Appunti per l'esame di Metodologie di ecologia applicata

Tipi di inquinanti

Regno → Phylum (o Divisione) → Classe → Ordine → Famiglia → Genere →

Specie

Ecologia: studio delle interazioni tra gli organismi e l’ambiente.

Ecologia Applicata: studio degli ecosistemi in condizioni disturbate dovute alle

attività antropiche, allo scopo di definire strategie di recupero ambientale.

Inquinamento: azione che porta a modificare aria, acqua, suolo e biosfera.

Le fonti possono essere divise in:

-​ Naturali, eruzioni vulcaniche, combustioni

-​ Antropiche, traffico, industria, energie ausiliarie in agricoltura​

-​ puntiformi, sono fonti di inquinamento localizzate, identificabili in un punto

preciso, come effluenti di depurazione o ciminiere

-​ ​

diffuse, quando non esiste un singolo punto di emissione, come nel caso di

agricoltura (fertilizzanti, pesticidi) o traffico.

Tipologie di inquinanti:

Chimiche

-Sostanza organica (azoto e fosforo) (Urea e composti azotati da scarichi fognari)

-Metalli pesanti (Mercurio (Hg), Piombo (Pb), Cadmio (Cd))

-Composti organici di sintesi (IPA (idrocarburi policiclici aromatici))

-Composti inorganici di azoto e zolfo (Nitrati (NO₃⁻) da fertilizzanti)

Fisiche

-(micro)plastiche e nanomateriali

Tossicità degli inquinanti (acuta o cronica), data da:

-Composizione chimica

-Concentrazione (o dose)

-Persistenza in ambiente

-Accumulo nell’organismo

Mitigazione:

-Prevenzione (riduzione, riutilizzo, riciclo)

-Soluzioni (Depurazione, bioremediation).

Il disastro di Seveso (1976) ha portato alla formazione di 3 diverse direttive

emanate dal Parlamento e dal Consiglio europeo.

SOSTANZA ORGANICA: La sostanza organica rappresenta un inquinante per i

corpi idrici e comprende composti che contengono azoto e fosforo (fattori limitanti)

come proteine (N) ed acidi nucleici (N e P).

Azoto (N) e fosforo (P) sono nutrienti essenziali, Nei sistemi acquatici sono spesso il

fattore che limita la crescita biologica, Se introdotti in eccesso → eutrofizzazione.

Legge del minimo di Liebig:

La crescita e lo sviluppo di un organismo (o di una coltura) sono limitati dal fattore

essenziale presente nella quantità minore, anche se tutti gli altri fattori sono

abbondanti.​

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Immagina un barile con doghe di lunghezze diverse, dove ogni doga = un nutriente

(N, P, K, acqua, luce…)​

La doga più corta determina quanta acqua il barile può contenere.

METALLI PESANTI:

Per metalli pesanti si intendono quei metalli che hanno una densità maggiore a 4,5

g/cm3.

La biodisponibilità dei metalli dipende dalla loro forma chimica: quelli in forma

elementare (numero di ossidazione uguale a 0) non vengono assorbiti, i sali sì.

Possiamo classificare:

-Metalli essenziali (Magnesio - Mg, Ferro - Fe, Zinco - Zn): cofattori enzimatici,

gruppi prostetici (eme).

-Metalli a funzione simile (Cesio - Cs, viene assorbito e distribuito nei tessuti in virtù

delle analogie chimiche tra Cs⁺ e K⁺): sostituiscono i metalli essenziali.

-Metalli non essenziali (Arsenico - As (in realtà è un non metallo), Cadmio - Cd,

Piombo - Pb, Mercurio - Hg, Cromo - Cr): non hanno alcuna funzione nell’organismo.

Es. Piombo (Pb)

Fonti: Identificato nei ghiacci della Groenlandia in conseguenza alle estrazioni

minerarie d’argento sparse in Europa.

Usato come antidetonante nelle vecchie benzine sotto forma di piombo tetraetile.

