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

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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 1. Ecosistema suolo06/02 Artov 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo06/03 Mlib 5. Ciclo dellAzoto13/03 Mlib 6. Ciclo del Carbonio20/03 Mlib 2. Pedogenesi20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo27/02 Mlib

3 Aspetti chimico-fisici e biologici dellambiente "suolo" 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo La rizosfera Cenni di fisiologia Parte teoricaEsperienze di laboratorio Comunità microbiche e biodiversità Identikit Analisi microbiologica dei campioni Conta microflora totale Metodi di rilevamento

4 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo Le pratiche agronomiche intensive sono responsabili della sua riduzione per limpoverimento delle proprietà fisiche, chimiche, biologiche e di biodiversità che sono basilari per la sostenibilità dell'ecosistema, con una conseguente diminuzione della fertilità del suolo e della sua resilienza La qualità del suolo dipende da Condizioni strutturaliSostanza organica (Tuttavia) ……. Resilienza = Capacità di recupero di un sistema ecologico, una volta passati gli elementi perturbatori Aspetti fondamentali della qualità del suolo sono mantenimento e ripristino della sostanza organica, la cui formazione è un processo reversibile Comunità microbiche e biodiversità

5 Il suolo è una comunità di organismi, ricca di relazioni, nella quale la biodiversità e la funzionalità delle popolazioni sono essenziali per lefficienza. Una comunità ricca in biodiversità, con organismi fisiologicamente diversi, è più resistente e stabile perché può superare meglio i cambiamenti ambientali per la maggiore capacità di adattamento (in particolare i microrganismi). Adattamento fisiologico Tuttavia lesistenza dellecosistema suolo si basa sulle comunità microbiche Adattamento genetico l'organismo adotta temporaneamente un diverso metabolismo si ha per mutazione genetica più frequente, avviene rapidamente, può essere di breve durata evento raro, avviene lentamente, è duraturo

6 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo Microrganismi del suolo: Quanti sono?Dove vivono?Come vivono?Cosa fanno? Batteri Attinomiceti Funghi Alghe Protozoi Chi sono? Maggioritari Antibiotici Micorrize Fotosintesi Predatori Identikit

7 Quanti sono? Batteri Biomassa 50% biomassa totale Alghe Protozoi 1% dei microrganismi Il suolo stesso è un organismo vivente: In circa 10 grammi il numero può superare 9 miliardi. Funghi Biomassa è 10 volte la biomassa batterica Maggior numero Gram-positivi Gram + Gram - Numericamente più abbondanti: per grammo

8 Il numero dei microrganismi si riduce con l'aumentare della profondità. Maggiore presenza negli strati superiori perchè: maggiore quantità di sostanza organica, maggiore diffusione di ossigeno, più acqua, presenza di radici: 0 - Lettiera e strato organico A - Strato attivo minerali e humus B - Strato inerte minerali e poca S.O. C - Substrato pedogenetico alterato R C R - Roccia madre rizosferaambiente favorevole

9 Circa il 23% dei batteri vivono isolati mentre il 60% si raggruppa in microcolonie di 3-6 individui ed il resto forma colonie più numerose. Dove vivono? Sulla superficie delle particelle di argilla o di humus, tenacemente attaccate alle particelle stesse che sono circondate da una sottilissima pellicola dacqua: stato di adsorbimento. A S SS S S S L L Sostanza organica Argilla Acqua circolante nel terreno Sabbia Ife fungine Batteri Limo

10 Come vivono? Le popolazioni presenti sono le più adattate alle condizioni abiotiche Lambiente modella la composizione delle comunità Le popolazioni modificano la composizione dellambiente La comunità è in equilibrio con lambiente Ampiezza ecologica - Fattore limitante - Comportamento alimentare Autoctoni o indigeniZimogeni o alloctoni Attività costante a basso livello Utilizzano costituenti umici e residui vegetali Ben adattati e poco sensibili alle variazioni ambientali Capacità di lunga sopravvivenza Situazione di oligotrofia (= carestia) Rapida crescita e forte attività per brevi periodi Decompongono sostanza organica fresca Molto sensibili alle variazioni trofiche e ambientali Scarsa capacità di sopravvivenza Situazione di eutrofia (= banchetto)

