ECTS - University of Pisa
Al termine del corso:
Le fasi di formazione, sviluppo e produttività del sistema “polifase” suolo e la sua protezione dai processi di degradazione naturali e antropici. I parametri della qualità̀ del suolo, come indicatori per una agricoltura più sostenibile. L’impiego della strumentazione di laboratorio per le analisi del suolo.
The course is aimed to understand the physical, chemical and biological context of the organic molecules, the organic reactions and the metabolic pathways, with particular attention to the relation between structure and function of the major classes of biopolimers and to the metabolic regulation at molecular and cellular level. The course provides notions on the structure and function carbohydrates, lipids, protein and nucleotides, the principles of enzymes and enzyme kinetics, bioenergetics, metabolic processes and their control All students should have further in-depth knowledge of several areas related to their chosen discipline: cell biology, organic and inorganic chemistry. All students will have experience in biochemistry laboratory techniques.
The phases of formation, development and productivity of the "multi-phase" soil system and its protection from natural and anthropic degradation processes. The parameters of soil quality, as indicators for a more sustainable agriculture. The use of laboratory instruments for soil analysis.
Per l'accertamento delle conoscenze saranno svolte delle prove in itinere utilizzando test, ma anche incontri virtuali tra il docente e gli studenti che si svolgeranno con lezioni di accertamento finalizzate alla valutazione delle conoscenze acquisite.
For the assessment of the knowledges ongoing written tests will be carried out, besides meetings between the teacher and the students by means of lessons aimed at evaluating the gained information.
Al termine del corso:
lo studente sarà in grado di vallutare le proprietà fisiche, chimiche e biologiche del suolo e i processi chimici e biologici che avvengono, le interconnessioni tra questi processi nonchè le modalità di esecuzione delle analisi chimiche e biologiche relative al suolo. Considerare le principali caratteristiche del terreno da cui dipendono i processi produttivi per elaborare interventi di fertilizzazione e disegnare le procedure per il recupero di suoli degradati.
At the end of the course:
the student will be able to evaluate the physical, chemical and biological properties of the soil and the chemical and biological processes that take place, the interconnections between these processes and the methods for carrying out the chemical and biological analyzes related to the soil. To consider the main characteristics of the soil, on which production processes depend, to develop fertilization interventions and design procedures for the recovery of degraded soils.
Durante lo svolgimento del corso verranno effettuate lezioni in cui saranno svolti accertamenti nei quali lo studente dovrà dimostrare di avere acquisito le giuste informazioni riguardanti i processi biochimic, la pedogenesi, la composizione e le proprietà del suolo, nonchè le capacità di risolvere esercizi sulla termodinamica, sull'attività degli enzimi, sugli elementi nutritivi del suolo e sulla fertilizzazione.
During the course assessment lessons will be carried out, during which the student must demonstrate to have acquired the right information on biochemical pathways, on soil formation, composition and properties of soil, as well as the ability to solve exercises on thermodynamics, on enzymatic activity on the nutrients of the soil and its fertilization.
Alla fine del corso lo studente potrà acquisire e/o sviluppare:
At the end of the course the student will acquire and/or develop:
to sample the soil with the right criteria
to use the basic tools of a soil chemistry laboratory, to identify the most important chemical parameters and to interpret the results of an analysis sheet
to recognize the type of soil and address the issues related to the improvement of its fertility with interventions aimed at maintaining its quality over time.
La verifica dei comportamenti sarà effettuata:
durante le esercitazioni numeriche e/o di laboratorio in cui si valuterà il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
durante le esercitazioni di accertamento finalizzate a valutare il comportamento dello studente di fronte alle problematiche poste dal docente
The behaviour verification will be carried out:
Per affrontare l'insegnamento di Chimica Agraria sono necessarie le conoscenze iniziali di:
The Agricultural Chemistry course requires initial knowledges concerning:
Modulo BIOCHIMICA AGRARIA
1. Definizione di Biochimica e richiami riguardanti la struttura della cellula degli organismi procarioti ed eucarioti. Richiami sulla struttura chimica delle principali classi di molecole organiche (Carboidrati, Amminoacidi, Acidi Grassi ed Acidi Nucleici). Struttura e funzionalità delle membrane cellulari.
2. RICHIAMI DI BIOENERGETICA. Dopo avere ripreso i concetti fondamentali relativi alle leggi della termodinamica verranno approfonditi i seguenti argomenti: energia libera, energia libera e costante di equilibrio delle reazioni chimiche, potenziale redox ed energia libera. Conversione dell’energia nelle membrane e termodinamica dei composti contenenti fosfato. Componenti delle catene di trasporto elettronico nei mitocondri e nei cloroplasti. Reazioni di trasferimento dei gruppo fosforico. Sintesi dell’ATP. Gradiente protonico elettrochimico di membrana.
