PROGRAMMA CORSO A.A. 2010/2011

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1 PROGRAMMA CORSO A.A. 2010/2011 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. 1

2 Nella puntata precedente Introduzione all ecologia Ecosistema e altri livelli di organizzazione Caratteristiche dell inquinamento Definizione di Sviluppo sostenibile Crescita demografica e ambiente Biodiversità 2

3 Annuario dei dati ambientali 2009 ISPRA (Istituto superiore per la protezione e la ricerca ambientale) IT/APAT/Pubblicazioni/Annuario_dei_dati_ambientali/Documento/tematiche_in_primo _piano_09.html 3

4 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, 4 Strumenti di miglioramento delle prestazioni ambientali).

5 LEZIONE 2 12 febbraio CICLI BIOGEOCHIMICI- 5

6 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 6

7 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. 7

8 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) 8

9 SOLE PRODUTTORI CONSUMATORI DEMOLITORI 9 9

10 Negli ecosistemi l energiae la materiavengono trasformate sia attraverso la fotosintesi sia attraverso le connessioni e le relazioni alimentari. L ENERGIA, al contrario della materia NON PUÒ ESSERE RICICLATA! Un sistema deve essere alimentato da un continuo ingresso di energia. 10

11 L ENERGIA scorre attraverso gli ecosistemi La MATERIA ricircola attraverso e all interno degli ecosistemi 11

12 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 12

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14 LA MATERIA, COME L ENERGIA, NON PUÒ ESSERE NÉ CREATA NÉ DISTRUTTA GLI ELEMENTI CHIMICI SONO CONTINUAMENTE RICICLATI ALL INTERNO DEGLI ECOSISTEMI 14

15 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. 15

16 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 16

17 Macroelementi e microelementi Alcuni elementi possono essere necessari in grandi quantità (macroelementi) solo per alcuni organismi; 17

18 Funzioni principali dei principali nutrienti 18

19 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 (O 2, CO 2 ) e abbandonano i prodotti di rifiuto sul terreno e nelle acque. 19

20 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. 20

21 La BIOGEOCHIMICA(Vernadskii, 1926) è la scienza che studia lo scambio degli elementi chimici tra le componenti viventi e non viventi degli ecosistemi. 21

22 CICLI BIOGEOCHIMICI Sono processi di circolazione ciclica delle sostanze organiche e inorganiche 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). 22

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24 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. 24

25 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). 25

26 La "riciclizzazione" negli ecosistemi consiste nella riutilizzazione degli elementi all'interno della biosfera senza che essi ritornino al compartimento geologico di riserva. 26

27 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 e atmosfera - ciclo del carbonio - ciclo dello zolfo 27

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29 Per studiare e comprendere i cicli biogeochimici occorre considerare: 1. I comparti ambientalicomponenti la geochimica terrestre e le relative proprietà; 2. I processi di trasformazione, di trasporto e di diffusioneche avvengono all interno dei comparti e tra comparti differenti; 3. Le proprietà e il comportamento delle diverse sostanze nei diversi comparti costituenti la geosfera. 29

30 1. PRINCIPALI COMPARTI AMBIENTALI TROPOSFERA: strato basso dell atmosfera, fino a km (in funzione della latitudine). Composizione pressochè costante. Capacità di trasporto molto elevata. IDROSFERA: acque interne, sotterranee, marine. Volume totale circa 1500 milioni di km 3. Composizione variabile dalle acque dolci al mare. Capacità di trasporto elevata. LITOSFERA: involucro esterno della terra, profondo 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. 30

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32 Abbondanza dei principali elementi nei comparti ambientali 32

33 Elementi principali (espressi in percentuale) presenti nei quattro componenti strutturali che formano il pianeta Terra: Biosfera Idrosfera Litosfera Atmosfera 33 33

34 BIOSFERA Elementi presenti con percentuali superiori a 0,02% 34 34

35 2. Processi di trasformazione, di trasporto e di diffusione. Circolazione «veloce» Circolazione «lenta» 35

36 Circolazione «veloce» Insieme di trasformazioni e trasporti Trasporti: comparti mobili Aria Acqua Biomassa Suolo Sedimento litosfera Trasformazioni: comparti attivi Suolo Sedimenti Biomassa Aria Acqua litosfera 36

37 TRASPORTI J = - D (dc/dx) 37

38 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 38

39 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 39

40 Evoluzione dei cicli 40

41 3. Proprietà e comportamento delle diverse sostanze nei diversi comparti costituenti la geosfera. 41

42 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. 42

43 IL CICLO DEL CARBONIO 43

44 CICLO DEL CARBONIO (ciclo misto) Litosfera Atmosfera Idrosfera Biosfera capacità 3*10 16 t capacità 7*10 11 t capacità 4*10 13 t capacità 5*10 11 t Controllo prevalentemente biologico 44

