Scheda di approfondimento. Escrezione Riciclizzazione i i diretta Lisciviazione e decomposizione

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1 CORSO SEMINARIALE SU: Percorsi di riciclizzazione Franca Sangiorgio Laboratorio di Ecologia DiSTeBA -Università del Salento Tel: Website: Staff-SangiorgioSangiorgio

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3 Scheda di approfondimento Escrezione Riciclizzazione i i diretta Lisciviazione e decomposizione

4 Premessa I produttori primari utilizzano acqua e anidride carbonica per produrre sostanza organica, ma necessitano di nutrienti. La produttività primaria degli ecosistemi è influenzata da disponibilità di nutrienti e dalla loro circolazione all interno degli ecosistemi.

5 Definizione A livello di ecosistema, la circolazione degli elementi chimici dall ambiente agli organismi e di nuovo all ambiente è definito PERCORSO DI RICICLIZZAZIONE

6 Escrezione Negli ecosistemi marini e nei laghi profondi, la riciclizzazione dei nutrienti avviene principalmente attraverso la escrezione. La escrezione comporta una maggiore decomposizione dei composti azotati e dei composti contenenti fosforo nei processi catabolici degli individui, determinando una escrezione quasi esclusivamente inorganica.

7 Escrezione Limitazione dei processi decompositivi dovuta alla distanza spaziale tra sedimenti di fondo e strato superficiale eufotico.

8 Riciclizzazione diretta Negli ecosistemi tropicali si verificano le condizioni climatiche per una crescita ottimale degli organismi produttori ed è quindi alta la produzione primaria. In tali ecosistemi la produzione primaria può essere limitata tendenzialmente dalla disponibilità dei nutrienti e dalla velocità con cui essi ricircolano all interno degli ecosistemi.

9 Riciclizzazione diretta In tali ecosistemi si è evoluto un percorso di riciclizzazione particolarmente rapido quale è la riciclizzazione diretta. La riciclizzazione diretta è il risultato di una interazione mutualistica tra piante verdi e funghi.

10 Riciclizzazione diretta Sull apparato radicale delle piante, crescono ife fungine che magnificano la capacità di questi organismi produttori di assorbire acqua e nutrienti. La caratteristica diretta deriva dal fatto che i funghi sono capaci di assorbire direttamente materia organica dall ambiente e di operare una decomposizione interna della stessa.

11 Riciclizzazione diretta Dopo la decomposizione, i microfunghi trasferiscono parte dei nutrienti riciclati all apparato radicale delle piante da cui traggono zuccheri ( mutualistica ) ).

12 Lisciviazione e decomposizione

13 PERCORSI DELLA MATERIA ORGANICA NELL ECOSISTEMA Perdita di calore respiratorio Sistema dei pascolatori Sistema dei decompositori Perdita di calore respiratorio Energia solare raggiante PPN SOM Relazione tra flusso di energia ( ) e riciclo delle g ( ) sostanze nutritive. Le sostanze nutritive immobilizzate nella materia organica ( ) possono nuovamente essere rese disponibili sotto forma inorganica ( )

14 R MODELLO DELLA STRUTTURA TROFICA DI UNA COMUNITA R R C v C i R C v C i R C v C i Corpi e F e c i C v C i M i R E v E i D M Corpi e Fe eci PPN SOM v = Vertebrato i = invertebrato PPN = produzione primaria netta SOM = sostanza organica morta C = Consumatore D = Detritivoro M = microrganismi M i = microbivoro Corpi morti e feci entrano a far parte del sistema dei decompositori sottoforma di SOM

15 DETRITO, DECOMPOSITORI, DETRITIVORI sono organizzati nei sistemi a base detrito, in cui

16 i decompositori ed i detritivori non regolano la disponibilità delle loro risorse dr/dt = F(R) -ap (carnivori, erbivori, parassiti) dr/dt = F(R) + dm (mutualisti) dr/dt = F(R) (decompositori e detritivori) F(R)=una funzione della quantità della risorsa R P=numero di predatori a=efficienza e a di predazione e M=numero dei mutualisti d=effetto benefico dei mutualisti le loro interazioni sono regolate dal donatore (Pimm 1982)

17 DECOMPOSIZIONE La decomposizione è un processo di ossidazione biologica attraverso cui si libera l energia presente nel D DETRITO (Odum, 1988) Produzione CO 2 +2HA 2 (CH 2 O) + H 2 O+2A Decomposizione Nella Respirazione aerobica, l ossigeno gassoso è l accettore finale di elettroni Nella Respirazione anaerobica (fermentazione) l accettore finale di elettroni è una sostanza organica diversa dall ossigeno (e.g. zolfo)

