RICERCA ITALIANA     

Definizione di un data set per la valutazione delle caratteristiche chimiche, fisiche e biologiche di substrati di crescita da matrici organiche non convenzionali

Università degli Studi di Milano

Abstract

L'impiego di matrici organiche compostate in sostituzione parziale delle torbe nella costituzione di substrati di crescita per piante in contenitore, seppur già sperimentato e proposto a più riprese, si è diffuso molto limitatamente nel settore florovivaistico. Ciò è dovuto principalmente alle scarse conoscenze di tali prodotti con riferimento alle loro svariate caratteristiche. In virtù di ciò il progetto proposto ha come obiettivo l'approfondimento scientifico e la proposta di metodologie per la valutazione dei substrati organici in sostituzione all'uso delle torbe. Il progetto si articolerà in tre fasi che si susseguono in termini temporali, a loro volta suddivise in sottofasi che identificano ognuna, aspetti peculiari della ricerca. In particolare, compost da scarti lignocellulosisi e miscele composte da scarti lignocellulosici e frazioni organiche dei rifiuti urbani, saranno ottenuti da impianti di scala reale. Tali prodotti saranno utilizzati in miscela con torba e fibra di cocco (substrati standard) in diverse dosi (0, 20, 40 e 60 % v/v), per la preparazione di 28 substrati colturali (due cicli, 14 substrati per ogni ciclo) da testarsi successivamente con prove di vegetazione in serra. Le prove di vegetazione, il cui fine è quello di confrontare agronomicamente i substrati contenenti compost con i substrati standard, saranno effettuate su due specie vegetali a ciclo breve: l'Impatiens walleriana e il Callistephus chinensis e due a ciclo medio-lungo Philodendron e la Gardenia jasminoides. Analisi preliminari, relative alle proprietà fisiche dei substrati (es. masse volumiche reali, caratteristiche idrologiche) e relative a C, N, P, K, pH, CES e mineralizzazione dell'azoto e del fosforo, permetteranno la corretta impostazione delle prove di vegetazione. I substrati saranno inoltre caratterizzati per quanto attiene i parametri: stabilità biologica, a mezzo d'indici di respirazione allo stato solido e liquido, maturità, a mezzo di saggi biologici e del grado d'evoluzione della sostanza organica. Particolare attenzione sarà rivolta alla caratterizzazione delle sostanza organica a mezzo sia di tecniche tradizionali (wet analysis) che di tecniche più complesse, quali la spettroscopia vibrazionale infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e l'analisi termica (TG-DTA). Le frazioni solubili della sostanza organica (DOM), essendo direttamente implicate nella nutrizione della pianta, nell'attività biologica e nell'eventuale fitotossicità, meriteranno particolare attenzione. La DOM e le sue frazioni saranno ottenute e caratterizzate per mezzo di spettroscopia DRIFT e test di degradabilità. Inoltre, sulla base di diverse evidenze bibliografiche, che individuerebbero nelle frazioni umiche a minore peso molecolare, proprie dei composti umo-simili e nella frazione solubile della sostanza organica (DOM) una marcata azione biologica nei confronti di funghi fitopatogeni, verranno indagati i meccanismi alla base di tale proprietà patogeno-repressiva che sembrerebbe correlata alle caratteristiche fisico-chimiche e biologiche del compost. Strettamente connesse alla nutrizione della pianta saranno le indagini relative alle misure della mineralizzazione potenziale dell'N e del P. Siccome i principali problemi che riguardano l'impiego professionale dei substrati di crescita da matrici organiche non convenzionali derivano dalla eccessiva mineralizzazione della componente organica, la possibilità di valutare e indicizzare oltre che controllare l'attività dei microrganismi, rappresenterà una parte del progetto. In conclusione, l'approfondimento scientifico e la proposta di metodologie idonee alla valutazione dei substrati organici alternativi all'uso delle torbe sarà l'obiettivo del progetto. Ciò deve essere fatto considerando i diversi aspetti: biologici, chimici e fisici, opportunamente tarati e testati attraverso valutazioni di pieno campo per dare risposte concrete e poi trasferibili alle necessità operative del settore florovivaistico. