Ecologia 2 (cicli biogeochimici: fosforo, azoto, zolfo,acqua, ossigeno; proprietà delle popolazioni; competizione, tabelle di vita)

Cicli biogeochimici

Ciclo biogeochimico

Ciclo biogeochimico: circolazione degli elementi o composti chimici dall’ambiente agli organismi viventi e viceversa.

Ciclo dei nutrienti

Ciclo dei nutrienti: rappresenta il percorso di un elemento o di un nutriente attraverso l’ecosistema, dall’assimilazione da parte degli organismi al rilascio tramite la decomposizione. Il ciclo biogeochimico è quindi il percorso che seguono tutti i nutrienti passando dalle componenti abiotiche a quelle viventi e poi di nuovo a quelle abiotiche.

Tipi di cicli biogeochimici

In base alla fonte principale dei nutrienti, i cicli biogeochimici sono classificati in due tipi:

• Gassosi: le riserve maggiori si trovano nell’atmosfera e negli oceani, per questo hanno un carattere globale (i gas più importanti per la vita sono N₂, O₂, CO₂).
• Sedimentari: riserva di nutrienti sono in suoli, rocce, minerali; gli elementi minerali necessari alla vita provengono inizialmente da fonti inorganiche. La forma disponibile è presente come sali disciolti nell’acqua contenuta in suolo, laghi, fiumi, oceani ecc.; essi sono resi disponibili dall’erosione della crosta terrestre.

La fase minerale presenta due fasi:

• Insolubile nella roccia.
• In soluzione in corpi idrici acque interne e mare, i sali solubili entrano nel ciclo dell’acqua e con essa passano dal suolo ai corsi d’acqua, laghi e infine agli oceani dove si accumulano. Una certa quantità torna alla crosta terrestre attraverso la sedimentazione.

Alcuni cicli sono una via di mezzo tra gassosi e sedimentari, ad esempio il ciclo dello zolfo: è una via di mezzo perché le riserve si trovano sia nella crosta terrestre sia nell’atmosfera. I cicli sedimentari e gassosi sono determinati dal flusso di energia attraverso l’ecosistema e sono collegati al ciclo dell’acqua.

Ingresso e impoverimento dei nutrienti negli ecosistemi

L’immissione di nutrienti nell’ecosistema dipende dal tipo di ciclo biogeochimico.

La concentrazione di nutrienti nel suolo può essere aumentata dalle precipitazioni, dai venti e dagli animali; il 70-90% della pioggia che bagna gli alberi raggiunge il suolo passando sulla chioma e scorrendo lungo il fusto, così si raccoglie e trasporta i nutrienti al suolo. Le fonti di nutrienti per la vita acquatica provengono dal territorio circostante.

• Deposizioni umide: quantità apprezzabili di nutrienti.
• Deposizioni secche: nutrienti portati da particelle gassose aerosol.

Le perdite di nutrienti devono essere bilanciate dall’ingresso di nuovi apporti per evitare un impoverimento netto. L’uscita dei nutrienti può avvenire in diversi modi:

• CO₂ trasferita in atmosfera attraverso la respirazione di organismi autotrofi ed eterotrofi.
• Alcuni batteri ed organismi vegetali producono composti N e S gassosi che vengono rilasciati in atmosfera.
• Trasporto di sostanza organica da un ecosistema all’altro, ad esempio il detrito organico di una foresta con il ruscellamento superficiale.
• Attività degli erbivori (alimentazione e rilascio di feci ed urine), es. alce si nutre di piante acquatiche e deposita feci nel territorio circostante lo specchio d’acqua; es. ippopotamo bruca piante erbacee sulla riva, ma vive in acqua quindi materiale organico trasferito all’acqua sotto forma di feci ed urina.
• Nutrienti percolano nel suolo e vengono persi dagli ecosistemi terrestri, entrando nelle falde sotterranee e da qui nei fiumi.
• Tagli di boschi ed agricoltura (compensato da trattamento dei terreni agricoli e fertilizzanti).

