IL CICLO DELL`ACQUA - Scienze della prevenzione

Nella puntata precedente…
Introduzione all’ecologia
Ecosistema e altri livelli di organizzazione
Caratteristiche dell’inquinamento
Definizione di “Sviluppo sostenibile”
Crescita demografica e ambiente
Biodiversità
1
28 Novembre- 9 Decembre 2011
2
Obiettivi Durban 2011
- Rianimare Kyoto prima della sua scadenza
(entro il 2012)
- Produrre un trattato più ambizioso
sottoscritto dalle nazioni più importanti
3
Emissioni di CO2
(miliardi di tonnellate)
4
Kyoto 2
2013-2017?
Accordo globale
nel 2015 e operativo nel 2020
Fondo verde
100 miliardi di dollari
in aiuto ai paesi poveri
5
PROGRAMMA CORSO A.A. 2011/2012
• Introduzione all’ecologia; Ecosistema e altri livelli di
organizzazione
• Definizione di inquinamento e tipologie di inquinanti
• Ciclo dell’acqua e cicli biogeochimici (C, N, P, S)
• Alterazioni dei cicli dovute alle attività antropiche
• Monitoraggio e biomonitoraggio della qualità ambientale.
6
LEZIONE 2
17 dicembre 2011
-CICLI BIOGEOCHIMICI-
7
OBIETTIVI DELLA LEZIONE
Descrizione dei principali cicli biogeochimici:
Ciclo del Carbonio
Ciclo dell’Azoto
Ciclo del Fosforo
Ciclo dello Zolfo
Ciclo del Mercurio
Ciclo dell’acqua
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ECOSISTEMA: unità ecologica fondamentale, formata da una
comunità di organismi viventi in una determinata area e dallo
specifico ambiente fisico con il quale gli organismi sono legati
da complesse interazioni e scambi di energia e materia.
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Ogni ecosistema è caratterizzato da interazioni
tra le componenti viventi (biotiche) e non viventi
(abiotiche) che danno luogo a:
Un flusso unidirezionale di
energia.
Un riciclaggio di minerali e di
altre sostanze inorganiche
( CICLI BIOGEOCHIMICI)
10
10
L’ENERGIA, al contrario della materia, NON
PUÒ ESSERE RICICLATA!
L’ENERGIA scorre attraverso gli ecosistemi
La MATERIA ricircola attraverso e all’interno degli
ecosistemi
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SOLE
PRODUTTORI
CONSUMATORI
DEMOLITORI
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12
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Primo principio della termodinamica: in un
sistema isolato rimane costante il contenuto di
energia.
Secondo principio della termodinamica: in un
sistema isolato, quando l’energia viene convertita
da una forma all’altra, parte dell’energia
disponibile viene dissipata sotto forma di calore e
quindi non è più disponibile per produrre lavoro
l’energia tende spontaneamente a degradarsi
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14
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La materia, come l’energia, non può essere né
creata né distrutta
GLI ELEMENTI CHIMICI SONO CONTINUAMENTE
RICICLATI ALL’INTERNO DEGLI ECOSISTEMI
16
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CICLO DELLA MATERIA
Il globo terrestre, in quanto sistema chiuso, è
caratterizzato da un continuo riutilizzo degli elementi
naturali.
La biosfera è un sistema termodinamicamente aperto
rispetto all'energia, ma è un sistema chiuso per quanto
riguarda la materia.
17
17
Sebbene la maggior parte degli ecosistemi riceva un
abbondante flusso di energia solare, gli elementi chimici sono
spesso disponibili in quantità limitata
La vita sulla terra dipende dal riciclo degli
elementi chimici essenziali
Un elemento si considera essenziale se:
Un organismo non puo completare il suo ciclo vitale
senza di esso
L’elemento svolge qualche specifica funzione
metabolica
18
18
Macroelementi e microelementi
Alcuni elementi possono essere necessari in grandi
quantità (macroelementi) solo per alcuni organismi;
19
Funzioni principali dei principali nutrienti
20
In natura ...
... Si ha un continuo scambio di
materia tra esseri viventi e
ambiente circostante: gli esseri
viventi nascono e quindi si
accrescono utilizzando il
materiale presente nelle acque,
sul territorio e nell’aria.
Durante il loro ciclo vitale, scambiano di continuo sostanze
gassose con l’aria (O2 , CO2) e abbandonano i prodotti di
rifiuto sul terreno e nelle acque.
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Cicli biogeochimici
Sono cicli ben precisi che avvengono in natura che descrivono
“il viaggio” di un elemento presente negli organismi vegetali e
animali che viene prelevato dai suoi depositi naturali, viene
utilizzato, passando attraverso svariati composti, da una serie
successiva di organismi, per poi ritornare, attraverso un’altra
serie di reazioni, al deposito stesso.
22
La BIOGEOCHIMICA (Vernadskii, 1926) è la
scienza che studia lo scambio degli elementi
chimici tra le componenti viventi e non
viventi degli ecosistemi.
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CICLI BIOGEOCHIMICI
Sono processi di circolazione ciclica degli elementi alimentati da
flussi regolari di energia solare ed energia geotermica, realizzati per
mezzo di esseri viventi organizzati in reti alimentari.