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Pierluigi GENEVINI Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'impiego di matrici organiche compostate, in sostituzione parziale delle torbe nella costituzioni di substrati per piante in contenitore, seppur già sperimentato e proposto a più riprese, si è diffuso molto limitatamente nel settore florovivaistico. Ciò è dovuto principalmente alle scarse conoscenze di tali prodotti con riferimento alle loro molteplici caratteristiche in relazione al loro utilizzo nel comparto florovivaistico. L'obiettivo della presente ricerca è quello di arrivare ad una proposta organica di metodologie atte alla valutazione dei substrati organici alternativi alle torbe, considerando gli aspetti biologici, chimici e fisici. Verranno proposti, inoltre, indici descrittori delle proprietà dei substrati in relazione alla loro attitudine agronomica per il campo d'applicazione indagato. Ulteriore obiettivo sarà quello di offrire un pacchetto di metodologie da proporre ad organi Nazionali ed Internazionali competenti. In particolare ciò avverrà per la Commissione Fertilizzanti (Ministero delle Politiche Agricole e Forestali)ed il Consorzio Italiano Compostatori, che più volte hanno mostrato interesse per la tematica oggetto di studio ed il Comitato Europeo di Standardizzazione CEN/TC 223 (Soil improvers and growing media) presso i quali alcuni partecipanti al progetto godono di credibilità scientifica ed operano in qualità di membri. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Gli operatori del settore florio-vivaistico si stanno da tempo adoperando per abbattere l'impatto ambientale connesso alla loro attività produttiva, mediante un attento controllo degli input e degli output coinvolti nel processo colturale. A livello europeo si punta all'utilizzo più razionale di materiali rinnovabili e facilmente riciclabili, all'impiego di biomasse di recupero senza che la redditività e la qualità delle produzioni ne risentano negativamente. La coltivazione "fuori suolo" ha rappresentato negli ultimi venti anni una delle soluzioni più efficienti per controllare l'inquinamento delle falde acquifere ma, contemporaneamente, ha determinato l'uso di ingenti quantitativi di torba, materiale che è diventato il substrato più usato per la preparazione di miscugli per la coltivazione in vaso. Il consumo nazionale di torba per usi floro-vivaistici può essere stimato intorno ai 6x106 m3, provenienti principalmente dal Nord Europa. Il costo ambientale legato alla sua estrazione, peraltro difficile da quantificare, sta inducendo molti Paesi a ridurne drasticamente l'estrazione ed è prevedibile che entro pochi anni, oltre ad essere poco reperibile, diventerà anche un substrato eccessivamente costoso. Ciò spiega la continua ricerca di substrati alternativi alla torba, in grado di sostituirla completamente o almeno in gran parte, garantendo però una risposta agronomica analoga. La necessità di riciclare prodotti di rifiuto di origine organica ha, d'altra parte, indotto a focalizzare l'attenzione su materiali derivati da compostaggio, a partire dalla frazione organica da raccolta differenziata dei rifiuti urbani, da matrici ligno-cellulosiche o da sottoprodotti agroindustriali. Le prime prove sperimentali volte all'uso di compost per piante in contenitore risalgono agli inizi degli anni ‘90 (Bragg et al, 1993; Burger et al., 1997) ma, è soprattutto in questi ultimi anni che la bibliografia si è arricchita di lavori che attestano l'ottenimento di buoni risultati agronomici con l'impiego di miscele a base di ammendanti compostati per la coltivazione (Chen et al. 2002) e la radicazione di piante in vaso a fogliame decorativo e annuali (Klock, 1998; Zubillaga and Lavado, 2001), di erbacee perenni e di arbusti (Fischer et al., 1998¸ Raymond et al., 1998; Bugbee, 2002; Wilson et al., 2002). Substrati idonei alla coltivazione di numerose specie ornamentali sono tuttavia ottenibili per miscelazione di biomasse organiche non convenzionali con substrati organici quali la torba di sfagno, la fibra di cocco, la corteccia di pino, la segatura, il substrato esausto da fungaia o inorganici come la perlite e la pomice. Le percentuali di miscelazione ottimali per questi materiali variano dal 25 al 75% e sono notevolmente influenzate dalla specie, dalla cultivar, dall'epoca del ciclo, dall'età della pianta, dalle tecniche agronomiche adottate e soprattutto dalle proprietà dei materiali impiegati (Frangi, 2003). Il florovivaismo pertanto, rappresenta un importante settore in grado di valorizzare i substrati organici derivanti dal riciclo e dal trattamento di residui organici di diversa origine anche in considerazione del fatto che l'Italia si colloca al secondo posto in Europa, dopo i Paesi Bassi, con il 23% della produzione florovivaistica europea, ed un volume annuo di esportazioni di 187 milioni di euro.
