La vita sotto i nostri piedi: il microbiota del suolo

Chiunque operi in agricoltura – produttori, tecnici e industrie dell’indotto – è a conoscenza dell’importanza di mantenere i suoli coltivati vivi e biodiversi, suoli dove vivano in equilibrio tra loro numerose specie di esseri viventi, afferenti alla micro e alla mesofauna. La loro presenza nei terreni agrari è all’origine della fertilità biologica, una condizione solo apparentemente semplice da definire e descrivere ma che in realtà, per essere preservata e incrementata, implica l’adozione di tecniche agronomiche funzionali allo scopo – fra cui certamente anche la fertilizzazione – ma prima ancora una conoscenza approfondita delle funzioni svolte dal microbiota del terreno, delle dinamiche delle popolazione microbiche e dei fattori – ambientali e umani – in grado di modificarle.

Noi di Agribios abbiamo una passione per i microrganismi del suolo, talmente forte da essere stati i primi in Italia a produrre concimi inoculati con microrganismi utili, sviluppando nel tempo un’expertise di assoluto rilievo in questo specifico comparto della fertilizzazione.

Per questo abbiamo deciso di condividere una serie di contenuti sul microbiota del suolo, la cui utilità e insostituibilità nel mantenere la produttività dei terreni coltivati è ormai riconosciuta, senza che – tuttavia – si abbia un’idea chiara di cosa accade laggiù, sotto i nostri piedi (e sotto le ruote dei nostri trattori).

Pronti? Ecco il primo tassello di questo puzzle.

Prima di tutto vale la pena di dare una definizione di microbiota, che è la popolazione di microrganismi (batteri, funghi, protozoi, alghe, virus…) che colonizzano un ambiente in un determinato tempo. Per microbioma invece, termine spesso utilizzato nell’accezione appena descritta, si deve intendere in realtà la totalità del patrimonio genetico espresso dal microbiota.

I motivi per cui il microbiota di un terreno agrario riveste una grande importanza sono innumerevoli. Per citare i principali:

• i microrganismi hanno un ruolo fondamentale nel ciclo del carbonio, sia in termini di mineralizzazione, con rilascio di elementi nutritivi dalla sostanza organica, sia in termini di umificazione, con formazione di sostanza organica stabile e influsso positivo sulle proprietà fisiche del suolo;
• una popolazione microbica tellurica biodiversa favorisce anche un migliore stato fitosanitario delle colture.

Nonostante ci siano note le funzioni indispensabili svolte dai microrganismi del suolo, solo una piccolissima parte di essi è stata classificata, e frequentemente ne vengono scoperti di nuovi. Questo rende piuttosto difficoltoso, ma non impossibile, studiare, definire e cercare di prevedere come possa cambiare la composizione tassonomica e funzionale del microbiota di un suolo nel tempo e a causa di eventuali azioni di disturbo, anche per mezzo di modellistica previsionale. In agricoltura questo tipo di valutazioni è particolarmente utile per prevenire impoverimenti della fertilità biologica con interventi mirati, che contemplano anche la distribuzione di concimi inoculati.

La capacità di un terreno di immagazzinare carbonio dipende dal bilancio tra umificazione e mineralizzazione della sostanza organica, che oltre a rendere disponibili per le piante gli elementi nutritivi in essa contenuti (Azoto organico in particolare), rilascia CO2 nell’ambiente. Il clima e le tecniche agronomiche applicate (tra cui la concimazione), modificando gli equilibri nella composizione del microbiota, influenzano pesantemente questo bilancio, che ha implicazioni dirette sulla fertilità chimica e su quella fisica del suolo.

Ma le variabili in gioco sono anche altre.

Come riportato in questa review statunitense, molti microrganismi del suolo alternano stati di attività e di quiescenza. Alcuni di essi, anche durante la quiescenza sono in grado di utilizzare le loro riserve energetiche per metabolizzare il carbonio organico del suolo, contribuendo comunque al ciclo della biomassa del terreno anche se a ritmi più lenti. Ma tendenzialmente sono i microrganismi in fase attiva a contribuire in misura molto maggiore. Di questo occorre tenere conto nelle analisi genomiche e metabolomiche dei microbiota, poiché le tecniche di sequenziamento del Dna attualmente utilizzate per valutare la composizione tassonomica delle popolazioni microbiche non sono in grado di discriminare tra Dna di organismi quiescenti e attivi.

