IL CICLO DELLA SOSTANZA ORGANICA IN NATURA Gennaro Brunetti Università di Bari - DISSPA Compost...

IL CICLO DELLA IL CICLO DELLA SOSTANZA ORGANICA SOSTANZA ORGANICA

IN NATURAIN NATURA

Gennaro BrunettiGennaro Brunetti

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ità d

i Bar

i - D

ISS

PA

Compost Production and Use in Sustainable Farming Systems

IL CICLO DELLA SOSTANZA ORGANICAIL CICLO DELLA SOSTANZA ORGANICA

IL CICLO DEL CARBONIO

Il carbonio è presente nell’atmosfera Il carbonio è presente nell’atmosfera terrestre come terrestre come anidride carbonica anidride carbonica (CO(CO22)), che rappresenta solo lo 0,04% , che rappresenta solo lo 0,04%

circa della composizione dell’atmosfere circa della composizione dell’atmosfere (in aumento).(in aumento).


Altri gas contenenti carbonio sono il Altri gas contenenti carbonio sono il metanometano e i e i clorofluorocarburiclorofluorocarburi (CFC, totalmente artificiali). (CFC, totalmente artificiali).

Sono gas la cui concentrazione nell’atmosfera é Sono gas la cui concentrazione nell’atmosfera é aumentata negli ultimi decenni, contribuendo in aumentata negli ultimi decenni, contribuendo in maniera significativa al riscaldamento globale maniera significativa al riscaldamento globale (effetto serra).(effetto serra).



Le piante sono fondamentali per la vita dell’uomo …

Grazie alla luce solare, mediante la fotosintesi, le Grazie alla luce solare, mediante la fotosintesi, le piante piante prelevanoprelevano dall’atmosfera la CO dall’atmosfera la CO22 e e la la

trasformanotrasformano assieme all’acqua in zuccheri assieme all’acqua in zuccheri (glucosio).(glucosio).



Fotosintesi: 6 CO2 + 6 H2O + luce C6H12O6 + 6 O2

Consumano anidride carbonica e producono ossigeno.


Parte di questo carbonio immagazzinato nei tessuti vegetali passa successivamente agli animali che si cibano di piante…

Il carbonio immagazzinato dalle piante viene ceduto agli animali!


… … ed ai carnivori che si cibano degli erbivori, ed ai carnivori che si cibano degli erbivori, entrando nella entrando nella catena alimentarecatena alimentare. .

Parte del carbonio presente nei tessuti degli Parte del carbonio presente nei tessuti degli organismi viventi viene ritrasformato in COorganismi viventi viene ritrasformato in CO22 e e

restituitorestituito all’atmosfera attraverso la all’atmosfera attraverso la

respirazionerespirazione


Dopo la morte i tessuti degli organismi Dopo la morte i tessuti degli organismi viventi, vengono attaccati dagli organismi viventi, vengono attaccati dagli organismi decompositoridecompositori, che liberano gli elementi , che liberano gli elementi che li costituiscono: che li costituiscono:

……quindi anche il carbonio, sotto forma di quindi anche il carbonio, sotto forma di COCO22, ritorna nell’atmosfera., ritorna nell’atmosfera.


C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H20 + ENERGIA

La respirazione cellulare

GLUCOSIO

OSSIGENO

ACQUA

ANIDRIDECARBONICA

ENERGIA


Le cellule animali (tutte) respirano

GLUCOSIO

OSSIGENO

ACQUA

ANIDRIDECARBONICA

ENERGIA

bruciano gli zuccheri che producono e rilasciano anidride carbonica

La respirazione cellulare è una lenta combustione

Le cellule vegetali (tutte) respirano



MATERIALE VEGETALE ANIDRIDE CARBONICA+ACQUA+CENERI

C6H12O6 + 6O2 E 6CO2 + 6H20 + CENERI

Attraverso la respirazione il carbonio, viene ricombinato in CO2 e ceduto all’atmosfera.

Le piante prelevano CO2 per la fotosintesi: siamo al punto di partenza!


Con la morte degli organismi viventi, i loro tessuti Con la morte degli organismi viventi, i loro tessuti vengono attaccati dagli organismivengono attaccati dagli organismi

decompositoridecompositori

che liberano gli elementi che li costituiscono: quindi che liberano gli elementi che li costituiscono: quindi anche il carbonio, sotto forma di COanche il carbonio, sotto forma di CO22, ritorna , ritorna

nell’atmosfera.nell’atmosfera.


Schema del Ciclo del Carbonio

IL CICLO DELLA IL CICLO DELLA SOSTANZA ORGANICA SOSTANZA ORGANICA NEL SISTEMA SUOLONEL SISTEMA SUOLO

i suoli sono sistemi

complessi dove coesistono

intimamente legate fra loro

una fase liquida, solida e

gassosa.

I suoli differiscono dalle

“rocce alterate” poiché

mostrano una stratificazione

verticale approssimata

(orizzonti) prodotti dalla

continua influenza di acqua

percolante ed organismi

viventi.

