La chimica delle acque superficiali - Laboratorio di Idrochimica

La chimica delle acque superficiali: laghi, fiumi e deposizioni atmosferiche
Surface water chemistry: lakes, rivers and atmospheric deposition
deposition
La composizione chimica delle acque è determinata dalle sostanze disciolte e sospese che si trovano in essa.
Lo studio delle caratteristiche chimiche si effettua prelevando dei campioni ed eseguendo delle analisi in
laboratorio. Alcuni parametri di base possono anche essere misurati sul campo mediante appositi strumenti.
I risultati ci forniscono indicazioni sullo stato qualitativo di un corpo d’acqua, sulle possibilità di utilizzo per vari
scopi (potabilizzazione, irrigazione, pesca, balneazione e altri usi turistico-ricreativi) e, confrontando i dati raccolti
nel tempo, sulla risposta ad eventuali sorgenti di impatto antropico o ad interventi di recupero/risanamento.
The chemical composition of surface water is determined by dissolved and suspended substances that can be found in it. The
study of water chemistry consists in sampling surface water and analysing the samples in laboratory. Some basic parameters can
also be measured in the field through specific instruments. Results provide indication about the qualitative status of a given water
body, on the possible use of it for different aims (e.g. potabilization, irrigation, fishing, touristic/recreational use). By comparing data
in time, we can also evaluate the water body response to anthropogenic pressures or restoration measures.
Il laboratorio di chimica del CNR Istituto per lo Studio degli Ecosistemi
Ecosistemi
Il laboratorio si occupa dell’analisi di campioni di acque superficiali (laghi, fiumi, deposizioni atmosferiche) per
un totale di circa 2300 campioni l’anno, così ripartiti: Intercalibrazioni 2 %
Laghi remoti 3 %
Altre attività sono la messa a punto e validazione di
metodologie analitiche, i controlli di qualità, gli esercizi
di intercalibrazione, l’istruzione di studenti e tirocinanti.
Pioggia
55 %
Laghi e fiumi
40 %
The chemical laboratory of the CNR Institute of Ecosystem Study
About 2300 surface water samples per year (lakes, rivers and atmospheric deposition samples ) are analysed at the chemical
laboratory of the institute. Further activities consist in the development and validation of analytical techniques, quality controls,
intercalibration and teaching for students and stagiaires.
Lake chemistry
The chemical composition of a lake is influenced by: (i) land cover characteristics of lake watershed; (ii) atmospheric
inputs; (iii) in-lake biological processes; (iv) interchange mechanisms at surface water/atmosphere and deep
water/sediment interfaces; (v) point or diffuse pollution sources in the watershed.
Tra le principali alterazioni della componente chimica di un lago a causa dell’impatto antropico vi sono:
• l’eutrofizzazione, ovvero l’eccessivo apporto di nutrienti (azoto e fosforo) dal bacino;
• l’acidificazione, a causa dell’immissione di composti acidi da scarichi industriali (es. Lago d’Orta) o
attraverso le deposizioni atmosferiche (“piogge acide”);
• l’immissione nelle acque di inquinanti tossici quali metalli pesanti e composti organici di sintesi.
The main alterations of the chemical status of a lake caused by the anthropogenic impact are:
• eutrophication, i.e. an excessive load of nutrients (nitrogen and phosphorus) from lake watershed;
• acidification, due to industrial effluents (e.g. lake Orta case study) or acid deposition;
• inputs of toxic substances, such as heavy metals and organic pollutants.
