g

CO

2-C

(g

su

olo

)-1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

P100

P100/B50

F100/B50

F100

B100

F50/B50

P50/B50

Curve di respirazione basale di un suolo agrario

Ct = Co(1-e-kt

)

Field measurements

Per misurazioni di campo si utilizzano sistemi portatili di tipo dinamico chiuso collegati ad un sistema di campionamento del flusso di gas dal suolo (una camera di prospezione o survey chamber).

Nelle misure in situ l’efflusso di CO2 indica il livello di attività biologica dell’intera comunità vivente del suolo comprensiva dei microrganismi, della pedofauna e degli apparati radicali delle piante.

Kuzyakov, 2006

Respirazione eterotrofa: 65-80%

Respirazione autotrofa: 15-30%

Nelle misure in situ l’efflusso di CO2 indica il livello di attività biologica dell’intera comunità vivente del suolo comprensiva dei microrganismi, della pedofauna e degli apparati radicali delle piante.

CO

2 e

fflu

x (

mo

l C

O2 m

-2 s

-1)

0

2

4

6

8

10

S + maize

S

0

2

4

6

8

COM_0 + maize

COM_0

0

2

4

6

8

COM_18 + maize

COM_18

Time (days)

0 8 16 24 32 40 48 56 640

2

4

6

8

COM_36 + maize

COM_36

Azoto potenzialmente mineralizzabile (No)

Viene stimato dosando analiticamente l’N inorganico prodotto, senza aggiunta di substrati, in esperimenti di laboratorio in un intervallo di tempo definito ed in condizioni controllate.

Incubazioni di breve periodo (a 30 °C per 15 giorni) ed estrazione con 2M KCl (Bremner, 1965).

Incubazioni di lungo periodo (a 35 °C per 30 settimane) ed estrazione con 0.01 M CaCl2 (Stanford e Smith, 1972).

Determinazione del potenziale nitrificante/ammonizzante

Si utilizzano substrati degradabili che stimolano l’attività dei microrganismi del suolo, quali (NH4)2SO4, caseina lattica, arginina

Indicatori biochimici

Attività della biomassa microbica

Noti gli indicatori biochimici è possibile calcolare gli indici ecofisiologici

MBC/MBN = Rapporto C/N della biomassa microbica

qCO2 = Quoziente metabolico (µg CO2-C∙µg-1 MBC∙d-1)

MBC/TOC = Quoziente microbico

qNmin = µg Nass∙µg-1 MBN∙ d-1

qM = Rbas/TOC (coefficiente di mineralizzazione)

qCO2/TOC

Indicatori biochimici: gli enzimi del suolo

Soils are enzymatically active (Ladd, 1985)

Burns, 1978

Gli enzimi presentano nel suolo diverse localizzazioni, rimanendo attivi anche al di fuori della cellula d’origine

Gli enzimi immobilizzati sui colloidi organo-minerali svolgono un rilevante ruolo nell’ecologia del suolo

in quanto si comportano da mediatori funzionali tra i substrati ad elevato peso molecolare rilasciati nel suolo e le cellule microbiche

Glucosidasi (α, b) e Galattosidasi (α, b)

Le glucosidasi e le galattosidasi sono largamente presenti nel suolo e rappresentano gli enzimi chiave del ciclo del carbonio. Idrolizzano la sostanza organica liberando residui glicosidici (glucosio o galattosio) utilizzati dai microrganismi del suolo come fonte energetica. L’attività, che in molti suoli è risultata significativamente correlata con le pratiche agronomiche, è da considerarsi un ottimo indice per la valutazione delle performance produttive e del grado di evoluzione dei suoli.

Enzimi del suolo usati come indicatori biochimici

Ureasi

Questo enzima catalizza la reazione di idrolisi dell’urea in anidride carbonica ed ammoniaca. L’ureasi è ubiquitaria in natura ed è stata rinvenuta nei microrganismi, nelle piante e negli animali. Il dosaggio enzimatico dell'ureasi, importante per valutare gli effetti prodotti sul ciclo dell'azoto nel suolo in seguito ad interramento di biomasse vegetali o di ammendanti organici, animali o vegetali, può risultare alterato in seguito ad interventi di concimazione con prodotti ammoniacali.

Enzimi del suolo usati come indicatori biochimici

Amidasi e proteasi

Amidasi e proteasi sono importanti enzimi del ciclo dell’azoto nel suolo. Promuovono la degradazione delle proteine mediante l'idrolisi del legame C-N liberando azoto nella forma ammoniacale. Sono ampiamente distribuite nel suolo, nelle piante, nei lieviti e nei funghi. Rappresentano un utilissimo indice dell’evoluzione della sostanza organica nel suolo. L'attività amidasica risulta correlata con quella della b-glucosidasi.

Enzimi del suolo usati come indicatori biochimici

Fosfatasi

Le attività fosfatasiche partecipano al ciclo del fosforo in quanto catalizzano il rilascio del fosfato (fosfomonoesterasi) o del pirofosfato (fosfodiesterasi) da matrici organiche, rendendo l'elemento disponibile per la nutrizione minerale delle piante. Le fosfomonoesterasi sono classificate in acide e basiche in base al loro optimum di attività in risposta al pH del suolo. L'attività fosfatasica è considerata un buon indice per valutare la potenziale mineralizzazione del fosforo organico. L'aggiunta di concimi minerali fosfatici deprime sensibilmente l’attività fosfatasica.

