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RIASSUNTI SUI CICLI BIOGEOCHIMICI...

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Cicli Biogeochimici La vita sulla terra dipende dal flusso unidirezionale di energia e dal ciclo degli elementi attraverso i vari compari della biosfera. Il flusso di energia guida il ciclo della materia. Tutte le forme di vita richiedono specifici elementi chimici che devono essere continuamente forniti in quantità e velocità giusta. Gli elementi chimici circolano ella biosfera seguendo percorsi ciclici, dall’ambiente agli organismi e viceversa. Il movimento di questi composti inorganici è definito CICLO DI NUTRIENTI. In questi cicli abbiamo due processi: - Assimilativi: processi di incorporazione degli elementi nella biomassa; - Dissimilativi: processi che restituiscono gli elementi all’ambiente fisico. È possibile distinguere due tipi di cicli: - ciclo esterno: gli elementi si spostano da un compartimento abiotico all’altro per effetto di processi chimici e fisici - ciclo interno: lo spostamento degli elementi attraverso i compartimenti biotici avviene grazie ai processi di produzione, erbivoria, predazione e degradazione biologica del detrito Ogni ciclo è caratterizzato da:  Flusso: quantità di un dato elemento che si sposta da un comparto all’altro nell’unità di tempo;  Tempo di residenza: periodo di tempo variabile durante il quale un elemento permane in un comparto;  Pool di riserva: comparto ampio, stabile e non biologico;  Pool labile: comparto attivo, più piccolo, circolante e disponibile. Dal punto di vista ecologico è possibile distinguere due tipi di cicli: GASSOSO (pool di riserva in atmosfera o idrosfera) e SEDIMENTARIO (pool di riserva nella litosfera). Ciclo dell’acqua Il ciclo dell’acqua,conosciuto tecnicamente come ciclo idrologico, consiste nella circolazione dell’acqua all’interno dell’idrosfera terrestre, includendo i cambiamenti di stato fisico dell’acqua tra la fase liquida, solida e gassosa. Il ciclo idrologico si riferisce ai continui scambi di massa idrica tra l’atmosfera, la terra, le acque superficiali, le acque sotterranee e gli organismi. Oltre all’accumulo in varie zone (come gli oceani che sono le più grandi zone di accumulo idrico), i molteplici cicli che compie l’acqua terrestre includono i seguenti processi fisici: • evaporazione • condensazione • precipitazione • infiltrazione • scorrimento • flusso sotterraneo. La scienza che studia il ciclo dell’acqua è l’idrologia. Non c’è un inizio o una fine nel ciclo idrologico: le molecole d’acqua si muovono in continuazione tra differenti compartimenti, o riserve, dell’idrosfera terrestre mediante processi fisici. L’acqua evapora dagli oceani, forma le nuvole dalle quali l’acqua torna alla terra. Non è detto, tuttavia, che l’acqua segua il ciclo nell’ordine: prima di raggiungere gli oceani l’acqua può evaporare, condensare, precipitare e scorrere molte volte. Quando però, una molecola d’acqua che ha iniziato il suo ciclo ritorna in mare, in media ci mette 2000 anni ad evaporare e quindi ri-entrare nel ciclo dell’acqua. L’evaporazione è il trasferimento dell’acqua da corpi idrici superficiali nell’atmosfera. Questo trasferimento implica un passaggio di stato dalla fase liquida alla fase vapore. Nell’evaporazione viene inclusa anche la traspirazione delle piante; in tal modo ci si riferisce a questo trasferimento come evapotraspirazione. Il 99% dell’acqua atmosferica proviene dall’evaporazione, mentre il rimanente 1% dalla traspirazione. La precipitazione è costituita da vapore acqueo che si è prima condensato sotto forma di nuvole (cambio dalla fase gassosa alla fase liquida o solida) e che cade sulla superficie terrestre. Questo avviene soprattutto sotto forma di pioggia, ma anche di neve, grandine o nebbia. L’infiltrazione è la transizione dall’acqua dalla superficie alle acque sotterranee. L’aliquota di infiltrazione dipende dalla permeabilità del suolo o della roccia e da altri fattori. Le

