1 L eutrofizzazione. Autorità di bacino del fiume Po

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2 1.1 Cause ed effetti dell eutrofizzazione Il termine eutrofizzazione definisce l aumento di produttività negli ambienti acquatici dovuto all arricchimento di sostanze nutrienti, particolarmente azoto e fosforo. Tale aumento è causa di fenomeni indesiderati, tra cui la diminuzione della trasparenza delle acque e del contenuto di ossigeno disciolto, che modificano le caratteristiche degli ecosistemi acquatici e che possono compromettere in modo significativo l'uso delle acque. Gli ambienti acquatici più fragili e quindi maggiormente interessati dal processo di eutrofizzazione sono quelli a lento o a limitato ricambio e aventi particolari caratteristiche fisiografiche. Nei laghi, l eutrofizzazione è un processo naturale che avviene in tempi molto lunghi a causa del graduale interramento della conca lacustre provocato dall apporto di materiali provenienti dal bacino imbrifero. Le attività umane possono accelerare il processo naturale attraverso un eccessiva immissione di sostanze nutrienti che normalmente limitano lo sviluppo dei produttori primari nei corpi idrici riducendo i tempi evolutivi dell ecosistema lacustre a pochi anni. Oltre ai fattori causali antropici, fattori fisici (ad esempio, luce e temperatura), morfologici e morfometrici del corpo idrico e del bacino di drenaggio possono esercitare un ruolo fondamentale nell esplicarsi del fenomeno (Figura 1.1). Figura 1.1 Fattori causali antropici di immisione di nutrienti in bacini lacustri 3

3 Nella prima fase del processo di eutrofizzazione, l incremento di produttività e, quindi, di biomassa vegetale, ha effetti positivi sulla comunità acquatica in quanto provoca un aumento proporzionale di biomassa nei livelli trofici successivi. Tuttavia la crescita del popolamento fitoplanctonico, non più limitata dalla disponibilità di nutrienti, assume un carattere incontrollato e non è più controbilanciata dal consumo zooplanctonico. Il fitoplancton può raggiungere uno sviluppo tale da limitare la trasparenza delle acque a pochi metri di profondità riducendo lo strato d acqua interessato dalla fotosintesi. Gli strati superficiali risulteranno sovrassaturi di ossigeno mentre gli strati afotici avranno una ridotta disponibilità di ossigeno. Di conseguenza, buona parte della biomassa prodotta in eccesso e non utilizzata si accumulerà nei sedimenti del bacino lacustre, determinando un intenso consumo di ossigeno da parte degli organismi decompositori. All instaurarsi di condizioni anossiche, gli organismi decompositori aerobi vengono sostituiti da quelli anaerobi che, operando in assenza di ossigeno, liberano sostanze tossiche per gli organismi acquatici come ammoniaca, idrogeno solforato, metano, sali solubili del fosforo e altri composti derivati dai processi di fermentazione (alcoli, acidi organici) e putrefazione (ammine). Lo sviluppo dei popolamenti vegetali è regolato dalla quantità e dalla variabilità delle sostanze per le quali è richiesto un valore minimo, rispetto alle necessità nutrizionali degli organismi, e che pertanto viene definito come fattore limitante. Per quanto riguarda i nutrienti inorganici, l azoto e il fosforo sono considerati gli elementi essenziali per la nutrizione vegetale. Il carbonio non costituisce un fattore chiave nei fenomeni eutrofici in quanto le fonti di generazione (rifornimento di CO 2 dall atmosfera, processi respiratori, carbonati) sono sempre sufficienti a sostenere crescite algali elevate. Il rapporto in peso tra i due nutrienti pari a 7N:1P può essere considerato approssimativamente valido per ogni specie fitoplanctonica. Quindi rapporti N:P superiori a 7 indicano il fosforo come fattore limitante per la crescita algale, valori inferiori a 7 sarebbero indici di limitazione da azoto, valori approssimativamente vicini a 7 indicherebbero una limitazione sia da fosforo sia da azoto. In letteratura il fosforo viene considerato il fattore limitante primario. Ciò è supportato dalla maggior parte dei risultati di indagini limnologiche condotte negli ultimi anni. Una strategia efficace da applicare agli ambienti acquatici eutrofizzati è dunque la limitazione dell immissione di fosforo. Le forme chimiche di azoto e fosforo utilizzate dal fitoplancton sono rappresentate principalmente dai loro composti organici disciolti. La maggior parte delle alghe è in grado di assimilare sia azoto ammoniacale che azoto nitrico. Il fosforo ortofosfato rappresenta in generale l unica forma chimica di fosforo direttamente assimilabile da parte dei popolamenti fitoplanctonici. 4

