Il ciclo del carbonio
Il carbonio è l’elemento che rende possibile la vita. Si muove continuamente tra aria, acqua, suolo, rocce e organismi viventi. Questo movimento è il ciclo del carbonio.
1. Il punto di partenza: l’atmosfera. Nell’aria il carbonio si trova soprattutto sotto forma di gas. Da lì inizia il suo viaggio.
2. L’ingresso nella vita: la cattura del carbonio. Le piante, le alghe e molti microrganismi catturano il carbonio dall’aria o dall’acqua. Lo trasformano in materia organica, cioè nei mattoni della vita: zuccheri, proteine, grassi. Questo processo è l’ingresso principale del carbonio nel mondo vivente.
3. La distribuzione: il carbonio scorre attraverso gli ecosistemi .Una volta incorporato nella materia vivente, il carbonio scorre lungo la rete trofica:
- passa dagli organismi che lo catturano ai loro consumatori;
- da questi ai predatori;
- e in parte ritorna subito all’ambiente attraverso la respirazione, che libera carbonio nuovamente sotto forma gassosa.
In questo modo il carbonio entra, circola e in parte esce continuamente.
4. La restituzione: quando gli organismi muoiono – Quando un organismo muore, il suo corpo diventa materia organica complessa. Questa materia viene: decomposta da batteri, funghi e altri organismi terrestri e acquatici, trasformata in sostanze più semplici e, in parte, ritrasformata in gas, tornando all’atmosfera e all’acqua. Il terreno e i sedimenti, in questa fase, diventano grandi depositi temporanei di carbonio.
5. I depositi lenti: suoli, sedimenti, oceani – Una parte della materia organica non viene immediatamente degradata. Rimane nel suolo o affonda e si deposita nei fondali marini, dove può restare per decenni (come sostanza organica del suolo), per secoli o millenni (come sedimenti organici), oppure per tempi geologici, trasformandosi in rocce ricche di carbonio. Gli oceani, inoltre, assorbono una enorme quantità di carbonio, sia come gas sia attraverso l’attività del plancton.
6. Le vie più lente: carbonio nelle rocce – Nel corso di milioni di anni una parte del carbonio diventa carbonati o combustibili fossili. È la parte più lenta del ciclo, governata da processi geologici: erosione, sedimentazione, formazione di rocce, attività vulcanica. Quando i vulcani eruttano o quando le rocce vengono esposte e dissolte, parte di questo carbonio torna nell’atmosfera e riprende il ciclo.
7. L’effetto dell’uomo – Negli ultimi secoli, l’uso di combustibili fossili, la deforestazione e l’agricoltura intensiva hanno accelerato il ritorno del carbonio all’atmosfera, spostando l’equilibrio: più carbonio liberato, meno carbonio immagazzinato. Questo squilibrio modifica il clima perché il carbonio atmosferico trattiene il calore.
Flussi, Stati di Ossidazione e Processi Microbici Avanzati
Il carbonio può esistere in un’ampia gamma di stati redox, dal più ridotto al più ossidato:
| Composto | Formula | Stato di ossidazione C |
|---|---|---|
| Metano | CH₄ | −4 |
| Biomolecole ridotte (lipidi) | ~CH₂ | −2 |
| Biomassa media (carboidrati) | ~CH₂O | 0 |
| Monossido di carbonio | CO | +2 |
| Acido formico | HCOOH | +2 |
| Formiato | HCOO⁻ | +2 |
| Anidride carbonica | CO₂ | +4 |
| Bicarbonato | HCO₃⁻ | +4 |
Tutti i processi del ciclo del C sono reazioni redox: la materia organica si ossida, la CO₂ si riduce nelle vie di fissazione.
Sfere in cui opera il ciclo del carbonio
- Atmosfera: CO₂, CH₄
- Idrosfera: CO₂ disciolta, bicarbonato, carbonato
- Biosfera: biomassa vegetale, microbica, animale
- Litosfera: carbonati, kerogene, carbone, petrolio
- Pedosfera: SOM, necromassa microbica, humus, CO₂ nel suolo
Strategie di fissazione del carbonio (autotrofia)
Ciclo di Calvin-Benson-Bassham (C3 pathway)
CO₂ → zuccheri
- Enzima chiave: RuBisCO
- Organismi: piante, alghe, cianobatteri
- Stato redox: CO₂ (C +4) → CH₂O (C 0) (riduzione di 4 e⁻)
- Richiede ATP e NADPH (fotosintesi).
Fotosintesi ossigenica
Reazione complessiva
6 CO2 + 6 H2O → hν C6H12O6 + 6O2
- Compartimenti: cloroplasti / tilacoidi
- Enzimi: PSII (OEC), PSI, RuBisCO
- Carbon fixers dominanti della Terra.
