La belle verte – Adriano Sofo

Nell’articolo di maggio (Mai soli) avevo parlato dei microorganismi endofiti, cioè che vivono all’interno delle piante, o sulla sua superficie (es. fillosfera e carposfera). Le condizioni esterne sembrano influenzare non poco la popolazione microbica di un organismo vivente: succede nel nostro intestino, il cui microbioma è influenzato dalla dieta, e la stessa cosa accade nelle piante, i cui microorganismi sono influenzati ad esempio dalle diverse pratiche agronomiche. Se ci sembra strano che le piante ospitino microbi diversi a seconda di come vengano coltivate, questo dipende dal fatto che le piante sono state da sempre meno studiati degli animali, e in particolare dell’uomo. Le cose stanno però cambiando: sequenziare il DNA dei batteri è sempre più economico e alla portata di tutti, e non è necessario avere un laboratorio attrezzatissimo perché il sequenziamento può essere svolto all’esterno. Quello che serve sempre di più è però il cervello del ricercatore per progettare al meglio un esperimento e per gestire e valutare la gran mole di dati che viene prodotta. Oltre alle tecniche genomiche, ce n’è una in grado di individuare quasi tutte le molecole sotto le dimensioni delle proteine presenti in un tessuto; si chiama metabolomica. Il vantaggio di questa tecnica è che ci da un’istantanea di quello che realmente sta succedendo in un tessuto.

L’ostacolo maggiore a questa tecnica, ormai diventata una vera e propria disciplina, è che le piante sono laboratori viventi in grado di produrre migliaia di molecole provenienti dalle più svariate vie biosintetiche, dai fenoli ai carboidrati, dai terpeni agli alcaloidi, dagli steroidi agli aminoacidi. Molti di questi metaboliti sono prodotti in determinati stadi fisiologici della pianta, ad esempio durante la crescita o lo sviluppo riproduttivo, altre volte in seguito a condizioni ambientali più o meno avverse, come avviene per la difesa contro i patogeni, o in carenza di nutrienti o di acqua. Per dare un senso a queste ricerche, bisogna quindi identificare i metaboliti chiave che fanno la differenza (e che la fanno al di sopra di un certo livello), eliminando tutti quelli che normalmente si riscontrano, scegliendo quelli più abbondanti o la cui sintesi è indotta da determinate condizioni interne ed esterne. È necessario inoltre fare un buon campionamento (non di certo limitarsi a una pianta, selezionando piante uniformi in età, stadio, posizione, ecc.) e scegliere il momento adatto, possibilmente ripetendo le analisi più volte durante l’anno (magari quando la pianta è a riposo vegetativo e poi in fase vegetativa/riproduttiva, se parliamo di piante). Se non si considerano bene tutti questi fattori, il rischio è quello di spendere soldi per centinaia di analisi senza approdare a nessuna conclusione.

Sul sangue umano sono stati pubblicati milioni di articoli scientifici perché è facile da estrarre e dalla sua composizione chimica, biochimica e cellulare si possono ricavare molteplici informazioni sullo stato di un organismo. Dai miei sbiaditi ricordi di fisiologia umana, il sangue veicola gas, acqua, nutrienti, ormoni, elementi, cellule, ecc. Una qualsiasi modificazione delle condizioni fisiologicamente normali è un campanello di allarme. E allora perché lo stesso non potrebbe avvenire per la linfa delle piante. Al contrario nostro, le piante hanno due diversi sistemi circolatori, lo xilema per la linfa grezza, e il floema per la linfa elaborata. Non voglio entrare nei dettagli, ma si è sempre detto che linfa xilematica, la quale scorre in vasi cavi e morti chiamati trachee e tracheidi, trasporta sostanze dalle radici alla chioma avendo come forza guida la traspirazione, mentre la linfa floematica, contenente gli zuccheri prodotti dalla fotosintesi, dalle foglie al resto della pianta. Dal momento che i metaboliti, come si deduce dal nome, derivano dal metabolismo, che avviene nelle cellule vive, si pensava che la maggior parte di queste sostanze fosse presente nel floema. Niente di più sbagliato! La linfa xilematica non è così grezza come si pensava: contiene non solo acqua e elementi minerali (nitrati, fosfati, solfati, elementi, ecc.) ma anche steroidi, terpeni, alcaloidi, fitormoni, regolatori di crescita, aminoacidi, fenoli, prodotti di degradazione e altro che fra un po’ vedremo. Dal momento che estrarre la linfa non facile come estrarre il sangue, inizialmente si è pensato che questi metaboliti fossero contaminazioni dei tessuti adiacenti, in particolare del vicino floema, ma tecniche di estrazione sempre più precise hanno smentito questa ipotesi.

