Comparti e Cicli
Ciclo: Idrogeologico Ossigeno Carbonio Azoto Zolfo Fosforo
Gli elementi ed i composti chimici possono depositarsi o muoversi tra i vari comparti ambientali, macro-insiemi che racchiudono proprietà geochimiche simili (sfere geochimiche). I principali insiemi di appartenenza sono la Troposfera, l'Idrosfera, la Litosfera (rocce e sedimenti) e la Biosfera (biota).
Un comparto ambientale può contenere elementi chimici naturali e composti di sintesi (xenobiotici), che, in funzione delle loro proprietà chimico-fisiche, si distribuiscono, cambiano e si diffondono dentro o fuori il comparto stesso.
La circolazione dei composti chimici dipende da numerosi fattori, tra cui l'attività delle biocenosi presenti e la velocità di diffusione e di trasporto delle molecole: ovviamente in aria, in acqua e nei sedimenti, si riscontra una maggiore mobilità degli elementi, rispetto a quella presente in strati profondi del suolo.
I processi che permettono la diffusione dei composti dipendono dalle caratteristiche della matrice ambientale e dai valori di concentrazione delle molecole stesse. Il loro trasporto è originato dal movimento delle masse (di aria, acqua, animali etc.), che assumono così, il ruolo di vettori. Questi fenomeni sono descritti nei cicli biogeochimici.
La biogeochimica si occupa dell'interazione degli elementi chimici tra le componenti abiotiche ed il mondo dei viventi. Dalla ciclicità degli elementi dipende sia l'accumulo (pool di riserva) sia il riciclo (pool di scambio) dei nutrienti necessari per la sopravvivenza delle specie. I cicli bio-geo-chimici sono classificabili in base al pool di riserva principale: si parla di ciclo gassoso, quando il comparto ambientale destinato all'accumulo degli elementi è localizzato nell'atmosfera, oppure di ciclo sedimentario, se il comparto di riserva è costituito da suolo e sedimenti della crosta terrestre (es. fondali marini).
Ciclo idrogeologico
Il ciclo idrogeologico è influenzato dai processi evaporativi e dalla condensazione dell'acqua in atmosfera, fenomeni che restituiscono all'ambiente acqua dolce. Infatti, la maggior parte dell'acqua che precipita sulla terra ferma proviene dagli oceani, e confluisce nelle falde sotterranee oppure in bacini idrici superficiali.
L'acqua presente sulla Terra è una risorsa rinnovabile, disponibile sotto varie forme, ma comunque sempre in quantità limitate.
L'acqua è riciclabile in funzione della sua disponibilità e risente dello stato qualitativo delle condizioni ambientali presenti. Si stima che solo lo 0,01% del volume complessivo dell'acqua del nostro pianeta, sia acqua dolce fruibile per l'agricoltura e l'uso potabile.
I numeri dell'acqua sulla Terra
- Il volume totale d'acqua sulla terra è di circa 1.4 miliardi di Km3 e per oltre il 97% riempie oceani e mari;
- Solo il 2,5% del totale è acqua dolce di cui, ad oggi, il 68,7% è sotto forma di ghiaccio, mentre il 30.1% è situato sotto terra (acque sotterranee) con circa lo 0,9% che si presenta sotto altre forme (atmosferica, umidità del suolo, biologica, etc.);
- Sul totale dell'acqua dolce disponibile rimane uno 0,3% facilmente fruibile per gli ecosistemi;
- Sono meno di 200.000 i km3 di acqua realmente disponibili, ovvero solo lo 0,01% del totale.
Ciclo dell'ossigeno
L'ossigeno costituisce il 21% dell'atmosfera, composta per il resto da azoto (78%), argon (0,9%) ed elementi in traccia, tra cui l'anidride carbonica (circa lo 0,04% - 399,0 ppm - in continuo aumento) che insieme al metano (0,00016%) sono i principali gas responsabili dell'effetto serra.
L'ossigeno è un prodotto della fotosintesi e in minima parte anche della fotolisi dell'acqua, ed è usato dai viventi in tutti i processi di respirazione.
Pertanto il ciclo dell'ossigeno è strettamente legato alle attività biologiche. Una quota di ossigeno è disciolta nelle acque, ma è presente anche nei sedimenti e negli spazi porosi del suolo.
Ciclo del carbonio
Il carbonio è l'elemento costitutivo di tutte le molecole organiche; presente in grande quantità negli oceanici come ione bicarbonato, ha il suo principale pool di riserva nel suolo. Parte del carbonio disponibile è presente come anidride carbonica nell'atmosfera, componente gassosa necessaria alla fotosintesi e all'equilibrio termico del nostro pianeta (effetto serra).
