EFFETTI DEL CARBONE VEGETALE:
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EFFETTI DEL CARBONE VEGETALE: RESISTENZA DELLE PIANTE AGLI STRESS Il carbone vegetale (‘Biochar’ in inglese) può aumentare la fertilità dei suoli e la produttività delle piante senza o con un basso uso di sostanze chimiche. In questo studio si ri‐ portano i positivi risultati ottenuti sulla crescita di fragola, peperone e pomodoro. In breve L’effetto positivo del biochar sulla salute della pianta è un fenomeno dimostrato ed è solo uno dei bene‐ fici ottenibili dall’applicazione del biochar al terreno. Il biochar è il prodotto solido della pirrolisi, cioè la degradazione ter‐ mica della biomassa in assenza di ossigeno. Se aggiunto al terreno, il biochar permette il sequestramento a lun‐ go termine del carbonio presente nell’atmosfera, e quindi può essere considerato una forma di mitiga‐ zione. Il biochar contribuisce al mi‐ glioramento della fertilità e della produttività delle colture. L’aggiunta di biochar al suolo altera le popolazioni microbiche nella ri‐ zosfera, e cioè nella zona di suolo in diretto contatto con le radici. 1. Dalla Terra al cielo. E ritorno. I nativi pre-colombiani del bacino amazzonico usavano il carbone come ammendante del suolo in aggiunta a letame, ossa e frammenti di vasellame, cos da trasformare suoli altrimenti improduttivi in terreni fertili e ricchi. Uno dei motivi per cui questi suoli, i “Terra Preta”, abbandonati tra i 500 ed i 2500 anni fa, sono ancora fertili oggigiorno è stato attribuito alle capacità di ritenzione dei nutrienti del carbone che veniva aggiunto (Smith, 1980). In molte parti dell’Equador, Perù, Africa occidentale, Sudafrica, Australia e Asia sono stati trovati, sparsi qua e là in mezzo a suoli sottili e poveri, antichi antrosuoli, fertili e contenenti carbone. Di recente dall’inizio del ventunesimo secolo, gli studi di agronomia in tutto il mondo hanno ripreso un vivo interesse nell’utilizzo agricolo del carbone. Per almeno quattro ragioni: www.envirochange.eu Questo può causare un incremento delle popolazioni di microganismi benefici che promuovono la cresci‐ ta della pianta e la resistenza agli stress biotici. L’effetto del biochar non è solo visibile in condizioni di coltivazione estensiva, ma anche in produzioni di tipo intensivo. Il biochar stimola lo sviluppo di mi‐ crorganismi benefici che possono promuovere la crescita della pianta e indurre resistenza contro pato‐ geni e parassiti: i composti chimici presenti nel biochar sono in grado d’indurre risposte positive nella pianta. 1 1. Pirolisi. Il modo in cui il carbone viene prodotto genera prodotti energetici rinnovabili. 2. Molti scarti biologici possono essere trattati e convertiti in energia mediante pirolisi. 3. Quando viene utilizzato come ammendante del suolo, il carbone sembra migliorare in modo significativo la sua struttura, produttività, ritenzione e diponibilità per le piante di elementi nutritivi grazie a meccanismi a rilascio lento, alla capacità di ritenzione idrica e di rendere stabili gli aggregati del suolo (Glaser et al., 2002). 4. L’emivita del biochar nel suolo è stata stimata essere dalle decine alle centinaia di migliaia di anni secondo il materiale d'origine e le condizioni di pirolisi. Questo porta ad uno stoccaggio di carbonio nel suolo e ad una sua rimozione dall’atmosfera (Lehmann, 2007). Si è dimostrato quindi che l’aggiunta di carbone vegetale nel suolo è un sistema per ridurre le emissioni di gas serra (mitigazione) dai suoli coltivati. In alcuni casi si è verificata una riduzione delle emissioni di N2O fino all’80% e il blocco completo delle emissioni di metano (Lehmann et al., 2006; Yanai et al., 2007). Pirolisi Il termine pirolisi deriva dal Greco pyr ‘fuoco’ e lysis ‘separazione’. La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica di materiale organico ottenuto a temperature elevate e in assenza di ossigeno. È un processo irreversibile in cui si ha sia la trasformazione chimica, sia fisica del materiale. La pirolisi è comunemente usata per ottenere carbone da materiale organico e inizia con temperature di 200-300°C. Avviene per esempio quando si bruciano nel fuoco combustibili solidi o quando la vegetazione entra in contatto con la lava durante le eruzioni vulcaniche. In generale la pirolisi delle sostanze organiche produce gas e prodotti liquidi e lascia un residuo solido ricco in carbonio, il carbone per l’appunto. 