I microrganismi per il sequestro del carbonio

Definizione del sequestro del carbonio

Il sequestro del carbonio è un processo di confinamento geologico dell’anidride carbonica (CO₂) dall’atmosfera sotto forma di carbonio organico del suolo (soil organic carbon – SOC). Questo processo è considerato un modo efficace per ridurre i gas serra. L’Anidride carbonica (CO2) viene catturata naturalmente dall’atmosfera attraverso processi biologici, chimici e fisici.
Il rilascio di CO2 in atmosfera è accelerato attraverso lo sfruttamento eccessivo del suolo, nelle pratiche agricole, oppure l’eccessiva urbanizzazione che determina la conversione di terreni coltivati ​​in edificabili. Perciò sono stati ideati dei processi artificiali, tra cui la cattura artificiale su larga scala e il sequestro di CO₂ prodotta industrialmente.

I sequestratori del carbonio

Gli oceani e le falde acquifere, le foreste, i letti di alghe e altre forme di vita vegetale assorbono l’anidride carbonica dall’aria e la legano alla biomassa, sequestrando CO2.
Tuttavia, questi depositi biologici sono considerati pozzi di carbonio volatili, poiché il sequestro a lungo termine non può essere garantito. Ad esempio, eventi naturali, come incendi o malattie, pressioni economiche e mutevoli priorità politiche possono comportare il rilascio nell’atmosfera del carbonio sequestrato. L’anidride carbonica che è stata rimossa dall’atmosfera può anche essere immagazzinata nella crosta terrestre iniettandola nel sottosuolo, o sotto forma di sali di carbonato insolubili (sequestro minerale).

Suolo: il sink di stoccaggio del carbonio

I suoli sono gli ecosistemi con la composizione più diversificata di microorganismi sulla Terra come conseguenza della presenza di così tante nicchie ecologiche diverse. Perché Il suolo è alla base della produzione della nostra alimentazione e rappresenta la banca della diversità microbica da cui una pianta preleva selettivamente il suo microbioma per soddisfare le sue esigenze. Non soltanto i microrganismi del suolo, ma anche rizobatteri, simbionti ed endofiti partecipano alla vita della pianta, favorendone la crescita attraverso molteplici meccanismi.
I microbiomi del suolo e delle piante, però svolgono un ruolo importante nella crescita, sviluppo della flora e nella salute del suolo. Infatti, forniscono alla pianta un genoma secondario che offre funzioni ecologiche chiave e favoriscono l’ospite. Sono in grado di influenzare la salute delle piante e la produttività, migliorando la tolleranza allo stress e fornendo, pertanto, un vantaggio adattivo.

Soil Microbial Community

La SMC (Soil Microbial Community) media diversi tratti funzionali delle piante. Infatti, influenzano la plasticità fenotipica delle piante. Sono quindi fondamentali per garantire la qualità e la sicurezza della produzione primaria delle piante, compresi i frutti e i relativi alimenti trasformati.
Le risposte alle sfide del nostro secolo risiedono in una visione olistica globale, secondo il concetto di One Health, che riconosce la stretta connessione tra salute umana e salute degli ecosistemi terrestri.

Cambiamento climatico e microrganismi

L’aumento della concentrazione di anidride carbonica, che rappresenta il principale gas climalterante, che regola e stimola la fotosintesi è preoccupante.
Tuttavia, alcuni lavori segnalano come in colture di riso, al crescere del livello di anidride carbonica, si riduca il contenuto proteico e si verifichino perdite consistenti di vitamine B1, B2, B5 e B9, ferro, zinco (Zhu et al., 2018).
Inoltre, l’aumento della temperatura, creando siccità e incremento della salinità dei terreni, deprime l’attività fotosintetica e incide sulla produzione di essudati, modificando la composizione chimica e quindi le condizioni nutrizionali per la microflora della rizosfera.

L’adattamento del microbiota del suolo

In questa condizione di stress, il microbioma del suolo manifesta una grande flessibilità e attitudine all’adattamento alle nuove condizioni. La stessa composizione del microbioma si modifica, anche arricchendosi di microrganismi che provengono dall’esterno, trasportati dal vento. Infatti, l’attività del SMC (Soil Microbial Community) viene declinata in funzione dell’evoluzione del cambiamento climatico e degli stress da esso causati.
Il microbioma, perciò, è in grado di contrastare la siccità, e di operare a concentrazioni saline più elevate, di mettere in atto sistemi diretti e indiretti di difesa contro agenti biologici avversi.
Gli inoculanti possono fornire un prezioso contributo alle colture testate non solo in laboratorio, ma anche in campo in termini di sviluppo radicale, fogliare, di attività fotosintetica e di produzione (Rolli et al., 2014, 2017). Le piante, stimolate dal microbioma, in alcuni casi, mettono in atto meccanismi particolari come il potenziamento di una pompa protonica vacuolare che conferisce maggior resistenza alla siccità (Vigani et al, 2018).

