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 Life in soil and associated size range

5 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)

6 istribuzione dei microrganismi lungo il profilo

7 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).

8 Il suolo è la sede privilegiata dei processi biologici di: Sostenimento dei cicli biogeochimici degli elementi (C, N, P, S) e rilascio dei nutrienti Degradazione della sostanza organica e sintesi dell humus Degradazione di molecole xenobiotiche Azotofissazione biologica Rilascio di enzimi extracellulari Interazione pianta-suolo-patogeni

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 Ammendamento e soppressività L ammendamento con S.O. può determinare effetti: Soppressivi = riduzione dell incidenza delle malattie Conducivi = aumento dell incidenza delle malattie

12 Ammendamento e soppressività Meccanismi determinati la soppressività : Introduzione e/o stimolo di microrganismi antagonisti Induzione di resistenza nella pianta (ISR) Rilascio di molecole ad azione fungitossica che riducono le popolazioni dei patogeni tellurici Meccanismi determinati la conducività : Introduzione di nutrienti ed energia utilizzata dal patogeno (fase saprofitaria) prima della patogenesi aumento potenziale di inoculo) Rilascio di molecole ad azione fitotossica che indeboliscono la pianta e la rendono più suscettibile all attacco dei patogeni

13 Effetto dell ammendamento sulla soppressività Meta-analisi di 253 articoli 2423 casi sperimentali Bonanomi et al., 2007 Journal Plant Pathology 89: Conducivi (23%) Altamente soppressivi (12%) 45% Nulli (32%) Soppressivi (33%)

14 Effetto della decomposizione: sintesi crop residues organic waste compost peat Organic matter type Suppressive Conducive days-weeks months-years decades-centuries High phytotoxicity No phytotoxicity New Phytologist : Time scale of decomposition Bonanomi et al Soil Biology & Biochemistry 42:

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

16 The microbial loop in soil

17 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

18 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) = = = = specie epigeiche specie aneciche specie endogeiche deposizioni superficiali di escrementi

19 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

20 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

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

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

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

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

25 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.

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

27 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.

28 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

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

30 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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35 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

36 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

37 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