CICLI BIOGEOCHIMICI Da quanto abbiamo visto nella lezione sugli ecosistemi abbiamo visto come gli elementi, costituenti i composti organici complessi della materia vivente, siano costantemente riciclati all’interno della biosfera. Se escludiamo i trascurabili scambi con lo spazio (meteroriti,…) tali elementi sono sempre gli stessi che periodicamente si trasformano entrando a far parte di composti diversi. In questa lezione vedremo brevemente i cicli biogeochimici di queste sostanze, che comportano il loro continuo trasferimento ciclico dalla componente abiotica (geo) alla materia vivente (bio), e viceversa, attraverso reazioni di tipo chimico.

Ciclo idrologico (dell’acqua) L'acqua è la sostanza presente in maggior quantità sulla terra, è il costituente principale di tutte le cose viventi, e la forza di maggiore entità che costantemente modella la superficie terrestre. Gli oceani vengono riconosciuti come la più grande sorgente d'acqua. Circa il 96.5% di tutta l'acqua sulla terra è negli oceani. Della restante parte 1.7% risiede nelle calotte polari di ghiaccio, 1.7% è acqua sotterranea, solo in bassa percentuale, circa 0.1%, è presente sulla superficie del suolo e nell‘atmosfera. Bisogna comunque considerare che nonostante il basso contenuto di acqua presente in atmosfera e sulla superficie del suolo è attraverso questi mezzi che “transitano” nel ciclo di un anno le immense quantità d'acqua in gioco (ca. 1400 Mkm3). Globalmente il 61% della precipitazione che raggiunge la superficie della terra viene persa per evaporazione e il restante 39% raggiunge gli oceani per lo più per scorrimento superficiale. L'evaporazione dagli oceani contribuisce per il quasi 90% al contenuto di vapore d'acqua dell'atmosfera.

Il ciclo dei nutrienti In questa figura è riportato uno schema generale del ciclo dei nutrienti, quali azoto e fosforo. In generale è possibile definire alcuni serbatoi naturali in cui il nutriente è accumulato, che si possono rendere disponibili con tempi e modalità specifiche all’ecosistema. Una volta resi disponibili entrano nel ciclo di utilizzo che abbiamo già descritto: sono trasformati in primo luogo dai produttori primari, quindi dai consumatori e resi nuovamente elementi semplici dai microconsumatori. E’ possibile anche che una porzione dei nutrienti disponibili nell’ecosistema possa tornare al serbatoio naturale.

Le forme dell’Azoto NH3 , ammoniaca (-3) N2 , azoto gassoso (0) N2O, protossido di azoto (+1) NO, ossido di azoto (+2) NO2- , nitriti (+3) NO3-, nitrati (+5) Stati di ossidazione diversi, più o meno stabili. Il passaggio fra le varie forme è determinato da reazioni di ossido-riduzione svolte in natura da organismi (spesso batteri).                     

Ciclo dell’azoto Serbatoi Azoto atmosferico (N2) E’ una forma estremamente stabile nelle attuali condizioni dell’atmosfera. Entra nelle vie biologiche del ciclo attraverso l’azotofissazione. Sedimenti. Crosta terrestre (p.es. giacimenti di nitrato di sodio, NaNO3).                     

Processi di trasformazione Azotofissazione Fissazione industriale dell’azoto Nitrificazione Assimilazione del nitrato Denitrificazione Ammonificazione                     

Azotofissazione E’ il processo attraverso il quale l’azoto biatomico (N2) viene ridotto a ione ammonio (NH4+), secondo la reazione: N2  NH4+ Il processo è garantito da varie specie di batteri e cianobatteri che vivono liberi nel terreno o negli interstizi contenti acqua e da batteri simbionti di leguminose: dopo aver soddisfatto le proprie esigenze metaboliche, rilasciano NH3 in eccesso che diventa quindi disponibile per altri esseri viventi.

