Effetti della somministrazione di zolfo in forma organica o inorganica a suoli agrari nel rapporto tra assimilazione e mineralizzazione di carbonio e azoto ad opera dei microrganismi

With this thesis we wanted to investigate the direct application of cysteine, a sulfur amino acid, in controlled soil microcosms, adding weekly doses for three months and comparing this treatment with the application of serine, a very similar amino acid but which does not contain S, and with inorganic S in the form of MgSO4. All treatments were also tested by adding a monomeric or polymeric carbon source, as glucose or carboxymethyl cellulose, respectively. The results obtained indicate that soils supplemented with cysteine have values of organic carbon, total nitrogen and sulfur higher than those with serine or MgSO4, even if these are supported by glucose or carboxymethyl cellulose. Further analyses indicate that despite this, the application of cysteine does not increase the quantity of microbial DNA present, contrary to what is conferred by serine, but that it considerably increases the production of proteins, using most of the N received, a very low portion of which is found in the form of nitrate in the soil. The data suggest that, in the hierarchy of macronutrients that act as limiting factors for life, in the event of increased availability of organic carbon, nitrogen and sulfur, two alternative scenarios take place: (A) if the sulfur source is inorganic (MgSO4), although this is known as assimilable and convertible into organic forms by plants and microorganisms, only an increase (double to triple values) of DNA (both bacterial and fungal) is found in the soil of the analyzed microcosms; (B) if the sulfur source is organic (cysteine), vice versa, there are no increases in DNA but a strong increase (more than fivefold values) of the protein content of the soils of the microcosms is found. Control with additions of water alone leads to reductions of about a quarter of the DNA values, a constant maintenance of protein levels, a stasis of organic carbon and a reduction of about 30% of total soil nitrogen. Differently from the concept that sees ecological strategies linked to taxonomy (K selection or r selection defined by belonging to a given species), the data indicate that sulfur in organic form acts as a general divide determining, when available, the preference in the entire community to switch to a state with high metabolic intensity and consequent protein synthesis without reproduction (K selection), and when absent, to a physiological stasis and to the triggering of the duplication of genomes in a perspective of preparation for a future (and hypothetical) reproduction operation with dispersion intents (r selection). This observation suggests that the strategies of soil organisms are strongly connected not so much to systematics as rather to key factors within the surrounding conditions. The data also show that the difference between a soil that loses nitrogen and does not increase carbon stocks and one that can quintuple it in just three months are determined by a single key molecule consisting of a sulfur amino acid and that the phenomenon is by no means replaceable using equal quantities of sulfur in a biologically assimilable form but of inorganic nature. The observation suggests as sources of organic sulfur, such as for example fertilizers (e.g. cornunghia) containing proteins such as keratin very rich in sulfur amino acids or biostimulants rich in cysteine as those obtained from composting in keratin containers (e.g. horn manure - preparation 500) contain the principle that determines the difference between carbon and nitrogen loss from soils and their accumulation. The experiment was replicated on three soils of different origin and composition in each of which provided identical results.

Con questa tesi abbiamo voluto indagare l’applicazione diretta di cisteina, amminoacido solforato, in microcosmi di suolo controllati, aggiungendone settimanalmente dosi per una durata di tre mesi e confrontando questo trattamento con l’applicazione di serina, amminoacido molto simile ma che non contiene S, e con S inorganico sottoforma di MgSO4. Tutti i trattamenti sono stati testati anche aggiungendo una fonte di carbonio monomera o polimera, rispettivamente glucosio e carbossimetil cellulosa. I risultati ottenuti indicano che i suoli addizionati di cisteina hanno valori di carbonio organico, azoto totale e zolfo superiori rispetto a quelli con serina o MgSO4, anche se queste sono supportate da glucosio o carbossimetil cellulosa. Ulteriori analisi indicano che nonostante ciò l’applicazione di cisteina non faccia aumentare la quantità di DNA microbico presente, al contrario di quanto conferito dalla serina, ma che incrementi considerevolmente la produzione di proteine utilizzando la maggior parte dell’N ricevuto, del quale si riscontra una quota molto bassa in forma di nitrato nel suolo. I dati suggeriscono che, nella gerarchia dei macronutrienti che agiscono da fattori limitanti per la vita, in caso di aumentate disponibilità di carbonio organico, azoto e zolfo si configurano due scenari alternativi: (A) se la fonte di zolfo è inorganica (MgSO4), pur essendo questa nota come assimilabile e convertibile in forme organiche da parte di piante e microrganismi, nel suolo dei microcosmi analizzati si è riscontrato solo incremento (valori da doppi a tripli) di DNA (sia batterico che fungino); (B) se la fonte di zolfo è organica (cisteina) viceversa, non si hanno incrementi di DNA ma si riscontra un forte aumento (valori più che quintuplicati) del contenuto in proteine dei suoli nei microcosmi così incubati. Il controllo con aggiunte di sola acqua porta a riduzioni di circa un quarto dei valori di DNA e a un mantenimento costante dei livelli di proteine, a una stasi del carbonio organico e a una riduzione di circa il 30% di azoto totale del suolo. Diversamente rispetto al concetto che vede le strategie ecologiche legate alla tassonomia (selezione K o selezione r definite dalla appartenenza a una precisa specie) i dati indicano che lo zolfo in forma organica agisca come spartiacque generale determinando, quando disponibile, nell’intera comunità la preferenza di uno stato ad alta intensità metabolica e conseguente sintesi proteica senza riproduzione (selezione K), e quando assente, la stasi fisiologica e l’innesco della duplicazione dei genomi in un’ottica di preparazione a una futura (e ipotetica) operazione di riproduzione con intenti di dispersione (selezione r). Tale osservazione suggerisce come le strategie dei viventi del suolo siano fortemente connesse non tanto alla sistematica quanto a singole molecole chiave incontrate nell’ambiente. I dati mostrano inoltre che la differenza tra un suolo che perde azoto e non incrementa stock di carbonio e uno che in soli tre mesi può quintuplicarlo siano determinati da una singola molecola chiave consistente in un aminoacido solforato e come il fenomeno non sia affatto rimpiazzabile utilizzando quantità pari di zolfo in forma biologicamente assimilabile ma di natura inorganica. L’osservazione prospetta come fonti di zolfo organico, come ad esempio fertilizzanti (es. cornunghia) contenenti proteine come la keratina ricchissime di aminoacidi solforati o biostimolanti ricchi di cisteina in quanto ottenuti da compostaggi in contenitori di keratina (es. cornoletame - preparato 500) contengano il principio che determina la differenza tra perdita di carbonio e azoto dai suoli e loro accumulo. L’esperimento è stato replicato su tre suoli di diversa origine e composizione, in ciascuno dei quali ha fornito identico risultato.