4 1.2 Parametri descrittivi dei laghi e della qualità delle acque La valutazione delle cause e degli effetti dell eutrofizzazione nelle acque lacustri è effettuata attraverso l analisi sia di parametri descrittivi del corpo idrico e del bacino imbrifero che di parametri limnologici relativi allo stato di qualità delle acque. Tra i primi sono inclusi i dati relativi alla localizzazione geografica del lago, alla morfologia e alla morfometria della conca lacustre, alla superficie del lago e del bacino imbrifero, alla climatologia, all idrografia e alla struttura termica. I parametri limnologici includono i parametri indice delo stato trofico (ossigeno, clorofilla, composto del fosforo e dell azoto) ed i parametri descrittivi delle condizioni generali delle acque (trasparenza, temperatura, ph, conducibilità elettrica specifica, alcalinità, idrogeno solforato, biomassa, etc). Figura 1.2 Rappresentazione schematica del processo di eutrofizzazione delle acque 5

5 Climatologia e idrografia Il clima e le caratteristiche geografiche giocano un ruolo fondamentale nella definizione del bilancio idrico dei bacini lacustri. La stima accurata del bilancio idrico richiede indagini conoscitive che possono avere la durata di diversi anni finalizzate alla raccolta e alla elaborazione dei dati idrologici e climatici (precipitazione, evaporazione, copertura di ghiaccio, temperatura dell'aria, venti prevalenti ). Per la raccolta di informazioni di tipo meteoclimatico è necessaria la presenza di una stazione meteorologica in prossimità del lago; se questa non è presente occorre fare riferimento alle stazioni più vicine. Morfologia e morfometria I principali parametri morfometrici e morfologi di un lago sono i seguenti: lunghezza: distanza minima tra i due punti più distanti sul perimetro; larghezza: distanza, misurata perpendicolarmente all asse della lunghezza, tra due rive opposte; perimetro (L): lunghezza della linea di costa; superficie (A): area del lago; volume (V): volume delle acque del lago; profondità media ( z ): è data dal rapporto V/A. indice di sinuosità: D L = L 2 πa dove: L = perimetro e A = superficie. Uno dei criteri più semplici per classificare i laghi si basa sulla loro profondità massima. Nella tabella 1.1 è riportato un sistema di classificazione, in cui sono riportate anche alcune delle principali caratteristiche chimico-fisiche e biotiche dei diversi tipi di laghi, in relazione alla loro profondità. 6

6 Tabella 1.1 Caratteristiche ecologiche generali dei sistemi lentici (da [1], modificato) Profondità Caratteristiche Laghi profondi Basso impatto delle fluttuazioni di livello > 10 m Ridotte variazioni diurne del contenuto di O 2 e della temperatura Presenza di plancton presente nell epilimnio e macrofite nelle zone litoranee Presenza di larve di Ditteri, Oligocheti e Molluschi nell ipolimnio; bassa diversità Elevata diversità nell epilimnio e nelle zone litorali Laghi bassi Elevato impatto delle fluttuazioni di livello 1-10 m Elevate variazioni diurne e stagionali del contenuto di O 2 e della presenza di macrofite emerse in prossimità delle coste; macrofite sommerse fino centro lago Elevata diversità Laghi molto bassi Elevato impatto delle fluttuazioni di livello < 1,2 m Elevate variazioni diurne e stagionali del contenuto di O 2 e della temperatura Elevata concentrazione dei soluti (evaporazione) Abbondante vegetazione (emersa e sommersa) Presenza di alghe epifitiche e filamentose Presenza di organismi di acque paludose e temporanee Bassa diversità condizioni più estreme; elevata negli stagni permanenti Temperatura La temperatura di un lago è un parametro di grande importanza in quanto essa condiziona i moti verticali delle masse d acqua e, quindi, i processi di trasferimento dei sali nutritivi lungo la colonna d acqua, dai sedimenti fino alla superficie. Oltre alla temperatura, una serie di fattori complessi, come la direzione dei venti prevalenti, la profondità del lago, la temperatura dell'aria, regolano il fenomeno di rimescolamento delle acque. A seconda della dinamica termica prevalente, ricostruita attraverso la misurazione della temperatura lungo la colonna d acqua, i laghi vengono classificati in diverse categorie. In generale nel bacino del fiume Po è possibile distinguere, per i laghi in cui la circolazione avviene lungo l intera colonna d acqua, quattro categorie termiche: 7