acque sotterranee tendono a muoversi molto lentamente, così l’acqua può ritornare alla superficie dopo l’accumulo in un acquifero in un lasso di tempo che può arrivare al migliaio di anni in alcuni casi. L’acqua ritorna alla superficie ad altezza inferiore a quella del punto di infiltrazione, sotto l’azione della forza di gravità e delle pressioni da essa indotta. Il flusso sotterraneo include il movimento dell’acqua all’interno della terra sia nelle zone insature che negli acquiferi. Dopo l’infiltrazione l’acqua superficiale può ritornare alla superficie o scaricarsi in mare. Fattori di inquinamento dell’acqua: - Agenti patogeni; - Rifiuti biodegradabili; - Sostanze chimiche idrosolubili inorganiche che possono rendere l’acqua non potabile; - Nutrienti inorganici (nitrati, fosfati); - Sedimenti e particolato; - Isotopi radioattivi solubili. Ciclo del carbonio Il ciclo del carbonio può essere considerato un ciclo gassoso; l’anidride carbonica costituisce il veicolo principale di flusso tra i vari comparti. La riserva atmosferica di carbonio è quantitativamente più piccola di qualsiasi altra riserva, ma da essa dipende la biosfera per il processo di fissazione fotosintetica della

CO2 . il tempo di residenza della

CO2 nell’atmosfera è di circa 3 anni. La

CO2 atmosferica è la fonte di C del ciclo.

Il C passa nell’ecosistema attraverso la fotosintesi e viene immagazzinato nei viventi attraverso un processo di organicazione; - Il carbonio intrappolato nei viventi, alla loro morte, viene liberato al suolo attraverso un processo noto come mineralizzazione. Dividiamo il ciclo in:  AMBIENTE TERRESTRE: L’anidride carbonica presente nell’atmosfera viene rilasciata da processi di combustione, respirazione e attività vulcanica. A questi eventi naturali bisogna abbi ungere l’attività dell’uomo che brucia combustibili fossili, induce incendi e attua la deforestazione. Con la deforestazione non solo viene -

distrutta la biomassa, ma vengono eliminati anche i produttori primari che assorbono CO2 . Il ciclo del carbonio consiste in processi ciclici di ossidazione e riduzione: esso viene ridotto e ossidato con la fotosintesi e con la respirazione; di giorno viene assorbita di 

CO2 e di notte viene rilasciata. (L’assorbimento

CO2 dall’atmosfera presenta un picco durante il giorno e durante la stagione estiva =>

> fotosintesi) AMBIENTE ACQUATICO: l’anidride carbonica in acqua forma bicarbonato; il bicarbonato in ambiente acquatico si scioglie e rilascia

CO2 . Tale reazione reversibile aumenta la riserva di anidride carbonica disponibile per

