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 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

3. Turnover della sostanza organica Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" 3. Turnover della sostanza organica Parte teorica Esperienza di laboratorio  Definizione e ruolo  Determinazione della sostanza organica nel suolo  Origine  Decomposizione  Mineralizzazione  Umificazione

Definizione e ruolo 3. Sostanza organica Ha natura eterogenea, comprende materiali vegetali e animali a vari stadi di decomposizione e una grande quantità di molecole diverse: organiche e minerali Rappresenta l’unica forma di energia disponibile “in magazzino”, presente generalmente in percentuali variabili dallo 0,5 al 5% E’ il fattore determinante per la fertilità di un terreno Assolve funzioni fisiche, chimiche, biologiche. Si può dividere in due grandi componenti: Dal punto di vista della dinamica delle trasformazioni, si può dividere in: frazione labile e frazione stabile. H u m s Pool a breve termine Pool a lungo termine

Funzioni della sostanza organica nel terreno trofiche - incremento della flora microbica utile, aumento delle attività, sintesi e liberazione di nutrienti (mineralizzazione) rapida (pool a breve termine) lenta (humus) strutturali - sviluppo di aggregati con dimensioni variabili, secondo la tessitura; aumento della porosità, della ritenzione idrica e della lavorabilità di reattività chimica - aumento della capacità di scambio, presenza di gruppi acidi chimicamente attivi tampone di protezione sterica - enzimi batterici protetti in tasche idrofobiche accessibili ai substrati di rilascio ormonale - molecole di origine batterica, con funzioni ormono-simili, inertizzate sugli aggregati, rilasciate ed assunte dalle cellule radicali

3. Sostanza organica Origine Fasi della formazione di un suolo

Successioni vegetali lichene fruticoso 1 2 3 1 - licheni - simbiosi mutualistica tra un fungo ed un’alga, trattiene umidità; il fungo (funzione meccanica) fornisce ancoraggio e rifornimento di nutrienti minerali sciolti dai secreti acidi emessi dalle ife, l'alga (funzione solvente) sintetizza carboidrati (fotosintesi), "fissa" l'azoto lichene foglioso lichene composto lichene crostoso

2 - muschi - assorbono acqua e alterano ulteriormente le rocce, lasciano un substrato organico più abbondante dei licheni e più favorevole al successivo sviluppo di piante superiori. 3 - organismi vegetali superiori (possono passare molti anni): per mezzo di questo processo, si ha il progressivo accumulo di sostanza organica stabile (umificata) = componente costitutiva essenziale per un suolo.

0 - L'attività di batteri, funghi, alghe, Batteri Funghi Alghe che arrivano per deposizione atmosferica prima, durante o dopo la colonizzazione dei licheni, continua per tutto il processo della pedogenesi: funghi, alghe, alterazione dei detriti rocciosi decomposizione della sostanza organica Batteri 2 Funghi Alghe

Predatori e detritivori Importante è il ruolo della micro, meso e macrofauna che vive nella parte superiore del terreno. Lombrichi, formiche, ragni, larve di insetti ecc. operano notevoli modificazioni della sostanza organica, migliorando le proprietà fisiche e chimiche del suolo, attraverso diverse attività: Ingestione di materiale minerale e organico, mescolamento, trasformazione e deposito di escrementi Formazione di canalicoli che contribuiscono soprattutto alla porosità, alla permeabilità e alla capacità idrica del suolo.

Decomposizione, umificazione e mineralizzazione 3. Sostanza organica Decomposizione, umificazione e mineralizzazione 1. Disgregazione fisico-meccanica della roccia madre Particelle 2. Decomposizione chimica e biochimica Decomposizione 3. Lisciviazione se prevale Evoluzione regressiva 4. Erosione superficiale Depauperamento di sostanze organiche D e c o m p s i t r 5. Assorbimento radicale e microbico Cicli nutritivi 6. Decomposizione residui organici Diretta 7. Humificazione 8. Mineralizzazione della sostanza organica Indiretta

5. Assorbimento radicale e microbico Prima tappa del complesso ciclo di trasformazioni che avvengono nel suolo. 6. Decomposizione residui organici o biodegradazione Consiste nella frammentazione dei composti organici della lettiera (polimeri) nelle singole unità strutturali (monomeri), spesso zuccheri semplici (glucosio), aminoacidi, vitamine, ecc. 7. Umificazione Processo lento di ripolimerizzazione a carico dei residui organici nel suolo e dà origine all’ humus, frazione responsabile delle principali funzioni della sostanza organica. 8. Mineralizzazione della sostanza organica E’ il destino finale di tutta la sostanza organica. Decomposizione ossidativa con formazione di composti minerali solubili assimilabili dalle piante.