L'impiego di matrici organiche compostate in sostituzione totale o parziale (miscela) delle torbe nella coltivazione di piante in contenitori non ha mai riscontrato alcun successo nel campo professionale. Le principali cause della difficoltà ad affermare queste matrici in campo professionale sono legate all'instabilità fisica: il materiale, che generalmente presenta una granulometria molto fine all'origine, tende a disgregarsi ulteriormente in fase di coltivazione dando origine a compattazione e restringimento, determinando un ambiente anossico sfavorevole per le radici delle piante (Malusà et al., 2002), formazione di fessure che conferiscono instabilità fisica della pianta, esposizione all'aria dell'apparato radicale (Ingram et al., 1993). Inoltre, la mineralizzazione della matrice organica determina una cessione di macro- e micro-nutrienti sbilanciata (O'Brien and Barker, 1997) che, oltre a determinare problemi di salinità (Weinold e Roeber, 1997), può influire negativamente sulla crescita della piante. Non deve infine essere trascurata l'elevata variabilità delle caratteristiche chimico-fisiche di queste matrici e la conseguente difficoltà nell'interpretazione dei risultati analitici che rendono difficile l'impostazione di una tecnica colturale standardizzata. Sia l'instabilità fisica che il rilascio/immobilizzazione di nutrienti derivano dall'attività di mineralizzazione della sostanza organica ad opera della biomassa microbica, attività che viene riattivata in fase di impiego dei substrati per effetto della riumidificazione del materiale (Mondini et al., 2002), l'innalzamento della temperatura, soprattutto per i substrati utilizzati in contenitori di piccole dimensioni, e per lo sviluppo degli apparati radicali delle piante che rilasciando essudati di varia natura nella rizosfera inducono una ulteriore stimolazione dell'attività microbica (De Nobili et al., 2001). La valutazione e previsione oltre che controllo dell'attività dei microrganismi, rappresenta una possibile strategia per migliorare l'utilizzabilità dei substrati compostati. La valutazione contestuale del comportamento fisico e microbiologico-nutrizionale dei substrati organici compostati con tutte le influenze reciproche non è mai stato effettuato, ma potrebbe rappresentare la chiave di volta per rendere correttamente interpretabili i risultati delle analisi delle matrici organiche destinate alla coltivazione in contenitore attraverso l'impiego di una griglia di valutazione (data-set) e di valori soglia calibrati e validati che faciliti la selezione dei substrati più idonei ed il loro abbinamento con le specifiche esigenze della coltura.
La sostanza organica rappresenta, nell'ambito della fase solida, la componente più importante e maggiormente coinvolta nei processi di trasformazione (mineralizzazione/umificazione). Essa migliora, di norma, le condizioni idriche, nutrizionali e biologiche del substrato, condizionando lo sviluppo ipo-epigeo delle piante.
