Frontiers in Environmental Science (Italiano)

Nel 1936, poco più di 80 anni fa, Selman Waksman pubblicò un libro importante e monumentale in cui recensiva in grande dettaglio ciò che era noto e non noto all’epoca sull’origine, la composizione chimica e l’importanza dell’humus. Questo libro deve aver richiesto una quantità fenomenale di lavoro., Infatti, per scriverlo, Waksman ha raccolto e analizzato un numero enorme (1311) di fonti primarie che coprono diversi secoli, alcune in tedesco, francese, russo e latino. Anche con tutti i database elettronici a nostra disposizione al giorno d’oggi, questo sarebbe uno sforzo estremamente dispendioso in termini di tempo, che richiede molti mesi, se non anni, di lettura a tempo pieno ed estratto., Nel 1930, senza internet, fotocopiatrici, o la possibilità di e-mailing colleghi per ottenere ristampe delle loro pubblicazioni, identificare, per non parlare di rivedere 1311 fonti deve essere stata un’impresa assolutamente formidabile, vale la pena celebrare a sé stante.,

Apparentemente influenzato da un certo numero di autori tedeschi precedenti, che citò, Waksman (1936) definì l’humus come segue: “Chimicamente, l’humus è costituito da alcuni costituenti del materiale vegetale originale resistenti a un’ulteriore decomposizione; di sostanze in fase di decomposizione; di complessi risultanti dalla decomposizione, mediante processi di idrolisi o ossidazione e riduzione; e di vari composti sintetizzati da microrganismi.,”Un decennio prima, Waksman (1925) era stato un forte sostenitore della pratica tradizionale di estrarre materia organica del suolo con alcali, seguita dall’identificazione, basata sulla solubilità in acqua, di tre diverse categorie di “sostanze umiche” ad alto peso molecolare, intrinsecamente stabili e chimicamente uniche (acido fulvico, acido umico e humin)., Tuttavia, nel 1936 aveva cambiato idea sulla questione, essendo convinto che gli estratti alcalini fossero un costrutto strettamente operativo e arbitrario, che ” non riesce a dare un’immagine della vera natura dell’humus, della sua origine e della sua condizione dinamica nel suolo. I suoi scritti suggeriscono che l’idea che le sostanze umiche potessero avere una struttura chimica unica o definitiva risale al tempo in cui “la chimica era ancora nella sua infanzia e quando tutti i composti organici e inorganici erano considerati sostanze molto semplici nella composizione chimica.,”Un microbiologo di formazione, Waksman ha anche continuato a insistere pesantemente, in tutto il suo libro, sui “legami invisibili” fondamentali, ma troppo spesso ignorati, che collegano humus e microrganismi viventi”, che devono essere apprezzati per comprendere l’origine e la natura dell’humus.,” Egli ha sostenuto che, “senza negare il ruolo di puramente reazioni chimiche nella formazione e trasformazione di humus, in particolare quelli di ossidazione e di riduzione, idrolisi e di polimerizzazione, si deve riconoscere che gli agenti primari nella formazione e trasformazione di humus sono microrganismi; dalla vista delle loro funzioni, il precedente chimici non è riuscito a capire l’origine e il significato di humus, nonostante i molti anni di sforzi, dalla nascita della chimica organica, fino a tempi recenti.,”

