La nutrizione minerale nelle piante d'acquario.

Quando nei primi anni ’70 ebbe inizio quella che per me si sarebbe rivelata come una lunga quanto entusiasmante avventura in campo acquariofilo, l’attenzione da parte degli appassionati nei riguardi delle piante d’acquario era davvero minima se non del tutto inesistente. A quei tempi, infatti, le piante quasi sempre s’introducevano in vasca senza alcuna cognizione di causa lasciando che il loro sviluppo fosse regolato esclusivamente dai dettami del caso. Questa cosa oggigiorno può, forse, apparirci assurda eppure a quei tempi solo di rado si guardava a loro come a degli esseri viventi con delle precise esigenze nutrizionali. In questi ultimi anni, tuttavia, si è potuto assistere ad una netta inversione di tendenza. Ciò ha fatto si che sempre più appassionati si avvicinassero alla questione  con una ben diversa consapevolezza. A questi appassionati ed a coloro che desiderano addentrarsi nei “segreti” di un acquario dedicato alle piante (ma non solo), con questo articolo si vuole cercare di offrire quelle basi cognitive minime che dovrebbero far parte del bagaglio culturale di ogni acquariofilo.Un articolo, dunque, dai toni in alcuni casi scolastici per cercare di dare risposta ad alcuni quanto basilari quesiti inerenti la nutrizione minerale nelle piante d’acquario per un’acquariofilia sempre più consapevole.

Figura 1. Visione panoramica di una piccola vasca dedicata alle piante.

Una prima distinzione
Andando a prendere in considerazione il meccanismo attraverso il quale tutti gli organismi viventi ricavano energia per il proprio metabolismo, è possibile definire due fondamentali classi in cui raggrupparli: quella degli autotrofi e quella degli eterotrofi. Alla prima classe appartengono tutti quelli in grado di sintetizzare componenti organici a cominciare da semplici sostanze inorganiche come lo sono anidride carbonica (CO2), acqua (H2O), ioni ammonio (NH4+), nitrati (NO3-) ed alcuni minerali solubili. Alla seconda di contro, appartengono quegli organismi che non sono capaci di sintetizzare anche una soltanto delle sostanze organiche a loro necessarie. La maggioranza degli organismi autotrofi sono fototrofi ovvero utilizzano il processo di fotosintesi per trasformare anidride carbonica ed acqua in carboidrati secondo un processo così schematizzabile:

Altri organismi autotrofi sono, invece, chemiotrofi ovvero non ottengono l’energia dalla luce come i fototrofi bensì attraverso reazioni di ossidoriduzione di composti inorganici dell’azoto, dello zolfo, del ferro, etc. Tra i chemiotrofi, figurano i batteri nitrificanti a tutti ben noti in quanto responsabili dell’ossidazione dell’azoto ammoniacale dapprima a nitrito e poi a nitrato. Molti batteri, le alghe e tutte le piante (salvo poche eccezioni), si possono annoverare tra gli organismi autotrofi. Le piante che ospitiamo nei nostri acquari, che siano esse o meno vere piante acquatiche, sono organismi fototrofi.

Gli elementi indispensabili
Anidride carbonica ed acqua sono senza ombra di dubbio sostanze assolutamente necessarie; tuttavia da sole non potrebbero sostenere lo sviluppo di una qualsiasi pianta.  Nelle proteine, negli enzimi, negli acidi nucleici ed in molte altre molecole sono presenti diversi elementi oltre a C, H ed O di cui le piante non possono fare a meno. Le piante d’acquario ottengono questi elementi dal fondo e/o dall’acqua,  questo in quanto sono in grado d’assumere la maggior parte dei nutrienti sia attraverso le foglie che le radici.

Tabella 1. C, H ed O sono i tre elementi più abbondanti nei tessuti di ogni pianta, come intuibile dalla percentuale sul contenuto secco.

