La fertilità biologica

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1 La fertilità biologica

2 La fertilità biologica è collegata all attività delle comunità biotiche residenti nel terreno che stabiliscono associazioni e biocenosi e promuovono trasformazioni metaboliche di rilevante significato ecologico.

3 Life in soil

4 Il suolo come sistema vivente Gli spazi tra gli aggregati ed all'interno degli aggregati possono ospitare, in presenza di un film d acqua, dei micro-ambienti, della dimensione di poche decine di µm, in cui si sviluppa la componente biologicamente attiva del suolo: la microflora che esprime l 80-90% dell attività biologica totale di un suolo (Stotzky, 1997).

5 Life in soil and associated size range

6 Gli organismi del suolo in relazione alla loro dimensione ed alla loro abbondanza ponderale e numerica ORGANISMI BIOMASSA (t ha -1 ) N individui g -1 suolo Batteri (microflora) (x 10 6 ) Attinomiceti (microflora) (x 10 6 ) Funghi (microflora) Lieviti (microflora) Alghe (microflora) 0,1-0, Protozoi (microfauna) Nematodi (mesofauna) Altri organismi (lombrichi) 0,1-0, , ,0 --- Radici (macroflora)

7 istribuzione dei microrganismi lungo il profilo

8 I fotosintetati raggiungono il suolo ed alimentano le catene trofiche delle comunità edafiche

9 Servizi ecosistemici essenziali garantiti dal biota del suolo (Bunning and Jimenez, 2003) Decomposizione e riciclo della sostanza organica Regolazione della disponibilità degli elementi nutritivi (C, N, P, S) Controllo dei patogeni tellurici (soppressività) Interazioni pianta-suolo Batteri, funghi ed attinomiceti (decompositori primari). Meso e macrofauna Funghi micorrizici, attinomiceti, batteri azotofissatori, batteri che mineralizzano l azoto, etc. Batteri (Bacillus thuringiensis, Pseudomonas fluorescens, etc.) funghi (Trichoderma harzianum, Beauvaria bassiana, etc.) Microrganismi della rizosfera, PGPR, Rhizobium spp., micorrize, etc.

10 Soil microbes are the eye of the needle, through which all organic material that enters the soil must pass (Jenkinson and Powlson, 1976) Impatto dei microrganismi del suolo sull assorbimento dei nutrienti

11 La popolazione microbica della rizosfera interagisce dinamicamente con l apparato radicale della pianta Scambi di metaboliti tra pianta e microrganismi del suolo

12 The microbial loop in soil

13 Servizi ecosistemici essenziali garantiti dal biota del suolo (Bunning and Jimenez, 2003) Genesi della struttura del suolo e regolazione dei processi idrologici Scambi gassosi e sequestro del carbonio Degradazione di molecole xenobiotiche Rilascio di enzimi extracellulari Escavazione da parte di lombrichi, formiche e termiti, apparati radicali, micorrize Microrganismi e radici delle piante Batteri (Pseudomonas spp., Micrococcus spp.) e funghi Batteri, funghi, radici

14 I lombrichi sono organismi geobionti, si nutrono di materiali organici attraversando ed ingerendo il suolo. Nei suoli di prateria depositano sino a 30 t/ha/anno di deiezioni (earthworm casts). 1 = specie epigeiche 2 = specie aneciche 3 = specie endogeiche 4 = deposizioni superficiali di escrementi

15 PARAMETRO Biomassa microbica Indicatori della fertilita biologica del suolo e loro significato diagnostico INFORMAZIONE Dinamica degli elementi nutritivi, impatto di composti inquinanti e delle pratiche colturali Respirazione basale Azoto potenzialmente mineralizzabile Attività enzimatiche Ossidabilità della sostanza organica, impatto di fattori ambientali e/o antropici sullo stato fisiologico delle comunità microbiche Stima della potenzialità del suolo a rifornire le piante di azoto, potenzialità di lisciviazione del nitrato Dinamica degli elementi nutritivi, impatto degli inquinanti e delle pratiche colturali Carica microbica Dimensione della comunità microbica, impatto di sostanze inquinanti e delle pratiche colturali Struttura delle comunità Presenza di gruppi eco-fisiologici all'interno delle comunità microbiche, capacità di microbiche risposta e di adattamento delle comunità microbiche ai fattori di pressione ambientale e/o antropica Microfauna (protozoi e nematodi) Mesofauna (collemboli ed acari) Macrofauna (lombrichi) Piante bioindicatrici Indicatori di diversità (S, H, E) Disponibilità degli elementi nutritivi, impatto di composti inquinanti e delle pratiche colturali Presenza di inquinanti Impatto degli inquinanti e delle pratiche colturali Proprietà chimiche e fisiche del suolo, monitoraggio di inquinanti inorganici Stima della diversità tassonomica e/o metabolica delle comunità biotiche, capacità di risposta e di adattamento a fattori di pressione ambientale e/o antropica