Data la chiarezza del riassunto di Waksman (1936) dello stato di conoscenza dell’humus e della tabella di marcia per la ricerca futura, è sorprendente che nessuno abbia seguito i suoi suggerimenti fino agli anni ‘ 90, più di mezzo secolo dopo. Per quanto riguarda lo stesso Waksman, c’è una ragione relativamente semplice, legata a tempi infausti, per cui non ha perseguito il lavoro lungo il percorso che aveva così faticosamente delineato., Come accadde anche nel caso del lavoro seminale di Langmuir (1938) sulle interazioni elettrostatiche tra particelle cariche (McBride e Baveye, 2002), gli eventi mondiali della fine degli anni ‘ 30 spinsero rapidamente Waksman a spostare la sua attenzione da un lavoro importante verso questioni più urgenti. Dopo che Dubos (1939) riuscì a isolare per la prima volta un antibiotico (gramicidina) prodotto da un microrganismo del suolo, le enormi conseguenze pratiche di questa svolta fondamentale per l’assistenza sanitaria, e in particolare per il trattamento dei soldati feriti, divennero rapidamente evidenti (Moberg, 1999; Van Epps, 2006)., Per trovare altri antibiotici, l’industria farmaceutica ha iniziato a finanziare programmi di test sistematici, tra cui uno grande nel laboratorio di Waksman dopo il 1939. Nel 1942, Albert Schatz, uno degli assistenti di Waksman che lavorava con gli actinomiceti, scoprì la streptomicina. Lawrence, 2002; Kingston, 2004; Casadevall e Fang, 2013; Pringle, 2013) e l’assegnazione del premio Nobel per la medicina a Waksman nel 1952 lo hanno portato a concentrare praticamente tutta la sua attenzione successiva sugli antibiotici., Non troviamo alcuna prova che abbia mai ripreso il suo lavoro sull’humus o sulle sue interazioni con i microrganismi.

Questo non spiega, tuttavia, perché altri microbiologi del suolo non hanno ripreso da dove Waksman ha lasciato. In una certa misura, una risposta a questa domanda può essere trovata in reflections Waksman made later (Waksman, 1958) quando ha sottolineato che gli scienziati del suolo hanno dimostrato pochissimo riconoscimento verso la microbiologia del suolo nella prima parte del ventesimo secolo., L’enfasi nella scienza del suolo era invece sulla fisica e la chimica dei suoli, in particolare in relazione alla fertilità del suolo, o sulla classificazione del suolo. Questo stato di cose era ancora manifestamente in corso nel 1936, come dimostra il fatto che durante quell’anno, la rivista Soil Science conteneva solo 6 articoli che si occupavano di microrganismi del suolo su un totale di 77 articoli, mentre gli Atti della Soil Science Society of America non contenevano un singolo articolo relativo alla microbiologia del suolo., Il predominio di una visione, il punto di vista del chimico, spiega perché l’opinione di un microbiologo del suolo sulla natura di ciò che è stato percepito essenzialmente come un componente chimico dei terreni è probabile che sia caduto su orecchie relativamente sorde. Allo stesso modo, molto probabilmente, è il punto di vista di Waksman che la ricerca futura sull’humus dovrebbe essere ciò che ora chiameremmo “multidisciplinare” o addirittura “interdisciplinare” (Baveye et al., 2014)., Waksman (1936) vide chiaramente che la stretta connessione che identificò tra i microrganismi del suolo e la natura delle sostanze umiche del suolo richiedeva un approccio di ricerca che coinvolgesse la cooperazione di diverse discipline. A suo parere, il ” fisico, il chimico, il botanico e il microbiologo possono tutti contribuire alla soluzione dei numerosi problemi complicati coinvolti nella formazione e nell’utilizzo dell’humus.”Tuttavia, era molto più in linea con le abitudini del tempo per i chimici del suolo continuare a fare ciò che erano stati addestrati a fare, cioè.,, estrarre composti chimici dai terreni e cercare di determinare la loro struttura chimica unica e ipoteticamente ben definita, ad alto peso molecolare, uno sforzo che hanno perseguito con grande energia e convinzione per diversi decenni, totalmente indipendentemente da ciò che i fisici del suolo e microbiologi, alloggiati nelle stesse organizzazioni, stavano facendo dalla loro parte.

In tutta onestà, per molti anni, un’ulteriore difficoltà era che non era realmente fattibile nella pratica realizzare il tipo di ricerca interdisciplinare che Waksman aveva immaginato nel 1936., Negli anni ’50 e’ 60, diversi microbiologi (ad esempio, Alexander, 1965; Griffith, 1965) giunsero anche alla conclusione che per comprendere l’attività dei microrganismi nei terreni, era necessaria un’analisi dettagliata sulla scala spaziale dei microrganismi (cioè alla “microscala”). Ma, sfortunatamente, “le difficoltà tecniche intrinseche nella sperimentazione biochimica a livello microscopico” (Alexander, 1965) hanno gravemente ostacolato i progressi in quella direzione., L’avvento dei microscopi elettronici a trasmissione o scansione, negli anni ’60 e’ 70, ha fornito una ricchezza di informazioni qualitative sugli habitat microbici come si vede nei micrografi di qualità sempre più elevata (ad esempio, Foster, 1988). Tuttavia, queste nuove informazioni non potevano essere correlate con i corrispondenti dati microscopici sulla composizione della materia organica, poiché i metodi di analisi chimica pertinenti rimanevano quasi interamente macroscopici.,

