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Olimpia Pepe » 11.Cicli biogeochimici, effetto rizosfera e PGPR

Cicli biogeochimici: ciclo dell’azoto

Un ciclo biogeochimico descrive le trasformazioni a carico di elementi fondamentali per gli organismi viventi, causate sia da processi biologici che chimici. Il ciclo dell’azoto è caratterizzato dal movimento dell’azoto tra l’atmosfera e il terreno (Fig. 1) grazie all’intervento di gruppi microbici funzionali ad attività fisiologica specifica (Fig. 2).

Fasi del ciclo dell’azoto:

fissazione dell’azoto gassoso nel suolo sotto forma ammoniacale (azotofissazione);
assimilazione (organicazione) dell’azoto ammoniacale da parte dalle piante previa trasformazione, in composti azotati come nitriti e nitrati (nitrificazione);
organicazione dell’azoto dei vegetali negli organismi superiori eterotrofi;
decomposizione dei resti organici che restituiscono l’azoto al terreno (proteolisi e ammonizzazione);
conversione dell’azoto in forma gassosa che ritorna nell’atmosfera (denitrificazione) (Fig. 2).

Ricircolo dell’azoto anche grazie alla fissazione industriale e alla coltivazione delle leguminose (azione antropica).

Figura 1. Ciclo dell'azoto

Figura 2. Processi e gruppi funzionali del ciclo dell'azoto

Proteolitici e ammonizzanti

Mineralizzazione dell’azoto organico: l’ammonizzazione

Molta parte dell’azoto del suolo si trova in forma combinata organica.

La mineralizzazione della sostanza organica nel terreno, ovvero dell’azoto proteico, porta alla liberazione di NH4⁺.

Tale mineralizzazione comporta due processi distinti:

proteolisi, ad opera di proteasi microbiche extracellulari (proteolitici) che degradano le proteine fino alla liberazione di aminoacidi (Fig. 3);
ammonizzazione, ad opera di microrganismi ammonizzanti che utilizzano il carbonio degli aminoacidi liberando l’ NH4⁺ (deaminazione) (Fig. 3).

I microrganismi coinvolti (batteri, funghi e actinomiceti) sono eterogenei biochimicamente e sistematicamente, e numerosi (Fig. 4).

Figura 3. Enzimi coinvolti nella mineralizzazione dell'azoto organico

Figura 4. Numerazione di proteolitici (a) e ammonizzanti (b) su substrati specifici

Nitrificanti

Mineralizzazione dell’azoto organico: la nitrificazione

La nitrificazione rappresenta l’ossidazione biologica dell’ammonio a nitrato.

Avviene ad opera di microrganismi autotrofi specifici (nitrificanti) anche se alcuni eterotrofi possono effettuare una nitrificazione parziale a partire da forme ridotte dell’azoto.

Nell’ossidazione dell’ammonio a nitrito si formano due o più intermedi tra cui l’idrossilammina, che sono a loro volta ossidati a nitrato (Fig. 5).

I microrganismi nitrificanti autotrofi possono essere suddivisi in:

batteri nitrosanti che ossidano lo ione ammonio in nitrito (Fig. 6);
batteri nitricanti che ossidano il nitrito in nitrato (Fig. 6).

Figura 5. Reazione di ossidazione dell'ammonio a nitrato

Figura 6. Microfotogrtafie di batteri nitrosanti (a, b, c, d, e, f) e nitricanti (g, h)

Ciclo del carbonio

Il carbonio può essere presente in forme ridotte come il metano e la sostanza organica ed in forme più ossidate come CO e la CO₂.

La microflora del suolo metabolizza i composti organici vegetali e, attraverso una serie di trasformazioni, riporta il carbonio allo stato minerale.

La vegetazione converte il carbonio minerale della CO₂ atmosferica in carbonio organico.

La fissazione del carbonio può avvenire attraverso processi fotoautotrofi e chemioautotrofi, in aerobiosi o anaerobiosi.

