Appunti completi per l'esame di ecologia applicata

Ecologia applicata e problemi ambientali

L’ecologia applicata si occupa di trovare soluzioni ai problemi dell’ambiente. Il problema principale che dobbiamo affrontare è quello dell’inquinamento.

Inquinamento

Inquinamento: l’introduzione nell’ambiente di sostanze o energia capaci di causare rischio per la salute umana, pericoli per esseri viventi o ecosistemi, danni a strutture o al paesaggio, o che possono interferire con gli usi legittimi dell’ambiente. Insomma, è qualcosa nel posto sbagliato o nel momento sbagliato o nella quantità sbagliata. Per esempio, l’acqua salata che finisce nelle falde di acqua dolce è inquinante, così come l’introduzione di sostanze chimiche o di specie aliene.

Inquinamento atmosferico

Ogni modificazione della normale composizione o stato fisico dell’aria atmosferica è dovuta alla presenza nella stessa di una o più sostanze in quantità e con caratteristiche tali da alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell’aria, da costituire pericolo diretto o indiretto per la salute dell’uomo; da compromettere le attività ricreative e gli altri usi legittimi dell’ambiente; alterare le risorse biologiche, gli ecosistemi e i beni materiali pubblici e privati.

L’atmosfera è l’involucro gassoso che avvolge la Terra, il massimo spessore è di 500 km, i 9/10 della massa atmosferica sono concentrati nei primi 16 km. La densità dell’aria: a livello del mare è 1,25 Kg/m³, a 5 km è 0,6 Kg/m³, a 12 km è 0,3 Kg/m³. La composizione dell’aria si mantiene costante nei primi 80 km; nei primi 15-20 km vi è una significativa presenza di CO₂, e tra 20 e 50 km si trova l’ozono capace di bloccare le radiazioni a maggiore contenuto energetico, UV. L’ozono può far male alle vie respiratorie e modificare la composizione della gomma. Il vapore acqueo è presente solo nei primi 10-15 km; vicino al suolo, ogni km di aria contiene circa 2-20 g di vapore acqueo sufficiente per creare nubi e precipitazioni.

Tra 80 e 300 km, la rarefazione dell’atmosfera favorisce una diffusa ionizzazione dell’aria nell’urto con i raggi ultravioletti e particelle solari. Tra 3500 km e 20.000 km sono presenti le fasce di Van Allen, un insieme di particelle cariche (plasma) all’interno della magnetosfera terrestre trattenute dal campo magnetico terrestre per effetto della forza di Lorentz (forza che si esercita su un oggetto elettricamente carico per effetto di un campo elettromagnetico).

Strati dell'atmosfera

• Troposfera: dal suolo a 15 km, la temperatura diminuisce di circa 6,5 °C/km, tale diminuzione è legata al fatto che il calore trasferito dalla terra all’atmosfera sovrastante decresce via via che ci si allontana dal suolo.
• Stratosfera: da 15 a 30 km, la temperatura rimane più o meno costante con la quota.
• Ozonosfera: da 30 a 60 km, la temperatura aumenta con la quota a causa del contributo energetico apportato in tale strato dall’assorbimento dei raggi ultravioletti provenienti dal sole.
• Mesosfera: da 60 a 85 km, la temperatura torna a diminuire.
• Termosfera: oltre 85 km, la temperatura aumenta costantemente sino ai limiti dell’atmosfera.

Inquinanti atmosferici

Ogni anno nel mondo vengono immessi 2 miliardi di tonnellate di inquinanti atmosferici, suddivisi in primari e secondari.

• Primari: rilasciati direttamente dalla fonte in forma nociva nell’atmosfera.
• Secondari: convertiti in forma pericolosa dopo essere entrati nell’atmosfera o formati da reazioni chimiche quando i composti presenti in atmosfera si mescolano ed interagiscono, l’energia per queste reazioni è fornita spesso dalle radiazioni solari.

Effetto serra

Provocato dalla CO₂, che è presente in atmosfera in una percentuale dello 0,03%, organificata dai cloroplasti in zuccheri e disorganificata dai mitocondri. Abbiamo avuto una variazione della CO₂ quando è stata misurata la prima volta alle Hawaii nel 1958, le oscillazioni sono dovute alle stagioni, in quanto viene assorbita dalle piante in maggiore o minore quantità. In ogni caso è sempre in aumento.