E arriviamo al dunque: la parte sperimentale.

Partecipare a congressi mi piace solo se c’è un fine pratico; è bello documentarsi ma non è mia intenzione sorbirmi tutti gli interventi orali e i poster (la mia attenzione dura 30 minuti la mattina e 30 il pomeriggio e ho bisogno di tempo per assimilare). L’altro aspetto positivo e stimolante è conoscere nuove persone (le più interessanti sono di solito le più dimesse e umili), il che non significa fare public relations, ma interessarsi sinceramente alle attività altrui e trarne buoni stimoli. Da uno di questi congressi è nata una piccola collaborazione che, a mio avviso, ha dato ottimi risultati. Molti di questi sono in via di pubblicazione, per cui non potrò andare ora in dettaglio, ma quello che ci interessa è il messaggio, che deve essere supportato dai risultati ma andare oltre questi. Il mio intervento orale riguardava la modifica dei microorganismi in piante di olivo gestite in modo diverso. Il messaggio: il microbioma delle piante gestite in modo sostenibile (sostenibili) è ricco e più diverso di quello delle piante coltivate con tecniche intensive (convenzionali). Le prove: i gruppi di batteri “utili” e “benefici” per le piante erano significativamente più abbondanti nel trattamento sostenibile, in vari periodi dell’anno. I vantaggi: le piante sostenibili si difendono meglio, sopportano meglio le condizioni avverse, hanno bisogno di meno fertilizzanti di sintesi e producono anche di più (anche se i vantaggi si notano a partire da 5-6 anni di gestione), gli agricoltori risparmiano soldi e risorse (acqua e concime), l’ambiente ne guadagna, la salute umana probabilmente sì.

Avevamo studiato anche i batteri presenti nella linfa, in entrambi i trattamenti. Al ché, l’idea di studiare anche la composizione chimica della linfa. “Hai ancora campioni nel frigo”, “Un momento che chiedo”, “Sì, ce ne sono ancora per due epoche di campionamento”, “Sei d’accordo se te li spedisco?”, “Sì”, “OK, organizzo tutto”. Dopo qualche mese, i risultati: 200-300 metaboliti che facevano la differenza nei due trattamenti, che si differenziavano statisticamente in maniera netta. 200-300 metaboliti con nomenclatura chimica IUPAC, un manicomio di nomi e sigle. Dopo qualche settimana ritorna il file Excel con una suddivisione in classi chimiche fatta sulla base di un database di composti di origine vegetale. Io lo analizzo un po’ e più o meno mi ci ritrovo, ma qualcosa non mi è chiaro. Ad occhio vedo che molti dei metaboliti sono più abbondanti nel trattamento sostenibile e che i composti, dai nomi più assurdi, non sono così disomogenei, ma che nell’elenco regna una certa uniformità: prevalgono alcune classi di composti rispetto ad altre. E sono per il 99% metaboliti secondari, cioè quelli che non prendono parte alle vie biosintetiche più importanti – non so, respirazione, fotosintesi, fotorespirazione – ma metaboliti secondari, cioè non essenziali per la semplice crescita, sviluppo o riproduzione dell’organismo, ma per esempio usati o come meccanismi di difesa contro predatori (animali erbivori, agenti patogeni, ecc.) o per la competizione interspecifica o per facilitare i processi riproduttivi. Allora esamino i composti uno ad uno e li passo al vaglio di PubChem, che per ognuno di essi mi dice vita, morte e miracoli, tutto basato sulla bibliografia. I miei sospetti erano fondati: c’è una precisa logica che differenzia i due trattamenti. Le piante “sostenibili” e quelle “convenzionali” hanno una composizione della linfa totalmente diversa per quanto riguarda i metaboliti secondari. Diversa sì, ma è possibile che i metaboliti individuati diano alle piante sostenibili dei vantaggi che le altre non hanno. A prima vista mi sembra di sì.