I costituenti organici “sostanza organica del suolo” I costituenti organici “sostanza organica del suolo” sono detti impropriamente anche “humus”sono detti impropriamente anche “humus”

LL’humus’humus (sostanza umica) è una categoria ristretta della (sostanza umica) è una categoria ristretta della componente organica.componente organica.

La sostanza organica costituisce una piccola frazione La sostanza organica costituisce una piccola frazione della fase solida del suolo.della fase solida del suolo.

In genere considerando un suolo costituito per il 50% In genere considerando un suolo costituito per il 50% in fasi solide 50% tra acqua e aria, di quel 50% di fasi in fasi solide 50% tra acqua e aria, di quel 50% di fasi solide, il 46-47% è costituito da minerali…solide, il 46-47% è costituito da minerali…

meno del 2-3% è la quantità di sostanza organica.meno del 2-3% è la quantità di sostanza organica.


Acqua(20-50%)

Aria(10-25%)

Minerali(40-60%)

Sostanza Organica(0,1-10%)

DISTRIBUZIONE PERCENTUALE IN VOLUME DEI PRINCIPALI COMPONENTI DEL SUOLO

La fertilità organica nel suolo riveste un ruolo molto La fertilità organica nel suolo riveste un ruolo molto importante per le sue numerose e complesse funzioni: importante per le sue numerose e complesse funzioni:

essa contribuisce a mantenere lo stato di fertilità essa contribuisce a mantenere lo stato di fertilità globale del suolo.globale del suolo.

Tramite il controllo della maggior parte dei processi Tramite il controllo della maggior parte dei processi chimici, fisici e biologici del sistema suolo;chimici, fisici e biologici del sistema suolo;

Anche se presente in piccola quantità essa entra in tutti Anche se presente in piccola quantità essa entra in tutti i processi e gli equilibri che si verificano nel suolo.i processi e gli equilibri che si verificano nel suolo.


La sostanza organica:La sostanza organica:

assicura una crescita bilanciata delle piante e dei assicura una crescita bilanciata delle piante e dei microrganismi del suolo;microrganismi del suolo;

contribuisce alla conservazione e protezione del contribuisce alla conservazione e protezione del suolo da fattori di disturbo esterni e dalla suolo da fattori di disturbo esterni e dalla contaminazione (desertificazione, degradazione per contaminazione (desertificazione, degradazione per alluvioni a frane, erosione, contaminazione..) alluvioni a frane, erosione, contaminazione..)


Quale è il contenuto di sostanza organica nei suoli Quale è il contenuto di sostanza organica nei suoli naturali, non antropizzati?naturali, non antropizzati?

I suoli più dotati di SO nei primi 15, 20 cm della I suoli più dotati di SO nei primi 15, 20 cm della superficie del suolo, sono le superficie del suolo, sono le prateriepraterie, intorno al 5-6% , intorno al 5-6% (valore ottimale di sostanza organica affinché essa (valore ottimale di sostanza organica affinché essa possa esercitare al meglio le sue funzioni);possa esercitare al meglio le sue funzioni);

Nei suoli poco evoluti (suoli di montagna e deserti) si Nei suoli poco evoluti (suoli di montagna e deserti) si scende al disotto dell’1%; scende al disotto dell’1%;

Si tratta di suoli più esposti a fenomeni di Si tratta di suoli più esposti a fenomeni di degradazione, di erosione e quindi meno fertili.degradazione, di erosione e quindi meno fertili.


I suoli torbosi hanno un contenuto di sostanza organica I suoli torbosi hanno un contenuto di sostanza organica che supera il 10% e può raggiungere valori esagerati di che supera il 10% e può raggiungere valori esagerati di oltre il 50-60%.oltre il 50-60%.

Si tratta di suoli che si sono sviluppati su depositi Si tratta di suoli che si sono sviluppati su depositi organici (depositi torbosi) presenti in varie zone del organici (depositi torbosi) presenti in varie zone del mondo.mondo.

Il contenuto eccessivo di SO può rappresentare un Il contenuto eccessivo di SO può rappresentare un handicap e limitare l’effetto positivo sulla fertilità dei handicap e limitare l’effetto positivo sulla fertilità dei suoli.suoli.

Nei terreni comuni il contenuto varia dall’1 al 5%Nei terreni comuni il contenuto varia dall’1 al 5%Le nostre terre rosse contengono circa il 1-2% di SO Le nostre terre rosse contengono circa il 1-2% di SO (quindi al disotto della quantità ideale).(quindi al disotto della quantità ideale).