Principali ambienti studiati – Main study sites:
sites:
Campionamento
Sampling
Lago Maggiore e
Lago di Mergozzo
Il CNR ISE svolge da diversi anni indagini sull’idrochimica
di numerosi ambienti lacustri, tra cui:
Analisi
•
•
•
Analysis
ICP-OES
La chimica delle acque lacustri
La composizione chimica di un lago dipende da:
- litologia, pedologia e copertura vegetale del bacino
imbrifero
- gli apporti dall’atmosfera;
- i processi biologici che avvengono a lago
- i meccanismi di interscambio acque
superficiali/atmosfera e acque profonde/sedimenti
- eventuali sorgenti di inquinamento, puntiformi o
diffuse, presenti nel bacino
pHmetro e conduttimetro
•
•
•
pHmeter and conductimeter
Analizzatore di carbonio e azoto
Carbon and nitrogen analyzer
Lago Maggiore, Lago d’Orta e loro principali tributari
I laghi profondi subalpini Lugano, Como, Iseo e Garda
Laghi Mergozzo, Candia, Alserio, Viverone e altri laghi in
Piemonte e Lombardia
Laghi vulcanici: Albano, Bolsena, Monticchio
Laghi alpini d’alta quota in Piemonte e Valle d’Aosta
Campionamento su un lago in Himalaya,
Nepal / Sampling on an Himalayan lake
Laghi in aree remote del globo, tra cui Himalaya, Antartide,
Patagonia, Isole Svalbard
The CNR ISE performs since several years investigation on the water
chemistry of a number of lakes: Lake Maggiore and Lake Orta and
their main tributaries; the deep subalpine lakes Lugano, Como, Iseo
and Garda; several small lakes in Piedmont and Lombardy; some
volcanic lakes; high altitude lakes in the Alps; remote lakes in different
regions of the globe, such as Himalaya, Antarctica, Patagonia and the
Svalbard Islands.
Cromatografia ionica
Ionic chromatography
La chimica delle deposizioni atmosferiche
Spettrofotometro
Titolatore per alcalinità
Spectrophotometer
Alkalinity titration
Atmospheric deposition chemistry
La composizione chimica dei campioni - Chemical composition of water samples
I campioni di acque superficiali e meteoriche, una volta raccolti, vengono trasportati al laboratorio per le
analisi. I composti che vengono di volta in volta determinati dipendono dal tipo di campione e dagli scopi della
ricerca. I composti chimici e la loro origine sono:
After sampling, surface and rain water samples are sent to the laboratory for chemical analyses. The chemical compounds to be
determined depend on the sample typology and on the research aims. The main chemical compounds and their sources are:
Piogge / Rain water
Gli studi sulla chimica delle piogge si propongono di quantificare i
flussi di sostanze dall’atmosfera agli ecosistemi (acque, suoli, foreste)
e di valutarne gli effetti. Le ricerche in corso al CNR ISE riguardano in
particolare i possibili effetti su acque superficiali e foreste delle
deposizioni di acidità, azoto e metalli pesanti.
Research studies on atmospheric deposition chemistry aim to quantify and
evaluate the effect of pollutant fluxes from the atmosphere to ecosystems (surface
water, soil, forests). On-going studies at CNR ISE focus on the potential effects of
acidity, nitrogen and heavy metals deposition on surface water and forests.
Le piogge acide
H+: si ricava dal pH e indica l’acidità delle piogge
Le deposizioni acide hanno effetti
sulle acque di laghi e fiumi
(chimica e popolamenti biologici),
sui suoli, sulla vegetazione, e sul
patrimonio architettonico.
calculated from pH; index of rain water acidity
Ioni principali / major ions:
Ca++, Mg++, K+
Polveri del suolo / soil dust
Na+, Cl-
Spray marini / sea spray
NH4+,
• pH, alcalinità / pH, alkalinity
• Ossigeno disciolto / dissolved oxygen
• Ioni principali / major ions
(Ca++, Mg++, Na+, K+, SO4=, NO3-, Cl-)
NO3-,
SO4=
Laghi e fiumi
Lakes and rivers
z
ln
P
0
tà
id
c
a
L
a
dissolved organic carbon)
Acid rain
B
Ba
Fe
Mn
Sr
origine terrigena / terrigenous origin
As
Cd
arsenico cadmio
Cr
Cu
Hg
meq m-2 y-1
Ni
Pb
Rh
V
Zn
cromo rame mercurio nickel piombo rodio vanadio zinco
origine antropica / anthropogenic origin
meq m-2 y-1
240
200
On selected surface and rain water samples, the main heavy metals are also determined:
Al
Acid deposition has effects on river and lake water (both chemistry and biology), soil, vegetation
and monuments. This phenomenon has mainly affected lakes in Northern Europe and high altitude
lakes in the Alps starting from the late 1970s.