Innanzitutto, ad esclusione di qualche aminoacido, i metaboliti primari non sono stati influenzati dalla gestione del suolo. Le differenze maggiori si riscontrano però per i metaboliti secondari (80% del totale), quasi sempre più concentrati (almeno 5 volte) o presenti solo nella linfa delle piante sostenibili. Tra questi, le classi prevalenti includono terpeni a diverso numero di atomi di carbonio, fitormoni e loro derivati (gibberelline, auxine, jasmonati, citochinine e strigolattoni); alcaloidi; steroli/steroidi; retinoli/retinoidi, tocoferoli e carotenoidi. I fitormoni trovati, esclusi i jasmonati (che hanno principalmente un’azione difensiva), sono metaboliti secondari che, in piccole quantità, promuovono e regolano la crescita delle piante, lo sviluppo e la differenziazione di cellule e tessuti e, per questo motivo, sono anche chiamati “regolatori della crescita”. A quanto pare, molti di essi e/o dei loro precursori sono trasportati non solo dal floema, ma anche dallo xilema, soprattutto se sintetizzati nelle radici. I terpeni hanno effetti antagonisti nei confronti di microorganismi patogeni e insetti erbivori. Carotenoidi (antiossidanti), steroidi e steroli (vedremo dopo), gibberelline e citochinine (regolatori e promotori della crescita) derivano anch’essi da terpeni. Le saponine, una classe di steroidi glicosilati, con proprietà simili al sapone sono anch’esse delle potenti tossine contro i patogeni e sono state riscontrate solo nella linfa delle piante sostenibili. Gli steroli vegetali sono una componente essenziale delle membrane cellulari, ma, cosa più interessante, molti di essi agiscono come messaggeri secondari, fitoormoni che regolano lo sviluppo delle piante (ad esempio brassinosteroidi) o sostanze di difesa (ad esempio i fitoecdisoni) con una struttura simile a quella degli ormoni degli insetti, il cui sviluppo è disturbato e compromesso dalla presenza di queste sostanze ormonosimili. Ad esempio, l’ecdisone è un ormone con una struttura steroidea che controlla la transizione da larva in pupa. Le piante possono imitare questi ormoni, in modo che quando gli insetti mangiano piante contenenti fitoecdisoni, il processo della pupa sia disturbato e le larve muoiano. È difficile però capire se l’ecdisone rilevato sia stato prodotto da insetti (ad esempio, trasmesso nella linfa da uno stiletto di afide) o se sia stato sintetizzato dalla pianta.

Dal momento che il trattamento sostenibile ha fornito al terreno più azoto organico e meno azoto minerale, questo probabilmente è stato il motivo dell’aumento dei fenoli e degli alcaloidi, la cui biosintesi è generalmente indotta quando viene aggiunto meno fertilizzante azotato. Sono probabilmente i composti più importanti per la difesa delle piante e possono essere influenzati dalle diverse pratiche agronomiche e dalle condizioni ambientali, anche se non sempre questa relazione è chiara. Infine, altri composti discriminanti tra i due trattamenti sono stati antibiotici sintetizzati da batteri (cloramfenicolo ed eritromicina D) e funghi (fusidato e aurachina), vitamine (es., biotina), siderofori di origine batterica (rizobactina 1021, prodotta da Rhizobium spp.) che aiutano le piante ad assorbire ferro dal suolo, insetticidi naturali prodotti da batteri (spinosina) e vari fitoecdisoni.

Dai dati complessivi emerge che l’adozione di una gestione sostenibile a lungo termine del suolo (18 anni) ha migliorato lo stato di salute delle piante in termini di difese chimiche (ad esempio, terpenoidi, alcaloidi, fitoalessine, jasmonati, fenoli), di crescita (es., gibberelline, citochinine, strigolattoni) e di funzionalità cellulare (es. vitamina A, biotina, steroidi). Nella linfa delle piante sostenibili sono stati riscontrati molti composti derivati da microbi utili per piante (es., siderofori, sostanze simili agli ormoni, antibiotici). Una gestione sostenibile del suolo è quindi un fattore chiave per aumentare i nutrienti del suolo e sostenere un microbiota del suolo funzionale e diversificato, che a sua volta aumenta la fertilità del suolo, ovvero la capacità di un suolo di fornire i nutrienti essenziali per la crescita delle piante.

La gestione de suolo può quindi influenzare profondamente il metabolismo della pianta, come si vede dall’analisi del metaboloma della linfa, ma anche indirettamente l’ambiente e la salute umana (assenza di pesticidi e fertilizzanti minerali, aumento della crescita delle piante e difese naturali, ecc.). Nell’agricoltura convenzionale, adottata dalla maggior parte degli agricoltori, la frequente lavorazione del terreno riduce fortemente la complessità e la diversità dell’agro-ecosistema. I risultati ottenuti incoraggiano l’uso di una serie di pratiche agricole sostenibili (ad esempio, coperture erbose, riciclaggio dei residui di potatura, input di sostanza organica, ecc.) In grado di migliorare lo stato fisiologico delle piante, con benefici sulla quantità/qualità delle produzioni, l’ambiente e la salute umana.