Origine e trasformazioni dei residui organiciOrigine e trasformazioni dei residui organici La La fotosintesifotosintesi è il processo è il processo fondamentale nel fornire materiale fondamentale nel fornire materiale grezzo per la sintesi dell’humus grezzo per la sintesi dell’humus nel suolo. nel suolo. Le piante superiori usano Le piante superiori usano l’energia solare, l'acqua ed i l’energia solare, l'acqua ed i nutrienti del suolo per produrre nutrienti del suolo per produrre lignina, cellulosa, proteine ed altre lignina, cellulosa, proteine ed altre molecole organiche complesse molecole organiche complesse necessarie alla costruzione delle necessarie alla costruzione delle loro strutture. loro strutture. Questa varietà e complessità Questa varietà e complessità strutturale dei vegetali giustifica la strutturale dei vegetali giustifica la presenza e l'attività di numerose presenza e l'attività di numerose specie di specie di organismii nel suolo nel suolo coinvolti nel processo di coinvolti nel processo di decomposizione.decomposizione.


Nei Nei suoli naturalisuoli naturali il ciclo dl C legato alle condizioni pedoclimatiche il ciclo dl C legato alle condizioni pedoclimatiche fa si che il contenuto di CO nel suolo rimanga inalterato nel tempo.fa si che il contenuto di CO nel suolo rimanga inalterato nel tempo.

Le parti della vegetazione presente (dopo la morte) cadono sul Le parti della vegetazione presente (dopo la morte) cadono sul suolo e formano sostanza organica che viene riciclata in suolo e formano sostanza organica che viene riciclata in continuazione…. continuazione….

……Contribuendo al mantenimento della fertilità che favorisce la Contribuendo al mantenimento della fertilità che favorisce la crescita di altre piante che poi… muoiono di nuovo e crescita di altre piante che poi… muoiono di nuovo e

……quindi il contenuto di sostanza organica in questi suoli rimane quindi il contenuto di sostanza organica in questi suoli rimane pressoché costante;pressoché costante;

Nei Nei suoli coltivati suoli coltivati questi cicli naturali vengono interrotti perché la questi cicli naturali vengono interrotti perché la SO viene asportata (raccolti) o viene mineralizzata con una SO viene asportata (raccolti) o viene mineralizzata con una maggiore velocità.maggiore velocità.


Da cosa dipende il contenuto di SO nel suolo?Da cosa dipende il contenuto di SO nel suolo?

La quantità di sostanza organica presente nel suolo La quantità di sostanza organica presente nel suolo dipende dall’equilibrio che viene raggiunto tra due dipende dall’equilibrio che viene raggiunto tra due fattori:fattori:

produzione primaria produzione primaria

velocità di decomposizionevelocità di decomposizione


Produzione primaria:Produzione primaria:

Sostanza organica apportataSostanza organica apportata

Nei suoli coperti da una fitta vegetazione tropicale, la Nei suoli coperti da una fitta vegetazione tropicale, la produzione primaria e quindi gli apporti di sostanza produzione primaria e quindi gli apporti di sostanza organica al suolo da parte delle specie vegetali è organica al suolo da parte delle specie vegetali è abbondanteabbondante

Nei suoli di alta montagna o nelle terre rosse la Nei suoli di alta montagna o nelle terre rosse la produzione primaria di materia organica è molto bassa. produzione primaria di materia organica è molto bassa.


Oltre che dall’apporto di SO, il contenuto in CO di un Oltre che dall’apporto di SO, il contenuto in CO di un suolo è determinato anche dallasuolo è determinato anche dalla

velocità di decomposizionevelocità di decomposizione

La sostanza organica che arriva sul suolo si La sostanza organica che arriva sul suolo si decompone, viene attaccata e utilizzata dai decompone, viene attaccata e utilizzata dai microrganismi e in parte viene distrutta.microrganismi e in parte viene distrutta.

La velocità di decomposizione dipende soprattutto La velocità di decomposizione dipende soprattutto dall’attività microbica …dall’attività microbica …

… … cioè dai microrganismi che utilizzano questi residui cioè dai microrganismi che utilizzano questi residui vegetalivegetali


Ecosistema Areaha x 108

Produzione primaria netta

Mg C ha-1

anno-1

Carbonio organicodel suoloMg C ha-1

Foresta tropicaleForesta temperataBoscaglia e savanaPrateria temperata

TundraMacchia deserticaDeserto roccioso

ColtivatoPaludi e acquitrini

25242398

1824142

191212611

0.036

30

100135135190220601

130700

Totale 147

Tabella con gli ecosistemi naturali più diffusi.Tabella con gli ecosistemi naturali più diffusi.


Il carbonio organico totale nel suolo è stimato essere circa 2-3 1012 T, cioè da 3 a 4 volte il C atmosferico e da 5 a 6 volte il C della biomassa terrestre.

La conversione di C, N, P e S La conversione di C, N, P e S in forme minerali è chiamata in forme minerali è chiamata

mineralizzazionemineralizzazione;;

il processo inverso è chiamato il processo inverso è chiamato immobilizzazioneimmobilizzazione

I suoli contengono carbonio (C) sotto forma di sostanza I suoli contengono carbonio (C) sotto forma di sostanza organica, o organica, o humushumus. .


