Oceanografia chimica e laboratorio

Equilibri chimici e sostanze organiche nell'acqua marina

CO + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ H+ + HCO3- ⇄ 2H+ + CO32- CO2 + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ H+ + HCO3- ⇄ 2H+ + CO32- (effetto tampone) CaCO3 (solido) ⇄ Ca2+ + CO32- (solubilizzazione dei carbonati) 2[CO2] [Ca2+] [OH-] / [CaCO3] [H2O] = K (costante di equilibrio) La sostanza organica dell'acqua marina si suddivide in due categorie: disciolta (DOM) e particellata (POM). La POM è quella trattenuta su filtri con porosità di 0,5 μm. In genere, la sostanza organica disciolta è da 10 a 20 volte superiore a quella particellata e costituisce la maggiore riserva di carbonio organico degli oceani. Il carbonio disciolto gioca un ruolo centrale nel ciclo biogeochimico di questo elemento in mare anche se non sono ancora chiari buona parte dei processi che lo regolano, le stesse dimensioni della massa totale, la natura chimica e il peso molecolare dei composti formati. Inoltre, la presenza di forme colloidali.non sempre separabili mediante ultra filtrazione, costituisce un fattore di ulteriore complicazione nell'interpretazione dei dati. In Fig. 3.25 è illustrata la distribuzione del materiale organico nella zona eufotica.

Fig.3.25. Distribuzione percentuale del materiale organico della zona eufotica: le proporzioni di massa per fito e zooplancton rispettano sostanzialmente il passaggio da un livello trofico al successivo (da: R.A.Horne, 1969, modificato).

La sostanza organica in soluzione
La sostanza organica disciolta nell'ambiente marino può derivare da molte fonti:
- apporti fluviali, dilavamento e scarichi antropici
- dissoluzione delle spoglie di organismi per autolisi o/e azione batterica;
- escrezione di prodotti extracellulari dalle alghe viventi (l'escrezione è in media pari al 3-6% del carbonio fissato dal fitoplancton mediante la fotosintesi)
- escrezione di composti azotati (urea, aminoacidi) da parte dello zooplancton e diindirettamente come segnali chimici per la comunicazione tra organismi marini. La sostanza organica disciolta svolge un ruolo fondamentale nel ciclo dei nutrienti degli ecosistemi marini. Essa fornisce carbonio e nutrienti essenziali per la crescita e lo sviluppo degli organismi marini. Inoltre, la presenza di sostanze organiche disciolte può influenzare la composizione e la diversità delle comunità marine. È importante sottolineare che la quantità e la composizione della sostanza organica disciolta possono variare notevolmente in base a diversi fattori, come la stagione, la profondità dell'acqua e la presenza di attività umane. Pertanto, lo studio della sostanza organica disciolta è di grande importanza per comprendere e monitorare la salute degli ecosistemi marini. In conclusione, la sostanza organica disciolta è un componente chiave degli ecosistemi marini, svolgendo un ruolo fondamentale nella nutrizione e nella comunicazione tra gli organismi marini. La sua comprensione e il suo monitoraggio sono essenziali per preservare la biodiversità e la salute degli oceani.organica di sciolta può influenzare direttamente o indirettamente la crescita e l'evoluzione delle specie di microrganismi. Ad esempio, alcuni dinoflagellati producono tossine che possono essere tossiche per altri organismi, compreso l'uomo quando consuma prodotti ittici contaminati. La concentrazione di sostanza organica di sciolta varia generalmente da 0,3 a 3 mg C /l, ma può raggiungere valori più alti, fino a 20 mg C /l, nelle acque costiere. I valori massimi si verificano durante i periodi di fioritura del fitoplancton. Al di sotto dello strato euforico, la concentrazione di sostanza organica di sciolta è minore e tende a rimanere costante, poiché è costituita principalmente da composti refrattari all'attacco batterico (Gelbstoff).della profondità, la quantità di sostanza organica particellata diminuisce progressivamente. Nelle acque profonde, il particellato organico è costituito principalmente da detrito di origine animale, come feci e resti di organismi planctonici. La sostanza organica particellata svolge un ruolo fondamentale negli ecosistemi marini. Essa fornisce nutrimento per numerosi organismi, come i filtratori che si alimentano di particelle organiche sospese nell'acqua. Inoltre, il particellato organico è coinvolto nei processi di sedimentazione, contribuendo alla formazione di sedimenti marini. Per comprendere meglio la distribuzione e la composizione del particellato organico, vengono effettuate analisi chimiche e biologiche sulle particelle presenti nell'acqua marina. Queste analisi permettono di valutare la quantità di sostanza organica presente e di identificare i principali componenti chimici e biologici. In conclusione, la sostanza organica particellata è un importante componente dell'ecosistema marino, svolgendo un ruolo chiave nella catena alimentare e nei processi biogeochimici. La sua presenza e composizione sono oggetto di studio per comprendere meglio il funzionamento degli ecosistemi marini e monitorare eventuali cambiamenti legati all'attività umana.

Della profondità, si registra una progressiva riduzione della concentrazione dellasostanza organica particellata, poiché durante la lenta sedimentazione essa viene contemporaneamenteossidata dall'azione batterica e, in parte, assunta dallo zooplancton: al di sotto di 200-300 metri laconcentrazione diviene praticamente costante con la profondità.

Espressa come carbonio, la sostanza organica particellata negli oceani varia generalmente tra 0,003 e3 mg C /l, rispettivamente nelle acque al largo e in quelle costiere.

