La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03)

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03)"— Transcript della presentazione:

1 Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) Aspetti chimico-fisici e biologici dellambiente "suolo" Modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dellambiente "suolo" Daniela Lippi e Maria Rita De Paolis Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale Area della Ricerca di Roma1 Montelibretti - Consiglio Nazionale delle Ricerche

2 Calendario degli incontri del modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dellambiente "suolo 1. Ecosistema suolo06/02 Artov 2. Pedogenesi20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo06/03 Mlib 5. Ciclo dellAzoto13/03 Mlib 1. Ecosistema suolo06/02 Artov 6. Ciclo del Carbonio20/03 Mlib 2. Pedogenesi20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo06/03 Mlib 5. Ciclo dellAzoto13/03 Mlib

3 Aspetti chimico-fisici e biologici dellambiente "suolo" 6. Ciclo del Carbonio Struttura e degradazione della cellulosa Parte teorica Introduzione e cenni sulle emissioni di CO 2 Assimilazione della CO 2 Ciclo della CO 2 nella biosfera D egradazione della sostanza organica

4 6. Ciclo del carbonio Carbonio totale 50 x t La quantità totale di carbonio presente sulla Terra, in forma organica e inorganica, è 71%22%1%3% Oceani e sedimenti come carbonati e bicarbonati Torba e materiali fossili: carbone, petrolio, metano Biomassa totale degli ecosistemi terrestri Fitoplancton e materia organica degli oceani Atmosfera Introduzione

5 per diffusione lungo le superfici di contatto Il carbonio in eccesso forma con lacqua carbonati e bicarbonati: gli oceani sono un potente sistema tampone per il mantenimento del contenuto di CO 2 nellatmosfera Il ciclo si fonda in gran parte sullo scambio di CO 2 tra i due principali serbatoi: latmosfera e gli oceani. Componente geochimica Respirazione t CO 2 Fotosintesi t CO 2 Piante Mineralizzazione t CO 2 CO 1-1,5% CH 4 Microrganismi AerobiAnaerobi Scambio 0,1% Fitoplancton Respirazione t CO 2 Fotosintesi Minerali Oceani t CO 2 Combustibili fossili t CO 2 Sedimenti t CO 2 Combustione t CO 2 Atmosfera t CO 2

6 Emissioni aggiuntive La concentrazione di CO 2 nellatmosfera è notevolmente cresciuta dopo la rivoluzione industriale: da circa 260 ad oltre 350 ppm Incremento del consumo di combustibili fossili Indiscriminato abbattimento delle foreste Intensificarsi di attività antropiche inquinanti L'alta concentrazione di CO 2 presente nellatmosfera forma una specie di schermo protettivo che impedisce ai raggi infrarossi, riflessi dalla superficie terrestre, di disperdersi verso lo spazio per cui la Terra si surriscalda Leccesso di anidride carbonica causa l'aumento della temperatura terrestre: I raggi solari: radiazioni a onde corte (raggi ultravioletti) radiazioni a onde lunghe (raggi infrarossi) raggiungono la Terra e la scaldano effetto serra

7 6. Ciclo del carbonio Il carbonio è lelemento centrale nella struttura della materia vivente, ma è la CO 2 il composto chiave coinvolto nel ciclo. Esso viene restituito allambiente utilizzato ProduttoriConsumatoriDecompositori PPN CO 2 prelevato I produttori assimilano la CO 2 e (5% PPN) la forniscono a consumatori e decompositori. Lattività di fotosintesi globale è tale che la riserva dell'atmosfera si esaurirebbe in circa 20 anni I microrganismi decompositori compiono la mineralizzazione e sono altrettanto essenziali dei produttori primari perché rinnovano le riserve di CO 2 dell'atmosfera Ciclo della CO 2 nella biosfera

8 6. Ciclo del carbonio Attraverso la fotosintesi clorofilliana, CO 2 ed H 2 O vengono combinate secondo una reazione di riduzione, per mezzo di un trasferimento di energia dalla luce solare: 6CO 2 + 6H 2 O + E C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Glucosio Assimilazione della CO 2