SOSTANZA SOSTANZA ORGANICAORGANICASOSTANZA SOSTANZA ORGANICAORGANICA

COMPONENTE COMPONENTE VIVENTE (2-5%)VIVENTE (2-5%)COMPONENTE COMPONENTE VIVENTE (2-5%)VIVENTE (2-5%)

RadiciRadici(5-10%)(5-10%)RadiciRadici

(5-10%)(5-10%)

Macroorganismi Macroorganismi (Fauna) (15-30%)(Fauna) (15-30%)Macroorganismi Macroorganismi (Fauna) (15-30%)(Fauna) (15-30%)

MicroorganismiMicroorganismi(60-80%)(60-80%)

MicroorganismiMicroorganismi(60-80%)(60-80%)

COMPONENTE NON COMPONENTE NON VIVENTE (98%)VIVENTE (98%)

COMPONENTE NON COMPONENTE NON VIVENTE (98%)VIVENTE (98%)

Macro-residuiMacro-residui(10-30%)(10-30%)

Macro-residuiMacro-residui(10-30%)(10-30%)

Sostanze non Sostanze non umiche (30%)umiche (30%)Sostanze non Sostanze non umiche (30%)umiche (30%)

Sostanze umicheSostanze umiche(40-50%)(40-50%)

Sostanze umicheSostanze umiche(40-50%)(40-50%)


Apporti organici al suoloApporti organici al suoloSecrezioni radicaliSecrezioni radicaliSostanze mucillaginoseSostanze mucillaginose

MucillaginiMucillaginiMucigelMucigel

Spoglie radicaliSpoglie radicali(20-50% fotosintetati radicali)(20-50% fotosintetati radicali)

Secrezioni radicaliSecrezioni radicaliSostanze mucillaginoseSostanze mucillaginose

MucillaginiMucillaginiMucigelMucigel

Spoglie radicaliSpoglie radicali(20-50% fotosintetati radicali)(20-50% fotosintetati radicali)

VEGETALIVEGETALIVEGETALIVEGETALI

ANIMALIANIMALIANIMALIANIMALI

MICROORGANISMIMICROORGANISMIMICROORGANISMIMICROORGANISMI

Foglie e residui dell'apparato Foglie e residui dell'apparato aereoaereo

Foglie e residui dell'apparato Foglie e residui dell'apparato aereoaereo

DeiezioniDeiezioni SpoglieSpoglie DeiezioniDeiezioni SpoglieSpoglie

Prodotti extracellulariProdotti extracellulari SpoglieSpoglie Prodotti extracellulariProdotti extracellulari SpoglieSpoglie

Gli apporti organici al suolo derivano essenzialmente dall'attività biologica Gli apporti organici al suolo derivano essenzialmente dall'attività biologica di macro- e micro-organismi animali e vegetali, dai loro residui post-mortali di macro- e micro-organismi animali e vegetali, dai loro residui post-mortali

e dai loro prodotti a vari stadi di decomposizionee dai loro prodotti a vari stadi di decomposizione


I materiali che arrivano al suolo non sono stabili I materiali che arrivano al suolo non sono stabili

finché era attaccata alla pianta nell’organismo finché era attaccata alla pianta nell’organismo vegetale vivente la foglia svolgeva le sue funzioni vegetale vivente la foglia svolgeva le sue funzioni ma una volta staccata dalla pianta ed arrivata al ma una volta staccata dalla pianta ed arrivata al suolo essa si trasforma…come il suolo vuole.suolo essa si trasforma…come il suolo vuole.

Questa sostanza fresca quindi è soggetta a Questa sostanza fresca quindi è soggetta a processi fisici, chimici e biochimici presenti nel suoloprocessi fisici, chimici e biochimici presenti nel suolo


Questi materiali organici possiedono una Questi materiali organici possiedono una composizione chimica e strutturale molto composizione chimica e strutturale molto diversa e dipendente dall’origine:diversa e dipendente dall’origine:

proteine, aminoacidi, lipidi, grassi, carboidrati, proteine, aminoacidi, lipidi, grassi, carboidrati, DNA, cellulosa, emicellulosa…ecc…DNA, cellulosa, emicellulosa…ecc…

Le reazioni di trasformazione sono Le reazioni di trasformazione sono fondamentalmente di tipo chimico anche se fondamentalmente di tipo chimico anche se operate dai microrganismi:operate dai microrganismi:

reazioni biochimiche o biologichereazioni biochimiche o biologiche


La sostanza organica che arriva al suolo, La sostanza organica che arriva al suolo, viene aggredita dai microrganismi che la viene aggredita dai microrganismi che la utilizzano per le loro funzioni vitali. utilizzano per le loro funzioni vitali.

Gli stessi microrganismi dopo la morte Gli stessi microrganismi dopo la morte diventeranno cibo per altri microrganismidiventeranno cibo per altri microrganismi

La trasformazione della SO avviene La trasformazione della SO avviene attraverso una serie di stadi!attraverso una serie di stadi!