7 laghi monomittici: circolano una sola volta all'anno e la loro temperatura non è mai inferiore ai 4 C; laghi dimittici: circolano due volte all'anno in primavera ed autunno; presentano una stratificazione diretta in estate ed inversa in inverno; laghi polimittici: presentano circolazioni frequenti. Vengono suddivisi in polimittici freddi, che circolano a temperature vicine ai 4 C, e polimittici caldi, che circolano a temperature più elevate; a questa categoria appartengono i piccoli e medi laghi poco profondi del bacino del Po; laghi oligomittici: la circolazione completa delle acque non avviene tutti gli anni. A questa categoria appartengono i grandi laghi sudalpini, la cui circolazione completa avviene (non tutti gli anni) alla fine dell inverno. Esistono, inoltre, alcuni laghi in cui la circolazione interessa solo una parte della massa idrica (laghi meromittici), creando uno strato più profondo, perennemente isolato (monimolimnio) e una porzione sovrastante, che circola periodicamente (mixolimnio). Ossigeno disciolto La distribuzione dell ossigeno nel corpo idrico è determinata da diversi fattori fisici, chimici e biologici. La solubilità dell'ossigeno è influenzata dalla pressione e dalla temperatura, presentando i valori più elevati nelle acque fredde. La diffusione del gas nell'acqua è un processo molto lento, la cui velocità viene sensibilmente aumentata dalla ricircolazione delle acque. La distribuzione verticale dell ossigeno è correlata allo stato trofico del lago. Nei laghi oligotrofici a bassa produttività la concentrazione di O 2 alle diverse profondità è regolata principalmente da fattori fisici: l'ossigenazione nell'epilimnio durante la stratificazione estiva tende a diminuire. Nel metalimnio e nell'ipolimnio la concentrazione di ossigeno aumenta al diminuire della temperatura e si mantiene ai livelli di saturazione raggiunti alla fine del rimescolamento primaverile fino alla stratificazione estiva. Nella maggior parte dei casi l'ossigenazione dell'ipolimnio tende a diminuire, a volte fino all anossia, a causa dei processi ossidativi che si instaurano nella degradazione della materia organica. Nei laghi eutrofici, l'instaurarsi di queste condizioni avviene durante il periodo di stratificazione. Il consumo di ossigeno è dovuto ai normali processi respi- 8

8 ratori degli organismi vegetali ed animali, ma il consumo più elevato è dovuto alla decomposizione batterica del materiale organico in sedimentazione. Il deficit dell'ossigeno a livello delle acque più profonde è accentuato dalla mancata compensazione dell'attività fotosintetica, assente in questa zona. Vengono dunque a mancare le due condizioni fondamentali per l'apporto di nuovo ossigeno: il processo fotosintetico e, in presenza di stratificazione, il ricircolo delle acque più ossigenate dell'epilimnio e del metalimnio, e quindi la possibilità di uno scambio anche indiretto con l'ossigeno dell'atmosfera. Il ruolo delle diverse componenti nel determinare il deficit di O 2 nell'ipolimnio durante il periodo della stratificazione varia da lago a lago. Nel laghi più grandi e profondi prevale la decomposizione batterica rispetto a quella degli organismi bentonici; questi ultimi giocano un ruolo di maggior rilievo nei laghi poco profondi. Nelle acque stagnanti e paludose l'ossidazione chimica assume un peso non secondario, a causa dell'elevato apporto di sostanze umiche. Durante le fasi finali della stratificazione estiva si ha il progressivo approfondamento dell'epilimnio e quindi la ripresa della circolazione delle acque sature in ossigeno anche negli strati profondi. Quando la circolazione è completa, la concentrazione dell'ossigeno è vicina alla saturazione lungo tutta la colonna d'acqua. Per quanto riguarda la distribuzione orizzontale dell'ossigeno disciolto, le variazioni più significative si hanno durante il periodo del rimescolamento. Durante la stratificazione estiva si possono verificare variazioni di concentrazione a scala locale a causa della presenza di intensa atività fotosintetica nelle zone poco profonde e litorali. Nutrienti L azoto e il fosforo costituiscono gli elementi nutrienti fondamentali per la crescita delle alghe e delle macrofite acquatiche. Il fosforo è considerato nella maggior parte dei casi l'elemento limitante, anche se sono documentati in letteratura casi di laghi limititati da azoto. La forma chimica più importante dal punto di vista biologico è costituita dagli ortofosfati, l'unica forma direttamente utilizzabile dalle cellule algali. Il contenuto totale di fosforo nell'acqua non filtrata (fosforo totale) comprende sia la forma particolata sia la forma disciolta; queste due forme sono costituite a loro volta da diverse componenti, descritte schematicamente nella tabella