18 Il DETRITO ORGANICO (1) DEFINIZIONI: Sostanza organica appena morta (Ricklefs, 1993) Tutta la materia organica morta coinvolta nei processi di decomposizione (Odum, 1969) Materiale particolato morto e microrganismi decompositori ad esso associato (Odum, De la Cruz 1963) Insieme di tutte le perdite non predatorie di carbonio da qualsiasi livello trofico di un particolare sistema (detrito autoctono), più gli inputs esterni (detrito alloctono) (Wetzel, 1972) ORIGINE: perdita non predatoria dalla catena di pascolo (Lindeman, 1942)

19 Il DETRITO ORGANICO (2) DIMENSIONI: CPOM Materia Organica Grossolanamente Particolata [>1mm] (foglie, tronchi, corpi animali, etc.) FPOM Materia Organica Finemente Particolata [>0.5 mm; <1mm] (organismi unicellulari, feci) DOM Materia Organica Disciolta [<0.5mm] (essudati, escreti, soluti lisciviati)

20 Il DETRITO ORGANICO (3) (Velimirov, 1991)

21 Il PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE materia organica morta enzimi CO 2 + H 2 O + sali nutritivi + biomassa animale La graduale disintegrazione della sostanza organica morta, nel processo di decomposizione, è provocata sia da fattori abiotici sia da agenti biotici

22 FASI DEL PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE: LISCIVIAZIONE - I composti cellulari idrosolubili derivanti dall azione di enzimi litici, liberatisi dal substrato per degradazione meccanica dei componenti cellulari, passano in soluzione, con una perdita di biomassa iniziale della materia organica, compresa tra il 5% ed il 35%. CONDIZIONAMENTO MICROBICO - Batteri e funghi colonizzano la sostanza organica morta favorendo la sua degradazione enzimatica (conditioning; Boling et al., 1975). COLONIZZAZIONE DEI DETRITIVORI - La sostanza organica morta viene ulteriormente frammentata dall attività di grazing degli organismi detritivori che la colonizzano.

23 I funghi che colonizzano la lettiera in decomposizione si diff d diffondono all interno ll i t dei tessuti accrescendosi da cellula ll l a cellula ll l

24 AGENTI DELLA DECOMPOSIZIONE NEI SUOLI

25 COMPOSIZIONE CHIMICA DI DETRITO E CONSUMATORI DI DETRITO I componenti organici ed inorganici del detrito di origine vegetale, dei decompositori e detritivori possono differire notevolmente (Swift et al., 1979)

26 VARIAZIONE DEI COMPONENTI ORGANICI DEL DETRITO IN DECOMPOSIZIONE (Odum e de la Cruz, 1967) L attività microbica sul detrito trasformato in particolato finemente suddiviso, i determina un arricchimento proteico

27 SHREDDERS In base al ruolo funzionale, i consumatori di detrito sono stati suddivisi in quattro categorie trofiche (Cummins, 1974) FILTERERS and DEPOSIT FEEDERS GRAZER-SCRAPERS PREDATORS

28 SHREDDERS In base al ruolo funzionale, i consumatori di detrito sono stati suddivisi in quattro categorie trofiche (Cummins, 1974) Proasellus coxalis

29 SHREDDERS In base al ruolo funzionale, i consumatori di detrito sono stati suddivisi in quattro categorie trofiche (Cummins, 1974) Gammarus insensibilis

30 GRAZER-SCRAPERS In base al ruolo funzionale, i consumatori di detrito sono stati suddivisi in quattro categorie trofiche (Cummins, 1974) Lymnea trunculata Alvania sp.

31 FILTERERS and DEPOSIT FEEDERS In base al ruolo funzionale, i consumatori di detrito sono stati suddivisi in quattro categorie trofiche (Cummins, 1974) Corophium sp.

32 PREDATORS In base al ruolo funzionale, i consumatori di detrito sono stati suddivisi in quattro categorie trofiche (Cummins, 1974) Lestes sp.