I primi componenti organici ad essere I primi componenti organici ad essere trasformati, decomposti, sono quelli più trasformati, decomposti, sono quelli più semplici, cioè con una struttura molecolare più semplici, cioè con una struttura molecolare più semplice. semplice. I microrganismi attaccheranno (mangeranno) I microrganismi attaccheranno (mangeranno) prima gli prima gli zuccheri semplicizuccheri semplici, i prodotti , i prodotti strutturalmente più semplici… strutturalmente più semplici… ……Passeranno poi a prodotti più resistenti, Passeranno poi a prodotti più resistenti, l’emicellulosa, cellulosal’emicellulosa, cellulosa. . Quando anche questi composti termineranno i Quando anche questi composti termineranno i microrganismi si nutriranno di prodotti con microrganismi si nutriranno di prodotti con strutture sempre più complesse e quindi più strutture sempre più complesse e quindi più resistenti e meno graditi: resistenti e meno graditi: cere, lignina, resinecere, lignina, resine....


Dinamica delle trasformazioni della sostanza Dinamica delle trasformazioni della sostanza organica del suoloorganica del suolo

CO

2 sv

olta

(in

% s

ul C

iniz

iale

)

0 0 -

70 -

60 -

50 -

40 -

30 -

20 -

10 -

1 2 3 4 5 6 7

Glucosio

Amido

Cellulosa

Lignina

Tempo di decomposizione (in settimane)

Da un punto di vista della dinamica delle

trasformazionifisiche, chimiche e

biologiche,la sostanza organica

del suolo si può dividere in

frazione labile e frazione stabile


La decomposizione della La decomposizione della SO avviene per stadi SO avviene per stadi successivi che hanno successivi che hanno anche una durata anche una durata diversa. Infatti mentre diversa. Infatti mentre per i prodotti semplici per i prodotti semplici vengono degradati nel vengono degradati nel giro di qualche ora o giro di qualche ora o qualche giorno i prodotti qualche giorno i prodotti via via più complessi via via più complessi (emicellulosa e (emicellulosa e cellulose) vengono cellulose) vengono degradati più lentamente degradati più lentamente (qualche settimana). (qualche settimana). Per i prodotti più Per i prodotti più resistenti sono resistenti sono necessari mesi per la necessari mesi per la loro demolizione!loro demolizione!

Primo Stadio: Decomposizione di sostanze facilmente degradabiliParziale conversione a CO2 e biomassa (B).

Residuo minerale

Quantità iniziale di residuo

CO2B

CO2B CO2 B

CO2B CO2 B B CO2

Secondo Stadio: Cellulosa ed altri carboidrati utilizzati con ulteriore perdita di peso. Formazione di altra biomassa. Parziale mineralizzazione di biomassa (B).

Quarto e successivi Stadi: Inserimento nei cicli successivi. Per i residui vegetali, circa un-terzo del carbonio rimane nel suolo alla fine di ciascun ciclo colturale.

Terzo Stadio: Ulteriore perdita di cellulosa. Inizio decomposizione lignina. Ulteriore mineralizzazione di biomassa (B).


Dall’azione dei microrganismi vengono Dall’azione dei microrganismi vengono fuori 3 tipologie di prodotti.fuori 3 tipologie di prodotti.

Gran parte della sostanza organica Gran parte della sostanza organica viene viene bruciatabruciata… viene respirata, viene … viene respirata, viene utilizzata per l’energia dei microrganismi utilizzata per l’energia dei microrganismi ((mineralizzazionemineralizzazione) cioè trasformata in ) cioè trasformata in anidride carbonica, acqua, azoto, anidride carbonica, acqua, azoto, composti semplici e volatili. composti semplici e volatili. ((ricordiamo dalla chimica organica che la ricordiamo dalla chimica organica che la maggior parte dei composti organici sono maggior parte dei composti organici sono formati da N, H e O, e … Cformati da N, H e O, e … C).).


Una seconda parte viene Una seconda parte viene somatizzatasomatizzata dai microrganismi nei loro tessuti dai microrganismi nei loro tessuti (utilizzata per lo sviluppo, crescita).(utilizzata per lo sviluppo, crescita).

Una terza parte, (più recalcitrante, Una terza parte, (più recalcitrante, resistente) resistente) non viene utilizzatanon viene utilizzata. .

In ognuno degli stadi visti, la SO viene in In ognuno degli stadi visti, la SO viene in parte mineralizzata (bruciata), in parte parte mineralizzata (bruciata), in parte somatizzata (trasformata in altri composti somatizzata (trasformata in altri composti organici prima o poi rilasciati), in parte organici prima o poi rilasciati), in parte rimane nel suolo.rimane nel suolo.