8. Mineralizzazione della sostanza organica Diretta rapida climi caldi pool a breve t. 8. Mineralizzazione della sostanza organica Indiretta lenta climi freddi pool a lungo t. Piante Mineralizzazione diretta Residui vegetali NH3, CO2, NO3-, PO42-, SO42- Mineralizzazione indiretta Humus Composti carboniosi: completa ossidazione (n)CH2O + O2 (n)CO2 + H2O

Composizione e proprietà dell’ humus Materiale vegetale altamente decomposto trasformato in una sostanza scura, allo stato colloidale, parzialmente aromatica, acida, idrofila e con proprietà polielettrolitiche. Trattiene acqua e cationi, è fonte di elementi nutritivi. Miscela di composti di diverso peso molecolare: lignina e suoi derivati, proteine, carboidrati, cere, acidi organici e alcooli. *Acidi umici, solubili a pH  7 insolubili a pH 2 Sostanze Non umiche Umiche *Acidi fulvici, solubili Biopolimeri parzialmente decomposti, frazione labile, ma può permanere diversi anni Macromolecole senza formula chimica definita, maggior parte di Carbonio totale nel suolo, frazione stabile Umina, insolubile * frazioni più attive

Metodo di Walkley - Black 3. Sostanza organica Determinazione della sostanza organica nel suolo Metodo di Walkley - Black Il metodo di Walkley-Black si basa sull'ossidazione del carbonio organico del suolo (che si libera come diossido di carbonio) con un eccesso di dicromato di potassio in presenza di acido solforico concentrato. L'eccesso di dicromato di potassio viene titolato con una soluzione di sale di Mohr in presenza di indicatore alla difenilammina fino al viraggio dal bleu al verde. Reagenti  Dicromato di potassio 0,5N  Acido solforico concentrato  Acido ortofosforico  Sale di Mohr [(NH4)2Fe(SO4)2 ] soluzione 0,5N  Indicatore alla difenilammina soluzione 0,5% in acido solforico concentrato

Procedimento  Pesare 500 mg di suolo in un becker da 500 ml, aggiungere 10 ml di dicromato di potassio e 20 ml di acido solforico concentrato  In un altro becker da 500 ml (bianco o controllo) versare 10 ml di dicromato di potassio e 20 ml di acido solforico concentrato  Lasciare riposare per 30 minuti poi aggiungere 150 ml di acqua distillata, 5 ml di acido ortofosforico, 1 ml di indicatore alla difenilammina e titolare con la soluzione di sale di Mohr fino al viraggio dal bleu al verde  Per differenza dei ml di sale di Mohr usati per il bianco e quelli usati per il campione si risale ai ml di dicromato di potassio che sono serviti per ossidare il carbonio organico presente nei 500 mg di suolo

Calcoli Dai ml di dicromato di potassio serviti per ossidare tutto il carbonio organico presente nei 500 mg di suolo, moltiplicati per la Normalità (0,5), si ottiene il n° di equivalenti e, ricordando che le sostanze reagiscono in egual numero di equivalenti, si può scrivere che n° di equivalenti di dicromato di potassio è uguale al n° di equivalenti di carbonio Si ricorda ancora che nella reazione col dicromato, il carbonio scambia 4 elettroni. Pertanto il peso equivalente del carbonio in questa reazione è p.e. = 12/4 = 3 n° eq. C x p. eq. C x 100 C(%) = mg di suolo Per trasformare infine il carbonio organico in sostanza organica si introduce un fattore sperimentale medio uguale a 1,72