Inquinamento urbano: qual é il ruolo delle piante?

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1 Inquinamento urbano: qual é il ruolo delle piante? RITA Foto del Dr. Luigi Nobilio BARALDI

2 RICERCA Produttori e Fornitori di piante Progettisti del verde (amministrazioni pubbliche e private) Fornire informazioni aggiuntive inedite e specifiche sull impatto ambientale che diverse specie botaniche in uso nelle città possono causare o subire in funzione delle loro caratteristiche fisiologiche e morfologiche, che vanno a completamento delle comuni indicazioni delle caratteristiche botaniche, agronomiche e colturali

3 WE CARE FOR CLEAN AIR! PELI FOGLIARI CATTURA PARTICOLATO PARTICOLATO MITIGAZIONE INQUINAMENTO

4 IBIMET: RICERCA SCIENTIFICA Analisi fisiologicabiochimica Ecofisiologia Analisi strutturale Fisica dell atmosfera MicrometeorologiaMeteorologia

5 Caratterizzazione dell impatto ambientale di specie vegetali di utilizzo in ambito urbano mediante la stima Assorbimento CO2 atmosferico

6 La concentrazione della CO2 atmosferica è aumentata del 30% dall inizio della rivoluzione industriale e sta ancora aumentando CO

7 Le piante sono gli organismi più indicati per LIMITARE l aumento della CO2 Immagine tratta da

8 La capacità di assorbire CO2 varia in funzione della luce, temperatura, superficie totale fogliare della pianta, tassi di crescita

9 Sequestro di CO2 Alto Basso Salix fragilis (salice) Salix caprea Larix deciduous (larice) Malus domestica Prunus laurocerasus Alnus glutinosa Chamaeciparis Tilia europea lowsoniana (cipresso) Alnus incana Populus (pioppi) Betula pendula (betulla) Salix alba Fraxinus Sambucus niger Acer pseudoplatanis Ulmus campestris (olmo) Alnus cordata Acer platanoides Quercus robur Quercus rubra Pinus sylvestris Acer campestris Prunus avium Corynus avellana (nocciolo) Rex acquifolium (agrifoglio) Quercus petrea

10 Caratterizzazione dell impatto ambientale di specie vegetali di utilizzo in ambito urbano mediante la stima e Rimozion i inquinant Assorbimento CO2 atmosferico

11 INQUINAMENTO URBANO Inquinanti gassosi Particolato

12 Gli alberi influiscono sulla qualità dell aria in 2 modi BENZENE, TOLUENE OSSIDI DI AZOTO, OZONO DIOSSINA, FURANI ANIDRIDE SOLFOROSA Le foglie assorbono gas inquinanti e CO2 e producono ossigeno Foglie che intercettano le particelle Direttamente: effettiva rimozione del particolato e degli inquinanti gassosi attraverso le foglie per ASSORBIMENTO STOMI ADSORBIMENTO CUTICOLA ACCUMULO E DISATTIVAZIONE OSSIDAZIONE METABOLICA Aria pulita Strato di foglie che filtrano più efficacemente Camion Indirettamente: Indirettamente semplicemente agendo come entità fisica (ostacolo) modificano la velocità del vento e la turbolenza influendo quindi sulla concentrazione locale degli inquinanti atmosferici La capacità metabolica dipende dal sistema enzimatico che è specifico per ogni specie

13 TUTTE LE PIANTE ASSORBONO E MITIGANO PIANTE ERBACEE ARBUSTI ALBERI

14 TUTTE LE PIANTE ASSORBONO E MITIGANO Balconi fioriti Parchi Orticoltura urbana Strade centrali Pareti verdi Giardini Tetti verdi

15 Le piante rimuovono tutti gli inquinanti dall aria (Nowak 1995) Alcune piante funzionano meglio di altre nel rimuovere polveri e inquinanti dall aria Alcune specie assorbono più di altre: POTENZIALE SPECIE-SPECIFICO

16 INQUINANTI GASSOSI CARATTERISTICHE FOGLIA DENSITA E MORFOLOGIA DEGLI STOMI SPESSORE E STRUTTURA DELLA CUTICOLA MAGGIORE E LA DENSITA STOMATICA E LO SPESSORE DELLA CUTICOLA E MAGGIORE E LA CAPACITA DI ASSORBIRE INQUINANTI ALLO STATO GASSOSO