I tempi stanno per cambiare. Le analisi della linfa diventeranno routine in futuro?

Nelle piante vascolari, la radice è l’organo di una pianta che si trova tipicamente sotto la superficie del suolo. La prima radice che viene dall’embrione di una pianta è chiamata radichetta. Le radici generalmente crescono in qualsiasi direzione in cui esiste il giusto equilibrio tra aria, sostanze nutritive e acqua per soddisfare le esigenze della pianta, di solito evitando terreni asciutti. Le radici più profonde si trovano generalmente nei deserti e nelle foreste temperate di conifere; la più superficiali della tundra, delle foreste boreali e delle praterie temperate. La più profonda radice vivente osservata – 60 m sotto la superficie del suolo – è stata osservata durante lo scavo di una miniera a cielo aperto in Arizona. La maggior parte delle radici si trovano relativamente vicine alla superficie del suolo, dove la disponibilità dei nutrienti e l’aerazione sono più abbondanti. La profondità di radicazione può essere fisicamente limitata da un suolo roccioso o compattato vicino alla superficie o da condizioni anaerobiche (prove di ossigeno) di un suolo.

Il termine “rizosfera” è stato coniato nel 1904 dal microbiologo tedesco Hiltner e definito come “il suolo influenzato dalle radici (viventi)“. Questa “influenza radicale” diminuisce allontanandosi dalla superficie delle radici, causando gradienti fisico-chimici e biologici tra la rizosfera e il cosiddetto suolo sfuso (bulk soil). A causa della disponibilità di basse concentrazioni di carbonio e della diffusione relativamente bassa di sostanze nutritive dalle radici vegetali nel suolo circostante, il suolo sfuso è generalmente un ambiente relativamente povero e con ridotta attività biologica rispetto alla rizosfera. Al contrario, a causa del processo di rizodeposizione descritto qui di seguito, la rizosfera è spesso caratterizzata da un’elevata attività biologica e da un’elevata disponibilità di nutrienti.

A seconda della struttura e della struttura del suolo, delle specie vegetali e di altri parametri come il tenore di umidità del suolo, è possibile osservare effetti diretti delle radici in crescita sulla maggior parte delle proprietà del suolo a una distanza che va da pochi micrometri fino a circa 7 mm dalla superficie di una radice attiva. Tuttavia, gli effetti della rizosfera possono superare questa distanza, fino ad arrivare a una scala di alcuni centimetri in alcuni casi, specialmente quando si considerano composti altamente mobili come acqua o CO₂. Inoltre, questa distanza di influenza può essere ulteriormente aumentata quando il suolo viene esplorato dalle ife fungine, che si estendono dai segmenti di radici micorrizate, a formare quella che si definisce “micorizosfera” (foto in basso).

Scansione di un microcosmo contenente una piantina di pino micorizzata e marcata con ¹⁴CO₂ (il carbonio 14 è una forma radioattiva di carbonio). L’immagine a destra mostra dove il carbonio è stato fissato dalla pianta mediante fotosintesi e poi trasportato nelle radici. Il trasporto del carbonio, sotto forma di zuccheri contenenti ¹⁴C nella micorizosfera, è chiaramente visibile. Da: Finlay (2006). Handbook of methods used in rhizosphere research. Swiss Federal Research Institute. pp. 338-339.

Il confine interno della rizosfera non è ben definito. Considerando il movimento dell’acqua, delle sostanze nutritive o dei microrganismi endofitici all’interno delle radici – ad esempio tra le pareti delle cellule radicali – il limite interno è inadeguatamente rappresentato dalla superficie esterna della radice, come descritto nella maggior parte dei modelli della rizosfera. È stato pertanto suggerito che sarebbe più saggio includere la radice nel suo complesso.

Processi importanti che avvengono nella rizosfera

Come riportato nella figura in alto, il suolo è un complesso sistema a tre fasi descritto, con diversi gradi di eterogeneità spaziale e temporale delle sue proprietà fisiche e chimiche (figura in basso). La fauna del suolo, i microrganismi e le radici di piante in crescita sono le cause principali delle differenze sia in termini spaziali che temporali. Oltre alle conseguenze fisiche della penetrazione delle radici, l’assorbimento di acqua e sostanze nutritive dalle radici da un lato e il rilascio di carbonio organico dalle radici dall’altro sono i due principali processi che maggiormente influenzano le proprietà del suolo nelle vicinanze delle radici delle piante.

