Definizione di microbiologia del suolo
Il posto della microbiologia pedologica nella scienza del suolo
La microbiologia pedologica è parte integrante nella scienza del suolo in quanto riflette e comprende la natura fondamentale microbiologica di molti processi del suolo.
Essa può essere definita come quella branca della microbiologia che studia i microrganismi attivi nel suolo indagando sui rapporti reciproci di causa e di effetto che si stabiliscono fra terreno, con le sue proprietà fisiche e chimiche, attività microbiche e vegetazione.
Il terreno è un’entità vivente molto complessa poiché:
- è dotato di una struttura propria non definita dagli orizzonti del profilo o dalla granulometria, ma dai colloidi;
- respira: fissa O2 ed emette CO2;
- assimila: sintetizza carbonio e fissa azoto;
- degrada e mineralizza la sostanza organica;
- accumula sostanze di riserva sotto forma di humus;
- ha bisogno di acqua come tutti i sistemi biologici.
Studio dei microrganismi del suolo
Come studiare i microrganismi del terreno
Il pedobiologo deve lavorare in condizioni “ecologiche”.
La microbiologia pedologica si fonda sul principio ecologico di Winogradsky (1924):
L’AMBIENTE SELEZIONA ED ORIENTA LE ATTIVITÀ MICROBICHE.
Abbandono dei metodi di studio della microbiologia generale.
Conoscenza delle diverse funzioni che svolgono i microrganismi (gruppi fisiologici).
Interconnessione tra le attività microbiche e le condizioni chimico-fisiche del suolo.
I microrganismi del suolo
Ruolo della microflora nel suolo
Mineralizzazione della sostanza organica; sintesi di azoto organico; formazione di humus.
Solubilizzazione (mobilizzazione) degli elementi minerali che assicurano la nutrizione delle piante e la circolazione dallo stato organico a quello inorganico degli elementi biogeni nel suolo.
Rapporti diretti e indiretti tra microflora del suolo e piante coltivate.
Il suolo è un habitat complesso con alto rapporto solidi/liquidi considerato poco sfavorevole alla vita microbica perché povero di nutrienti utilizzabili specialmente di risorse di carbonio e di energia.
Esso è esposto costantemente a mutevoli ed estreme condizioni ambientali che sono normalmente favorevoli alle crescita microbica.
I microrganismi nel suolo contribuiscono alla pedogenesi e ne migliorano la fertilità attraverso la colonizzazione da parte dei microrganismi che porta alla formazione di sostanza organica.
Biodiversità microbica nel suolo
Il suolo contiene molti generi e specie microbiche rispetto ad altri habitat microbici.
Alcune specie sono presenti in basso numero in quanto condizionate per la loro stabilità, crescita e sopravvivenza dalle condizioni nutrizionali e dai fattori ambientali fisico-chimici.
In termine di, il suolo appare essere un buon habitat che promuove la biodiversità microbica soprattutto dei microrganismi indigeni del suolo ben adattati a questo ambiente austero con alto rapporto solido/liquido.
Molti microbi esogeni non sono adattati e non sopravvivono nel suolo (Tab. 1).
Tabella 1. Valori indicativi del peso della diverse biomasse microbiche del suolo
Costituzione del suolo
Il suolo è dominato da una fase solida composta da particelle isolate o esistenti come conglomerati misti circondate da una fase acquosa e gassosa.
La fase solida è composta da minerali, residui di piante, animali e microrganismi e microbiota vivente.
La fase acquosa nella quale sono disciolti i nutrienti o le sostanze inibenti del microbiota, è normalmente discontinua che limita il movimento dei microrganismi non filamentosi, i fenomeni di predazione e il trasferimento genetico
La discontinuità, fa sfuggire le cellule dai predatori, determina un accumulo localizzato di nutrienti e tossine e un basso, e altri fenomeni che non avvengono in habitat con una fase acquosa continua.
Lo spazio dei pori non riempito dalla fase acquosa si riempie di gas (O2, CO2, CH4, CO, NOX) e composti volatili (aldeidi, acidi grassi a corta catena, alcoli, composti aromatici). La loro composizione, il loro accumulo o allontanamento influenza la composizione e l’attività del microbiota.