In aggiunta, è provocata dal metano prodotto dall’esternazione di vivere degli animali di allevamento, dal clorofluorocarbonio (CFC) e dall’ossido nitroso; gli ultimi due hanno iniziato a diminuire, poiché i CFC erano presenti in frigoriferi e bombolette spray che negli ultimi anni sono stati banditi.

L’effetto serra causa lo sbiancamento dei coralli. Normalmente, i coralli vivono a una temperatura di 22-28°C, vivono in simbiosi con le alghe che assorbono la CO₂ e crescono liberando zuccheri che servono di nutrimento per i coralli. Inoltre, il fatto che la CO₂ viene assorbita permette allo scheletro dei coralli di crescere bene, ma se la temperatura sale sopra i 32°C i coralli muoiono, le alghe si allontanano, i tessuti muoiono; è il fenomeno del bleaching. Questo succede nei primi strati di acqua. Se fosse possibile spostare l’acqua fredda verso l’alto i coralli ne trarrebbero giovamento. Nei grandi laghi e nei porti americani questo è stato attuato con delle pompe. Si tratterebbe di spostare una grande quantità di acqua. È stato quindi sperimentato il modo di spostare l’acqua fredda verso l’alto, diminuire la temperatura dei reef per permettere ai coralli di ripopolare le aree circostanti.

Una delle tecniche con cui è possibile tornare indietro nel tempo per valutare la quantità di CO₂ presente è il carotaggio dei ghiacciai. Al momento della formazione del ghiaccio, nel ghiaccio sono rimaste intrappolate delle bolle d’aria grazie alle quali i geologi sanno calcolare la percentuale di CO₂ presente nell’aria. Secondo alcuni autori, la concentrazione di CO₂ aumenta di 1 ppm all’anno.

Monossido di carbonio (CO)

Il monossido di carbonio (CO) è un gas inodore e non irritante ma altamente tossico. Inibisce la respirazione degli animali legandosi irreversibilmente all’emoglobina. Il 70% deriva dall’ossidazione del metano, il 20% dalla degradazione della clorofilla durante i mesi invernali, il 6% da sorgenti antropogeniche e il 4% da fonti sconosciute quali piante e organismi marini.

È stato osservato che il monossido di carbonio viene rimosso rapidamente dall’aria in contatto con il suolo; i responsabili di questa degradazione sono i funghi e i batteri che lo utilizzano. Le marmitte catalitiche di ultima generazione trasformano il CO in CO₂ ma contengono all’interno metalli rari come palladio, che sono materiali inquinanti e devono essere recuperati in diverse parti del mondo.

Una delle strategie per diminuire l’effetto serra è quella di stoccare il CO e la CO₂ all’interno di cavità sotterranee.

Clorofluorocarburi (CFC)

Riducono lo strato di ozono (O₃), composto instabile, che impedisce agli UV di arrivare sulla terra. Infatti, dove lo strato di ozono è più sottile, l’incidenza dei tumori della pelle è maggiore, esempio dell’Australia. Possono perdere un atomo di cloro, che può reagire con l’ozono formando monossido di cloro e ossigeno. Inoltre, l’ozono in presenza di energia si scinde in ossigeno e un radicale ossigeno; questo reagisce con il ClO a dare ossigeno e cloro.

Questa reazione può essere bloccata da un altro inquinante presente nell’atmosfera, il monossido di azoto, che reagisce con ossido di cloro (ClO) a formare Cl + NO₂. In presenza di energia, si scinde in NO + radicale di ossigeno, che si combina con ossigeno molecolare a ridare ozono.

L’ozono, pur essendo molto importante nell’atmosfera, se si forma al nostro livello è tossico, può causare tosse, difficoltà respiratorie e costrizioni bronchiali; inoltre, attacca la gomma naturale causando crepe e rompendo il doppio legame caratteristico delle molecole che le compongono.

Composti dello zolfo

Composti dello zolfo naturali: emissioni biogeniche, ovvero ci sono organismi che liberano zolfo, in particolare dimetilsolfuro liberato dalle alghe marine che hanno all’interno vapori ricchi di composti dello zolfo, che le rendono meno appetibili e aumentano la loro turgidità facendo lo stesso effetto dei sali. Questi composti dello zolfo escono dalle alghe, arrivano in superficie e giungono in atmosfera, e saranno fondamentali per la formazione delle nuvole e della pioggia. Il dimetilsolfuro funge da aggregante del vapore acqueo.

