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CICLO DEL CARBONIO
Marco Carozzi
Sommario
• Il carbonio: forme, pool
• Il ciclo
•Il carbonio nella biosfera
•Il carbonio nell’idrosfera
• Carbonio nel suolo
• CO2 e effetto serra
Ecologia Agraria
Il carbonio: forme e pool
- Ha grande affinità a formare legami chimici con altri atomi
- E’ alla base di tutti i processi vitali organici
- Esistono oltre 10 milioni di composti del carbonio
- E’ di fondamentale importanza per le reazioni industriali di combustione
• Il ciclo del C è l’interscambio dinamico attraverso il quale il C viene
scambiato tra geosfera, l’idrosfera (mari e oceani), la biosfera (comprese
acque dolci) e l’atmosfera;
Atmosfera
Biosfera
Idrosfera
Geosfera
• Ogni comparto può essere sorgente o un consumo.
• Le dinamiche di scambio sono regolate da processi chimici, fisici e
biologici.
Ecologia Agraria
Il carbonio: forme e pool
• Il ciclo del carbonio opera su due scale temporali:
• Scala bioclimatica (breve)  il C è scambiato tra l’atmosfera, oceano
e organismi viventi e morti.
• Scala geologica (lunga)  il C è rilasciato nell’atmosfera e
nell’oceano attraverso il degrado di rocce carbonacee (calcari). Il C
ritorna attraverso deposizione di sedimenti
[ L’uso di combustibile fossile stabilisce un legame tra le due scale.
Questo processo rilascia CO2 nell’atmosfera, aumentando la capacità di
questa di trattenere l’energia termica ricevuta dal sole (effetto serra)]
Ecologia Agraria
Il carbonio: forme e pool
• La quantità totale di carbonio presente sulla Terra, in forma organica e
inorganica, è pari a circa 50.000 Gt
[ 1 Gt = 109 t ].
71%
22%
3%
3%
1%





Oceani e sedimenti (carbonati e bicarbonati)
Torba e materiali fossili (carbone, petrolio, metano)
Biomassa totale negli ecosistemi (piante e animali)
Fitoplancton e materia organica negli oceani
Atmosfera
• Il ciclo del carbonio riguarda tutte le trasformazioni chimiche del C a livello
ambientale. Esse sono strettamente correlate fra loro a costituire un ciclo in
cui i prodotti di una reazione fanno da reagenti per la reazione successiva.
• Il ciclo si fonda in gran parte sullo scambio di CO2 tra i due principali
serbatoi: l’atmosfera e gli oceani.
Ecologia Agraria
Il carbonio: ciclo



Ecologia Agraria
 Il carbonio nella biosfera
•Nel ciclo del carbonio, il C passa dall’atmosfera alle piante, agli animali e
poi ai decompositori, quindi ritorna nell’atmosfera.
•Il C entra nella biosfera come prodotto degli organismi autotrofi che usano
la CO2 estratta dall’aria o dall’acqua in cui vivono
ATMOSFERA
FOTOSINTESI
RESPIRAZIONE
PIANTE
DECOMPOSIZIONE
ANIMALI
Ecologia Agraria
 Il carbonio nella biosfera
FOTOSINTESI: da C inorganico a C organico
6CO2 + 6H2O + Energia → C6H12O6 + 6O2
RESPIRAZIONE: da C organico a C inorganico
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia
 se non c’è ossigeno c’è FERMENTAZIONE
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 (alcolica) ma anche acetica, butirrica.
L’ossigeno è comunque sempre accettore di elettroni
 METANOGENESI non utilizza l'ossigeno, ma carbonio molto ossidato
(CO2, Acetato ecc) come accettore finale di elettroni. Gli elettroni
vengono ceduti al carbonio del substrato, riducendolo fino ad ottenere
metano. Attraverso la metanogenesi, reflui e rifiuti organici possono
essere convertiti in biogas. La metanognesi avviene nell’intestino dei
monogastrici e nel rumine.
DECOMPOSIZIONE: da Corganico a C inorganico
Ecologia Agraria
 Il carbonio nella biosfera
• La combustione di biomassa o combustibili fossili può trasferire
anch’essa un sostanziale quantitativo di C nell’atmosfera, come CO 2
Ecologia Agraria
 Il carbonio nel suolo
-Sostanza organica e humus
- Il suolo svolge un ruolo fondamentale nel mitigare i cambiamenti
climatici, contiene il doppio del carbonio presente nell'atmosfera e 3
volte quello dei vegetali.
- Il rilascio in atmosfera è determinato da deforestazione, lavorazioni
agricole con inversione degli strati (aratura), conversioni dei prati in
terreni coltivabili.
[la perdita dello 0.1% del carbonio di tutti i suoli europei  emissioni di
CO2 pari al doppio delle auto presenti in Europa ] .
Ecologia Agraria
 Il carbonio nella biosfera
• l'obiettivo è quello di mantenere nel suolo la massima quantità di
carbonio, aumentando al contempo la capacità di assorbimento dei
terreni.