Composizione chimica degli organismi marini

Quasi tutti gli elementi chimici presenti nelle acque marine sono utilizzati in diversa misura dagliorganismi nel corso dei loro cicli biologici. Tuttavia l'assimilazione e utilizzazione dei diversi elementi èmaggiore о minore in talune specie rispetto ad altre. In Tab. 3.9 viene fornita la composizione chimica mediadegli organismi planctonici.

Tab.3.9 Composizione chimica media degli organismi del plancton.

Valori in fig/g di peso secco (da TheOpen University, 1989).

Elementi	Fitoplancton	Zooplancton
Silicio	58.000
Sodio	11.000	68.000
Potassio	12.000	11.000
Magnesio	14.000	8.500
Calcio	6.100	15.000
Stronzio	320	440
Bario I	10	25
Alluminio	200	23
Ferro	650	96
Manganese	9	4
Titanio	-311
Cromo		S4
Rame	8,5	14
Nichel	4	6
Zinco	54	120
Argento	0.4	0.1
Cadmio	2	2
Piombo	8	2
Mercurio	0,2	0,1

Gli organismi più semplici generalmente concentrano gli elementi in tracce con maggiore efficienza degli organismi superiori. In ogni caso, i meccanismi di rimozione dal mezzo liquido e di arricchimento nei tessuti sono complessi. Gli elementi metallici in tracce sono utilizzati dagli organismi in differenti vie. Ad esempio, il rame è incorporato nei pigmenti del sangue dei molluschi e il vanadio nelle ascidie, alcune spugne concentrano il titanio; il cobalto viene utilizzato per sintetizzare la vitamina B12 e lo zinco è il costituente principale di alcuni enzimi. Anche il ferro è un importante costituente.del sangue (nell'emoglobina) ma risultaindispensabile anche per gli -organismi vegetali.Il caso del germanio è interessante giacché evidenzia l'importanza della forma chimica nellareattività biologica degli elementi in tracce: le forme inorganiche del germanio si comportano in modo moltosimile al silicio e vengono incorporate negli scheletri delle diatomee, pertanto i profili verticali di Si e Gesono molto simili, mentre le forme metilate di Ge sono biologicamente inerti e si comportano in modoconservativo.Gli organismi marini possono assimilare il piombo e il mercurio in forma organica (metilmercurio,alchilpiombo) con gravi conseguenze per la loro sopravvivenza.Gli elementi in tracce incorporati sia nella materia organica dei tessuti molli sia nello scheletro degliorganismi, risultano estremamente variabili negli organismi degli strati superficiali, ma a più altaconcentrazione in quelli profondi in seguito all'attività di demolizione

biologica e chimica. Di norma essi vengono indicati come elementi del riciclo ed hanno tempi di residenza dell'ordine di 10 anni.

Viscosità dell'acqua di mare

Si definisce viscosità dei fluidi la resistenza interna al flusso dovuta all'effetto combinato delle forze di adesione e coesione fra le molecole. La viscosità dell'acqua del mare, che è maggiore di quella delle acquedolci, dipende direttamente dalla salinità e, analogamente alla densità, diminuisce con l'aumentare della temperatura: a 25°C è circa la metà che a 0°C.

La viscosità ha importanti effetti sugli organismi marini. In primo luogo essa ritarda l'affondamento degli organismi che vivono sospesi nel mezzo acqueo per cui questa proprietà è largamente sfruttata dai planctonti anche mediante opportune modificazioni della loro forma. Dato che la viscosità dell'acqua si modifica con la temperatura, a questo

fenomeno si possono correlare le variazioni di forma che si verificano nel ciclo stagionale di alcuni organismi del plancton marino analogamente a quello ben noto dei rotiferi ecladoceri di acqua dolce, detto ciclomorfosi. La viscosità dell'acqua di mare richiede, alle forme che vi si spostano attivamente, un maggiore consumo di energia rispetto a quelle terrestri che si spostano in un mezzo meno viscoso come l'atmosfera. Tuttavia occorre rilevare che taluni organismi marini, come ad esempio gli squali, hanno sviluppato adattamenti tali da raggiungere nell'acqua velocità comparabili con quelle degli organismi più veloci che si spostano nel mezzo aereo. Le forze imputabili alla viscosità sono spesso quantificate calcolando il Numero di Reynolds (R) dato dal rapporto fra le forze inerziali e di viscosità agenti su di un corpo, sia esso un organismo o un elemento fluido (ad es. una massa d'acqua con determinate caratteristiche fisiche).

La forza inerziale è quella necessaria ad accelerare o ad arrestare il corpo alla velocità con cui esso si sposta.

Il numero di Reynolds, inizialmente utilizzato per lo studio dei flussi, ad esempio nelle condotte petrolifere, o per calcolare la diffusione e dispersione in mare delle acque cloacali allontanate con condotte sottomarine, trova applicazioni in oceanografia fisica e in biologia marina nei calcoli relativi allo spostamento delle masse d'acqua e dei corpi solidi, come granelli di sabbia in studi di sedimentologia, e alla velocità di affondamento degli organismi. La grande variabilità del numero di Reynolds associato agli organismi marini è illustrata in Tab. 3.3.

In generale, R aumenta sistematicamente con le dimensioni dell'organismo indicando, così, che gli animali più grandi, come i cetacei, nuotano più velocemente di quelli più piccoli e che la viscosità del mezzo-1