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CORSO SEMINARIALE SU:
Percorsi di riciclizzazione
Franca Sangiorgio
Laboratorio di Ecologia – DiSTeBA - Università del Salento
Tel: 0832 298606
E-mail:[email protected]
Website: http://www.ecologyhttp://www.ecology-unit.unisalento.it/Sezione Staff
Staff--Sangiorgio
Scheda di approfondimento
•
Escrezione
•
Ri i li
Riciclizzazione
i
di
diretta
tt
•
Lisciviazione e decomposizione
Premessa
•
I produttori primari utilizzano acqua e
anidride
id id carbonica
b i per produrre
d
sostanza
t
organica, ma necessitano di nutrienti.

La produttività primaria degli ecosistemi è
influenzata da disponibilità di nutrienti e
dalla loro circolazione all’interno degli
ecosistemi.
Definizione
•
A livello di ecosistema,, la circolazione degli
g
elementi chimici dall’ambiente agli organismi
e di nuovo all’ambiente è definito
PERCORSO DI RICICLIZZAZIONE
Escrezione
•
Negli ecosistemi marini e nei laghi profondi, la
riciclizzazione dei nutrienti avviene principalmente
attraverso la escrezione
escrezione.

La escrezione comporta una maggiore
decomposizione dei composti azotati e dei
composti contenenti fosforo nei processi
catabolici degli individui
individui, determinando una
escrezione quasi esclusivamente inorganica.
Escrezione
•
Limitazione dei p
processi decompositivi
p
dovuta
alla
distanza
spaziale
tra
sedimenti di fondo e strato superficiale
eufotico.
Riciclizzazione diretta
•
Negli ecosistemi tropicali si verificano le
condizioni
climatiche
per
una
crescita
ottimale
i l degli
d li organismi
i i produttori
d
i ed
d è
quindi alta la produzione primaria.
primaria
•
In tali ecosistemi la p
produzione p
primaria p
può
essere
limitata
tendenzialmente
dalla
disponibilità dei nutrienti e dalla velocità con
cui
essi
ecosistemi.
ricircolano
all’interno
all
interno
degli
Riciclizzazione diretta
•
In tali ecosistemi si è evoluto un
percorso di riciclizzazione
particolarmente rapido quale è la
riciclizzazione diretta.

L riciclizzazione
La
i i li
i
di
diretta è il risultato
i l
di una
interazione mutualistica tra piante verdi e
funghi.
g
Riciclizzazione diretta
•
Sull’apparato radicale delle piante, crescono
ife fungine che magnificano la capacità di
questii organismi
i i produttori
d
i di assorbire
bi
acqua e nutrienti
nutrienti.

La caratteristica “diretta” deriva dal fatto che i
funghi sono capaci di assorbire direttamente
materia
t i organica
i d
dall’ambiente
ll’ bi t e di operare una
p
interna della stessa.
decomposizione
Riciclizzazione diretta
•
Dopo la decomposizione, i microfunghi
trasferiscono parte dei nutrienti riciclati
all’apparato
ll’
radicale
di l d
delle
ll piante
i
d
da cuii
traggono zuccheri (“mutualistica”)
( mutualistica ).
