Corso Economia 2009 Trento 1

Cicli Biogeochimici

Docente: Marco Ciolli

Lucidi di Marco Ciolli

CORSO DI ECOLOGIACORSO DI ECOLOGIA CORSO di Tecniche della Prevenzione dell'ambiente e CORSO di Tecniche della Prevenzione dell'ambiente e

dei luoghi di lavorodei luoghi di lavoro

CICLI BIOGEOCHIMICI

L’energia che fluisce nell’ecosistema deriva dal sole

E entra come radiazione solare ed esce come calore disperso nell’universo

L’attività umana ha velocizzato i movimenti dei materiali I cicli sono divenuti

imperfetti, i processi sono diventati aciclici

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’energia dalla terra dal sole in flusso continuo e illimitato (teoricamente)

Ciò non è vero per i materiali. La quantità di materiali disponibili è fissa e limitata!Devono essere perciò riutilizzati più

volte!

differenza tra concetto di riciclo in natura e riciclaggio industriale

CICLI BIOGEOCHIMICI

Macroelementi Microelementi

CarbonioIdrogeno (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)

Ferro Manganese

Rame Zinco Boro

Sodio Molibdeno

Cloro Vanadio Cobalto

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

C, N, S, P formano ossanioni solubili (SO4

2-, HCO3-, NO3-, PO43-)

specie cationiche con basso potenziale ionico (carica ionica/raggio ionico) sono abbondanti nell’ H2O marina e nei viventi molibdeno è più presente nella materia

vivente di quanto ci aspetti sulla base della sua presenza nella crosta, forma ioni molibdato MO4

2- nell’H2O marinaalcuni elementi rari nelle H2O marine sono spesso tossici per gli organismi (Be, As, Hg, Pb, Cd)

13.1-13.2

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

compartimento di riserva di un determinato elemento, non prontamente utilizzabile

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

Grande Pool o Pool di riserva

Piccolo Pool o labile

si verifica sempre un lento movimento di atomi tra grande e piccolo pool

stabile, generalmente non biologico

labile, più piccolo ma circolante più attivamente

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)

CICLO DELL’AZOTO

Acqua contiene H e O

Aminoacidi, Proteine, Acidi nucleici, Clorofilla.

Carboidrati e lipidi (grassi) contengono C, H e O

Tutte le altre molecole di importanza biologica contengono anche N

CICLO DELL’AZOTO

Azoto più abbondante=atmosfera N2Atmosfera=Grande pool

La concentrazione dell’azoto atmosferico si mantiene stazionaria steady-state

La fissazione dell’azoto atmosferico rappresenta quindi l’unica fonte di azoto per la biosfera

L’azoto molecolare è poco reattivo

Una piccola quantità di azoto passa dall’atmosfera alla biosfera con processi di fissazione biologica e no

L’atmosfera primitiva era ricca di azoto, questo elemento è abbondante nelle emissioni vulcaniche ed è scarsamente solubile in acqua

Il trasferimento dalla biosfera all’atmosfera è realizzato con processi di denitrificazione

tempo di turnover 107 anni

In condizioni originarie fissazione avveniva localmente

scariche elettriche

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

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

simbiontica non simbiontica

due terzi un terzo

Fissazione biologica

Tasso attuale mediante questa forma: 20x1012 g di azoto/anno

Nell’atmosfera primitiva priva di O2 fissazione=~6% dell’attuale

Importanza della fissazione dell’azoto è enorme specie negli habitat poveri di azoto

Perché?

Viene restituito all’atmosfera per

fissazione non biologica denitrificazione

le zone umide contribuiscono per metà del totale

13.3

Proviene dall’atmosfera ma

fissazione biologica

trasporto dei fiumi nel mare

almeno 130x1012 g azoto/anno

Per le terre emerse il tempo medio di residenza nella biosfera=615 anni

fiumi 36x1012 g anno

apporto di azoto nel mare

fissazione biologica 30x1012 g anno 100-200 Kg/ha anno

precipitazioni 50x1012 g anno

Con i processi industriali (Haber-Bosch) si fissa N con H ad alte Temperature e Pressioni per produrre fertilizzanti

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 50x1012 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

Energeticamente molto dispendioso e solo 50-80 % dell'N viene assorbito dalle piante

CICLO INTERNO DELL’AZOTO

Produzione primaria netta terrestre: 60x1015 g carbonio/anno

Rapporto medio C/N è di 50La 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 rapidoPiccolo pool

Centinaia d’anni

del ciclo globale

107 anni

Ciclo interno si basa sull’azoto fissato e trattenuto nella biosfera

Gli aminoacidi composti da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto.

Le proteine sono costituite da lunghe molecole derivanti dall’unione di centinaia o migliaia di aminoacidi

Aminoacidi Proteine

Le piante assorbono l’azoto inorganico dal terreno e sintetizzano

Gli animali erbivori e carnivori sintetizzano nuove proteine utilizzando gli aminoacidi originariamente sintetizzati dalle piante

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 NO3-

ma negli ambienti in cui la nitrificazione è inibita utilizzano azoto ammoniacale

In termini energetici l’assorbimento di

nitrato NO3- è più dispendioso

Perché allora NO3- è la forma più assorbita?

ammonio NH4+ è meno dispendioso

• 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

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

Tutti gli animali eliminano azoto con le escrezioni

invertebrati vertebrati

ammoniaca Acido urico urea

Rettili e uccelli Mammiferi

La maggior parte dell’azoto minerale del terreno viene da microrganismi morti

Ossigeno

Quantità di ossigeno attualmente presente nell’aria: 4 % dell’ossigeno prodotto negli ultimi 3,5 miliardi di anni

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

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!

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

Evoluzione dei microrganismi chemioautotrofi (tiobacilli e batteri nitrificanti)

Il 14% di tutto l’ossigeno consumato annualmente è utilizzato per ossidare da ammonio a nitrato

Colonizzazione terre emerse