U N I V E R S I T A’ D E G L I S T U D I D I N A P O L I F E D E R I C O II LAUREA MAGISTRALE IN GEOLOGIA E GEOLOGIA APPLICATA CORSO DI CHIMICA AMBIENTALE E DEI BENI CULTURALI SUOLO E CIRCOLAZIONE IDRICA SOTTERRANEA Prof. ANDINI ANNO ACCADEMICO 2008/09

IL SUOLO Il suolo è un miscuglio variabile di minerali, materiale organico e acqua che consente la vita delle piante sulla superficie terrestre. E’ il prodotto dell’azione erosiva di processi fisici, chimici e biologici sulle rocce. La frazione solida di un tipico suolo produttivo è approssimativamente costituita dal 5% di materiale organico e dal 95% di materiale inorganico. Alcuni suoli, come la torba, possono contenere fino al 95% di materiale organico.

IL SUOLO Il suolo si presenta stratificato in orizzonti.  Orizzonte A, topsoil: strato di massima attività biologica, contiene la maggior parte del materiale organico del suolo, è soggetto ad una consistente lisciviazione.  Orizzonte B, subsoil: spessore che riceve sostanza organica, sali e particelle d’argilla rilasciati dal topsoil.  Orizzonte C: è costituito da roccia madre erosa dagli agenti atmosferici. Gli orizzonti si formano per : alterazione superficiale dovuta agli agenti atmosferici processi biologici come la degradazione batterica

IL SUOLO Componenti inorganici del suolo L’erosione delle rocce madri e dei minerali porta alla formazione di colloidi inorganici carichi di acqua e nutrienti utili alle piante, che sono in grado di assorbire sostanze tossiche. I comuni costituenti minerali del suolo sono: - quarzo - argille - ortoclasio - epidoto - albite - magnetite - carbonati di calcio e magnesio - ossidi di manganese e titanio

IL SUOLO Componenti organici del suolo Hanno una grande influenza sulla produttività del suolo. Sono fonte di cibo per i microrganismi. Danno luogo a reazioni chimiche come lo scambio ionico. Influenzano le proprietà fisiche del suolo. Le principali classi di composti organici sono: - humus - grassi, resine, cere - saccaridi - sostanze organiche contenenti azoto - composti contenenti fosforo L’accumulo di materiale organico è influenzato dalla temperatura e dalla disponibilità di ossigeno del suolo (es. non si degrada rapidamente in zone climatiche fredde ed in suoli ricchi di acqua, perché non ha un facile accesso all’ossigeno). I funghi presenti nel suolo producono acido citrico e altri acidi chelanti che reagiscono con i minerali silicei rilasciando potassio e altri ioni metallici nutrienti.

IL SUOLO – Componenti organici Humus: è il componente organico più importante del suolo. Residuo della degradazione del materiale vegetale da parte di funghi e batteri.  frazione solubile: acidi fulvici.  frazione generalmente insolubile: acidi umici e umina. Le sostanze umiche sono macromolecole polielettrolitiche ad alto peso molecolare, costituite da uno scheletro di carbonio con un alto grado di carattere aromatico su cui si innestano numerosi gruppi funzionali ossidrili e carbossilici; contengono azoto legato.

IL SUOLO – Componenti organici Sostanze umiche Presentano proprietà acido-base, di adsorbimento e di complessazione. Hanno un forte effetto sulle proprietà dell’acqua, attraverso lo scambio con essa di cationi o materiali organici. legano ioni metallici (Fe 3+, Al 3+, Mg 2+, Ni 2+, Pb 2+, Ca 2+, Zn 2+ ) per chelazione tra gruppi carbossilici e ossidrili o per complessazione con un gruppo carbossilico. hanno una grande affinità per i composti organici con bassa solubilità in acqua come, ad esempio, DDT e Atrazina (erbicida). i composti degli acidi umici e fulvici formano complessi con le argille attraverso la flocculazione. Gli acidi fulvici portano in soluzione cationi metallici insolubili (ferro). Gli acidi umici rimuovono cationi polivalenti pesanti in soluzione, purificando le acque. Influenzano le proprietà del suolo in maniera sproporzionata rispetto alla piccola percentuale con cui sono presenti (anche meno del 5%).