Lisciviazione e decomposizione
PERCORSI DELLA
MATERIA
ORGANICA
NELL’ECOSISTEMA
Perdita di calore
respiratorio
Perdita di calore
respiratorio
Sistema dei
pascolatori
Sistema dei
decompositori
Energia
solare
raggiante
PPN
SOM
Relazione tra flusso di energia
g (
) e riciclo delle
sostanze nutritive. Le sostanze nutritive immobilizzate
nella materia organica (
) possono nuovamente
essere rese disponibili sotto forma inorganica (
)
MODELLO DELLA STRUTTURA TROFICA DI UNA
COMUNITA’
R
R
C
R
C
v
v
C
C
i
C o rp i
e
i
C
Feci
E
v
i
P P N
v = Vertebrato
i = invertebrato
PPN = produzione primaria netta
SOM = sostanza organica morta
v
C
v
C
i
i
M
i
R
D
M
S O M
C = Consumatore
D = Detritivoro
M = microrganismi
Mi = microbivoro
Corpi morti e feci entrano a far parte del sistema dei decompositori
sottoforma di SOM
Corpi e Feeci
R
E
C
R
DETRITO, DECOMPOSITORI, DETRITIVORI …
… sono organizzati nei sistemi a base detrito, in cui …
… i decompositori ed i detritivori non regolano la disponibilità delle
l
loro
risorse…
i
dR/dt = F(R) - aP
P
(carnivori, erbivori, parassiti)
dR/dt = F(R) + dM
(mutualisti)
dR/dt = F(R) (decompositori e detritivori)
F(R)=una funzione della quantità della risorsa R
P=numero di predatori
a=efficienza
a
e ce ad
di p
predazione
eda o e
M=numero dei mutualisti
d=effetto benefico dei mutualisti
… le loro interazioni sono “regolate dal donatore” (Pimm
1982)
DECOMPOSIZIONE
La decomposizione è un processo di ossidazione biologica
attraverso
tt
cuii sii libera
lib
l’l’energia
i presente
t nell DETRITO (Odum,
(Od
1988)
Produzione
CO2 + 2H2A
(CH2O) + H2O + 2A
Decomposizione
Nella Respirazione aerobica, l’ossigeno gassoso è l’accettore
finale di elettroni
Nella Respirazione anaerobica (fermentazione) l’accettore finale
di elettroni è una sostanza organica diversa dall’ossigeno (e.g.
zolfo)
lf )
Il DETRITO ORGANICO (1)
DEFINIZIONI:
● Sostanza organica appena morta
(Ricklefs, 1993)
● Tutta la materia organica morta coinvolta nei processi di decomposizione
(Odum 1969)
(Odum,
● Materiale particolato morto e microrganismi decompositori ad esso
associato (Odum, De la Cruz 1963)
● Insieme di tutte le perdite non predatorie di carbonio da qualsiasi livello
trofico di un particolare sistema (detrito autoctono), più gli inputs esterni
(detrito alloctono) (Wetzel, 1972)
ORIGINE: perdita non predatoria dalla catena di pascolo (Lindeman, 1942)
Il DETRITO ORGANICO (2)
DIMENSIONI:
CPOM
Materia Organica Grossolanamente Particolata [>1mm]
(foglie tronchi
(foglie,
tronchi, corpi animali
animali, etc
etc.))
FPOM
Materia Organica Finemente Particolata [>0
[>0.5
5 mm; <1mm]
(organismi unicellulari, feci)
DOM
Materia Organica Disciolta [<0.5mm] (essudati, escreti, soluti
lisciviati)
Il DETRITO ORGANICO (3)
(Velimirov, 1991)
Il PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE
materia
organica
morta
enzimi
CO2 + H2O +
sali nutritivi +
biomassa animale
La graduale disintegrazione della sostanza organica
morta, nel processo di decomposizione, è provocata sia
da fattori abiotici sia da agenti biotici
FASI DEL PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE:
- I composti cellulari idrosolubili derivanti
dall’azione di enzimi litici,, liberatisi dal substrato p
per
degradazione meccanica dei componenti cellulari,
passano in soluzione, con una perdita di biomassa
iniziale della materia organica, compresa tra il 5% ed
il 35%.
CONDIZIONAMENTO MICROBICO - Batteri
B tt i e funghi
f
hi
colonizzano la sostanza organica morta favorendo la
sua degradazione enzimatica (conditioning; Boling et
al., 1975).
COLONIZZAZIONE DEI DETRITIVORI - La sostanza organica
g
morta viene ulteriormente frammentata dall’attività di
grazing degli organismi detritivori che la colonizzano.