Una rappresentazione schematica della rizosfera come un sistema a tre fasi, con la fase solida della massa del suolo (SM), la fase della soluzione del suolo (SS) e la fase del gas del suolo (SG). L’eterogeneità spaziale longitudinalmente e perpendicolarmente alla crescita radicale di un sistema radicale in via di sviluppo è sottolineata e sovrapposta alla variabilità temporale: (A) crescita della radice, (B) ricambio delle radici e delle ife fungine, (C) cambiamenti diurni o stagionali dell’attività delle radici (es., essudazione, assorbimento), o (D) organismi associati. Da: Luster et al. 2009. Plant and Soil, 321: 457–482.

L’assorbimento da parte delle piante causa gradienti di umidità del suolo. Questo, insieme all’assorbimento di sostanze nutritive, provoca gradienti chimici nel suolo, sia all’interno della fase solida che nella soluzione del suolo (l’acqua che scorre tra le particelle del suolo). Forse il processo più influente è il rilascio nel suolo da parte delle radici del carbonio fissato con la fotosintesi. Questo processo può essere indotto per aumentare la disponibilità di sostanze nutritive, per ridurre la tossicità dei costituenti del suolo, per attirare e nutrire microrganismi benefici o per dissuadere i patogeni. Per esempio, le piante sono in grado di accelerare l’essudazione di anioni di acido organico a basso peso molecolare per aumentare la solubilità del fosforo o per formare legami chimici con gli ioni di alluminio nella soluzione del suolo e ridurre così la loro tossicità (foto in basso).

La fotografia mostra le radici di alberi e piante erbacee esposte in un taglio all’interno di un suolo sabbioso. La struttura e la struttura del suolo sono importanti controlli sullo sviluppo delle radici. L’inserto mostra gli essudati radicali legati agli ioni di alluminio nella rizosfera di lupino sono, visualizzati come sbiancamento del complesso rosso Al-aluminon. Da: Neumann, 2006. Handbook of methods used in rhizosphere research, Swiss Federal Research Institute. pp. 323-324.

La crescita della radice è accompagnata anche dalla disgregazione delle cellule viventi, dalla senescenza, dalle lesioni alle cellule e dalle secrezioni delle cellule vegetali, per cui si verifica un rilascio passivo di diversi componenti dalle radici nel suolo. L’intera gamma di composti rilasciati dalla radice, che si accumula nella rizosfera, è chiamata “rizodeposizione“. Inoltre, le radici delle piante e i funghi micorrizici possono liberare gas, come anidride carbonica o ossigeno, nel suolo. Mentre il primo è generalmente un meccanismo piuttosto passivo per liberare carbonio mineralizzato, il secondo può essere un mezzo per creare un ambiente ben areato per le piante che crescono nelle zone umide.

Oltre ai gradienti radiali che si estendono dalle radici, c’è una ulteriore eterogeneità longitudinale lungo la direzione della crescita radicale. Diversi segmenti di radice differiscono nella loro funzionalità in termini di assorbimento (ad esempio acqua o sostanze nutritive) e/o rizodeposizione. Ad esempio, i punti in cui la rizodeposizione è più attiva sono i peli della radice e la zona apicale (cioè la “punta” della radice). Inoltre, vi è una variazione temporale dell’influenza radicale, dovuta a variazioni giornaliere, stagionali o legate all’età, sull’attività fisiologica dei segmenti di radice. Tuttavia, questi effetti sono relativamente di poca importanza. Dopo la morte di una radice, la rizosfera può trasformarsi in un suolo ancora diverso dal suolo sfuso. Le parti morte del sistema radicale diventano prima fonti locali di materia organica e, dopo la loro degradazione, di macropori che rimangono dopo la decomposizione delle radici. Questi possono avere un forte impatto sulle proprietà di trasporto di acqua, aria e nutrienti del suolo. Insieme, il ricambio radicale e la rizodeposizione, rappresentano fino al 40% del totale degli input di carbonio nei suoli.