2. Effetto del biochar sulla crescita delle piante Varie pubblicazioni riportano un generale effetto positivo del biochar come ammendante del suolo su colture erbacee e arboree perenni, sia in serra, sia in pieno campo, e in condizioni commerciali. Per esempio, la biomassa dei germogli e delle radici della betulla e del pino è maggiore in suoli addizionati con carbone (Wardle et al., 1998). Una singola applicazione di 20 t/ha di biochar a un suolo della savana colombiana ha prodotto un incremento nella produzione di mais che andava dal 28 al 140%, se confrontato con suolo non addizionato, sia nel secondo che nel quarto anno dall’applicazione (Major et al., 2010). In modo simile, applicazioni di grossi volumi di biochar (30 e 60 t/ha) nel bacino del mediterraneo hanno incrementato fino al 30% la biomassa e la produzione del grano duro. L’effetto del biochar si è potuto osservare in due stagioni consecutive (Vaccari et al., 2011). In generale questi risultati dimostrano l’importante potenzialità delle applicazioni di biochar nell’incrementare la produttività delle piante. Nelle nostre ricerche abbiamo applicato il biochar in esperimenti in piante in vaso e in campo in colture intensive (Fig. 1). Fig. 1. Biochar prodotto da materiale di scarto di serra prima della sua incorporazione al suolo e del trapianto delle piante. www.envirochange.eu 2 Il meccanismo con cui il biochar migliora la qualità della pianta potrebbe essere attribuito all’effetto diretto del suo apporto di nutrienti (Silber et al., 2010) e ad altri effetti indiretti che includono: l’aumento della ritenzione di sostanze nutritive, il miglioramento del pH del suolo, l’aumentata capacità di scambio cationico (Yamato et al., 2006); gli effetti sulle trasformazioni di forsforo e zolfo e sul loro ricambio, la neutralizzazione di composti fitotossici nel suolo (Wardle et al., 1998); il miglioramento delle proprietà fisiche del suolo, inclusa la ritenzione idrica, la promozione di micorrize (Warnock et al., 2007); infine l’alterazione delle popolazioni microbiche e delle loro funzioni (Graber et al., 2010; Kolton et al., 2011; Pietikainen et al., 2000). Poiché l’interazione biochar-suolo-piantaacqua è molto complessa, è difficile isolare i singoli fattori che effettivamente giocano un ruolo determinante nel produrre l’‘effetto biochar’. Per ridurre il numero di potenziali fattori coinvolti, Graber e collaboratori (2010) hanno indagato se l’aggiunta di biochar possa influenzare la crescita della pianta quando gli aspetti nutrizionali e fisici del biochar sono stati eliminati. Hanno quindi usato un biochar derivato da legno povero di nutrienti su pomodoro (Figg. 2 e 4) e peperone (Figg. 3 e 5) coltivati in serra, su un substrato a base di fibra di cocco, assicurando una fertilizzazione e un’irrigazione ottimali. Fig. 2. Effetto dell’aggiunta di biochar di legno di agrumi sulla crescita di piantine di pomodoro in substrato artificiale (vasi da 1 litro). Le piante sono state cresciute con il 3% di biochar (sinistra) e senza biochar (destra) Fig. 3. Effetto dell’aggiunta di biochar di legno di agrumi sulla crescita di piantine di peperone in substrato artificiale (vasi da 1 litro). Le piante sono state cresciute con il 3% di biochar (sinistra) e senza biochar (destra) Fig. 4. Effetto dell’aggiunta di biochar di legno di agrumi sulla crescita di piante adulte di pomodoro (vasi da 3 litri). Le piante sono state cresciute senza biochar (sinistra), con l’aggiunta dell’1% (centro) e del 3% di biochar (destra). www.envirochange.eu 