Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) http://usr-lazio.artov.rm.cnr.it/fiset2002/

1. Consiglio Nazionale delle Ricerche Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03)http://usr-lazio.artov.rm.cnr.it/fiset2002/ Modulo 6:Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" Daniela Lippi e Maria Rita De Paolis Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale Area della Ricerca di Roma1 “Montelibretti” - lippi@ibaf.cnr.it

2. Calendario degli incontri del modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo” 1. Ecosistema suolo 06/02 Artov 2. Pedogenesi 20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo 27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo 06/03 Mlib 5. Ciclo dell’Azoto 13/03 Mlib 1. Ecosistema suolo 06/02 Artov 2. Pedogenesi 20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo 27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo 06/03 Mlib 5. Ciclo dell’Azoto 13/03 Mlib 6. Ciclo del Carbonio 20/03 Mlib

3. Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" 6. Ciclo del Carbonio Parte teorica  Introduzione e cenni sulle emissioni di CO2  Ciclo della CO2 nella biosfera  Assimilazione della CO2  Struttura e degradazione della cellulosa  Degradazione della sostanza organica

4. Introduzione 6.Ciclo del carbonio La quantità totale dicarbonio presente sulla Terra, in forma organica e inorganica, è Carbonio totale  50 x 1012 t 22% 3% 71% 3% 1% Torba e materiali fossili: carbone, petrolio, metano Biomassa totale degli ecosistemi terrestri Oceani e sedimenti come carbonati e bicarbonati Fitoplancton e materia organica degli oceani Atmosfera

5. Atmosfera 2600•109 t CO2 Fotosintesi 129•109 t CO2 Combustione 18•109 t CO2 Respirazione 37•109 t CO2 Scambio  0,1% Piante Mineralizzazione 92•109 t CO2 CO 1-1,5% CH4 Aerobi Anaerobi Fitoplancton Microrganismi Respirazione 146•109 t CO2 Fotosintesi Combustibili fossili 10000•109 t CO2 Minerali Oceani 130000•109 t CO2 Sedimenti 10-2500000•109 t CO2 Componente geochimica Il ciclosi fonda in gran parte sullo scambio di CO2 tra i due principali serbatoi: l’atmosfera e gli oceani. per diffusione lungo le superfici di contatto Il carbonio in eccesso forma con l’acqua carbonati e bicarbonati: gli oceani sono un potente sistema tampone per il mantenimento del contenuto di CO2 nell’atmosfera

6. Emissioni aggiuntive  Incremento del consumo di combustibili fossili La concentrazione di CO2 nell’atmosfera è notevolmente cresciuta dopo la rivoluzione industriale: da circa 260 ad oltre 350 ppm  Indiscriminato abbattimento delle foreste L’eccesso di anidride carbonica causa l'aumento della temperatura terrestre:  Intensificarsi di attività antropiche inquinanti effetto serra I raggi solari: • radiazioni a onde corte (raggi ultravioletti) • radiazioni a onde lunghe (raggi infrarossi) raggiungono la Terra e la scaldano L'alta concentrazione di CO2presente nell’atmosfera forma una specie di schermo protettivo che impedisce ai raggi infrarossi, riflessi dalla superficie terrestre, di disperdersi verso lo spazio per cui la Terra si surriscalda

7. CO2 CO2 CO2 6.Ciclo del carbonio Ciclo della CO2 nella biosfera Ilcarbonio è l’elemento centrale nella struttura della materia vivente, ma è la CO2 il composto “chiave” coinvolto nel ciclo. Esso viene prelevato utilizzato restituito all’ambiente PPN Produttori Consumatori Decompositori I produttoriassimilano la CO2 e (5% PPN) la forniscono a consumatori e decompositori. L’attività di fotosintesi globale è tale che la riserva dell'atmosfera si esaurirebbe in circa 20 anni I microrganismi decompositori compiono la mineralizzazione e sono altrettanto essenziali dei produttori primari perché rinnovano le riserve di CO2 dell'atmosfera

8. 6CO2 + 6H2O + E C6H12O6 + 6O2 Glucosio Assimilazione della CO2 6.Ciclo del carbonio Attraversolafotosintesiclorofilliana, CO2 ed H2O vengono combinate secondo una reazione di riduzione, per mezzo di un trasferimento di energia dalla luce solare:

