Fondamenti di scienze ambientali 2/3

Seconda parte

Il processo di decomposizione avviene quando i legami chimici che troviamo all’interno della sostanza organica vengono rotti, il processo provoca un rilascio energetico quindi una liberazione di anidride carbonica, di acqua e di nutrienti nella forma inorganica.

Il processo di decomposizione avviene all’interno del suolo e il substrato su cui agisce il detrito, processo di decomposizione è il ossia tutta quella sostanza organica non consumata o quella legata a prodotti di scarto degli organismi che raggiunge il suolo e va a formare lo strato di lettiera ossia la sostanza organica ancora non decomposta, che diventa perciò substrato per l’azione degli organismi detritivori e decompositori i quali sfruttano questa materia per ottenere tutti i nutrienti utili al loro metabolismo e alla loro crescita.

Questi organismi possono essere divisi in vari gruppi in base alla dimensione e al ruolo che svolgono nell’ecosistema.

Il processo di decomposizione avviene come una successione di eventi tra i diversi organismi perché la sostanza organica viene aggredita da un primo gruppo di organismi che utilizza quella sostanza organica, la manipola traendo energia e nutrienti e successivamente la rende più aggredibile da altri organismi quindi si ha un susseguirsi di organismi diversi che consuma quella sostanza organica.

Fasi della decomposizione

Questi organismi mediano il processo di decomposizione all’interno del quale possiamo individuare tre fasi:

• Lisciviazione: Dove abbiamo la lisciviazione della frazione solubile della sostanza organica, quindi la frazione solubile è portata via dall’azione dilavante delle acque.
• Frammentazione: Dove gli organismi frammentano la sostanza organica trasformandola in composti più piccoli che a quel punto possono essere aggrediti da microorganismi i quali mediano la terza fase.
• Mineralizzazione: Dove avviene il processo di trasformazione da composti organici a composti inorganici.

Gli organismi decompositori consumano la sostanza organica e vanno a convertirla in composti inorganici ma questi organismi utilizzano questa sostanza organica anche per ottenere i nutrienti e le energie utili alla loro crescita, quindi il processo di decomposizione è un processo che veicola la disponibilità dei nutrienti per gli altri organismi ma è anche quel processo attraverso il quale gli organismi detritivori e decompositori assumono energia e conflitto nutrienti perciò si instaura una sorta di tra ciò che viene decomposto e rilasciato all’interno del suolo e perciò diventa utilizzabile per gli organismi vegetali e quello che invece viene intrappolato da parte degli organismi decompositori stessi attraverso il processo di immobilizzazione.

Possiamo andare a individuare un tasso di mineralizzazione netto che è quella frazione di nutrienti che viene effettivamente restituita all’interno del suolo ed è nuovamente disponibile per gli organismi all’interno di quel sistema e che tiene conto di quella frazione che viene immobilizzata da parte degli organismi deteriogeni.

Loop microbico del suolo

Qui interviene un altro fattore importante che è legato all’azione dei predatori naturali di loop microbico del microorganismi funghi e batteri, questo processo che prende il nome di suolo avviene all’interno della rizosfera ossia quella porzione del suolo in cui abbiamo la presenza delle radici, quindi la porzione in cui l’apparato radicale risiede e dove l’attività dei microorganismi è intensa e in questa fascia gli organismi vegetali attraverso gli apparati radicali producono degli essudati ossia liberano dei composti altamente energetici che possono essere utilizzati dai microorganismi, ma in quella situazione i nutrienti diventano limitanti perché questi essudati sono ricchi di carbonio ma poveri in termini di azoto perciò questa situazione spinge gli organismi microbici ad una accentuata degradazione della sostanza organica, in virtù di questo la sostanza organica viene decomposta.

Qui organismi come nematodi e protozoi vanno a predare la componente microbica e attraverso la loro attività liberano anidride carbonica e rimandano in circolo anche nutrienti come l’azoto attraverso la produzione di sostanze di scarto.

La decomposizione è un processo che media quello che è il rilascio di nutrienti all’interno del sistema, è importante perché va a determinare la disponibilità di nutrienti.

Fattori che influenzano la velocità

Quali sono i fattori che influenzano la velocità di questo evento?