BIO indica le componenti biotiche del sistema
GEO indica le componenti non viventi del sistema
Tali processi sono divisi in fasi:
FASE BIOLOGICA: fase di ricircolo delle sostanze inorganiche
(ciclo dei nutrienti) e di temporanea riserva delle sostanze organiche.
FASE GEOLOGICA: fase di riserva delle sostanze inorganiche
entro i serbatoi (atmosfera, idrosfera e litosfera).
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Ciascun ciclo è diviso in due compartimenti o pools
POOL DI RISERVA
Comparto geologico
(più ampio e meno attivo,
generalmente abiotico)
Il comparto di riserva del ciclo (o
serbatoio, o pool, o fase inorganica di
riserva)
rappresenta
la
massa
comprendente la maggior quantità
dell'elemento.
Questa fase è perciò generalmente
stazionaria e poco disponibile per gli
organismi.
La fase di riserva (geologica) è
sempre di natura inorganica.
POOL DI SCAMBIO
Comparto biologico
(più piccolo ma direttamente
coinvolto negli scambi tra
ambiente ed organismi)
Il comparto biologico (o pool di
scambio) comprende tre compartimenti
attivi:
le sostanze inorganiche utilizzabili (i
nutrienti);
gli organismi viventi (le piante, gli
animali, i microorganismi);
le sostanze organiche inerti.
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Le sostanze si muovono da un comparto (serbatoio) all’altro
con una data velocità (espressa in tonnellate/anno).
Le sostanze stazionano in un comparto (serbatoio) per un
certo periodo di tempo prima di essere “rimobilizzate”, tale
tempo (espresso in ore/giorno/mesi/anni) è detto tempo di
residenza.
Le sostanze si rinnovano in un comparto (serbatoio) in un
certo periodo di tempo mantenendo pressoché costante (in
equilibrio dinamico) la quantità totale contenuta. Tale tempo
(espresso in anni) è detto tempo di rinnovamento (due
scale temporali: biologiche e geologiche).
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La "riciclizzazione" negli ecosistemi consiste nella riutilizzazione
degli elementi all'interno della biosfera senza che essi ritornino al
compartimento geologico di riserva.
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29
La fonte principale di ogni elemento (o serbatoio o pool di
riserva) si trova in genere nell’ambiente non vivente. In base
alla localizzazione del serbatoio i cicli biogeochimici vengono
divisi in:
GASSOSI il serbatoio è l'atmosfera
- ciclo dell'azoto
SEDIMENTARI l'elemento è presente in una riserva
localizzata nella litosfera
- ciclo del fosforo
MISTI l'elemento è presente in una riserva localizzata nella
litosfera, atmosfera e idrosfera
- ciclo del carbonio
- ciclo dello zolfo
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31
Per studiare e comprendere i cicli biogeochimici
occorre considerare:
1. I comparti ambientali componenti la geochimica
terrestre e le relative proprietà;
2. I processi di trasformazione, di trasporto e di
diffusione che avvengono all’interno dei comparti e
tra comparti differenti;
3. Le proprietà e il comportamento delle diverse
sostanze nei diversi comparti costituenti la geosfera.
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1. PRINCIPALI COMPARTI AMBIENTALI
TROPOSFERA: strato basso dell’atmosfera, fino a 10-20 km (in
funzione della latitudine). Composizione pressochè costante. Capacità
di trasporto molto elevata.
IDROSFERA: acque interne, sotterranee, marine. Volume totale circa
1500 milioni di km3. Composizione variabile dalle acque dolci al mare.
Capacità di trasporto elevata.
LITOSFERA: involucro esterno della terra, profondo 70-150 km.
Comprende la crosta (continentale e oceanica) e lo strato superiore
del mantello. Composizione molto variabile. Nessuna capacità di
trasporto e poca influenza nella biosfera, salvo che nel contatto con la
pedosfera.
BIOSFERA: zone di aria, terra e acqua presenti sulla superficie della
Terra e occupate da organismi viventi.
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Abbondanza dei principali elementi nei comparti ambientali
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Elementi principali (espressi in percentuale) presenti
nei quattro componenti strutturali che formano il
pianeta Terra:
Biosfera
Idrosfera
Litosfera
Atmosfera
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BIOSFERA
Elementi
presenti con
percentuali
superiori a
0,02%
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2. Processi di trasformazione, di trasporto e di
diffusione.
Circolazione «veloce»
Circolazione «lenta»
38
Circolazione « veloce »
Insieme di trasporti e trasformazioni
Trasformazioni:
comparti attivi
Trasporti:
comparti mobili
Suolo
Sedimenti
Aria
Acqua
Biomassa
Aria
Biomassa
Suolo
Acqua
litosfera
Sedimento
litosfera
39
TRASPORTI
J = - D (dC/dx)
40
Scale spazio-temporali nei cicli biogeochimici
Cicli locali (es. piccoli bacini idrografici, laghi)
Cicli di media scala (es. grandi bacini idrografici, mari chiusi)
Cicli globali
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Controllo dei cicli
I cicli biogeochimici possono essere influenzati da eventi:
Periodici: sono generalmente generati dall’energia solare; di norma non
modificano sensibilmente i meccanismi omeostatici del sistema (eventi
meteorici stagionali, maree, ecc.)