17 PROPRIETA FISICO-CHIMICHE DEGLI INQUINANTI CONDIZIONI CLIMATICHE CARATTERISTICHE PIANTA STRUTTURA DELLA PIANTA TASSI DI ACCRESCIMENTO LONGEVITA DELLA PIANTA SEMPREVERDE, DECIDUA, ANNUALE, PERENNE RESISTENZA DELLA PIANTA AGLI INQUINANTI

18 POLVERI SOTTILI Le piante come filtri biologici per polveri Polveri inalabili (PM10, 5, 2.5) polvere, fumo, microgocce di liquido emessi da industrie, centrali termoelettriche, autoveicoli, e cantieri. Nelle città l 80% delle PM10 deriva dal traffico

19 PARTICOLATO Complessa miscela di sostanze organiche ed inorganiche, sospese in atmosfera sia in forma liquida che gassosa. Particolato (PM) può avere diverse dimensioni: Grossolano > 10 μm Sottile < 2,5 μm Ultrasottile < 1 μm

20 La Figura riporta i tipi di particelle con diametro inferiore a 10 µm più comuni nell atmosfera e la distribuzione dei loro diametri Particolamente importanti le particelle molto piccole (0.1 mm) Quelle emesse da combustione contengono la quantità più elevata di composti organici cancerogeni e mutageni e penetrano all interno degli alveoli polmonari. In un' area urbana si riscontra una prevalenza di sintomi respiratorii tre volte superiore rispetto ad una zona rurale (asma, bronchiti, enfisema, allergie )

21 Ogni specie ha una diversa capacità di cattura delle polveri sottili MICRO-struttura della foglia STOMI: n e forma ORNAMENTAZIONI CUTICOLARI RIVESTIMENTI CEROSI NERVATURE PELI o TRICOMI rugosità e viscosità: maggiore è la RUGOSITA maggiore è la CATTURA delle polveri

22 La capacità delle piante di ridurre gli inquinanti dipende dalla Velocità di deposizione e dall Efficienza di cattura degli inquinanti, parametri specifici per ogni specie (Beckett et al., 2000) Pinus nigra Cypress Le conifere sono più efficienti nella cattura del particolato rispetto alle latifoglie grazie alla maggiore superficie fogliare e Sorbus Acer intermedia Populus campestris complessità strutturale

23 PARTICOLATO La deposizione degli inquinanti è maggiore negli alberi rispetto agli arbusti Maggiore superficie fogliare Struttura della chioma più complessa = movimenti turbolenti dell aria

24 Caratterizzazione dell impatto ambientale di specie vegetali di utilizzo in ambito urbano mediante la stima ne o i z o Rim sti o p m co nti a n i u inq Emissione di Composti Organici Volatili VOC Assorbimento CO2 atmosferico

25 Emissione di Composti Organici Volatili (VOC) dalle piante Le sostanze emesse dalle piante conosciute fino ad oggi sono circa Tutti gli organi vegetali sono in grado di emettere tali comosti (foglie, fiori, radici) Le piante: fonti di composti organici volatili (VOC) (tratto da Elmar Uherek del Max Planck Institute for Chemistry, Mainz/Germany ( Greenhouse light biosphere/-_emissons_kv.html

26 Su scala globale i VOC emessi dalle piante sono 10 volte più abbondanti di quelli emessi dall uomo e le specie chimiche rilasciate sono molto più reattive di quelle di origine antropica 1200 Tg/y 460 isoprene 120 monoterpeni 500 alcoli, aldeidi e chetoni 103 Tg/y Areni, alcani, alcheni, chetoni and alcoli Il ciclo completo di ossidazione dell'ozono. Immagine: Anja Kaiser ESPERE Guenther A., in Reactive Hydrocarbons in the Atmosphere (1999) C.N. Hewitt Edr., Academic Press, New York, pp

27 α-pinene Le piante producono e rilasciano nell aria sostanze organiche volatili (VOC) limonene Le sostanze odorose vengono percepite dall uomo.

28 α-pinene VOC limonene..ed anche dagli insetti

29 VOC come MESSAGGERI CHIMICI ATTRATTIVO percepito dagli INSETTI IMPOLLINATORI ma anche repellente e deterrente per INSETTI che sono DANNOSI alle stesse piante

30 Perché i VOC sono importanti per l ambiente? I VOC modificano le proprietà chimiche e fisiche dell atmosfera Nell atmosfera i BVOC svolgono una duplice azione in funzione della presenza o meno di inquinanti antropogenici. Ambiente naturale VOC NOx Ossidazione dei VOC -O3 Quando gli NOx sono assenti i BVOC puliscono l atmosfera dall ozono