Caccia (cartucce e proiettili al piombo)

Provoca saturnismo (una condizione patologica causata dall’accumulo di Piombo

nell’organismo).

Mercurio (Hg)

Fonti: Degassificazione della crosta terrestre

Usato in vernici, nella produzione di materie plastiche (come il PVC)

Come molti metalli, si trova sottoforma di Hg elementare (Hg°), Hg inorganico

(Hg2+) oppure come Hg organico (metilmercurio).

In Terreni contaminati da Hg²⁺, alcune specie di Pseudomonas (genere di Batteri

gram-negativi) possono:​

1.​ Assorbire Hg²⁺

2.​ Ridurlo a Hg⁰ (non bioaccumalibile)

3.​ Rilasciarlo in atmosfera a forma gassosa

Questo è un meccanismo chiave nella bonifica biologica (bioremediation).

La Malattia di Minamata è una grave malattia neurologica causata dall’esposizione

al metilmercurio (CH₃Hg⁺), dovuta allo Scarico di metilmercurio nei corsi d’acqua e

nel porto di Minamata dall’industria chimica Chisso, con conseguente bioaccumulo

nei pesci e crostacei consumati dalla popolazione locale.

Cromo (Cr)​

Paradosso del Cromo Cromo -- esavalente (CrVI) -- Effetti aversi (cancerogeno)

Fonti industriali (industria metallurgica e galvanica, produzione tessile)​

Cromo trivalente (CrIII) -- Non tossico -- in tracce essenziale nel metabolismo del

glucosio e dei lipidi.​

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COMPOSTI ORGANICI DI SINTESI:​

Molti sono Persistent Organic Pollutants (POPs), la Convenzione di Stoccolma

(2001) Stabilisce misure per diminuzione, eliminazione o restrizione della produzione

e uso di queste sostanze chimiche, tra i quai 12 sostanze (la sporca dozzina) che

contengono tre intere classi di composti, policlorobifenili (PCB),

policlorodibenzodiossine (PCDD), policlorodibenzofurani (PCDF).​

​

Altri sono:​

- Clorofluorocarburi (CFC), limitati dal protocollo di Montreal (1987) (proteggere lo

strato di ozono riducendo o eliminando la produzione e l’uso di sostanze che lo

distruggono),​

-Sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) (Es: acido perfluoroottanoico (PFOA)

usato nelle fasi di produzione del Teflon).

“Silent Spring” di Rachel Carson (1962), un libro pionieristico di ecologia e

ambiente con il focus principale sui pericoli dei pesticidi organoclorurati, in

particolare DDT, sull’ambiente e sulla salute umana.

​

​

In particolare i residui di idrocarburi clorurati tendono ad accumularsi in alte

concentrazione negli uccelli da preda, come falchi e pellicani, turbando il ciclo

riproduttivo e rendendo fragili i gusci d’uovo, causando una riduzione della attività

dell’anidrasi carbonica nelle ghiandole uovo-secretrici con conseguente

diminuzione della deposizione di CaCO₃ → guscio più sottile.

Oppure anche sugli Alligatori del Lago Apopka (Florida), sensibili a contaminanti

ambientali persistenti come DDT e suoi metaboliti (DDE).

Oppure composti farmaceutici come il Diclofenac (danni renali) negli Avvoltoi nel

sud-est asiatico.

Effetti del Selenio (teratogeno) sul Cavaliere collonero, una specie di uccello

presente nella Kesterson Reservoir (California) sensibile a eccessi di selenio

perché si accumula nei tessuti e si deposita nelle uova → rischio teratogeno per i

pulcini.

--

Prima evidenza della persistenza della plastica in ambiente nel 2005​

Phoebastria immutabilis, Nome scientifico del albatros delle Laysan, uccello

marino che vive principalmente nell’Oceano Pacifico settentrionale, specie

nell’arcipelago delle Hawaii.​

L’analisi degli albatros e dei loro nidi mostra la quantità e il tipo di plastica presente

negli oceani, siccome questi lo confondono per cibo e lo usano per nutrire i pulcini.