FALDE ACQUIFERE L’acqua sotterranea fa parte del sistema trifasico SOLIDO-LIQUIDO-GASSOSO che costituisce il suolo. Essa è il mezzo di trasporto fondamentale per i nutrienti delle piante. L’acqua sotterranea si ripartisce in diverse zone di umidità: zona d’aerazione (suolo umido, zona di evapotraspirazione, zona di transizione e frangia capillare) zona di saturazione o falda idrica (al di sotto della superficie piezometrica)

FALDE ACQUIFERE La circolazione idrica sotterranea è direttamente legata alla circolazione idrica superficiale. Il deflusso dell’acqua di falda è un fattore importante sia nel determinare l’accessibilità dell’acqua al fine del suo utilizzo, sia per la diffusione degli inquinanti dispersi nel sottosuolo.

RAPPORTI SUOLO - FALDA Modalità di diffusione degli inquinanti La rapidità con cui si diffondono gli inquinanti è determinata dalla velocità del deflusso sotterraneo e dalle caratteristiche chimico-fisiche della falda.  infiltrazione da discariche non a norma;  dispersione di acque reflue;  dispersione di fertilizzanti;  diffusione di erbicidi e pesticidi;  diffusione di scarichi industriali;  apporti attraverso acque meteoriche.

RAPPORTI SUOLO - FALDA L’acqua di falda gioca un ruolo cruciale nei processi geochimici. La distribuzione degli inquinanti nell’acqua di falda è espressa attraverso il parametro K: K= Cs/Cw dove Cs= concentrazione dell’inquinante nel solido Cw= concentrazione dell’inquinante nella falda

RAPPORTI SUOLO – FALDA: Diffusione degli inquinanti I parametri che determinano la diffusione degli inquinanti nella falda sono:  pH: pH<5 indica che l’acqua può essere satura di CO 2 si solubilizzano Fe 3+, Mn 2+ pH>7 è caratteristico di acque in suoli carbonatici precipitano cationi ad alta densità di carica  pE: pE>8 acqua con caratteristiche ossidanti permette la precipitazione di cationi con alto numero di ossidazione pE<8 Fe 2+, Mn 2+ in condizioni riducenti sono in soluzione  Temperatura: basse temperature tendono a far precipitare i cationi, alte T ne favoriscono la diffusione  Capacità di scambio del solido: le argille hanno alta capacità di scambio, ma essendo idrofile, non assorbono sostanza organica, eccetto in presenza di sali di alchil-ammonio, che le rende anche idrofobiche. Generalmente adsorbono gli inquinanti cationici.  sostanza organica presente nel suolo: suolo organofilo trattiene le sostanze organiche e lascia passare i cationi metallici, che si diffondono

RAPPORTI SUOLO – FALDA: Diffusione degli inquinanti Le reazioni che possono subire gli inquinanti in falda sono:  idrolisi  precipitazione: pH>7 Al OH - => Al(OH) 3 Ca 2+ + SO 2- 4 => CaSO 4(s) Fe 2+ +CO 2- 3 => FeCO 3(s)  ossido-riduzione: (Fe 3+, Mn 4+ ) Fe(OH) 3 => Fe 2+ Mn(OH) 4 => Mn 2+ SO 2- 4 => S 2- NO - 3 => NH 3  trasformazioni biochimiche da funghi e batteri  formazioni di colloidi: sostanze con cariche superficiali che non vanno in soluzione, ma rimangono in sospensione nelle acque => => aggregano sostanze anioniche inquinanti, permettendone la diffusione.

