Salinità e sostanza organica come fattori influenzanti la formazione di placche di ferro radicali in suoli sommersi

"The present doctoral research investigates the interactions between soil salinity, organic matter, and the formation of iron root plaques through a field study in a freshwater habitat affected by saltwater intrusion, along with two laboratory experiments. Increasing salinity, driven by drought, sea-level rise and unsustainable irrigation practices, alters hydrological and biogeochemical balances, reducing soil quality and affecting plant growth. Soil organic matter (SOM) is known to soil salinity stress, but the chemical mechanism involved in this process is not yet fully uncovered. Moreover, both SOM and salinity influence the dynamics of iron plaque formation on roots, yet their roles remain under debate due to contrasting effects primarily related to redox conditions and iron complexation. The thesis is structured into three experimental chapters. In the first one, conducted along salinity gradients in the Grado-Marano Lagoon with Phragmites australis, it was observed that salinity does not directly control iron plaque formation but acts indirectly by reducing soil redox potential and plant density. High pH values and reducing conditions favor iron precipitation as Fe³⁺, while higher salinity levels reduce the supply of oxygen to the roots necessary for Fe²⁺ oxidation. Since SOM did not show significant effects on iron plaque formation under field conditions, despite evidences reported in the literature, two controlled laboratory experiments were conducted to isolate the mechanisms underlying its interactions with salinity and with the dynamics of iron plaque formation and dissolution on roots. In the first series of experiments, the ability of the humic fraction of SOM to mitigate salinity in solutions containing Na₂CO₃ and NaCl was evaluated. The humic substances studied effectively reduced osmotic stress induced by Na₂CO₃ through the dissociation of functional groups and Na⁺ complexation, stabilizing pH and conductivity. No effects were identified for NaCl. In the second study, the effect of dissolved organic matter on iron plaque formation on artificial roots was analyzed. Under all tested conditions, organic matter reduced iron precipitation as a function of the C:Fe ratio, acting as a chelating agent and limiting Fe³⁺ deposition. In summary, this thesis shows that salinity indirectly influences iron plaque formation through modifications to soil chemical properties and vegetation structure, while organic matter plays a key role in mitigating salt stress and strongly affecting iron precipitation dynamics on plant roots."

Il presente lavoro di dottorato analizza le interazioni tra salinità del suolo, materia organica e formazione di placche di ferro radicali attraverso uno studio in campo in ambienti lagunari soggetti a intrusione salina e due esperimenti di laboratorio. L’aumento della salinità, legato a siccità, innalzamento del mare e pratiche irrigue non sostenibili, altera gli equilibri idrologici e biogeochimici riducendo la qualità del suolo e ostacolando la crescita vegetale. La sostanza organica del suolo (SOM) è nota per mitigare lo stress osmotico indotto dalla salinità, ma il meccanismo chimico coinvolto non è ancora pienamente chiarito. Inoltre, sia la SOM sia la salinità influenzano la dinamica di formazione delle placche di ferro radicali, ma il loro ruolo risulta controverso in letteratura a seguito di effetti contrastanti legati principalmente alle condizioni redox e alla complessazione del ferro. La tesi è articolata in tre capitoli sperimentali. Nel primo, condotto lungo gradienti salini nella Laguna di Grado-Marano con Phragmites australis, è stato osservato che la salinità non controlla direttamente la formazione delle placche di ferro, ma agisce indirettamente riducendo il potenziale redox del suolo e la densità vegetale. Valori elevati di pH e condizioni riducenti favoriscono la precipitazione del ferro come Fe³⁺, mentre concentrazioni saline più alte riducono l'apporto di ossigeno radicale necessario all’ossidazione di Fe²⁺. Poiché in condizioni di campo la SOM non ha mostrato effetti significativi sulla formazione delle placche di ferro, nonostante le evidenze riportate in letteratura, sono stati avviati due esperimenti controllati in laboratorio con l’obiettivo di isolare i meccanismi alla base delle sue interazioni con la salinità e con le dinamiche di formazione e dissoluzione delle placche radicali di ferro. Nella prima serie di esperimenti, è stata valutata la capacità della frazione umica della SOM di mitigare la salinità in soluzione contenente Na₂CO₃ e NaCl. Le sostanze umiche studiate hanno ridotto efficacemente lo stress osmotico indotto da Na₂CO₃ grazie alla dissociazione dei gruppi funzionali e alla complessazione di Na⁺, stabilizzando pH e conducibilità. Nella seconda serie di esperimenti, è stato analizzato l’effetto della sostanza organica disciolta sulla formazione di placche di ferro su radici artificiali. In tutte le condizioni testate, la sostanza organica ha ridotto la precipitazione del ferro in funzione del rapporto C:Fe, agendo come agente chelante e limitando la deposizione di Fe³⁺. In sintesi, questa tesi mostra come la salinità influenzi la formazione delle placche di ferro in modo indiretto attraverso modifiche alle proprietà chimiche del suolo e alla struttura della vegetazione, mentre la sostanza organica rappresenti un fattore chiave capace di mitigare lo stress salino e influenzare fortemente le dinamiche di precipitazione del ferro sulle radici vegetali.