Il metano può essere prodotto in anaerobiosi a partire da substrati organici e inorganici.

Il monossido di carbonio prodotto da automobili o industrialmente viene portato nel ciclo del carbonio dai batteri CO ossidanti (Fig. 7).

I gruppi microbici funzionali eterotrofi del ciclo del carbonio agiscono sui composti organici del carbonio a diversa complessità riducendoli in acidi, alcoli, idrocarburi e CO₂ (Fig. 8).

Figura 7. Schematizzazione del ciclo del carbonio

Figura 8. Composti del carbonio su cui agiscono i gruppi microbici ecofisiologici del suolo

Cellulolitici

Degradazione della cellulosa

La degradazione della cellulosa rappresenta uno dei fenomeni più importanti del suolo in quanto la cellulosa è la maggiore sorgente di carbonio nel terreno.

La cellulosa è costituita da molecole di glucosio unite tra loro legame β1,4 glicosidico (catene di β-glucopiranosio).

La sua struttura è complessa e variabile perché le catene elementari sono riunuite in fibrille costituite da maglie cristalline separate da zone amorfe.

La degradazione enzimatica della cellulosa avviene grazie all’azione di cellulasi (idrolasi), che si distinguono in esoglucanasi, endoglucanasi, e β-glucosidasi, complesso di enzimi che agiscono in successione nella degradazione della cellulosa nativa idrolizzando i polimeri di 1,4 D-glucosio (Fig. 9).

Cellulolitici aerobi: Citophaga, Sporocytophaga, Flexibacter, Cellulomonas, Cellvibrio (Fig. 10).
Cellulolitici anaerobi: Clostridium.
Funghi mesofili: Trichoderma, Botrytis, Gliomastrix, Scopulariopsis, Stemphilium.
Funghi termofili: Mucor, Chaetomium, Humicola, Sporothricum, Thermoascus.

Figura 9. Fasi di degradazione aerobia e anaerobia della cellulosa

Figura 10. Numerazione di cellulolitici su substrato differenziale specifico (RBB agar)

Amilolitici

Degradazione dell’amido

La degradazione dell’amido determina:

liberazione di molecole di amilosio, costituite da lunghe catene di unità glucosidiche riunite da legami α-1,4 glucosidici;
liberazione di amilopectina, la cui catena ramificata è costituita da catene analoghe a quelle dell’amilosio, legate alla catena principale da legami α-1,6 glucosidici.

La degradazione si compie per idrolisi ad opera di:

α-glucosidasi, che rompono i legami 1,4 con liberazione di destrine e maltosio;
β-amilasi, che liberano _-maltosio;
amilo-α-1,6-glucosidasi, che degradamo i legami 1,6 dell’amilopectina (Fig. 11).

Batteri, funghi e attinomiceti producono amilasi.

I lieviti non sono amilolitici.

Batteri che presentano attività amilolitica, appartengono ai generi Bacillus e Clostridium (Fig.12).

Figura 11. Schematizzazione del processo di degradazione dell'amido

Figura 12. Numerazione differenziale degli amilolitici su substrato contenente amido

Pectinolitici

Degradazione della pectina

La pectina è una molecola solubile formata da polimeri α-1,4 dell’acido galatturonico esterificati con metanolo (esteri metilici dell’acido galatturonico).

I pectinolitici degradano la pectina grazie all’utilizzo di due enzimi:

la pectina-metil-esterasi, che decompone la pectina in acido pectico e alcool metilico;
le poligalatturonasi, che idrolizzano le catene di acido pectico.

I principali agenti pectinolitici sono:

batteri appartenenti ai generi Bacillus, Erwinia, Clostridium (Fig. 13);
funghi appartenenti ai generi Aspergillus, Penicillium, Mucor, Cladosporium.

Figura 13. Numerazione e isolamento di pectinolitici su substrato differenziale specifico

Ligninolitici

Degradazione della lignina

La lignina è un polimero fenolico condensato molto resistente all’attacco biologico.