31 Nell atmosfera BLUE HAZE: I terpeni reagiscono con l ozono a formano piccole particelle organiche (aerosols) che diffondano la luce blu Blue Ridge Highlands (Virginia, USA) Blue Mountains (Australia) Great Smokey Mountains

32 Cosa succede in città? NOx In presenza di alte concentrazioni di NOx i VOC iniziano delle reazioni che portano all aumento dell ozono troposferico +O3 VOC VOCs

33 Quercus rubra Pinaceae (Picea) palma Isoprene Salicaceae (Quercus) Fagaceae (Populus) Palmaceae (Chamaerops) Alcune felci pioppi Monoterpeni Canfene Carene Limonene mircene Pinene sabinene Conifere Lamiaceae (Salvia, Rosmarinus) Apiaceae Rutaceae (Citrus) Myrtaceae (Myrtus, Eucalyptus) Astearaceae Linalolo eucaliptolo conifere rosmarino limone

34 INDICE POF: POTENZIALE DI FORMAZIONE DELL OZONO POF: B*[(Eiso*Riso) + (Emono*Rmono)] B=BIOMASSA FOGLIARE E=TASSO DI EMISSIONE R=REATTIVITA composti emessi Simulazioni matematiche relative a scenari diversi di pianificazione del verde urbano segnalano che, se si scelgono specie con basso POF, l effetto di mitigazione dell ozono è positivo Tratto da: Le piante e l inquinamento dell aria. G. Lorenzini e C. Nali. Springer

35 Caratterizzazione dell impatto ambientale di specie vegetali di utilizzo in ambito urbano mediante la stima dell emissione di composti organici volatili (VOC) e dell assorbimento di CO2 e inquinanti atmosferici Quercus cerris Tilia cordata Prunus avium Malus everest Liquidambar styraciflua Liriodendrum tulipifera Acer platanoides Fraxinus ornus Fraxinus excelsior Carpinus betulus Acer campestre Crataegus monogina Cercis siliquastrum Catalpa bungei Betula pendula Youngii Koelreuteria paniculata Parrotia persica Robinia pseudoacacia Morus alba Pendula Sophora japonica

36 Analizzatore a raggi infrarossi localizzato nella cuvetta Per ciascuna specie le misure sono state effettuate inserendo le foglie nella cuvetta di un sistema portatile di misura della fotosintesi (LI-6400XT) per determinare e l emissione di VOC PAR= 1000 µmolm-2s-1 T = 30 C L attività fotosintetica (CO2 assorbita)

37 Analisi chimiche nel laboratorio Desorbimento termico Gascromatografia Spetrrometria di massa Ion chromatogram

38 µmoli CO2 assorbita per metro2 fogliare al secondo ASSORBIMENTO DELLA CO2 Alto > 13 Medio Basso 0-10 Tilia cordata Crataegus monogyna Fraxinus ornus Cercis siliquastrum Robinia pseudoacacia Acer campestre Malus everest Quercus cerris Acer platanoides Prunus avium Parrotia persica Morus alba pendula Betula pendula youngii Carpinus betulus Liriodendron tulipifera Fraxinus excelsior Liquidambar styraciflua Catalpa bungeii Sophora japonica Koeleuteria paniculata 5 8 7

39 mg di C10H16 per metro2 fogliare all ora Emissione di VOC Alto >1 Medio Basso < 0.1 Liquidambar styraciflua Koelreuteria paniculata Malus evereste Carpinus betulus Tilia cordata Liriodendron tulipifera Robinia pseudoacacia Sophora japonica Fraxinus ornus Quercus cerris Crataegus monogyna Fraxinus excelsior Acer campestre Acer platanoides Prunus avium Cercis siliquastrum Catalpa bungeii Morus alba Pendula Parrotia persica Betula pendula Youngii

40 Indice di POF: potenziale di formazione dell ozono (g O3 pianta-1 giorno-1) Basso <1 Fraxinus ornus Quercus cerris Crataegus monogyna Fraxinus excelsior Acer campestre Acer platanoides Prunus avium Malus everest Carpinus betulus Tilia cordata Cercis siliquastrum Catalpa bungei Morus alba Pendula Parrotia persica Betula pendula Youngii Robinia pseudoacacia Medio 1-10 Alto > 10 Liquidambar styraciflua Koelreuteria paniculata Liriodendron tulipifera Sophora japonica