11 Zimogena Autoctona Aggiunta di substrato Popolazione microbica Tempo (giorni) Curve di crescita della microflora autoctona* e zimogena* del suolo * definizioni di Winogradsky

12 Cosa fanno? Sono soprattutto impegnati nelle decomposizioni biologiche, attraverso le quali il carbonio immagazzinato negli organismi viventi viene ossidato a CO 2 I microrganismi sono in grado di fare quasi tutto, meglio dei biologi o dei chimici o di tutti! (Perlman, 1979) Sono responsabili delle trasformazioni biologiche nei cicli biogeochimici, nei quali viene messa in evidenza la biodiversità microbica Sono i fornitori ufficiali di sali minerali, azoto, vitamine, ormoni … per le piante, dalle quali ricevono zuccheri e aminoacidi Pertanto, esiste un habitat privilegiato nel quale si stabiliscono rapporti specifici di cooperazione tra microrganismi e piante La rizosfera

13 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo Porzione di suolo che circonda le radici, viene suddivisa in tre zone : 1) ectorizosfera = strato di suolo ad immediato contatto con le radici (pochi mm) 2) rizoplano = superficie esterna delle radici 3) endorizosfera = dalla superficie delle radici ai primi strati cellulari interni Rizodeposizione" = flusso di C fotosintetico, fino al 50%, dalle radici al terreno. 1) Essudati a basso peso: zuccheri, aminoacidi, acidi organici e fenoli 2) Essudati ad alto peso: polisaccaridi, detti anche "mucillagini, ed ectoenzimi 3) Mucigel: insieme delle mucillagini mescolate con le popolazioni microbiche del rizoplano, i loro metaboliti e particelle di suolo 4) Lisati: prodotti di lisi di cellule epidermiche senescenti La rizosfera Comprende:

14 Nella rizosfera la biomassa microbica raggiunge valori molto più elevati che in altre aree di suolo Tra le radici e le popolazioni microbiche della rizosfera possono instaurarsi diverse interazioni simbiontiche: Effetto rizosfera simbiosi mutualistica = protocooperazione = simbiosi mutualistiche con batteri e funghi presenti nella rizosfera associazione vantaggiosa necessaria alla sopravvivenza di entrambe le componenti associazione vantaggiosa ma non necessaria Leguminose + Funghi micorrizici VAM (vescicular arbuscular mycorrizhae) ECM (ectomycorrizhae) Moltissime piante e alberi ( 90%) + Rizobi (batteri azotofissatori)

15 Le micorrize Il fungo fornisce acqua e sali, la pianta zuccheri EndoEcto Cresce tra le cellule radicali e sulla superficie (tutte le conifere) Tartufi e Funghi Cresce allinterno delle cellule radicali: Vescicole Arbuscoli Ciclo di infezione della micorriza arbuscolare (VAM)

16 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo Possono avere uno o più flagelli: strutture locomotorie lunghe e sottili I batteri, dal greco "bastoncino", organismi unicellulari microscopici (1-10 ) costituiscono il regno dei procarioti La cellula batterica ha tre strati di rivestimento Assenza della membrana nucleare Dalla capsula esterna emergono delle estroflessioni del citoplasma (pilus): assorbono le sostanze nutritive e permettono l'ancoraggio alle superfici Il materiale genetico è costituito da un doppio filamento di DNA circolare e da ribosomi (sintesi delle proteine) liberi nel citoplasma Possono essere presenti i plasmidi, molecole di DNA accessorie più piccole capsula esterna parete cellulare rigida membrana cellulare semipermeabile Cenni di fisiologia

17 Moltiplicazione cellulare: scissione o divisione binaria (batteri) gemmazione (lieviti) crescita apicale (funghi) I principali fattori fisici e chimici che determinano la riproduzione e la crescita dei microrganismi sono la temperatura, il pH e l'ossigenazione. Temperature cardinali Ottimale Limite inferiore Limite superiore 35°C batteri 30°C funghi 12°C mammiferi Psicrofili tra -5° e 30°C Mesofili tra 15° e 50°C Termofili tra 55° e 90°C Funghi 5 Acidofili 7 Neutrofili = 7 Basofili 7 Aerobi, 0,21 atm DOT, limite di tossicità Anaerobi facoltativi, +/- ossigeno Microaerofili, 0,21 atm Anaerobi obbligati, senza ossigeno