La frazione minerale solida
I componenti minerali solidi del suolo
Particelle di dimensioni e composizione differente determinano la tessitura del suolo:
- sabbia grossa: quarzo e qualche frammento di roccia;
- sabbia fine: quarzo e feldspati, alcuni ferromagnesiaci;
- limo: quarzo e feldspati, alcuni ferromagnesiaci, mica e minerali argillosi;
- argilla: minerali argillosi (fillosilicati) e un po’ di quarzo.
Le particelle di maggiori dimensioni maggiori (scheletro) hanno una minore superficie specifica mentre quelle di argilla hanno una superficie specifica molto grande e sono in grado di influenzare fortemente le proprietà fisico-chimiche del suolo.
L’attività microbica è condizionata dalla presenza delle argille.
Le argille sono molecole anfotere con carica netta negativa. I cationi distribuiti in vicinanza delle particelle di argilla sono legati irreversibilmente (fissati) o scambiati con altri ioni a carica positiva, molecole e microrganismi.
Minerali argillosi azione:
- inibente nei confronti dei funghi;
- positiva nei confronti delle attività batteriche.
Frazione organica del suolo
Componenti organici solidi del suolo
La materia organica di origine animale e vegetale è costantemente rifornita e contribuisce alla formazione di materiali umici amorfi importanti per l’ambiente suolo.
L’humus è un’entità organica chimicamente non ben definita costituita da un complesso di molte sostanze:
- una piccola frazione organica idrosolubile (aminoacidi e zuccheri);
- acido umico a composizione variabile, costituito da un nucleo aromatico a periferia alifatica;
- acido fulvico a composizione disomogenea, contiene carboidrati e proteine oltre alle frazioni riscontrate nell’acido umico;
- umina, eterogenea, contiene residui vegetali non degradati e acido umico associato ad argilla colloidale.
Il materiale umico ha elevata capacità di scambio cationico, ha prorpietà colloidali, può formare associazioni con i colloidi minerali, può essere adsorbito a particelle minerali più grandi e mostra mobilità (podzol).
Le interazioni microrganismi-substrato predominano alle superfici e sono regolate dai fattori fisici e chimici che caratterizzano queste zone.
Fattori abiotici e microrganismi
Caratteristiche del suolo che influenzano la vita dei microrganismi
La presenza di acqua, il pH, i nutrienti, l’atmosfera, l’Eh, le caratteristiche genetiche, le interazioni microbiche e le relazioni spaziali influenzano l’attività, l’ecologia, la dinamica della popolazione microbica nel suolo.
Lo sviluppo e la sopravvivenza di specifici gruppi microbici del suolo può essere controllata attraverso un’appropriata modificazione di tali fattori.
I microhabitat hanno una composizione molto variabile (presenza di minerali argillosi, ossidi di metalli idratati, sostanza organica con cariche pH dipendenti, composizione e dimensione delle particelle, ammontare e livello della soluzione, nutrienti, gas, pH, Eh, forza ionica, ecc.).
La variabilità dei fattori abiotici si riflette sul microbiota costituito dalla simultanea coesistenza di autotrofi, eterotrofi, aerobi e anaerobi, cellule vegetative e spore, procarioti e eucarioti e cellule con differenti esigenze di sviluppo.
Uno degli obiettivi dei microbiologi del suolo è di determinare come i fattori abiotici controllano le attività del microbiota e la possibilità di manipolare tali fattori per migliorare o attenuare l’attività di specifici componenti ed ottenere desiderati benefici (es. diminuizione dell’uso di pesticidi, fertilizzanti e altri xenobiotici che hanno effetto deleterio nei confronti della rizosfera).
La componente liquida del suolo
Soluzione acquosa del suolo
È soggetta a fluttuazioni.
È un mezzo nutritivo liquido per i microrganismi in quanto contiene sostanze minerali, organiche e gas.
- Gravitazionale: utilizzabile dai microrganismi del suolo.
- Capillare: negli spazi dei pori, utilizzabile dai microrganismi.
- Osmotica: intorno alle particelle di argilla e di humus.
- Igroscopica: fortemente adsorbita alle particelle di suolo e poco utilizzabile.
In suoli poco strutturati con pori di dimensione inferiori ad un micron l’acqua osmotica diventa poco distinguibile dall’acqua igroscopica.
Capacità idrica del suolo: l’acqua contenuta nel suolo dopo che quella in eccesso che satura un terreno (acqua gravitazionale) drena per gravità. Quando il suolo diventa arido l’acqua capillare è rimossa dall’aria lasciando soltanto l’acqua osmotica e igroscopica (Fig. 1).
