Il Suolo: ecosistema complesso, microrganismi e cicli biogeochimici

SECONDA PARTE

Lorenzo Centritto

IL SUOLO

Microcolonie

L'ecosistema suolo è estremamente complesso, variegato e dinamico; a seconda della presenza della frazione minerale, della materia organica e degli esseri viventi, si creano condizioni estremamente differenziate (ad es. l'acqua che può essere trattenuta con maggiore o minore forza a seconda dei minerali con i quali interagisce, i diversi gradienti di O2 che si formano con la respirazione dei microrganismi ecc.). La complessità del sistema suolo è tale che, quando si vuole misurare il pH, viene misurato un pH medio > infatti il pH varia enormemente tra i diversi microhabitat di uno stesso suolo (a seconda degli acidi organici rilasciati dai diversi microrganismi). Per quanto riguarda gli esseri viventi, la complessità di questo ecosistema dipende molto, oltre alla presenza microbica, dalla presenza delle piante, della mesofauna e della microfauna (insetti): le piante rilasciano enormi quantità di sostanza organica nel suolo (ad es. i fotosintati attraverso l'apparato radicale in condizioni di stress), la quale funziona da volano per la microfauna, il cui metabolismo a sua volta induce nuovi cambiamenti nell'ambiente.

i microrganismi svolgono numerosi ruoli essenziali nel suolo:

1. Chiudono il ciclo della sostanza organica: quest'ultima viene rilasciata dalla morte di piante e animali e l'azione microbica (anche in parte quella della meso e microfauna) garantisce che questa venga mineralizzata; infatti negli ambienti dove le basse T e le condizioni di anaerobiosi portano ad una riduzione dell'attività microbica (ad es. le torbiere), si ha accumulo di sostanza organica (il C organico stabile non viene degradato e risulta escluso dal ciclo). Inoltre in generale contribuiscono al ciclo dei nutrienti, influenzandone la disponibilità e mantenendo la fertilità del suolo.
2. Svolgono l'importante funzione di degradare numerosi composti inquinanti rilasciati dall'uomo nell'ambiente, come ad esempio il glifosato (erbicida contenente P) e gli idrocarburi.
3. Partecipano alla strutturazione del suolo. Ad esempio i funghi, attraverso le ife, cementano le particelle di suolo, creando le condizioni fisiche che consentono la crescita della pianta.
4. Svolgono un ruolo essenziale nella nutrizione e per salute delle piante (il 90% delle piante è micorrizata > demanda ai funghi l'acquisizione di H2O ed elementi nutritivi).Il suolo è un sistema molto dinamico e nessun gruppo microbico è attivo in tutte le circostanze, così che sono necessarie diverse popolazioni per garantire gli importanti processi che vi avvengono; ancora non sono ben chiare le relazioni esistenti tra dimensioni, diversità e attività delle popolazioni microbiche del suolo e la qualità dei suoli (anche perché non esiste un parametro ben definito che permetta di misurare la qualità dei suoli), ma è dimostrato che un suolo più ricco di biodiversità è un suolo più in salute (in grado di reagire meglio a traumi) rispetto ad uno meno biodiverso. Il processo che porta ad aumentare la presenza microbica in un suolo consiste nell'aumento della concentrazione di materia organica > proporzionalità diretta.

Qualsiasi processo che porti ad una perdita di produttività di un suolo rientra nel fenomeno più ampio di desertificazione (il quale sta colpendo particolarmente il bacino del mediterraneo); i principali apporti alla desertificazione riguardano:

• Perdita di sostanza organica (sotto l'1% un suolo viene considerato desertificato)
• Fenomeni per portano all'innalzamento delle T
• Aumento della concentrazione di Sali (ad es. per la penetrazione dell'acqua marina nell'entroterra)

Questi parametri sono direttamente collegati, dal momento che l'aumento della T, porta all'aumento dell'attività microbica, che va ad aumentare la velocità con cui viene degradata la sostanza organica fino al suo esaurimento. La diminuzione della materia organica in seguito porta alla riduzione della presenza microbica, che comporta la diminuzione della microfauna (la quale si ciba di microrganismi).

SVILUPPO DI UNA COMUNITÀ MICROBICA DI UN SUOLO

Una comunità microbica di un suolo è costituita da tutte quelle popolazioni che vivono ed interagiscono in tale ambiente. Lo studio di come queste si sviluppino viene svolto in ambienti resi sterili in seguito ad eventi traumatici (incendi, eruzioni); quindi inizia con l'osservazione della colonizzazione di tali ambienti e procede con lo studio dell'evoluzione della successione, con il conseguente aumento della complessità delle comunità che si formano. I microrganismi pionieri per antonomasia sono i cianobatteri, spesso in simbiosi con i funghi a formare i licheni.

SUCCESSIONE

La successione ecologica è il processo attraverso il quale le specie occupano un ambiente fisico e ne determinano le modificazioni.