Ciclo del carbonio (C)

Il carbonio è un costituente essenziale di tutti i composti organici e viene organicato attraverso il processo di fotosintesi; la fonte di carbonio è la CO₂ presente nell’atmosfera e nelle acque. La fotosintesi trasferisce la CO₂ dell’aria e dell’acqua alle componenti viventi dell’ecosistema; il carbonio passa dalle piante agli erbivori ed infine ai carnivori, gli organismi restituiscono il carbonio all’atmosfera sotto forma di CO₂ con la respirazione.

Materia morta e scarti nella catena trofica del detrito con produzione finale di CO₂ da respirazione (e nutrienti). Rilascio in atmosfera di CO₂ da combustione carbone e petroli per attività antropiche. La velocità del riciclo del carbonio è influenzata negli ecosistemi terrestri da temperatura e piovosità; i tassi di produttività primaria e di decomposizione determinano la velocità con la quale il carbonio viene riciclato in un dato ecosistema.

Caldo – umido: produzione e decomposizione elevati → velocità elevata.

Freddo – arido: decomposizione lenta → velocità ridotta.

Paludi e stagni: decomposizione spesso incompleta, quando il carbonio si accumula come humus o torba si ricicla lentamente, l’accumulo di materia organica ha dato origine a giacimenti di combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale).

Ecosistemi acquatici, lacustri e marini, simili a quelli terrestri. Carbonato di calcio di gusci di molluschi, strutture algali ecc.: in parte disciolti alla morte degli organismi, in parte intrappolato nei sedimenti.

Variazioni giornaliere e stagionali

Giornaliere:

• Mattino: nei vegetali si attiva la fotosintesi, le piante sottraggono CO₂ dall’atmosfera → - CO₂, + O₂.
• Pomeriggio: fotosintesi rallenta per aumento temperatura e abbassamento umidità → CO₂ comincia ad aumentare.
• Sera/notte: no fotosintesi, si respirazione → + CO₂, - O₂.

Stagionali: le variazioni stagionali sono dovute alle fluttuazioni stagionali di temperatura ed ai periodi di crescita/dormienza vegetativa.

• Stagione vegetativa: → - CO₂.
• Stagione invernale: (avviene solo respirazione) → + CO₂.

Queste oscillazioni stagionali sono presenti sia negli ecosistemi acquatici che in quelli terrestri; in questi ultimi le fluttuazioni sono più marcate e specialmente nell’emisfero boreale (perché ha più terre emerse).

Riciclo del carbonio a livello planetario

[CO₂] disponibile sulla Terra dipende dal contenuto in atmosfera e dai movimenti dell’aria, begli oceani, nei continenti (atmosfera: contenuto C = 750 Gt).

C (CO₂) 120 Gt organicato con la fotosintesi, 60 Gt rilasciato nell’atmosfera dalla respirazione degli organismi, 60 Gt rilasciato nell’atmosfera durante la respirazione. Oceani ed acque superficiali scambiano CO₂ con l’atmosfera.

165 Gt contenuto in C in organismi viventi e nella componente abiotica. Le acque trattengono la CO₂ per capacità di trasformarla in ione bicarbonato/carbonato. Le acque trasportano la CO₂ per vie:

• Fisica: trasportata in soluzione.
• Biologica: organicazione del C e catena trofica.

Nel bilancio annuale = 1 Gt di carbonio viene intrappolato negli oceani (perdita annuale del ciclo di 0.5 Gt viene incorporato stabilmente nei sedimenti), 0.5 Gt vengono scambiati con l’atmosfera.

Ciclo dell’azoto (N)

L’azoto è il costituente essenziale delle proteine che formano lo “scheletro” di tutti i tessuti viventi; l’azoto disponibile per le piante si trova sotto due forme chimiche: (ammonio) e (nitrato), anche se l’atmosfera è composta per l’80% di N₂, esso non è utilizzabile dalle piante. Ci sono due modalità con cui l’azoto entra negli ecosistemi:

• Attraverso deposizione atmosferiche (umide, secche) → viene fornito in forma subito disponibile per l’assimilazione da parte delle piante.
• Fissazione dell’azoto atmosferico.