3 I ricercatori hanno rilevato un incremento di molti parametri di crescita su entrambe le piante in presenza del trattamento con biochar. Un effetto simile si è ottenuto con il cetriolo (Fig. 6) e con il frumento in suolo con fertirrigazione (Fig. 7). L’impatto positivo del biochar sulle piante non era dovuto all’effetto diretto o indiretto della nutrizione (non c’era un effetto dell’aggiunta di biochar sul contenuto nutrizionale delle foglie), né ad un miglioramento della capacità idrica del substrato di coltivazione (nessuna differenza dovuta all’aggiunta del biochar). Di conseguenza la stimolazione della crescita indotta dal biochar va oltre il contributo sulla nutrizione della pianta o il miglioramento delle condizioni chimico-fisiche del suolo. Per spiegare le miglior performance delle piante in presenza del biochar, i ricercatori hanno quindi proposto due ipotesi correlate tra loro: 1. L’aggiunta di biochar determina un cambiamento delle popolazioni microbiche verso una maggior presenza di rizobatteri di funghi promotori di crescita, a causa dalle caratteristiche chimico-fisiche del trattamento con biochar 2. L’effetto delle basse dosi di composti chimici presenti nel biochar. Molti di questi sono fitotossici o dannosi ad alte concentrazioni, ma stimolano la crescita della pianta a basse dosi, in un processo chiamato “omeopatia”. Fig. 5. Effetto dell’aggiunta di biochar di legno di agrumi sulla crescita di radici di piante adulte di peperone (vasi da 3 litri). Le piante sono state cresciute con 3% di biochar (destra) e con 1% (centro) e senza biochar (sinistra). Fig. 6. Effetto dell’aggiunta dell’1% di biochar di Eucalipto sulla crescita di piante di cetriolo. Le piante sono state coltivate in vasi da 10 litri contenti ghiaia vulcanica con biochar (destra) e senza biochar (sinistra). La figura mostra la vegetazione (sopra) e le radici (sotto). www.envirochange.eu 4 Fig. 7. Effetto dell’’aggiunta di biochar di scarti organici di serra sulla crescita di giovani piante di frumento in suolo (vasi da 3 litri). Le piante sono state coltivate senza biochar (sinistra) e con biochar (destra). 3. Il biochar stimola la microflora benefica del suolo Le prove a favore della presenza di un effetto significativo sui microrganismi del suolo da parte del biochar stanno aumentando all’aumentare del suo utilizzo e del suo studio. L’aggiunta di biochar determina cambiamenti significativi nella composizione della comunità microbica e nelle attività enzimatiche, sia nel suolo, sia nella rizosfera. Per esempio, l’aggiunta di biochar è in genere caratterizzata da un incremento dell’abbondanza di membri dei phyla Actinobacteria e Bacteriodetes. I cambiamenti indotti dall’uso di biochar nei microrganismi del suolo possono quindi certamente giocare un ruolo nell’effetto del biochar sulla pianta. È noto che i microrganismi della rizosfera in genere, e alcuni specifici ceppi appartenenti ai generi Pseudomonas, Bacillus e Trichoderma in particolare, possono migliorare la crescita della pianta in diversi sistemi colturali. In una recente ricerca (Solaiman et al., 2010) sono stati coltivati i microrganismi dalla rizosfera e dal suolo di piante adulte di peperone la cui crescita era stata precedentemente stimolata da aggiunte di biochar. Dei 20 isolati ottenuti, una caratterizzazione filogenetica mediante l’analisi parziale del gene del 16S rRNA ha evidenziato che otto isolati avevano un’elevata identità di sequenza (98% o più) con ceppi di Pseudomonas, Mesorhizobium, Brevibacillus e Bacillus, noti per la loro capacità di promuovere la crescita delle piante. Un’importante famiglia di microrganismi del suolo, nota per il suo impatto positivo sulla produttività delle piante, è costituita dalle micorrize arbuscolari. L’aggiunta del biochar spesso determina un aumento delle interazioni con funghi micorrizici simbionti delle piante. L’aggiunta di biochar e fertilizzante minerale ha, ad esempio, aumentato la micorizzazione delle