Biodiversità nella rizosfera

Come conseguenza della rizodeposizione, una caratteristica particolarmente importante della rizosfera è l’alta disponibilità di carbonio facilmente degradabile. Questo alimenta l’attività microbica, che nella rizosfera può essere fino a 50 volte superiore di quella del suolo sfuso, e costituisce la base per una complessa rete di sostanze nutritive che collega batteri, funghi, nematodi, protozoi, alghe e microartropodi. Molti membri di questa comunità non influenzano le piante, mentre altri esercitano effetti deleteri o benefici. I microrganismi che influenzano negativamente la crescita e la salute delle piante includono funghi o batteri patogeni, nonché nematodi. Gli organismi benefici comprendono batteri che fissano l’azoto (azotofissatori), funghi endo- e ectomicorrizici, e rizobatteri e funghi che promuovono la crescita delle piante (plant-growth promoting microorganisms, PGPMs). La comunità microbica, inoltre, partecipa attivamente alla definizione della composizione del carbonio della rizosfera, degradando e secernendo composti organici complessi e lisando le cellule vegetali. Il numero e la diversità degli organismi dipendono da complessi cicli tra la quantità e la qualità delle rizodeposizioni, le interazioni all’interno della rete alimentare e le proprietà fisico-chimiche del suolo, quali la disponibilità di nutrienti fondamentali, la struttura del suolo e i parametri ambientali, primi tra tutti umidità del suolo e temperatura. Un esempio di tali anelli di retroazione è illustrato nella figura in basso.

Un modello concettuale di cicli di retroazione all’interno di una rizosfera che coinvolge diversi membri della rete trofica del suolo. Gli essudati radicali (1) stimolano la crescita di una comunità batterica diversa (2) e successivamente di protozoi, che si nutrono di batteri (3). Ammoniaca viene secreta dai protozoi e ciò favorisce i batteri nitrificanti e i batteri produttori di acido indol-3-acetico (IAA+) (4). Il rilascio di molecole che fungono da segnale chimico (5), come NO₃^‒ e IAA, induce la crescita di radici laterali (6), portando a rilascio di più essudati (7), successiva crescita batterica (8), ecc. Da: Bonkowski (2004), New Phytologist, 162: 617-631.

L’importanza ecologica della rizosfera

A causa delle molteplici e complesse interazioni tra suolo, radici, microbi e fauna del suolo, la rizosfera è generalmente caratterizzata da proprietà che sono essenziali per la nutrizione delle piante e il funzionamento dell’intero ecosistema. A causa dell’elevata attività biologica, la rizosfera è spesso un “punto caldo” per le trasformazioni biogeochimiche e per i flussi di elementi. Pertanto, questo comparto dovrebbe ricevere particolare attenzione quando si decide di studiare il ciclo degli elementi e gli effetti climatici correlati. Inoltre, la rizosfera presenta una maggiore resistenza e resilienza a stress esterni meccanici, come l’erosione, inondazione e movimenti sismici, rispetto al suolo non associato alle radici. Questo la dice lunga sul fatto che un suolo coperto da vegetazione sia più resistente alle catastrofi naturali, influenzando indirettamente anche noi umani.

Questo blog parla di piante ma oggi sconfiniamo un po’. Tra le varie tecncnologie usate per decontaminare suoli e acque inquinate, il biorisanamento è una delle più affascinanti. Si tratta dell’uso di piante, funghi e microorganismi per rimuovere, contenere, inattivare e/o degradare contaminanti ambientali pericolosi.

Nel caso delle piante, si parla di fitorisanamento, e il suo successo dipende da molti fattori, quali: estensione della contaminazione, disponibilità e accessibilità ai contaminanti per i microrganismi rizosferici (che vivono cioè intorno alle radici), assorbimento radicale, capacità delle piante di intercettare, assorbire, accumulare e/o degradare i contaminanti, facilità nella raccolta delle piante, trattamenti post raccolta (ad es., compostaggio, compattamento, trattamenti termici) per ridurre il volume e il peso della biomassa e, eventualmente, per riciclare i containanti (as es. metalli).

Figura 1. Il principio del fitorisanamento: estrazione di inquinanti del suolo e traslocazione dalle radici al germoglio.