LISCIVIAZIONE
I funghi che
colonizzano la
lettiera in
decomposizione si
diff d
diffondono
all’interno
ll’i t
dei tessuti
accrescendosi da
cellula
ll l a cellula
ll l
AGENTI DELLA DECOMPOSIZIONE NEI SUOLI
COMPOSIZIONE CHIMICA DI DETRITO E
CONSUMATORI DI DETRITO
I componenti organici ed inorganici del detrito di origine
vegetale, dei decompositori e detritivori possono differire
notevolmente
(Swift et al., 1979)
VARIAZIONE DEI COMPONENTI ORGANICI DEL
DETRITO IN DECOMPOSIZIONE
(Odum e de la Cruz, 1967)
L’attività microbica sul detrito trasformato in particolato
fi
finemente
t suddiviso,
ddi i
d
determina
t
i un arricchimento
i hi
t proteico
t i
SHREDDERS
In base al ruolo funzionale, i
consumatori di detrito sono stati
suddivisi in q
quattro categorie
g
trofiche (Cummins, 1974)
FILTERERS and DEPOSIT FEEDERS
GRAZER-SCRAPERS
PREDATORS
SHREDDERS
In base al ruolo funzionale, i
consumatori di detrito sono stati
suddivisi in quattro categorie
trofiche (Cummins, 1974)
Proasellus coxalis
SHREDDERS
In base al ruolo funzionale, i
consumatori di detrito sono stati
suddivisi in quattro categorie
trofiche (Cummins, 1974)
Gammarus insensibilis
GRAZER-SCRAPERS
In base al ruolo funzionale, i
consumatori di detrito sono stati
suddivisi in quattro categorie
trofiche (Cummins, 1974)
Lymnea trunculata
Al i sp.
Alvania
In base al ruolo funzionale, i
consumatori di detrito sono stati
suddivisi in q
quattro categorie
g
trofiche (Cummins, 1974)
FILTERERS and DEPOSIT FEEDERS
C
Corophium
hi sp.
In base al ruolo funzionale, i
consumatori di detrito sono stati
suddivisi in q
quattro categorie
g
trofiche (Cummins, 1974)
PREDATORS
Lestes sp.
MODELLI DI DECOMPOSIZIONE:
Esponenziale semplice (Olson,
1963):
W(t) = W(0) * e-Kt
Esponenziale composta (Lousier
et al.,, 1976):
)
W(t) = [W(0)-R] * e-(KLt) + e-(KRt)
W(t) = biomassa al tempo t
W(0) = biomassa al tempo zero
K = coefficiente di decomposizione
R = frazione refrattaria alla decomposizione
L = frazione decomponibile
W(t) = R(t) + L(t)
MODELLI DI DECOMPOSIZIONE:
-kt
kt
Wt = W0 e
leaching
up to -45
45 %
M
Mass
mucor
invertebrates
penicillium
bactérias
é
Time
e
 Modello esponenziale semplice (Olson,
(Olson 1963)
VELOCITA’ DEL PROCESSO DI
DECOMPOSIZIONE:
k = coefficiente che misura la velocità dei
processii decompositivi
d
ii i
k > 0.01
velocità alta
0.01 > k > 0.005 velocità media
k < 0.005
velocità bassa
VELOCITA’ DEL PROCESSO DI DECOMPOSIZIONE:
(Odum, 1988)
A seconda
d
dell’origine, il
detrito si
decompone con
velocità differenti
FATTORI CHE INFLUENZANO I TASSI DI
DECOMPOSIZIONE DEL DETRITO DI ORIGINE
VEGETALE
[Webster and Benfield, 1986; (REVIEW)]
•FATTORI INTERNI i.e. caratteristiche chimico-fisiche del detrito
•FATTORI ESTERNI
FATTORI INTERNI
1. Concentrazione di elementi essenziali nei
tessuti (i
(i.e.
e N
N, P etc
etc.))
Detrito con una alta concentrazione di azoto
nei tessuti si decompone più velocemente
del detrito con bassa concentrazione.
2. Contenuto in fibre
In numerosi studi,
studi sia in ecosistemi acquatici
che terrestri, è stata
osservata
una
relazione inversa tra contenuto in fibre del
detrito e tassi di decomposizione.
