Ecologia - cicli biogeochimici

(N, C) (P, S)

I cicli biogeochimici

La vita sulla Terra dipende dal

flusso unidirezionale di

energia (linee tratteggiate)

che proviene dal sole e

attraversa l’ecosfera, dai cicli

degli elementi critici (linee

continue intorno ai cerchi) e

dalla gravità, che trattiene i

gas nell’atmosfera impedendo

la loro fuga verso lo spazio e

porta le sostanze chimiche

dei cicli della materia verso il

basso. Questa panoramica

semplificata mostra solo

alcuni dei tanti elementi in

giuoco.

Il ciclo dell’acqua

È fondamentale per la vita sulla Terra,

considerando il ruolo essenziale

dell’acqua all’interno degli organismi.

Tuttavia gli organismi non giocano un

ruolo fondamentale nell’alterazione

dell’acqua come fanno per gli altri

elementi. Non si hanno trasformazioni

chimiche dell’acqua dovute

all’assorbimento e al rilascio.

Il ciclo dell’acqua

Grafico semplificato del ciclo idrologico

Il ciclo del carbonio

Fotosintesi Respirazione

CO 2

Chemiosintesi Decomposizione

Sostanza organica

Organismi viventi Atmosfera

del suolo

Rocce Sedimenti Oceani Carbon fossile

Il ciclo del carbonio

Produttori primari

CO2 + H2O CH2O + O2

Passaggio del carbonio dall’atmosfera

agli organismi.

La principale forma di carbonio nel

biota è di tipo organica.

Il ciclo del carbonio

Metanogenesi

In condizioni anaerobiche, alcuni batteri

sono in grado di trasformare l’anidride

carbonica e il carbonio organico in

metano. La reazione globale parte dal

metanolo:

4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O

CO2+ 4H2 CH4 + 2H2O

Il ciclo del carbonio

Il metano viene prodotto in grandi

quantità dai batteri intestinali dei bovini

e dai batteri anaerobi nelle risaie.

Il metano è un gas ad effetto serra e

contribuisce al riscaldamento

dell’atmosfera.

Il ciclo del carbonio

ceduto

all’atmosfera

­4 metano

metanogenesi

­2

ossidazione carbonio

0 organico

di

stato fotosintesi respirazione

+2 anidride

organica

+4 r iduzione ossidazioni reazioni di ossidor iduzioni

endoergonica esoergoniche esoergoniche accoppiate

in ambiente ossico in ambiente anossico

Il ciclo del carbonio

Il ciclo del carbonio

CO

2 dissoluzione e

dissoluzione precipitazione

corpi idrici rocce e sedimenti

CO2 + H2O H2CO3

H2CO3 H+ + HCO3- 2H+ + CO32-

Ca2+ + CO32- CO3

Il ciclo del carbonio

Il ciclo del carbonio

Modello semplificato del ciclo globale del carbonio. La parte a sinistra mostra

il movimento del carbonio attraverso gli ecosistemi marini e la parte destra

mostra il suo spostamento attraverso gli ecosistemi terrestri. Le riserve di

carbonio sono mostrate come rettangoli; i processi che cambiano una forma

di carbonio nell’altra non sono inseriti in un riquadro.

Il ciclo del carbonio

I gas ad effetto serra

H2O

CO2 O3 CFC

CH4

N2O L’effetto serra

Senza effetto serra la T superficiale del pianeta sarebbe

di -18°C, rispetto agli attuali 15°C

L’effetto serra

In che parte Troposfera

dell’atmosfera avviene

Che processo avviene Intrappola il calore

vicino alla Terra

Quali gas naturali sono H2O, CO2, CH4

coinvolti

Quali sono gli CO2, CH4, CFC, N2O

importanti contributi

umani

Quali sono i problemi Riscaldamento globale

L’effetto serra

L’anidride carbonica è responsabile del 50-60% del riscaldamento derivante dai gas

serra prodotti dall’attività antropica. Le principali fonti sono rappresentate dall’utilizzo

di combustibili fossili e disboscamento e combustione di biomassa. I

clorofluorocarburi sono responsabili sia dell’effetto serra a livello della troposfera che

del buco dell’ozono a livello della stratosfera. Le principali fonti di questi composti

sono rappresentate da perdite di condizionatori e refrigeratori, evaporazione di

solventi industriali, produzione di schiume sintetiche e propellenti gassosi.

L’effetto serra

Il metano contribuisce al riscaldamento

globale per circa il 20%. È prodotto in

seguito all’azione dei decompositori che

agiscono sulla necromassa in condizioni

di anaerobiosi. I principali luoghi in cui si

forma sono rappresentati da paludi e

altre zone umide, risaie, discariche e

intestini di bovini. I protossido d’azoto è

responsabile sia dell’effetto serra a livello

della troposfera che del buco dell’ozono a

livello della stratosfera. Esso deriva da

produzione di nylon, combustione di

biomassa e combustibili ricchi di

azoto, gas di scarico delle marmitte

catalitiche, utilizzo di fertilizzanti,

deiezioni animali e presenza di acque

sotterranee contaminate da azoto.