radici di frumento e la produzione di semi. I ricercatori hanno quindi concluso che il biochar favorisce l’instaurarsi di condizioni ottimali per la colonizzazione delle radici delle piante da parte dei funghi micorrizici. www.envirochange.eu 5 Il biochar prodotto da legno macinato aggiunto al suolo di coltura di asparago ha portato a una riduzione delle lesioni alle radici causate da Fusarium oxysporum f. sp. asparagi e F. proliferatum in confronto al suolo non trattato. Inoltre, questa aggiunta di biochar ha aumentato la colonizzazione delle radici da parte di micorrize, contribuendo alla soppressione della malattia anche in presenza di agenti alleopatici noti per inibire la colonizzazione da parte delle micorrize in asparago (Elmer e Pignatello, 2011). Il biochar è inizialmente sterile e non ospita popolazioni di microrganismi indigeni che possano aumentare la capacità di ridurre le malattie. Tuttavia, il biochar influenza le popolazioni e le comunità microbiche e tra questi cambiamenti si può verificare un incremento dei microrganismi benefici che proteggono direttamente le piante da patogeni radicali producendo antibiotici, entrando in competizione con gli stessi o parassitandoli. Inoltre, i composti chimici che vengono aggiunti con il biochar possono avere un effetto tossico diretto contro i patogeni radicali. Graber e collaboratori (2010) hanno identificato una serie di composti del biochar che sono noti avere un effetto negativo sulla crescita e la sopravvivenza dei micrognatismi. Bassi livelli di questi composti tossici possono infatti sopprimerne componenti sensibili del microbiota del suolo e determinare la proliferazione di comunità microbiche resistenti. Una possibile conferma di ciò è stata l’identificazione, in suoli a cui era stato aggiunto biochar, di due isolati geneticamente vicini al degradatore di nitrofenolo Nocardioides nitrophenolicus. In suoli addizionati di biochar sono stati identificati diversi produttori di antibiotici (Pseudomonas mendocina e P. aeruginosa). La possibilità che il biochar induca resistenza sistemica nella pianta contro microorganismi patogeni è stata studiata in diversi sistemi che coinvolgono patogeni fogliari. La gravità della malattia causata da funghi netrotrofi (Botrytis cinerea) (Fig. 8) e biotrofi (Oidiopsis sicula) su peperone e pomodoro è risultata significativamente ridotta in seguito ad aggiunte di biochar (Elad et al., 2010) (Figg. 9-11). Rizosfera La rizosfera è la zona in prossimità delle radici di una pianta. E’ un’area dalla densa attività metabolitica; lì la competizione fra microrganismi è più alta che nel terreno circostante. Comprendere cosa accade nella rizosfera è fondamentale per il buon mantenimento degli ecosistemi, per assicurare la salute delle piante, mantenere la biodiversità, per la bioremediation (cioé per abbattere sostanze tossiche e pericolose nel terreno), per il recupero di terreni degradati, per l’ecologia umana, per comprendere la risposta degli ecosistemi al cambiamento climatico e i problemi legati alla qualità dell’acqua. Fig. 8. Effetto di biochar di citrus mescolato a substrato di crescita sullo sviluppo della muffa grigia (Botrytis cinerea) su foglie staccate di peperone 21 giorni dopo il trapianto. La mattia è visibile come marciume verificatosi in seguito ad incoulazioni a goccia con sospesioni di conidi del fungo. Gli studi dimostrano inoltre che l’aggiunta di biochar è stata in grado di sopprimere la presenza di Podosphaera aphanis (oidio), B. cinerea e di Colletotrichum acutatum su foglie di fragola (Meller Harel et al., 2012). Il fatto che il biochar sia spazialmente separato dal sito d’infezione indica che non c’è un effetto tossico diretto nei confronti dell’agente patogeno e che quindi viene attivata una risposta sistemica della pianta contro l’infezione. A questo proposito, in agronomia, sulle piante-modello vengono definite due forme di resistenza indotta: sono la resistenza sistemica acquisita (SAR) e la