Humus, strategie per sfruttarne pienamente le potenzialità agro-ambientali

In corso ricerche per migliorare la separazione delle sostanze organiche naturali dalle fonti in cui questi composti sono contenuti

Imbuto separatore per l'estrazione liquido/liquido.

Michele Orlando - Dottorato in Scienze Agrarie, Forestali e degli Alimenti.

L'articolo viene pubblicato nell'ambito della collaborazione avviata tra la rivista AGRIFOGLIO e la Scuola di Scienze Agrarie, Forestali, Alimentari e dell'Ambiente dell'Università della Basilicata.

I suoli costituiscono l’ecosistema più complesso e diversificato del mondo. Oltre a fornire all’umanità gran parte del suo cibo, il terreno fornisce un’ampia gamma di altri servizi come lo stoccaggio del carbonio, la regolazione dei gas serra ed il supporto alle città. Il suolo, però, non è una risorsa infinita e la rapida crescita della popolazione umana, con conseguente aumento dei consumi, sta esercitando una forte pressione su di esso a causa dell’intensificazione della produzione agricola. La popolazione umana, infatti, è passata da circa 250 milioni nell’anno 1000 a 6,1 miliardi nel 2000 e tende ad aumentare sempre di più.

L’attuale incremento delle pratiche agricole porta ad un degrado insostenibile del suolo. Le principali forme di degrado includono la perdita di materia organica e il rilascio di gas serra, mentre l’eccessiva applicazione di fertilizzanti sta portando all’erosione, alla contaminazione, all’acidificazione, alla salinizzazione e alla perdita di diversità genetica. Il degrado dei terreni, inoltre, sta riducendo la capacità a lungo termine di fornire servizi all’uomo (con un evidente costo economico) e sta causando ingenti danni ambientali.

In questo contesto, un ruolo importante è svolto dall’humus, componente chiave della fertilità del terreno, in grado di influenzare le proprietà chimiche e biologiche della rizosfera e di migliorare la crescita delle piante. La sostanza organica naturale (Natural Organic Matter, NOM), tradizionalmente chiamata humus, presente nel suolo, nei sedimenti e disciolta nelle acque, è una componente organica eterogenea derivante dalla decomposizione microbica di residui vegetali e animali nel corso di molti anni. Molti studi hanno evidenziato la potenziale applicazione dell’humus non solo per la produzione agricola, ma anche per la salute umana ed animale, infatti, esso può agire come antiossidante ed antimicrobico.

La NOM influenza la resa delle colture migliorando la capacità idrica, la capacità tampone dei nutrienti e promuove la diversità microbica. Gli effetti dell’humus sulla crescita e sulla fisiologia delle piante possono essere attribuiti ad un maggiore assorbimento dei nutrienti, all’attività ormonale sulla crescita e sulla proliferazione delle radici, e all’attivazione delle difese in condizioni di stress abiotico. Inoltre, la capacità dell’humus di eliminare gli inquinanti tossici dal suolo e dai sistemi acquatici potrebbe contribuire a risolvere il problema del degrado ambientale. Le sostanze umiche (Humic Substances, HS) possono essere estratte anche da altri materiali, come il compost, e possono essere usate come supplemento alla concimazione convenzionale per migliorare lo sviluppo delle piante e la loro resistenza agli stress abiotici.

Il compostaggio è un processo biologico completamente naturale mediante il quale i materiali organici (materiale lignificato come sfalci di potatura, pellicole di noci, ecc., miscelato con materiale biolabile come erba, fiori, resti di frutta e verdura, ecc.) sono aerati per garantire un’adeguata decomposizione aerobia a carico di microrganismi e la trasformazione in humus, che può essere utilizzato per reintegrare nel suolo nutrienti e bioelementi o per estrarre sostanze umiche biostimolanti (Figura 1). 

Il compostaggio è quindi utile sia per garantire una fertilità sostenibile al suolo sia per ridurre la quantità di rifiuti organici in un’ottica di economia circolare. L’utilizzo del compost ha enormi vantaggi per l’ecosistema, infatti è un fertilizzante naturale ed ecologico, in grado di sostituire almeno in parte i fertilizzanti chimici ed inoltre la tecnologia di compostaggio è diventata preziosa nella stabilizzazione dei rifiuti organici grazie alla sua compatibilità ambientale.

Inoltre, le proprietà antiossidanti, immunomodulanti, antinfiammatorie, disintossicanti e nutritive delle sostanze umiche aprono nuove strade per le loro applicazioni in vari campi. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere appieno la struttura molecolare delle sostanze umiche, i processi biologici alla base delle loro attività, e le potenzialità in campo agro-ambientale.

Analisi della sostanza organica naturale

Nell’ambito del Dottorato di Ricerca in Scienze Agrarie, Forestali e degli Alimenti, della Scuola SAFE dell’Università della Basilicata, in collaborazione con l’Università degli Studi di Napoli Federico II, sono in corso attività di ricerca focalizzate al miglioramento delle strategie di separazione delle sostanze organiche naturali dalle fonti in cui questi composti sono contenuti. In particolare, nell’ambito di queste attività, saranno ottimizzate le tecniche di frazionamento chimico sequenziale, chiamato “Humeomico”, per determinare la composizione molecolare della sostanza organica naturale umificata estratta da compost verde ottenuto da sole biomasse agrarie.

Il frazionamento chimico Humeomico, nato qualche anno fa, comporta una graduale rimozione di composti uniti da legami progressivamente più forti, come i legami esterei ed eterei, senza però mai rompere i legami carbonio-carbonio. La scissione dei legami esterei può avvenire per idrolisi o solvatazione e la reazione è catalizzata da un acido, di solito un acido di Lewis, o con una base. Per quanto riguarda i legami eterei, questi sono più forti dei legami esterei, per cui vengono rimossi per idrolisi in un ambiente fortemente acido. La scissione selettiva dei legami eterei in presenza di legami esterei non è possibile ed è per questo che si procede seguendo un ordine di reattività. Pertanto, la procedura inizia con la rottura dei legami esterei più direttamente accessibili, poi si agisce sui legami esterei più nascosti nella matrice umica agendo con nucleofili ed infine i legami eterei vengono idrolizzati con un acido forte. Questo ciclo di reazioni è preceduto da un’estrazione solido-liquido con solventi organici per rimuovere le sostanze inizialmente non legate chimicamente alla matrice umica, ed i prodotti frazionati si analizzano con moderne tecniche di spettrometria di massa (MS) e risonanza magnetica nucleare (NMR). Questa procedura può essere utilizzata per costruire librerie di composti contenuti nella NOM che consentono di associare la composizione di quest’ultima alla loro attività biologica ed ambientale.

Il processo di frazionamento Humeomico è stato applicato su diversi tipi di suoli; in questo progetto sarà ottimizzata una procedura da applicare al compost verde. Di seguito è riportato lo schema del frazionamento Humeomico oggetto di studio (Figura 2).

Vista l’importanza del compost, ed in generale della sostanza organica naturale, sarebbe molto interessante creare un database delle varie molecole presenti all'interno di questo materiale eterogeneo in modo da poter trovare una relazione tra la struttura chimica e l’attività sia biologica che ambientale. Questo consentirebbe significativi progressi nella conoscenza di queste importantissime sostanze e quindi all’ampliamento delle applicazioni non solo in campo agronomiche, ma anche farmaceutico, medico ed industriale.

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