Rappresenta il costituente intercellulare cementante delle cellule fibrose nei vegetali.

E’ una sostanza non solubile e difficilmente separabile dalla cellulosa.

Il suo accumulo nel suolo rappresenta la sorgente principale di humus (Fig. 14).

Degradazione mediante fenolossidasi microbiche (laccasi, perossidasi, tirosinasi) che determinano diminuzione di peso e di volume della lignina.

Funghi del marciume molle: Chetomium, Pullularia Alternaria, Acremomiella, Humicola, Cephalosporium.
Funghi del marciume bruno: Poria, Coniophora, Merulius, Lentinus.
Funghi del marciume bianco: Phanerochaete, Polyporus, Poria, Fomes, Armillaria, Pholiota.
Batteri: Pseudomonas, Xanthomonas, Flavobacterium, Arthrobacter, Micrococcus, Bacillus.

Agenti della Carie del legno

Figura 14. Aree di tessuto legnoso fibroso e decolorato per effetto del marciume bianco

Studio della rizosfera

Importanza degli studi della rizosfera

Gli studi riguardanti le relazioni biochimiche che intercorrono nella zona del suolo vicina alle radici denominata rizosfera hanno un duplice obiettivo.
1) La conoscenza:

dei processi legati al ciclo biogeochimico degli elementi;
dei meccanismi alla base dell’acquisizione dei nutrienti;
della tolleranza a situazioni di stress;
dei fenomeni relativi all’instaurarsi di interazioni benefiche e dannose tra pianta e microorganismi.

2) Lo sviluppo di strategie mirate:

al miglioramento della nutrizione delle piante;
alla difesa dai patogeni;
al recupero di suoli degradati;
alla salvaguardia della biodiversità;
alla definizione di sistemi colturali eco-compatibili.

La rizosfera

La rizosfera è il volume di suolo che circonda ed è a contatto con le radici e in cui avvengono fenomeni chimici, fisici, biochimici e biologici di interazione con le componenti biotiche ed abiotiche del suolo (Fig 15).

Bulk soil: il materiale terroso separato per scuotimento della massa suolo-radici (Fig. 16).

Rhizo soil: parte di suolo facilmente separabile per scuotimento della massa suolo-radici.

La rizosfera può essere suddivisa in tre zone:

endorizosfera, ambiente multistratificato che si estende dalla superficie delle radici fino ai primi strati cellulari interni dove si può avere un’invasione microbica e colonizzazione da parte di microrganismi saprofiti;
rizoplano o superficie esterna radicale, costituito dallo strato epidermico con peli radicali (rizoderma) e dallo strato mucoide dove si può avere una colonizzazione microbica;
ectorizosfera, che consiste nel volume di suolo adiacente alle radici di dimensioni variabili a seconda del tipo di pianta e delle interazioni con le popolazioni microbiche presenti in tale zona (Fig. 16).

Microorganismos que alimentan y protegen a las plantas

Figura 15. Estremità radicale con la rizosfera

Figura 16. Le diverse zone del suolo interessate ai fenomeni di interazione pianta-microrganismi

La rizodeposizione

Materiali organici della rizosfera e il fenomeno di rizodeposizione

L’intensa attività microbica è generata dall’emissione, da parte delle piante di diversi tipi di sostanze energetiche e stimolanti denominate essudati radicali (Tab.1).

Tale fenomeno detto rizodeposizione è dato dal flusso di carbonio fotosintetico che si realizza dalle radici al terreno.

L’effetto rizosfera è il complesso di tutte le azioni che si svolgono in questa particolare area del suolo.

Gli essudati che vengono rilasciati nella rizosfera dalle radici possono essere classificati in:

essudati a basso peso che consistono in composti idrosolubili come zuccheri, acidi organici, aminoacidi e fenoli rilasciati da cellule integre della radice;
essudati ad alto peso, ovvero sostanze macropolimeriche polisaccaridiche insolubili come:
- ectoenzimi (fosfatasi, polifenoli ossidasi);
- mucillagini, come il mucigel che circonda le radici e nel quale sono immersi i microrganismi.