• Le successioni hanno quindi inizio con la colonizzazione ( o successione primaria), la quale si contraddistingue per la bassa diversità tra le popolazioni pioniere > non essendoci disponibilità di molte risorse, è necessario inoltre che i microrganismi presenti abbiano relativamente poche richieste nutrizionali.
• Le successive fasi della successione, che ne rappresentano l'evoluzione, sono dette autotrofiche; durante le successioni autotrofiche, la sostanza organica che viene prodotta attraverso la fotosintesi è maggiore di quella che viene consumata dalla respirazione, facendo sì che ve ne sia un accumulo.
• Man mano che aumenta la sostanza organica disponibile, aumenta la biodiversità microbica, fino ad arrivare allo stadio climax, dove le varie comunità raggiungono una relativa stabilità > si mantiene un certo livello di diversità (pur restando sempre una fluttuazione, relativa sia al numero che alle specie, dovuta al dinamismo del sistema suolo), grazie al fatto che il tasso di fotosintesi e respirazione si equivalgono.
• La fase eterotrofica di una successione, spesso indotta da eventi che vanno ad alterare la stabilità della fase climax, porta ad un maggior consumo di materia organica rispetto a quella prodotta; tale condizione, genericamente temporanea, può portare alla desertificazione del suolo.

STRATEGIE DI SOPRAVVIVENZA E SVILUPPO DEI MICRORGANISMI NEL SUOLO

Esiste una relazione che lega la strategia di sviluppo dei microrganismi con le caratteristiche intrinseche degli ecosistemi; le 2 differenti strategie di sopravvivenza nel suolo, hanno portato a distinguere:

1. Microrganismi a selezione r (zimogeni) > Le specie a strategia r sono specie pioniere (dette anche opportuniste). Tali specie sono infatti in grado di sfruttare condizioni favorevoli transitorie, colonizzando rapidamente l'ambiente, ma le loro popolazioni cadono drasticamente al sopraggiungere di condizioni sfavorevoli. Hanno la capacità di poter crescere velocemente appena si rendono disponibili le risorse (sostanza organica semplice); infatti si trovano in condizioni di vantaggio biologico a bassi livelli di biodiversità e in occasione di flussi eccedenti di energia e materia. Per questi motivi le specie a strategia r hanno il sopravvento negli ecosistemi giovani, in quelli degradati e, in generale, in quelli soggetti a forti variazioni stagionali. Un esempio sono le Pseudomonas.
2. Microrganismi a selezione k (autoctoni) > Si tratta di specie molto più esigenti da un punto di vista nutrizionale, in grado di degradare sostanza organica complessa (ad es. gli Attinomiceti) e necessitano di condizioni ambientali stabili e in equilibrio. In tali condizioni manifestano una notevole competitività arrivando a colonizzare stabilmente l'ecosistema. Si trovano in condizioni di vantaggio ad alti livelli di biodiversità e con flussi di energia e materia stabili. Per questi motivi le specie a strategia K hanno il sopravvento negli ecosistemi maturi e in quelli più produttivi.

RIDONDANZA FUNZIONALE

Attraverso un'elevata biodiversità microbica presente in un suolo, la quale implica moltissime differenti popolazioni, con diversi metabolismi, si può essere certi che una determinata funzione venga esplicata; questo perché uno stesso processo viene portato avanti da microrganismi diversi e anche in seguito a cambiamenti delle condizioni ambientali, vi saranno sempre specie in grado di garantirne lo svolgimento. Diversità in questo caso significa stabilità.

CICLI BIOGEOCHIMICI

Descrivono il movimento e la conversione dei materiali fra la porzione abiotica e biotica (nel momento in cui vengono incorporati nella sostanza organica, del nostro ecosistema. Tali cicli dovrebbero rappresentare tendenzialmente sistemi in equilibrio, nonostante le fluttuazioni dovute a cause naturali che da sempre si sono registrate; l'attività antropica però, che ha influenza determinante su questi cicli, ha progressivamente introdotto delle modificazioni, che con il tempo si sono rivelate sempre più significative, rispetto all'alterazione della condizione di equilibrio di tali cicli.

Tutti gli organismi partecipano al ciclo della materia, ma i microrganismi, per il loro essere ubiquitari, per la diversità metabolica e per l'alto tasso di attività enzimatica, giocano il ruolo più importante. Tanto i meccanismi, quanto la velocità a cui avvengono le varie trasformazioni di un ciclo, dipendono in primo luogo dall'azione microbica, a sua volta condizionata da fattori relativi all'ambiente e al composto in cui è presente l'elemento in questione.

TRASFORMAZIONI

I cicli consistono in una serie di trasformazioni che si verificano periodicamente (ad intervalli regolari); tali trasformazioni possono essere:

• Fisiche
  • Dissoluzione > passaggio dalla fase solida alla fase liquida di un composto.
  • Precipitazione > processo inverso alla dissoluzione.
  • volatilizzazione > passaggio dalla fase solida alla fase gassosa di un composto.
  • fissazione > processo inverso alla volatilizzazione.
• Biochimiche
  • Sintesi > ad esempio attraverso la fissazione della CO2.
  • Degradazione > processo inverso alla sintesi.
  • Trasformazioni ossido-riduttive