45 Composizione chimica dell atmosfera terrestre Azoto Ossigeno CO 2 45

46 IL CARBONIO Il carbonio è presente nell'atmosfera terrestre come CO2 Il carbonio forma lo scheletro delle molecole essenziali per l organismo. L elemento carbonio è uno dei componenti essenziali della materia vivente. Buona parte della massa solida degli organismi vegetali ed animali è costituita da carbonio. Esso si trova inoltre combinato con l ossigeno sotto forma di anidride carbonica, uno dei minori ma cruciali costituenti dell atmosfera terrestre. Si trova anche nelle rocce come carbonato: ad esempio le Dolomiti sono costituite da un minerale chiamato dolomia, un carbonato di calcio e magnesio. 46

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 (CO 2 ), nelle rocce (carbonati), nei combustibili fossili (carbone, petrolio, metano), in molte sostanze artificiali prodotte dall uomo (es. materie plastiche). Nel ciclo del carbonio, il carbonio passa dall atmosfera alle piante, agli animali e poi ritorna nell atmosfera. 47

48 CICLO DEL CARBONIO Il ciclo del CARBONIO avviene attraverso le seguenti fasi: 1. Fissazione del diossido di carbonio atmosferico (CO 2 ). 2. Ritorno della CO 2 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, ). 48

49 Ciclo del Carbonio 49

50 1. Fissazione del diossido di carbonio atmosferico (CO 2 ). 50

51 Fotosintesi Molta CO 2 dell atmosfera viene consumata ad opera degli organismi autotrofi durante la FOTOSINTESI CLOROFILLIANA 6 CO H 2 O Energia solare CLOROFILLA + 6 O 2 glucosio

52 Catena alimentare 52

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54 PRODUZIONE E CONSUMO DI CO 2 I produttori assimilano la CO 2, e la forniscono a consumatori e decompositori. I consumatori lo prelevano dalle sostanze organiche provenienti da vegetali o da altri animali per produrre, tramite la respirazione, l'energia che necessita loro per vivere. I microrganismi decompositori sono importanti come i produttori primari, perché rimettono la CO 2 nell'atmosfera. 54

55 Respirazione & Fotosintesi Nella fotosintesi CO 2 e H 2 O danno luogo alla formazione di carboidrati e di ossigeno molecolare. Nella respirazione carboidrati e ossigeno riformano CO 2 e H 55 2 O.

56 Respirazione cellulare + 6 O 2 6 CO H 2 O + Energia glucosio FOTOSINTESI CLOROFILLIANA 6 CO H 2 O Energia solare CLOROFILLA + 6 O 2

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58 CICLO DEL CARBONIO Il ciclo del CARBONIO avviene attraverso le seguenti fasi: 1. Fissazione del diossido di carbonio atmosferico (CO 2 ). 2. Ritorno della CO 2 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

59 Ciclo del Carbonio 59

60 La CO 2 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

61 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). H 2 O CO 2 CaCO 3 Ca(HCO 3 ) 2

62 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. Gocciolamento di una stalattite

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64 IL CICLO DELL AZOTO 64

65 CICLO DELL AZOTO (ciclo gassoso) La principale riserva di azoto è l'atmosfera, che contiene per l 78% azoto gassoso (N 2 ) 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. 65

66 CICLO DELL AZOTO 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. Gli animali possono utilizzare solo le forme organiche dell azoto. Una volta organicato, l'azoto viene trasferito agli organismi eterotrofi, come gli animali, mediante la catena alimentare. La decomposizione dei resti organici restituisce al terreno l'elemento, che può ritornare nell'atmosfera grazie all'azione di alcuni batteri specializzati. 66

67 CICLO DELL AZOTO I processi chimici coinvolti per la loro formazione possono essere suddivisi in quattro tipi: - AZOTOFISSAZIONE - AMMONIFICAZIONE - NITRIFICAZIONE - DENITRIFICAZIONE 67

68 FISSAZIONE DELL AZOTO Consiste nella riduzione, tramite l enzima nitrogenasi, dell azoto molecolare (N 2 ) ad azoto ammonico (NH 3 ) L azoto ammonico è successivamente reso disponibile per molte importanti molecole biologiche quali gli amminoacidi, le proteine, le vitamine e gli acidi nucleici. La reazione di azotofissazione può essere descritta come segue: N H e ATP 2 NH 3 + H ADP + 16 Pi 68

69 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 (NH 3 ) attraverso l enzima Nitrogenasi. 69

70 AMMONIFICAZIONE Decompone l azoto organico in ione ammonio NH4+ Le superfici della terra e dei sedimenti presenti nell acqua sono ricoperti 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 CO 2 e H 2 O (idrolisi proteine, deamminazione amminoacidi). 70