Tutti questi elementi nel loro complesso vengono comunemente  indicati come elementi indispensabili od essenziali. Qualora anche uno solo di essi non si venisse a rendere disponibile nella giusta quantità per l’assorbimento da parte di una pianta, la stessa non sarebbe più in grado di svilupparsi normalmente e dunque di completare il proprio ciclo vitale. Per tale motivo, nelle nostre vasche, è di fondamentale importanza il riuscire a garantirne un costante e bilanciato apporto. Vi sono diversi modi di classificare i nutrienti essenziali. Taluni autori preferiscono classificarli sulla base del loro ruolo biochimico, altri sulla base di quella che è la loro struttura chimica. Tuttavia, la maggioranza dei ricercatori, dopo un’iniziale suddivisione in elementi non minerali e nutrienti minerali, si trova concorde nel perpetrare un’ulteriore suddivisione in macronutrienti e micronutrienti. Questomalgrado le differenze di concentrazione non sempre siano così evidenti come ci si potrebbe aspettare e tali da giustificare sino in fondo una simile suddivisione.

Figura 2.Granuli di amido, la principale sostanza di riserva delle piante, campo chiaro - 400x.

In acquario tutti questi elementi possono presentarsi in forme diverse:

• In forma combinata
• In forma adsorbita
• In forma libera

In forma combinata li troviamo principalmente nella materia organica in decomposizione, in forma adsorbita sulla superficie degli scambiatori, come certe argille impiegate quale substrato fertilizzante, ed in forma libera come ioni, molecole o chelati. Questi elementi sono anche interessati da fenomeni di:

• Solubilizzazione e precipitazione
• Adsorbimento e desorbimento
• Mineralizzazione e organicazione

In linea generale, si può dire che le reazioni di solubilizzazione, desorbimento e mineralizzazione sono quelle che all’interno delle nostre vasche portano nutrienti alle piante; mentre al contrario quelle di precipitazione, adsorbimento ed organicazione sottraggono, almeno temporaneamente, questi nutrienti. Tutti i processi sono, inoltre, influenzati da importanti fattori quali il pH, il potenziale redox, la concentrazione di sostanze umiche, l’attività microbica e, certamente non per ultimo, dalla quantità e tipologia di fertilizzante che si va ad introdurre.

Nutrienti minerali

Macronutrienti non metallici
Gli elementi non metallici (N, P e S) vengono quasi sempre assorbiti come ioni complessi, ovvero come ioni costituiti da più di un elemento. Tutti e tre lo sono come anioni: nitrato, fosfato e solfato.  Tuttavia l’azoto può essere assorbito anche in altre forme, cioè come catione (NH4+) e se pur meno frequentemente in forma elementare ed organica.

Azoto. Dopo C, O, ed H, l’azoto, contrariamente al significato etimologico del termine (senza vita), può considerarsi come il più importante elemento della materia organica vegetale andando a costituire generalmente dall’ 1,5  al 3% del contenuto della sostanza secca.

Figura 3. Rotala rotundifolia "green".

Gli organismi vegetali possono assumerlo praticamente in tutte le forme presenti nella biosfera a seconda delle specie d’appartenenza e dunque come azoto elementare, azoto minerale (ammoniacale e nitrico) o come azoto organico (aminoacidi, nucleotidi, urea, etc). L’azoto elementare o molecolare (N2) è ad esclusivo appannaggio di specie caratterizzate da quello che senza dubbio può definirsi come un superiore grado di specializzazione. Tale grado è ravvisabile, ad esempio, in alcune specie di cianobatteri filamentosi, capaci attraverso cellule specializzate dette eterocisti di fissare l’azoto in questa forma chimica; cioè di trasformarlo in ammoniaca (NH3 – azoto fissato).

Tabella 2 . I macronutrienti minerali indispensabili alle piante.