E ancora: la predisposizione della sostanza organica dei suoli a mineralizzare più o meno velocemente dipende (anche) dalla presenza di biopolimeri di origine microbica, e dalla diversa natura di questi ultimi, negli aggregati umo-minerali.

Anche la disponibilità di acqua influenza pesantemente la capacità dei microbi di mineralizzare la sostanza organica del terreno. In caso di stress idrico, a lavorare saranno principalmente i microrganismi in grado di porre in atto meccanismi di resistenza, come la produzione di sostanze polimeriche extracellulari in grado di creare un microambiente idratato attorno alle cellule.

Sono tre i parametri che concorrono alla stabilità del microbiota di un suolo:

• resistenza: la capacità di mantenere la stabilità durante un’azione di disturbo;
• resilienza: la capacità di recuperare una condizione stabile dopo un’azione di disturbo;
• ridondanza funzionale: il mantenimento dei profili funzionali nonostante i cambiamenti tassonomici.

Si tratta del parametro più utilizzato, in virtù della sua facilità di quantificazione. Viene comunemente misurata in termini di cambiamenti nei profili filogenetici e funzionali del microbiota a seguito di stress, che a loro volta influenzano il funzionamento dell’ecosistema. Ad esempio, il riscaldamento del suolo può alterare l’abbondanza e la composizione dei gruppi di microrganismi che ossidano l’ammoniaca trasformandola in nitrati.

Per resistere agli stress, i microrganismi mettono in atto diversi meccanismi di adattamento fisiologico, come l’ispessimento delle pareti cellulari per sopportare la siccità e/o gli adattamenti della membrana cellulare per sopportare l’esposizione a metalli tossici, come il rame.

I microbiota più resistenti spesso mostrano plasticità funzionale e modificano i propri profili metabolici in funzione delle condizioni ambientali.

Si tratta di un parametro probabilmente sottovalutato, in quanto sono pochi gli studi che contemplano un periodo di tempo sufficientemente lungo per verificare un eventuale recupero completo della stabilità dopo uno stress. La composizione pre-stress di un microbiota può impiegare anni per ristabilirsi e talora i danni sono irreversibili.

Diversi fattori contribuiscono alla resilienza microbica, tra cui si cita la prevalenza: i microrganismi molto abbondanti e/o ampiamente dispersi hanno meno probabilità di essere “cancellati” da uno stress. Alcuni microbi resilienti entrano in dormienza durante uno stress, in attesa di condizioni migliori.

Resistenza e resilienza sono spesso legate tra loro da correlazioni dirette o inverse. Le funzioni basate su enzimi ampiamente distribuiti hanno in genere una maggiore resistenza ma una minore resilienza, mentre quelle basate su enzimi distribuiti in modo ristretto, come la degradazione di polisaccaridi complessi, hanno una minore resistenza ma una maggiore resilienza. Un’altra discrepanza tra resistenza e resilienza è la precedente esposizione a uno stress: questa spesso diminuisce i tassi di resilienza a uno nuovo, mentre la resistenza ne è generalmente rafforzata.

I profili funzionali possono essere resistenti o resilienti sotto stress anche se i profili tassonomici cambiano. È stato dimostrato che i cicli di disidratazione-umidificazione alterano la composizione delle comunità microbiche, ma spesso le funzioni (attività enzimatica extracellulare, ossidazione del metano, ciclo del carbonio) permangono inalterate. In sostanza, le abbondanze relative dei membri di una comunità funzionale potrebbero cambiare a seconda della loro intrinseca suscettibilità allo stress, ma il tasso dei processi metabolici rimane invariato.

Quanto maggiore è la ridondanza funzionale di una comunità del suolo, tanto più essa sarà resiliente in presenza di uno stress.

Teoricamente, tutti e tre i parametri descritti nel paragrafo precedente dovrebbero essere monitorati per valutare la qualità e la stabilità del microbiota di un suolo, ma non sempre questo è possibile. In particolare, la resistenza può essere misurata durante e subito dopo una perturbazione, ma le tendenze di resilienza possono essere visibili solo anni dopo. Queste misurazioni sono particolarmente importanti per capire come il microbiota dei suoli agrari possa variare per reazione ai cambiamenti climatici in atto.

Ma di questo parleremo nel prossimo approfondimento.