18 Il lato artistico... Dalla Biennale di Venezia, Padiglione francese, Nov …Funghi e attinomiceti

19 Analisi microbiologica dei campioni Il numero delle cellule microbiche nel suolo può essere determinato: 1 ml Sospensione di terreno Conte dirette al microscopio ottico o allepifluorescenza o elettronico a scansione Metodo delle diluizioni di sospensioni di suolo Tecnica del vetrino interrato Se la superficie del vetrino è pulita, non è selettiva, e agisce come le particelle minerali del suolo Valori in difetto Valori in eccesso Metodi di rilevamento 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo

20 Il numero dei batteri calcolato con metodi colturali è di circa batteri per grammo di terra secca, mentre quello ottenuto per microscopia diretta è di circa volte superiore. Colorazioni vitali Permettono di distinguere le cellule ancora in grado di respirare da quelle che non metabolizzano più. Conte dirette I valori sono approssimati per eccesso in quanto vengono calcolate anche le cellule morte

21 Conta della microflora totale (batteri e funghi) TERRENO PER BATTERI (Yeast-extract agar) TERRENO PER FUNGHI Glucosio1g K 2 HPO 4 1g KNO 3 0,5g MgSO 4. 7 H 2 O0,2g CaCl 2 0,1g NaCl0,1g FeCl 3 0,01g Estratto di lievito1g H 2 O Deionizzata1litro pH = 6.8 prima dell'aggiunta di agar Agar20g/l Glucosio10g Peptone5g KH 2 PO 4 1g MgSO 4. 7H 2 O0,5g Streptomicina solfato10 ml Rosa Bengala100 ml H 2 O Deionizzata1litro pH = 5 prima dell'aggiunta di agar Agar20g/l Soluzione di Streptomicina solfato 0,3 g in 100 ml di H 2 O Soluzione di Rosa Bengala 0,33 g in 1 litro di H 2 O Preparare le piastre ( 9cm) sotto cappa, versando in ognuna circa 20 ml di terreno.

22 Sospensione e serie delle diluizioni c) Sterilizzare alcune provette vuote da 22mm per le diluizioni a) Preparare 500 ml di soluzione fisiologica (NaCl 9 in H 2 O deionizzata). Distribuire come al punto b e versare il rimanente in una beuta da 1000 ml, sterilizzare b) Preparare una beuta da 250 ml con 95 ml di soluzione fisiologica, alla quale si aggiungano circa 100 palline di vetro, sterilizzare 1) Preparazione del materiale

23 a) Prelevare 5 grammi dal campione mediato e metterli nella beuta sterile contenente la soluzione fisiologica e le palline di vetro. In questo modo si ottiene la diluizione ) Sospensione del campione e diluizioni seriali b) Mettere la beuta ad agitare per 15 minuti d) Fare le diluizioni: prelevare 1 ml di soluzione dalla beuta di partenza (diluizione10 -1 ) e metterlo in una provetta contenente 9 ml di soluzione fisiologica; procedere in successione fino ad ottenere la diluizione ml 9 ml Diluizioni seriali c) Distribuire sterilmente 9 ml di soluzione fisiologica in 5 provette sterili 9 ml

24 3) Conta su piastra d) Incubare a 28°C per circa una settimana; procedere con la conta delle colonie cresciute sulle piastre inoculate e registrare i dati raccolti per la successiva elaborazione a) Per i funghi, dalle diluizioni 10 -2, 10 -3, 10 -4, prelevare sterilmente 0,1 ml, versarlo sulla piastra e spargere la coltura con un'ansa sterile b) Per i batteri, procedere allo stesso modo ma considerare le diluizioni 10 -3, 10 -4, ; c) Inoculare 3 piastre per ciascuna diluizione, sia per la conta dei funghi che per la conta dei batteri N.B. Ricordarsi di indicare su ciascuna piastra il tipo di terreno utilizzato specifico per batteri o funghi, il campione, la diluizione e la data. Aggiungere una o due piastre di controllo per ciascun terreno, inoculate con soluzione fisiologica sterile


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