Figura 1. Soluzione acquosa circolante nel suolo
Disponibilità di acqua e microrganismi
Disponibilità di acqua nel suolo
Il livello di acqua utilizzabile dai microrganismi (aw) è quella molto vicina alla capacità di campo quando essa non può essere rimossa mediante gravitazione, e il bilancio tra l’ammontare di acqua utilizzabile e l’O2 è ottimale per la crescita e l’attività microbica.
La diversa energia con la quale viene trattenuta l’H2O nel terreno viene denominata “potenziale” ed è espressa in bar.
Il potenziale dell ‘H2O nel terreno equivale al lavoro necessario per opporsi alle forze che trattengono la massa unitaria d’ H2O sulle particelle del terreno.
H2O pura, libera, ha potenziale uguale a 0 mentre l’H2O trattenuta ha potenziali negativi.
Maggiore è il legame con il terreno più negativo sarà il potenziale dell’ H2O.
L’utilizzazione dell’acqua da parte delle piante o dei microrganismi risulta possibile per valori compresi tra 0 e -15 (Fig. 2).
Figura 2. Diversa disponibilità di acqua nel suolo.
L’aria del suolo
Componenti gassosi del suolo
I suoli presentano pori di diverse dimensioni riempiti di aria o di acqua (Fig. 3).
Molti suoli hanno spazi dei pori che costituiscono il 50% del loro volume totale che possono contenere O2 – N2 – CO2 – NH3 – H2S – CH4
La precisa proporzione dello spazio dei pori è influenzata dalla vegetazione e dalle pratiche agronomiche.
Le dimensioni dei pori possono divenire troppo piccole per permettere la normale crescita e la sporulazione di alcuni gruppi microbici.
La composizione dell’aria nel suolo è generalmente satura di vapore acqueo e contiene più CO2 e meno O 2.
La CO2 influenza il pH del suolo, fornisce carbonio ai microrganismi autotrofi e inibisce gli eterotrofi.
Figura 3. Dimensione dei pori presenti nel terreno
pH e Eh del suolo
pH del suolo
Il pH del suolo è determinato dalla concentrazione di sali, di CO2 nella soluzione circolante, di cationi scambiabili presenti.
Il pH delle particelle di argilla può essere diverso da quello della soluzione ambiente in quanto esse sono cariche negativamente e attraggono ioni idrogeno che si concentrano intorno ad esse. Inoltre i microrganismi liberano enzimi che possono essere adsorbiti dalle particelle di argilla.
Un terreno acido determina la solubilità di alcuni ioni (Al, Fe, Ni) potenzialmente tossici per i microrganismi e lisciviazioni di elementi come Ca , P, K che possono indurre carenze nutritive.
Il pH ottimale per quasi tutti i batteri è 6-7. I batteri e gli attinomiceti crescono male a pH acidi (< 5) mentre i funghi hanno un optimum di crescita a pH bassi.
Eh del suolo
Legato al contenuto di O2 nel suolo.
Nei microhabitat sono presenti differenti livelli di Eh (da +700 a -300) poiché in essi possono coesistere microrganismi aerobi, facoltativi e anaerobi.
Può essere manipolato mediante le pratiche agricole colturali come la coltivazione e il miglioramento del drenaggio dell’acqua.
Temperatura del suolo
Temperatura del suolo e microrganismi
Poiché la crescita e lo sviluppo dei microrganismi possono essere influenzati sia da un livello troppo alto che troppo basso dello stesso fattore i microrganismi hanno un minimo e un massimo ecologico, compresi in un intervallo che rappresenta il limite di tolleranza (Fig. 4).
L’entità di energia solare assorbita dal suolo è influenzata dalla direzione e dal grado di inclinazione, il colore e la densità di copertura vegetale del suolo.
Le temperature medie mensili alla superficie di un suolo forestale varia da 2 a 19°C, mentre a soli 7,5 cm di profondità il campo di variabilità si riduce a 4-14°C.
I microrganismi mesofili sono quelli più frequentemente isolati nel suolo.
Figura 4. Intervalli di temperatura di crescita dei microrganismi
Nutrienti ed energia
Fonti di carbonio
La presenza o l’aggiunta al suolo di fonti di carbonio (es. residui di piante) migliora lo sviluppo del microbiota.
Il consumo (mineralizzazione) della fonte energetica determinerà:
- il rallentamento delle attività metaboliche;
- il declino della densità del microbiota al suo stato originale (Fig. 5).
