CORSO DI ECOLOGIA. Docente: Marco Ciolli. CORSO di Tecniche della Prevenzione dell'ambiente e. Cicli Biogeochimici. Lucidi di Marco Ciolli

Transcript

1 CORSO DI ECOLOGIA CORSO di Tecniche della Prevenzione dell'ambiente e dei luoghi di lavoro Cicli Biogeochimici Docente: Marco Ciolli Lucidi di Marco Ciolli Corso Economia 2009 Trento 1

2 CICLI BIOGEOCHIMICI L energia che fluisce nell ecosistema deriva dal sole E entra come radiazione solare ed esce come calore disperso nell universo I materiali circolano nell ecosistema (dalla componente abiotica a quella biotica e quindi ritornano alla abiotica grazie ai decompositori) I materiali si muovono in sistemi circolari detti cicli L attività umana ha velocizzato i movimenti dei materiali L energia dalla terra dal sole in flusso continuo e illimitato (teoricamente) Devono essere perciò riutilizzati più volte! I cicli sono divenuti imperfetti, i processi sono diventati aciclici Ciò non è vero per i materiali. La quantità di materiali disponibili è fissa e limitata! differenza tra concetto di riciclo in natura e riciclaggio industriale

3 CICLI BIOGEOCHIMICI Macroelementi Carbonio Idrogeno (acqua) Ossigeno (respirazione) Azoto (componente di tutte le proteine strutturali e funzionali che sostengono tessuti vivi) Potassio Calcio (nelle strutture di sostegno) Magnesio Zolfo Fosforo (trasformazioni di energia) Microelementi Ferro Manganese Rame Zinco Boro Sodio Molibdeno Cloro Vanadio Cobalto

4 Gli elementi che costituiscono la materia vivente sono circa 26 ed hanno numero atomico < 53 Numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo Sono gli elementi più abbondanti nell universo e sulla crosta terrestre dove gli elementi leggeri si sono concentrati quando la terra si è condensata Gli elementi solubili in acqua sono i più abbondanti nella materia vivente specie cationiche con basso potenziale ionico (carica ionica/raggio ionico) sono abbondanti nell H2O marina e nei viventi alcuni elementi rari nelle H2O marine sono spesso tossici per gli organismi (Be, As, Hg, Pb, Cd) C, N, S, P formano ossanioni solubili (SO42-, HCO3-, NO3-, PO43-) molibdeno è più presente nella materia vivente di quanto ci aspetti sulla base della sua presenza nella crosta, forma ioni molibdato MO42- nell H2O marina

5 Tutte le forme di vita richiedono gli specifici elementi chimici costituenti che devono essere forniti nei tempi giusti nella quantità giusta L alterazione delle rocce determina la liberazione degli elementi che diventano disponibili per le piante processo troppo lento per soddisfare la richiesta dei viventi! alcuni elementi sono contenuti nelle rocce in quantità minima P,S l apporto dell azoto per fissazione atmosferica è basso Quindi i processi di produzione della materia organica sono largamente sostenuti dal riciclo degli elementi 13.3

6 Grande Pool o Pool di riserva stabile, generalmente non biologico compartimento di riserva di un determinato elemento, non prontamente utilizzabile Piccolo Pool o labile labile, più piccolo ma circolante più attivamente compartimento dove il materiale è in rapida circolazione tra il mondo inorganico e gli organismi, gli atomi degli elementi presenti in questo pool sono disponibili all istante si verifica sempre un lento movimento di atomi tra grande e piccolo pool

7 I cicli vengono suddivvisi in due tipi Tipo sedimentario I sedimenti profondi costituiscono il serbatoio di riserva (Pool). Ciclo dello Zolfo e del Fosforo Tipo gassoso L aria è il serbatoio di riserva (Pool). Ciclo dell Azoto del Carbonio e dell Ossigeno i serbatoi di nutrienti dei cicli gassosi sono l atmosfera e gli oceani (sono anche detti cicli globali)

8 CICLO DELL AZOTO Acqua contiene H e O Carboidrati e lipidi (grassi) contengono C, H e O Tutte le altre molecole di importanza biologica contengono anche N Aminoacidi, Proteine, Acidi nucleici, Clorofilla.

9 CICLO DELL AZOTO Azoto più abbondante=atmosfera N2 Atmosfera=Grande pool L azoto molecolare è poco reattivo Una piccola quantità di azoto passa dall atmosfera alla biosfera con processi di fissazione biologica e no Il trasferimento dalla biosfera all atmosfera è realizzato con processi di denitrificazione La concentrazione dell azoto atmosferico si mantiene stazionaria steady-state tempo di turnover 107 anni La fissazione dell azoto atmosferico rappresenta quindi l unica fonte di azoto per la biosfera L atmosfera primitiva era ricca di azoto, questo elemento è abbondante nelle emissioni vulcaniche ed è scarsamente solubile in acqua