Recently, the situation has markedly improved thanks to the decreasing input of acidity. On the
other hand, elevate nitrogen depositions are still a problem, together with the atmospheric inputs of
heavy metals and organic pollutants.
Sui campioni sia di pioggia che di acque superficiali di alcuni ambienti selezionati vengono inoltre determinati
i principali metalli pesanti:
alluminio boro bario ferro manganese stronzio
c
l-1
q
e
m
3
,2
0
tà
id
Oggi la situazione e’ notevolmente migliorata per quanto riguarda l’acidità’, ma rimane il problema
delle elevate deposizioni di azoto, a cui si aggiungono metalli pesanti e composti organici di sintesi.
Weathering of rocks and soil, water
buffer capacity, exchange with the
atmosphere, biological processes,
wastewater discharge and other
anthropogenic sources
• Nutrienti / nutrients (P, N e Si)
• DOC (carbonio organico disciolto /
E’ un fenomeno che ha interessato
soprattutto i laghi del Nord Europa ed
i laghi alpini d’alta quota (sulle Alpi, in
Val d’Ossola e Canton Ticino) a
partire dalla fine degli anni ’70.
Attività antropiche / anthropogenic activities
Dilavamento di rocce e suoli
nel bacino, potere tampone delle
acque, processi di scambio con
l’atmosfera, processi biologici,
scarichi e altre sorgenti
antropiche
a
SO4=
Important parameters for the study of lakes can be measured in situ by sophisticated
instruments such as a multiparameter probe. It allows to acquire a data profile along the
whole water column. For instance, the probe measures temperature, light, oxygen,
chlorophyll and can be lowered to the bottom of Lake Maggiore (360 m).
(IDRONAUT Ocean Seven 316 Probe)
Massima profondità d’uso / max depth: 1000 m
Acquisizione dati / data storage: 3 sec x 1 data set
Velocità discesa / descent velocity: 1 m sec-1
Tempo acquisizione profilo / time for profile acquisition : ~ 12 min (L. Maggiore)
200
b
160
160
120
NH4+
120
0
1978
NO3-
80
80
40
H+
40
Esistono strumenti sofisticati che, calati in acqua con un argano, acquisiscono
i dati misurando in situ parametri importanti per lo studio dei laghi e permettono
quindi di acquisire un profilo di dati lungo la colonna d’acqua. Ad esempio la
polisonda misura in tempo reale temperatura, luce, ossigeno, clorofilla,
conducibilità e può essere calata fino al fondo del Lago Maggiore (360 m).
Polisonda
Campionatore della pioggia a
Pallanza / Rain sampler at Pallanza
1983
1988
1993
1998
2003
2008
0
1978
1983
1988
1993
1998
2003
2008
Trend delle deposizioni a Pallanza – Atmospheric deposition trend at Pallanza
Dagli anni ‘80 ad oggi l’acidità delle piogge è nettamente diminuita, grazie alla riduzione dei solfati (fig.
a), uno dei principali composti acidificanti. Questo grazie alla riduzione delle emissioni di SO2
(soprattutto dagli impianti di riscaldamento e dalle industrie) verificatasi in Italia negli ultimi 20 anni. Al
contrario le emissioni di ossidi di azoto (NOx), soprattutto dal traffico veicolare, continuano ad essere
elevate. Come conseguenza anche le deposizioni dei composti dell’azoto non sono variate in maniera
significativa (fig. b).
Since the 1980s, the acidity of atmospheric deposition has steadily decreased, due to the reduction of SO4 (fig. a), one of
the most important acidifying agents. This trend is an effect of SO2 emission reduction (mainly from domestic heating and
industrial activities), occurred in Italy since the last 20 years. On the contrary, NOx emission, in particular from motor
vehicles, is still high. As a consequence, also the deposition of nitrogen compounds has not changed significantly (fig. b).
M. Rogora
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