MUTUAL INFLUENCE BETWEEN SOIL BIOCRUSTS AND EROSION PROCESSES IN BADLANDS

Biological soil crusts (biocrusts or BSCs) are a complex community of microorganisms (cyanobacteria, fungi, algae, lichens, bryophytes, and mosses) that can modify the physical, chemical, and hydrological properties of the soil, also influencing the soil's resistance to water erosion. These communities form crusts on the soil surface, influencing the water dynamics above and within the soil.How BSCs influence infiltration and surface runoff processes depend on which microorganisms form the BSC and what their characteristics are (secondary metabolites, cell morphology, crust morphology, exopolysaccharide production, production of hydrophobic compounds) (Cantón et al., 2020; Chamizo et al., 2016; Guida et al., 2023). BSCs, through their secondary metabolites, can improve soil particle aggregation, thereby improving their resistance to water erosion. These microorganisms are particularly relevant in erosion-prone areas such as calanchi, which are a type of badlands. Calanchi are areas in which erosive phenomena are particularly intense and are characterized by very steep slopes, predominantly clayey soils, heavily degraded, and devoid of vegetation (Guida et al., 2022). Erosion phenomena, leading to the removal of surface soil layers, cause a reduction in soil fertility and productivity, also impacting soil biodiversity. Under such conditions, the microbial community of BSCs represents the only biota capable of surviving in such adverse and limiting conditions.Due to the characteristics of BSCs, several researchers have applied these microorganisms as microbial inoculum on soil and monitored their effects on soil hydrology and erosion phenomena (Chamizo et al., 2018; Kheirfam et al., 2017a; Sadeghi et al., 2017, 2020a). Conflicting results are present in the literature regarding the effects induced by BSCs on soil hydrology, while their role in reducing soil losses from water erosion is widely recognized.This Ph.D. thesis reports the state-of-art regarding BSCs and the influences on soil characteristics, hydrology, and erosion phenomena; the results of experiments aimed at determining the composition of the microbial community at various sites, all falling within a calanchi area and differing in altitude, presence of vegetation, and level of soil degradation; and the results of experiments aimed at determining how properly selected microbial inoculum affects the soil hydrology and erosion.The microbiological analyses on the calanchi sites were carried out using two approaches: a “classical” microbiological approach, aimed at determining how microbial loads vary according to the different degradation levels, and the isolation of microorganisms that can be used as components of a microbial inoculum; and a “metagenomic” approach, which allowed the composition of the microbial and fungal communities to be determined, identifying the various taxa to the genus and species level. This latter approach also permitted the assessment of the biodiversity of the sites, identifying the presence or absence of functional groups of microorganisms and assessing their influence on site conditions.The microbial loads were influenced by the intensity of erosion processes and the level of degradation of the calanchi sites. In particular, the microbial community showed erosion traits, and no differences in microbial load were reported between non-degraded (ND) and lightly degraded (LD) sites. In contrast, lower levels of microbial load are reported in severely degraded (SD) sites, in response to the survival of only a few microorganisms.Furthermore, metagenomic analyses revealed different responses of the microbial community in response to the intensity of erosion processes and the level of site degradation. As the level of site degradation increases, the biodiversity of the microbial and fungal communities initially increases in response to erosive processes and limited site degradation, while it drastically decreases in severely degraded (SD) sites due to the inhabiting conditions of these sites. Moreover, at the latter sites, the microbial community is predominantly composed of pathogens, posing a risk to human health.In the final instance, bacterial strains were isolated, selected based on their metabolic characteristics, and used as microbial inoculum in soil microplots. The microorganisms were selected on the basis of their viability, ability to grow under different temperature and soil conditions, ability to secrete exopolysaccharide (EPS), ability to form soil aggregates, high growth rates, gliding ability, production of sunscreen substances, and non-pathogenicity. Each microplot was first inoculated, left to mature for a period suitable for the formation of microbial crusts on the surface, and then subjected to rainfall simulations of known intensity. The runoff and soil loss produced during each rainfall simulation were compared by evaluating the effect of inoculation on hydrology and water erosion. The effect of microbial inoculum was also evaluated by applying simulated rainfall with different intensities. Finally, the redistribution of microbial load within the microplots as a consequence of the simulated rainfall was also assessed, with particular reference to the top, middle, and bottom regions of each microplot.The results showed that the simulated rainfall intensity influenced the effects of microbial inoculum on soil hydrology and water erosion. Specifically, for low-intensity rainfall, microbial inoculum reduced surface runoff and soil loss, while for intermediate-intensity rainfall, it had the opposite effect. Finally, the effects of microbial inoculum on runoff and soil loss were negligible for high intensity rainfall.Furthermore, the intensity of the simulated precipitation influenced the spatial distribution of the microbial community. As expected, after the rainfall simulations, greater decreases in microbial community load levels were found in the upper regions than in the lower regions, following the same gradient as the direction of runoff. However, the effects of low- and intermediate-intensity rainfall on microbial load levels were comparable and more appreciable in the upper regions, whereas high-intensity rainfall resulted in a significant decrease in microbial levels in all regions analyzed.