Tuttavia, i progressi in diverse tecniche di analisi spettroscopica, in particolare in vari metodi di risonanza magnetica nucleare, durante gli anni ‘ 90 hanno permesso ai ricercatori di caratterizzare la composizione chimica delle sostanze umiche nei terreni in modo molto più dettagliato e di confermare la solidità della prospettiva di Waksman (1936). In un articolo di revisione storica, Piccolo (2002) ha concluso che le sostanze umiche sono “associazioni supramolecolari di molecole eterogenee e relativamente piccole autoassemblanti derivanti dalla degradazione e dalla decomposizione di materiale biologico morto.,” Altri all’incirca nello stesso periodo hanno espresso opinioni simili, basate sulla loro lettura della letteratura (ad esempio, Burdon, 2001; Wander, 2004). Alcuni anni dopo, in una revisione approfondita e ampiamente citata della ricerca analitica indipendente condotta nel decennio precedente, Sutton e Sposito (2005) si riferivano alle sostanze umiche come “raccolte di componenti di massa molecolare diversi e relativamente bassi che formano associazioni dinamiche stabilizzate da interazioni idrofobiche e legami idrogeno.,”Di particolare menzione nelle pubblicazioni di quel periodo sono i modelli di aggregazione molecolare (Wershaw, 1986, 1999; Piccolo, 2001 ” Kleber et al., 2007; Chilom et al., 2009), che descrivono il ruolo che le interazioni lipido-umiche svolgono nella formazione della materia organica del suolo. Si potrebbe considerare questa l’unica “nuova” idea che l’uso dei metodi di estrazione classici ha aggiunto alla nostra concettualizzazione della materia organica del suolo che è stata stabilita alla fine del secolo.,

All’incirca contemporaneamente alla pubblicazione della recensione di Sutton e Sposito (2005), la commercializzazione di apparecchiature per tomografia computerizzata a raggi X da tavolo ha permesso di quantificare la geometria e la topologia dello spazio dei pori nei terreni (ad esempio, Young e Crawford, 2004; O’Donnell et al., 2007)., Linee di fascio dedicate presso strutture di sincrotrone in tutto il mondo hanno permesso agli scienziati del suolo e ai geochimici di eseguire misurazioni di una serie di caratteristiche chimiche del suolo su scale nanometriche e micrometriche, utilizzando tecniche come la spettroscopia near-edge Absorption near-edge (XANES) o la spettroscopia near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS). Infine, l’accesso di routine a nuovi tipi di microscopia, come la fluorescenza o i microscopi laser confocali, ha reso disponibili per la prima volta dati quantitativi sulla distribuzione cellulare batterica (ad esempio, Nunan et al., 2003; Eickhorst e Tippkötter, 2008)., In molti modi, tutte le stelle erano allineate, metaforicamente parlando, per lanciare sul serio il programma di ricerca interdisciplinare sulle sostanze umiche che Waksman (1936) aveva previsto decenni fa. Ci sono stati alcuni tentativi limitati in questo senso., Infatti, all’incirca nello stesso periodo Sutton e Sposito (2005) hanno concluso dalla loro revisione della letteratura che “le componenti umiche mostrano un comportamento motorio molecolare contrastante e possono essere segregate spazialmente su una scala di nanometri”, le analisi di XANES e NEXAFS sono state in grado di fornire chiare prove visive che l’ultima parte di tale affermazione era effettivamente la regola, in terreni rappresentativi (Jokic et al., 2003; Schumacher et al., 2005; Solomon et al., 2005; Kinyangi et al., 2006)., Ma al di là di questa conferma limitata, nessuna reale integrazione di tecniche e prospettive disciplinari ha avuto luogo, e pochi progressi sono stati fatti per un altro decennio sulla chimica e la dinamica delle sostanze umiche. La maggior parte delle ricerche umiche ha continuato a descrivere la materia organica in un senso macroscopico medio, limitando la nostra capacità di comprendere le connessioni tra le componenti biotiche e abiotiche dei suoli e delle funzioni del suolo., Mentre ciascuna delle singole prospettive disciplinari è stato esplorato ulteriormente, a volte in grande profondità, riluttanza, intransigenza, o inerzia disciplinare continuano a impedire ai ricercatori di mettere insieme i pezzi del puzzle per permetterci finalmente di capire in dettaglio come i microrganismi influenzano la creazione e la trasformazione sostanze umiche, o i fattori che controllano questi processi (Baveye et al., 2018).,