Al termine di questi stadi nel suolo c’è un Al termine di questi stadi nel suolo c’è un residuo di SO che: residuo di SO che: per metà risale alla SO fresca, 10-15% per metà risale alla SO fresca, 10-15% (rimasta inalterata);(rimasta inalterata);

l’altra metà è stata prodotta dalla l’altra metà è stata prodotta dalla rielaborazione dei microrganismi 10-15% rielaborazione dei microrganismi 10-15% (alcoli, fenoli, ecc.); (alcoli, fenoli, ecc.);

il resto è stato bruciato, mineralizzato il resto è stato bruciato, mineralizzato 70-80%.70-80%.


10-15%

20-30%

20 40 60tempo (giorni)

100

75

50

25

C (%)

0

Partendo da un contenuto in SO pari a 100 (curva bianca), col passare di giorni la quantità Partendo da un contenuto in SO pari a 100 (curva bianca), col passare di giorni la quantità arriva al 20-30%. Tutto il resto è stato bruciato (mineralizzato). arriva al 20-30%. Tutto il resto è stato bruciato (mineralizzato). Questo 20-30% si può scindere in due curve, la curva gialla è la curva della sostanza organica Questo 20-30% si può scindere in due curve, la curva gialla è la curva della sostanza organica fresca vera e propria che dopo un po’ di tempo arriva al 10-15%. La curva rossa è l’andamento fresca vera e propria che dopo un po’ di tempo arriva al 10-15%. La curva rossa è l’andamento dei prodotti della rielaborazione dei microrganismi che all’inizio sono pari a zero ma poi dopo dei prodotti della rielaborazione dei microrganismi che all’inizio sono pari a zero ma poi dopo qualche giorno raggiungono un massimo e poi arrivano anch’essi fino ad un 10-15%. qualche giorno raggiungono un massimo e poi arrivano anch’essi fino ad un 10-15%.

Questo 20-30% di CO si trasformerà in humus … il restante 70-80% è stato bruciato. Questo 20-30% di CO si trasformerà in humus … il restante 70-80% è stato bruciato. Questo andamento è uguale per tutti i tipi di sostanza organica in qualunque di suolo del mondo. Questo andamento è uguale per tutti i tipi di sostanza organica in qualunque di suolo del mondo. I processi sono sempre gli stessi… ciò che varia è la velocità dei processi che dipende dalla I processi sono sempre gli stessi… ciò che varia è la velocità dei processi che dipende dalla diversa composizione della sostanza organica e, soprattutto dal differente clima (più caldo o più diversa composizione della sostanza organica e, soprattutto dal differente clima (più caldo o più freddo, più o meno umido..) I fattori ambientali possono cambiare i tempi ma non i processi. freddo, più o meno umido..) I fattori ambientali possono cambiare i tempi ma non i processi.

I residui recalcitranti della SO fresca I residui recalcitranti della SO fresca (lignine, cere, resine) rappresentano un (lignine, cere, resine) rappresentano un substrato su cui si legano quei piccoli substrato su cui si legano quei piccoli composti organici acidi, fenoli prodotti dai composti organici acidi, fenoli prodotti dai microrganismi. microrganismi.

Da questa ricombinazione si ottengono Da questa ricombinazione si ottengono dei prodotti organici nuovi che si dei prodotti organici nuovi che si chiamano chiamano

sostanze umichesostanze umiche


Fotografando la sostanza organica del suolo... Fotografando la sostanza organica del suolo...

… … troverò tre grandi classi di sostanza organica!troverò tre grandi classi di sostanza organica!

Sostanza organica frescaSostanza organica fresca: sia di origine animale che : sia di origine animale che soprattutto vegetale.soprattutto vegetale.

Sostanza organica in via di decomposizioneSostanza organica in via di decomposizione suddivisa in tre suddivisa in tre sottoclassi:sottoclassi:

materiale residuo, non ancora decompostomateriale residuo, non ancora decomposto prodotti della decomposizione dei microrganismi che prodotti della decomposizione dei microrganismi che hanno già decomposto una parte di quella sostanzahanno già decomposto una parte di quella sostanza composti intermedi; sono gli intermedi di composti intermedi; sono gli intermedi di decomposizione che non sono né residui né prodotti decomposizione che non sono né residui né prodotti dell’attività microbica!dell’attività microbica!

Sostanze umiche:Sostanze umiche: sostanza organica tipica del suolo sostanza organica tipica del suolo


Sostanze UmicheSostanze Umiche

maggior parte della maggior parte della

frazione non vivente frazione non vivente

con una struttura con una struttura

molecolare complessamolecolare complessa


Schematizzazione di alcuni meccanismi di formazione delle sostanze umiche(modificata da Stevenson, 1982)

Processo di umificazioneMolte teorie sono state formulate per chiarire i processi di formazione delle sostanze umiche.