Aperiodici: possono esser generati da fonti di energia diverse da quella
solare; possono provocare sensibili alterazioni dei meccanismi omeostatici
su scala locale o più ampia (eruzioni vulcaniche, niño, ecc.)
Cicli a prevalente controllo abiotico
es. ciclo dell’acqua meccanismi di evaporazione e condensazione
azionati direttamente dall’energia solare
Cicli a prevalente controllo biologico
es. C, N, P meccanismi di organizzazione e mineralizzazione
azionati dagli organismi
42
Evoluzione dei cicli
43
3. Proprietà e comportamento delle diverse
sostanze nei diversi comparti costituenti la
geosfera.
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Macroelementi e microelementi
Alcuni elementi possono essere necessari in grandi quantità (macroelementi) solo per
alcuni organismi;
Ad esempio il silicio (Si) é indispensabile per la costruzione del guscio delle diatomee.
45
IL CICLO DEL
CARBONIO
46
CICLO DEL CARBONIO
(ciclo misto)
Litosfera
Atmosfera
Idrosfera
Biosfera
capacità
capacità
capacità
capacità
Controllo prevalentemente biologico
3*1016 t
7*1011 t
4*1013 t
5*1011 t
47
FORME DEL CARBONIO
Il carbonio è un importante elemento chimico presente, in
varie forme, in tutti gli organismi viventi:
nell’atmosfera (anidride carbonica),
negli oceani (CO2),
nelle rocce (carbonati),
nei combustibili fossili (carbone, petrolio, metano),
in molte sostanze artificiali prodotte dall’uomo (es. materie
plastiche).
48
Ciclo del Carbonio
49
CICLO DEL CARBONIO
Il ciclo del CARBONIO avviene attraverso le seguenti fasi:
1. Fissazione del diossido di carbonio atmosferico (CO2).
2. Ritorno della CO2 all’atmosfera in seguito all’ossidazione
biologica della materia organica (respirazione, fermentazione,
decomposizione) e alle reazioni di combustione (incendi naturali
della vegetazione, utilizzo di combustibili fossili …).
3. Accumulo nelle rocce di una frazione del carbonio in seguito al
deposito dei resti di alghe e gusci di animali marini, formati dal
carbonato di calcio insolubile, nei sedimenti dei fondi oceanici.
4. Ritorno in circolo del carbonio delle rocce calcaree (eruzioni
vulcaniche, …).
50
1. Fissazione del diossido di carbonio atmosferico (CO2).
51
Fotosintesi
Molta CO2 dell’atmosfera
viene consumata ad opera
degli organismi autotrofi
durante la FOTOSINTESI
CLOROFILLIANA
6 CO2 + 6 H2O
Energia solare
CLOROFILLA
+ 6 O2
glucosio
52
53
Catena alimentare
54
Respirazione
cellulare
+ 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energia
glucosio
FOTOSINTESI
CLOROFILLIANA
6 CO2
+
6 H2O
Energia solare
CLOROFILLA
+
6 O2
55
Respirazione & Fotosintesi
Nella fotosintesi CO2 e H2O danno luogo alla formazione
di carboidrati e di ossigeno molecolare.
Nella respirazione carboidrati e ossigeno riformano CO2
56
e H2O.
57
CICLO DEL CARBONIO
Il ciclo del CARBONIO avviene attraverso le seguenti fasi:
1. Fissazione del diossido di carbonio atmosferico (CO2).
2. Ritorno della CO2 all’atmosfera in seguito all’ossidazione
biologica della materia organica (respirazione, fermentazione,
decomposizione) e alle reazioni di combustione (incendi naturali
della vegetazione, utilizzo di combustibili fossili …).
3. Accumulo nelle rocce di una frazione del carbonio in seguito al
deposito dei resti di alghe e gusci di animali marini, formati dal
carbonato di calcio insolubile, nei sedimenti dei fondi oceanici.
4. Ritorno in circolo del carbonio delle rocce calcaree (eruzioni
vulcaniche, …).
58
Ciclo del Carbonio
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La CO2 viene fissata anche attraverso la reazione
dei
FENOMENI CARSICI
Il Carso Triestino è l’altopiano che si
estende ad Est ed a Sud –Est della
città di Trieste
Il Carso è formato da rocce carbonatiche,
prevalentemente calcaree e dolomitiche,
cioè costituite in prevalenza da un
composto chimico detto carbonato di
calcio che le rende facilmente erodibili.
Hanno generalmente un colore
biancastro
60
Non ci sono acque di scorrimento superficiali (fiumi,
torrenti…) poiché l’acqua piovana penetra nelle fessure
della roccia e scompare nel sottosuolo formando le grotte.
