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1. INTRODUZIONE
1.1 Il Suolo
Il suolo è un corpo naturale costituito da particelle minerali ed organiche
che si forma dall'alterazione fisica e chimico-fisica della roccia e dalla
trasformazione biologica e biochimica dei residui organici (Soil Conservation
Society of America, 1986).
Il suolo è un sistema aperto che scambia sia materia che energia con
atmosfera, litosfera, idrosfera e biosfera. I suoli ben sviluppati sono formati
da orizzonti aventi caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche proprie
(Fig.1a, 1b). I fattori di formazione del suolo sono stati riassunti da Jenne
(1941) con la celebre relazione: s = f(cl, o, r, p, t) in cui il tipo di suolo (s)
che si forma è funzione del clima (cl), organismi (o), orografia (o), roccia
madre (p), tempo (t). Il suolo non è quindi da considerare un corpo
naturale statico, ma un sistema complesso in continua evoluzione
mutamento che comprende una matrice di costituenti organici e minerali di
neosintesi, con circolazione di aria ed acqua nei pori, in grado di sostenere
la vita vegetale ed ospita una straordinaria biodiversità microbica.
Le componenti del suolo, specie quelle di dimensioni dell’ordine di
grandezza di µm, sono reattive ed hanno proprietà colloidali che influenzano
il comportamento del fino dalla microscala fino alla scala di paesaggio con la
formazione di aggregati di varie dimensioni che costituiscono la struttura del
suolo. L’organizzazione strutturale influenza la fertilità fisica del suolo e crea
i microambienti occupati dagli organismi del suolo. È stato stimato che circa
il 5% dello spazio disponibile in un suolo è occupato da organismi viventi.
1.1.2 Le componenti inorganiche
Le componenti inorganiche del suolo sono minerali primari e minerali
secondari con varia composizione e struttura cristallina o amorfa. I minerali
primari sono presenti soprattutto nella frazione grossolana (ciottoli, sabbie)
e sono residui della roccia madre disgregata. I minerali secondari, o di
neoformazione sono di dimensioni minori e si formano durante la
2
pedogenesi in seguito all’alterazione dei minerali primari. I minerali
maggiormente presenti nel suolo sono i silicati gli ossidi, idrossidi,
ossidiidrossidi, i carbonati, i solfati, i fosfati e i solfuri. I minerali
maggiormente presenti nel suolo sono i silicati gli ossidi, idrossidi,
ossidiidrossidi, i carbonati, i solfati, i fosfati e i solfuri. Il contenuto, ma di
più la tipologia dei minerali dominanti in un suolo, ne determinano alcune
proprietà fondamentali quali il pH, la capacità di scambio ionico, la
ritenzione idrica e le reazioni con la sostanza organica. I minerali sono
soggetti a decomposizione, a causa della loro interazione con le fasi
gassose. L’alterazione dei minerali è legata a reazioni disidratazione,
l’idrolisi, ossidazione, chelazione, scambio ionico e solubilizzazione
L’alterazione dei minerali primari porta alla liberazione degli ioni contenuti in
essi, come il Si
4+
che tende ad essere allontanato dal minerali, oppure ioni
come Al
3+
, Fe
3+
, Mn
2+
e Ti
4+
, che tendono a formare ossidi, idrossidi, e
ossidi idrossidi molto stabili nell’ambiente suolo. I silicati costituiscono circa
il 90% dei minerali della crosta terrestre e dei minerali del suolo, primari e
secondari. L’unità strutturale dei silicati è il tetraedro di silicio (SiO
4-
). I
singoli tetraedri possono unirsi condividendo uno o tutti gli ioni -O
2
-
, a
formare strutture più complesse. L’idrolisi dei silicati e allumiosilicati, porta
alla formazione di acido ortosilicico (H
4
SiO
4
), ione bicarbonato e ossidrili, più
la liberazione di cationi, se presente Al anche alla formazione di argille. I
silicati risultano relativamente solubili e la maggior parte sono lisciviati,
