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Pigmenti luci e nutrienti di Annalisa Barera

Quando si scelgono le piante per un acquario si dovrebbe tenere conto di alcuni fattori, primo fra tutti l’esperienza che si ha nella loro coltivazione. Spesso entrando in un negozio di acquari si è catturati dalla bellezza delle forme e dai colori delle piante, specialmente quelle rosse, ma il loro accattivante fascino svanisce presto per illuminazione insufficiente, fertilizzazione inadeguata, mancanza di anidride carbonica. E’ necessario, quindi, provare a capire come avere piante rigogliose con una brillante pigmentazione.

 

La fotosintesi è un processo metabolico complesso attraverso il quale la pianta utilizza la luce e la trasforma in elementi nutritivi: da energia luminosa in energia chimica. Il primo punto da considerare è proprio questa energia luminosa, le sue caratteristiche e in che modo arriva alla pianta.

 

pigmenti-01Sezioni trasversali di foglie [microscopio a contrasto di fase] cresciuta a luce forte [A], a luce intermedia [B] e a luce debole [C]. Nella prima immagine [A] si vede il maggiore sviluppo delle cellule, degli spazi interstiziali e dei cloroplasti.

 

Lo spettro energetico emesso dal sole va dai raggi gamma alle onde radio, ma il 98% della radiazione solare è costituito da radiazioni di lunghezza d’onda compresa tra 0,25-3 µm. Quando la radiazione passa attraverso l’atmosfera terrestre viene modificata nella sua composizione a causa di fenomeni di diffusione e di assorbimento selettivo. La luce che percepisce l’occhio umano è costituita dalle radiazioni a lunghezza d’onda che vanno da 400 a 700 nm. In un giorno sereno circa il 44% dell’energia solare che raggiunge la superficie terrestre è dato dalle radiazioni luminose, un altro 52% dall’infrarosso e il restante 4% dall’ultravioletto. Le radiazioni luminose sono relativamente meno assorbite dalle nuvole e dall’acqua e perciò nell’acqua in particolare risultano maggiormente disponibili rispetto alle altre radiazioni dello spettro solare.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pigmenti-02Spettro di emissione solare.

 

La luce che viene emessa dalle lampade che inseriamo nell’acquario sarà invece modificata dal passaggio dall’aria all’acqua, in particolare, all’aumentare della profondità della colonna d’acqua assisteremo ad un assorbimento e un allargamento del fascio di luce man mano che ci allontaniamo dalla fonte luminosa. L’allargamento del fascio di luce interessa solo l’intensità della luce, mentre l’assorbimento modifica lo spettro di radiazione perché l’acqua assorbe in misura diversa le radiazioni a seconda della loro lunghezza d’onda.

L'assorbimento può anche avvenire da parte dei materiali e oggetti presenti nell’acquario, come le rocce, oggetti di arredamento, le alghe, etc. che possono anche riflettere alcune lunghezze d’onda. Nell'acqua distillata ad un metro di profondità giunge, in totale, soltanto il 50% della quantità di luce incidente. Ma ad 1m arriva quasi il100% delle radiazioni ad onda corta [blu] mentre delle radiazioni ad onda più lunga [rosse] ne arriva soltanto il 40%.

 

pigmenti-03Assorbimento della radiazione luminosa in 1m di acqua distillata

 

Tutto questo in un acquario viene aumentato dalla presenza comunque di particelle in sospensione e sostanze disciolte che aumentano l’assorbimento della luce che penetra. Le sostanze sospese e quelle disciolte [detrito particellato e vari soluti] modificano lo spettro di assorbimento dell'acqua determinando il profilo luminoso caratteristico di ciascun tipo di acqua. Abbiamo visto dalla figura 3 che le radiazioni ad onda corta [blu e verde] possono penetrare più delle altre in profondità, e quelle rosse penetrano meno di tutte. In un acquario con molte sostanze disciolte e particellato prevarrà una radiazione luminosa rossa nella zona superficiale, invece in un acquario con acqua più limpida la radiazione rossa rimarrà sugli strati alti e in profondità arriveranno le radiazioni blu e verdi.

 

 

pigmenti-04Assorbimento della radiazione luminosa in acqua con sostanze disciolte e particellato [in alto] e in acqua limpida [in basso].

 

Abbiamo detto che le piante utilizzano questa luce nel processo della fotosintesi, grazie a dei pigmenti, quali le clorofilla, i carotenoidi e le ficobiline, che presentano picchi di assorbimento della luce di determinate lunghezze d’onda.