In prossimità di un vulcano attivo o delle solfatare, il terreno libera autonomamente zolfo. Nelle zone aride, l’asportazione erosiva di polveri contenenti zolfo libera zolfo nell’atmosfera.

Antropiche: derivano dai combustibili fossili quali carbone fossile e petrolio, prodotti dalle auto (SOx). Nella benzina c’è lo zolfo, questo perché in alcune proteine c’è lo zolfo come la cisteina, quindi nei combustibili fossili è presente lo zolfo attaccato alle catene di carbonio, il quale si libera in seguito alla combustione. Inoltre, deriva dalla depurazione del gas naturale (desolforazione) e da processi industriali (fusione di minerali solfuri).

Zolfo di origine naturale viene emesso sotto forma di acido solfidrico (H₂S), prodotto dai vulcani e dalla riduzione dei solfati ad opera dei microrganismi (deposizioni secche, formazione di agglomerati in sospensione e caduta senza ausilio dell’acqua). In dettaglio, acido solfidrico in presenza di ossigeno dà biossido di zolfo e acqua.

Zolfo in atmosfera si può trasformare in acido solforico (H₂SO₄) reagendo con dei radicali liberi ossidrilici; l’acido solforico è un acido forte che può provocare le piogge acide. In passato, soprattutto, può precipitare a terra durante le piogge (deposizioni umide), mentre se finisce sui laghi può provocarne l’acidificazione, tipica dei laghi del nord Europa perché sono poveri di rocce carbonatiche (carbonato di calcio) che fanno da tampone che contiene la variazione di pH a scapito dello scioglimento del sale. Un lago ha naturalmente pH di 6.5, in presenza di acido solfidrico scende sotto a 4.

L’acido solforico reagisce con le statue di carbonato di calcio trasformandole in solfato di calcio o gesso; se cade sulle piante, scioglie la cera delle foglie provocandone la necrosi e la morte della pianta.

La presenza di zolfo in atmosfera dopo il fumo è la seconda causa di morte per malattie polmonari correlate con l’inquinamento dell’aria; causa irritazione del tratto respiratorio e aumento dello sforzo respiratorio richiesto. Esistono dei decreti che limitano la presenza di zolfo per evitare che la salute umana venga compromessa.

Ossidi di azoto

Gli amminoacidi presentano una grande quantità di azoto nella loro catena principale; nella degradazione dei combustibili fossili viene liberato azoto presente nel gruppo amminico degli amminoacidi.

• Ossido nitroso (N₂O): presente in concentrazioni di 0,3 ppm, è un gas poco reattivo e poco importante; nella stratosfera decresce rapidamente.
• Ossido nitrico (NO): è inodore e incolore.
• Biossido di azoto (NO₂): ha un odore pungente e un colore rosso bruno.

Tutti entrano in atmosfera per azione antropogenica. Anche in questo caso ci sono delle tabelle che indicano quando viene superata la qualità dell’aria.

Particolato

Particelle solide o goccioline in sospensione in un mezzo gassoso (aria) di dimensioni comprese tra 10 e 0,001 micron. Formato da diversi composti: batteri, carbone polverizzato, cellule algali, cenere, fuliggine, lanuggine, nuclei di sale marino, polline, polvere, polvere di cemento e spore. In mare si formano dei particolati, da bolle che scoppiano e formano piccole particelle di aerosol liquido; l’evaporazione dell’acqua dalle particelle di aerosol liquido porta alla formazione di nuclei di sale marino. Il particolato si sposta per diffusione, è eliminato attraverso le particelle, facilita la condensazione del vapore acqueo e quindi la precipitazione; particelle si possono agglomerare tra loro per poi cadere perché raggiungono un peso tale che non gli permette di stare in sospensione.

Piombo atmosferico

In passato c’era la benzina con il piombo, benzina rossa; il piombo facilitava la combustione della benzina, dopo la combustione il piombo veniva liberato nell’aria. Da circa 20 anni è comparsa la benzina verde senza piombo con altri additivi che svolgono la funzione del piombo.

Idrocarburi

Possono essere presenti in atmosfera quando non si brucia bene la benzina; si formano naturalmente in zone del pianeta che trasudano petrolio. Il golfo persico è naturalmente inquinato da petrolio, è caratterizzato da ridotta profondità del mare, temperature altissime dell’acqua, presenza naturale di petrolio; in queste condizioni la maggioranza di coralli si trovano in forma ibrida, le condizioni estreme portano a mettere insieme patrimonio delle specie per favorire la sopravvivenza.