3. ELEMENTI DI ENZIMOLOGIA. Classificazione degli enzimi. Modi di azione degli enzimi, loro funzioni e fattori che agiscono sulla loro attività catalitica. Fattori che interferiscono con la velocità delle reazioni enzimatiche: concentrazione dell’enzima e del substrato (ordine delle reazioni, teoria di Michaelis-Menten), temperatura, pH, presenza di inibitori (inibitori reversibili ed irreversibili). Coenzimi [NAD(P)/NAD(P)H, FAD/FADH2, Coenzima A, ATP).
4. Introduzione al metabolismo cellulare (anabolismo e catabolismo). La glicolisi e la fermentazione. Complesso miticondriale della piruvato deidrogenasi. Struttura del mitocondrio. Il ciclo del citrato o ciclo TCA. La catena respiratoria: i diversi complessi, il trasporto elettronico e la sintesi di ATP. Ruolo dell’ossigeno nella respirazione. Resa energetica del metabolismo ossidativo. Stress ossidativo: radicali liberi, reazioni di Fenton e di Haber-Weiss, perossidazione lipidica e danni alle membrane biologiche.
5. CATABOLISMO DEI LIPIDI E OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI. La scissione dei trigliceridi: scissione dei fosfolipidi, catabolismo dei glicolipidi. Vie metaboliche per l’ossidazione degli acidi grassi. Differenze tra animali e piante.
6. LA FOTOSINTESI. Classificazione degli organismi fotosintetici: ossigenici ed anossigenici. Principi della trasformazione dell’energia nella fotosintesi: assorbimento della luce. Fotosintesi ossigenica: la struttura del cloroplasto, i componenti del trasporto elettronico, il trasporto elettronico non ciclico, la formazione del gradiente protonico di membrana, la sintesi di ATP, il trasporto elettronico ciclico, la resa del trasporto ciclico e non ciclico, la distribuzione dell’energia tra il PSII ed il PSI. Fotoassimilazione della CO2: carbossilazione, riduzione e rigenerazione. Fotorespirazione. Fissazione della CO2 nelle piante C4 e nelle specie crassulacee. Comparazione fra i meccanismi di fissazione C3, C4 e CAM. La sintesi dei carboidrati: disaccaridi (lattosio e saccarosio), polisaccaridi (amido e cellulosa). La via dei pentosi-fosfati (Reazioni coinvolte nella fase ossidativa e non ossidativa. Regolazione).
7. BIOSINTESI DEI GRASSI. Biosintesi degli acidi grassi e del lipidi: localizzazione, fonte del substrato primario, produzione del malonil-CoA, sintesi di acidi grassi a lunga catena, reazioni della sintesi degli acidi grassi, elongazione degli acidi grassi, insaturazione.
8. GLUCONEOGENSI. I materiali di partenza. Il ciclo gluconeogenetico. Glicolisi diretta ed inversa: controlli. La gluconeogenesi da diversi substrati. Il ciclo del gliossilato.
9. NUTRIZIONE MINERALE. Ciclo dell’azoto. Meccanismo biochimico di fissazione dell’azoto atmosferico. Riduzione assimilatoria dei nitrati: nitrato e nitrito riduttasi. Assimilazione dell’ammoniaca: ciclo della glutammina. Biosintesi degli amminoacidi. Ciclo dello zolfo e riduzione assimilatoria. Descrizione del ruolo e delle funzioni dei principali macro- e micro-elementi e della loro disponibilità nel suolo
Modulo CHIMICA DEL SUOLO
Definizione di suolo. Generalità sui componenti del suolo: fasi gassosa, liquida e solida. Le rocce. Rocce ignee: effusive ed intrusive. Rocce sedimentarie: clastiche, evaporitiche, organogene. Rocce metamorfiche. I minerali. Elementi nativi, ossidi e idrossidi, solfuri e solfati, carbonati, fosfati, aloidi e silicati. Nesosilicati, borosilicati, inosilicati, tectosilicati e fillosilicati. I fattori della pedogenesi. Processi fisici di disgregazione, erosione, trasporto. Tipi di substrati pedogenetici. La decomposizione chimica: azione dell’acqua (solubilizzazione, idratazione, idrolisi), carbonatazione, ossidazione. Esempi di alterazione chimica di alcuni minerali. Le proprietà fisiche dei suoli. Tessitura, struttura, porosità e peso specifico. Il colore e la temperatura. L’acqua nel suolo. Capacità idrica massima, capacità di campo, punto di appassimento. Il profilo del suolo e gli orizzonti pedologici. La classificazione dei suoli. Gli orizzonti diagnostici. Nomenclatura e caratteristiche dei 12 ordini della Soil Taxonomy U.S.D.A.
