Comunità Primarie
Le comunità primarie sono comunità di organismi che per crescere e riprodursi impiegano,
- come fonti di energia, energia radiante e/o energia chimica ottenuta non da substrati organici, e,
- come fonti di materia, molecole estratte dalle matrici gaiane: aria, acqua, rocce, polveri di rocce e necromassa.
In pratica, sono organismi capaci di trasformare la materia non vivente in materia vivente.
Ci sono tre tipi di comunità primarie:
- comunità primarie fotosintetiche (clorofille),
- comunità primarie radiosintetiche (melanina) e
- comunità primarie chemolitosintetiche (vari enzimi); gli organismi delle comunità chemolitosintetiche possono essere sia autotrofi sia eterotrofi. Questi organismi si trovano spesso in ambienti estremi come: sorgenti idrotermali, suoli profondi, ambienti molto acidi o molto basici.
Nel seguito, in quanto interessati alla coltivazione delle piante, prenderemo in considerazioni le interazioni tra
- comunità primarie fotosintetiche presenti sulle terre emerse e
- suolo.
Tralasceremo di trattare le interazioni tra
- comunità primarie fotosintetiche fuori dalle terre emerse (acquatiche), radiosintetiche e chemiolitosintetiche e
- i loro ambienti.
Descriviamo quali interazioni avvengono quando i suoli sono coperti da piante vive.
Destino tipico del carbonio durante la decomposizione
La percentuale media di carbonio di un albero caduto in una foresta temperata che si trasforma in humus è relativamente bassa rispetto al contenuto iniziale di carbonio nel legno.
Quando un albero cade in una foresta temperata, il suo carbonio si distribuisce approssimativamente in questo modo nel tempo:
- Respirato come CO₂ (da microbi e funghi) 50-70%
- Trasformato in humus (C stabile del terreno) 10-20%
- Incorporato nella biomassa microbica 5-10%
- Lisciviato come carbonio organico disciolto (DOC) <5%
- Rilasciato come CH₄ (in zone anaerobiche) <1%
Trasformare l'energia radiante del sole in energia chimica e, nel contempo, ridurre il carbonio dell'aria (CO2) in carbonio ridotto (C6H12O6): la fotosintesi
Le piante, nei cloroplasti contenuti nelle cellule delle foglie verdi, ricchi di clorofille, trasformano la luce del sole, il disossido di carbonio (dell’aria) e l’acqua (del suolo) in energia biochimica e zuccheri semplici (fotosintati). Questi zuccheri semplici sono i blocchi di base per costruire gli organismi viventi sotto e sopra la superficie terrestre.
In media, il 40% del carbonio rimane in superficie, come fusti, foglie, fiori, frutti, semi, lettiera e letame, il 60% del carbonio scende sotto la superficie per formare radici ed essudati radicali.
Il carbonio che viene trasmesso sotto la superficie è chiamato sostanza organica del suolo, sostanza organica che può essere ripartita in due gruppi: biomassa (rete trofica del suolo: radici delle piante, batteri, funghi, protozoi, nematodi, ecc.) e necromassa (composti del carbonio ai vari stadi di decomposizione).
Quindi, le radici, i fusti e le foglie degli ortaggi, i frutti (noci, grani, drupe, ecc.) e i semi sono luce solare impacchettata derivata dalla fotosintesi (Christine Jones PHd, Light Farming: Restoring carbon, nitrogen and biodiversity to agricultural soils, 2018), luce solare di cui anche noi ci nutriamo.
Senza la fotosintesi ci sarebbero polveri di roccia senza vita (matrice gaiana) ma non ci sarebbero suoli nel senso di ecosistemi, e quindi piante, erbivori, carnivori e onnivori.
Depositare i fotosintati (energia e carbonio ridotto) in una riserva di medio periodo: il legno
La lignificazione permette di trasformare aria (CO2) e acqua (H2O), tramite la sintesi fotosintetica del glucosio, in legno!
La lignificazione è un processo biologico condotto a livello cellulare.
Questo processo inizia con la sintesi di composti fenolici attraverso il sentiero biochimico dell’acido shikimico, prosegue con la biosintesi della fenilalanina, per poi formare l’intermedio Coumaroyl-CoA e, infine, dopo alcune altre reazioni chimiche, arrivare alla lignina.