16 Indicatori biochimici Quantità della biomassa microbica Metodo della fumigazione con CHCl 3 ed incubazione per 10 giorni a 25 C Metodo della fumigazione con CHCl 3 ed estrazione con 0.5 M K 2 SO 4 CHCl 3 Determinazioni analitiche: B C, B N, B P

17 Determinazione del C e dell N della biomassa microbica con il metodo della fumigazione con CHCl 3

18 Determinazione del C e dell N della biomassa microbica con il metodo della fumigazione con CHCl 3

19 Determinazione del C e dell N della biomassa microbica con il metodo della fumigazione con CHCl 3

20 Microbial biomass C as an early and reliable indicator of soil management

21 Indicatori biochimici Attività della biomassa microbica La respirazione del terreno Viene sperimentalmente determinata come sviluppo di CO 2 emessa dal suolo a seguito della mineralizzazione della sostanza organica. Dipende dalla natura e dalla quantità del residuo organico. La respirazione del terreno può essere stimata mediante misure in laboratorio oppure mediante monitoraggi eseguiti in situ.

22 E possibile misurare in laboratorio due differenti attività di tipo respiratorio Respirazione basale (BAS) Respirazione indotta da substrato (SIR)

23 Nelle misure in laboratorio l efflusso di CO 2 indica le potenzialità della componente microbica del terreno di mineralizzare substrati organici naturalmente presenti o sperimentalmente addizionati. Viene determinata mediante incubazioni in condizioni ambientali controllate.

24 Curve di respirazione basale di un suolo agrario C t = C o (1-e -kt ) 350 g CO 2 -C (g suolo) Tempo (giorni) P100 P100/B50 F100/B50 F100 B100 F50/B50 P50/B50

25 Respirazione del suolo a confronto prima (BAS) e dopo (SIR) aggiunta di glucosio

26 Field measurements Per misurazioni di campo si utilizzano sistemi portatili di tipo dinamico chiuso collegati ad un sistema di campionamento del flusso di gas dal suolo (una camera di prospezione o survey chamber).

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29 Nelle misure in situ l efflusso di CO 2 indica il livello di attività biologica dell intera comunità vivente del suolo comprensiva dei microrganismi, della pedofauna e degli apparati radicali delle piante. Respirazione eterotrofa: 65-80% Respirazione autotrofa: 15-30% Kuzyakov, 2006

30 Indicatori biochimici Attività della biomassa microbica Azoto potenzialmente mineralizzabile (N o ) Viene stimato dosando analiticamente l N inorganico prodotto, senza aggiunta di substrati, in esperimenti di laboratorio in un intervallo di tempo definito ed in condizioni controllate. Incubazioni di breve periodo (a 30 C per 15 giorni) ed estrazione con 2M KCl (Bremner, 1965). Incubazioni di lungo periodo (a 35 C per 30 settimane) ed estrazione con 0.01 M CaCl 2 (Stanford e Smith, 1972). Determinazione del potenziale nitrificante/ammonizzante Si utilizzano substrati degradabili che stimolano l attività dei microrganismi del suolo, quali (NH 4 ) 2 SO 4, caseina lattica, arginina

31 Noti gli indicatori biochimici è possibile calcolare gli indici ecofisiologici B C /B N = Rapporto C/N della biomassa microbica B C /TOC = Quoziente microbico qco 2 = Quoziente metabolico (µg CO 2 -C µg -1 B C d -1 ) qm = SBAS/TOC (coefficiente di mineralizzazione) qco 2 /TOC qn min = µg N ass µg -1 B N d -1