• Composizione del detrito.
• Ambiente fisico (clima, tessitura, pH suolo).

La composizione del detrito è importante perché la sostanza organica non è tutta uguale ma da un punto di vista strutturale ed energetico la sostanza organica è diversa (sostanza animale o vegetale).

I fattori climatici rappresentano una delle caratteristiche di maggiore influenza nei confronti temperatura umidità dei fenomeni di degrado, in particolare e il cui aumento causa un aumento del tasso di decomposizione infatti l’aumento di questi fattori corrisponde ad un aumento dell’attività metabolica degli organismi degradatori.

Si parla perciò di tempi di residenza dei nutrienti ovvero la quantità di tempo che un determinato nutriente è mantenuto all’interno di una data componente ambientale.

Qui una stima.

Ambiente terrestre e acquatico

Altra differenza che si riflette sul movimento e la disponibilità dei nutrienti per gli organismi è dato dalla struttura fisica dell’ambiente terrestre e acquatico, nel primo la zona di decomposizione ossia il suolo e la zona in cui si ha la fissazione di quei nutrienti inorganici ossia la zona fotosintetica è in stretto collegamento perché gli organismi vegetali fanno da ponte tra substrato e la zona della produzione primaria, mentre i ambiente acquatico non abbiamo questo tipo di situazione, ma abbiamo una netta separazione fra la zona bentonica dove abbiamo gran parte dell’attività di decomposizione e la zona fotica dove risiedono gli organismi fotosintetici, perciò tali organismi riescono ad ottenere i nutrienti solo grazie al movimento delle acque, nutrienti che derivano dalla decomposizione che si realizza sul fondo.

Questo movimento dal basso verso l’alto può essere influenzato da una serie di fattori, legati alla struttura verticale di alcuni sistemi acquatici, in particolare rispetto all’influenza che le condizioni climatiche possono avere su questa struttura verticale.

Questo fenomeno si realizza soprattutto dove abbiamo condizioni climatiche stagionali, perciò durante i periodi caldi le aree superficiali del bacino tendono naturalmente a riscaldarsi, ma proprio perché la radiazione luminosa non riesce a raggiungere profondità elevate, le aree più profonde hanno temperature più basse, si crea perciò questa situazione in cui si ha uno strato superficiale più caldo e meno denso e uno strato più profondo più freddo e più denso, questi strati sono separati da una brusca variazione di temperatura che prende il nome di termoclino.

Questa situazione di stratificazione lungo il profilo verticale del bacino in cui si hanno diverse densità, va a limitare il movimento delle acque e quindi un rimescolamento che impedisce anche il movimento dei nutrienti, nel momento in cui la disponibilità luminosa si riduce e le temperature si abbassano, le acque superficiali tendono a raffreddarsi ed assumere valori simili alle acque più profonde, in queste condizioni il rimescolamento delle acque sarà possibile.

Il processo di risalita delle acque profonde, ricche di nutrienti è un processo fondamentale anche in acque marine, dove il fenomeno prende il nome di upwelling:

Tali fenomeni sono legati all’azione dei venti che spingono l’acqua anche per effetto della forza di Coriolis, lontana dalle coste e questa acqua richiama acqua dalle zone sottostanti che essendo carica di nutrienti, riporta in superficie nutrienti che verranno resi disponibili per gli organismi fotoautotrofi, incrementando la produttività di quei sistemi.

Anche i fiumi sono un sistema all’interno del quale abbiamo il verificarsi di fenomeni di decomposizione, gli ambienti fluviali non sono solo sistemi che trasportano nutrienti ma sono essi stessi sistemi nei quali abbiamo la riciclizzazione dei nutrienti.

In ambiente fluviale sul processo di riciclizzazione dei nutrienti incide anche il fatto che si tratta di sistemi in movimento, infatti la corrente ha un peso sul processo di riciclizzazione, può velocizzare o ridurre il processo del riciclo.

Lezione 10 cicli biogeochimici

I cicli della materia possiamo definirli come nel senso che c’è un continuo flusso fra la componente geologica e la componente biotica, quindi attraverso l’attività degli organismi e attraverso quelle che sono reazioni chimiche che avvengo nelle componenti abiotiche del sistema abbiamo questo movimento dei nutrienti tra le diverse componenti che costituiscono i sistemi naturali.