Le croste biologiche (biocrusts o BSCs) sono una complessa comunità di microrganismi (cianobatteri, fungi, alghe, licheni, briofite, e muschi) in grado di modificare le proprietà fisiche, chimiche e idrologiche del suolo, influenzando anche la resistenza del suolo all’erosione idrica. Queste comunità formano delle croste sulla superficie del suolo, e influenzano il movimento dell’acqua sia sopra che all’interno del suolo.Il modo in cui i BSCs influenzano i processi di infiltrazione e di deflusso superficiale dipende da quali microorganismi formano il BSC, e da quali sono le loro caratteristiche (metaboliti secondari, morfologia cellulare, morfologia della crosta, produzione di esopolisaccaridi, produzione di composti idrofobici) (Cantón et al., 2020; Chamizo et al., 2016; Guida et al., 2023). I BSCs, attraverso i loro metaboliti secondari, possono migliorare lo stato di aggregazione delle particelle di suolo, riducendo di conseguenza l’erodibilità del suolo. Questi microorganismi risultano particolarmente rilevanti in aree, come quelle calanchive, soggette a fenomeni erosivi particolarmente intensi e caratterizzate da versanti molto ripidi, da suoli prevalentemente argillosi, fortemente degradati, e privi di vegetazione (Guida et al., 2022). I fenomeni erosivi, determinando l’asportazione degli strati superficiali di suolo, causano la riduzione della fertilità e produttività del suolo, e hanno un considerevole impatto sulla biodiversità. In tali condizioni, la comunità microbica dei BSCs rappresenta l’unico biota in grado di sopravvivere in condizioni così avverse e limitanti.In ragione delle caratteristiche dei BSCs, diversi ricercatori hanno applicato questi microorganismi come inoculo microbico sul suolo e monitorato gli effetti che questi producevano sull’idrologia del suolo e sui fenomeni erosivi (Chamizo et al., 2018; Kheirfam et al., 2017a; Sadeghi et al., 2017, 2020a). Risultati contrastanti sono presenti in letteratura riguardo gli effetti indotti dai BSC sull’idrologia del suolo, mentre è riconosciuto il loro ruolo nella riduzione delle perdite di suolo da erosione idrica.Nella presente tesi di Dottorato sono presentati: lo stato dell’arte riguardo i BSCs e le influenze sulle caratteristiche del suolo, sull’idrologia e sui fenomeni erosivi; i risultati di sperimentazioni volte a determinare la composizione della comunità microbica in vari siti, tutti ricadenti all’interno di un’area calanchiva, e che differiscono per altitudine, presenza di vegetazione, e livello di degradazione del suolo; e i risultati di sperimentazioni volte a determinare l’influenza di un inoculo microbico opportunamente selezionato sull’idrologia e sull’erosione del suolo. Le analisi microbiologiche sui siti calanchivi sono state condotte con due approcci: un approccio microbiologico “classico”, volto alla determinazione di come le cariche microbiche varino in funzione dei diversi gradienti di degradazione, e all’isolamento di microorganismi da potere utilizzare come componenti di un inoculo microbico; e un approccio “metagenomico”, che ha permesso di determinare la composizione della comunità microbica e fungina, identificando i vari taxa fino a livello di genere e specie. Quest’ultimo approccio permette anche di valutare la biodiversità dei vari siti, di identificare la presenza o assenza di gruppi funzionali di microrganismi, e di valutare la loro influenza sulle condizioni del sito.I livelli di carica della comunità microbica sono risultati essere influenzati dall’intensità dei fenomeni erosivi e dal livello di degradazione dei siti