9. Ribosio C5H10O5 Fructo-oligosaccaride La principale via biochimica della CO2 nelle piante riguarda il metabolismo dei carboidrati, e dei loro composti • Monosaccaridi(monomeri) costituiti da una sola molecola: •  esosi(6 atomi di C) glucosio (zucchero che viene trasportato nel sangue), • pentosi(5 atomi di C) fruttosio, arabinosio, ribosio, ramnosio,… • Disaccaridi (dimeri) formati da due molecole uguali o diverse: • - saccarosio, formato da glucosio e fruttosio, • è lo zucchero trasportato nelle piante • - lattosio, formato da glucosio e galattosio • - cellobiosio, formato da 2 molecole di glucosio • Oligosaccaridi (oligomeri) formati da tre o poche molecole, - cellotriosio, 3 molecole di glucosio - cellotetraosio, 4 molecole di glucosio • Polisaccaridi (polimeri) costituiti da numerose molecole uguali o diverse, • in qualche caso anche combinate con altri atomi • oltre carbonio, idrogeno ed ossigeno

10. La maggior parte della CO2, fino a circa il 60%, è immobilizzata nella fitosfera come polimeri strutturali e di riserva Le piante legnose contengono  75% di polisaccaridi suddivisi in 7 grandi gruppi  20% di lignina, (valore medio)  1% è il contenuto diproteine Le piante erbacee hanno un contenuto maggiore di polisaccaridi minore di lignina Inoltre: Composti solubili trasportati nella linfa, attraverso il sistema di vasi, dalle foglie a tutte le parti della pianta. Vi si trovano zuccheri semplici, aminoacidi, acidi alifatici, grassi, oli, resine, pigmenti…. Possono venire escreti dalle estremità radicali nel terreno: essudati radicali.

11. S1 Parete secondaria S2 S3 Lamella mediana Parete primaria I polimeri strutturali degli organismi vegetali sono le molecole organiche più abbondanti nella biosfera ed il substrato ideale per l’azione dei decompositori Polisaccaridi e Lignine Le due classi principali sono Polimeri fenoliciinsolubili, molto complessi, con legami carbonio-carbonio molto stabili; Cellulosa ed altri 6 tipi di polimeri Si legano fisicamente e chimicamente nelle pareti cellulari 3-6% nelle piante giovani, aumenta nel tempo fino a raggiungere 15-35% del peso secco Lignificazione Lamella mediana Parete primaria Parete secondaria Soprattutto pectine, si trova tra le pareti primarie di cellule adiacenti Si forma durante la crescita, deformabile, costituita da cellulosa, emicellulose, pectine, proteine Si può formare dopo la crescita, è interna, più spessa e rigida, costituita da cellulosa, emicellulose e lignine

12. Amilosio Polisaccaridi strutturali(oltre la cellulosa) 1. Amido insolubile, formato da due polimeri diversi del glucosio: amilosio, a struttura lineare, avvolta ad elica amilopectina, a struttura ramificata Dopo la cellulosa, è il polimero più diffuso e rappresenta la principale riserva di carboidrati, viene accumulato in granuli variabili da 1 a 150 µ di diametro 2. Emicellulose insolubili e diverse formate da esosi, pentosi e altre molecole, associate alla cellulosa nelle pareti cellulari 3. Pectine insolubili o solubili, formate da catene di acido galatturonico, si trovano come componenti della lamella mediana tra le pareti cellulari e tra le molecole di cellulosa 4. Inulina Piccola molecola di fruttosio, di riserva -sostituisce l’amido 5. Gomme Essudati, contengono esosi e pentosi. Gomma arabica (Acacia) Lunga catena di N-acetilglucosamina, con un atomo di N, molto insolubile. Funghi, insetti, ragni, crostacei 6. Chitina