RAPPORTI SUOLO - FALDA Inquinanti del suolo e delle falde  inquinanti industriali:  metalli pesanti: − Be 2+ − Cd 2+, vernici e coloranti − Pb 2+, anche prodotto della combustione di benzine − Hg 2+, Hg +, presente nel carbon fossile bruciato nelle centrali termoelettriche  CN -, KCN è usato nei processi di galvanici, come le cromature ecc.  Diossine, sono sottoprodotti della produzione di pesticidi e risultano da combustioni incomplete ad alta temperatura  ClO 2 è usato per la disinfezione delle acque potabili, forma composti clorurati  Pesticidi azotati, come i carbammati ed erbicidi, come il paraquat  Pesticidi alogenati, come il DDT, sono composti chimicamente stabili  PCB usati come refrigeranti ed isolanti nei trasformatori e condensatori  radionuclidi, dalla produzione di energia nucleare  acque di scarico dei sistemi fognari (escrementi, detersivi, fosfati, grassi ed oli ecc.)  percolato proveniente dalla decomposizione di rifiuti urbani in discarica

Inquinanti del suolo e delle falde: DIOSSINE Le diossine si presentano come molecole inodori, resistenti alle alte temperature (800 °C), poco biodegradabili, insolubili in acqua ma solubili nel grasso. Per le loro proprietà sono in grado di persistere a lungo nell’ambiente ed accumularsi nel grasso dell’uomo e degli animali, entrando così nella catena alimentare. Le diossine sono sostanze che si formano, come prodotti indesiderati in modo non intenzionale, dai processi termici di tipo industriale.  imperfetto processo di combustione negli impianti di incenerimento municipali, ospedalieri ed industriali a formare prodotti di combustione incompleta  prodotti secondari indesiderati durante la produzione di particolari prodotti chimici organici clorurati: clorofenoli e loro derivati cloro difenil eteri e policloro difenili (PCB) da Centro Interdipartimentale di Ricerca e documentazione sulla Sicurezza Alimentare (Regione Piemonte)

Inquinanti del suolo e delle falde: DIOSSINE La carne, le uova, il latte, i pesci d’acquicoltura possono essere “inquinati” da diossine provenienti dall’alimentazione animale. Tale tipologia di contaminazione può essere legata ad una elevata concentrazione della sostanza nell’ambiente in cui gli animali vivono, o alla presenza, nelle zone in cui gli alimenti per animali vengono raccolti, di inceneritori per rifiuti o di aziende che utilizzano cicli di combustione ad alta temperatura. Altri casi possono essere ricondotti a contaminazioni volute od accidentali ed in particolare legate all’impiego di sottoprodotti di attività industriali nell’alimentazione degli animali (oli esausti, bucce di patata, grassi estratti con solventi, fanghi di depurazione, ecc…). da Centro Interdipartimentale di Ricerca e documentazione sulla Sicurezza Alimentare (Regione Piemonte)

Inquinanti del suolo e delle falde: RADIONUCLIDI L’incidente di Chernobyl L’incidente a Chernobyl contaminò km 2 di terreno agricolo, foreste, specchi d’acqua e centri urbani. I radionuclidi contaminanti più significativi per l’agricoltura sono stati: 131 I 137 Cs 134 Cs 90 Sr vengono assorbiti in maniera consistente dalle piante si trasferiscono rapidamente nei prodotti animali, come latte e carne hanno semi-vite radioattive relativamente lunghe generalmente si depositano direttamente sulle piante  Contaminazione dei prodotti agricoli  Contaminazione delle acque I fattori che hanno inciso sulla propensione dei radionuclidi ad entrare nella circolazione idrica sotterranea sono stati: il tipo di suolo (composizione dei minerali argillosi e contenuto di materia organica) Gli isotopi radioattivi di Sr e Cs sono stati dispersi come materiale particellare costituito da una matrice di UO 2, grafite, lega ferro-ceramica, silicati di terre rare e altri. La dissociazione chimica e l’ossidazione di questi complessi nel suolo portano principalmente alla formazione di complessi umici e fanno aumentare la mobilità dei radionuclidi,. Le particelle di argilla al contrario tendono ad adsorbire i radionuclidi, impedendone il trasferimento alle piante. Cs e Sr immobili nel terreno, sono assorbiti dalle piante con lo stesso meccanismo di K e Ca il tipo di coltivazione le condizioni climatiche Nuclear Energy Agency

Conclusioni  Inquinanti si trasferiscono dal suolo o dall’aria o confluiscono direttamente nel sistema di circolazione idrica sotterranea  Inquinanti vengono assimilati dalle piante Entrano nella catena alimentare  Inquinanti assimilati dagli animali che si cibano delle piante Inquinanti assimilati dall’uomo attraverso gli alimenti