I Cicli Biogeochimici Della Materia Omnia mutantur, nihil interit (Ovidio, Metamorfosi)

Cosa Sono I cicli della materia sono processi di circolazione degli elementi, trasferimenti, cioè, di sostanze inorganiche, sostenuti da un regolare flusso di energia solare e realizzati in gran parte dagli organismi viventi che si organizzano in catene alimentari.

Cosa Sono Questi cicli sono detti biogeochimici in quanto coinvolgono sia componenti geologiche che biologiche di un ecosistema. Componenti geologiche: sono date dall’atmosfera, dalla crosta terrestre (litosfera) e dall’insieme delle acque che occupano circa i ¾ dell’intera superficie terrestre (idrosfera). Componenti biologiche: includono invece produttori, consumatori e detritovori, i principali livelli trofici delle catene alimentari

Cosa Sono Questi cicli sono detti biogeochimici in quanto coinvolgono sia componenti geologiche che biologiche di un ecosistema. Componenti geologiche: sono date dall’atmosfera, dalla crosta terrestre (litosfera) e dall’insieme delle acque che occupano circa i ¾ dell’intera superficie terrestre (idrosfera). Componenti biologiche: includono invece produttori, consumatori e detritovori, i principali livelli trofici delle catene alimentari

Durata dei Cicli La biosfera, ovvero l’insieme delle tre componenti geologiche dei cicli della materia (atmosfera, litosfera e idrosfera), scambia gli elementi e i composti chimici con tali componenti in un ciclo continuo, la cui durata dipende dal tipo di elemento.

Durata dei Cicli Ad esempio, tutta l’acqua della terra viene decomposta dalle piante e ricostituita dalle cellule animali e vegetali ogni 2 milioni di anni.

Durata dei Cicli H2O atmosfera litosfera idrosfera 2 milioni di anni

Durata dei Cicli L’ossigeno che si genera nel processo entra nell’atmosfera dove compie un ciclo completo in circa 2000 anni.

Durata dei Cicli O2 H2O atmosfera litosfera idrosfera 2 milioni di anni 2000 anni

Durata dei Cicli L’anidride carbonica, prodotto di scarto dei metabolismi della cellule animali e vegetali, entra nell’atmosfera ed è nuovamente fissata dalle cellule delle piante dopo circa 300 anni

Durata Dei Cicli CO2 O2 H2O atmosfera litosfera idrosfera 2 milioni di anni 2000 anni 300 anni

Catena Alimentare La catena alimentare è l’insieme dei rapporti che intercorrono tra gli organismi di un ecosistema; rapporti del tipo predatori-prede in cui il primo organismo è mangiato dal secondo, il secondo dal terzo e così via in una serie di livelli di nutrizione, o livelli trofici. Solo una parte relativamente piccola di energia è trasferita a ogni livello trofico poiché gran parte di essa è usata nei processi metabolici; ne consegue che più è corta la catena, maggiore è l’energia disponibile per la popolazione che ne fa parte. Ogni ecosistema ha una sua propria catena alimentare; inoltre, poiché un individuo può appartenere a più di una catena contemporaneamente, si crea una vera e propria rete alimentare con numerose interconnessioni e ramificazioni. I principali elementi di ogni catena alimentare sono i produttori, i consumatori e detritovori.

Produttori Sono alla base di ogni catena alimentare; si tratta di organismi autotrofi che attraverso la fotosintesi riescono a trasformare l’energia solare in energia chimica. Sulla terraferma il produttore primario è generalmente individuabile nelle piante, mentre negli ecosistemi acquatici nelle alghe.

Consumatori Seguono il livello dei produttori e si dividono in primari (erbivori) e secondari (carnivori); l’uomo, essendo onnivoro, può essere un consumatore sia primario che secondario, a seconda di ciò di cui si nutre.

Detritovori Sono organismi che vivono dei prodotti di rifiuto (cadaveri, foglie morte, feci) di una comunità. Comprendono i saprofagi (avvoltoi e sciacalli) e i decompositori (funghi e batteri). Entrambi sono considerati consumatori: i primi preferiscono alle prede vive quelle già morte; i secondi sono specializzati nello sfruttare l’energia chimica (contenuta ad esempio nella cellulosa e nei prodotti di rifiuto azotati) che non può essere utilizzata dagli animali.