Definizione, composizione elementare e costituenti della sostanza organica (carboidrati, proteine, lipidi, lignina, cere, resine, tannini). I fattori che influenzano la decomposizione della sostanza organica nel suolo e la formazione della frazione umificata. Estrazione, classificazione e caratteristiche delle frazioni umiche. Il rapporto C/N. Funzioni fisiche, chimiche ed ambientali della sostanza organica. La biomassa del suolo e le sue attività enzimatiche. I colloidi del suolo. I minerali argillosi, gli ossidi e idrossidi di ferro e di alluminio, i colloidi organici. Il potere adsorbente del terreno. La capacità di scambio cationico. Isoterma di Freundlich. Il grado di saturazione basica del terreno. Lo scambio anionico. La reazione del terreno. Determinazione del pH. Origini dell’acidità e dell’alcalinità. Acidità attiva e potenziale. Alcalinità costituzionale e per adsorbimento. Il potere tampone del terreno. Correzione dell’acidità e dell’alcalinità. I terreni salini: caratteristiche fisiche e chimiche. Origine dei sali e processi di salinizzazione naturali e antropici. Misura della salinità e correzione dei terreni salini.
Gli elementi nutritivi. Il ciclo dell’azoto. Forme di azoto nel suolo. Mineralizzazione dell’azoto organico. Azotofissazione. Nitrificazione. Denitrificazione. Bilancio dell’azoto. Il fosforo: riserve e forme nel suolo. Composti organici e fosfati inorganici. Disponibilità del fosforo per le piante. Il potassio: forme nel terreno e loro dinamica. Lo zolfo, il calcio e il magnesio nel suolo. Fattori della fertilità del terreno. Fertilità chimica, fisica e biologica. Determinazione dello stato di fertilità. Principi fisiologici, pedologici ed economici della fertilizzazione. I fertilizzanti (concimi, ammendanti, correttivi). Concimi azotati, fosfatici, potassici, semplici, composti, a lenta cessione e fluidi. Loro composizione, titolo, proprietà fisiche e chimiche. I concimi organici naturali. Qualità del suolo. Definizione e significato. Indicatori fisici, chimici e biologici della qualità del suolo. Resistenza e resilienza. Salvaguardia della qualità del suolo per un’agricoltura sostenibile. Il consumo del suolo agrario. Gestione del suolo e cambiamenti climatici. L’inquinamento del terreno. Cenni sugli inquinanti (pesticidi, metalli pesanti, idrocarburi) e loro mobilità nel suolo. La bioremediation.
AGRICULTURAL BIOCHEMISTRY
COURSE INTRODUCTION. Brief description of the main organic molecules: carbohydrates, lipids, proteins and nucleotides. Notes on plant and animal cell and the structure of the membrane and cell wall. BIOENERGETICS. After recovering the basics of the laws of thermodynamics will investigate the following topics: free energy, free energy and equilibrium constant of chemical reactions, oxidation-reduction potential, redox potential and free energy.
ENERGY CONVERSION IN MEMBRANES AND THERMODYNAMICS OF COMPOUNDS CONTAINING PHOSPHATE. Components of the electron transport chain in mitochondria and chloroplasts. Transfer reactions of the phosphoric group. ATP synthesis. Electrochemical proton gradient membrane
ELEMENTS OF ENZYMOLOGY. Classification of enzymes. Modes of action of enzymes, their functions and factors that affect their catalytic activity. Factors that interfere with the speed of the enzymatic reactions: enzyme concentration, and the substrate (order of the reactions, the Michaelis-Menten), temperature, pH, presence of inhibitors (reversible and irreversible inhibition). Coenzymes [NAD(P)/NAD(P)H, FAD/FADH2, Coenzyme A, ATP)].
RESPIRATION. Introduction of cellular metabolism (anabolism and catabolism ). Glicolysis and fermentation. Piruvate dehydrogenase complex. Mithocondrion structure. Citrate cycle. Oxidative phosphorylation: complexes, electron flow and ATP synthesis. Role of oxygen in respiration. Energetic yield of oxidative metabolism. Oxidative stress in mithocondrion: radicals, reaction of Fenton and Haber-Weiss, lipid peroxidation.
LIPID OXIDATION. Hydrolysis of a triglyceride. Metabolic pathways for fat acids oxidation. differences between plants and animals.