Trasferire energia e carbonio ridotto dalle piante alla rete trofica del suolo: gli essudati radicali
Gli essudati radicali (root exudates) sono un insieme eterogeneo di composti organici (sintetizzati dalle piante a partire dal glucosio) secreti dalle radici delle piante nella rizosfera circostante.
Main Categories of Root Exudates:
| Type of Compound | Example Compounds | Functions |
|---|---|---|
| Sugars | Glucose, fructose, sucrose | Feed microbes |
| Amino acids | Glutamate, aspartate | Attract microbes, nutrient signaling |
| Organic acids | Citric, malic, oxalic acid | Chelation of minerals, pH modification |
| Phenolics | Flavonoids, coumarins | Allelopathy, microbial signaling |
| Fatty acids, lipids | Cutin, suberin precursors | Cell signaling, mycorrhizal interactions |
| Secondary metabolites | Benzoxazinoids, alkaloids | Defense, allelopathy |
| Proteins and enzymes | Phosphatases, chitinases | Nutrient mobilization, pathogen defense |
“Le piante possono rilasciare nella rizosfera dal 10% al 40% [nota: in alcuni testi si arriva fino al 70%] del carbonio netto assimilato sotto forma di essudati radicali e altre secrezioni”.
Fonte: Kuzyakov, Biology and Fertility of Soils, 2006.
DOI: 10.1007/s00374-005-0077-5
Interazioni con la rete trofica del suolo
Gli essudati radicali sono la principale fonte di energia per la comunità microbica della rizosfera, la zona più attiva del suolo.
Ruoli chiave:
- Nutrire i batteri e i funghi del suolo con conseguente formazione di biofilm microbici e creazione di punti caldi o hotspots (micrositi del suolo che presentano un’attività microbica, una biomassa e un ricambio biochimico eccezionalmente elevati).
- Stimolare relazioni mutualistiche tra la pianta e i funghi micorrizici che ricevono carbonio, forniscono fosforo e acqua; e tra la pianta e i batteri azotofissatori che ricevono zuccheri e fissano N₂ in cambio.
- Favorire la successione microbica: particolari essudati selezioneranno quali organismi domineranno la comunità microbica.
- Influenzare la composizione (le quantità relative) a tutti i livelli della rete alimentare del suolo: batteri/funghi (primo livello) → protozoi/nematodi (secondo livello) → predatori superiori (terzo livello e successivi livelli).
- Attivare allelopatia e competizione: alcuni essudati inibiscono la germinazione e la crescita delle piante vicine (guerra chimica).
- Attivare meccanismi di difesa: gli essudati antimicrobici scoraggiano i patogeni e possono innescare una resistenza sistemica indotta.
- Mineralizzare i nutrienti: i predatori rilasciano nella rizosfera i nutrienti in forma disponibile per le piante.
- Aggregare il suolo tramite ife fungine ed EPS (sostanze polimeriche extracellulari) microbiche.
Examples of Hot Spots:
| Hot Spot Type | Location | Key Activity |
|---|---|---|
| Rhizosphere | Around root tips | Root exudation, microbial colonization |
| Detritusphere | Around decaying organic matter | Decomposition, nutrient cycling |
| Mycorrhizosphere | Around mycorrhizal hyphae | Carbon transfer, nutrient exchange |
| Aggregates | Inside soil aggregates | Protected enzymatic activity |
Kuzyakov, Y., & Blagodatskaya, E. (2015). Microbial hotspots and hot moments in soil: Concept & review. Soil Biology and Biochemistry, 83, 184–199.
DOI: 10.1016/j.soilbio.2015.01.025
Effetti a livello di ecosistema
Sul suolo: miglioramento della struttura del suolo tramite aumento di aggregazione, aerazione e capacità di ritenuta idrica.
Sul ciclo dei nutrienti: promozione della fissazione dell’azoto, della mobilitazione del fosforo e del ciclo del carbonio. Aumento del sequestro del carbonio nel suolo (esempio: da 5 T/(ha * anno) a 10 o più T/(ha * anno).
Sulla comunità vegetale: influenza sulle interazioni pianta-pianta attraverso segnali chimici. Può creare feedback positivi e negativi tra pianta e rete trofica del suolo.
Sulla biodiversità: maggiore diversità dell’essudato comporta maggiore diversità microbica, a cui bisogna aggiungere l’influenza sulla biodiversità fuori terra attraverso retroazioni tra radici e chioma.
Depositare energia e carbonio ridotto in una riserva di lungo periodo: l'humus
Con il termine humus oggi si intende indicare la materia organica persistente ovvero quell’insieme di composti organici che non vengono sottoposti a ulteriori trasformazioni da parte dei microbi del suolo.