In un territorio carsico l’acqua
di pioggia, cadendo sul suolo
formato da rocce calcaree,
penetra nelle fessure. Qui si
arricchisce di anidride
carbonica. Acqua e anidride
carbonica, combinate insieme,
sciolgono il carbonato di
calcio contenuto nelle rocce,
trasformandosi in bicarbonato
di calcio (acqua con roccia
disciolta).
H2O
CO2
CaCO3
Ca(HCO3)2
61
L’acqua, così arricchita, quando incontra una cavità, gocciola
liberando nuovamente l’anidride carbonica nell’aria: il carbonato
di calcio torna a solidificarsi. Questa azione prolungata nei
millenni dà origine alle stalattiti.
Quando la goccia cade in basso si
deposita il carbonato di calcio residuo.
Questa azione forma la stalagmite. Col
tempo è possibile che stalattite e
stalagmite si uniscano dando luogo a
un’unica colonna.
62
Gocciolamento di una stalattite
IL CICLO
DELL’AZOTO
63
CICLO DELL’AZOTO (ciclo gassoso)
La principale riserva di azoto è l'atmosfera, che contiene
per l’78% azoto gassoso (N2).
L’azoto è implicato nella composizione degli
amminoacidi, delle proteine, degli acidi nucleici e spesso
come nutriente limitante per le piante.
Ad eccezione di particolari batteri, l'azoto atmosferico non
può essere direttamente assorbito dall’atmosfera.
64
Autotrofi: le piante possono assimilare l'azoto tramite
l'assorbimento di alcuni composti azotati (nitriti, nitrati e sali
d'ammonio) che disciolti nell'acqua del terreno giungono fino
alle loro radici.
Eterotrofi: gli animali possono utilizzare solo le forme
organiche dell’azoto.
Decompositori: la decomposizione dei resti organici
restituisce al terreno l'elemento, che può ritornare
nell'atmosfera grazie all'azione di alcuni batteri specializzati.
65
Le principali reazioni che regolano il ciclo dell’azoto sono:
- AZOTOFISSAZIONE
- AMMONIFICAZIONE
- NITRIFICAZIONE
- DENITRIFICAZIONE
66
FISSAZIONE DELL’AZOTO
Avviene ad opera di particolari batteri e consiste nella
riduzione, tramite l’enzima nitrogenasi, dell’azoto molecolare
(N2) ad azoto ammonico (NH3).
La reazione di azotofissazione può essere descritta come
segue:
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
L’azoto ammonico è successivamente reso disponibile per
molte importanti molecole biologiche quali gli amminoacidi, le
proteine, le vitamine e gli acidi nucleici.
67
I batteri azotofissatori presenti nei noduli radicali
favoriscono la disponibilità di azoto organico per le
leguminose ed altre specie arboree.
I noduli sulle radici della pianta
appaiono a grappolo, mentre al
microscopio elettronico a scansione
è possibile analizzare un singolo
nodulo. Ogni nodulo contiene
migliaia di cellule di batteri del
genere Rhizobium, capaci di
trasformare l’azoto atmosferico in
azoto ammonico (NH3) attraverso
l’enzima Nitrogenasi.
68
Efficienza della fissazione di azoto
Ambiente terrestre
Batteri simbionti
Varie specie di Rhizobium associate a diverse specie di
leguminose (soia, fagiolo,…) da 50 a 200 kg N/ha anno
Batteri non simbionti
Azotobacter e Clostridium da 5 a 20 kg N/ha anno
Ambiente acquatico
Cianobatteri da 10 a 50 kg N/ha anno
69
AMMONIFICAZIONE
Decompone l’azoto organico in ione ammonio NH4+
La superficie della terra e
quella dei sedimenti
presenti nell’acqua sono
ricoperte da sostanze
organiche provenienti da
organismi morti.
la loro degradazione da parte di batteri ammonizzanti e di
funghi viene chiamata ammonificazione dato che porta alla
formazione di ammoniaca oltre a CO2 e H2O (idrolisi proteine,
70
deamminazione amminoacidi).
NITRIFICAZIONE
È il processo di ossidazione dell’azoto ammoniacale
(presente come tale o derivato dai processi di
ammonificazione dell’azoto organico e dell’urea) a nitriti e
quindi a nitrati per azione di popolazioni batteriche
autotrofe.
71
NITRIFICAZIONE
Genere Nitrosomonas ossida l’ammoniaca NH4+ a nitrito NO2-
NH4+ + 3/2 O2 2 H+ + H2O + NO2 Genere Nitrobacter ossida il nitrito NO2- a nitrato NO3-
NO2- + 1/2 O2 NO3E complessivamente:
NH4+ + 2O2 NO3-+ 2H+ + H2O
72
DENITRIFICAZIONE
I processi di denitrificazione si basano sulla attività
respiratoria
di
popolazioni
batteriche
eterotrofe
(Pseudomonas, Microcossus …) che utilizzano i nitrati e i
nitriti come accettori finali di elettroni nell’ossidazione
biologica dei composti biodegradabili, con conseguente
formazione di N2 che ritorna in atmosfera.
73
La nitrificazione, integrata con la denitrificazione, permette
la rimozione dell’azoto.
la denitrificazione, cioè la trasformazione dell’azoto in N2
e quindi la sua rimozione, è possibile solo se si parte da
azoto in forma nitrica (NO3-).