La fissazione dell’azoto atmosferico segue due vie:

• Fissazione ad alta energia: la radiazione cosmica e fulmini forniscono l’energia necessaria a far reagire l’azoto molecolare con la molecola d’acqua, si formano così ammonio e nitrati (arrivano in questo modo 0,4 kg di azoto ogni anno).
• Fissazione biologica da batteri fissatori (enzima chiave: Nitrogenasi): il 90% dell’azoto viene prodotto con questo sistema, l’azoto molecolare (N₂) si scinde in due molecole di ammoniaca (NH₃). Arrivano in questo modo 10 kg ogni anno di azoto.

Gli azotofissatori utilizzano l’energia di 10 gr di glucosio per fissare 1 g di N₂. La fissazione biologia avviene quindi grazie a: batteri simbionti (vivono in associazioni mutualistiche con piante), batteri aerobi e di cianobatteri; i più importanti sono:

• Batteri (del genere Rhizobium): associati a diverse leguminose, sono i principali azotofissatori.
• Batteri (dei generi azotobacter, clostridium): vivono liberi nel suolo e contribuiscono alla fissazione dell’azoto.
• Cianobatteri (dei generi Nostoc, colothrix): alcuni di loro contribuiscono alla fissazione di N₂.
• Licheni: alcuni di loro contribuiscono alla fissazione di N₂.

L’enzima chiave per la fissazione biologica è l’enzima Nitrogenasi; la nitrogenasi è un complesso (classe delle ossidoriduzioni) che catalizza il processo di riduzione dell’N atmosferico. La specifica reazione catalizzata è:

8 ferredoxina ridotta + N₂ + 8 H^- + 8 e^- + 16 ATP + 16 H₂O → 8 ferredoxina ossidata + 2 NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pi

Che avviene in presenza di ATP quale fonte di energia e di agenti riducenti quali ferredoxina; l’N viene trasformato nel prodotto finale ammoniaca sfruttando l’idrogeno derivante dall’ossidazione dei carboidrati. La nitrogenasi è costituita da 2 proteine:

• Dinitrogenasi.
• Dinitrogenasi riduttasi.

Il passaggio di CO₂ dall’atmosfera agli ecosistemi dipende dalla fotosintesi. Le perdite in atmosfera dipendono dalla respirazione di organismi autotrofi ed eterotrofi (ruolo fondamentale di decomposizione della catena trofica del detrito). Suoli 1.500 Gt (un miliardo di tonnellate 10¹⁵ g) e 560 Gt nella biosfera.

Il carbonio è minore nei suoli tropicali (più veloce il riciclo) e maggiore nei suoli aridi e freddi (più lento il riciclo). L’azoto viene fissato sotto forma di NH₃ – HNO₃, può essere assunto dalle radici delle piante. NH₃ da processi di decomposizione (ammonificazione): nelle piante e nell’atmosfera.

Se il suolo è acido: NH₄ → OH rimane nel suolo.

Se il suolo è neutro – basico: NH₃ → dispersione in atmosfera risulta quantitativamente importante.

Nitrificazione ad opera di batteri: I gruppo (Nitrosomonas) NH₃ → NO₂, II gruppo (Nitrobacter) NO₂ → NO₃

Attività antropiche

• Massiccio impiego di fertilizzanti.
• Viene alterato l’equilibrio tra azoto e denitrificazione, inquinamento delle acque sotterranee.
• Scarichi industriali / centrali termiche producono NO_x (NO, NO₂, N₂O)

Riserva di azoto nell’atmosfera: 3.9 x 10²¹ g. Fissazione ad alta energia: 15 x 10¹² g. Fissazione biologica: 140 x 10¹² g. Rilascio in atmosfera per denitrificazione: 110 x 10¹² g. Rilascio in atmosfera per attività: 100 x 10¹² g.

Perdite per incorporazione sedimenti marini: 10 x 10¹²

N₂O: assorbito da radici piante, denitrificazione (Pseudomonas) con formazione di N₂ e N₂O che ritornano in atmosfera.

Azoto in acque superficiali e sotterranee

• NO₃ (elevata in aree ad alta presenza agro-ecosistemi)
• Batteri ruolo fondamentale nel ciclo azoto: attività influenzata da T, H₂O, pH

Ciclo del fosforo (P)

È un ciclo sedimentario...