L’effetto serra

Durante gli ultimi 900000 anni la Terra ha attraversato cicli di periodi glaciali, della

durata di circa 100000 anni ciascuno, intervallati da epoche interglaciali più calde della

durata di 10000-12500 anni. Il calore derivato dall’ultimo periodo interglaciale è stato il

principale fattore che ha permesso lo sviluppo dell’agricoltura, della civilizzazione e

della crescita demografica

L’effetto serra

Variazioni stimate della temperatura

media della superficie terrestre e delle

concentrazioni di CO2 in troposfera negli

ultimi 160000 anni. Le stime delle

concentrazioni di CO2 sono state ricavate

dai carotaggi effettuati nella regione

antartica e, una volta estratto il ghiaccio,

analizzando le bolle d’aria presenti alle

diverse profondità corrispondenti a diversi

periodi storici. Le analisi hanno

evidenziato come, a partire dall’ultima era

glaciale terminata 10000 anni fa, la terra

abbia potuto godere del calore del

successivo periodo interglaciale. La

correlazione grossolana tra i livelli

troposferici di CO2 e la temperatura, in

base ai dati ricavati dall’analisi dei

carotaggi, suggerisce che esiste una

connessione tra i due fattori.

L’effetto serra

Variazioni stimate della temperatura media della superficie terrestre registrate tra

il 1860 e il 1998 (linea nera). Lo spazio giallo mostra il riscaldamento globale

ipotizzato dai modelli climatici. È da osservare che le previsioni dei modelli

concordano con l’aumento di 0.7°C registrato tra il 1860 ed il 1998. I modelli

attuali prevedono che la temperatura media globale aumenterà di 1.3-4.1°C dal

1990 al 2100. L’effetto serra

Schema generalizzato dell’effetto serra e modelli relativi alle sue possibili

conseguenze. L’effetto serra rappresenta un fenomeno ben conosciuto (modello 1).

L’aumento della temperatura media globale che deriva dalle sempre maggiori

concentrazioni di gas serra (modello 2) è previsto da modelli matematici. Gli attuali

modelli non possono prevedere con precisione gli specifici cambiamenti climatici

(modello 3) e le loro conseguenze (modelli 4-7) nelle diverse parti del mondo.

L’effetto serra e gli oceani

Gli oceani rimuovono circa il 29% della CO2 che

 l’uomo libera in atmosfera

Il riscaldamento globale potrebbe diminuire se gli

 oceani riuscissero ad assorbire più calore, ma ciò

dipende dal tempo che il calore impiega a raggiungere

gli strati più profondi

Un effetto del riscaldamento globale potrebbe anche

 essere l’alterazione delle correnti oceaniche profonde

I dati indicano che, qualora il clima diventasse più

 caldo, l’innalzamento del livello del mare sarebbe

provocato anche da un aumento delle precipitazioni e

dallo scioglimento dei ghiacciai e delle nevi

L’effetto serra e gli oceani

L’effetto serra e le nubi

temperatura evaporazione vapor acqueo

temperatura evaporazione nubi radiazione solare

L’effetto serra e la fotosintesi

? Piante C3 favorite

temperatura fotosintesi Piante C4 non favorite

Un altro importante fattore che può determinare una

variazione della concentrazione di CO2 in atmosfera è il

turnover forestale, ovvero la velocità con cui gli alberi

crescono e muoiono in una foresta. Il turnover sta

decisamente aumentando nella fascia tropicale, d’altra parte

una diminuzione della biodiversità provoca un aumento del

riscaldamento globale.

L’effetto serra e la

disponibilità di acqua

In alcune regioni del globo il

 riscaldamento globale potrebbe

comportare un prosciugamento dei corpi

idrici

In altre regioni del globo, invece, il

 processo di scioglimento dei ghiacciai

potrebbe aumentare l’intensità e la

frequenza delle inondazioni

L’effetto serra e la

distribuzione delle foreste

Il riscaldamento globale potrebbe comportare un

 radicale cambiamento nell’aspetto e nella

distribuzione geografica delle foreste

Le fasce climatiche tipiche delle medie latitudini

 sono destinate, nel prossimo secolo a spostarsi di

circa 550Km verso nord. Le specie che diffondono

i semi per l’attività di uccelli potrebbero spostarsi,

quelle che si diffondono grazie al vento

scomparirebbero (diminuzione della biodiversità,

ulteriore incremento della CO2 in atmosfera anche

per maggiore disponibilità di necromassa)

L’effetto serra e la

distribuzione delle foreste

I possibili effetti del

riscaldamento globale nella

distribuzione geografica delle

foreste di faggio. In seguito

all’ipotesi che le emissioni di

CO2 raddoppino nel periodo

tra il 1990 ed il 2050, le

foreste di faggi che

attualmente sono distribuite

nell’intera zona orientale

degli USA resterebbero

confinate in una limitata zona

Nord.

Effetto serra e possibili effetti

Ciclo dell’azoto

N2

Fissazione abiologica Fissazione biologica

atmosferica industriale

Atmosfera

N2 N2O N2

Fissazione di N2 Fotosintesi

Degradazione Nitrificazione

batterica

Materia NO2-

NH4+

organica NO3- N2O

Condizioni aerobiche Denitrificazione

N2O

Detrito NH4+ N2

organico Condizioni anaerobiche

Nitrificazione N2

NO2- Nitrosomonas

Nitrobacter Cyanobacteria

Rhizobium

Azotobacter

Assimilazione Gruppi NH2 Assimilazione Beijerinckia

delle proteine

NO3- Ammonificazione

Aerobiosi NH4+

Anaerobiosi Assimilazione

NO2- Gruppi NH2 Clostridium

Ammonificazione

delle proteine pasteurianum

batteri

Pseudomonas fotosintetici

altri anaerobi N2

facoltativi N2O

Denitrificazione

N

organico Destino dell’ammonio Destino del nitrato

Mineralizzazione Assorbimento Assorbimento

dell’N di NH4+ di NO3-