I due sistemi nitrificazione-denitrificazione sono
sempre accoppiati
74
ASSIMILAZIONE
Si tratta di 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.
75
76
IL CICLO DEL
FOSFORO
77
CICLO DEL FOSFORO (ciclo sedimentario)
Il ciclo del fosforo è estremamente lento perché non
esiste una forma biologica del fosforo che abbia le
caratteristiche gassose tali da poter entrare nell’atmosfera.
Il ciclo avviene prevalentemente nel
suolo: il fosforo presente nei sedimenti
marini impiega milioni di anni per
solidificare nelle rocce.
Il fosforo è uno dei principali costituenti degli acidi
nucleici, dei fosfolipidi e dell’ATP.
78
La maggior parte dei terreni contiene poco fosforo;
P fattore limitante per la crescita dei produttori primari
sulla terra, nei fiumi e nei laghi
(fertilizzazione - eutrofizzazione).
79
La forma inorganica biologicamente più importante del
fosforo lo ione fosfato ( viene assorbito dalle piante per
produrre composti organici).
80
CICLO DEL FOSFORO
Diffusione del fosforo nel terreno e nelle acque, per
erosione (a opera delle piogge) delle rocce che lo
contengono;
Assorbimento del fosforo da parte delle piante sotto
forma di ioni fosfato, incorporazione nei composti organici
(P org), e trasferimento agli altri organismi attraverso la
catena alimentare;
Ritorno nell’ambiente di fosforo organico e inorganico,
sotto forma di escrezioni e nelle spoglie degli animali;
Trasformazione batterica del fosforo organico in
composti inorganici, che possono essere utilizzati dalle
piante.
81
In ambiente marino una grande quantità di fosforo viene
persa nei sedimenti profondi, e va a far parte di rocce
sedimentarie da cui potrà essere mobilizzato solo molto
82
tempo dopo, grazie ai movimenti della crosta terrestre.
83
IL CICLO DELLO
ZOLFO
84
CICLO DELLO ZOLFO (ciclo misto)
Lo zolfo è un costituente essenziale della materia vivente
(amminoacidi cisteina e metionina; i centri ferro-zolfo di
numerose molecole biochimiche indispensabili per la
fosforilazione ossidativa).
La maggior parte dello zolfo sulla Terra si trova nelle rocce
solfate, ma esso viene costantemente perduto dal terreno
sotto forma di ioni solfato attraverso il dilavamento.
CISTEINA
pirite
85
CICLO DELLO ZOLFO
Le piante assorbono lo zolfo solo sotto forma di solfato (SO42-).
Tra zona aerobica e anaerobica sussiste un ciclo
ossidoriduttivo in cui batteri specializzati trasformano il
solfato in zolfo e in acido solfidrico e viceversa.
86
Ossidazione dello zolfo
Avviene
prevalentemente
ad
opera
di
batteri
chemioautotrofi (Thiobacillus) che sono in grado di ossidare
lo zolfo in condizioni anossiche.
Riduzione dello zolfo (desolforazione)
Processo svolto prevalentemente da alghe, funghi e batteri
(Desulfovibrio sp., Desulfobacter sp.).
L’acido solfridrico formato in questa reazione viene utilizzato
per la sintesi di amminoacidi contenenti zolfo.
87
Lo zolfo può essere ossidato a
solfato da alcuni solfobatteri
anaerobi (Thiobacillus), mentre
altri batteri dello stesso genere
sono capaci di trasformare lo
zolfo in solfuri di zolfo.
La desolfatazione, cioè la riduzione dello
zolfo è un processo svolto
prevalentemente da alghe, funghi e batteri
(Desulfovibrio sp., Desulfobacter sp.).
88
CICLO DELLO ZOLFO
La decomposizione di materiale organico contenente zolfo
porta alla formazione di acido solfidrico (H2S).
89
CICLO DELLO ZOLFO
90
CICLO DELLO ZOLFO
L'atmosfera riceve contributi unidirezionali da attività
industriali e da eruzioni vulcaniche.
91
IL CICLO DEL
MERCURIO
92
UTILIZZI DEL MERCURIO
Termometri, barometri;
Prodotti elettrici (batterie,interruttori);
Medicinali (“calomelano”, disinfettanti);
Colori e vernici;
Metallurgia (leghe);
Odontoiatria (amalgame per otturazioni);
Manifattura dei cappelli….
93
I cappellai inglesi utilizzavano per
conciare le pelli una soluzione di
nitrato di mercurio, i cui vapori,
inalati, portavano ad un
avvelenamento da mercurio che si
manifestava con tremori, insonnia,
instabilità emotiva, allucinazioni e
demenza.
Il Governo Inglese ha vietato l’uso del mercurio
nelle concerie nel 1941.
94
Mercurio in mare
Attività inquinanti umane
Sorgenti naturali
industria chimica e siderurgica;
pesticidi usati in agricoltura;
industrie della carta;
combustione del carbone fossile;
inceneritori;
cromatura dei metalli ecc.
emissioni vulcaniche e
geotermiche;
emissione di mercurio gassoso
dagli oceani;
erosione della crosta terrestre ad
opera dei venti.