Fotosintesi anossigenica
Usa H₂S, Fe²⁺, H₂, non produce O₂.
- Batteri verdi dello zolfo (Chlorobi)
- Batteri porpora dello zolfo
Fotoferrotrofia anossigenica
Stato redox tipico: Fe²⁺ → Fe³⁺; H₂S → S⁰
Ciclo di Krebs inverso (rTCA)
Tipico di Chlorobi, Aquificae, Campylobacterota
Sentiero del 3-idrossipropionato / 4-idrossibutirrato
Tipico degli Archaea chemioautotrofi (Thaumarchaeota, Crenarchaeota).
Via dell’acetil-CoA riduttiva (Wood–Ljungdahl pathway)
Una delle vie più antiche e più efficaci energeticamente.
CO₂ + H₂ → acetile-CoA → biomassa
Enzima: CO-deidrogenasi / acetil-CoA sintasi (CODH/ACS)
Organismi: Acetogeni (Firmicutes); Archaea metanogeni.
Funziona in condizioni anaerobiche, spesso legata a H₂.
Via del DC/4HB (dicarbossilato / 4-idrossibutirrato
Archaea termoacidofili
Estremamente efficiente e termostabile.
Autotrofia chemolitotrofica profonda
In crosta oceanica e fondali basaltici: Ossidazione di H₂, Fe²⁺, S²⁻ → CO₂ fixation
Comune in Thaumarchaeota, Epsilonproteobacteria.
Radiotrofia melanizzata (fungi radiosintetici)
Funghi contenenti melanina (es. Cladosporium, Wangiella dermatitidis)
Convertono radiazioni ionizzanti in energia chimica
Stanno emergendo evidenze di carbon fixation secondaria in condizioni estreme.
Respirazione e ossidazione della materia organica
Respirazione aerobica (O₂ → H₂O)
Reazione generale:
(CH2O)n + O2 → CO2 + H2O
Enzimi chiave: complesso I–IV mitocondriale / battericoOrganismi: tutti gli aerobi.
Fermentazioni (assenza di O₂)
Ridistribuzione interna del potere riducenteProdotti: etanolo, lattato, acetato, formiato
Organismi: batteri fermentanti, lieviti, clostridi.
Respirazioni anaerobiche della materia organica ordinate per ΔG°′ decrescente
| Processo | Donatore / Accettore | Reazione semplificata | Prodotti principali | Organismi rappresentativi | ΔG°′ (kJ/mol) | ΔG in situ (kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Riduzione clorati/perclorati | Organico + ClO₄⁻ | CH₂O + ClO₄⁻ → Cl⁻ + CO₂ + H₂O (sempl.) | Cl⁻, CO₂, H₂O | Dechloromonas, Dechlorosoma | ≈ −600 | −700 → −1100 |
| Denitrificazione | CH₂O + NO₃⁻ → N₂ | CH₂O + 0.8 NO₃⁻ → 0.4 N₂ + CO₂ + H₂O | CO₂, N₂, H₂O | Pseudomonas, Paracoccus | −450 ÷ −500 | −500 → −950 dipende da [NO₃⁻] |
| Respirazione selenato (SeO₄²⁻ → Se⁰) | Organico + SeO₄²⁻ | CH₂O + SeO₄²⁻ → Se⁰ + CO₂ + H₂O | Se⁰, CO₂, H₂O | Thauera, Bacillus selenitireducens | ≈ −430 | −400 → −600 |
| Riduzione del Mn(IV) | CH₂O + Mn(IV) | CH₂O + 2 MnO₂ + 3 H⁺ → CO₂ + 2 Mn²⁺ + 3 H₂O | CO₂, Mn²⁺, H₂O | Shewanella, Geobacter | ≈ −350 | −400 → −550 |
| Anammox | NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ | NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O | N₂, H₂O | Brocadia, Kuenenia | ≈ −275 (per mol N) | ≈ −200 → −300 (per mol N) |
| Riduzione del Fe(III) | CH₂O + Fe(III) | CH₂O + 4 Fe(OH)₃ → CO₂ + 4 Fe²⁺ + 7 H₂O | CO₂, Fe²⁺, H₂O | Geobacter, Shewanella | ≈ −200 ÷ −250 | −100 → −300 |
| DNRA (NO₃⁻ → NH₄⁺) | CH₂O + NO₃⁻ → NH₄⁺ | NO₃⁻ → NO₂⁻ → NH₄⁺ (sempl.) | CO₂, NH₄⁺ | Clostridium, Shewanella | ≈ −200 ÷ −250 | −100 → −300 |
| Respirazione arsenato (As(V) → As(III)) | Organico + HAsO₄²⁻ | HAsO₄²⁻ → H₃AsO₃ (arsenito) | CO₂, H₃AsO₃ (arsenito) | Shewanella, Bacillus arsenicoselenatis | ≈ −120 | −100 → −200 |