Indice di purezza atmosferico (I.A.P. - Index of Atmospheric Purity)

Valutare la qualità dell’aria dal punto di vista chimico, con metodi che mi dicono esattamente la quantità della sostanza inquinante, o posso utilizzare i metodi biologici che non dicono la quantità precisa della sostanza ma mi dice che nella zona è presente una forma di inquinamento. L’IAP utilizza come indicatori biologici i licheni (associazione tra alghe e funghi, una trama fungina rivestita da alghe, sono organismi r strateghi, sono in grado di vivere in condizioni estreme, colonizzano per primi l’ambiente) in particolare si utilizzano i licheni epifiti, quelli che crescono sopra le piante e in particolare sulla corteccia, perché la corteccia è più omogenea rispetto alle rocce che potrebbero avere una composizione differente e dare una risposta diversa.

I limiti di questa metodica sono che non è applicabile in aree con generale scarsità di alberi, in aree molto inquinate da gas fitotossici con scarsità di licheni foliosi e non permette di stabilire una relazione univoca tra concentrazioni di inquinanti e deposizioni di metalli/m². I vantaggi sono la possibilità di ottenere rapidamente, a bassi costi, e con un’alta densità di punti-misura, una mappatura delle deposizioni atmosferiche di metalli, a diverse scale territoriali, la possibilità di verificare su lunghi periodi di tempo l’efficacia di misure eventualmente introdotte per ridurre le emissioni di metalli, la valutazione di trends temporali ad intervalli di almeno un anno e la rapida individuazione delle principali aree a rischio per l’eventuale localizzazione di strumenti di rilevazione e lo sviluppo di ricerche epidemiologiche.

Strategie di campionamento

Per consentire un adeguato trattamento statistico dei dati e facilitare il confronto tra studi diversi, è consigliabile un campionamento sistematico, basato su una suddivisione del territorio in Unità Geografiche Operazionali (OGUs) di forma quadrata di solito di 9x9 km a scala regionale, mentre provinciale 3x3 km o a scale più ristrette. Faccio reticolo sulla mappa, cerco il punto di intersezione e mi posiziono in quel punto, il primo albero selezionato per il campionamento deve avere caratteristiche specifiche, al massimo con inclinazione di 10°, vivo e senza segni particolari di disturbo. Se non trovo piante adeguate, mi sposto a nord nel reticolo di 1 km e guardo se trovo piante, se non ci sono vado a est, se anche qui non ci sono vado a sud, se non ci sono vado a ovest, se neanche in questo punto le trovo la stazione non è utilizzabile, strategia nord-est-sud-ovest, movimento in senso orario.

Posiziono un piccolo reticolo sulla corteccia dell’albero per trovare i licheni, 30x50 cm suddiviso in 10 maglie 15x10 cm. Lo appoggio sul lato con la massima presenza di licheni, occorre discriminare le specie diverse di licheni, per ciascuna specie si rileva la frequenza (in quanti rettangoli compare almeno una volta) se una specie si trova al confine tra due quadranti si conta in entrambi; sommando le frequenze di tutte le specie si ottiene la frequenza totale dell’albero (valore IAP dell’albero).

Acqua e inquinamento

Una delle maggiori fonti di inquinamento è il fosforo (ciclo del fosforo), fondamentale per la crescita dei vegetali tra cui le alghe. In base alla quantità di fosforo presente negli ambienti li posso dividere in:

• Eutrofico: particolarmente ricco di sostanza organica e di nutrienti.
• Oligotrofico: povero di sostanza organica e di nutrienti.
• Mesotrofico: presenta condizioni intermedie tra eutrofico e oligotrofico.
• Distrofico: ricco di alcuni nutrienti e povero di altri.

Quando parlo di fioritura algale intendo un’improvvisa e temporanea esplosione della densità algale. Fenomeno che si manifesta intensamente in primavera e in misura ridotta in autunno.

Variazione di alcuni parametri in funzione delle stagioni: Temperatura in inverno è bassa, sale in primavera, ha i picchi massimi d’estate e ridiscende in autunno. La luce ha un andamento simile. I vegetali sono minimi in inverno, aumenta in primavera, diminuisce in estate con alcune oscillazioni, aumenta molto alla fine dell’estate per diminuire con l’autunno fino a inverno inoltrato. Nutrienti sotto forma di fosforo sono massimi in inverno, diminuiscono drasticamente in primavera.