71 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

72 NITRIFICAZIONE Genere Nitrosomonas ossida l ammoniaca NH 4+ a nitrito NO 2 - NH /2 O 2 2 H + + H 2 O + NO 2 - Genere Nitrobacter ossida il nitrito NO 2- - a nitrato NO 3 NO /2 O 2 NO 3 - E complessivamente: NH O 2 NO H + + H 2 O 72

73 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 N 2 che ritorna in atmosfera. 73

74 La nitrificazione, integrata con la denitrificazione, permette la rimozione dell azoto. la denitrificazione, cioè la trasformazione dell azoto in N 2 e quindi la sua rimozione, è possibile solo se si parte da azoto in forma nitrica (NO 3- ). I due sistemi nitrificazione-denitrificazione sono sempre accoppiati 74

75 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

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77 IL CICLO DEL FOSFORO 77

78 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

79 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

80 La forma inorganica biologicamente più importante del fosforo è quella del fosfato PO 4 3- ( viene assorbita dalle piante per produrre composti organici). 80

81 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 ione 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

82 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 tempo dopo, grazie ai 82 movimenti della crosta terrestre.

83 CICLO DEL FOSFORO 83

84 IL CICLO DELLO ZOLFO 84

85 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, ma esso viene costantemente perduto dal terreno sotto forma di ioni solfato con lo scorrere dei fiumi. CISTEINA pirite 85

86 CICLO DELLO ZOLFO Zona anaerobica predomina lo zolfo in forma ridotta a solfuro. Le piante assorbono lo zolfo solo sotto forma di solfato (SO 2-4 ), mentre la decomposizione di materiale organico contenente zolfo porta alla formazione di acido solfidrico (H 2 S) 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

87 Ciclo dello Zolfo H 2 S in parte ossidato (ossidazione spontanea) con O 2 e in parte da microrganismi chemilitotrofi e fotosintetici (OX) H 2 S Amminoacidi solforati demoliti da batteri con liberazione di H 2 S (desulfurazione) S SO accettatore di H nella respirazione anaerobica (RED) S organico Batteri chemilitotrofi e fotosintetici ossidano lo zolfo in solfato (OX) SO Processo, messo a punto da vegetali e microrganismi, analogo all assimilazione dell azoto (conversione nitrato in N organico) (RED)

88 L OSSIDAZIONE DELLO ZOLFO avviene prevalentemente ad opera di batteri chemioautotrofi (Thiobacillus). - Gli elettroni vengono trasferiti dallo zolfo all ossigeno attraverso la catena respiratoria. - I batteri del genere Thiobacillus sono in grado di ossidare lo zolfo in condizioni anossiche e di trasferire gli elettroni dallo zolfo ai nitrati. La desolfatazione, cioè la RIDUZIONE DELLO ZOLFO, è un processo svolto prevalentemente da alghe, funghi e batteri (Desulfovibrio sp., Desulfobacter sp.). Gli elettroni trasportati ai solfati provengono da composti organici ossidati. L acido solfridrico formato in questa reazione viene utilizzato per la sintesi di amminoacidi contenenti zolfo. 88

89 Lo zolfo può essere ossidato a solfato da alcuni batteri (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.). 89

90 CICLO DELLO ZOLFO 90

91 CICLO DELLO ZOLFO L'atmosfera riceve contributi unidirezionali da attività industriali e da eruzioni vulcaniche. 91

92 IL CICLO DEL MERCURIO 92

93 UTILIZZI DEL MERCURIO Termometri, barometri; Prodotti elettrici (batterie,interruttori); Medicinali ( calomelano, disinfettanti); Colori e vernici; Metallurgia (leghe); Odontoiatria (amalgame per otturazioni); Manifattura dei cappelli.

94 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.

95 Mercurio in mare Attività inquinanti umane industria chimica e siderurgica; pesticidi usati in agricoltura; industrie della carta; combustione del carbone fossile; inceneritori; cromatura dei metalli ecc. Sorgenti naturali 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 tonnellate/anno; 1/3 proviene dalle industrie

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97 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

98 Forme organiche I composti organici del mercurio sono molto stabili in soluzione acquosa. Il più pericoloso è il metilmercurio (CH 3 Hg + ); I derivati organici del mercurio, altamente tossici e solubili, sono assorbiti dagli organismi acquatici; Il metil-mercurio è caratterizzato da un elevatissima tossicità cerebrale.

99 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.