Arilsulfatasi

Le sulfatasi mobilitano il solfato contenuto in misura del 40-70% del totale nel pool organico del suolo sotto forma di esteri. Le sulfatasi sono considerate potenziali indicatori degli effetti prodotti dalle pratiche agronomiche.

Enzimi del suolo usati come indicatori biochimici

FDA-idrolasi

L’idrolisi del diacetato di fluoresceina (FDA) riassume l’attività idrolitica complessiva di numerosi enzimi quali: proteasi, lipasi, esterasi. E' relazionata alle attività demolitive di tipo idrolitico dei funghi e dei batteri. In tal senso l'attività della FDA-idrolasi rappresenta un indice complessivo del potenziale di rilascio di nutriliti inorganici da matrici organiche.

Enzimi del suolo usati come indicatori biochimici

Deidrogenasi

Le deidrogenasi sono una classe di enzimi comuni alla maggior parte dei microrganismi, con una localizzazione prevalentemente endocellulare. Sono studiate in quanto partecipano alla evoluzione della sostanza organica del suolo, alla degradazione della lignina, alla sintesi dell'humus, alla degradazione dei xenobiotici. Tuttavia l’attività deidrogenasica non risulta correlata con altre importanti attività biologiche proprie del suolo quali: il consumo di ossigeno, l’evoluzione della anidride carbonica e la biomassa microbica. Inoltre, la presenza di fenolo-ossidasi extracellulari e la possibilità di reazioni abiotiche di tipo deidrogenasico-simile catalizzate da superfici metalliche presenti nel suolo, possono facilmente produrre letture sovrastimate di questa attività enzimatica. Pur con questi limiti le deidrogenasi sono utilizzate come indicatori della vitalità delle popolazioni batteriche.

Indicatori microbiologici e molecolari

Indicatori microbiologici

Dosaggio della carica microbica Rappresenta il numero di microrganismi, appartenenti ad un gruppo fisio-tassonomico generale (lieviti, funghi, batteri, actinobacteri, protozoi), oppure ad uno specifico gruppo fisiologico o funzionale (azotofissatori, proteolitici, ammonificanti, nitrificanti, denitrificanti, cellulosolitici, solfo-ossidanti, etc.), normalmente stimati in relazione al grammo di suolo.

Si può stimare la

dimensione (quantità), o la

composizione (qualità) della microflora tellurica.

Può essere determinata per via

diretta (osservazione al microscopio)

indiretta (colturale)

La carica microbica per via diretta

Si utilizzano dei coloranti per marcare cromaticamente le cellule microbiche da osservare successivamente al microscopio

Batteri

Funghi

La carica microbica per via indiretta

La carica microbica viene determinata utilizzando terreni colturali agarizzati (in piastra) oppure liquidi, validi per gruppi generici di microrganismi, oppure “selettivi”

Schema generale di estrazione dal suolo e messa in coltura di cellule microbiche

Dopo incubazione delle piastre, le colonie formate vengono enumerate

solo una frazione (0.1-10%) della popolazione microbica del suolo può essere studiata e classificata secondo l’approccio microbiologico classico. Ciò è dovuto a:

1) esistenza di nuove specie non ancora descritte e intrinsecamente non coltivabili

2) scarsa o difficile coltivabilità a causa di:

esigenze trofiche (sintrofia) meccanismi di comunicazione cellulare (quorum

sensing) strategie di crescita diverse (r e K strateghi)

Tuttavia…

Metodi di analisi molecolare

Permettono lo studio delle comunità microbiche del suolo in relazione alla loro composizione, struttura, dinamica e funzione

Analisi di steroli e di fosfolipidi di membrana (FAME, PLFA)

Analisi di acidi nucleici (DNA e RNA)

Acidi grassi di fosfolipidi (PLFA)

Dosaggio dell’ATP

Dosaggio del DNA

per g soil: µg BC = 5.8·nmol total PLFA

per g soil: µg BC = 6.0·µg DNA

Metodi di indagine molecolare

Il 16S rDNA rappresenta la molecola di elezione per l’analisi della diversità batterica ed è attualmente la biomolecola più utilizzata nelle indagini di relazioni filogenetiche e di caratterizzazione biomolecolare per lo studio delle comunità batteriche del suolo.

Broad and narrow processes and the insurance principle

Ecosystem functions can be split into broad or narrow processes. Broad processes tend to be carried out by a greater number of species or groups of organisms, whereas narrow processes tend to be carried out by fewer species or groups of organisms and so are more easily compromised by ecological disturbances. This has lead to the formulation of a widely accepted theory known as “functional redundancy”, whereby functions may not be affected by the loss of a species from an ecosystem if other species are able to perform the same function. Again, it is important to note that here redundancy is not a negative term, but relates to the fact that several organisms performing the same task means that there is insurance within the system and if one organism group is lost another can continue to perform the function.

Does biodiversity matter?

Does biodiversity matter?

Indici di diversità La diversità di una comunità risulta collegata al numero di specie (S) ed al numero di individui (N) che le rappresentano, e viene comunemente espressa mediante tre indici: la ricchezza specifica S, l'eterogeneità H’ e l'equiripartizione E.

La ricchezza specifica è data dal numero S di specie nella comunità.

L'eterogeneità H’ viene diffusamente calcolata mediante l'indice di diversità di Shannon-Weaver (detto anche di Shannon-Wiener):

S

i

ii

N

N

N

NH

1

2log'

L’indice di equiripartizione (E), infine, è dato dal rapporto tra la diversità reale misurata e quella massima teorica possibile per il numero di specie osservato (H'/Hmax, dove Hmax=log2S), e quantifica la disomogenea ripartizione degli individui tra le specie.