10 In condizioni originarie fissazione avveniva localmente Nell atmosfera primitiva priva di O2 fissazione=~6% dell attuale scariche elettriche Tasso attuale mediante questa forma: 20x1012 g di azoto/anno L azoto fissato disponibile come NO3- disciolto nelle acque era un fattore limitante per la sintesi proteica Fissazione biologica è diventata importante dopo la comparsa dell autotrofia Importanza della fissazione dell azoto è enorme specie negli habitat poveri di azoto Perché? Tasso fissazione biologica azoto: 170x1012 g di azoto/anno 140 terre emerse 30 mare Colonizzazione Alnus, Dryas successione ecologica le rimpiazza quando c è abbastanza azoto, la quantità di azoto è uno dei motori delle successioni Fissazione biologica simbiontica due terzi non simbiontica un terzo

11 Proviene dall atmosfera ma fissazione non biologica fissazione biologica trasporto dei fiumi nel mare Viene restituito all atmosfera per denitrificazione almeno 130x1012 g azoto/anno le zone umide contribuiscono per metà del totale Per le terre emerse il tempo medio di residenza nella biosfera=615 anni apporto di azoto nel mare fiumi 36x1012 g anno fissazione biologica 30x1012 g anno Kg/ha anno precipitazioni 50x1012 g anno 13.3

12 Con i processi industriali (Haber-Bosch) si fissa N con H ad alte Temperature e Pressioni per produrre fertilizzanti Energeticamente molto dispendioso e solo % dell'n viene assorbito dalle piante Ogni anno si immettono negli ecosistemi terrestri 80x1012 g anno Pari al 50% di quello fissato naturalmente per via biologica Processi di combustione delle automobili generano 50x10 12 g anno in forma di ossidi di azoto NO, NO2 che hanno tempo di residenza breve nell atmosfera e si depositano sulla superficie terrestre con le precipitazioni L ossido nitroso N2O prodotto nei processi di nitrificazione denitrificazione, combustione è un potente gas serra ed ozono distruttore

13 CICLO INTERNO DELL AZOTO Produzione primaria netta terrestre: 60x1015 g carbonio/anno Rapporto medio C/N è di 50 La richiesta di azoto per le piante terrestri è di 1200x1012 g azoto/anno Apporto di azoto per fissazione sulla superficie terrestre=140x1012 g/anno (il 12% del totale!) tutto il resto proviene dal riciclo! Il ciclo interno è più rapido Piccolo pool Centinaia d anni del ciclo globale 107 anni Ciclo interno si basa sull azoto fissato e trattenuto nella biosfera

14 Le piante assorbono l azoto inorganico dal terreno e sintetizzano Aminoacidi Gli aminoacidi composti da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Proteine Le proteine sono costituite da lunghe molecole derivanti dall unione di centinaia o migliaia di aminoacidi Gli animali erbivori e carnivori sintetizzano nuove proteine utilizzando gli aminoacidi originariamente sintetizzati dalle piante

15 L assorbimento di nitrato NO3- è mediato da enzimi che si trovano sulle membrane delle cellule radicali assorbenti L assorbimento è così rapido che nel terreno nei pressi delle radici la concentrazione di NO3- è quasi nulla! il nitrato è molto mobile e diffonde continuamente dalle zone circostanti Le specie vegetali assorbono in genere l azoto minerale come NO3ma negli ambienti in cui la nitrificazione è inibita utilizzano azoto ammoniacale In termini energetici l assorbimento di nitrato NO3- è più dispendioso ammonio NH4+ è meno dispendioso Perché allora NO3- è la forma più assorbita? NO3- è più mobile per raggiungere NH4+ ci vorrebbe un maggior sviluppo radicale NH4+ è tossico anche a basse concentrazioni competizione per il sito attivo dei carrier

16 L azoto assorbito viene accumulato in nuova biomassa La produzione annuale di nuova biomassa è bilanciata dalla morte della biomassa che va a costituire la lettiera La lettiera è il mezzo con cui l azoto e gli altri elementi vengono restituiti al terreno Quando gli organismi muoiono viene rilasciato azoto ammoniacale La maggior parte dell azoto minerale del terreno viene da microrganismi morti Tutti gli animali eliminano azoto con le escrezioni invertebrati ammoniaca vertebrati Acido urico Rettili e uccelli urea Mammiferi

17

18

19

20

21 Ossigeno L ossigeno è attualmente presente nell atmosfera grazie alla fotosintesi quando il tasso di produzione superò quello di reazione con gli altri minerali della crosta terrestre Quantità di ossigeno attualmente presente nell aria: 4 % dell ossigeno prodotto negli ultimi 3,5 miliardi di anni Il rimanente 96% è contenuto in vari tipi di minerali ossidati Ultimi 400 milioni di anni: concentrazione O2 nell aria non è variata significativamente Bilancio mantenuto da fotosintesi e respirazione Senza fotosintesi: O2 si consumerebbe in qualche milione d anni!

22 Ossigeno L immissione di ossigeno nell atmosfera terrestre anaerobia ha modificato radicalmente l ambiente fisico La comparsa ed affermazione degli eucarioti con fotosintesi ossigenica han favorito l evoluzione degli organismi aerobi Le reazioni fotochimiche dell ossigeno hanno poi consentito la formazione dello strato di ozono che filtra le radiazioni ultraviolette Colonizzazione terre emerse Evoluzione dei microrganismi chemioautotrofi (tiobacilli e batteri nitrificanti) Il 14% di tutto l ossigeno consumato annualmente è utilizzato per ossidare da ammonio a nitrato