L’azoto minerale che può essere distinto in ammoniacale (NH3, NH4+) e nitrico (NO2-, NO3-) è quello più facilmente assorbito praticamente da tutte le specie vegetali. L’azoto nitrico è e deve essere prevalentemente presente come nitrato (NO3-) e non come nitrito (NO2-) a causa della sua potenziale tossicità.  L’azoto organico non è direttamente disponibile per le piante d’acquario ma può costituire una fonte di azoto occulto, cioè non rilevabile attraverso i comuni kit ad uso acquariofilo capace di sostenere lo sviluppo di alghe e cianobatteri. Questo tipo di azoto, è riscontrabile soprattutto in forma amminica (proteine) ed in quantità decisamente minori in forma eterociclica (basi azotate degli acidi nucleici). In acquario, la biomassa microbica presente controlla processi come la proteolisi, l’ammonificazione, la nitrificazione  e la denitrificazione. Si tratta di processi in grado di essere svolti dalla maggioranza dei batteri presenti in una vasca e di cui possiamo renderci conto, se pur in parte, attraverso il monitoraggio di ammoniaca, nitriti e nitrati. La proteolisi porta al rilascio dell’azoto amminico dalla sostanza organica in decomposizione, mentre l’ammonificazione conduce alla riduzione dei gruppi –NH2 ad NH3.

Vale senz’altro la pena di ricordare a questo punto della discussione che, per quanto concerne l’azoto ammoniacale, esiste una precisa relazione d’equilibrio fra le due specie chimiche che lo compongono ed esprimibile attraverso la seguente equazione:

Questo fa si che ai normali intervalli di pH delle nostre vasche (6,8-7,5) troveremo quasi tutto l’azoto ammoniacale sotto forma di cationi NH4+ e come tale soggetto a fenomeni di assorbimento e rilascio per scambi cationici ed a processi di fissazione in forma non scambiabile. Il successivo passaggio è quello di nitrificazione, processo certamente ben noto alla maggioranza degli acquariofili. I batteri ammonio-ossidanti ossidano l’ammoniaca a nitrito:

I nitrito-ossidanti ossidano il nitrito a nitrato:

Ultimo possibile passaggio nel ciclo dell’azoto è quello di denitrificazione, operato da batteri anaerobi eterotrofi che, qualora completo, porta alla formazione di protossido d’azoto (N2O) o ad azoto molecolare (N2).

Figura 4. Vesicularia dubyana.

Poiché le piante d’acquario generalmente assorbono l’azoto a grado di ossidazione diverso da quello dell’ammoniaca, la nutrizione azotata può suddividersi in tre fondamentali fasi:

• Assorbimento
• Riduzione
• Incorporo in composti organici

Figura 5.Le tre fondamentali fasi della nutrizione azotata nelle piante.

Questo potrebbe indurci a ritenere che in un acquario d’acqua dolce la presenza di ioni ammonio, grazie al risparmio energetico derivante dalla mancata riduzione, possa andare a ripercuotersi favorevolmente sullo sviluppo delle piante. In realtà la presenza di questa specie chimica favorisce più le alghe che non le piante, alghe che sono in grado di assorbirla molto più efficacemente anche quando  si trova presente in minime concentrazioni. Inoltre, una sua relativamente elevata presenza può esercitare un’azione tossica in grado di ripercuotersi negativamente sull’accrescimento delle piante.

Pertanto, in  acquario è di fondamentale importanza favorire i processi di nitrificazione in modo che l’azoto ammoniacale possa venire rapidamente ossidato. Solo i batteri, infatti, sono in grado di competere efficacemente con le alghe nel suo assorbimento. La fonte privilegiata di azoto in vasca per le piante dev’essere dunque il nitrato.