Dieci anni dopo la sintesi di Sutton e Sposito (2005), Lehmann e Kleber (2015), in un articolo ben elaborato, hanno esaminato in dettaglio una serie di opinioni diverse sulla natura chimica della materia organica del suolo e hanno proposto il “modello continuum del suolo” (SCM)1. Questo modello concettualizza la materia organica del suolo, non come una raccolta di macromolecole ad alto peso molecolare (cioè la “visione tradizionale”), ma come un “continuum” di frammenti organici di tutte le dimensioni “che copre l’intera gamma dal materiale vegetale intatto al carbonio altamente ossidato negli acidi carbossilici.,”Questi frammenti organici vengono continuamente elaborati dalla comunità di decompositori verso dimensioni molecolari più piccole.” Nonostante illustrativo diagrammi di contrasto SCM con il “tradizionale”, e l’affermazione che la SCM offre un modo nuovo avanti nella modellazione di carbonio nel suolo dinamiche e lo sviluppo di tecniche di gestione del suolo che si basa su elementi osservabili alla prova,” è difficile vedere qualsiasi progresso significativo in questo modello relativo alla “nuova vista” di sostanze umiche descritto 80 anni prima da Waksman (1936), o il punto di vista eco, più recentemente, da Piccolo (2002) e Sutton e Sposito (2005)., Per quanto riguarda la dinamica delle sostanze umiche, Lehmann e Kleber (2015) richiedono metodi che producono “prove osservabili”, necessarie per ottenere “previsioni affidabili del turnover della materia organica del suolo” e che ci permettono di studiare la “disposizione spaziale della materia organica all’interno della matrice minerale, l’ambiente redox su scala fine, l’ecologia microbica e l’interazione con le superfici minerali,”Ribadiscono anche l’osservazione di Waksman che l’estrazione di sostanze umiche non fornisce un quadro realistico della vera composizione e proprietà della materia organica che esiste nei terreni, e raccomandano che termini come “humus”, “umificazione” o anche “sostanze umiche”, usati abitualmente per secoli, non dovrebbero più far parte del vocabolario degli scienziati del suolo.

Negli ultimi 3 anni, i diversi suggerimenti di Lehmann e Kleber (2015) hanno causato molto scalpore tra gli scienziati del suolo (ad esempio, Piccolo, 2016; Gerke, 2018; Hayes e Swift, 2018; Weber et al., 2018; Olt et al.,, in stampa). Le difese di abitudini radicate contro ciò che viene ritratto quasi come un’eresia sono state estremamente appassionate e le reazioni negative alle proposte fatte sono state molto irremovibili. Questo è illustrato vividamente da due numeri speciali pubblicati di recente dal Journal of Soils and Sediments, uno che celebra il lavoro di Frank Stevenson sulla materia organica del suolo (Knicker et al., 2018) e l’altro dedicato alle sostanze umiche (Weber et al., 2018). Entrambi i numeri speciali contengono molti articoli che trattano ancora esplicitamente gli estratti alcalini e sostengono i meriti intrinseci di questo approccio., Per quanto riguarda la raccomandazione, fatta da Lehmann e Kleber (2015), di abbandonare la terminologia “humus”, c’è stato ancora pochissimo dibattito aperto nella letteratura sul fatto che i termini sanzionatori che vengono abitualmente utilizzati nella sfera pubblica abbiano senso e dovrebbero, o addirittura potrebbero, essere adottati ampiamente. Secondo il Web of Science, non sembra che la raccomandazione di Lehmann e Kleber (2015) sia stata ben accolta, dal momento che il numero di articoli pubblicati che si riferiscono a “humus” o “umificazione” nei terreni non è affatto diminuito dal 2015., Invece di sanzionare l’uso di questi termini carichi di storia, potrebbe essere meglio seguire l’esempio di Waksman (1936) e semplicemente assicurarsi che siano definiti in modo appropriato.,