La valutazione dei substrati di crescita a base di biomasse non convenzionali non può quindi prescindere dalla valutazione delle caratteristiche della componente organica in essi contenuta per quanto attiene i parametri di stabilità biologica, maturità e grado di evoluzione della sostanza organica. E' possibile definire la stabilità biologica quello stato in cui, garantite le condizioni ottimali per l'esplicarsi delle attività microbiologiche in condizioni aerobiche, i processi di biodegradazione si presentano alquanto rallentati (Adani et al., 1997). Attualmente vi è ormai accordo a livello internazionale (Iannotti et al., 1993; Paletsky e Young, 1995) nel ritenere che la misura dell'attività biologica tramite la stima del consumo di ossigeno sia la determinazione più corretta della stabilità biologica (ASTM, 1996; The U.S. Composting Council, 1997). Dalla letteratura si identificano due differenti test respirometrici di tipo dinamico. Nel primo metodo proposto (Adani et al., 2001) la dinamicità del sistema viene ottenuta aerando in continuo la biomassa sottoposta ad analisi. In una seconda metodologia proposta dalla letteratura, lo Specific Oxygen Uptake Rate (SOUR) (Lasaridi e Stentford, 1998) le condizioni dinamiche vengono ottenute a seguito di agitazione continua della biomassa sospesa in una soluzione acquosa. Definito il grado di stabilità di una biomassa occorre valutarne anche la maturità. E' possibile definire un substrato maturo quando questi non presenta fenomeni di fitotossicità (Epstein, 1993). Per la valutazione della maturità viene ritenuto idoneo l'utilizzo di bioindicatori e di biosaggi. Recentemente, per la determinazione della fitotossicità e del grado di maturità di una biomassa, è stato proposto un test di vegetazione con lattuga (Adani, 2002) che trova utilizzo routinario sia per fanghi che per compost. Tale test ha lo scopo di saggiare l'attitudine agronomica di residui e matrici organiche di scarto per i quali si ipotizza il loro recupero agricolo. Una volta che una biomassa è matura e ha raggiunto la stabilità biologica, ai processi di degradazione si sostituiscono man mano quelli di trasformazione delle molecole organiche che trovano la loro massima espressione nella formazione delle sostanze umiche. Studi scientifici recenti, relativi all'isolamento delle frazioni umificate secondo le usuali metodiche (acidi umici e fulvici) e secondo una nuova metodologia volta ad isolare il core-acidi umici, hanno permesso di sviluppare un indice in grado, indipendentemente dagli aspetti quantitativi (indice adimensionale che varia tra 0 e 1), di misurare il grado di evoluzione della sostanza organica o OMEI (Organic Matter Evolution Index) (Adani et al.,1997) mettendolo in relazione alla quota parte di sostanza organica facilmente degradabile dai microrganismi. Studi effettuati su biomasse a diversi stadi di evoluzione (Chefetz et al., 1998; Genevini et al., 2002a) hanno messo in evidenza l'ottima correlazione tra tale indice e attività biologica. Valori prossimi allo 0 indicano un substrato poco evoluto sinonimo di intensa attività biologica; al contrario valori prossimi a 1 indicano matrici ad alto grado di evoluzione. La stabilità biologica, la maturità ed il grado di evoluzione della sostanza organica sono strettamente legati alle frazioni solubili della sostanza organica (DOM). La DOM funge da substrato per i microrganismi, forma legami di natura chimica e/o fisica con i costituenti inorganici e organici del suolo e quindi risulta coinvolta nel co-trasporto di metalli e xenobiotici (Zsolnay, 1996). Biomasse ad elevata stabilità biologica si caratterizzano per un minore contenuto di frazioni solubili (Adani et al, 2003). Al fine di valutare le caratteristiche strutturali e funzionali della sostanza organica delle biomasse, della DOM e delle sue frazioni tra le varie tecniche impiegate, soddisfacenti informazioni possono essere ottenute a mezzo delle tecniche spettroscopiche (FT-IR, NMR, ect.) (Gigliotti et al., 1997).