Possiamo osservare il movimento degli ecosistemi non solo su scala ecosistemica quindi all’interno del nostro sistema biologico ma i nutrienti si muovono anche su scale spaziali più ampie, scale globali quindi si muovo tra atmosfera-idrosfera-geosfera-biosfera.

Vediamo di cicli di azoto fosforo zolfo carbonio ossigeno.

Definiamo prima delle caratteristiche comuni a tutti i cicli biogeochimici.

Possiamo considerare ogni ciclo biogeochimico come una interazione fra diversi pool, compartimenti che possiamo definire come nello specifico possiamo individuare dei:

• Pool di riserva sono rappresentati da quelle componenti che sono grandi, stabili e generalmente abiotiche, sono componenti che contengono gran parte di quel nutriente e all’interno delle quali spesso abbiamo degli scambi che non sono particolarmente affini.
• Pool di scambio quella porzione che è in attivo movimento, quindi sono dei pool generalmente più piccoli ma più attivi in termini di scambio.

Possiamo classificare i cicli biogeochimici proprio rispetto a dove è relegato il loro pool di riserva: possiamo distinguere:

• Cicli gassosi: Ossia quei cicli geochimica dove il pool di riserva è rappresentato dall’atmosfera o dall’idrosfera.
• Cicli sedimentari: Sono quei cicli geochimici dove il pool di riserva è rappresentato dalla litosfera.

Questa separazione può essere netta per alcuni elementi come l’azoto dove il pool più importante è rappresentato dall’atmosfera, mentre in altri casi possiamo individuare delle subriserve ossia anche se l’elemento è contenuto principalmente in determinate componenti all’interno del sistema, in realtà sono altre le componenti da cui gli organismi possono prelevare quel nutriente (il carbonio è contenuto nella litosfera, ma le riserve da cui possono attingere gli organismi sono l’atmosfera e l’idrosfera).

All’interno dei cicli biogeochimici un ruolo importante è ricoperto dall’acqua e dal suo movimento su scala locale e su scale più ampie. Il movimento dell’acqua è importante perché è fondamentale per la vita, trasporta i nutrienti tra le diverse componenti del sistemi, in generale l’idrosfera quindi l’insieme di acqua dolce e salata ricopre più del 70% della superficie del nostro pianeta quindi è fondamentale.

Ciclo dell’acqua

Si prendere come inizio del ciclo dell’acqua le precipitazioni, quindi il vapore acqueo presente in atmosfera condensa e ricade sulla superficie terrestre attraverso le precipitazioni, questa acqua viene intercettata da diverse componenti come la vegetazione, il suolo, la materia organica che si trova sul suolo, successivamente questa acqua in parte va incontro ad evaporazione quindi torna in atmosfera e in parte può infiltrarsi, percolare all’interno del suolo fino a raggiungere le zone di falde sotterranee, muoversi fino a raggiungere i corpi d’acqua (ruscelli laghi e poi giungere in mare).

L’acqua può raggiungere l’atmosfera anche attraverso il fenomeno di traspirazione che svolgono gli organismi vegetali, i quali riescono a prelevare attraverso l’apparato radicale anche acqua che si trova negli strati più profondi del suolo e attraverso il processo di traspirazione restituiscono parte di questa risorse all’atmosfera sotto forma di vapore acqueo.

La forza motrice del ciclo dell’acqua è rappresentata dalla radiazione solare che fornisce l’energia necessaria per l’evaporazione dell’acqua che può arrivare in atmosfera come valore acqueo, condensare e scendere poi come precipitazione, questo comporta il movimento ciclico dell’acqua all’interno dei sistemi.

Oltre a muoversi su una scala locale, l’acqua si muove anche su scala globale quindi su scala spaziali più ampie, le riserve più importanti di acqua sono rappresentate dagli oceani che rappresentano la componente che contribuisce maggiormente nel fornire vapore acqueo all’atmosfera, il quale viene trasportato dall’azione dei venti, condensare e precipitare e quindi seguire di nuovo il suo percorso ciclico.

Ciclo del carbonio

La riserva più significativa di carbonio la ritroviamo nella litosfera (nelle rocce) ma questa riserva è poco attiva perciò sono l’atmosfera e le acque quelle riserve che forniscono questo elemento agli organismi.