La formazione dell’humus (umificazione) è un processo di unione di composti semplici del carbonio (carbonio delle piante) in complesse molecole organiche stabili (carbonio dei microbi).
La formazione dell’humus richiede la partecipazione di una grande schiera di microbi del suolo, fra i quali ci sono funghi micorrizici, batteri fissatori dell’azoto e batteri solubilizzatori del fosforo.
Tutti questi microbi ottengono energia nutrendosi degli essudati radicali delle piante.
La trasformazione della CO2 dell’aria in humus è un processo che avviene da almeno quattrocento milioni di anni.
Questo è l’unico processo in grado si formare un suolo strutturato, ricco di sostanza organica stabile, a profondità misurabili in metri e non in centimetri.
A livello agricolo, questo processo conferisce al suolo una migliore struttura (quindi un terreno ben areato – ricordiamo che le radici sono organi aerobici obbligati), una superiore capacità (di ritenuta) idrica e una maggiore disponibilità di nutrienti facilmente accessibili, tutti fattori ideali per la crescita e lo sviluppo delle piante coltivate e la conseguente produzione di cibi reali capaci di liberare la specie umana dalle malattie croniche da cui oggi è afflitta, senza alcun bisogno di ricorrere (comprare) integratori, prodotti nutraceutici o, peggio, medicine sintetiche.
Gli essudati radicali, emessi dalle radici vive delle piante, rappresentano il principale sentiero metabolico per il sequestro nel suolo di sostanza organica stabile.
Perché è importante mantenere radici vive nel suolo?
Fra gli altri, Christine Jones si chiede perché oggi gli alberi trasformano ancora il diossido di carbonio in legno ma le reti trofiche dei suoli, i funghi micorrizici in particolare, non trasformano più il disossido di carbonio in humus?
La risposta è semplice.
Siamo soliti pensare che il suolo nutre le piante ma dobbiamo imparare che, vicendevolmente, le piante nutrono il suolo tramite gli essudati radicali!
Quando viene a cessare questo secondo processo, il suolo riduce o perde la capacità di nutrire le piante (primo processo) e di formare humus.
Quando i suoli non sono più coperti da radici vive
- durante gli inverni, per esempio con l’effettuazione dell’aratura dopo la raccolta di barbabietole, mais e soia e prima delle semine primaverili, o
- durante le estati, per esempio dopo la raccolta di orzo e frumento e prima delle semine autunnali o primaverili,
i microbi del suolo, in quegli intervalli di tempo, non ricevono più gli essudati radicali dalle piante, perché non ci sono piante che vivono su di essi.
In assenza di cibo (carbonio delle piante), i microbi della rete trofica del suolo o si mettono dormienti o muoiono.
In entrambi i casi (dormienza o morte), i microbi non cooperano più al deposito di carbonio in profondità né alla produzione di humus, e i terreni diventano sempre meno strutturati, sempre meno capaci di trattenere acqua, sempre meno ricchi di elementi nutritivi biodisponibili, perché nel frattempo, lentamente, parte della sostanza organica si mineralizza.
Tutto il contrario di quanto avviene in presenza di radici vive.
La sostanza organica nel suolo è un sistema dinamico dove l’equilibrio può essere spostato verso la mineralizzazione (la sostanza organica viene decomposta in CO₂, H₂O e sali minerali) o verso l’umificazione (la sostanza organica viene parzialmente trasformata nelle sostanze umiche un tempo suddivise in acidi umici, fulvici e umina) a seconda, in primo luogo, degli attori presenti o assenti in campo, e, in secondo luogo, dalle condizioni fisico-chimiche del terreno (temperatura, umidità, condizioni più o meno aerobiche, pH, eH), condizioni queste ultime che possono localmente essere cambiate dagli organismi viventi presenti in campo che si nutrono degli essudati radicali.
Morale della storia: gli agricoltori devono diventare anche coltivatori di luce solare tramite il mantenimento di radici vive in campo tutto l’anno per non interrompere mai il ciclo del carbonio nelle fasi sotterranee: rilascio di essudati radicali, costruzione e mantenimento di una vivace rete trofica del suolo, formazione di sostanza organica stabile (Light Farming, Christine Jones).
Come diventare un coltivatore di luce solare?
L’agricoltore ha più carte da giocare. Fra queste, per me, le principali sono: