Carnevale della chimica #19: la terra e il suolo

Come annunciato nella chiamata sul sito del Carnevale della chimica, questa è l'edizione #19. Il mese di luglio segue alla trebbiatura delle messi di grano, prendo  ispirazione dalla canzone dei 12 mesi musicata da Guccini sulla poesia di Folgore da San Giminiano:

E con le messi che hai fra le tue mani

ci porti il tuo tesoro

con le tue spighe doni agli uomini il pane

alle femmine l'oro

Con giorni lunghi dai colori chiari

ecco luglio il leone

riposa e bevi e il mondo attorno appare 

come in una visione.

Ebbene,  siamo riusciti a  fare la trebbiatura sabato 14, con un ragazzo di 18 anni a portare la trebbia, ci sono ancora nuove generazioni di agricoltori, e un raccolto di 12 sacchi di grano (qui nel Salento si miete verso il 29 giugno, san Pietro e Paolo).

Rilancio l'annuncio dato agli appassionati dei vari Carnevali, che le edizioni annuali da 12 passano ad 11, e che l'edizione di agosto sarà un'edizione unificata pubblicizzzata su Tuttoscienze, una iniziativa di San Marino Scienza che apre il congresso SETI ai blog scientifici italiani. 

Per questa 19esima edizione, "La chimica del suolo",  sono pervenuti  i contributi di otto bloggers scientifici.

Parlando di suolo, è necessario conoscere le sue proprietà, di cui molte di esse ci parlano di chimica. Le proprietà tampone, la proprietà di chelazione e rilascio degli ioni, le ossidoriduzioni. 

• La capacità di scambio cationico (CSC) è la quantità di cationi scambiabili, espressa in milliequivalenti per 100 grammi (meq/100g), che un materiale dotato di proprietà di adsorbimento può trattenere per scambio ionico. Lo scambio ionico rappresenta uno dei più importanti meccanismi con cui il terreno trattiene e mette a disposizione delle piante e dei microrganismi elementi quali il calcio, il magnesio, il potassio, l'azoto ammoniacale, perciò la CSC è un indice della potenziale fertilità chimica dei terreni.

Suolo agrario:

• Le diverse particelle inorganiche del terreno possono unirsi tra loro grazie all'azione aggregante della componente argillosa e della componente organica. Di conseguenza il suolo agrario si presenta generalmente sotto forma di grumi di particelle legate tra loro. I carbonati di calcio e di magnesio costituiscono nei suoli italiani i minerali più importanti. La quantità di questi due minerali viene espressa in percentuale di carbonato di calcio (CaCO3, anche se in realtà viene considerato il carbonato di magnesio). La sostanza organica è in gran parte costituita dai resti di animali e vegetali, più o meno evoluti e trasformati, presenti nel terreno. Le sostanze di origine organica vengono demolite nel terreno dalla azione della microflora/fauna presente; questo processo porta da un lato alla mineralizzazione (liberazione di elementi semplici assimilabili dalle radici delle piante), dall'altra all'umificazione (formazione di sostanze chimiche complesse denominate humus). L'humus funge da serbatoio di fertilità del suolo, in quanto può, a seconda delle caratteristiche del terreno, rilasciare nel tempo elementi semplici assimilabili dalle piante. 

• L'identificazione chimica dell'humus è indefinita in vari aspetti a causa della complessità ed eterogeneità della sua composizione. Molti autori usano distinguere la sostanza organica del terreno in composti umici e non umici. Questi ultimi hanno una ben definita collocazione sistematica e si identificano in una delle varie classi di composti  (proteine, lipidi, polisaccaridi, lignina, cera, acidi nucleici, ecc.) o di composti organici semplici mono o polifunzionali (zuccheri, acidi carbossilici, alcoli, amminoacidi, polifenoli, ecc.). Ogni tentativo di collocazione sistematica dell'humus è impossibile sia per la composizione chimica indefinita sia per la complessità strutturale; tuttavia presenta delle proprietà fisiche e chimiche costanti che ne rendono possibile una caratterizzazione distinguendolo nettamente dagli altri composti organici.

Da ciò si capisce la grande importanza del compost,  il suo utilizzo in agricoltura, utile per il riequilibrio della materia organica e la formazione di humus e dei composti organici come substrato nutritivo degli organismi del suolo e il ruolo di fertilità del suolo dato dall'assorbimento delle sostanze organiche da parte delle radici delle piante.

• Vi sono alcuni aspetti della composizione chimica del suolo che hanno un ruolo attivo nella dinamica della fertilità chimica del terreno, come il tenore in humus e sostanza organica, la presenza di particelle di calcare e minerali argillosi di dimensioni molto piccole, la presenza di sali solubili provenienti dall'interazione con l'idrosfera (es. sali sodici), ecc.La composizione chimico-mineralogica dipende dalle condizioni che hanno guidato la pedogenesi e, quindi, non solo dalla matrice litologica da cui derivano i minerali. È piuttosto eterogenea nei terreni alluvionali in quanto derivata dal deposito di materiali provenienti da diverse regioni, mentre può essere notevolmente uniforme nei terreni autoctoni, originati cioè dalla disgregazione e alterazione della roccia madre preesistente.

Margherita  Spanedda, del blog Unpodichimica, ci invia tre contributi, tre pezzi che vogliono mettere a fuoco la necessità di salvaguardare il suolo come risorsa non rinnovabile. 

Partiamo quindi  dalle origini, vale a dire dal neolitico ( fino ai giorni nostri!) 
il secondo mette in luce alcuni aspetti critici legati all'agricoltura moderna  
L'ultimo pezzo è didattico e si occupa ( brevemente e semplicemente) di formazione del suolo.

Lo spunto ( e anche lo spuntino, parlando di frutti della terra) è quello di pensare al suolo come centro di un ecosistema di funghi e batteri  attivi  nella biosintesi e trasformazione degli elementi utili nel suolo, e partecipano ai cicli degli elementi principali, azoto, carbonio, fosforo e zolfo.

Franco Rosso, organizzatore e promotore dei Carnevali della  Chimica, sul suo blog Chimicare ci invia il post Dai cicli degli elementi alla ecochimica: quando è il pianeta stesso a vivere.

Per il ciclo dell'azoto,  Annarita Ruberto, sul suo blog Scientificando, ci invia un bel contributo didattico: il ciclo naturale dell'azoto e il suolo, in cui descrive tra gli altri organismi  gli utilissimi rizobi. 

I Rizobium (ogni specie ha una preferenza per una specie leguminosa particolare) sono batteri produttori dei noduli delle leguminose, che promuovono  l'arricchimento di azoto libero e complesso nei terreni. Le piante (pisello d sovescio, trifoglio, Medicago) si lasciano andare a fioritura e il terreno viene rivoltato, con una tempistica di un paio di mesi, ottenendo risultati di arricchimento di azoto di 4-5 volte, da 240 mg/kg e 14 gr/kg di sostanza organica prima della semina, per arrivare a 1050 mg/kg di azoto totale e 17,9 gr/kg di sostanza organica dopo il sovescio.

Parlando dei batteri, il contributo wiki sul ciclo dell'azoto è illuminante:

1. Il 90% della quantità fissata naturalmente è biologica; viene prodotto ammonio a partire all'azoto molecolare. Gli agenti fissatori dell'azoto sono: Azotobacter e Clostridium, batteri liberi nel terreno; rizobi: batteri viventi in simbiosi mutualistica con le radici di leguminose, l'ontano, alcune felci; alghe azzurre.

• Nel terreno: Mineralizzazione dell'azoto
• Ammonificazione
• Un'altra fonte di ammoniaca per il suolo deriva dalla decomposizione dell'azoto organico, come gli amminoacidi presenti nei prodotti di rifiuto e nella sostanza organica in putrefazione. Questo processo è detto ammonificazione ed è attuato da particolari batteri decompositori e funghi che, degradando l'azoto amminico, liberano l'ammoniaca nel terreno, dove può reagire con diversi composti per formare dei sali d'ammonio.
• Nitrificazione
• Le molecole d'ammoniaca (o i sali d'ammonio derivati), che vengono così liberate nel suolo, possono subire un'ossidazione da parte di batteri liberi, con un processo chiamato nitrificazione, in cui si distinguono i batteri nitrificatori, che trasformano l'ammoniaca in nitriti (NO₂-), ed i batteri nitratatori, che, a loro volta, ossidano i nitriti e contribuiscono alla produzione dei nitrati (NO₃-). L’azoto presente nelle acque sotto varie forme può provocare fenomeni di eutrofizzazione e di anossia dei corpi idrici recettori e tossicità alla vita acquatica. Per l’abbattimento dell’azoto dalle acque di scarico sono disponibili sistemi: - biologici; - chimico-fisici.
• Denitrificazione
• La denitrificazione consiste nella riduzione dei nitrati ad azoto molecolare che ritorna in atmosfera chiudendo il ciclo dell'azoto. Questo processo è realizzato da batteri dei generi Pseudomonas e Clostridium in condizioni anaerobiche. La denitrificazione è una forma di respirazione anaerobica che usa il nitrato come accettore di elettroni in assenza di ossigeno. I batteri denitrificanti sono anaerobi facoltativi dal momento che possono vivere anche in presenza di ossigeno.

Per inciso, gli appassionati di microbiologia non avranno bisogno di chiedersi come facciano i batteri a produrre una serie così diversa di reazioni chimiche! Infatti, ogni tipo di reazione si basa su una serie di accettori di elettroni (electron carriers), citocromo ossidasi, ossidoreduttasi, con gruppi prostetici eme, altri centri catalitici contenenti ferro-zolfo, molto simili nel funzionamento alla catena respiratoria mitocondriale degli eucarioti superiori. Batteri come Ralstonia eutropha e Alcaligenes latus si adattano a un ampio spettro di condizioni ambientali, sono autotrofi, ossia sintetizzano tutti gli elementi necessari per la loro crescita; possono produrre idrogeno gassoso, e altri composti quando un elemento chimico in quantità scarsa sia un fattore limitante. (invece gli organismi che non sono autosufficienti per un elemento chimico o sostanza   organica, o  vitamine, sono detti eterotrofi).

Paolo Pascucci, ben noto ai frequentatori di questo e altri carnevali, ci omaggia di ben tre contributi.

Il suolo, orizzonti e formazione, Tre  animazioni del Carleton College in cui si analizzano tre importanti fattori: gli orizzonti del suolo, la biodinamica del suolo e lo sviluppo del suolo nel tempo.

Il secondo è: i lombrici, un'infografica. 

il terzo è definito un post fuori tema, fornito a chi stanco di leggere vorrebbe tirarsi un pò su, con gli energy drinks.

Segue il post scritto dall'associato a Chimicare Salvatore Caiazzo, da Caserta, microbiologo appassionato di divulgazione scientifica fino alla biochimica vegetale, dal titolo La chimica delle piante- le piante e il sale.

Gabriele Giordano, un giovane affezionato spesso presente alle varie edizioni dei Carnevali non solo per la Chimica, grande appassionato di scienze e promotore della curiosità, ci invia un post sulle piante e sulle esigenze degli elementi essenziali, nelle varie specie vegetali, a seconda della natura dei vari terreni.

Mattia Colombo, del blog "Io penso che", con il suo post I fertilizzati, invece ci introduce alla produzione industriale dei fertilizzanti, che ha accompagnato lo sviluppo economico  e lo sfruttamento del  suolo per le grandi produzioni agricole.

Leonardo Petrillo, del blog Scienzaemusica, ha inviato un contributo chimico-biochimico, sulla percezione della capsaicina, la chimica della sensazione di bruciore sulla lingua, pepe e peperoncino, e la scala della piccantezza.