Utili informazioni per valutare le proprietà della componente organica possono essere ottenute dallo studio della componente a basso peso molecolare che è maggiormente coinvolta nei processi di trasporto degli elementi nutritivi e dei metalli pesanti. Sono state trovate significative relazioni tra proprietà spettroscopiche, caratteristiche chimiche e livello di maturazione e di stabilità della sostanza organica (Francioso et al., 2003). Gli studi strutturali delle SU estratte da suoli o da substrati organici (Senesi et al., 1996; Francioso et al., 2001; 2005) hanno dimostrato che solamente attraverso l'applicazione di tecniche analitiche combinate è possibile comprendere meglio le dinamiche strutturali di queste complesse matrici. In particolare, la spettroscopia 1H-NMR e l'analisi termogravimetrica (TG) e termico differenziale (DTA) si sono rivelate valide per studiare matrici di origine diversa (Francioso et al., 2003; 2005). Inoltre, i processi chimici e biochimici che hanno luogo durante le fasi di maturazione della SO possono essere studiati attraverso l'analisi degli isotopi stabili 13C e 15N (Fricken et al., 1998; Francioso et al., 2005). Valutare i substrati di coltura da biomasse non convenzionali in base a precisi sistemi di controllo della qualità è la base per una auspicabile diffusione nell'industria delle piante ornamentali in vaso. I protocolli analitici attualmente disponibili riguardano fondamentalmente i substrati a base di torba. E' pertanto fondamentale definire metodi standard atti a caratterizzare le proprietà chimiche, fisiche e biologiche anche dei substrati non convenzionali.
Una voce di spesa consistente per la produzione di specie ornamentali, sia da fiore che da foglia, riguarda il controllo di microrganismi fitopatogeni. Infatti, le condizioni microclimatiche proprie delle serre possono favorire notevolmente lo sviluppo di agenti fungini causa di marciumi ed altre sintomatologie, quali Fusarium spp., Pythium spp., Sclerotinia spp., Botrytis cinerea e Verticillium spp.. La conoscenza delle proprietà del substrato di crescita nei riguardi dei funghi fitopatogeni è di notevole importanza ai fini del controllo dei patogeni, soprattutto con mezzi biologici. La componente di maggiore interesse dei substrati di crescita è senz'altro quella organica, per cui una valutazione complessiva di tali matrici non può prescindere dalla valutazione delle proprietà biologiche di tale componente. E' stato dimostrato che le frazioni umiche a minore peso molecolare e a maggior contenuto di gruppi funzionali acidi, proprie dei composti umo-simili isolati da matrici compostate e della frazione solubile della sostanza organica (DOM), posseggono una più marcata azione biologica (Chen et al.,1990). In letteratura sono presenti diversi studi sul ruolo che le sostanze umiche ed umo-simili esercitano sulla crescita delle piante (Varanini e Pinton, 2001), ma scarse sono le informazioni che riguardano l'influenza di questi composti, o di loro frazioni, sulla crescita di singole specie fungine, ed in particolare di funghi fitopatogeni del suolo (Moliszewska and Pisarek, 1996). Vari studi riportano un'azione soppressiva di compost di varia origine e delle loro frazioni umo-simili su funghi fitopatogeni del suolo (Moliszewska and Pisarek, 1996), tanto da proporre in alcuni casi proprio l'ammendamento del suolo con compost per controllare alcune patologie delle piante. I meccanismi alla base di tale proprietà patogeno-soppressiva non sono completamente noti, benché appaia evidente una correlazione tra le proprietà fisico-chimiche e biologiche del compost e la sua capacità patogeno-soppressiva (Hoitink and Bohem, 1999). Recentemente è stato riscontrato che l'aggiunta al suolo di un compost da residui solidi urbani nonché della sua frazione solubile e di quella umica è in grado di modificare l'azione del Pythium ultimum su piante di pisello con una significativa riduzione del numero di lesioni radicali, delle popolazioni del patogeno e minimizzando l'inibizione della crescita delle piante indotte dal patogeno nel suolo non ammendato (Pascual et al., 2002). Anche compost da residui ligno-cellulosici sarebbero in grado di sopprimere la crescita del Pythium ultimum e di Phytophthora spp. (Zhang et al., 1996; Nelson and Hoitink, 1982). Compost da residui solidi urbani contenenti microrganismi antagonisti del tipo Trichoderma spp. sono in grado di controllare la crescita del Fusarium oxysporum (Serra-Wittling et al., 1996). Anche per le piante ornamentali è stata dimostrata un'azione patogeno-soppressiva da parte di compost (Tuiters et al., 1998). <<<