I five gyres sono grandi zone di accumulo di rifiuti plastici negli oceani del mondo,

causati dalle correnti oceaniche superficiali (gyres).

Esistono anche nel mediterraneo:​

-Mar Ligure, nord dell’Adriatico, mar di Levante, sud dell’Egeo, mare di Alboran e

Mediterraneo Centrale tra la Tunisia e Malta.

Cosa è la plastica? Dal greco «plastikos» per indicare qualcosa che può essere

modellato. Il termine moderno è stato coniato da Hendrick Baekeland nel 1909.​

La plastica è un materiale costituito da polimeri sintetici.

Una plastic blend è una miscela fisica di polimeri, non legati chimicamente.

Tatticità: configurazione stereochimica relativa agli atomi di carbonio asimmetrici

lungo la catena di un polimero.

La ramificazione nei polimeri indica la presenza di catene laterali.

Termoplastico (malleabilità sotto calore) polietilene, polipropilene,

polimetilmetacrilato, polistirene, polivinilcloruro, etc.​

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Termoindurente (una volta induriti non possono più essere fusi, vanno in contro a

carbonizzazione) resine epossidiche, poliuretano.​

​

Tutte le plastiche sono polimeri, ma non tutti i polimeri sono plastiche (cellulosa,

amido, proteine, acidi nucleici)​

​

Plastiche particolari​

-nel 1907 viene prodotto il primo polimero completamente sintetico, la bachelite

(resina fenolica, Hendrick Baekeland)

-tra gli anni ‘20 e ‘30 trovano largo impiego materiali come PVC, PMMA e PS.

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- il politetrafuoroetilene (PTFE, Teflon) venne usato, nel Progetto Manhattan, per il

rivestimento delle apparecchiature contenenti esafloruro di uranio usate nelle bombe

atomiche.​

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-la poliammide (Naylon, 1935) funzionale all’industria tessile, durante la guerra trova

impiego nella produzione dei paracadute. Inizia l’ascesa delle fibre sintetiche.

-negli anni ‘40 viene prodotto anche il PET (bottiglie).

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-PE a bassa densità (LDPE) È il primo tipo di polietilene prodotto industrialmente,

negli anni ‘30, mentre PE ad alta densità (HDPE) (lineare) Arriva 20 anni dopo il

LDPE grazie ai nuovi catalizzatori (usato in tupperware e tappi).

-Il polipropilene isotattico (i-PP) viene sviluppato nel 1954, grazie all’impiego dei

catalizzatori Ziegler–Natta. L’isotatticità permette alta cristallinità e maggiore

resistenza meccanica (usato, ad esempio, in articoli per la casa).

-La resina melammina-formaldeide (Laminati plastici (piani cucina, mobili)).

-Il policarbonato (PC) tecnopolimero facente parte delle resine poliesteree

(Componenti automotive).​

​

La produzione di plastica continua su trend positivi.

Nel 2019 il 51% della plastica mondiale era prodotto in Asia, con un 31%

concentrato in Cina.​

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14% della plastica è riciclato,​

14% è bruciato o trasformato,​

40% è stoccato in discarica,​

32% è perso in ambiente.​

Come riportato dalla Ellen MacArthur Foundation, ci sarà più plastica che pesce

negli oceani entro il 2050.

Gli effetti delle plastiche, soprattutto sugli organismi marini, sono ben documentati.

Nello studio di Stefano Magni e colleghi sulla tossicità di microplastiche polistireniche

in mitili d’acqua dolce, gli autori hanno voluto valutare l’assorbimento e la tossicità

cronica di microperle di polistirene (PS) di due dimensioni (1 µm e 10 µm) in mitili

d’acqua dolce (Dreissena polymorpha) dopo esposizione di 6 giorni.​

​

Tramite microscopia confocale e l’uso di un colorante fluorescente (DAPI) è

stato misurato il bioaccumulo. Il colorante viene usato per marcare i nuclei delle

cellule dei mitili, così da osservare la localizzazione delle microplastiche nei tessuti o

nelle cellule.​

​

Dallo studio risulta che le microplastiche sono state inglobate nell’intestino dei

mitili, trasferite nei tessuti e presenti anche nell’emolinfa (il “sangue” del mitile),

confermando che vengono assorbite dall’organismo.