mentre i composti dell’Al sono poco solubili e disponibili per la formazione di
fillosilicati e idrossidi. Il Fe nel suolo è presente in elevate quantità (circa il
5%), soprattutto sotto forma di ossidi, idrossidi, silicati e carbonati. I suoli
acidi sono quelli che presentano maggior quantità di Fe in soluzione mentre
l’alcalinizzazione comporta la formazione di composti insolubili quali
Fe(OH)
2
+
e Fe(OH)
3
. Il Fe può essere liberato anche in forma ridotta (Fe
2+
),
in questo caso presenta la capacità di entrare nei fillosilicati ed è soggetto
alla lisciviazione come bicarbonato. La sostanza organica è capace di
chelare il ferro influenzando la sua mobilità. Il Mn, è un elemento presente
in minerali primari ferro magnesiaci, e secondari pirolusite e manganite, è
presente con una media di 600 mg kg
-1
e lo stato di ossidoriduzione dipende
dal pH, sostanza organica, umidità e attività biologica. L’alluminio, dopo
ossigeno e silicio è l’elemento più abbondante nel suolo, ioni dell’Al
3+
3
rilasciato dai minerali per azione di agenti chimici vengono idratati da 6
molecole di acqua che vanno a disporsi ai vertici di un ottaedro. Lo ione
idrato Al(OH
2
)
6
3+
che si forma è una acido di Bronsted -Lowry capace di
cedere protoni all’acqua. La sua acidità è paragonabile a quella dell’acido
acetico. I prodotti idrolitici dell’alluminio possono essere Al
3+
, AlOH
2
+
,
Al(OH)
2
+
, Al(OH)
3
+
, Al(OH)
4
-
(Sequi P. 2005)
1.1.2 La sostanza organica
La sostanza organica è un costituente tipico del suolo, anche se la sua
percentuale in peso può variare enormemente in funzione del tipo di suolo e
del suo grado di sviluppo, e della gestione del suolo. Ad esempio i suoli
sabbiosi poco sviluppati present ano meno del l ’ 1% di sostanza organica
mentre i suoli più evoluti sotto foreste o praterie possono avere un
contenuto di sostanza organica tra il 10% e il 100% (Sequi P. 2005). La
messa a coltura di un suolo si accompagna in genere ad una riduzione del
contenuto di sostanza organica.
La sostanza organica del suolo è costituita da residui di piante, animali e
microrganismi in vari stadi di decomposizione, sostanze prodotte dal
metabolismo degli organismi viventi e sostanze umiche. Inoltre la sostanza
organica del suolo è presente in un suolo in fase solida o disciolta in
soluzione; comunque, una quota variabile è presente in forma polifasica.
La sostanza organica del suolo ha proprietà fisiche, chimiche e biologiche
notevoli. Da un punto di vista fisico, essa contribuisce alla formazione e al
mantenimento della struttura del suolo sia alla micro- sia alla macroscala,
fungendo da cemento tra le particelle inorganiche. Da questo punto di vista
essa si oppone all’erosione idraulica ed eolica e alla lisciviazione. Dal punto
di vista chimico, la sostanza organica è una componente molto reattiva che
partecipa all’alterazione dei minerali, conferisce un potere tampone al suolo,
ha una propria capacità di scambio ionico, ed è la riserva di nutrienti per
piante e microrganismi.
L'humus è costituito per l'80% da acidi umici e polisaccaridi, si forma
durante la degradazione microbica della sostanza organica. Esso è anche
composto da prodotti di sintesi degli stessi microrganismi contenuti nel
4
suolo. Gli acidi umici possono essere definiti come la parte di humus solubile
in ambiente basico, che precipita a pH compreso tra 1 e 2. Tutto ciò che
invece rimane in soluzione viene indicato come acidi fulvici. Gli acidi umici
sono polimeri polifenolici legati ad amminoacidi, peptidi, ed altri composti
organici, caratterizzati da una elevata diversità a causa dei gruppi che li
costituiscono e delle condizioni ambientali in cui si formano; tipicamente
presentano gruppi funzionali comuni, principalmente COOH ed OH, che
conferiscono loro proprietà comuni ad alcune molecole prodotte da funghi e
attinomiceti.