| Riduzione del solfato (SO₄²⁻) | H₂ / organico + SO₄²⁻ | 4 H₂ + SO₄²⁻ + H⁺ → HS⁻ + 4 H₂O (o organico ossidato) | CO₂, H₂S (HS⁻), H₂O | Desulfovibrio, Desulfotalea | ≈ −152 (per H₂) | −20 → −120 |
| Riduzione del tiosolfato (S₂O₃²⁻) | CH₂O + S₂O₃²⁻ | S₂O₃²⁻ → H₂S + SO₃²⁻ (sempl.) | H₂S, solfito (SO₃²⁻) | Desulfotomaculum | ≈ −100 ÷ −120 | −80 → −120 |
| Riduzione DMSO | CH₂O + DMSO | DMSO → DMS (dimetil-solfuro) | CO₂, DMS | Rhodobacter, alcuni Enterobacteriaceae | ≈ −70 ÷ −90 | −50 → −90 |
| Riduzione TMAO | CH₂O + TMAO | TMAO → TMA (trimetilammina) | CO₂, TMA | Shewanella, Vibrio | ≈ −60 ÷ −80 | −40 → −80 |
| Riduzione dello zolfo elementare (S⁰) | H₂ + S⁰ | H₂ + S⁰ → H₂S | H₂S | Desulfurella, Sulfurospirillum | ≈ −33 | −10 → −50 |
| AOM (ANME + SRB) | CH₄ + SO₄²⁻ | CH₄ + SO₄²⁻ → HCO₃⁻ + HS⁻ + H₂O | HCO₃⁻ (bicarbonato), HS⁻ (solfuro), H₂O | ANME + SRB (Desulfosarcina, ecc.) | ΔG°′ leggermente endo (a std) | ≈ −20 → −40 (solo per sintrofia) |
| Riduzione del fumarato | CH₂O + fumarato | Fumarato + 2 e⁻ + 2 H⁺ → Succcinato | CO₂, succinato | Wolinella, Shewanella | ≈ −30 ÷ −100 | −5 → −40 |
| Metanogenesi da CO₂ + H₂ | H₂ + CO₂ | 4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O | CH₄, H₂O | Methanobacterium, Methanospirillum | ≈ −136 | ≈ −10 → −40 (spesso vicino al limite) |
| Metanogenesi da acetato (acetoclastica) | Acetato | CH₃COO⁻ + H⁺ → CH₄ + CO₂ | CH₄, CO₂ | Methanosarcina, Methanosaeta | ≈ −31 | ≈ −15 → −40 |
| Acetogenesi (H₂ + CO₂ → acetato) | H₂ + CO₂ | 4 H₂ + 2 CO₂ → CH₃COOH + 2 H₂O | Acetato (CH₃COOH) | Acetobacterium, Clostridium | ≈ −95 | ≈ 0 → −60 |
Le respirazioni più energetiche usano accettori molto ossidati
- NO₃⁻ → N₂
- Mn(IV) → Mn(II)
- Fe(III) → Fe(II)
Questi processi avvengono spesso nella zona microaerobica dei sedimenti, subito sotto lo strato ossigenato.
Le respirazioni solforate sono meno produttive
- Solfato → solfuro
- Zolfo → solfuro
- Tiosolfato → solfuro
Per questo i batteri solfato-riduttori crescono lentamente e dominano solo dove gli accettori più energetici sono esauriti.
I metabolismi minimi (metanogenesi, acetogenesi, fermentazione)
Rappresentano i limiti inferiori della vita:
- energia appena sufficiente per mantenere una forza proton-motrice
- crescita lentissima delle Archaea metanogene
- ambienti profondi, antichi, oligotropi
L’anammox è sorprendentemente energetico
Spiega perché i batteri Planctomycetota possono:
- colonizzare zone ipossiche marine e di laghi
- competere con nitrificanti e denitrificanti
- contribuire fino al 50% alla perdita di N nel mare profondo
Metanogenesi
Stato di ossidazione:
CO₂ (+4) → CH₄ (−4) → guadagno di 8 e⁻
Vie principali:
1) Idrogenotrofica
CO2 + 4 H2 → CH4+ 2 H2O
Enzima: Methyl-coenzyme M reductase (MCR)
Archaea metanogeni (Methanobacteriales, Methanococcales)
2) Acetoclastica
CH3COOH → CH4 + CO2
Gruppo: Methanosarcina / Methanosaeta
3) Metilotrofica
CH3OH → CH4
Metanotrofia
Aerobica (MOB)
Ossidazione del metano:
CH4→pMMO/sMMOCH3OH→HCHO→HCOOH→CO2CH_4 \xrightarrow{pMMO/sMMO} CH_3OH \rightarrow HCHO \rightarrow HCOOH \rightarrow CO_2
Enzimi: pMMO, sMMO
Gruppi: Proteobacteria (tipo I e II), Verrucomicrobia acidofili (recenti).