-​

​

Si definiscono microplastiche (MPs) le piccole particelle di plastica solide, di

dimensioni inferiori a 5 millimetri, contrariamente alle macroplastiche e

mesoplastiche. (Macroplastiche > 25 mm, Mesoplastiche 5-25 mm).​

​

Si suddividono in primarie: prodotte intenzionalmente di piccole dimensioni, ad

esempio microperle nei cosmetici o nei dentifrici e pellet industriali, e secondarie,

derivano dalla degradazione di oggetti plastici più grandi.

Il termine microplastica fu coniato da Richard Thompson nel 2004, ma negli ultimi

anni c’è stata una nuova classificazione, data da Hartmann et al., 2019.

Macroplastiche > 1 cm​

Mesoplastiche 1 mm < 1 cm​

Microplastiche 1 µm < 1 mm​

Nanoplastiche < 1 µm

L’esposizione a calore o escursioni termiche ripetute modifica le proprietà fisiche

della plastica, l’UV è energia ad alta frequenza che rompe i legami chimici nelle

catene polimeriche della plastica, l’attrito con sabbia, rocce, onde, traffico marino o

fluviale rompe fisicamente la plastica.​

​

Il risultato finale è che macroplastiche si frammentano in microplastiche che poi

possono accumularsi nell’ambiente acquatico o terrestre.​

​

La lavatrice è uno dei principali responsabili del rilascio di microfibre sintetiche

nell’ambiente (ad esempio da 6 kg di bucato fino a 700.000 microfibre.​

​

Il Microbead-Free Waters Act of 2015 è una legge degli Stati Uniti, firmata dal

presidente Barack Obama nel 2015, che proibisce l’uso di microperle di plastica nei

cosmetici risciacquabili.​

​

In base alla densità di dividono anche in microplastiche sedimentabili o galleggianti.​

In particolare, quelle con densità minore della densità dell’acqua di mare 1.025

g/cm3 o dell’acqua dolce 1.000 g/cm3 galleggiano, le altre sono sedimentabili.​

​

(tutti e tre i PE galleggiano, il PTFE è quello invece con densità maggiore).​

​

Una tecnica standard per raccogliere microplastiche galleggianti in acqua è un

retino da plancton con maglie da 100 µm dotato di flussimetro (l flussimetro

misura quanta acqua passa attraverso il retino durante il campionamento, serve per

calcolare la concentrazione di microplastiche per unità di volume).

Sul fiume Lambro, lungo 130 Km e con 27 affluenti sono presenti WWTPs: 32, e solo

la WWTP di Milano rimuove 160 milioni di microplastiche/giorno.

Una volta raccolte, I campioni di microplastiche possono essere caratterizzati:​

​

- Il campione (acqua, sedimento o materiale digerito) viene fatto passare attraverso

setacci di acciaio inox con maglie di dimensione nota (si tiene quello che non

passa);​

- il campione viene separato usando una soluzione di NaCl (La soluzione di NaCl è

più densa dell’acqua. Molte microplastiche hanno densità più bassa rispetto alla

soluzione salina), Questo passaggio serve a separare le microplastiche dal resto del

materiale usando la densità;​

- le microplastiche vengono filtrate usando filtri/setacci in cellulosa con pori da 8 µm

(si trattengono le particelle più grandi di 8 µm);​

- si usa la FT-IR (spettroscopia IR a trasformata di Fourier), una tecnica analitica

che usa la radiazione infrarossa per capire di che materiale è fatta una particella.​

Ogni materiale (polietilene, polipropilene, PET, ecc.) assorbe l’infrarosso in modo

diverso. Questo produce uno spettro che funziona come una impronta digitale

chimica.