41 Nei nostri laboratori. Analisi della struttura fogliare: MALUS EVEREST LIQUIDAMBAR STIRACIFLUA CARPINUS BETULUS LIRIODENDRON TULIPIFERA ACER PLATANOIDES QUERCUS CERRIS PRUNUS AVIUM FRAXINUS ORNUS CRATAEGUS MONOGYNA FRAXINUS EXCELSIOR ACER CAMPESTRE 12. TILIA CORDATA 13. KOELREUTERIA PANICULATA 14. MORUS PENDULA 15. CATALPA BUNGEI 16. SOPHORA JAPONICA 17. CERCIS SILIQUASTRUM 18. PARROTIA PERSICA 19. BETULA YOUNGEII 20. ROBINIA PSEUDOACACIA

42 Diverse sono le metodologie sviluppate per stimare l efficienza di cattura degli inquinanti dalle piante OSSERVAZIONI ANATOMICHE E MORFOLOGICHE: MICROSCOPIO OTTICO: OTTICO per studiare le strutture anatomiche SEM (Microscopio Elettronico a Scansione): per studiare la micro-morfologia delle foglie Esup Tot PPI PPtot La% PL

43 POTENZIALITA DI ASSORBIMENTO DEGLI INQUINANTI ATMOSFERICI INQUINANTI GASSOSI: SPAZI INTERCELLULARI TESSUTO LACUNOSO SCAMBI GASSOSI DENSITA STOMATICA Maggiore è il numero di stomi, maggiore è la potenzialità di assorbire inquinanti gassosi TESSUTO A PALIZZATA ATTIVITA FOTOSINTETICA ASSORBIMENTO INQUINANTI COEFFICIENTE DI PALIZZATA

44 COEFFICIENTE DI PALIZZATA) % LAMINA FOGLIARE OCCUPATA DAL PARENCHIMA A PALIZZATA E LACUNOSO Spessore del palizzata X 100 Spessore del lacunoso Fraxinus excelsior (Frassino comune) Alto CP = Bassa potenzialità Fraxinus ornus (Orniello) Basso CP = Alta potenzialità Specie Coefficiente di palizzata Indice di mitigazione A. campestre MEDIO ALTO C. monogyna ALTO F. excelsior ALTO F. ornus MEDIO L. styraciflua MEDIO L. tulipifera MEDIO M. domestica MEDIO P. persica MEDIO Q. cerris MEDIO C. betulus

45 DENSITA STOMATICA= N STOMI per mm2 Bassa densità stomatica = basso potenziale di assorbimento Specie vegetale N. stomata Carpinus betulus DENSITA STOMATICA A. campestre 570 ALTA C. betulus 222 MEDIA C. monogyna 192 MEDIA F. excelsior 240 MEDIA F. ornus 261 L. styraciflua 518 ALTA L. tulipifera 106 MEDIA M. domestica 454 ALTA P. persica 493 ALTA Q. cerris 619 Quercus cerris Alta densità stomatica = alto potenziale di assorbimento MEDIA ALTA

46 POTENZIALITA DI CATTURA DEGLI INQUINANTI ATMOSFERICI POLVERI SOTTILI: SUPERFICIE FOGLIARE PELI CERE MICRO- RUGOSITA Rugosità e viscosità: La cattura delle PM10 aumenta all aumentare della viscosità, mentre per le polveri sottili (PM2,5; PM1) è la rugosità che influenza positivamente la loro cattura.

47 PARTICOLATO DENSITA DEI PELI FOGLIARI Liquidambar styraciflua Parrotia persica Quercus cerris Malus domestica Evereste

48 PARTICOLATO MICRO-RUGOSITA DELLE FOGLIE Crataegus monogyna Liriodendron tulipifera Scabrosità cuticolari Quercus cerris Parrotia persica Superficie liscia

49 Obiettivo finale: costruire una banca dati strutturata in una serie di schede innovative che offrano per le diverse specie botaniche di maggiore interesse vivaistico e in uso nelle città, assieme alle comuni indicazioni delle caratteristiche botaniche, agronomiche e colturali, informazioni aggiuntive inedite e specifiche sull impatto ambientale che esse possono causare o subire in funzione delle loro caratteristiche fisiologiche e morfologiche

50 Capacità potenziale di mitigazione ambientale: Bassa SPECIE Acer campestre Acer platanoides Betula pendula youngii Carpinus betulus Catalpa bungeii Crataegus monogyna Cercis siliquastrum Fraxinus excelsior Fraxinua ornus Koelreuteria paniculata Liquidambar styraciflua Liriodendron tulipifera Malus evereste Morus alba pendula Parrotia persica Prunus avium Quercus cerris Robinia pseudoacacia Tilia cordata Sophora japonica ASSORBIMENTO FOGLIARE CO2 SEQUESTRO E ACCUMULO CO2 PER PIANTA EMISSIONE DI VOC Media FORMAZIONE POTENZIALE DI OZONO (O3) Alta ASSORBIMENTO DI INQUINANTI GASSOSI CATTURA DI POLVERI