 

I pigmenti fotosintetici sono in genere contenuti nelle membrane del cloroplasto, un organulo che si trova all’interno della cellula vegetale. Nelle piante superiori i pigmenti sono per la maggior parte clorofilla del tipo a e del tipo b. Le clorofille assorbono la luce rossa e blu e trasmettono e riflettono quella verde, da questo dipende la colorazione della maggior parte delle piante. Nelle membrane dei cloroplasti e dei cromoplasti [altri organuli] ci sono anche dei pigmenti di colore giallo, arancio e rosso: i carotenoidi. Questi pigmenti assorbono la luce negli spettri del blu e del verde e per questo danno una colorazione dal giallo al rosso.

 

I carotenoidi devono il loro nome al Carotene, una sostanza giallo-arancio, trovata per la prima volta [nel 1831] nella radice di Daucus carota, cioè nella comune carota. Sono un gruppo di pigmenti, di colore dal giallo al violetto, molto diffusi in natura. Alla famiglia dei carotenoidi appartengono: i caroteni,e le xantofille, cioè i derivati ossigenati, e gli acidi carotenici. La clorofilla a è l’unico pigmento che è capace di convertire l’energia luminosa in energia chimica, mentre la clorofilla b, c e i carotenoidi sono pigmenti accessori. Essi assorbono la luce in parti dello spettro non interessate dall’assorbimento della clorofilla a, colmando in parte il buco del verde e ampliando così lo spettro delle radiazioni utili per la fotosintesi.

 

pigmenti-05

Spettro di assorbimento di alcuni pigmenti fotosintetici.

 

Un’altra funzione davvero importante di alcuni di questi pigmenti accessori è dare una sorta di protezione alle molecole di clorofilla contro i radicali liberi che si possono formare nelle cellule sotto una luce intensa. Se ciò avviene, i colori rosso e violetto dei pigmenti ausiliari possono essere visualizzati sopra il colore della clorofilla e le piante appaiono rosse o porpora. Le piante rosse producono più pigmenti ausiliari se si trovano sotto una luce intensa proprio per questo motivo. Il che vuol dire anche che le piante rosse si sono selezionate in ambienti fortemente illuminati. Invece le piante in carenza di luce appariranno gialle in quanto alcuni carotenoidi continuano ad essere sintetizzati anche al buio.

 

Un altro tipo di pigmenti presenti in tutto il regno vegetale è costituito dal gruppo dei flavonoidi. Sono composti colorati che vengono sintetizzati nel cloroplasto come la clorofilla. Le antocianine sono i flavonoidi più diffusi e si ritrovano in varie parti delle piante; possono dare una colorazione rossa, purpurea o blu. La sintesi dei flavonoidi è fortemente influenzata dalla luce, soprattutto nella lunghezza d’onda blu e rossa e come vedremo possono anche accumularsi in situazioni di stress.

 

Ci sono diversi fattori, oltre la luce, che possono influenzare la fotosintesi e quindi la sintesi dei pigmenti che a noi interessano. Tra questi fattori la temperatura, la CO2 e i nutrienti.

 

Nella fotosintesi vi è una sequenza di reazioni [Ciclo di Calvin] che parte dalla CO2 e arriva alla sintesi di varie e complesse molecole organiche. Per una pianta che vive sulla terraferma lo scambio gassoso avviene con l’atmosfera, ma la CO2 deve muoversi in fase acquosa per entrare nel cloroplasto. Nella pianta acquatica non c’è questo passaggio e la CO2 è già disciolta, ma la CO2 ha una bassa velocità di diffusione in acqua e questo fa si che sia necessaria una concentrazione maggiore di CO2 di quanta ne servirebbe davvero. Quindi, nelle piante la saturazione di CO2 si ottiene a concentrazioni molto elevate del gas nell’ambiente.

 

La pianta comunque, che sia di acqua dolce o terrestre, ha sviluppato degli ampi spazi intercellulari in cui si ha la rapida diffusione della CO2 in fase gassosa, un sistema efficiente affinché all’interno della foglia si muova in fase gassosa e quindi più velocemente ed efficacemente. La diffusione di un gas è infine regolata anche dalla temperatura [legge di Henry] per cui all’aumentare della temperatura diminuirà la solubilità della CO2 nell’acqua e anche la sua concentrazione nella soluzione. Perciò bisogna anche tenere conto delle temperature ottimali delle piante da allevare.