​

Atmosfera

Il Big Bang portò alla formazione dei primi elementi leggeri, in particolare l’idrogeno

(H).​

Successivamente, attraverso la fusione nucleare, quattro nuclei di idrogeno

possono combinarsi dando origine a un nucleo di elio (^4He).​

​

La sintesi degli elementi più pesanti proseguì all’interno delle stelle, dove esistono

le condizioni necessarie per la fusione nucleare, ovvero temperature e pressioni

estremamente elevate.​

​

- due nuclei di elio (^4He) formano un nucleo instabile di berillio (^8Be)​

- il ^8Be, reagendo con un altro ^4He, dà origine al carbonio (^12C)​

- il carbonio può poi fondere ulteriormente con elio formando ossigeno (^16O)​

​

Tale processo avviene per tutti gli elementi fino al Ferro (Fe). Gli elementi più pesanti

del Fe non si formano per fusione nucleare, ma all’interno di supernove tramite

l’acquisizione di neutroni da elementi leggeri.​

​

Gli elementi con numero atomico dispari sono meno abbondanti di quelli con numero

atomico pari. Ecco perché il fosforo (P) è un fattore limitante negli ambienti acquatici.

-​

​

Il sistema solare si forma 4,6 miliardi di anni fa.​

​

Inizialmente la Terra non aveva atmosfera, questa si formò grazie agli elementi

provenienti da meteoriti (C e N) e al vapore acqueo dalle comete.​

A questi apporti si aggiunse l’intensa attività vulcanica terrestre, che attraverso il

processo di degassing liberò gas dall’interno del pianeta, tra cui vapore acqueo,

anidride carbonica e azoto.​

La forza di gravità terrestre permise a questi gas di rimanere intrappolati attorno al

pianeta, formando la prima atmosfera. Con il progressivo raffreddamento della Terra,

il vapore acqueo condensò e ricadde sulla superficie sotto forma di piogge,

contribuendo ulteriormente al raffreddamento del pianeta.​

​

Le precipitazioni portarono alla formazione degli Oceani quando la temperatura

terrestre scese sotto i 100 °C.​

Molti gas presenti nell’atmosfera primordiale si dissolsero nelle acque superficiali in

accordo con la legge di Henry.

La legge di Henry dice che:​

La quantità di gas disciolto in un liquido è proporzionale alla pressione del gas sopra

il liquido.​

​

C = KP​

C = concentrazione del gas in un liquido​

K = costante di solubilità del gas​

P = pressione parziale del gas sopra il liquido ​

La CO₂ disciolta forma acido carbonico, causando un fenomeno di acidificazione.​

​

per quanto riguarda l’azoto, la bassa solubilità in acqua spiega la sua alta

concentrazione in atmosfera.​

​

Secondo l’ipotesi Gaia, formulata Lovelock nel 1979, gli organismi, soprattutto i

microrganismi, si sono evoluti con l’ambiente fisico producendo un sistema di

controllo autoregolante che mantiene le condizioni favorevoli per la vita sulla Terra

(bassa CO2, alto O2 , ambiente fisico fortemente tamponato, elevata biodiversità

aerobica).​

​

Composizione atmosfera: Azoto (N2) 78 % Ossigeno (O2) 20,9 % Argon (Ar) 0,9 %

CO2 0,042 % ​

​

Nei primi 10 km di troposfera vi sono la maggior parte degli elementi necessari agli

organismi.​

Nella Stratosfera (circa 10–50 km di altitudine) si trova la massima concentrazione

di ozono a 20–30 km.​

L’ozono stratosferico è protettivo, quello troposferico inquinante, dannoso per salute

e piante.​

​

-

CO2, metano (CH4 ), ossido di diazoto (N2O) e vapore acqueo sono i principali gas

serra. Senza l’effetto serra la temperatura terrestre sarebbe più bassa di 33 °C.