Nitrificazione Processo attraverso il quale l’azoto viene ossidato a nitrato. NH3  NO2-  NO3- Processo che avviene nel suolo ad opera di batteri chemioautotrofi come: Nitrosomonas NH3  NO2- Nitrobacter NO2-  NO3-                     

Assimilazione del nitrato L’azoto in forma di nitrato è assimilato da piante e batteri. Riduzione assimilativa sino allo stato di ossidazione –3. (NO3)-  (NO2)-  (NH2)-                     

Denitrificazione In ambiente anossico il nitrato è ridotto da altri batteri sino ad essere liberato come azoto molecolare. (NO3)-  (N2) In questo caso il nitrato è usato come accettore finale di elettroni nella respirazione anossica. E’ un processo che comporta la perdita di azoto dall’ecosistema verso il serbatoio atmosferico                     

Ammonificazione E’ la decomposizione dell’azoto organico in ione ammonio NH4+ Il processo è svolto principalmente da batteri e funghi decompositori

Alterazione del ciclo dell’azoto L’intervento dell’uomo sul naturale ciclo dell’azoto ha portato ad un pesante sbilanciamento di tale nutriente nell’ambiente. Il processo di alterazione ha avuto inizio negli anni ’60 con la sintesi industriale dell’ammoniaca Le attività umane possono alterare significativamente il ciclo biogeochimico dell’azoto portando alla modifica delle quantità presenti nei serbatoi naturali.

L’aumento di azoto reattivo totale a partire dagli anni ’60 ha subito un forte incremento a causa della fissazione industriale

Alterazione del ciclo dell’azoto L’azoto presente in atmosfera e negli oceani (N2) diventa reattivo e biologicamente disponibile attraverso: Fissazione batterica (azotofissazione) Fissazione industriale dell’azoto: le forme reattive dell’azoto sono usate per la produzione di fertilizzanti e di combustibili

Rateo di fissazione dell’azoto Fissazione batterica negli ecosistemi terrestri: 100-200 Tg/anno Fissazione batterica negli ecosistemi marini: 100-200 Tg/anno Fissazione dovuta ad attività umane: 160 Tg/anno Le attività umane contribuiscono tra il 30 e il 45 % rispetto alla fissazione totale dell’azoto NOTA: Tg =1012g

Conseguenze dell’inquinamento da azoto Eutrofizzazione dei corpi idrici bloom algale Perdita di biodiversità Formazione di ozono nella troposfera effetti sulle foreste, sui raccolti e sulla salute umana Aumento dell’effetto serra dovuto agli scarichi di NOx Acidificazione del suolo e delle acque

Ciclo del fosforo Anche nel caso del fosforo è possibile seguire un ciclo biogeochimico. In questo caso i serbatoi naturali sono costituiti dai fosfati nei sedimenti marini, nelle rocce, nei fossili, nel guano.

Ciclo del carbonio Anche il carbonio, come azoto e fosforo, è caratterizzato da un ciclo biogeochimico i cui serbatoi naturali sono costituiti dall’anidride carbonica contenuta nell’atmosfera, dal carbonio organico contenuto nei sedimenti marini e nei giacimenti carboniferi e petroliferi.

Modifica dei cicli biogeochimici Così come il ciclo dell’azoto le attività umane possono alterare significativamente anche gli altri cicli biogeochimici

Modifica del ciclo idrologico Sovrasfruttamento delle risorse idriche. Attingimento di volumi di acqua superiori alla ricarica dell’acquifero.

Modifica del ciclo del fosforo e dell’Azoto Eutrofizzazione dei corpi idrici Accumulo di composti del fosforo e dell’azoto in corpi idrici recettori di acque reflue o di acque di dilavamento di aree agricole.

Modifica del ciclo del carbonio Effetto serra Accumulo di anidride carbonica in atmosfera per l’utilizzo di giacimenti carboniferi e petroliferi a scopo energetico.