Nutrienti
Per un’ottimale crescita microbica la richiesta di nutrienti è N>P>S. La fertilizzazione apporta minerali e migliora la crescita in maniera non specifica. L’eccesso di nutrienti minerali può sopprimere la crescita o l’attività di specifiche popolazioni microbiche (Phanerochaete chrisosporim).
Fattori di crescita
I fattori di crescita sono composti organici specifici la cui presenza è indispensabile nel substrato di crescita di alcuni microrganismi incapaci di sintetizzare tali sostanze. Possono favorire la crescita di specie desiderate. La loro persistenza ed attività nel suolo è limitata.
Figura 5. Crescita dei microrganismi in presenza di fonti di carbonio
Struttura dei microhabitat e relazioni spaziali
Microhabitat e relazioni spaziali
Per struttura del suolo s’intende l’aggregazione di costituenti organici primari (sabbia, limo e argilla) in unità strutturali dette aggregati.
Le particelle di sabbia o limo ricoperte di argilla si raggruppano in microaggregati che possono formare aggregati di diametro da 0,5 a 5 mm, che sono stabilizzati dalla sostanza organica e materiali inorganici precipitati.
Tutti i microrganismi sono distribuiti nel suolo in zone dove ci sono argille poiché né sabbia né limo sono in grado di trattenere l’acqua contro la forza di gravità.
Aggregati o gruppi di aggregati con la loro acqua adiacente costituiscono i microhabitat del suolo entro cui vivono i microrganismi (Fig. 6).
Il movimento dei batteri (sia passivo che attivo) intorno agli aggregati è piuttosto limitato.
I funghi filamentosi sono capaci di crescere lungo lo spazio dei pori tra i microhabitat attraverso una crescita apicale e laterale delle ife del micelio ramificato.
Fig 6. Aggregato di particelle legate da cementi minerali o organici con batteri, funghi e radici
Attività microbiche in un Microhabitat
Le aree in scuro rappresentano particelle di sabbia e limo e i gruppi di linee rappresentano i pacchetti di minerali argillosi con la presenza delle cariche positive e negative.
Le linee ondulate sui pacchetti di argille indicano substrato nutritivi legato e le serie di x su un altro pacchetto indicano il legame di sostanze tossiche ai microbi. E’ riportato anche l’assorbimento di cariche positive (es a pH bassi) su siti negativi dell’argilla e di un batterio negativo sulle cariche positive dell’argilla.
Le cellule batteriche sono di dimensioni colloidali ed hanno proprietà ionogeniche determinate dai punti isoelettrici dei costituenti della parete.
Un batterio che si lega sull’argilla dopo l’attrazione chemiotrofica alla sostanza organica assorbita può divenire nutrizionalmente carente dopo aver consumato tutta la sostanza organica, quindi esso è dipendente dal livello di diffusione di nuova sostanza organica per la sua nutrizione (K replenishment).
Se la sostanza assorbita attraente è tossica, il batterio può morire (Fig. 7).
Figura 7. Rappresentazione delle attività microbiche in un microhabitat
Interazioni microbiche
Rapporti tra popolazioni microbiche nei microhabitat
I microhabitats sono eterogenei come i loro abitanti che sono sottoposti a interazioni simultanee.
Tali interazioni possono essere:
- Positive;
- Negative;
- Neutrali (Tab. 2).
L’equilibrio biologico è sostanzialmente realizzato attraverso 3 meccanismi:
- Competizione (nutrienti, siti e ossigeno);
- Antibiosi;
- Parassitismo e predazione.
Tabella 2. Tabella riassuntiva delle interazioni microbiche interspecifiche
Le lezioni del Corso
1. Introduzione, storia e sviluppi della microbiologia
4. La membrana citoplasmatica dei procarioti
5. La parete cellulare dei procarioti
6. Le strutture esterne della cellula procariota: la capsula e i flagelli
7. Le inclusioni cellulari dei procarioti
9. La Microbiologia pedologica
10. Ruolo dei microrganismi nel suolo
11. Cicli biogeochimici, effetto rizosfera e PGPR
12. Rapporti simbiontici piante-microrganismi: azotofissatori e micorrize
I materiali di supporto della lezione
1) Appunti
2) Testi:
Florenzano, Cap. 1, 2, 3, 4
Van Elsas et al, Cap. 1
Perry et al., Cap. 6
