Daniela Lippi e Maria Rita De Paolis Consiglio Nazionale delle Ricerche Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) http://usr-lazio.artov.rm.cnr.it/fiset2002/ Modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" Daniela Lippi e Maria Rita De Paolis Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale Area della Ricerca di Roma1 “Montelibretti” - lippi@ibaf.cnr.it

Calendario degli incontri del modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo” 1. Ecosistema suolo 06/02 Artov 2. Pedogenesi 20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo 27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo 06/03 Mlib 5. Ciclo dell’Azoto 13/03 Mlib 1. Ecosistema suolo 06/02 Artov 2. Pedogenesi 20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo 27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo 06/03 Mlib 5. Ciclo dell’Azoto 13/03 Mlib 6. Ciclo del Carbonio 20/03 Mlib

Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" 6. Ciclo del Carbonio Parte teorica  Introduzione e cenni sulle emissioni di CO2  Ciclo della CO2 nella biosfera  Assimilazione della CO2  Struttura e degradazione della cellulosa  Degradazione della sostanza organica

Introduzione Carbonio totale  50 x 1012 t 6. Ciclo del carbonio 22% La quantità totale di carbonio presente sulla Terra, in forma organica e inorganica, è Carbonio totale  50 x 1012 t 22% 3% 71% 3% 1% Torba e materiali fossili: carbone, petrolio, metano Biomassa totale degli ecosistemi terrestri Oceani e sedimenti come carbonati e bicarbonati Fitoplancton e materia organica degli oceani Atmosfera

Componente geochimica Il ciclo si fonda in gran parte sullo scambio di CO2 tra i due principali serbatoi: l’atmosfera e gli oceani. per diffusione lungo le superfici di contatto Respirazione 37•109 t CO2 Fotosintesi 129•109 t CO2 Piante Mineralizzazione 92•109 t CO2 CO 1-1,5% CH4 Microrganismi Aerobi Anaerobi Scambio  0,1% Fitoplancton Respirazione 146•109 t CO2 Fotosintesi Minerali Oceani 130000•109 t CO2 Combustibili fossili 10000•109 t CO2 Sedimenti 10-2500000•109 t CO2 Combustione 18•109 t CO2 Atmosfera 2600•109 t CO2 Il carbonio in eccesso forma con l’acqua carbonati e bicarbonati: gli oceani sono un potente sistema tampone per il mantenimento del contenuto di CO2 nell’atmosfera

Emissioni aggiuntive • radiazioni a onde corte (raggi ultravioletti)  Incremento del consumo di combustibili fossili La concentrazione di CO2 nell’atmosfera è notevolmente cresciuta dopo la rivoluzione industriale: da circa 260 ad oltre 350 ppm  Indiscriminato abbattimento delle foreste L’eccesso di anidride carbonica causa l'aumento della temperatura terrestre:  Intensificarsi di attività antropiche inquinanti effetto serra I raggi solari: • radiazioni a onde corte (raggi ultravioletti) • radiazioni a onde lunghe (raggi infrarossi) raggiungono la Terra e la scaldano L'alta concentrazione di CO2 presente nell’atmosfera 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

Ciclo della CO2 nella biosfera 6. Ciclo del carbonio Ciclo della CO2 nella biosfera Il carbonio è l’elemento centrale nella struttura della materia vivente, ma è la CO2 il composto “chiave” coinvolto nel ciclo. Esso viene CO2 CO2 CO2 prelevato utilizzato restituito all’ambiente PPN Produttori Consumatori Decompositori I produttori assimilano la CO2 e (5% PPN) la forniscono a consumatori e decompositori. L’attività 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 CO2 dell'atmosfera

Assimilazione della CO2 6. Ciclo del carbonio Attraverso la fotosintesi clorofilliana, CO2 ed H2O vengono combinate secondo una reazione di riduzione, per mezzo di un trasferimento di energia dalla luce solare: 6CO2 + 6H2O + E C6H12O6 + 6O2 Glucosio

Monosaccaridi (monomeri) costituiti da una sola molecola: La principale via biochimica della CO2 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,… Ribosio C5H10O5 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 Fructo-oligosaccaride Oligosaccaridi (oligomeri) formati da tre o poche molecole, - cellotriosio, 3 molecole di glucosio - cellotetraosio, 4 molecole di glucosio Polisaccaridi (polimeri) costituiti da numerose molecole uguali o diverse, in qualche caso anche combinate con altri atomi oltre carbonio, idrogeno ed ossigeno

La maggior parte della CO2, fino a circa il 60%, è immobilizzata nella fitosfera come polimeri strutturali e di riserva Le piante legnose contengono  75% di polisaccaridi suddivisi in 7 grandi gruppi  20% di lignina, (valore medio)  1% è il contenuto di proteine Le piante erbacee hanno un contenuto maggiore di polisaccaridi minore di lignina Inoltre: 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.