I polisaccaridi, sono metaboliti prodotti da diversi organismi e sono
normalmente soggetti a decomposizione, anche se alcuni di essi sono
recalcitranti alla degradazione microbica tanto che costituiscono dal 10 al
30% dell'humus. I polisaccaridi che costituiscono le piante e quelli risultanti
dai processi metabolici dei microrganismi rappresentano, in ogni loro stadio
di degradazione, un potenziale componente stabile della frazione umica del
suolo. A causa dell'attività enzimatica microbica, si possono realizzare
scissioni e condensazioni che formano catene più resistenti che, cationi ed
argille, risultano più stabili (Martin, Focht 1995). Polisaccaridi contenenti
amminozuccheri possono legarsi ad acidi liberi o con sostanze umiche
formando composti più recalcitranti e stabili di quelli di partenza. Anche i
polisaccaridi di membrana a catena lineare possono promuovere
l'aggregazione legandosi direttamente con polimeri fenolici del suolo o con
gruppi amminici liberi e formare composti stabili.
1.1.3 Gli organismi e l’attività biochimica
Il suolo è un corpo naturale che ospita un’elevatissima biodiversità. La
maggior parte degli organismi si rinviene entro gli orizzonti superficiali del
suolo, a nc he s e l a l o r o pr e s e nz a è l e gat a al l a di s po ni bi l i t à degli spazi
biologici.
La presenza di organismi nel suolo dipende dalle condizioni climatiche,
fisiche e chimiche di ciascun suolo. Alla comunità biologica di un suolo
appartengono virus, batteri, funghi, attinomiceti, protozoi (flagellati e
ciliati), nematodi, enchitreidi, lombrichi, ed insetti che svolgono in esso
tutto o parte del loro ciclo vitale.
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I più rappresentati in termini di specie sono i batteri (eubatteri, archea),
che possono essere presenti in densità dell’ordine di 10
7-8
per g di suolo, di
cui meno del 5% è coltivabile. Il secondo gruppo in termini di abbondanza è
quello dei funghi microscopici che estendono le loro ife negli spazi tra gi
aggregati; 1 g di suolo può ospitare fino a i 100 m di ife fungine e 10
4-6
spore. La presenza delle alghe è legata principalmente all’umidità del suolo.
I protozoi possono essere presenti a densità dell’ordine di 10
3-4
cellule per g
di suolo e sono in genere predatori. I nematodi hanno generalmente
dimensioni comprese tra 0,4 e 2 mm e possono essere presenti in numero
di 10
5-6
individui per m
2
di suolo. Dal punto di vista trofico sono parassiti di
piante ed animali o saprofiti nutrendosi di batteri, alghe o protozoi. Gli
anellidi enchitreidei sono lunghi da 2 a 35 mm e sono in genere saprofiti che
si nutrono di lettiera e sostanza organica o di nematodi. I lombrichi sono in
genere geofagi che si nutrono di sostanza organica in decomposizione e dei
minerali presenti in essa. Isopodi, miriapodi ed insetti sono presenti nel
suolo soprattutto con le loro larve possono essere presenti in una densità
dell’ordine 10
4-5
individui per ettaro, che si nutrono di lettiera, sostanza
organica e residui legnosi (Amato, Migliozzi, Mazzoleni, 2004).