9 Tabella 1.2 Componenti principali del fosforo totale nelle acque superficiali Fosforo Totale Fosforo particolato Fosforo disciolto 1. negli organismi 1. come ortofosfati (PO 4 3-) a. come DNA, RNA, fosfoproteine 2. come polifosfati b. come fosfonucleotidi 3. nei colloidi organici c. esteri di enzimi e vitamine 4. negli esteri fosforici a basso peso molecolare 2. nei minerali come l'idrossiapatite 3. nei detriti organici particellati La maggior parte del fosforo totale è costituita dalla frazione organica; di questa, circa il 70% è contenuta nella sostanza organica particellata (seston), e la rimanente come fosforo organico disciolto o colloidale. La porzione di fosforo inorganico solubile è molto bassa (inferiore al 5%) e viene immediatamente utilizzata. L'azoto si trova nelle acque superficiali sotto forma di azoto molecolare disciolto, azoto ammoniacale, nitriti, nitrati, e in un gran numero di composti organici. Il contenuto di azoto nell acqua è in genere in equilibrio con quello atmosferico durante il periodo di rimescolamento. Nei laghi stratificati e molto produttivi il contenuto in azoto nell'epilimnio può diminuire a causa della riduzione della solubilità che si ha con l'aumento di temperatura; nell'ipolimnio tende invece ad aumentare grazie alla denitrificazione. L'ammonio è il prodotto azotato primario delle decomposizione delle proteine e di altri composti organici azotati, ed è prontamente assimilato dagli organismi vegetali. I nitrati vengono assimilati negli organismi fotosintetici come composti organici azotati; durante il metabolismo e, alla fine del ciclo vitale degli organismi, l'azoto viene liberato come ammonio. I nitrati costituiscono la forma più comune di azoto apportata dal bacino di drenaggio. L'azoto organico disciolto costituisce spesso più dei 50% dell'azoto totale solubile nelle acque dolci e prevalentemente come composti amminici. Il rapporto tra azoto organico disciolto e azoto organico particolato diminuisce con l'aumentare dell'eutrofizzazione. 10

10 Clorofilla La clorofilla a, principale pigmento fotosintetico presente nelle cellule vegetali, è considerata tra i parametri più significativi nella caratterizzazione di un ambiente lacustre in quanto è indicatore della produttività. L'OECD ha stabilito per questo parametro i valori soglia per i diversi livelli di trofia, distinguendo tra concentrazione media annuale e concentrazione massima annuale. Trasparenza La trasparenza delle acque, misurata con il disco di Secchi, è influenzata dalle proprietà di assorbimento e diffrazione dell'acqua e del materiale disciolto e sospeso in essa contenuto. Il valore di trasparenza dell acqua è un parametro correlabile con le potenzialità produttive di un lago poiché in ambienti molto produttivi l elevata quantità di organismi fitoplanctonici e zooplanctonici limita la penetrazione della luce. I valori di trasparenza possono variare da pochi centimetri a oltre 40 metri in laghi poco produttivi. Nei laghi delle regioni temperate, indipendentemente dal livello di trofia, la trasparenza presenta una marcata fluttuazione stagionale, con minimi nella stagione estiva e valori massimi nel periodo invernale. 11