Il mercurio immesso
nell’ambiente da entrambe le
sorgenti circa 10.000 t/anno;
1/3 proviene dalle industrie
95
96
Forme inorganiche
Mercurio metallico: l’inalazione dei vapori può
causare seri danni a polmoni, reni e cervello;
Ossido di mercurio: usato come antisettico;
Sali di mercurio (Nitrato, Solfato, Cloruro, ecc.)
Nel sedimento marino questi composti vengono
“organicati” da microorganismi a…
97
Forme organiche
I composti organici del mercurio sono molto stabili
in soluzione acquosa.
Il più pericoloso è il metil-mercurio (CH3Hg+);
I derivati organici del mercurio, altamente tossici e
solubili, sono assorbiti dagli organismi acquatici;
Il metil-mercurio è caratterizzato da
un’elevatissima tossicità cerebrale.
98
La tossicità cerebrale del mercurio è dovuta ai
seguenti motivi:
Il metil-mercurio si lega a delle porzioni di
proteine, formando un complesso che viene
riconosciuto dall’organismo come “metionina”;
Il complesso attraversa la barriera ematoencefalica usando il trasportatore della metionina e
si concentra nel cervello.
Sono anche in grado di oltrepassare facilmente
la barriera plancentare e di accumularsi nei tessuti
fetali.
99
Disastro nella baia di Minamata (Giappone)
L’industria chimica
Chisso ha scaricato nelle
acque della baia enormi
quantità di mercurio tra il
1938 e il 1968;
Il metilmercurio si è accumulato per anni negli organismi marini,
che venivano poi consumati dalla popolazione locale;
2265 vittime.
100
101
Published online 1 December 2010 on Nature
Mercury causes homosexuality in male ibises
Environmental pollutant radically changes birds' mating
behaviour.
Joseph Milton
102
IL CICLO
DELL’ACQUA
103
Caratteristiche chimiche dell’acqua
molecola polare (formata da una
parte positiva ed una parte
negativa)
ottimo solvente della maggior
parte delle sostanze presenti
sulla Terra
Bolle a 100 °C
Solidifica a 0 °C
Allo stato solido galleggia
sull’acqua liquida (il ghiaccio
ha una densità minore)
104
Distribuzione dell’acqua globale
acqua dolce
acqua salata
100%
90%
80%
Solo il 3% dell’acqua della
Terra è dolce (laghi, fiumi,
ghiacciai)
70%
60%
50%
40%
30%
Il 97% dell’acqua della Terra
è salata (mari e oceani)
20%
10%
0%
105
106
L’acqua dolce sulla terra
laghi e fiumi
Possiamo usare solo l’acqua
dei laghi e dei fiumi che è lo
0,3% dell’acqua dolce
presente sulla terra!
ghiacciai
Acqua sotterranea
107
IL CICLO DELL’ACQUA (ciclo idrologico)
Rappresenta l’insieme di tutti i fenomeni legati all’acqua
nel suo naturale movimento sulla superficie terrestre.
La scienza che studia il ciclo dell'acqua è l'idrologia.
Il ciclo idrologico mette in
comunicazione l’atmosfera, le terre
emerse e gli oceani.
Ad ogni ciclo la molecola d’acqua viene
sottoposta ad almeno due cambiamenti di
stato: da vapore a liquido o solido e
nuovamente a vapore.
Tutti i processi di formazione e di trasporto
del vapore sono attivati dall’energia solare,
mentre la formazione dei deflussi a partire
dalle
precipitazioni
è
di
natura
essenzialmente gravitazionale.
108
Caratteristiche generali del CICLO DELL’ACQUA
109
Pool di riserva: idrosfera
Il mare è un magazzino d’acqua
110
CICLO DELL’ACQUA
Consiste nella circolazione dell'acqua tra l'atmosfera, la terra,
le acque superficiali, le acque sotterranee e gli organismi
viventi, includendo le i cambiamenti di stato fisico dell'acqua
tra la fase liquida, solida e gassosa.
111
CICLO DELL’ACQUA
I molteplici cicli che compie l'acqua terrestre includono i
seguenti processi fisici:
evaporazione
Condensazione
precipitazione
Infiltrazione
scorrimento
flusso sotterraneo.
Ciclo completo di una
molecola d’acqua:
2.000 anni circa
112
IL CICLO DELL’ACQUA
113
IL CICLO DELL’ACQUA
I fenomeni principali costituenti il ciclo idrologico
possono essere distinti in:
1. Evaporazione (e Evapotraspirazione)
2. Sublimazione
3. Condensazione ( Immagazzinamento dell’acqua
nell’atmosfera come vapore, nuvole ed umidità)
4. Precipitazione
5. Ruscellamento (da fusione dei ghiacciai e delle
nevi/ superficiale)
6. Infiltrazione e flusso delle acque sotterranee
7. Deflusso dei fiumi
114
IL CICLO DELL’ACQUA
1. Evaporazione
115
IL CICLO DELL’ACQUA
1. Evapotraspirazione
Processo attraverso il quale il vapore d’acqua è disperso
nell’atmosfera dall’evaporazione dal suolo e dalla
traspirazione della vegetazione.