gli autotrofi. Gli scambi tra atmosfera ed oceano sono controllati da processi fisici, tra cui il più importante è la temperatura, e biologici. L’assorbimento è più elevato in inverno. Ciclo dell’azoto Il ciclo dell’azoto è un ciclo biogeochimico con il quale l’azoto si muove principalmente tra l’atmosfera, il terreno e gli esseri viventi. Questo ciclo viene definito gassoso poiché il pool di riserva, cioè il serbatoio di questo elemento chimico, è appunto l’atmosfera, dove l’azoto occupa circa il 78 % del volume totale. L’importanza del ciclo per gli organismi viventi è dovuta alla loro necessità di assimilare azoto per la formazione di composti organici vitali, quali le proteine e gli acidi nucleici, ma, ad eccezione di particolari batteri (azotofissatori), l’azoto atmosferco non può essere direttamente assorbito dagli organismi e ciò rappresenta spesso un fattore limitante per lo sviluppo forestale. Le piante, però, possono assimilare l’azoto tramite l’assorbimento di alcuni composti azotati (nitriti, nitrati e sali d’ammonio) che, disciolti nell’acqua, giungono fino alle loro radici. Una volta organicato nella fitomassa, l’azoto viene quindi 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. Questo ciclo risulta molto complesso proprio perché l’atomo di azoto può entrare a far parte di un elevato numero di molecole: azoto molecolare, ammoniaca e sali d’ammonio, nitriti, nitrati ed azoto organico. I processi chimici coinvolti per la loro formazione possono essere suddivisi in quattro tipi: • Azotofissazione • Ammonificazione • Nitrificazione • Denitrificazione. Fissazione: Non essendo immediatamente assimilabile per la maggior parte dei viventi l’azoto deve essere convertito in forme utilizzabili chimicamente, secondo i processi di fissazione o azotofissazione, ammonificazione, nitrificazione, denitrificazione. L’azotofissazione è un processo riduttivo con cui l’azoto molecolare (N2) presente nell’atmosfera viene trasformato in ammoniaca (NH3). Questa trasformazione può avvenire sia con un processo industriale, detto di Haber-Bosch, sia naturalmente. Il 90% della quantità fissata naturalmente è biologica; viene prodotto ammonio a partire all’azoto molecolare. Gli agenti fissatori dell’azoto sono: Azotobacter e Clostridium: batteri liberi nel terreno rizobi: batteri viventi in simbiosi mutualistica con le radici di leguminose, l’Ontano, alcune felci, alghe azzurre. Il 10% dell’azoto fissato è ad alta energia, proviene, dall’azione dei fulmini durante i temporali, che ossidano l’azoto gassoso formando dei nitrati, i quali raggiungono direttamente il suolo tramite l’acqua contenuta nelle precipitazioni sottoforma di acido nitrico HNO3 . HNO3 = (L’acido nitrico è un acido minerale forte, nonché un forte agente ossidante. Liquido a temperatura ambiente, incolore quando molto puro (giallo chiaro altrimenti) e dal tipico odore irritante ). Ammonificazione: Un’altra fonte di ammoniaca per il suolo deriva dalla decomposizione dell’azoto organico, come gli amminoacidi presenti nei prodotti di rifiuto e nella sostanza organica in putrefazione. Questo processo è detto ammonificazione ed è attuato da particolari batteri decompositori e funghi che, degradando l’azoto amminico, liberano l’ammoniaca nel terreno, dove può reagire con diversi composti per formare dei sali d’ammonio. Nitrificazione: Le molecole d’ammoniaca (o i sali d’ammonio derivati), che vengono così liberate nel suolo, possono subire un’ossidazione da parte di batteri liberi, con un processo chiamato nitrificazione, in cui si distinguono i batteri nitrificatori, che trasformano l’ammoniaca in nitriti (NO2 - ), ed i batteri nitratatori, che, a loro volta, ossidano i nitriti e contribuiscono alla produzione dei nitrati (NO3 - ). Denitrificazione: La denitrificazione consiste nella riduzione dei nitriti ad azoto molecolare che ritorna in atmosfera chiudendo il ciclo dell’azoto. Una frazione dell’azoto molecolare viene lisciviata nel mare dalle acque di ruscellamento. Questo processo è realizzato da batteri dei generi Pseudomonas e Clostridium in condizioni anaerobiche. La denitrificazione è una forma di respirazione anaerobica che usa il nitrato come accettore di elettroni in assenza di ossigeno. I batteri denitrificanti sono anaerobi facoltativi dal momento che possono vivere anche in presenza di ossigeno. Ciclo dello zolfo Il ciclo dello zolfo è un ciclo di tipo sedimentario, ovvero il pool di riserva è nelle rocce o in acqua; un’elevata quantità di zolfo vi si ritrova disciolta negli oceani. Ciclo globale dello zolfo Anche nel ciclo globale dello zolfo vi sono una massiccia attività antropica. Importanti sono le eruzioni vulcaniche e le evaporidi (emissioni di gas naturali) come processi naturali per restituire zolfo all’atmosfera. I composti che vengono maggiormente assorbiti dalle piante sono i solfati (SO4 2-), che entrano nella catena alimentare e successivamente, vengono poi reimmessi nell'ambiente con la decomposizione. Tuttavia, dalla degradazione della materia organica viene liberato soprattutto acido solfidrico (H2S) . Ciclo interno dello zolfo