100 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; I sintomi dell avvelenamento sono debolezza, cecità, demenza, paralisi, coma e morte; Sono state ufficialmente riconosciute 2265 vittime. 100

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102 Published online 1 December 2010 on Nature Mercury causes homosexuality in male ibises Environmental pollutant radically changes birds' mating behaviour. Joseph Milton

103 IL CICLO DELL ACQUA 103

104 Caratteristiche chimiche dell acqua L acqua è una molecola polare, cioè è formata da una parte positiva ed una parte negativa È ottimo solvente della maggior parte delle sostanze presenti sulla Terra

105 Caratteristiche fisiche dell acqua Bolle a 100 C Solidifica a 0 C Allo stato solido galleggia sull acqua liquida (il ghiaccio ha una densità minore)

106 Distribuzione dell acqua globale acqua dolce acqua salata 100% 90% Solo il 3% dell acqua della Terra è dolce (laghi, fiumi, ghiacciai) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Il 97% dell acqua della Terra è salata (mari e oceani) 10% 0%

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108 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

109 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. 109

110 Caratteristiche generali del CICLO DELL ACQUA 110

111 Pool di riserva: idrosfera Il mare è un magazzino d acqua 111

112 CICLO DELL ACQUA Il ciclo dell'acqua è un ciclo che 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. 112

113 CICLO DELL ACQUA I molteplici cicli che compie l'acqua terrestre includono i seguenti processi fisici: evaporazione, condensazione, precipitazione, infiltrazione, scorrimento e flusso sotterraneo. Quando una molecola d'acqua arriva nel mare, in media ci mette anni ad evaporare nuovamente. Rimane nell'atmosfera mediamente per 12 giorni prima di condensarsi e precipitare nuovamente come pioggia, neve o grandine ed infiltrarsi nel suolo. 113

114 IL CICLO DELL ACQUA 114

115 I fenomeni principali costituenti il ciclo idrologico possono essere distinti in: 1. Evaporazione (e Evapotraspirazione) 2. Sublimazione IL CICLO DELL ACQUA 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 115

116 IL CICLO DELL ACQUA 1. Evaporazione 116

117 1. Evapotraspirazione IL CICLO DELL ACQUA Processo attraverso il quale il vapore d acqua è disperso nell atmosfera dall evaporazione dal suolo e dalla traspirazione della vegetazione. 117

118 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: la traspirazione aumenta se la temperature aumenta, specialmente durante la stagione vegetativa, quando l aria è più calda e le piante sono in crescita. Umidità relativa: quando l umidità relativa dell aria intorno alle piante aumenta, la traspirazione diminuisce. Infatti, per l acqua è più facile evaporare nell aria asciutta che in quella umida Vento e moti dell aria: l aumento del moto dell aria intorno alle piante fa aumentare la traspirazione. Tipo di pianta: le piante traspirano con diversa intensità. Alcune piante che crescono nelle regioni aride, come i cactus, conservano la preziosa acqua riducendo di molto la traspirazione. 118

119 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.

120 IL CICLO DELL ACQUA 2. Sublimazione Trasformazione della neve o del ghiaccio in vapore senza fondere. 120

121 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 121

122 Immagazzinamento dell acqua nell atmosfera come vapore, nuvole ed umidità Il volume di acqua nell atmosfera è circa milioni di Km 3 122

123 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 dell atmosfera e l altitudine cui si trovano.

124 Bruxelles, gennaio 2011

125 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. 125

126 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 composti da strati trasparenti e opachi, sovrapposti ed alternati. Per definizione deve avere un diametro di almeno 5 mm. 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. 126

127 Intensità delle precipitazione 127

128 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 assorbendo umidità e creando aree più aride. 128

129 Schema semplificato del clima e della vegetazione dell isola di Tenerife 129

130 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 globale. 130

131 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

132 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

133 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

134 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 anni. 134

135 Distribuzione dell acqua globale 135

136 Sorgente È il luogo in cui l acqua sotterranea defluisce in superficie 136

137 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. 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. 137

138 IL CICLO DELL ACQUA 7. Deflusso dei fiumi I fiumi aiutano a mantenere carichi gli acquiferi sotterranei scaricando acqua in profondità attraverso il loro letto. 138

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. 139

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. E stato calcolato che senza l'effetto di raffreddamento generato dagli oceani l'effetto serra porterebbe la temperatura superficiale del nostro pianeta a 67 C. 140

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 141

142 IL CICLO DELL ACQUA 142

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 143

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 (O 2, CO 2 ) e abbandonano i prodotti di rifiuto sul terreno e nelle acque. 144

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 (O 2, CO 2, N 2, H 2 O). 145

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. 146

147 CICLO DELL AZOTO Processi naturali Impatto antropico 147

148 CICLO DEL FOSFORO Processi naturali Impatto antropico 148

149 CICLO DELLO ZOLFO Processi naturali Impatto antropico 149