Il pool oceanico scambia carbonio con l’atmosfera attraverso un processo di diffusione, cioè scambiando un gradiente di concentrazione atmosfera-oceano la CO2 si muove dalle zone atmosferiche verso il pool oceanico, dove una volta entrata all’interno degli oceani si muove, circola superficialmente attraverso quella che è l’attività delle correnti e attraverso i fenomeni biologici (produzione primaria e di consumo) si muove all’interno della rete trofica.

Dopodiché parte di quella sostanza organica viene consumata, quindi il carbonio fluisce all’interno dei livelli trofici e la sostanza organica che non sarà consumata andrà ad alimentare la componente detritica di quel sistema, quindi andrà a precipitare sul fondo dove avviene il processo di decomposizione che libera anidride carbonica che torna in atmosfera attraverso i fenomeni di upwelling, risalita di acque profonde che portano i nutrienti in superficie i quali possono diffondersi attraverso l’atmosfera.

Cosa succede in ambiente terrestre? Il carbonio ha importanti riserve all’interno del suolo, e anche la biomassa vegetale è un importante pool del carbonio, i processi che mediano lo scambio di questo elemento, sono la produttività primaria che assorbe C dall’atmosfera sotto forma di CO2, e la respirazione sia di autotrofi che eterotrofi, che libera anidride carbonica in atmosfera.

Sistema acquatico e terrestre sono strettamente connessi e prima della rivoluzione industriale gli scambi tra questi due sistemi si eguagliavano ma in seguito alla rapida crescita umana e industriale, questo bilancio a iniziato a propendere verso un rilascio di CO2 in atmosfera, le motivazioni sono legate in prima battuta alla deforestazione, che causa una maggiore attività della radiazione luminosa sul suolo, quindi un aumento delle temperature che ha come conseguenza una maggiore attività degli organismi che lo abitano e perciò un aumento della produzione di anidride carbonica, successivamente i processi industriali e quindi la combustione di combustibili fossili ha incrementano la liberazione di anidride carbonica ma anche metano che è un inquinante atmosferico, un gas serra anche più efficiente di quanto non faccia la CO2.

Quindi tra il diversi utilizzo del suolo, prima adibiti a zone forestali poi a zone agricole o a uso abitativo unito all’utilizzo di combustibili fossili ha cominciato a sbilanciare la concentrazione di questo elemento in atmosfera.

I sistemi naturali sono in grado di tamponare questi incrementi, ma è vero che più queste attività sono spinte più questo sbilanciamento è accentuato più si va a ridurre la capacità tamponanti dei sistemi oceanici e terrestri, difatti negli ultimi decenni si vede una difficoltà nel tamponare queste variazioni, su scala globale quello che si osserva è un aumento delle temperature mentre nel caso degli oceani si sta misurando un aumento dell’acidità perché in virtù dell’aumento della CO2 in atmosfera e in virtù di quel gradiente che esiste fra atmosfera e oceani, una maggiore quantità si diffonde dall’atmosfera all’interno delle acque oceaniche, questo mette a rischio ad esempio tutto quegli organismi che per vivere costruiscono strutture carbonatiche, perché l’eccessiva acidità impedisce questa possibilità e può determinare la distruzione di quelle già formate.

I sistemi oceani sono sistemi che ospitano innumerevoli reperti storici e la preservazione di questi beni è legata all’equilibrio del sistema, quindi tutto ciò che va ad alterare le condizioni di questi ambienti mette al rischio la capacità di conservare i reperti stessi, i quali sono messi al rischio perché le condizioni che ne hanno permesso una conservazione nel corso dei secoli possono mutare e causare il degrado degli stessi.

I sistemi acquatici sono sistemi che per le loro caratteristiche sono molto efficienti nel conservare tutta una serie di materiali al loro interno, in generale tutti i materiali hanno una possibilità maggiore di conservarsi in ambiente acquatico piuttosto che in ambiente terrestre.

Tuttavia l’aumento dell’acidità che si sta misurando all’interno delle acqua oceaniche e marine rappresenta una grande minaccia per tutta una serie di materiali, perché sono le condi