116
La traspirazione è il processo attraverso il quale l’umidità è
trasportata attraverso le piante dalle radici ai piccoli pori
sulla faccia inferiore delle foglie, dove si trasforma in vapore
e viene rilasciata nell’atmosfera.
Fattori atmosferici che influenzano la traspirazione
Temperatura
Temperatura
Umidità relativa
Vento e moti dell’aria
Tipo di pianta
117
L'acqua evapora, sotto l'azione della radiazione solare, a
partire dal terreno, dalla vegetazione e dagli specchi
d'acqua, per poi essere trasportata, sotto forma di nubi di
vapor d'acqua, dal movimento dell'atmosfera.
118
IL CICLO DELL’ACQUA
2. Sublimazione
Trasformazione della neve o del ghiaccio in vapore senza
fondere.
119
IL CICLO DELL’ACQUA
3. Condensazione
La condensazione è il processo con cui il vapore acqueo è
trasformato in acqua in fase liquida.
- processo che libera calore.
- dà origine alle nuvole
120
Immagazzinamento dell’acqua nell’atmosfera come
vapore, nuvole ed umidità
Il volume di acqua nell’atmosfera è circa 12.900 milioni di Km3
121
Le nubi o nuvole sono masse di acqua sotto forma di goccioline o
cristalli di ghiaccio che volano nell'atmosfera.
Le nuvole causano numerosi fenomeni meteorologici, come la
pioggia, la neve e la grandine (precipitazioni).
Le nuvole assumono forme diverse, secondo la quantità di
goccioline o di ghiaccio che contengono, secondo la temperatura
122
dell’atmosfera e l’altitudine cui si trovano.
Bruxelles, gennaio 2011
123
IL CICLO DELL’ACQUA
4. Precipitazione
Precipitazione: il rilascio d’acqua dalle nuvole
• via principale in cui l’acqua atmosferica ritorna sulla Terra.
• la maggior parte delle precipitazioni sono piogge.
124
La precipitazione è l’acqua rilasciata dalle nuvole
sotto forma di pioggia, pioggia gelata, neve, o
grandine.
Grandine
Precipitazione atmosferica costituita da granuli di ghiaccio (diametro
>5mm) composti da strati trasparenti e opachi, sovrapposti ed
alternati. Il loro processo di crescita si chiama orlatura.
Le particelle di ghiaccio presenti nella nube, spinte da correnti d'aria
ascensionali, collidono con gocce d'acqua a temperatura inferiore allo
zero e le solidificano. Quando i granuli non sono più sostenuti dalle
correnti ascensionali precipitano con violenza.
125
Intensità delle precipitazione
126
Variabilità locale del ciclo dell’acqua
Effetto della toporafia sulle precipitazioni
L’aria che sale lungo il versante sopravento di una montagna
si raffredda causando precipitazioni.
Sul versante sottovento l’aria discendente si riscalda
127
assorbendo umidità e creando aree più aride.
Schema semplificato del clima e della
vegetazione dell’isola di Tenerife
128
SUD
NORD
Tenerife
129
Immagazzinamento dell’acqua nel ghiaccio, nei
ghiacciai e nella neve
L’acqua conservata per lunghi periodi di tempo nel ghiaccio,
nella neve e nei ghiacciai, fa parte del ciclo idrologico
130
globale.
I ghiacciai coprono il 10-11% di tutte le terre emerse
Se tutti i ghiacciai fondessero oggi, il livello del mare
risalirebbe di circa 70 metri (National Snow and Ice Data Center).
Durante l’ultima età glaciale, il livello dei mari era circa 122 metri
più basso di oggi, ed i ghiacciai coprivano circa un terzo delle
terre emerse.
Circa tre milioni di anni fa, il livello dei mari potrebbe essere stato
fino a 50 metri più alto.
131
IL CICLO DELL’ACQUA
5. Ruscellamento
-
da fusione dei ghiacciai e delle nevi nei climi più
freddi, la maggior parte del ruscellamento primaverile e del
flusso nei corsi d’acqua proviene dalla neve e dal ghiaccio
in fusione.
-
superficiale il ruscellamento da precipitazione sul
paesaggio.
132
6. Infiltrazione movimento dell’acqua dalla superficie
verso il basso nel sottosuolo.
L’acqua sotterranea inizia come precipitazione ed è riserva
di acqua dolce.
133
La quantità di acqua che arriva ad infiltrarsi nel terreno
dipende principalmente dalla permeabilità del suolo o della
roccia.
Le acque sotterranee tendono a muoversi molto lentamente,
così l'acqua può ritornare alla superficie anche dopo 10.000
134
anni.
Distribuzione dell’acqua globale
135
Sorgente
È il luogo in cui l’acqua sotterranea defluisce in superficie
136
Sotto l’azione della forza di gravità l’acqua ritorna alla
superficie ad altezza inferiore a quella del punto di infiltrazione.