Fosforo. Il fosforo, contenuto nelle piante in concentrazioni dell’ordine dello 0,1-0,5% della sostanza secca, è il secondo macronutriente di cui ci andremo ad occupare. Con la sua presenza od assenza, è in grado di condizionare pesantemente lo sviluppo degli organismi, e dunque anche quello delle piante in qualunque acquario d’acqua dolce. Quando comodamente seduti davanti ad una vasca, osserviamo ad esempio un pesce espellere delle feci od indugiamo con lo sguardo sui detriti organici che si accumulano sul fondo, possiamo essere certi che da questi si stia andando ad originare fosforo di natura organica. Questo può essere costituito da acidi nucleici, nucleotidi, fosfolipidi, fosfoproteine, etc.; cioè da forme non sfruttabili dalle piante. Se il fosforo rimanesse così strutturato queste potrebbero venirsi a trovare nelle ipotetiche condizioni di chi, circondato da un’abbondanza di scatolette di cibo, non possedesse nulla con cui aprirle finendo col morire di fame. Nel mentre, alghe e cianobatteri, capaci di aprire quelle scatolette, inizierebbero a prendere il sopravvento. Perché quel fosforo possa rendersi disponibile all’assorbimento anche da parte delle piante, occorre che le specie chimiche in cui è contenuto subiscano un processo di mineralizzazione ovvero ed in genere, un idrolisi catalizzata da fosfatasi di origine batterica.

Le piante, infatti, assorbono fosforo come anioni dell’acido ortofosforico (H3PO4) che come tali vengono traslocati nelle loro parti epigee. A secondo del pH presente, in vasca, dovremo registrare la presenza di concentrazioni differenti di acido indissociato e dei suoi ioni.  L’acido fosforico, infatti, è un acido mediamente forte nella sua prima dissociazione, debole nella seconda e debolissimo nella terza. A pH neutro, ad esempio, avremo una netta prevalenza di ioni HPO4—(67%) con circa un 33% di ioni H2PO4-.

Figura 6. Rappresentazione semplificata del ciclo del fosforo così come può presentarsi in acquario.

Nelle piante i principali organi deputati all’assorbimento del fosforo sono le radici. Queste sono in grado di modificare le loro funzioni e la  loro struttura a livello cellulare di modo da potersi procurare questo prezioso elemento il più efficacemente possibile. Poiché questo in esse è contenuto spesso nell’ordine di frazioni di parte per milione, se ne deduce chiaramente che si tratta anche in questo caso di un trasporto attivo. E’ di fondamentale importanza, affinché, nella pianta si possano raggiungere concentrazioni elevate che l’assorbimento possa procedere piuttosto rapidamente.Questo lo possiamo ottenere inizialmente prestando particolare attenzione nell’allestimento del fondo che, a tal fine, dev’essere costituito da materiale atto a favorire l’insediamento batterico come certe argille e ghiaietto con una granulometria non inferiore ai 3-4 mm per uno spessore complessivo non eccedente i 6 cm.

La mineralizzazione delle sostanze organiche in decomposizione in un simile fondo è in grado di fornire una sufficiente quantità di fosforo alle piante che lo possono rapidamente ed efficacemente assorbire attraverso l’apparato radicale. Teniamo però presente che in acquari con una forte illuminazione (circa 1 watt/l) ed abbondante presenza di CO2 (25 – 30 mg/l) può avvertirsi la necessità di una regolare aggiunta di P nella colonna d’acqua per sopperire alla grossa domanda di questo elemento da parte delle piante presenti. In queste circostanza, infatti, può anche capitare di assistere a consumi giornalieri dell’ordine di 0,25 mg/l ed oltre.

Figura 7. Salvinia natans.

Dato che per un appassionato può risultare difficile dedurre quale sia l’effettiva disponibilità di fosforo all’interno di una propria vasca, come regola generale, non si può che consigliare di ridurre ai minimi termini la presenza di pesci, chiamandoli a giocare un ruolo molto più marginale di quello a cui siamo abituati.

Zolfo. Lo zolfo, presente nelle piante in concentrazioni pari allo 0,2-0,5% del contenuto della sostanza secca,  è un costituente essenziale delle proteine. Viene assorbito dalle piante come ione solfato (SO4--) di cui una normale acqua di rubinetto è abbastanza ricca con percentuali in genere superiori al 10%. Comunque, un certo apporto lo si deve attribuire anche  ai processi di  mineralizzazione che si perpetrano all’interno della vasca. Dato che lo ione SO4-- ha origine da un acido forte, il pH normalmente non riveste un ruolo di rilievo nella sua esistenza come tale. Anche se  ragioni di carattere fisiologico fanno si che a pH 6,5 si possa registrare il massimo assorbimento per questo ione da parte delle piante, questo viene assorbito bene anche negli altri normali intervalli di pH. In acquario il suo assorbimento non è soggetto all’influenza da parte di nessun altro ione normalmente presente.

