Decomposizione e ciclo dei nutrienti
Le forme di vita richiedono elementi chimici specifici, costituenti fondamentali sia per le funzioni energetiche che come componenti di biomolecole strutturali e funzionali. Molti elementi essenziali provengono dalla litosfera e atmosfera
Le catene trofiche: catena del pascolo e catena del detrito
In un ecosistema, l’energia e la materia circolano attraverso diverse catene trofiche, cioè sequenze di organismi in cui ognuno si nutre del precedente.
Le due principali sono la catena del pascolo e la catena del detrito.
La catena del pascolo
È quella più “classica”: inizia con i produttori primari (piante o alghe), che trasformano l’energia solare in materia organica, e prosegue con erbivori e poi carnivori. L’energia fluisce dunque attraverso organismi viventi che si nutrono l’uno dell’altro.
La catena del detrito
La catena del detrito (o detritica) invece si basa sulla materia organica morta e sui rifiuti organici (come feci o resti vegetali e animali).
Il detrito è quindi costituito da tutta la materia non vivente di origine biologica che rimane nell’ambiente dopo la morte o l’escrezione degli organismi indipendentemente dalle dimensioni, composizione e origine (es. mute, carcasse, resti di organismi planctonici, pellet fecali, piante, alghe).
Lo scopo di questa catena è trasformare la sostanza organica complessa in elementi più semplici, che possono poi essere riutilizzati dai produttori. Si tratta di un processo fondamentale per il riciclo dei nutrienti negli ecosistemi.
Decompositori e detritivori
Tutti gli eterotrofi agiscono in qualche modo da decompositori, in quanto
durante il processo digestivo degradano la sostanza organica, la alterano
strutturalmente e chimicamente e la rilasciano in parte sotto forma di rifiuto
All’interno della catena del detrito troviamo due tipi principali di organismi:
- I decompositori degradano chimicamente la materia organica morta grazie a enzimi extracellulari, trasformandola in composti minerali e semplici molecole (principalmente batteri – tessutianimali e funghi – tessuti vegetali)
- I detritivori si nutrono fisicamente del detrito, frammentandolo e passando i materiali attraverso il loro apparato digerente *(molluschi, vermi, artropodi, pesci
La decomposizione è quindi un processo graduale, che coinvolge più organismi e più fasi. Rappresenta la rottura dei legami chimici formatesi nel corso della “costruzione” dei tessuti animali e vegetali.
In senso lato, anche noi animali possiamo essere considerati decompositori, perché attraverso la digestione trasformiamo la materia organica in sostanze più semplici.
Mineralizzazione: la decomposizione è la graduale disintegrazione della materia organica morta in CO2, H2O, nutrienti inorganici da parte di decompositori e detritivori→ comporta rilascio di energia.
Immobilizzazione: processo inverso effettuato dai produttori primari
tasso di mineralizzazione - tasso di immobilizzazione =
tasso di mineralizzazione netta = apporto netto di minerali al suolo
Le fasi del processo di decomposizione
La decomposizione segue una serie di passaggi successivi:
- Lisciviazione: l’acqua piovana dilava la frazione solubile del materiale organico e rilascia nutrienti nel suolo (i nutrienti derivano in ultima analisi dalle rocce, che ne sono la riserva primaria).
- Colonizzazione microbica: batteri e funghi iniziano a colonizzare il detrito, iniziando la degradazione biologica.
- Frammentazione biologica: detritivori e altri organismi suddividono fisicamente il materiale in pezzi più piccoli, aumentando la superficie disponibile per i microrganismi.
- Cambiamenti fisico-chimici: le sostanze si modificano, si ossidano o si mineralizzano.
- Ingestione ed escrezione: i prodotti della decomposizione vengono ingeriti, trasformati ed espulsi da vari organismi, completando il ciclo.
Durante questo processo, i nutrienti (come azoto, fosforo, potassio) vengono mineralizzati (cioè trasformati in forme inorganiche assimilabili dalle piante) oppure immobilizzati (incorporati temporaneamente nella biomassa microbica). Questi nutrienti rappresentano un fattore limitante: la loro disponibilità condiziona la produttività e la vitalità dell’ecosistema.
L’esperimento del Litterbag
Per studiare la decomposizione, si usa spesso il metodo del Litterbag. Si raccolgono foglie morte e si inseriscono in retine traforate, che vengono poi lasciate nel suolo forestale. A intervalli regolari si pesa il contenuto per misurare la perdita di massa nel tempo, che indica la velocità di decomposizione.
Questo metodo presuppone che la comunità di decompositori sia piccola ma costante e permette di ridurre errori aumentando lo sforzo di campionamento.
Fattori che influenzano la decomposizione
La velocità di decomposizione dipende sia dalle caratteristiche della sostanza organica sia dalle condizioni ambientali:
- Natura: sostanze più complesse (come la lignina o la cellulosa) si degradano più lentamente rispetto a composti semplici (come zuccheri o proteine).
- Caratteristiche ambiente abiotico: fattori abiotici come temperatura, umidità, ossigeno e pH influenzano fortemente la rapidità del processo.
Rapporto C:N
Il rapporto C:N (carbonio/azoto) è un indice che descrive la qualità nutrizionale della sostanza organica e la velocità con cui si decompone.
Il carbonio rappresenta la fonte di energia per i decompositori, mentre l’azoto è un nutriente essenziale per la sintesi di proteine ed enzimi.
Quando il rapporto C:N è alto (molto carbonio e poco azoto, come nella biomassa vegetale con C:N ≈ 50:1–100:1), la sostanza è povera di nutrienti e la decomposizione è lenta.