resistenza sistemica indotta (ISR). www.envirochange.eu 6 Fig. 9. Effetto di biochar da residui organici di serra prodotti a 450 °C e mescolati al substrato di crescita a concentrazioni di 0(-), 1 e 3% sullo sviluppo di muffa grigia su foglie di pomodoro. Le piante sono state infettate 72 ore dopo il trapianto con gocce di sospensione conidica di Botrytis cinerea. La malattia è stata valutata 14 giorni dopo. Fig. 10. Effetto di biochar da residui organici di serra prodotti a 450 °C e mescolati al substrato di crescita a concentrazioni di 0 (-), 1 e 3% sullo sviluppo di muffa grigia su foglie di pomodoro. Le piante sono state infettate 16 giorni dopo il trapianto con gocce di sospensione conidica di Botrytis cinerea. La malattia è stata valutata 14 giorni dopo. Fig. 11. Effetto di biochar da residui organici di serra prodotti a 450 °C e mescolati al substrato di crescita a concentrazioni di 0(-), 1 e 3% sullo sviluppo di muffa grigia su foglie di pomodoro. Le piante sono state infettate 47 giorni dopo il trapianto con gocce di sospensione conidica di Botrytis cinerea. La malattia è stata valutata 14 giorni dopo. Recentemente sono state prodotte prove molecolari sull’induzione da parte del biochar delle difese sistemiche nella pianta sia attraverso la resistenza sistemica acquisita, che la resistenza sistemica indotta (Meller Harel et al., 2012). Nelle foglie l’espressione relativa di cinque geni legati alla difesa (FaPR1, Faolp2, Fra a3, Falox, e FaWRKY1) è aumentata significativamente con l’aggiunta di 1-3% di biochar al substrato di coltura, indicando che l’espressione genica viene indotta sia dell’acido salicilico, sia dell’acido jasmonico. Graber e collaboratori (2010) hanno simultaneamente isolato dalle radici di peperone cresciuto sul suolo con aggiunta di biochar un elevato numero di batteri noti per essere agenti di biocontrollo, induttori di resistenza e promotori di crescita (15 su 20 isolati) e hanno individuato un’induzione di resistenza sistemica contro i patogeni fogliari. In uno studio seguente si è evidenziata una chiara diffe- renziazione tra le comunità di batteri associate alle radici di piante di peperone coltivate con aggiunta di biochar, con un incremento significativo dell’abbondanza dei membri del phylum dei Bacterioidetes (Kolton et al., 2011). Il Flavobacterium, affiliato ai Bacteroidetes, è stato il genere maggiormente indotto dal biochar. Alcuni isolati di Flavobacterium hanno mostrato chiare capacità di biocontrollo (Alexander and Stewart, 2001) e sono in grado di indurre una risposta di difesa nelle piante contro i diversi patogeni (An et al., 2009). Resta da verificare quali siano le tipologie di biochar che inducono risposte di resistenza sistemica, considerando la grande variabilità nelle caratteristiche fisico-chimiche delle varie tipologie di biochar derivanti dai diversi materiali di origine e diverse condizioni di pirolisi. È stato testato l’effetto del biochar prodotto a due temperature di pirolisi (350 e 450°C) a partire da tre tipi di biomassa (rifiuti www.envirochange.eu 7 di serra, legno di olivo ed eucalipto) sulle infezioni di B. cinerea su foglie di pomodoro. Nella maggioranza dei casi i diversi biochar hanno indotto resistenza nei confronti della muffa grigia a prescindere dalla temperatura di pirolisi, del periodo di esposizione al biochar e dell’età della pianta (Elad et al., 2012). Nonostante questo iniziale risultato, ci si aspetta però che l’efficacia vari a seconda delle temperature, dell’origine delle biomasse, del sistema colturale, della specie vegetale e del patogeno. Resistenza sistemica indotta (ISR) L’ISR è un meccanismo del sistema immunitario della pianta che viene attivato da microrganismi benefici o da altre sostanze e conferisce resistenza a svariati patogeni microbici, parassiti e stress abiotici. Per esempio il fungo Trichoderma harzianum T39 ed il batterio Bacillus amyloliquefaciens S499 inducono resistenza nei confronti di diverse malattie su diverse piante. 