Schematizzazione del processo di formazione dell’humus secondo la teoria di Waksman (schema 1) (modificata da Stevenson, 1982)


Schematizzazione del processo di formazione dell’humus secondo la teoria dei polifenoli (schemi 2 e 3) (modificata da Stevenson, 1982)


Schematizzazione del processo di formazione dell’humus per polimeriz-zazione di zuccheri riduttori ed amminoacidi originatisi come metaboliti microbici (reazione di Mailard) (schema 4)


Schematizzazione delle fasi principali della formazione di sostanze umiche da lignina e prodotti della sintesi microbica per condensazione di polifenoli, proteine e zuccheri (modificata da Stout et al., 1981)


NUCLEO CENTRALENUCLEO CENTRALEAROMATICOAROMATICO

Anelli aromatici condensati,Anelli aromatici condensati,anelli eterociclici,anelli eterociclici,

anelli condensati mistianelli condensati misti

GRUPPIGRUPPIFUNZIONALI ATTIVIFUNZIONALI ATTIVI

-COOH, -OH, -COR, -COOR,-COOH, -OH, -COR, -COOR, -NH-NH22, -NHR, -NR, -NHR, -NR22

ALTRI GRUPPIALTRI GRUPPIFUNZIONALIFUNZIONALI

-OR, -R-OR, -R

CATENE LATERALICATENE LATERALIALIFATICHE, eccALIFATICHE, ecc

Polisaccaridi, lipidi, peptidiPolisaccaridi, lipidi, peptidi

PONTIPONTI

-(CH-(CH22))nn-, -N=,-, -N=,

-NH-, -O-, -S--NH-, -O-, -S-

Le SU sono degli eteropolimeri con peso e complessità variabile: da alcune centinaia (AF) fino a centinaia di migliaia di daltons (AU).


Schema strutturale di due macromolecole umiche caratterizzate a) da peso molecolare > 50000 e b) < 5000 Da (modificato da Bonneau e Sauchier, 1979)


Modello strutturale di acido umico (a) e spirali irregolari di unità polimeriche lineari di macromolecole umiche addensate e reticolate (b) (modificato da Stevenson, 1982)


Schematizzazione della separazione delle sostanze umiche estratte dal suolo in frazioni caratterizzate da diverse proprietà (modificata da Greenland e Hayes, 1978)


Caratteristiche chimiche (valori medi) degli acidi umici e degli acidi fulvici (modificata da Schnitzer, 1978)


La sostanza organica del suolo è il risultato del braccio di ferro tra i processi di mineralizzazione e di immobilizzazione


UNA IMPORTANTE FONTE DI SOSTANZA

ORGANICA E’ RAPPRESENTATA

DALLEBIOMASSE

““materiali organici di origine materiali organici di origine naturale, residui, reflui, effluenti e/o naturale, residui, reflui, effluenti e/o sottoprodotti della trasformazione sottoprodotti della trasformazione e/o utilizzazione di biomasse e/o utilizzazione di biomasse vegetali e/o animali”.vegetali e/o animali”.

BIOMASSE DI SCARTOBIOMASSE DI SCARTO


FONTI DI FONTI DI BIOMASSE BIOMASSE DI SCARTODI SCARTO

FANGHI DI FANGHI DI DEPURAZIONEDEPURAZIONE

INDUSTRIAINDUSTRIAAGRO-ALIMENTAREAGRO-ALIMENTARE

RIFIUTI SOLIDI RIFIUTI SOLIDI URBANIURBANI

ALLEVAMENTI ALLEVAMENTI ZOOTECNICIZOOTECNICI


INDUSTRIAAGRO-

ALIMENTARE

CASEARIA

OLEARIA

BIETICOLO-ZUCCHERIERA

ENOLOGICA E BIRRARIA

ORTOFRUTTICOLA E CONSERVIERA

FUNGHI EDULI


Residui e reflui dell’industria agro-alimentare possono essere addizionati al suolo come

Materiale fresco, non decomposto

Materiale parzialmente decomposto e trasformato

Materiale stabile e maturo

Le potenziali capacità fertilizzanti della componente organica dei primi tipi di materiali non sono completamente sfruttate nel suolo

inoltre, questi materiali potrebbero produrre effetti indesiderati sulle proprietà fisiche e chimiche del suolo e sulla sua biomassa, nonché per sulle colture.


Per migliorare

la fertilità organica del suolo

l’ammendante organico deve essere il più possibile simile alla sostanza organica

naturale del suolo

Sostanza organica del suolo

Fertilità organica del suolo

Ammendante organico


L’applicazione al suolo di sostanza L’applicazione al suolo di sostanza organica organica fresca, non stabile,fresca, non stabile, può produrre può produrre effetti negativi:effetti negativi: Incremento della velocità di mineralizzazione del C Incremento della velocità di mineralizzazione del C

organico nativo del suolo a causa di un aumento organico nativo del suolo a causa di un aumento dell’attività microbicadell’attività microbica

Instaurazione nel suolo di condizioni anaerobiche Instaurazione nel suolo di condizioni anaerobiche causate dalla mineralizzazione di grandi quantità di causate dalla mineralizzazione di grandi quantità di carbonio ed alto consumo di ossigeno (con conseguenti carbonio ed alto consumo di ossigeno (con conseguenti problemi di anossia radicale, incremento della problemi di anossia radicale, incremento della denitrificazione, mobilizzazione di forme ridotte di denitrificazione, mobilizzazione di forme ridotte di metalli traccia e/o pesanti, ecc.)metalli traccia e/o pesanti, ecc.)