Al contrario, un rapporto C:N basso (più azoto, come nella biomassa microbica con C:N ≈ 10:1–15:1) indica materiale ricco, facilmente degradabile e con rilascio rapido di nutrienti.
Questo equilibrio tra carbonio e azoto influenza direttamente la disponibilità di nutrienti nel suolo e la produttività primaria delle piante.
Negli ecosistemi con alta disponibilità di nutrienti, le piante crescono velocemente, producono foglie ricche in azoto e favoriscono una decomposizione rapida, che restituisce rapidamente i nutrienti al suolo, mantenendo fertile il sistema.
Al contrario, dove i nutrienti sono scarsi, le piante crescono lentamente, producono tessuti poveri (alto C:N) che si decompongono con difficoltà, rallentando ulteriormente il rilascio di nutrienti. Si crea così un ciclo di retroazione: gli ecosistemi ricchi restano produttivi, mentre quelli poveri tendono a mantenersi tali.
Differenze tra ambiente terrestre e acquatico
Il processo di decomposizione differisce tra ecosistemi terrestri e acquatici:
In ambiente terrestre, la decomposizione avviene soprattutto nello strato superficiale del suolo, chiamato rizosfera, ricco di radici e microrganismi. La materia organica tende a rimanere localizzata, con spostamenti limitati (vento, acqua, animali)→ l’ambiente si dice essere bidimensionale
In ambiente acquatico, la decomposizione si svolge sia sul fondo sia nella colonna d’acqua. La velocità del processo varia in base alla profondità: nelle zone con meno ossigeno e luce, la decomposizione è più lenta. Inoltre, le correnti e gli organismi acquatici possono trasportare la materia organica in altri punti, rendendo il sistema più complesso e dinamico→ il sistema si dice tridimensionale, con la terza dimensione rappresentata dalla colonna d’acqua
Sistemi estuari e palustri
Un eccesso di nutrienti nell’acqua può portare al fenomeno dell’eutrofizzazione, in cui la crescita eccessiva di alghe crea una barriera opaca tra gli strati superficiali e profondi, impedendo il passaggio della luce e riducendo l’ossigeno disponibile. Questo porta alla morte degli organismi negli strati più profondi.
Provenienza della materia organica
Input autoctoni: comprendono gli apporti di materiale da fonti presenti nel sistema a partire generalmente dagli input primari
Input alloctoni: comprendono gli apporti che da aree adiacenti entrano nel sistema e contribuiscono ad incrementare le quantità di materiale organico presenti
Batteri e Microbial-loop
batteri negli ambienti acquatici sono organismi microscopici ma di importanza ecologica fondamentale.
La loro abbondanza è elevata: mediamente si trovano tra 10⁵ e 10⁶ cellule per millilitro nella colonna d’acqua e tra 10⁸ e 10¹⁰ cellule per grammo nei sedimenti.
Complessivamente, si stima che negli ambienti acquatici siano presenti circa 10²⁹ cellule procariotiche, corrispondenti a circa 2,2 × 10⁹ tonnellate di carbonio (Whitman et al., 1998).
In alcuni ecosistemi, come quelli profondi, i batteri possono rappresentare oltre il 50% della biomassa vivente totale. Essi svolgono un ruolo chiave nel funzionamento degli ecosistemi acquatici perché la maggior parte degli organismi detritivori non è in grado di utilizzare direttamente il detrito organico se questo non è stato prima colonizzato e trasformato dai batteri.
Attraverso il microbial loop, la sostanza organica disciolta viene reinserita nella rete trofica: la materia organica proveniente da ogni livello trofico è utilizzata dai batteri eterotrofi, che la incorporano nella propria biomassa e vengono poi predati da organismi di dimensioni maggiori. In questo modo, l’energia e la materia che altrimenti andrebbero perse vengono recuperate e trasferite ai livelli trofici superiori, garantendo il mantenimento del ciclo della vita negli ecosistemi acquatici.
Flashcards
Su cosa si basa la catena del detrito?
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Si basa sulla materia organica morta e sui rifiuti organici. Trasforma sostanza organica complessa in elementi più semplici.
Che differenza c'è tra decompositori e detrivori?
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I detrivori si nutrono della sostanza organica, digerendola. I decompositori invece usano enzimi extracellulari
Come si calcola l'apporto netto di minerali al suolo?
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Si calcolano tasso di mineralizzazione (svolto da compositori e detrivori) e tasso di immobilizzazione (dalla produttività primaria). M-I è uguale all'apporto netto di minerali.
Quali sono le fasi del processo di decomposizione?
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- Lisciviazione
- Colonizzazione microbica
- Frammentazione biologica
- Cambiamenti fisico-chimici
- Ingestione ed escrezione
Cosa indica il rapporto C:N? Che significa se è alto?
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E' indice della qualità nutrizionale della sostanza organica e la velocità a cui questa si decompone. Se è alto la sostanza è povera di nutrienti e la decomposizione è lenta (tanto Carbonio, poco Azoto)
Che indica un rapporto C:N basso?
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E' un segno di un materiale ricco, facilmente degradabile. E' un rapporto simile a quello
della biomassa microbica
Che differenze nella decomposizione in ambiente terrestre e acquatico?
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Essenzialmente negli ecosistemi terrestri la decomposizione avviene superficialmente, con spostamenti limitati.
Negli ecosistemi marini la decomposizione avviene sul fondo e nella colonna d'acqua. Numerosi fattori influenzano la decomposizione (luce, profondità, ossigeno), ma è decisamente più dinamico grazie alla movimentazione data da correnti e organismi.