​

​

Radiazione a onda corta → ultravioletta (UV), visibile, vicino infrarosso → tipica di

corpi molto caldi come il Sole (~5800 K)​

Radiazione a onda lunga → infrarosso termico → tipica di corpi più freddi, come la

Terra

Dopo aver assorbito l’infrarosso terrestre, i gas serra riemettono parte dell’energia

in tutte le direzioni:​

-verso lo spazio​

-verso la superficie terrestre → aumenta la temperatura → effetto serra

​

Se la Terra non ruotasse, I moti dell’aria sarebbero solo guidati dal riscaldamento

solare:​

- L’aria calda sale all’equatore → pressione bassa​

- L’aria fredda scende ai poli → pressione alta

In realtà siccome la Terra ruota, la forza di Coriolis devia i venti e le correnti:​

-nell’emisfero nord → verso destra​

-nell’emisfero sud → verso sinistra

La deviazione è massima ai poli e minima all’equatore.

Venti costanti: Alisei

Dove: tra l’equatore e i tropici (Celle di Hadley)

Direzione: sempre da est verso ovest

Venti irregolari: Venti occidentali

Dove: latitudini medie (Cella di Ferrel, 30°–60°)

Non sempre costanti, cambiano con le stagioni e le perturbazioni

Venti periodici: Monsoni

Dove: regioni tropicali e subtropicali (es. India, sud-est asiatico)

Cambiano stagionalmente Estate → vento umido da oceano verso terra → piogge

intense, Inverno → vento secco da terra verso oceano

Venti anabatici e catabatici

Venti anabatici: durante il giorno, l’aria calda sale lungo i versanti dei monti

Venti catabatici: durante la notte, l’aria fredda scende lungo le valli

Venti locali: Mediterraneo / Rosa dei Venti

Venti classificati secondo la direzione geografica (nord, sud, est, ovest, NE, NW…)

Le correnti a getto sono venti molto forti e stretti che scorrono in alta quota

nell’atmosfera.

La corrente a getto subtropicale è dovuto alla differenza di temperatura tra cella

di Hadley (tropici) e cella di Ferrel (latitudini medie).

La corrente a getto polare è dovuto alla grande differenza di temperatura tra cella

di Ferrel (latitudini medie) e cella polare (vicino ai poli).

Entrambe seguono come direzione da ovest verso est.

El Niño e La Niña sono fenomeni climatici legati al Pacifico tropicale, che

influenzano temperature, precipitazioni e venti su scala globale.

El Niño è un fenomeno di riscaldamento anomalo delle acque superficiali

nell’Oceano Pacifico equatoriale centrale e orientale​

Effetti principali:​

Riduzione dei venti alisei, piogge abbondanti in Sud America occidentale, siccità in

Australia, Indonesia e India.

La Niña è un fenomeno di raffreddamento anomalo delle acque superficiali

nell’Oceano Pacifico equatoriale centrale e orientale e ha effetti contrari.

-

SO₂ anidride solforosa

SO₃ anidride solforica

Lo smog riducente (sinonimi smog di Londra, smog tradizionale, smog invernale)

(dominato da gas che sono agenti riducenti o poco ossidati) è tipico di inverni freddi

e umidi nelle città industriali.

E’ composto da un aerosol di anidride solforosa e anidride solforica; queste si

combinano poi con l'acqua atmosferica formando acido solforoso e acido solforico.

DEPOSIZIONI ACIDE​

Il problema viene registrato già nel 1872 da R.A. Smith nel libro Air and Rain,

riportando valori acidi di campioni di pioggia raccolti in Inghilterra. Tuttavia, viene

portato all’attenzione solo negli anni ‘60, quando Svante Odén dimostra come

l’acidità presente in Scandinavia fosse «importata» dall’Europa Centrale.

Si parla infatti anche di inquinamento trans-frontaliero (Perché gli inquinanti che

causano le piogge acide possono viaggiare per centinaia o migliaia di chilometri

prima di ricadere al suolo), il fenomeno risulta evidente in Canada e Paesi

scandinavi.

Effetti sull’ambiente acquatico.

Il pH di un lago (8) può abbassarsi in seguito a piogge acide e allo scioglimento della

ne