 

Infine, ma non meno importanti, sono gli elementi nutritivi che si somministrano alle piante al fine di garantirne un’adeguata pigmentazione. Alcuni di questi elementi vengono considerati essenziali se rispondono a due criteri:

  1. la pianta non può completare il suo ciclo vitale in mancanza assoluta di uno di essi;

  2. fanno parte di molecole o costituenti [es: il magnesio fa parte della molecola della clorofilla.]

 

I principali elementi ritenuti essenziali sono 16: sette di questi [ molibdeno, rame, zinco, manganese, boro, ferro, cloro] sono considerati microelementi in quanto la pianta ne necessita a concentrazioni uguali o maggiori di 100 µg/g di peso secco; nove [zolfo, fosforo, magnesio, calcio, potassio, azoto, ossigeno, carbonio, idrogeno] sono chiamati macroelementi in quanto devono essere presenti ad una concentrazione uguale o maggiore di 1000 µg/g di peso secco.

 

pigmenti-06

Tabella degli elementi essenziali della maggior parte delle piante e loro concentrazione ottimale nel peso secco.

 

Le piante rispondono alla insufficiente disponibilità di questi elementi con delle manifestazioni caratteristiche. Da un punto di vista pratico questo ci serve a portare subito un rimedio al danno che osserviamo. Analizziamo quindi i principali elementi e i sintomi di una loro carenza:

 

Azoto

è un costituente essenziale di tutti gli aminoacidi, proteine, molecole di clorofilla, acidi nucleici [DNA, RNA] ed è quindi importantissimo per la crescita sana di una pianta. La carenza di azoto comporta una clorosi [colorazione giallastra], una perdita di pigmentazione, prima nelle foglie più vecchie e poi in quelle più giovani. Di solito sono sempre le foglie più vecchie a risentire delle carenze, in quanto molti elementi essenziali vengono fatti migrare verso le parti più giovani per bloccare il danno. Se invece vi è un eccesso di azoto la pianta diventerà verde scuro.

 

Fosforo

è anch’esso costituente fondamentale di molte molecole e macromolecole delle piante, soprattutto si trova legato a zuccheri coinvolti nella fotosintesi. Anche in questo caso la carenza comporta clorosi ma anche blocco della crescita. In alcuni casi c’è un accumulo di antocianine con una colorazione violacea della pianta.

 

Potassio

è importante come attivatore di alcuni enzimi e negli scambi gassosi. In carenza di potassio le foglie più vecchie ingialliscono e si ha la formazione di macchie bianche sul margine delle foglie.

 

Magnesio

si ritrova in tutte le molecole di clorofilla ed è essenziale per la loro attività. Se presente in quantità insufficiente si avranno foglie chiazzate e clorotiche, per mancanza di sintesi di clorofilla.

 

Calcio

è presente in grandi quantità nei vacuoli [organuli di accumulo delle cellule] sotto forma di cristalli. E’ utilizzato come attivatore di enzimi e in alcune fasi del ciclo cellulare. Le piante in carenza presentano le foglie giovani con un aspetto frastagliato, in quanto i tessuti crescono in maniera distorta e deforme.

 

Ferro

la su carenza inibisce la sintesi di clorofilla e dei pigmenti colorati per cui la pianta presenta clorosi e depigmentazione, soprattutto nelle foglie giovani. Le venature però rimangono verdi e risaltano sulla lamina fogliare trasparente e molto fragile. Non bisogna eccedere col ferro in quanto viene inibito l’assorbimento del manganese.

 

Cloro

viene assorbito come ione e tale rimane all’interno della pianta. Ha la funzione di stimolare la fotosintesi anche se ancora non sono chiare tutte le sue funzioni. Se manca le foglie necrotizzano e anche l’apparato radicale ne risente, infatti le radici non crescono. La carenza di cloro è comunque un fenomeno molto raro.

 

Manganese

di solito è sempre presente in quantità necessarie ma la carenza comporta necrosi delle nervature e lesioni necrotiche diffuse.

 

Boro

è essenziale in quanto in sua assenza le piante superiori non riescono a completare il loro ciclo vitale. E’ coinvolto anche nella sintesi dei pigmenti colorati. Se è carente il primo sintomo è il blocco della crescita delle radici, poi si susseguono vari tipi di sintomi già riscontrati in altri tipi di carenze.

 

Zinco

La su carenza comporta un arresto della crescita in quanto questo elemento è essenziale per la sintesi di un ormone della crescita [Auxina].

 

Rame

con la sua mancanza la pianta presenterà pigmentazione verde scuro, con foglie necrotiche e deformi.

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