9 Fructo- oligosaccaride Ribosio C 5 H 10 O 5 Polisaccaridi (polimeri) costituiti da numerose molecole uguali o diverse, in qualche caso anche combinate con altri atomi oltre carbonio, idrogeno ed ossigeno Oligosaccaridi (oligomeri) formati da tre o poche molecole, - cellotriosio, 3 molecole di glucosio - cellotetraosio, 4 molecole di glucosio La principale via biochimica della CO 2 nelle piante riguarda il metabolismo dei carboidrati, e dei loro composti Monosaccaridi (monomeri) costituiti da una sola molecola: esosi (6 atomi di C) glucosio (zucchero che viene trasportato nel sangue), pentosi (5 atomi di C) fruttosio, arabinosio, ribosio, ramnosio,… Disaccaridi (dimeri) formati da due molecole uguali o diverse: - saccarosio, formato da glucosio e fruttosio, è lo zucchero trasportato nelle piante - lattosio, formato da glucosio e galattosio - cellobiosio, formato da 2 molecole di glucosio

10 La maggior parte della CO 2, fino a circa il 60%, è immobilizzata nella fitosfera come polimeri strutturali e di riserva Le piante legnose 75% di polisaccaridi suddivisi in 7 grandi gruppi 20% di lignina, (valore medio) 1% è il contenuto di proteine Le piante erbacee minore di lignina Composti solubili trasportati nella linfa, attraverso il sistema di vasi, dalle foglie a tutte le parti della pianta. Vi si trovano zuccheri semplici, aminoacidi, acidi alifatici, grassi, oli, resine, pigmenti…. Possono venire escreti dalle estremità radicali nel terreno: essudati radicali. Inoltre: maggiore di polisaccaridi contengono hanno un contenuto

11 I polimeri strutturali degli organismi vegetali sono le molecole organiche più abbondanti nella biosfera ed il substrato ideale per lazione dei decompositori Polimeri fenolici insolubili, molto complessi, con legami carbonio-carbonio molto stabili; Le due classi principali sono PolisaccaridiLigninee 3-6% nelle piante giovani, aumenta nel tempo fino a raggiungere 15-35% del peso secco Si legano fisicamente e chimicamente nelle pareti cellulari Cellulosa ed altri 6 tipi di polimeri Lamella medianaParete primariaParete secondaria Soprattutto pectine, si trova tra le pareti primarie di cellule adiacenti Si forma durante la crescita, deformabile, costituita da cellulosa, emicellulose, pectine, proteine Si può formare dopo la crescita, è interna, più spessa e rigida, costituita da cellulosa, emicellulose e lignine Lignificazione Parete secondaria Parete primaria Lamella mediana S1S1 S2S2 S3S3

12 2. Emicellulose 1. Amido Dopo la cellulosa, è il polimero più diffuso e rappresenta la principale riserva di carboidrati, viene accumulato in granuli variabili da 1 a 150 µ di diametro Polisaccaridi strutturali (oltre la cellulosa) insolubile, formato da due polimeri diversi del glucosio: amilosio, a struttura lineare, avvolta ad elica insolubili e diverse formate da esosi, pentosi e altre molecole, associate alla cellulosa nelle pareti cellulari 3. Pectine insolubili o solubili, formate da catene di acido galatturonico, si trovano come componenti della lamella mediana tra le pareti cellulari e tra le molecole di cellulosa 4. Inulina Piccola molecola di fruttosio, di riserva - sostituisce lamido 5. Gomme Essudati, contengono esosi e pentosi. Gomma arabica (Acacia) 6. Chitina Lunga catena di N-acetilglucosamina, con un atomo di N, molto insolubile. Funghi, insetti, ragni, crostacei Amilosio amilopectina, a struttura ramificata

13 E un polisaccaride altamente ordinato, insolubile, con una struttura semicristallina, contenente fino a molecole di glucosio Ciclo del carbonio 1. unite da legami 1,4ß-glucosidici in lunghissime catene lineari a maglie 2. le catene, unite tra loro da legami idrogeno, formano strutture a fasci dette micelle micelle sono unite a formare microfibrille 4. le microfibrille si attorcigliano come i fili di una corda e formano macrofibrille che 5. costituiscono un sistema di fibre intrecciate tra loro su diversi piani Micella Fibra di cellulosa Macrofibrilla 0,5 m Microfibrilla nm Molecola di cellulosa C 6 H 11 O Struttura della cellulosa