Contrariamente ad N e P non avviene una sua redistribuzione dagli organi più vecchi a quelli in via di formazione.

Macronutrienti cationici
Potassio, calcio e magnesio, sono assorbiti dalle piante rispettivamente come cationi K+, Ca++ e Mg++.Il loro assorbimento, quasi sempre riconducibile a processi di natura attiva,  può essere talora caratterizzato da fenomeni di competizione che vede principalmente gli ioni K+ e Ca++ comportarsi quali antagonisti nell’assorbimento di quelli Mg++. Tuttavia si possono registrare fenomeni di antagonismo anche da parte degli ioni Mg++ nei confronti di quelli K+. Questo significa che anche in presenza di concentrazioni che ci possono apparire adeguate le piante non sono al riparo da possibile carenze.

Potassio. Con concentrazioni che possono arrivare a toccare l’1% del contenuto della sostanza secca, il potassio è certamente tra gli elementi minerali più abbondanti nelle piante e questo malgrado non faccia parte integrante di alcun importante composto. Interviene nella regolazione del potenziale osmotico a livello cellulare e costituisce un attivatore di molti enzimi coinvolti nei processi di respirazione e fotosintesi. Fondamentale è il suo ruolo  nella sintesi di composti macromolecolari quali amido e proteine.

Le piante lo assorbono come catione K+ , agevolate in questo dalla presenza di concentrazioni significative di ioni calcio (Ca++). Il rischio d’incorrere in carenze di potassio in una qualsiasi vasca è sempre molto elevato per cui è senz’altro raccomandabile  preventivarne il reintegro. Essendo un elemento molto mobile all’interno del floema, viene rapidamente ridistribuito dai tessuti  vecchi a quelli più giovani ed in accrescimento.

Calcio. Il calcio è contenuto nelle piante in ragione dello 0,5-3% del contenuto della sostanza secca e  questo fa che sia spesso il catione più abbondante al loro interno.

Figura 8. Cristalli di osssalato di calcio, illuminazione obliqua - 400x..

Riveste varie ed importanti funzioni intervenendo ad esempio nella sintesi di nuove pareti cellulari. Difficile che in acquario si presentino carenze dovute all’assenza di questo elemento. Una durezza totale superiore a 2° dGH è già di per sé sufficiente a porci  al riparo da possibili sorprese. Occorre sottolineare, infatti, la capacità da parte delle piante, qualora anche gli altri elementi bivalenti non siano disponibili in forti concentrazioni, di non risentirne nemmeno in presenza di concentrazioni molto basse.

Una sua concentrazione  interna anche dell’ordine dello 0,01-0,08% può essere, infatti, sufficiente a garantire il fabbisogno della pianta. Questo fatto propenderebbe a favore della tesi che attribuisce le forti concentrazioni trovate all’interno delle piante legato più ad un “consumo di lusso” che non a reali necessità. Il calcio è poco mobile nel floema e questo comporta che non vi sia una sua traslocazione dalle foglie più vecchie a quelle più giovani. In vacuoli all’interno delle cellule, lo possiamo trovare sotto forma di sale insolubile: ossalato, carbonato e fosfato.

Magnesio. Con una concentrazione normalmente tra lo 0,2% e lo 0,5% del contenuto della sostanza secca, il magnesio è certamente il meno abbondante dei 3 macronutrienti cationici. Si tratta di un importante attivatore enzimatico a livello respiratorio e fotosintetico. Anche per il magnesio vale il discorso fatto per il calcio, dove  una durezza totale superiore a 2° dGH è sufficiente a porci al riparo da possibili carenze. A differenza del calcio risulta mobile nel floema e, dunque, può essere ridistribuito in caso di necessità dai tessuti più vecchi a quelli più giovani.