In tutto il trambusto che seguì la pubblicazione di Lehmann e Kleber (il 2015) l’articolo, poca attenzione, purtroppo, sembra essere stato dedicato alla natura chimica e le dinamiche di sostanze umiche, il che rende probabile che ci stanno a testimoniare, ancora una volta, quello che Jenny (1961), scrivere su di acidità del suolo, una volta chiamato sarcasticamente come “merry-go-round”: C’è una buona probabilità che l’altra Scienza o la Natura dell’articolo sarà pubblicata nel 2025, esaltando nuovo Waksman è perennemente “emergente” prospettiva umifero del terreno., Tuttavia, da una prospettiva più ottimistica, la comunità scientifica del suolo potrebbe ancora decidere di riprendere l’agenda di ricerca di Lehmann e Kleber e, criticamente, notare che gli strumenti necessari per rispondere alla loro chiamata e migliorare la nostra comprensione delle dinamiche della materia organica del suolo alla microscala esistono già, anzi sono stati disponibili per un decennio, ma sono rimasti in gran parte inutilizzati.,

Sarebbe cruciale in questo contesto comprendere le ragioni principali per cui le opportunità disponibili per l’analisi al microscala di sostanze umiche nei terreni non sono state colte dal 2005 fino a poco tempo fa, al fine di evitare insidie o ripetere gli errori commessi. A questo proposito, ci sembra che la spiegazione più probabile per il nostro stato attuale di cose, e per il movimento molto lento in avanti per quanto riguarda la natura e la dinamica delle sostanze umiche, sia legata all’esistenza di una barriera considerevole sulla via della ricerca interdisciplinare., Ci possono essere plausibilmente diverse cause per una tale barriera. Gli sforzi interdisciplinari sono notoriamente difficili da lanciare, a causa di vincoli istituzionali e meccanismi di finanziamento che spesso favoriscono fortemente gli sforzi mono-disciplinari (ad esempio, Baveye et al., 2014). Un’altra ragione è che la microbiologia si è sempre più evoluta negli ultimi 3 decenni lontano dall’ecologia lungo linee che parallelamente allo sviluppo della chimica agricola moderna e inizialmente ha causato divisioni tra le scienze biologiche e fisiche ai tempi di Waksman (Wander, 2009)., Gran parte della ricerca in microbiologia del suolo negli ultimi due decenni è stata basata sulla nozione che le proprietà fisiche o chimiche dei microambiente in cui i microrganismi risiedono nei terreni sono irrilevanti e che le molecole di DNA o RNA estratte contengono tutte le informazioni necessarie per dare un senso all’attività dei microbi nei terreni. L’adozione di questo approccio ha avuto il merito di generare rappresentazioni macroscopiche o di massa della composizione comunitaria che soddisfano le richieste di misure quantitative riproducibili., Tuttavia, negli ultimi due decenni, questa prospettiva, che ha attirato crescenti critiche (ad esempio, O’Donnell et al., 2007; Baveye, 2009; Baveye et al., 2018; Young e Bengough, 2018), ha probabilmente contribuito in modo significativo a contrastare gli sforzi di ricerca interdisciplinare che si occupano di microrganismi del suolo e ha portato i microbiologi nella stessa trappola che ha limitato i progressi dei chimici del suolo e dei fisici che lavorano su scala macroscopica.