Durante il ciclo lo zolfo avrà trasformazioni microbiche: I solfobatteri chemioautotrofi in condizioni di aerobiosi, sia in ambiente acquatico che terrestre, possono ossidare l'H2S a SO4 2-. SO4 2- può essere, attraverso processi di riduzione assimilativa, trasformato in gruppi -SH delle proteine. Attraverso processi di desolforilazione i gruppi -SH delle proteine vengono trasformati in H2S. In condizioni di anaerobiosi in, H2S può essere utilizzato da batteri fotosintetici particolari, i solfobatteri rossi e verdi, che lo ossidano ad SO4 2- . poi avviene la riduzione assimilativa, che produce SH, che forma proteine e che attraverso desolforiduzione forma H2S. In tale ciclo, vi sono processi particolari, quali la riduzione disassimilativa del solfato ad opera di Defulfovibrio, che riduce SO4 2- direttamente ad H2S. Il comparto atmosfera in tale ciclo è di particolare importanza, in quanto presenta composti prodotti naturalmente, quali DMS e COS, importanti per la formazione dei nuclei di condensazione dell'acqua, fenomeno legato non solo alle piogge acide, ma anche all’effetto frigorifero. L’effetto frigorifero è legato alla presenza delle nuvole che, se sono presenti in quantità elevate, viene schermata la radiazione solare e minore energia giunge al suolo e di conseguenza, minore energia termica viene trattenuta. Ciclo del fosforo Il fosforo è un costituente essenziale della materia organica che si ritrova nel DNA, nell’ATP etc. Il ciclo del fosforo è un ciclo di tipo sedimentario, non presenta forme gassose e non vi sono trasformazioni microbiche. Le piante assorbono fosforo sotto forma di fosfato (PO4 3-) che passa nella catena alimentare e poi, subisce decomposizione. Una volta avvenuta la decomposizione, il fosforo si dirige velocemente nell’acqua, dove le sue concentrazioni sono basse dal momento che il ciclo avviene rapidamente o, talvolta, viene accumulato nei sedimenti. La maggior parte del fosforo viene depositato nelle rocce, che costituiscono un pool di riserva. L’unico modo che il fosforo ha di ritornare alle terre emerse è il guano (concime naturale) degli uccelli. Il fosforo talvolta costituisce un fattore limitante e ciò è dovuto al fatto che è disponibile per le piante solo quando nell’ambiente il pH è circa neutro. Affinché avvenga la liberazione di fosforo dalla materia organica, è necessario l’intervento di complessi enzimatici specifici, quali fosfatasi che vengono liberate dalle radici di alcune piante o da interazioni specifiche, micorrize, ovvero funghi in associazione simbiontica con le radici delle piante. Negli ambienti agricoli il fosforo viene somministrato all’ecosistema sotto forma di fertilizzanti che se confluiscono nei fiumi possono comportare dei problemi di eutrofizzazione. L’eutrofizzazione è un evento naturale che si origina in aree abbondanti di nutrienti e ciò comporta un sovrasviluppo di produttori primari nel sistema acquatico e quindi, un cambiamento dell’ambiente, creando uno squilibrio nella catena alimentare. In particolare, tale evento si sviluppa in acque poco profonde e con scarso scambio, dove può avvenire la formazione di manti algali al di sotto dei quali si sviluppano condizioni di anossia e assenza di luce....