Polisaccaridi e Lignine Polimeri fenolici insolubili, I polimeri strutturali degli organismi vegetali sono le molecole organiche più abbondanti nella biosfera ed il substrato ideale per l’azione dei decompositori Le due classi principali sono Polisaccaridi e Lignine Polimeri fenolici insolubili, molto complessi, con legami carbonio-carbonio molto stabili; Cellulosa ed altri 6 tipi di polimeri Si legano fisicamente e chimicamente nelle pareti cellulari 3-6% nelle piante giovani, aumenta nel tempo fino a raggiungere 15-35% del peso secco Lignificazione Lamella mediana Parete primaria Parete 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 Parete secondaria Parete primaria Lamella mediana S1 S2 S3

amilopectina, a struttura ramificata Polisaccaridi strutturali (oltre la cellulosa) 1. Amido insolubile, formato da due polimeri diversi del glucosio: amilosio, a struttura lineare, avvolta ad elica Amilosio amilopectina, a struttura ramificata 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 2. Emicellulose 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 l’amido 5. Gomme Essudati, contengono esosi e pentosi. Gomma arabica (Acacia) Lunga catena di N-acetilglucosamina, con un atomo di N, molto insolubile. Funghi, insetti, ragni, crostacei 6. Chitina

Struttura della cellulosa 6. Ciclo del carbonio Struttura della cellulosa E’ un polisaccaride altamente ordinato, insolubile, con una struttura semicristallina, contenente fino a 10 000 molecole di glucosio... 1. unite da legami 1,4ß-glucosidici in lunghissime catene lineari a maglie Micella Fibra di cellulosa Macrofibrilla 0,5m Microfibrilla 10-25 nm Molecola di cellulosa C6H11O5 5 2. le catene, unite tra loro da legami idrogeno, formano strutture a fasci dette micelle 4 3 3. 10-20 micelle sono unite a formare microfibrille 4. le microfibrille si attorcigliano come i fili di una corda e formano macrofibrille che 2 5. costituiscono un sistema di fibre intrecciate tra loro su diversi piani 1

 E’ il composto organico Glicoproteina Microfibrilla Pectine Emicellulosa Ponti di Ca+ tra le molecole di pectina  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  Nelle piante giovani è  15 % del peso secco, e diventa più del 50% nelle piante legnose adulte Struttura ordinata Positivi Legami uguali o simili Monomeri facilmente assorbibili  E’ il composto organico più abbondante in natura e substrato di attiva degradazione in svariati ambienti. Ha caratteri Grandi dimensioni Negativi Insolubilità Assenza di azoto

Degradazione della cellulosa 6. Ciclo del carbonio Degradazione della cellulosa La cellulosa viene degradata solo da poche specie batteriche, da numerosi funghi, da alcuni attinomiceti e protozoi, in una grande varietà di ambienti In natura la completa degradazione della cellulosa è il risultato della azione combinata di una comunità microbica  Nel rumine degli erbivori la flora batterica agisce in un ambiente altamente acido, privo di O2 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

emissione di una batteria di enzimi extracellulari Nella diversità delle vie metaboliche, il meccanismo iniziale è comune: emissione di una batteria di enzimi extracellulari 1. 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 Microfibrilla Cellulasi Cx complex Cellobiosio -Glucoside Nr R Endo 1,4 -glucanasi C1 1 2 3 Schema di degradazione proposto per il fungo Trichoderma

Modello di struttura della 1,4-endoglucanasi Meccanismo di inibizione L’endoglucanasi ha un sito attivo esteso e caratterizzato da più sottositi Modello di struttura della 1,4-endoglucanasi Catena cellulosica Le catene di cellulosa scorrono nell’ansa dell’enzima 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 L’endoglucanasi 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

microrganismi aerobi eterotrofi: 6. Ciclo del carbonio Mineralizzazione della sostanza organica Il processo avviene in tre fasi: 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 CO2 o di altri composti In assenza di O2, batteri anaerobi trovano altri accettori di elettroni e formano sostanze diverse dalla CO2, con accumulo di acidi organici. Minore efficienza. Combustibili fossili. Completa ossidazione dei composti carboniosi con liberazione finale di CO2 (inverso della fotosintesi) C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + E microrganismi aerobi eterotrofi: funghi e batteri Bacillus, Pseudomonas Nitrato N2 Desulfovibrio Desulfovibrio Solfato H2S Metanobatteri CO2 CH4