51 PIANIFICAZIONE DEL VERDE URBANO E accertato quindi che esistono piante che meglio si prestano ad essere utilizzate in ambienti a forte pressione antropica. Come da sempre sosteniamo, occorre una oculata scelta dell albero giusto al posto giusto perchè tante sono le variabili che possono giocare un ruolo importante sulla qualità dell aria. Qualità dell aria Tutte le specie analizzate sono da considerarsi idonee per l arredo urbano ed extraurbano

52 Mitigazione Inquinanti atmosferici Malus evereste Quercus cerris gas Parrotia persica polveri Ozono

53 Mitigazione Inquinanti atmosferici Liriodendron tulipifera Carpinus betulus Crataegus monogyna gas polveri Ozono

54 Mitigazione Inquinanti atmosferici Acer campestre Fraxinus ornus gas polveri Fraxinus excelsior Ozono

55 Mitigazione CO2 atmosferica Acer platanoides Tilia cordata Tilia cordata CO2 Betula pendula youngii Ozono

56 Nella progettazione di aree verdi occorrerà valutare l associazione migliore tra le specie in funzione delle caratteristiche ecofisiologiche delle piante, dell ambiente in cui si debbono inserire e della mitigazione che si vuole ottenere Ozono gas CO2 Koelreuteria paniculata Liquidambar styraciflua polveri

57 MODELLISTICA ECOFISIOLOGICA UFORE. "Urban Forest Effects" STRATUM (Street Tree Resource Analysis Tool for Urban-Forest Managers) dai dati di un censimento, la struttura del popolamento in esame (disposizione, composizione, copertura), consentono di QUANTIFICARE i benefici ambientali ed economici derivanti dalla mitigazione da parte delle piante. Forest Service dell USDA-USA

58 Occorre applicare un modello, che tenga conto al meglio delle caratteristiche microclimatiche, fisiologiche e morfologiche della specie VOC Scambio netto con l atmosfera componenti strutturali della chioma e stagionalità componenti del microclima radiativo +

59 quantità di CO2 rimossa ANNUALMENTE 20 Kg di CO2/anno 1 ettaro: 5-6 ton/anno CO2 immagazzinata COME BIOMASSA sotto forma di carbonio ton durante il suo ciclo vitale

60 Parco Ducale Tree number (4975) Tilia spp Acer campestris Ulmus minor Aesculus hippocastanum Species cm Diameter (22 ha) cm

61 CO2 sequestrata da un albero Diametro del tronco Il sequestro di CO2 dipende dalle dimensioni delle piante

62 COMPENSAZIONE ANNUALE DEL PARCO DUCALE + uso auto giornaliero (= 1,10 t CO2) emette in totale 1,1 t CO2 1 auto emette 110g CO2 / km uso giornaliero = km / anno CO2 sequestrata: 160 t/anno 145 NO2: 100 Kg/anno 20 SO2: 83 Kg/anno 18 PM10: 228 Kg/anno 2200

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64 SOLUZIONI, IDEE, SVILUPPI INNOVATIVI Un po di fantasia.

65 Ji Paranà (Amazzonia) durante la stagione degli incend

66 SOLUZIONI: California Academy of Sciences in San Francisco Renzo Piano 3 living roof: more than a lawn overhead, 1.7 million native plants insulate the roof, capture rainwater, and provide a 2.5-acre habitat for butter flies, hummingbirds, and other critters. And that nifty thatch is framed by 60,000 photovoltaic cells along the roof's perimeter.

67 California Academy of Sciences in San Francisco Renzo Piano INSIDE

68 Il più grande progetto al mondo di Green Roof è localizzato a Boadilla del Monte, località a 1,5 Km da Madrid e situato sul tetto di una banca Washington, DC: 2002 Washington, DC: 2025

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70 Team dell IBIMET Francesca Rapparini Annalisa Rotondi Camilla Chieco Federica Costa

71 FIGHT POLLUTION: PLANT A TREE touchwoodfestival.org Pe o p le wh o wi ll n o tsustai n tre e s wi ll so o n lie v i n a wo rld wh i ch can n o tsustai n p e o p le sjkpcktn.blogspot.com -Brce y Ne lso n GRAZIE PER L ATTENZIONE r.baraldi@ibimet.cnr.it