PHOTOSYNTHESIS. classification of photosynthetic organisms: oxygenic and anoxygenic. priciples of energy transduction in photosynthesis: light absorption. Oxygenic photosynthesis: chloroplast structure, electron transport complexes. The linear electron transport and the transmembrane proton gradient, ATP synthesis, cyclic electron transport. Energetic yield of linear and cyclic electron transport . State II-I transition. CO2 photoassimilation: carboxylation, reduction and regeneration. Photorespiration. Photoassimilation of CO2 in C4 plants and CAM metabolism. Carbohydrate synthesis: sucrose and starch. Pentose-phosphate pathway: oxidative and non-oxidative reactions.
LIPID BIOSYNTHESIS. Biosynthesis fat acids and lipids: location, starter, malonil-CoA synthesis, elongation. Reaction of fat acids synthesis. Insaturation reactions
GLUCONEOGENESYS. Starters. Gluconeogensis pathway. The glyoxylate cycle.
MINERAL NUTRITION. Nitrogne cycle. Biological fixation of molecular nitrigen. Assmilatory reduction of nitrate: nitrate and nitrite reductase. Ammonium cycle: glutammine cycle. Amminoacids synthesis.
SOIL CHEMISTRY
Rocks and minerals. The weathering. Factors of soil formation (parent rock, morphology, climate, organisms, time). Soil texture, structure, porosity, density and colour. Classification of soils. Organic matter of soil. Formation of the humified fraction. Extraction, classification and characteristics of the humic fractions. Soil colloids. Cation Exchange capacity. Anion Exchange capacity. pH. Acidity and alkalinity of soils. Buffering capacity of soil. Correction of acidity and alkalinity. Soil salinity. Mineralization of soil organic matter. Nitrogen cycle. Nitrogen fixation, nitrification and denitrification. Phosphorus reserves and forms in soil. The potassium forms in soil and their dynamics. Fertilizers. Protection of soil quality for sustainable agriculture. Land take. Soil management and climate change. Pollution of soil and its bioremediation.
Sequi P., Ciavatta C., Miano T. - Fondamenti di Chimica del Suolo. Patron Editore 2017.
Sequi P., Ciavatta C., Miano T. - Fondamenti di Chimica del Suolo. Patron Editore 2017.
Gli studenti non frequentanti possono seguire lo svolgimento delle lezioni utilizzando il materiale didattico messo a disposizione dal docente prima dell'inizio del corso sul sito E-learning del CdS e seguendo il registro delle lezioni del docente.
Not-attending students can follow the lessons using the teaching material provided on the E-learning web site by the teacher before the beginning of the lectures, and consulting the lesson log.
BIOCHIMICA AGRARIA
Studenti frequentanti: prove in itinere su parti parziali del programma. Le prove in itinere valgono per l'intero anno accademico.
La verifica in itinere è superata se si acquisisce una votazione almeno pari a 17/30.
Per chi ha sostenuto le verifiche in itinere e deve recuperare a seguito di valutazione insufficiente, l’orale consiste in un colloquio sulla parte di programma presente nella verifica non superata.
Per chi volesse migliorare la valutazione acquisita con le verifiche in itinere, il colloquio verterà su tutto il programma.
CHIMICA DEL SUOLO
La prova finale di esame consiste in un colloquio orale della durata media di 30 minuti. Durante il colloquio lo studente avrà a disposizione foglio e penna per scrivere formule, reazioni e schemi utili alla discussione degli argomenti di esame. Generalmente tra le domande poste in un colloquio è sempre presente quella riguardante una analisi di laboratorio.
VOTO FINALE
Il voto finale è rappresentato dalla media dei voti acquisiti nei due moduli e la registrazione verrà effettuata dal docente titolare del modulo superato come secondo.
AGRICULTURAL BIOCHEMISTRY
Attending students: the examination consists of ongoing written tests. The positive ongoing tests are valid for the whole academic year. The written test id passed if a mark of 17/30 is reached. If the student has a positive mark (at least 17/30) in the tests, the examination is considered passed and an average mark is calculated. In case the mark is below 17/30 in the tests, the student must take an examination on the part of the programme considered insufficient.
Non-attending students and those who decided not to take the ongoing written tests must pass an oral examination. The oral examination is passed when the candidate is able to speak clearly and to use a correct terminology, when understand the cellular metabolism and is able to relate each other different parts of the programme, when is able to write the chemical structures of organic molecules as well as the reactions of the main metabolic pathways.
SOIL CHEMISTRY
The final test consists in an oral examination (30 minutes). During the examination, the student will have available paper and pen to write formula and reactions useful for the discussion of the topics of the examination. Generally, a question about laboratory analysis is always present among the questions asked in an interview.
FINAL EVALUATION
The final vote is represented by the average of the votes acquired in the two modules and the registration will be made by the teacher who owns the form passed as second.