5. Nuovi studi, migliori difese Per spiegare l’effetto del biochar, fino ad ora la maggior parte degli studi si è concentrata sui suoi effetti diretti ed indiretti sulla nutrizione delle piante e sulla struttura del suolo. Tuttavia, dagli esperimenti portati in questo saggio, emerge chiaramente che il maggior contributo agli effetti del biochar deve essere stato portato da meccanismi alternativi. Lo dimostra l’effetto positivo dell’aggiunta del biochar sulla stimolazione della crescita della pianta e delle risposte di difesa per le tre specie vegetali studiate (fragola, peperone e pomodoro). Le piante sono state cresciute in condizioni ottimali di fertirrigazione e in un suolo ben strutturato, dove quindi non esistono effetti diretti sulla nutrizione, sulla struttura del suolo e della ritenzione idrico. Si è ipotizzato che i fattori chimici e fisici associati al biochar potrebbero essere collettivamente responsabili dei cambiamenti nelle comunità microbiche e che le comunità batteriche modificate potrebbero essere almeno parzialmente responsabili della promozione della crescita e dell’induzione di resistenza. Va inoltre ricordato che i composti presenti nel biochar potrebbero anche avere potenzialmente un effetto simile ai fitormoni vegetali e che, di conseguenza, potrebbero aver un ruolo nella promozione di crescita. Anche questa possibilità richiederebbe accurati approfondimenti. I due possibili meccanismi alternativi includono la possibilità che il biochar stimoli lo sviluppo di microorganismi benefici che promuovono la crescita della pianta e inducono resistenza contro i patogeni e i parassiti e/o che sostanze chimiche contenute nel biochar possano elicitare risposte positive nella pianta. Sono tuttora in corso studi per capire il ruolo degli isolati microbici e delle sostanze contenute nel biochar sulla promozione della crescita e sull’attivazione della resistenza indotta. Ad oggi è stato evidenziato un chiaro incremento nelle comunità microbiche associate alle radici e in particolare di generi coinvolti nella degradazione della chitina e di composti aromatici. www.envirochange.eu 8 Ringraziamenti La ricerca alla base di questo saggio, svolta presso il Volcani Center, è stata finanziata dalla Provincia Autonoma di Trento e dal Chief Scientist of the Ministry of Agriculture and Rural Development of Israel, numero di progetto 301-0693-10. Lo studio è stato pubblicato anche come contri- buto no. 508/12 dell’Agricultural Research Organization (The Volcani Center, Israele). Gli autori ringraziano Max Kolton, Sergei Segal, Dalia Rav David, Menachem Borenshtein, Ran Shulhani, Ludmilla Tsechansky, e Zohar Pasternak per l’assitenza nelle varie prove sperimentali. 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Graber ([email protected]), The Volcani Center, Israel Fondazione Edmund Mach Editore Settembre 2012 EnviroChange è coordinato da: • Fondazione Edmund Mach‐Istituto agrario di S. Michele all'Adige (FEM, http://www.fmach.it), Research and Innovation Centre, Italia Coordinatore scientifico: Ilaria Pertot, [email protected] Partner: • • Fondazione Bruno Kessler (FBK, http://cit.fbk.eu/en/home), Italia Partner scientifico: Cesare Furlanello, [email protected] Agricultural Research Organization (ARO, http://www.agri.gov.il/en/departments/12.aspx), The Volcani Center, Israel Partner scientifico: Yigal Elad, [email protected] • Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH, http://www.path.ethz.ch), Institute of plant sciences, Svizzera Partner scientifico: Gessler Cesare, [email protected] • Università degli studi di Trento, (UNITN, http://portale.unitn.it/deco), Dipartimento di economia, Italy Partner scientifico: Roberta Raffaelli, [email protected] Il progetto è stato finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento Questo materiale è distribuito su licenza Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. 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