Il ciclo globale dell'azoto

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1 Il ciclo globale dell'azoto

2 Rappresentazione semplificata del ciclo globale dell azoto /SUOLO IDROSFERA t 0.1 % L azoto è presente nei diversi comparti dell ecosistema terrestre in forme e composti diversi, ma viene trasferito come N inorganico

3 Il ciclo globale dell'azoto Nei trasferimenti tra i comparti dell ecosistema l azoto si presenta in forme chimiche a diversi stati di ossidazione e contenuto energetico

4 Denitrification Volatilization Il ciclo globale dell'azoto N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification Plant Uptake 4 NO - NH 4 + solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ NO - Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic NO - 6 NO - Leaching 2 Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N) (da Havlin et al., 2014) Schematizzazione del ciclo di N nel sistema atmosfera-pianta-suolo (Notare i processi di trasferimento dell elemento)

5 Denitrification Volatilization N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

6 La fissazione biologica dell azoto

7 Organogenesi dei noduli azotofissatori

8 Organogenesi dei noduli azotofissatori Fasi iniziali: induzione della nodulazione

9 Organogenesi dei noduli azotofissatori Fasi intermedie: invasione dei primordi nodulari

10 Organogenesi dei noduli azotofissatori Fasi tardive: invasione cellulare e formazione dei noduli

11 La sede nodulare della fissazione biologica dell azoto (a) (b) (c) (da Weil & Brady, 2017) Photos illustrating nodules on legume roots. In (a) the nodules are seen on the roots of a sunn hemp plant (Crotalaria juncea), used as a cover crop to add N to soils. In (b) a close-up shows a few nodules on roots of a soybean plant with one nodule sliced open to expose the red color of its oxygenated leghemoglobin. A scanning electron micrograph (c) shows a single plant cell within a soybean nodule stuffed with the Bradyrhizobium japonicum bacteria specific to the symbiosis with soybean. (Color photos courtesy of Ray R. Weil; SEM courtesy of W. J. Brill, University of Wisconsin).

12 Il sistema enzimatico della nitrogenasi

13 Il sistema enzimatico della nitrogenasi

14 Il sistema enzimatico della nitrogenasi La leg-emoglobina lega l O 2 mantenendo, nel citoplasma dei batterioide, una pressione parziale di questo gas compatibile con l attività della nitrogenasi. Elementi essenziali per la sintesi e l attività della nitrogenasi sono Mo, Fe, P, Mg, S. I metalli pesanti interferiscono con il trasporto degli elettroni.

15 Il sistema enzimatico della nitrogenasi (da Weil & Brady, 2017) The nitrogenase complex consists of two proteins. The larger protein (right) converts atmospheric N 2 to NH using electrons provided by the smaller protein (left). Energy-rich hydrogen gas (H 2 ) may also be produced. Energy from ATP conversion to ADP along with electrons from ferrodoxin reduce the FeIII in the smaller iron protein. Meanwhile, the molybdenum iron sulfur clusters in the large protein capture nitrogen (N 2 ) from the air, while the Fe in the clusters receives the electrons (e ) provided by the small protein so that N 2 can be reduced to NH. Nitrogen fixation in nature may be limited by insufficient supplies of S, Fe, Mo, or P (Diagram courtesy of Ray R. Weil).

16 La fissazione biologica dell azoto L NH 4 + è allo stesso tempo sia il prodotto primario che il principale regolatore della simbiosi.

17 La fissazione biologica dell azoto (da Weil & Brady, 2017) La disponibilità di N da concime minerale di sintesi diminuisce nella leguminosa il ricorso alla fissazione sintesi biologica di N 2.

18 La fissazione biologica dell azoto (da Weil & Brady, 2017)

19 La fissazione biologica dell azoto (da Weil & Brady, 2017)

20 La fissazione biologica dell azoto (da Weil & Brady, 2017) Transplanting rice seedlings into paddies containing the floating water fern, Anabaena (see insets), and its nitrogen-fixing cyanobacteria symbiont Nostoc. (Photos courtesy of Ray R. Weil).

21 Denitrification Volatilization Amminizzazione e ammonificazione N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

22 Amminizzazione e ammonificazione L ammonio prodotto può anche essere: - volatilizzato come NH (volatilizzazione) - fissato nell interstrato dei minerali argillosi espandibili (fissazione) - assorbito dalle piante (assorbimento nutrizionale) - assimilato dai batteri autotrofi (immobilizzazione microbica)

23 Denitrification Volatilization Nitrificazione N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

24 Nitrificazione Dinamica del processo di nitrificazione osservato in un sistema microcosmo in assenza di pianta, in un suolo ben aerato e in condizioni termiche di mesofilia.

25 Nitrificazione Il processo è specifico. I batteri nitrificanti sono sensibili alle condizioni ambientali; in particolare a temperatura, umidità, aerazione e ph. Condizioni ottimali sono: - temperatura compresa tra 25 e 5 C - umidità compresa tra 67 e 50% della capacità di campo - ph compreso tra 6.6 e 7.6

26 Denitrification Volatilization Lisciviazione del nitrato Lo ione NO - è molto solubile in acqua e non essendo trattenuto dagli scambiatori del suolo caratterizzati da carica negativa netta (CSA) è contraddistinto da notevole mobilità ed è facilmente allontanato dal profilo per lisciviazione, determinando fenomeni di contaminazione delle acque (Dir 91/676/CEE). La quantità di nitrato lisciviato dipende: dal volume idrico, dalla tessitura, dalla quantità di NO - nella fase liquida in relazione alle esigenze trofiche della coltura. Due sistemi di gestione della concimazione su mais N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic (da Weil & Brady, 2017) 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

27 Nitrificazione e concimi azotati a rilascio differito 1: Rivestimento del granulo; 2: Idrochinone, NBPT; :,4-DMPP, DCD, nitrapirina Gli eventi biologici di rilascio di azoto nitrico per la nutrizione minerale della pianta suggeriscono applicazioni industriali per controllare il processo di nitrificazione nel suolo, aumentare l efficienza d uso del concime e diminuire le perdite di N per volatilizzazione e lisciviazione.