13. Fibra di cellulosa Macrofibrilla 0,5m Microfibrilla 10-25 nm Molecola di cellulosa Micella C6H11O5 6.Ciclo del carbonio Struttura della cellulosa E’ un polisaccaride altamente ordinato, insolubile, con una struttura semicristallina, contenente fino a 10 000 molecole di glucosio... 1. unite da legami 1,4ß-glucosidici in lunghissime catene lineari a maglie 5 2. le catene, unite tra loro da legami idrogeno, formano strutture a fasci dette micelle 4 3 3. 10-20 micelle sono unite a formare microfibrille 4. le microfibrille si attorcigliano come i fili di una corda e formano macrofibrille che 2 5. costituiscono un sistema di fibre intrecciate tra loro su diversi piani 1

14. Ponti di Ca+tra le molecole di pectina Glicoproteina Microfibrilla Pectine Emicellulosa  La cellulosa ha una resistenza pari a quella di una lamina di acciaio di uguale spessore  La consistenza viene aumentata da altri polimeri: lignina, emicellulose o pectine, riempiono gli spazi tra le molecole di cellulosa  Nelle piante giovani è  15 % del peso secco, e diventa più del 50% nelle piante legnose adulte Struttura ordinata Positivi Legami uguali o simili Monomeri facilmente assorbibili  E’ il composto organico più abbondante in natura e substrato di attiva degradazione in svariati ambienti. Ha caratteri Grandi dimensioni Negativi Insolubilità Assenza di azoto

15. 6.Ciclo del carbonio Degradazione della cellulosa La cellulosa viene degradata solo da poche specie batteriche,da numerosi funghi, da alcuni attinomiceti e protozoi, in una grande varietà di ambienti In natura la completa degradazione della cellulosa è il risultato della azione combinata di una comunità microbica Nel rumine degli erbivori la flora batterica agisce in un ambiente altamente acido, privo di O2 e ad alta temperatura  Nel compost sono attivi microrganismi termofili ( 60°C), aerobi e anaerobi  Nel suolo la degradazione è condizionata dai fattori ambientali, dalla quantità di azoto disponibile e dalla presenza di altri polisaccaridi e di lignina, che rendono la cellulosa più inaccessibile

16. R C1 -Glucoside Nr Cellobiosio Endo 1,4 -glucanasi Cx complex Microfibrilla Cellulasi Nella diversità delle vie metaboliche, il meccanismo iniziale è comune: emissione di una batteria di enzimi extracellulari 1. Una endo 1,4ß-glucanasi rompe i legami glucosidici tra le molecole lungo la catena e libera le estremità riducenti (R) e non-riducenti (NR). Inoltre distrugge i legami idrogeno tra le molecole che formano le micelle 2. I prodotti sono accorciati da un complesso di enzimi, Cx, che contiene dieci o più endo- ed eso-glucanasi che staccano oligomeri 3. Gli oligomeri vengono idrolizzati fino a dare cellobiosio (dimero del glucosio) che per azione della 1,4ß-glucosidasi si divide nelle due molecole di glucosio 1 2 3 Schema di degradazione proposto per il fungo Trichoderma

17. Catena cellulosica Modello di struttura della 1,4-endoglucanasi Inibitore Meccanismo di inibizione L’endoglucanasi ha un sito attivo esteso e caratterizzato da più sottositi Le catene di cellulosa scorrono nell’ansa dell’enzima fino ad interagire nei siti di legame. Quando il legame glicosidico è alla distanza giusta dai residui del sito, viene bloccato e scisso L’endoglucanasi può essere inattivata da composti che simulano la cellulosa e portano un gruppo funzionale killer che si lega con legame covalente ai residui del sito catalitico

18. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + E • Nitrato N2 • Solfato H2S Desulfovibrio • CO2 CH4 6.Ciclo del carbonio Mineralizzazione della sostanza organica • Il processo avviene in tre fasi: • 1.Biodegradazione - demolisce i composti organici presenti nella lettiera • 2. Umificazione - trasforma i prodotti nelle sostanze umiche • 3.Mineralizzazione - porta alla formazione ed emissione di CO2 o di altri composti • In assenza di O2, batteri anaerobi trovano altri accettori di elettroni • e formano sostanze diverse dalla CO2, • con accumulo di acidi organici. • Minore efficienza. Combustibili fossili. Completa ossidazione dei composti carboniosi con liberazione finale di CO2 (inverso della fotosintesi) microrganismi aerobi eterotrofi: funghi e batteri Bacillus, Pseudomonas Desulfovibrio Metanobatteri