L’attività biochimica del suolo dipende dalla presenza di enzimi che, rilasciati
attivamente o passivamente dagli organismi sono stabilizzati dai colloidi e
protetti dalla degradazione chimico-fisica. Tutti i suoli manifestano attività
enzimatica in dipendenza dalle loro proprietà e dell’intensità dei processi
biologici che in esso si svolgono. L’importanza dell’attività enzimatica del
suolo è legata alla diversità degli enzimi, alla specificità per i loro substrati e
alla capacità di catalizzare le reazioni a temperature e pH anche molto
lontani dalle condizioni ottimali, anche se la velocità delle reazioni dipende
dall’integrità della struttura, dalla presenza di cofattori ionici quali ad
esempio Fe
2+
, Mg
2+
, Mn
2+
, Cu
2+
Ni
2+
e dalla presenza di inibitori. Le attività
enzimatiche maggiormente determinate nel suolo sono ossidoriduttasi,
idrolasi, liasi e transferasi(Sequi P. 2005). Burns (1982) ha chiarito come
l’attività catalitica del suolo sia il risultato dell’attività di enzimi associati a
cellule proliferanti (animali, vegetali, microbiche), enzimi associati a cellule
non proliferanti (spore microbiche e cisti protozoiche), enzimi extracellulari,
enzimi fuoriusciti da cellule o da residui cellulari, enzimi temporaneamente
associati a substrati, enzimi adsorbiti su particelle argillose o associati a
6
colloidi umici. A causa della capacità del suolo di stabilizzare gli enzimi in
forma attiva, è difficile stabilire utilizzando i metodi oggi disponibili il
contributo delle diverse frazioni all’attività totale misurata (Nannipieri,
1996). Molto importante sarà in futuro riuscire a determinare il contributo
dell’attività enzimatica intracellulare al fine di meglio i n t e r p r e t a r n e il
significato in termini ecologici, per monitorare i cambiamenti naturali e
antropogenici che avvengono in esso (Nannipieri, 1994). L’attività
deidrogenasica, in quanto necessita dei cofattori come NAD, NADP, FAD o
FMN, dovrebbe essere eminentemente intracellulare o associato all’attività
microbiologica del suolo (Sequi 2005). Tra le attività enzimatiche del suolo,
le idrolasi sono ritenute di particolare importanza per i cicli biogeochimici
dei maggiori nutrienti e per la nutrizione vegetale. Ad esempio, gli esteri
fosforici e solforici organici sono idrolizzati da fosfatasi e solfatasi,
rispettivamente, così come le glicosidasi liberano glucosio e suoi epimeri
dalle catene polisaccaridiche. Ad esempio, Tarafdar e Jungk (1987) e Gilbert
et al. (1999), hanno stimato che l’attività fosfomonoesterasica può essere
responsabile di una quota variabile tra il 30 e lo 80% del P assimilabile dalle
colture. L’importanza degli enzimi nel suolo è data anche dalla loro capacità
di idrolisi verso composti organici tossici o comunque di natura xenobiotica
quali erbicidi e pesticidi. Il suolo è dunque la sede di importanti processi che
reggono delicati equilibri ambientali. Per genesi ed ecologia il suolo è una
risorsa non rinnovabile, ma anche difficilmente recuperabile quando sia
stato definitivamente persa o gravemente compromessa.
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O: da organico, composto da materia organica in via di
decomposizione (foglie e radici morte, escrementi, et c...).
Non presenta componente minerale, ed è costituito in
pratica dalla lettiera, ed è perciò maggiormente presente in
suoli di forestali.
A: è un orizzonte di superficie, composto sia da frazione minerale
che organica. Questo orizzonte viene intensamente alterato
e rimescolato da radici e pedofauna
B: orizzonti minerali, differenziati ad opera dei vari processi di
pedogenesi; possono verificarsi semplici fenomeni di
alterazione oppure si può avere illuviazione.
C: è un orizzonte relativamente poco interessato da processi
pedologici; mancano, in genere, i segni dell'alterazione ad
opera di organismi e, di conseguenza, è quasi totalmente
minerale
R: non è propriamente un orizzonte pedologico, è costituito dalla
roccia madre
(b)
Figura 1. Orizzonti del suolo (a). Orizzonti in un suolo reale (b)
a