- salvaguardare le torbiere
- passare a lavorazioni conservative dei suoli: minima lavorazione
e semina su sodo.
- riconversione a pascoli e foreste (ove possibile)
- mantenere il più possibile il suolo coperto
- ammendanti (uso di letame o compost)
- management residui vegetali
 aumento della fertilità!
 diminuzione della CO2 atmosferica!
Ecologia Agraria
 Il carbonio nell’idrosfera
• Gli oceani contengono la maggior parte di riserva di C presente sulla Terra,
in forma di bicarbonato, sebbene essa sia solo in piccola parte disponibile
all’interscambio con l’atmosfera.
• Il carbonio si trasferisce dalla biosfera alla geosfera quando la materia
organica morta sedimentata viene ricoperta da altri depositi sedimentari
Ecologia Agraria
 Effetti CO2
•CO2: la causa principale dell’effetto serra accelerato (dovuto alle attività
umane).
•Nei paesi industrializzati, la CO2 costituisce oltre l’80% delle emissioni di
gas ad effetto serra.
• Aumenti dei gas
serra: evidenti; le
emissioni di CO2 sono
aumentate da 280 ppm
dell’era pre-industriale a
388 ppm (agosto 2010)
con un tasso di crescita
elevato (1.5 ppm/anno).
Ecologia Agraria
 Effetti CO2
• E’ presente negli strati più bassi dell'atmosfera
• La sua concentrazione dipende prevalentemente dall'attività degli
organismi vegetali ed animali: alle nostre latitudini è maggiore d’inverno e
minore d’estate, così come è più alta di notte e più bassa di giorno.
 Tra i gas serra il vapore acqueo è il più
attivo, contribuendo per il 90 – 95% al
riscaldamento complessivo (30 - 31 dei
33°C), la CO2 , presente in concentrazioni
assai inferiori, è responsabile del 4.2 – 4.8%.
Quindi vapore acqueo e CO2 contribuiscono al
98.4 – 99.2% dell’effetto serra globale, mentre
gli altri gas contribuiscono per lo 0.8 – 1.6%.
Ecologia Agraria
 Effetti CO2
Contributo relativo dei
gas serra all'effetto
serra (2004)
CO2
CH4
CFC11
CFC12
HCFC–HFC
SF6
1
21
8500
5000
93  12100 (clorofluorocarburi parz. Idrogenati)
23900 (1t SF6 = 23900t di CO2) Zolfo esafloruro)
• GWP (Global Warming Potential): per definire l’apporto di ogni gas serra al
riscaldamento globale si è concepito il GWP che è il rapporto tra il
riscaldamento globale causato in 100 anni da una sostanza e quello della CO 2
nella stessa quantità
Ecologia Agraria
 Effetti CO2
La maggior parte dei climatologi ritiene che l’aumento della CO 2 sia
causato principalmente dalla attività umana e quindi questo provocherà un
crescente effetto serra che avrà ripercussioni catastrofiche sul clima
(ghiacciai, oceani, desertificazione, uragani).
Per questo è stato proposto nel
1997 dall’IPPC
(Intergovernamental Panel on
Climate Change), un protocollo
(Protocollo di Kyoto) con il
quale i paesi industrializzati si
impegnano dal 2005 al 2012 a
ridurre significativamente le
immissioni di CO2 in atmosfera
ai livelli del 1990 (Europa –
8%).
Dottorato di ricerca in Ecologia Agraria XXII Ciclo - Mattia Fumagalli
 Effetti CO2
Temperatura e CO2 sono
molto ben correlate, ma ad
ogni incremento di
temperatura, segue un
incremento di CO2 in un
lasso di tempo di 800600
anni.
Si deduce che sia un
aumento di temperatura a
far aumentare la CO2 , non
il contrario.
Concentrazione di CO2 (ppm volume, grafico superiore) e temperatura della atmosfera (°C, grafico inferiore) durante gli ultimi 420.000 anni.
Ecologia Agraria
 Effetti CO2
Se la CO2 continuasse ad aumentare:
- insieme al corrispettivo aumento della temperatura, potrebbe portare
benefici sulle produzioni agrarie, in quanto la CO2 porterebbe ad una
maggior attività fotosintetica, probabilmente non supportata dalla
disponibilità idrica.
- l’ambiente subirebbe un aumento delle precipitazioni stagionali e
dell’erosione, con diminuzione dei ghiacciai con un aumento del livello dei
mari, una diminuzione della Corrente del Golfo e un’estesa desertificazione.
Domande
Quali sono i principali pools del ciclo del carbonio ?
Cosa è la fotosintesi ?
Cosa è la respirazione ?
Cos’è la metanogenesi ?
Cosa è una fermentazione ?
Ruolo del suolo nel ciclo del carbonio
Interventi agronomici per lo stoccaggio di C nel suolo
Cosa è il GWP ?
Gas a effetto serra
Ruolo della CO2
Cos’è il protocollo di Kioto ?
Cosa è l’IPCC ?