33 MODELLI DI DECOMPOSIZIONE: Esponenziale semplice (Olson, 1963): W (t) = W (0) * e -Kt Esponenziale composta (Lousier et al.,, 1976): W (t) = [W (0) -R] * e -(KLt) + e -(KRt) W (t) = biomassa al tempo t W (0) = biomassa al tempo zero K = coefficiente di decomposizione R = frazione refrattaria alla decomposizione L = frazione decomponibile W (t) = R (t) + L (t)

34 MODELLI DI DECOMPOSIZIONE: W -kt t = W 0 e leaching up to -45 % mucor Mass penicillium bactérias invertebrates Time Modello esponenziale semplice (Olson, 1963)

35 VELOCITA DEL PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE: k = coefficiente che misura la velocità dei processi idecompositivi ii i k > 0.01 velocità alta 0.01 > k > velocità media k < velocità bassa

36 VELOCITA DEL PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE: (Odum, 1988) A seconda dell origine, il detrito si decompone con velocità differenti

37 FATTORI CHE INFLUENZANO I TASSI DI DECOMPOSIZIONE DEL DETRITO DI ORIGINE VEGETALE [Webster and Benfield, 1986; (REVIEW)] FATTORI INTERNI i.e. caratteristiche chimico-fisiche del detrito FATTORI ESTERNI

38 FATTORI INTERNI 1. Concentrazione di elementi essenziali nei tessuti (i.e. N, P etc.) Detrito con una alta concentrazione di azoto nei tessuti si decompone più velocemente del detrito con bassa concentrazione. 2. Contenuto in fibre In numerosi studi, sia in ecosistemi acquatici che terrestri, è stata osservata una relazione inversa tra contenuto in fibre del detrito e tassi di decomposizione.

39 3. Presenza di inibitori chimici - cere e cutine che costituiscono una barriera fisica per i decompositori; - tannini che formano complessi con le proteine; - sostanze chimiche con effetto di inibizione diretta. Effetto finale della presenza di tali composti nel detrito è una inibizione del processo di decomposizione 4. Differenze strutturali del detrito Detrito derivante da parti lignificate delle piante generalmente decompone con tassi più bassi rispetto a detrito derivante da parti non lignificate

40 FATTORI ESTERNI 1. Temperatura Tassi di decomposizione più alti si osservano nel periodo estivo sia per differenti tipi di detrito che in ecosistemi di differente tipologia. Gli effetti sono indiretti e interessano principalmente le comunità di micro-organismi. 2. Concentrazione di nutrienti disciolti Alte concentrazioni di nutrienti sono in relazione diretta con alti tassi di decomposizione (azoto e fosforo).

41 3. Ossigeno disciolto Generalmente si osserva che i processi di decomposizione sono più veloci in condizioni aerobiche rispetto a condizioni anaerobiche. [Bassi tassi di decomposizione del detrito ad elevate profondità lacustri sono attribuite a bassi livelli di DO (Reed, 1979), a basse temperature ed assenza di invertebrati (Barnes et al., 1984)].

42 4. ph Evidenze sperimentali dimostrano che bassi tassi di decomposizione i sono associabili ad una elevata acidità dell acqua. L effetto del ph sulla decomposizione i sembra essere indiretto. Bassi ph inibiscono ibi la colonizzazione i del detrito da parte di molti micro-organismi ed invertebrati, ti probabilmente bil attraverso la mobilizzazione di allumnio ed altri metalli.

43 5. Sito Gli effetti del sito sei processi di decomposizione del detrito includono: - comparazioni i tra ecosistemi i di acque dolci ed altri tipi di ecosistemi; - comparazioni i tra differenti tipologie i di ecosistemi di acque dolci (i.e. fiumi, laghi etc.) - comparazioni entro ecosistema tra siti di campionamento.

44 6. Invertebrati Molti studi sui processi di decomposizione i mostrano che una più rapida decomposizione i è associata al alte densità di invertebrati che colonizzano il detrito. [una evidenza nei tassi di decomposizione ione si osservano in ecosistemi di acque dolci rispetto ad ecosistemi terrestri (Brinson, 1977). A partire da ecosistemi di acque dolci, verso ecosistemi salmastri e marini, si osserva un gradiente decrescente dei tassi di decomposizione, attribuibile a differenze nell abbondanza degli invertebrati (Odum et al., 1975)].

45 Decomposizione è il principale processo di riciclizzazione negli ecosistemi terrestri temperati e in quelli acquatici Riciclizzazione diretta è un percorso di riciclizzazione più rapido che si realizza negli ecosistemi tropicali umidi. (E un interazione mutualistica tra piante verdi e funghi 1. microfunghi assorbono materia organica dall ambiente ambiente 2. la decompongono internamente in tempi rapidi 3. passano in parte i nutrienti ricicclati alle radici delle piante da cui assorbono gli zuccheri) Escrezione è il principale percorso di riciclizzazione nei Escrezione è il principale percorso di riciclizzazione nei mari e laghi profondi. (Questo percorso si realizza quasi interamente come escrezione inorganica)