Anaerobica (AOM)
AOM con solfato (ANME + SRB)
CH4+SO42−→HCO3−+HS−+H2OCH_4 + SO_4^{2-} \rightarrow HCO_3^- + HS^- + H_2O
Archaea ANME-1, ANME-2, ANME-3
Consorzio con batteri solfato-riduttori (Desulfosarcina/Desulfococcus)
AOM con Fe³⁺ o Mn⁴⁺ (scoperta recente)
Archaea o batteri ancora poco noti
Possibile ruolo nel ciclo del ferro e del manganese.
AOM con nitrato/nitrito
Candidatus Methylomirabilis oxyfera
Produce O₂ intracellulare da NO → permette ossidazione di CH₄ anossica con enzimi “aerobici”.
Chemioautotrofia abissale e dei cold seep
Habitat:
- Black smokers
- Cold seeps
- Sedimenti ricchi in CH₄
- Serpentinite/alterazione ultrabasica (idrogeno abbondante)
Funzioni:
- Fissazione del carbonio tramite rTCA, Wood–Ljungdahl
- Ossidazione di: H₂, CH₄, Fe²⁺, H₂S, NH₄⁺ (Thaumarchaeota)
Microbi coinvolti:
- Sulfurimonas, Thiomicrospira
- Methanopyrus
- Candidatus Desulforudis audaxviator (sistema profondo basato su radiolisi dell’acqua → H₂ → carbon fixation)
Vie microbiche moderne per la stabilizzazione del carbonio
Scoperte degli ultimi 10 anni:
Necromassa microbica = principale serbatoio di SOM stabile (cellule morte di batteri e funghi, con chitine, glucani, peptidoglicano)
Stabilizzazione tramite:
- Interazione con argille e ossidi di Fe/Mn
- Complessazione con Ca²⁺
- Microaggregati formati da funghi e actinomiceti
Enzimi coinvolti nella degradazione recalcitrante:
Laccasi e perossidasi fungine, dioossigenasi batteriche, enzimi per degradazione dei composti aromatici (lignina → lignin peroxidase, Mn peroxidase).
Ossidazione del CH₄ con Fe³⁺/Mn⁴⁺ (AOM-FE, AOM-Mn)
Dimostrata solo negli ultimi 5–7 anni.
Radiotrofia melanizzata
Funghi che aumentano crescita sotto radiazione ionizzante
Possibile contributo alla fissazione del carbonio in ambienti privi di luce.
“Dark oxygen production” in batteri ossidanti nitrito
Alcuni batteri producono O₂ internamente (NC10 bacteria)
Permette metabolismo “aerobico” in assenza di O₂.
Comammox nel ciclo del C
Perché è rilevante? Perché influenza la produzione di NO₂⁻ → che influenza anammox → che influenza ossidazione C in condizioni anaerobiche.
Microbial carbon pump (concetto moderno)
Produzione di DOM refrattaria agli enzimi microbici; DOM stabile su scala millenaria negli oceani.
Ruolo dei macro-organismi nel ciclo del Carbonio
Piante
- Fissazione di C via fotosintesi
- Trasferimento a radici → micorrize → rizosfera
- 20–40% delle fotosintati prodotti diventano esudati radicali → base del carbon cycling nel suolo
Funghi
Escrezioni ricche in C labile
Bioturbazione (lombrichi, termiti) modifica O₂ e diffusione
Animali (inclusi insetti)
- Respirazione
Ecosistemi oceanici
- Fitoplancton → zooplancton → detrito affondante → mineralizzazione profonda
- “Carbon pump microbica” (microbial loop)
il ciclo del carbonio è cattura del carbonio dall’ambiente da parte degli organismi fotosintetici e chemiosintetici; trasferimento lungo la rete trofica; rilascio attraverso respirazione, escrezione e decomposizione; accumulo temporaneo nei suoli e nei sedimenti; deposito semipermanente nelle rocce, con ritorno lentissimo tramite vulcani ed erosione; alterazione umana, che accelera il rilascio del carbonio dagli ecosistemi terrestri e acquatici (suoli e oceani), all’atmosfera.