Tabella 1. Composizione degli essudati radicali di varie specie di piante coltivate

Il mucigel

Mucigel: materiale gelatinoso che circonda le radici costuito da mucillagini vegetali e microbiche nel quale sono immerse le popolazioni microbiche del rizoplano, i loro metaboliti e particelle di suolo.

Funzioni del mucigel:

rappresenta un efficiente sistema di lubrificazione che permette alla radice di penetrare nel terreno. Esso è presente a livello della cuffia radicale, che, dopo un breve periodo di vita degenera (Fig. 17).
crea un ambiente favorevole per gli azotofissatori (diazotrofi) e funghi. Trattiene acqua e nutrienti in suoli aridi (Fig. 18).

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Figura 17. Estremità di una radice con la cuffia radicale e la formazione del mucigel

Figura 18. Colonizzazione delle radici di grano da parte di Azospirillum lipoferum

Effetto rizosfera

L’effetto rizosfera è il complesso di azioni che si svolgono in questa particolare area del suolo, legate al fenomeno di rizodeposizione.

Nella rizosfera le radici delle piante influenzano la microflora del suolo tramite l’emissione di sostanze energetiche e stimolanti, detriti organici ecc.

A loro volta i microrganismi regolano la disponibilità degli elementi nutritivi per le piante e ostacolano la colonizzazione radicale ad opera di specie parassite.

Tra microflora e radici possono stabilirsi le seguenti interazioni come:

emissione di sostanze energetiche e stimolanti, e detriti organici ecc.;
rilascio da parte dei microrganismi di agenti chelanti i nutrienti;
rilascio sostanze (ormoni) capaci di stimolare il metabolismo delle cellule radicali;
produzione di antibiotici da parte di alcune popolazioni microbiche (Fig. 19).

Figura 19. Effetto rizosfera legato al fenomeno di rizodeposizione

I Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR)

I PGPR stimolano la crescita delle radici e dell’intera pianta attraverso una serie di meccanismi utilizzati singolarmente o in combinazione (Fig. 20).

Meccanismi d’azione

Diretti:

fissazione dell’azoto atmosferico, il quale è trasferito e organicato nella pianta;
produzione di siderofori chelanti il ferro reso disponibile per le piante;
solubilizzazione del fosforo reso più disponibile per le piante attraveso l’aumento di colonizzazione delle radici da parte di batteri e funghi (micorrize);
sintesi di fitormoni che stimolano lo sviluppo delle piante.

Indiretti:

produzione di metaboliti antagonisti nei confronti dei microrganismi dannosi;
competizione verso i patogeni per i nutrienti o per specifiche nicchie;
capacità di produrre siderofori chelanti il ferro non più disponibile per i microrganismi dannosi;
induzione della resistenza sistemica indotta (ISR).

Figura 20. Meccanismi d'azione diretti ed indiretti dei PGPR

Uso dei PGPR

Un altro modo di definire i PGPR è considerare la finalità di un loro impiego nel suolo come inoculi per la biofertilizzazione, la fitostimolazione e il biocontrollo (meccanismi diretti ed indiretti) (Fig. 21).

Biofertilizzazione

I PGPR agiscono sui nutrienti presenti nel suolo rendendoli disponibili per le piante.

Fitostimolazione

Capacità di alcuni ceppi microbici di stimolare la crescita delle piante.

Biocontrollo

Controllo dei microrganismi dannosi e/o patogeni mediante produzione di metaboliti tossici (Fig. 22).

Sono stati individuati come PGPR batteri appartenenti a diversi generi: Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus, Rhizobium, Thiobacillus, Azospirillum, Frankia, Burkholderia, Agrobacterium, Arthrobacter, Streptomyces.

Interactions between biocontrol plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), plants, pathogens and soil