Inizia ora lo scorrimento dell’acqua, tramite il quale l'acqua
superficiale si muove in pendenza verso il mare.
137
IL CICLO DELL’ACQUA
7. Deflusso dei fiumi
L'acqua che scorre nei torrenti e nei fiumi può stazionare nei
laghi per un certo tempo.
Non tutta l'acqua ritorna al mare per scorrimento; gran parte
evapora prima di raggiungere il mare.
138
I fiumi aiutano a mantenere
carichi gli acquiferi
sotterranei scaricando acqua
in profondità attraverso il
loro letto.
Fiume Natisone (Udine)
139
IL CICLO DELL’ACQUA
Il ciclo idrologico (o ciclo dell'acqua) rappresenta l’insieme di
tutti i fenomeni legati all’acqua nel suo naturale movimento
sulla superficie terrestre.
Il ciclo idrologico mette in comunicazione l’atmosfera, le
terre emerse e gli oceani.
Ad ogni ciclo la molecola d’acqua viene sottoposta ad
almeno due cambiamenti di stato: da vapore a liquido o
solido e nuovamente a vapore.
Tutti i processi di formazione e di trasporto del vapore sono
attivati dall’energia solare, mentre la formazione dei deflussi
a partire dalle precipitazioni è di natura essenzialmente
gravitazionale.
140
CICLO DELL’ACQUA & REGOLAZIONE
DEL CLIMA
L'acqua riceve energia dal Sole, che facendo evaporare
l’acqua presente negli oceani ne riduce la temperatura.
senza l'effetto di raffreddamento generato dagli oceani
l'effetto serra porterebbe la temperatura superficiale del
nostro pianeta a 67 °C.
141
CICLO DELL’ACQUA & REGOLAZIONE DEL CLIMA
A causa del riscaldamento globale sono aumentati i tassi di
evaporazione e precipitazione.
Si assiste anche ad una costante ritirata dei ghiacciai, dato che
l'apporto d'acqua ai ghiacciai non è sufficiente a compensarne la
perdita per scioglimento e sublimazione.
Anche le seguenti attività umane possono influire nell'alterare il
ciclo idrologico:
Agricoltura
Inquinamento atmosferico
Costruzione di dighe
Deforestazione e riforestazione
Estrazione dell'acqua dalla falda freatica mediante
pozzi
Sottrazione d'acqua dai fiumi
Urbanizzazione
142
IL CICLO DELL’ACQUA
143
Per effetto del ciclo dell’acqua
l’eventuale inquinamento di
aria, suolo e acqua tende a
riversarsi su una risorsa
sempre più scarsa come
l’acqua dolce
144
In natura…
si ha un continuo
scambio di materia tra
esseri viventi e ambiente
circostante: gli esseri
viventi nascono e quindi
si accrescono utilizzando
il materiale presente
nelle acque, sul territorio
e nell’aria.
Durante il loro ciclo vitale, scambiano di continuo sostanze
gassose con l’aria (O2 , CO2) e abbandonano i prodotti di
rifiuto sul terreno e nelle acque.
145
CICLI BIOGEOCHIMICI
Sono cicli ben precisi che avvengono in natura che
descrivono “il viaggio” di un elemento presente negli
organismi vegetali e animali venga prelevato dai suoi
depositi naturali, venga utilizzato, passando atraverso
svariati composti, da una serie successiva di organismi,
per poi ritornare, attraverso un’altra serie di reazioni, al
deposito stesso.
I 4 elementi fondamentali per gli esseri viventi
(O, C, N, H) hanno il loro deposito nell’aria e
nelle acque (O2, CO2, N2, H2O).
146
Le attività umane, che al giorno d‘oggi si svolgono
con una velocità assai maggiore rispetto ai
fenomeni operati da altri esseri viventi, portano
generalmente a modificare i cicli naturali degli
elementi, o addirittura a introdurre processi non
ciclici, con conseguenti accumuli degli elementi in
questione in determinati composti.
147
CICLO DELL’AZOTO
Processi
naturali
Impatto
antropico
148
CICLO DEL FOSFORO
Processi
naturali
Impatto
antropico
149
CICLO DELLO ZOLFO
Processi
naturali
Impatto
antropico
150
Annuario dei dati ambientali
2009
ISPRA
(Istituto superiore per la
protezione e la ricerca
ambientale)
http://www.apat.gov.it/site/itIT/APAT/Pubblicazioni/Annuario_dei_dati_ambientali/Documento/tematiche_in_primo
151
_piano_09.html
INDICE
1) Cambiamenti climatici
2) Biodiversità e aree naturali, agricole e forestali
3) Qualità dell’aria
4) Qualità delle acque interne
5) Esposizione agli agenti fisici
6) Ambiente e salute
7) Rischio ambientale
8) Suolo e territorio
9) Ambito costiero
10) Ciclo dei rifiuti
11) Strumenti per la conoscenza e la consapevolezza ambientale
e l’interfaccia con il mercato (Diffusione dell’informazione
ambientale, Programmi di educazione e di formazione ambientale,
152
Strumenti di miglioramento delle prestazioni ambientali).
Buon Natale
&
Felice Anno nuovo!!!
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