Le specie vegetali da usare per il fitorisanamento possono essere selezionate per la loro capacità di estrarre contaminanti dal suolo e accumularli nei tessuti, modificare le caratteristiche del suolo o dei metalli riducendo la mobilità degli inquinanti, estrarre dal suolo e decomporre chimicamente i composti inquinanti, creare nel terreno un ambiente favorevole alla degradazione dei contaminanti con processi biochimici naturali. La rimozione dei contaminanti inorganici avviene per stabilizzazione (immobilizzazione dei metalli pesanti mediante legami chimici con sostanze prodotte dalle radici, al fine di rallentarne o inibirne la migrazione verticale verso la falda) ed estrazione (accumulo nei tessuti vegetali ad alte concentrazioni, soprattutto nelle parti aeree). Al termine del trattamento la biomassa vegetale deve essere raccolta e smaltita. La rimozione dei contaminanti organici avviene per prelievo diretto (trasformazione e accumulo dei metaboliti nei tessuti delle piante) o per modifica delle proprietà chimico-fisiche del suolo e rilascio radicale di fattori enzimatici, che stimolano l’attività dei microrganismi autoctoni.

Ben più interessante è l’utilizzo di funghi per il biorisanamento (micorisanamento). I funghi sono organismi molto peculiari a causa delle loro caratteristiche morfologiche, fisiologiche e genetiche. In termine di biodiversità, i funghi nel loro insieme sono il secondo gruppo tassonomico più abbondante, con 1,5 milioni di specie (di cui solo 100.000 identificate), secondi solo agli artropodi. Ancor più delle piante, i funghi sono ubiquitari e capaci di colonizzare tutte le matrici (suolo, acqua, aria) in ambienti naturali. L’aria in particolare è un veicolo importante per la diseminazione di propaguli fungini (conidi, spore, ife), che rappresentano la componente principale del bioaerosol. Il suolo rimane comunque l’habitat principale di questi organismi a causa delle numerose nicchie ecologiche presenti in una varietà di biomi, dalla tundra artica alle dune dei deserti. Nel suolo, inoltre, i funghi sono in grado di stabilire simbiosi con altri organismi, in particolare piante e, in minor misura, animali.

Figura 2. Pleurotus ostreatus (cardoncello) coltivato in agar e in coltura liquida.

Al contrario delle piante, i funghi sono organismi eterotrofi, come gli animali, e ottengono le sostanze necessarie per la propria crescita in tre modi differenti: saprofitimo, parassitismo o simbiosi mutualistica. I saprotrofi decompongono la sostanza organica e contribuiscono così al riciclo degli elementi. Molti altri funghi sono biotrofi e formano associazioni simbiontiche con piante (micorrize), alghe, animali (soprattutto artropodi) e batteri. Alcuni di essi sono patogeni, anche per l’uomo.

Virtualmente, tutti i composti organici di origine naturale possono essere degradati da una o più specie fungine grazie alla produzione di una varietà di enzimi intracellulari, riconducibili ai tre grandi gruppi delle amilasi, lipasi e proteasi, e all’attività di enzimi extracellulari, i più comuni dei quali sono ossidoriduttasi (ad es., lignina perossidasi, manganese perossidasi e laccasi). Un numero limitato di specie possono degradare pectine, cellulosa e emicellulosa come fonte di carbonio. Infine, alcuni funghi sono i principali degradatori di polimeri naturali particolarmente complessi e resistenti all’attacco microbico, come la cheratina, la chitina e la lignina.

La capacità di degradare quest’ultima sostanza, molto peristente e quindi lentamente biodegradabile, è una fortuna per noi, in quanto l’apparato di enzimi usato per la decomposizione del legno può essere anche usato per attaccare numerosi composti aromatici e alifatici (i “mattoncini” della struttura della lignina), inclusi alcuni inquinanti ambientali, come idrocarburi policiclici aromatici (IPA), bifenili policlorurati (PCB), coloranti, TNT, nitroglicerina, pesticidi, erbicidi, ecc.

Figura 3. Differenti gruppi ecofisiologici di funghi potenzialmente coinvolti nel biorisanamento (Goltapeh et al., 2013).

I funghi saprofiti sono ben conosciuti, già da 50 anni, per la loro capacità di degradare inquinanti e quindi per il loro potenziale uso nel micorisanamento. Anche i funghi simbionti, distribuiti nei suoli attraverso ne radici delle piante, possono essere candidati per risanare suoli contaminati. Ad esempio, i funghi micorrizici occupano una interfaccia strutturale e funzionale tra la decomposizione e la produzione primaria e hanno un ruolo chiave in molti suoli, in quanto mobilizzano i nutrienti da fonti organiche e possiedono anche capacità saprofitiche ben sviluppate grazie ad enzimi ossidativi e idrolitici.