Cicli Principali O2 NH3 H2O NO3- ciclo ossigeno ciclo azoto H2S C CO2 RED RED O2 NH3 H2O NO3- OX OX ciclo ossigeno ciclo azoto RED RED H2S C CO2 SO4 - - OX OX ciclo carbonio ciclo zolfo

Cicli Principali O2 NH3 H2O NO3- ciclo ossigeno ciclo azoto H2S C CO2 RED RED O2 NH3 H2O NO3- OX OX ciclo ossigeno ciclo azoto RED RED H2S C CO2 SO4 - - OX OX ciclo carbonio ciclo zolfo

Ciclo dell’Azoto NO2- NH3 o NH4+ NO3- NO2- Eruzioni vulcaniche N organico fissazione ammonificazione N2 atmosferico denitrificazione NO2- NH3 o NH4+ assimilazione NO3- nitrificazione Plancton e quindi animali marini NO2- H2O nel suolo H2O negli oceani Perdita in sedimenti profondi

Ammonificazione NH3 o NH4+ Processo per cui i composti azotati vengono demoliti da organismi del terreno (batteri e funghi) che utilizzano gli amminoacidi per fabbricare le proprie proteine e liberano nel suolo l’azoto in eccesso sotto forma di NH3 o NH4+ Non si tratta di una reazione redox: il numero di ossidazione dell’azoto rimane costante.

Nitrificazione Processo per cui alcuni batteri del suolo sono in grado di ossidare gli ioni ammonio e l’ammoniaca: 2NH3 + 3O2 2NO2- + 2H+ + 2H2O Un altro gruppo di batteri si occupa di ossidare ulteriormente i nitriti formati: 2NO2- + O2 2NO3-

Assimilazione E’ un processo che richiede energia e prevede la riduzione dei nitrati, passati all’interno delle cellule vegetali, nuovamente in ioni ammonio che verranno trasferiti a composti contenti carbonio affinché si possano produrre amminoacidi.

Denitrificazione Alcuni batteri del suolo in assenza di ossigeno riducono i nitrati in nitriti per poi scindere questi ultimi, utilizzando così l’ossigeno ricavato, per la loro respirazione, e liberando il rimanente azoto nell’atmosfera.

Fissazione Alcuni batteri detti azoto-fissatori sono capaci di incorpare direttamente l’azoto atmosferico nei composti organici.

Ciclo del Carbonio Eruzioni vulcaniche diventa HCO3 - Carbonati negli oceani Alterazione rocce CO2 carbonio nell’atmosfera CO2 negli oceani fotosintesi Fotosintesi alghe respirazione C organico Decomposizione organismi morti Giacimenti di combustibile fossile (carbone, petrolio)

CO2 diventa HCO3 - 1. Attraverso l’alterazione superficiale delle rocce carbonatiche e silicatiche: L’anidride carbonica presente nell’atmosfera viene sottratta a quest’ultima e trasformata in ione bicarbonato (e spesso ulteriormente in acido carbonico) in due modi: CO2 + H2O + CaCO3 Ca++ + 2HCO3 - e 2CO2 + H2O + CaSiO2 Ca++ + 2HCO3- + SiO2 Gli ioni calcio e bicarbonato formati arrivano nelle acque oceaniche grazie al trasporto da parte dei fiumi.

2. Attraverso la formazione di carbonati negli oceani: CO2 diventa HCO3 - 2. Attraverso la formazione di carbonati negli oceani: L’anidride carbonica presente nell’atmosfera viene sottratta a quest’ultima e trasformata in ione bicarbonato (e spesso ulteriormente in acido carbonico) in due modi: CO2 + H2O + CaCO3 Ca++ + 2HCO3 -

Fotosintesi 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 E’ un processo anabolico (di costruzione) che prevede la sintesi del glucosio a partire dall’anidride carbonica: 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Respirazione C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O E’ invece un processo catabolico (di distruzione) in cui il glucosio viene scisso in anidride carbonica. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

SO4- - accettatore di H nella respirazione anaerobica (RED) Ciclo dello Zolfo H2S in parte ossidato (ossidazione spontanea) con O2 e in parte da microrganismi chemilitotrofi e fotosintetici (OX) Batteri chemilitotrofi e fotosintetici ossidano lo zolfo in solfato (OX) S SO4- - SO4- - accettatore di H nella respirazione anaerobica (RED) H2S Processo, messo a punto da vegetali e microrganismi, analogo all’assimilazione dell’azoto (conversione nitrato in N organico) (RED) Amminoacidi solforati demoliti da batteri con liberazione di H2S (desulfurazione) (no REDOX) S organico

A titolo d’esempio vediamo da vicino il ciclo dell’acqua: Ciclo dell’ Ossigeno Il ciclo dell’ossigeno è complicato da schematizzare in quanto l’elemento è presente in molti composti chimici, sotto forma di ossigeno molecolare o nei composti organici e inorganici. A titolo d’esempio vediamo da vicino il ciclo dell’acqua:

Ciclo dell’ Acqua Nebbia o nubi Catene montuose laghi Oceani L’aria che contiene condensa precipita sotto forma di pioggia, neve o grandine Nebbia o nubi L’aria salendo si raffredda e condensa formando Catene montuose laghi Evaporazione In parte si infiltra nel sottosuolo, alimentando Oceani Infiltrazione attraverso il suolo Falde acquifere

Presentazione a cura di Elisa Icovi 5B a.s. 2006/2007