28 Denitrification Volatilization Assorbimento nutrizionale N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

29 Assorbimento nutrizionale

30 Assorbimento nutrizionale

31 Assorbimento nutrizionale

32 Denitrification Volatilization Immobilizzazione microbica N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

33 Denitrification Volatilization Fissazione degli ioni ammonio N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

34 Denitrification Volatilization Volatilizzazione dell ammoniaca L NH generata dalla mineralizzazione dell N organico o per incorporazione nel suolo di concimi ammoniacali o ammendanti può disperdersi nell atmosfera per volatilizzazione. Il processo è controllato dal chimismo della specie azotata in relazione al ph della fase liquida del suolo. NH H 2 O NH + H O + (pk a = 9.) Le perdite di N-NH diventano apprezzabili quando il ph della fase liquida è > 7.5, in suoli caldi, in condizioni di aridità e in relazione al tipo di concime usato. N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

35 Volatilizzazione dell ammoniaca Le perdite di N-NH sono influenzate dalla temperatura e dal ph del suolo. Esempio di un suolo franco limoso concimato in superficie con urea. Perdite significative per T >16 C e ph >7.

36 Volatilizzazione dell ammoniaca La distribuzione di acqua (ph 7.5) in un suolo franco sabbioso (ph 6.5) diminuisce le perdite per volatilizzazione di N-NH.

37 Volatilizzazione dell ammoniaca L impiego di concimi azotati ammoniacali nei suoli calcarei genera perdite di N-NH, variabili con il ph del suolo ed il tipo del concime ammoniacale distribuito. NH 4 NO NH 4 Cl (NH 4 ) 2 HPO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 La parte anionica influenza la perdita di N-NH. E anche importante la modalità di distribuzione sia per i concimi minerali sia per i reflui zootecnici (inclusi i digestati) ricchi in azoto ammoniacale.

38 Denitrification Volatilization Denitrificazione N 2 O NO N N 2 N 2 O NO NO 2 N Transformations (Italics) NH NH NH Nitrification 4 Plant Uptake NH + 4 solution NH 4 + Ammonification Fertilizer NH 4+ Immobilization R-NH 2 Aminization Mineralization NH 4+ Fixation 5 N 2 Fixation Fixation 7 Lighting Rainfall Soil Surface 2:1 Clay Atmosphere N 2 Plant & Animal Residues Readily Decomposable Residues (10-20%) 1 Microbial Biomass (<10%) Fungi, Bacteria, Protozoa Actinomycetes, Algae Nematodes, Fauna N2 Fixation Fixation Legumes Non-symbiotic Symbiotic 2 6 NO - Leaching Stable Humus (70-90%) SOIL ORGANIC MATTER (Organic N)

39 Denitrificazione In condizioni di scarsa disponibilità di O 2 si cominciano ad accumulare specie chimiche ridotte dovute a reazioni redox a carico di componenti sia organiche sia inorganiche della fase solida del suolo.

40 Denitrificazione Dinamica del processo di denitrificazione osservato in un suolo umido incubato in assenza di ossigeno molecolare.

41 Denitrificazione (Left) Rates of nitrification, ammonification, and denitrification are closely related to the availability of oxygen and water as depicted by percentage of water-filled pore space. Both nitrification and ammonification proceed at their maximal rates near 55 60% water-filled pore space; however, ammonification proceeds in soils too waterlogged for active nitrification. Only a small overlap exists in the conditions suitable for nitrification and denitrification. (Right) Nitrous oxide (N 2 O), is mainly produced by denitrification, but it is also a minor by-product of nitrification, with abrupt shift from one process to the other at water-filled porosities between 60 and 70% (Bar graph from Bateman and Baggs (2005).

42 Denitrificazione Foliar symptoms indicate severe N deficiency in the corn growing on these well-fertilized, high organic matter Udolls in central Illinois. Heavy rains during warm weather ponded water on the low-lying parts of the field resulting in perfect conditions for denitrification to cause large losses of nitrogen. Some leaching of nitrate and dissolved organic N undoubtedly also occurred (Photo courtesy of Ray R. Weil).

43 Denitrificazione

44 Denitrificazione Tra le fonti antropogeniche, i sistemi agricoli contribuiscono significativamente alle emissioni di N 2 O grazie al contributo dell attività microbica legata ai processi di nitrificazione e denitrificazione. La mitigazione dell emissione di questo GHG può essere conseguita adottando opportune modalità di gestione del suolo e dell acqua, oltre che di modalità, epoche, formulazioni e dosi di somministrazione dei concimi minerali azotati.

45 Il ciclo globale dell azoto (da Weil & Brady, 2017) ( Pg) (0,2 Pg) (14 Pg) (460 Pg) Nitrogen in hydrosphere (2.000 Pg) Nitrogen in the lithosphere ( Pg)

46 I trasferimenti tra comparti generano dei flussi di N tra atmosfera, suolo e idrosfera (da Weil & Brady, 2017) The movement of nitrogen between Earth s atmosphere (mainly N N ), land masses (terrestrial ecosystems), and oceans (marine ecosystems). The arrows are labeled with the general processes they represent and the numbers in each arrow indicate the estimated global annual nitrogen flux in Tg/yr (teragrams or g per year) via each process. The three main anthropogenic processes are labeled in yellow. (Redrawn and recalculated from data in Canfield et al. (2010)).