Insieme alla capacità di degradare una vasta gamma di inquinanti, i funghi utili per il micorisanamento dovrebbero possedere anche altre caratteristiche, come la capacità di colonizzare velocemente ed omogeneamente i suoli, resistere ad alte concentrazioni di composti tossici, sopravvivere per lunghi periodi in condizioni restrittive, e competere con gli altri microorganismi del suolo.

Nel mio piccolo, ho svolto parte di un esperimento (Buchiccio et al., 2016) riguardante la degradazione di due prodotti farmaceutici (carbamazepina, un antiepilettico, e claritromicina, un antibiotico) da parte di due funghi (Pleurotus ostreatus, il comune cardoncello, in grado di degradare legno, e Trichoderma harzianum, un fungo rizosferico usato in agricoltura come microorgansmo di biocontrollo, in grado di respingere patogeni e favorire la creita delle piante). Lo studio è stato svolto in ambiente acquoso in condizioni aerobie. Dopo già 7 giorni, i due funghi sono stati in grado di degradare i due composti in sottoprodotti farmaoclogicamente inattivi e non pericolosi per l’ambiente.

In questo studio, la capacità biodegradante di farmaci da parte di T. harzianum, un importante fungo in grado di promuovere la crescita delle radici (e per qusto motivo molto usato in campo vivaitico e aronomico in generale) è stata accertata essere comparabile o addirittura maggiore di quella dei funghi del marciume bianco del legno (white rot), quali il Pleurotus. L’utilizzo di acque irrigue contaminate da principi attivi comporta un grande pericolo potenziale: l’assorbimento ed il trasferimento di tali contaminanti all’interno delle piante. Inoltre, a seconda delle proprietà chimico-fisiche dei principi attivi, il trasferimento dalle radici alle foglie della pianta sarà più o meno favorito. Per questo sarebbe interessante verificare in laboratorio tali sistemi includendo anche le piante, ricreando in questo modo le condizioni presenti negli ambienti naturali.

Figura 4. Sottoprodotti di degradazione della claritromicina da parte di Pleurotus ostreatus e Trichoderma harzianum (Buchicchio et al., 2016).

Oltre a molti farmaci, T. harzianum è in grado di degradare DDT, dieldrina, endosulfano, pentacloronitrobenzene, pentacorofenolo, e numerosi erbicidi, e di accumulare alcuni metalli, quali il cadmio in una vasta gamma di condizioni ambientali. Rispetto ai “consueti” funghi usati per il micorisanamento, l’aspetto applicativo interessante è che Trichoderma avrebbe una duplice funzione: da una parte aumenta le rese colturali perché protegge le piante da patogeni stimolando i loro sistemi di difesa (questo si tradurrebbe in diminuzione dell’uso di fungicidi, nematicidi, acaricidi e insetticidi) e favorisce la crescita e lo sviluppo delle piante, dall’altra è in grado di risanare gli ecositemi in caso di contaminazioni di vario genere. Trichoderma, infatti, è stato anche applicato per il biorisanamento di suoli contaminati da metaboliti tossici prodotti da microorganismi.

Oltre a Trichoderma e Pleurotus, però, sono molti I generi fungini già usati per il fitorisanamento o potenzialmente utilizzabili per questo scopo. In alcuni casi, prima dell’utilizzo in campo su larga scala, si procede al sequenziamento di interi genomi fungini alla ricerca di geni potenzialmente utili (di solito cidificanti enzimi in grado di degradare le sostanze inquinanti). Alcuni di essi, ad es. Piriformospora indica e Sebacina vermifera, come Trichoderma, sono funghi promotori di crescita delle piante. Aspergillus, Fusarium, Rhizomucor e Emericella spp. sono spesso usati per il disinquinamento di suoli contaminati da metalli pesanti. Anche funghi comuni ed eduli (ad es. alcuni rappresentanti di Pleurotus, Agaricus e Lactarius spp.), o i cosiddetti “funghi a mensola” (Coriolus spp.) e gelatinosi (Jelly spp.) sono normalmente usati come funghi micorisananti, e la loro azione può essere esaltata da detergenti e biosurfattanti naturali o di artificiali.

Grazie a loro, ho scritto:

Buchicchio A., Bianco G., Sofo A., Masi S., Caniani D. (2016) Biodegradation of carbamazepine and clarithromycin by Trichoderma harzianum and Pleurotus ostreatus investigated by liquid chromatography – high-resolution tandem mass spectrometry (FTICR MS-IRMPD). Science of the Total Environment 557–558: 733-739

Goltapeh E.M., Danesh Y.R., Varma A. (2013) Fungi as Bioremediator. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-33810-6

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