L’azione del microbiota del suolo nel sequestro del carbonio

La biomassa microbica, in sintesi, gioca un ruolo fondamentale nella formazione degli aggregati nel suolo. Infatti, sono gli aggregati più stabili ad aumentare gli stock di carbonio (C) nel suolo. Dunque, la sostanza organica in decomposizione migliora la stabilità degli aggregati. Maggiore è il numero di magroaggregati nel suolo e dunque, maggiore sarà il potenziale di sequestro del carbonio. Questo perchè i macroaggregati, limitano la decomposizione del C dovuta a processi fisici e chimici (Murugan et al., 2019) (Wilpiszeski et al., 2019).
Però la formazione di macroaggregati è accoppiata con le attività SMC ed entrambe regolano l’82% della variazione nello stoccaggio SOC (Zhang et al., 2018).
Le operazioni agricole tendono spesso a diminuire la persistenza degli aggregati del suolo, modificando anche la struttura della SMC (soil microbial community) (Kraut-Cohen et al., 2020).

La SOM come CO2 bank

Poiché la struttura della comunità microbica regola anche il turnover e l’approvvigionamento dei nutrienti, nonché i tassi di decomposizione della SOM (Soil Organic Matter). La comunità microbica è stata identificata come fattore critico per la conservazione dei servizi ecosistemici del suolo (Nsabimana et al., 2004). Perchè la vitalità dei microrganismi del suolo dipende in gran parte dalla qualità e dalla disponibilità della materia organica (Nguyen e Marschner, 2016).
Quando i substrati iniziano a esaurirsi o la loro fornitura viene interrotta, la SMC può entrare in uno stato dormiente assumendo forme di spore, oppure muoiono, riducendo così la loro biomassa. Come confermato da esperimenti di laboratorio (Shahbaz et al., 2017). Dopo la morte cellulare, i composti organici contribuiscono alla necroma microbica e possono costituire più della metà del carbonio organico del suolo (Miltner et al., 2012) (Liang et al., 2019). Quindi la formazione di necromasse dipende fortemente dalla composizione dell’SMC.

La comunità microbica del suolo come fonte di composti organici

Gli studi che utilizzano biomarcatori molecolari (zuccheri. aminozuccheri, proteine e lipidi) mostrano che la comunità microbica del suolo è la fonte di composti organici stabilizzati nella SOM a lungo termine (Schmel e Schaeffer, 2012) (Liang et al, 2019). È importante sottolineare che il metabolismo microbico di substrati C relativamente semplici (ad es., Essudati radicali) possono manifestare eterogeneità chimica SOM, simile a quella nei suoli sotto comunità vegetali complesse (Castle et al., 2016). Le strategie di crescita microbica dei gruppi SMC sono influenzate quindi, da fattori abiotici e dalla qualità del suolo (Maharjan et al., 2017) che suggeriscono quel clima. Inoltre, la formazione e il consumo di necroma sono influenzati anche dal pH del suolo, dalla densità apparente, dalla temperatura media annuale e persino dalle precipitazioni storiche (Buckeridge et al., 2020) (Zhang et al.,2021).

Conclusioni

Poiché il contributo della necroma alla SOM può essere alterato da pratiche di gestione che influenzano la struttura e l’attività della comunità microbica (Buckeridge et al., 2020), i resti microbici non sono resistenti alla degradazione. Quindi la loro persistenza deve derivare da processi di stabilizzazione che si verificano nel suolo (Kastner e Milner, 2018).
In sintesi, questa stabilizzazione è stata spiegata dalla formazione di pile da frammenti di involucro di cellule morte (Miltner et al., 2012) dove i detriti cellulari sono disposti in agglomerati stabili che bloccano la loro accessibilità per altri microrganismi.

È interessante notare che alcuni gruppi microbici producono composti difensivi specifici che ne impediscono l’assorbimento microbico come gli acidi poliidrossi-alcanoici, ma il modo in cui questi contribuiscono alla formazione di SOM rimane sconosciuto (Condron et al., 2010). Nonostante l’elevata importanza dei microrganismi nella formazione di SOM, l’evidenza sperimentale per il coinvolgimento di SMC nella formazione di SOM è ancora limitata dai metodi che utilizzano biomarcatori microbici specifici (Kallenbach et al., 2016), ostacolando un’analisi completa e quantitativa del contributo microbico alla stabilizzazione del SOM.

Fonti 1

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