Per uscire da quella trappola, dobbiamo riconoscere come abbiamo organizzato e compartimentalizzato la disciplina della scienza del suolo., Il funzionamento interno delle nostre società accademiche, con divisioni separate associate alla fisica del suolo, alla chimica del suolo e così via, dimostra che percepiamo ancora la nostra disciplina come fortemente organizzata secondo una serie di sottodiscipline distinte. Questa strutturazione della scienza del suolo è stata criticata per molti anni. Gardner (1991), ad esempio, ci ha ammonito di essere consapevoli del fatto che “se la scienza del suolo deve continuare e prosperare come disciplina scientifica a sé stante, sarà attraverso una riuscita integrazione dei progressi in ogni sottodisciplina in un tutto integrale.,”Nonostante i ripetuti consigli in questo senso, non è successo molto. Peggio ancora, con alcune eccezioni notevoli (ad esempio, programmi di agroecologia di base), la formazione della prossima generazione di scienziati del suolo non si è evoluta molto verso un’integrazione più disciplinare. A parte la notevole eccezione dei programmi che enfatizzano l’apprendimento basato sui problemi (Amador e Görres, 2004; Amador et al., 2006), le lezioni nella maggior parte dei programmi di laurea in scienze del suolo si concentrano ancora esclusivamente su singole sottodiscipline, e la specializzazione degli studenti di scienze del suolo si verifica troppo presto ed è troppo pronunciata., Purtroppo, oggi non è inconcepibile, ad esempio, che un fisico del suolo non sappia nulla dell’ecologia della meso – o macro-fauna del suolo, o che un microbiologo del suolo non sia a conoscenza di come l’intricata geometria dello spazio dei pori nei terreni influenzi i microrganismi. Ogni anno, in tutto il mondo, programmi di educazione alla scienza del suolo producono un gran numero di laureati handicappati da questo tipo di ignoranza paralizzante.

Eppure, nonostante le evidenti carenze dei nostri sistemi educativi, sembrano esserci motivi di speranza., Non solo un gruppo di ricercatori prevalentemente giovani ha recentemente chiesto una maggiore enfasi sulla ricerca interdisciplinare nella scienza del suolo (Baveye et al., 2018), ma questa chiamata è stata rapidamente seguita da passi significativi lungo questo percorso. Vidal et al. (2018) hanno combinato diverse tecniche spettroscopiche e microscopiche per ottenere contemporaneamente informazioni sulla distribuzione di minerali e biomassa in prossimità delle radici. Più recentemente, Schlüter et al., (2019), utilizzando una combinazione di µCT a raggi X, microscopia a fluorescenza, microscopia elettronica a scansione e nanoSIMI, sono stati in grado di studiare la distribuzione dei batteri in un terreno e di dimostrare che hanno una preferenza per il foraggiamento vicino a superfici macropore e vicino a particelle organiche fresche., Questo pionieristico di ricerca interdisciplinare apre il percorso verso la micro – e mesoscale analisi non solo della dinamica della sostanza organica del suolo, e dei relativi processi, come la preparazione, la conservazione e la protezione del carbonio, che sono particolarmente rilevanti nel contesto del cambiamento climatico globale, ma anche di altri radicali processi di grande rilevanza, come il regolamento di acidità del suolo e l’associazione di metalli, di cui varie domande sono rimaste senza risposta, nonostante un notevole sforzo di ricerca nel passato (ad esempio, il deposito e l’Hurley, 1988; Mance, 2002).,

Dato che il tasto funzioni dei suoli soddisfare in una serie di contesti ambientali, per non dimenticare il rispetto per l’arduo obiettivo di nutrire 10 miliardi di abitanti sulla terra entro il 2050 (ad esempio, Baveye, 2015), sarebbe semplicemente inaccettabile non solo per la disciplina di scienza del suolo, ma anche per la società, se non siamo riusciti a rompere il interdisciplinare barriera che si è distinto nel nostro percorso finora. Comprendere le dinamiche delle sostanze umiche del suolo e della materia organica naturale è troppo cruciale per noi per evitare ancora una volta di prendere la strada non percorsa.,

Contributi dell’autore

PB e MW hanno entrambi contribuito al contenuto di questo articolo e hanno collaborato strettamente nella sua stesura.

Dichiarazione sul conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Note a piè di pagina