3. Presenza di inibitori chimici
- cere e cutine che costituiscono una barriera
fisica per i decompositori;
- tannini che formano complessi con le proteine;
- sostanze chimiche con effetto di inibizione
diretta.
diretta
Effetto finale della presenza di tali composti nel
detrito è una inibizione del processo di
decomposizione
4. Differenze strutturali del detrito
Detrito derivante da parti lignificate delle piante
generalmente decompone con tassi più bassi
rispetto a detrito derivante da parti non lignificate
FATTORI ESTERNI
1. Temperatura
p
Tassi di decomposizione più alti si osservano
nel p
periodo estivo sia p
per differenti tipi
p di
detrito che in ecosistemi di differente
tipologia.
g Gli effetti sono indiretti e
interessano principalmente le comunità di
micro-organismi.
2. Concentrazione di nutrienti disciolti
Alte concentrazioni di nutrienti sono in
relazione diretta con alti tassi di
decomposizione (azoto e fosforo).
3. Ossigeno disciolto
Generalmente si osserva che i processi di
decomposizione sono più veloci in condizioni
aerobiche rispetto a condizioni anaerobiche.
[Bassi tassi di decomposizione del detrito ad
elevate profondità lacustri sono attribuite a
bassi livelli di DO (Reed, 1979), a basse
temperature ed assenza di invertebrati
(Barnes et al., 1984)].
4 pH
4.
H
Evidenze sperimentali dimostrano che bassi
t
tassi
i di d
decomposizione
i i
sono associabili
i bili ad
d
una elevata acidità dell’acqua. L’effetto del
pH
H sulla
ll d
decomposizione
i i
sembra
b essere
indiretto.
B
Bassi
i pH
H iinibiscono
ibi
lla colonizzazione
l i
i
d
dell
detrito da parte di molti micro-organismi ed
i
invertebrati,
t b ti probabilmente
b bil
t attraverso
tt
lla
mobilizzazione di allumnio ed altri metalli.
5. Sito
Gli effetti
ff tti del
d l sito
it seii processii di
decomposizione del detrito includono:
- comparazioni
i i ttra ecosistemi
i t i di acque d
dolci
l i
ed altri tipi di ecosistemi;
- comparazioni
i i ttra diff
differenti
ti ti
tipologie
l i di
ecosistemi di acque dolci (i.e. fiumi, laghi
etc.)
t )
- comparazioni entro ecosistema tra siti di
campionamento.
i
t
6. Invertebrati
M lti studi
Molti
t di suii processii di d
decomposizione
i i
mostrano che una più rapida
d
decomposizione
i i
è associata
i t all alte
lt d
densità
ità
di invertebrati che colonizzano il detrito.
[[una
na e
evidenza
iden a nei tassi di decomposi
decomposizione
ione si
osservano in ecosistemi di acque dolci rispetto
ad ecosistemi terrestri (Brinson
(Brinson, 1977)
1977). A partire
da ecosistemi di acque dolci, verso ecosistemi
salmastri e marini,
marini si osserva un gradiente
decrescente dei tassi di decomposizione,
attribuibile a differenze nell’abbondanza degli
g
invertebrati (Odum et al., 1975)].
Decomposizione è il principale processo di
riciclizzazione negli ecosistemi terrestri temperati e
in quelli acquatici
Riciclizzazione diretta è un percorso di riciclizzazione
più rapido che si realizza negli ecosistemi tropicali
umidi.
idi
(E’ un’interazione mutualistica tra piante verdi e funghi
1 microfunghi assorbono materia organica dall’ambiente
1.
dall ambiente
2. la decompongono internamente in tempi rapidi
3. passano in parte i nutrienti ricicclati alle radici delle
piante da cui assorbono gli zuccheri)
Escrezione è il principale percorso di riciclizzazione nei
mari e laghi profondi.
(Questo percorso si realizza quasi interamente come
escrezione inorganica)