Alterazioni negative del pH del suoloAlterazioni negative del pH del suolo

Addizione o formazione nel suolo di sostanze tossiche Addizione o formazione nel suolo di sostanze tossiche per piante e microorganismi (acidi organici a basso per piante e microorganismi (acidi organici a basso peso molecolare, fitotossine, ecc.)peso molecolare, fitotossine, ecc.)

Inibizione della germinazione e dell’elongazione Inibizione della germinazione e dell’elongazione radicale radicale


68

Controllo (C)Controllo (C)Fertilizante minerale (FM)Fertilizante minerale (FM)30 m30 m33 ha ha-1-1 di liquame suino (P30) di liquame suino (P30)60 m60 m33 ha ha-1-1 di liquame suino (P60) di liquame suino (P60)90 m90 m33 ha ha-1-1 di liquame suino (P90) di liquame suino (P90)120 m120 m33 ha ha-1-1 di liquame suino (P120) di liquame suino (P120)150 m150 m33 ha ha-1-1 di liquame suino (P150) di liquame suino (P150)

12,0

12,5

13,0

13,5

14,0

1998 1999 2000 2001

C o

rgan

ico

to

tale

(g

kg

-1)

Il secondo, terzo e quarto anno, Il secondo, terzo e quarto anno, diminuzione significativa del CO diminuzione significativa del CO nei suoli ammendati annualmente con le dosi più alte di liquamenei suoli ammendati annualmente con le dosi più alte di liquame..

Incorporazione, nei suoli ammendati, di basse quantità di carbonio Incorporazione, nei suoli ammendati, di basse quantità di carbonio organico utilizzabile come fonte di energia e, relativamente alte, di organico utilizzabile come fonte di energia e, relativamente alte, di azoto disponibile per il metabolismo proteico dei microrganismi; azoto disponibile per il metabolismo proteico dei microrganismi; queste condizioni favoriscono l'ossidazione microbica della queste condizioni favoriscono l'ossidazione microbica della sostanza organica nativa del suolsostanza organica nativa del suoloo..

Applicazione di liquame suinoApplicazione di liquame suino

PER NON TURBARE NEGATIVAMENTE GLI EQUILIBRI PER NON TURBARE NEGATIVAMENTE GLI EQUILIBRI CHIMICI, BIOLOGICI E BIOCHIMICI DEL TERRENOCHIMICI, BIOLOGICI E BIOCHIMICI DEL TERRENO

E’ NECESSARIO CHE LA BIOMASSA SUBISCA, PRIMA E’ NECESSARIO CHE LA BIOMASSA SUBISCA, PRIMA DELL’APPLICAZIONE AL SUOLO, UN PROCESSO DELL’APPLICAZIONE AL SUOLO, UN PROCESSO

PREVENTIVO DI PREVENTIVO DI DETOSSIFICAZIONEDETOSSIFICAZIONE E E STABILIZAZIONESTABILIZAZIONE, , CIOE’ DI CIOE’ DI TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE DELLA SOSTANZA DELLA SOSTANZA

ORGANICA ORGANICA IN FORME PIU’ STABILIIN FORME PIU’ STABILI CHE SOLO IN PARTE E CHE SOLO IN PARTE E MOLTO LENTAMENTE POSSANO SERVIRE DA SUBSTRATI MOLTO LENTAMENTE POSSANO SERVIRE DA SUBSTRATI

PER MICROORGANISMIPER MICROORGANISMI

PROCESSO DI PROCESSO DI UMIFICAZIONEUMIFICAZIONE

Formazione di Sostanze Sostanze umicheumiche


TRATTAMENTO BIOLOGICO

TRATTAMENTO AEROBICO

TRATTAMENTO ANAEROBICO

TRATTAMENTO ANAEROBICO-AEROBICO


La trasformazione delle La trasformazione delle

biomasse tende a riprodurre biomasse tende a riprodurre

(simulare) i processi di (simulare) i processi di

umificazioneumificazione che avvengono che avvengono

in natura allo scopo di in natura allo scopo di

ottenere molecole più stabili ottenere molecole più stabili

e non tossiche per gli e non tossiche per gli

animali e le pianteanimali e le piante


In natura la sostanza organica viene:in parte decomposta dai microrganismi presenti nel terreno (80% circa) (mineralizzata)

Con il compostaggio si vogliono imitare, riproducendoli in forma controllata ed accelerata,

i processi naturali

…In parte viene rielaborata e trasformata dopo lunghi e complessi processi in sostanze umiche.


IL CICLO DELLA SOSTANZA ORGANICA IN NATURA Gennaro Brunetti Università di Bari - DISSPA Compost...

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