del calanco. In particolare, la comunità microbica ha mostrato capacità di resistenza ai fenomeni erosivi e non sono state riportate differenze in termini di carica microbica tra i siti non degradati (ND) e quelli leggermente degradati (LD). Al contrario, livelli di carica microbica più bassi sono riportati in siti severamente degradati (SD), in risposta alla sopravvivenza di solo pochi microrganismi. Inoltre, le analisi metagenomiche hanno rilevato risposte differenti della comunità microbica in risposta all’intensità dei fenomeni erosivi e al livello di degradazione dei siti. Con l'aumento del livello di degradazione dei siti, la biodiversità della comunità microbica e fungina inizialmente aumenta, in risposta a processi erosivi e degradazione dei siti ancora limitati, mentre si riduce drasticamente in siti fortemente degradati (SD), caratterizzati da condizioni inospitali. Inoltre, in questi ultimi siti, la comunità microbica risulta prevalentemente composta da patogeni, rappresentando un rischio per la salute umana.In ultima istanza, alcuni ceppi batterici sono stati isolati, selezionati sulla base delle loro caratteristiche metaboliche, ed utilizzati come inoculo microbico in microplots di suolo. I microrganismi sono stati selezionati sulla base della loro vitalità, capacità di crescita in differenti condizioni di temperatura e di suolo, capacità di secrezione di esopolisaccaridi (EPS), capacità di formare aggregati di suolo, alti ritmi di crescita, capacità di muoversi all’interno del suolo, capacità di produrre sostanze fotoschermanti, e non patogenicità. Ciascun microplot è stato dapprima inoculato, lasciato maturare per un periodo di tempo idoneo alla formazione di croste microbiche sulla superficie, e successivamente sottoposto a simulazioni di pioggia di nota intensità. Il deflusso e i sedimenti prodotti durante ciascuna simulazione di pioggia sono stati confrontati con quelli ottenuti in plot non inoculati, per valutare l’effetto dell’inoculo su alcune proprietà idrologiche e sull’erosione idrica. L’effetto dell’inoculo microbico è stato anche studiato applicando differenti intensità di pioggia simulata. Infine, è stata determinata anche la ridistribuzione della carica microbica all’interno delle microplot in seguito alla pioggia simulata, con particolare riferimento alle regioni sommitali, mediane e basali di ciascuna microplot.I risultati hanno mostrato che l’intensità di pioggia simulata influenza gli effetti dell’inoculo microbico sull’idrologia del suolo e sull’erosione idrica. In particolare, per piogge a bassa intensità, l’inoculo microbico ha ridotto il deflusso superficiale e la perdita di suolo, mentre, per piogge a intensità intermedia, esso ha determinato l’effetto opposto. Infine, gli effetti dell’inoculo microbico sul deflusso e sulla perdita di suolo sono risultati trascurabili per piogge ad alta intensità.Inoltre, l'intensità delle precipitazioni simulate ha influenzato la distribuzione spaziale della comunità microbica. Come atteso, a seguito delle simulazioni di precipitazione, sono stati riscontrati decrementi dei livelli di carica microbica della comunità più consistenti nelle regioni superiori rispetto a quelle inferiori, seguendo lo stesso gradiente della direzione del deflusso. Tuttavia, gli effetti delle piogge ad intensità bassa e intermedia sui livelli di carica microbica sono risultati comparabili e più apprezzabili nelle regioni superiori, mentre, le piogge ad alta intensità hanno determinato una diminuzione significativa del livello di microrganismi in tutte le regioni analizzate.