14 Nelle piante giovani è 15 % del peso secco, e diventa più del 50% nelle piante legnose adulte La cellulosa ha una resistenza pari a quella di una lamina di acciaio di uguale spessore La consistenza viene aumentata da altri polimeri: lignina, emicellulose o pectine, riempiono gli spazi tra le molecole di cellulosa Glicoproteina Microfibrilla Pectine Emicellulosa Ponti di Ca + tra le molecole di pectina E il composto organico più abbondante in natura e substrato di attiva degradazione in svariati ambienti. Ha caratteri Positivi Negativi Grandi dimensioni Insolubilità Assenza di azoto Struttura ordinata Legami uguali o simili Monomeri facilmente assorbibili

15 6. Ciclo del carbonio La cellulosa viene degradata solo da poche specie batteriche, da numerosi funghi, da alcuni attinomiceti e protozoi, in una grande varietà di ambienti Nel rumine degli erbivori la flora batterica agisce in un ambiente altamente acido, privo di O 2 e ad alta temperatura Nel compost sono attivi microrganismi termofili ( 60°C), aerobi e anaerobi Nel suolo la degradazione è condizionata dai fattori ambientali, dalla quantità di azoto disponibile e dalla presenza di altri polisaccaridi e di lignina, che rendono la cellulosa più inaccessibile In natura la completa degradazione della cellulosa è il risultato della azione combinata di una comunità microbica Degradazione della cellulosa

16 Nella diversità delle vie metaboliche, il meccanismo iniziale è comune: emissione di una batteria di enzimi extracellulari Microfibrilla Cellulasi C x complex Cellobiosio -Glucoside Nr R Endo 1,4 -glucanasi C1C1 Schema di degradazione proposto per il fungo Trichoderma Una endo 1,4ß-glucanasi rompe i legami glucosidici tra le molecole lungo la catena e libera le estremità riducenti (R) e non-riducenti (NR). Inoltre distrugge i legami idrogeno tra le molecole che formano le micelle 2. I prodotti sono accorciati da un complesso di enzimi, Cx, che contiene dieci o più endo- ed eso-glucanasi che staccano oligomeri 3. Gli oligomeri vengono idrolizzati fino a dare cellobiosio (dimero del glucosio) che per azione della 1,4ß-glucosidasi si divide nelle due molecole di glucosio

17 Modello di struttura della 1,4 -endoglucanasi Catena cellulosica L endoglucanasi ha un sito attivo esteso e caratterizzato da più sottositi Le catene di cellulosa scorrono nellansa dellenzima fino ad interagire nei siti di legame. Quando il legame glicosidico è alla distanza giusta dai residui del sito, viene bloccato e scisso Meccanismo di inibizione Inibitore Lendoglucanasi può essere inattivata da composti che simulano la cellulosa e portano un gruppo funzionale killer che si lega con legame covalente ai residui del sito catalitico

18 6. Ciclo del carbonio Il processo avviene in tre fasi: Completa ossidazione dei composti carboniosi con liberazione finale di CO 2 (inverso della fotosintesi) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + E 1. Biodegradazione - demolisce i composti organici presenti nella lettiera 2. Umificazione - trasforma i prodotti nelle sostanze umiche 3. Mineralizzazione - porta alla formazione ed emissione di CO 2 o di altri composti microrganismi aerobi eterotrofi: funghi e batteri In assenza di O 2, batteri anaerobi trovano altri accettori di elettroni e formano sostanze diverse dalla CO 2, con accumulo di acidi organici. Minore efficienza. Combustibili fossili. Nitrato N 2 Solfato H 2 S CO 2 CH 4 Bacillus, Pseudomonas Desulfovibrio Metanobatteri Desulfovibrio Mineralizzazione della sostanza organica


Scaricare ppt "Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03)"

Presentazioni simili


Annunci Google