L'anidride carbonica si libera per la respirazione dei viventi, per decomposizione della sostanza organica, per combustione e fermentazione. Gli organismi fotosintetici terrestri e marini riescono a catturare l'anidride carbonica trasformandola in composti organici.
Nel corso del tempo una grande quantità di carbonio è stato fissato in forma di carbonato di calcio, che è entrato a fare parte dei fenomeni di litogenesi. Un'altra riserva di carbonio è rimasta nascosta per milioni di anni nelle profondità della Terra (carbone, petrolio e metano) ma, oggi, è largamente impiegata come combustibile fossile per attività antropiche.
L'importanza dell'anidride carbonica in atmosfera risiede nella sua capacità di comportarsi differentemente, nel caso l'energia emessa provenga direttamente dal Sole oppure dalla Biosfera.
In questo "doppio gioco" l'anidride carbonica lascia passare la radiazione solare, ma trattiene parte del calore emesso dalla terra verso lo spazio generato dai processi di trasformazione (infrarosso): L'anidride carbonica regola l'equilibrio termico della Terra e come una serra preserva un clima ideale per lo sviluppo della vita.
L'anidride carbonica (CO2) in atmosfera è fondamentale per la sopravvivenza delle specie e per la regolazione dei parametri climatici. Tuttavia, un incremento anche lieve rispetto alla miscela dei gas normalmente presenti, può amplificare il naturale effetto serra.
Molto dipende dal grado di variazione e dalle capacità ecosistemiche di recuperare parte del carbonio nel ciclo bio-geochimico.
Acidificazione degli oceani
L'aumento di anidride carbonica rilasciata nell'atmosfera influisce sulla chimica degli oceani. L'acqua del mare assorbe grandi quantità di anidride carbonica, che entrando in acqua si lega a ioni carbonato, usati da numerosi organismi per creare gusci e scheletri di carbonato di calcio. Una minore disponibilità di ioni carbonato abbassa il pH naturale dell'acqua degli oceani, incrementando la presenza di acido carbonico (acidificazione). Condizioni che compromettono la sopravvivenza e la riproduzione di numerosi organismi acquatici.
Ciclo dell'azoto
L'azoto è un elemento chimico fondamentale per tutti gli organismi viventi, base per amminoacidi, proteine, nucleotidi, acidi nucleici, clorofilla e coenzimi. La principale riserva di azoto è l'atmosfera dove si trova in forma gassosa, non utilizzabile dagli organismi, che piuttosto necessitano di azoto bio-assimilabile, in forma ammonicale e nitrica.
Il ciclo dell'azoto è caratterizzato da processi di fissazione, ammonificazione e nitrificazione, che trasformano l'elemento gassoso in forme disponibili per gli organismi viventi. La denitrificazione chiude il ciclo immettendo nell'atmosfera azoto in forma molecolare.
Questi processi funzionano grazie a batteri presenti nel suolo e nelle acque: batteri azoto fissatori e batteri denitrificanti.
Ammonificazione e nitrificazione
Sono trasformazioni l'una consequenziale all'altra, dovute a batteri saprofiti e funghi che decompongono la materia organica presente nei primi strati del suolo che rilasciano azoto, in forma ammoniacale e nitrica, assimilabile dalle piante.
In questo modo l'azoto organico assorbito ed elaborato dai vegetali, si ridistribuisce attraverso la catena alimentare in tutti i viventi.
L'erosione e il dilavamento dei suoli causano un depauperamento del contenuto di azoto disponibile (lisciviazione). Perdite di azoto sono inoltre dovute alla volatilizzazione di composti ammoniacali in atmosfera, processo riconducibile essenzialmente a errate concimazioni, elevata temperatura e pH non ottimale del terreno.
Ciclo dello zolfo
Lo zolfo si trova in sedimenti e depositi organici sottoforma di torba e petrolio, oppure è un elemento mineralizzato legato a componenti inorganiche. Quindi quantità variabili di zolfo possono essere rilasciate nell'ambiente in seguito alla combustione di oli fossili, a fenomeni di decomposizione, a processi erosivi delle rocce ed eventi vulcanici.
Una parte dello zolfo disponibile si trova in forma gassosa aero-dispersa nell'atmosfera, solubile in acqua. Pertanto con le piogge, torna al suolo e nei corpi idrici, disponibile per essere trasformato e metabolizzato dalle specie viventi.
Lo zolfo ritorna nel terreno anche con le escrezioni e la decomposizione di organismi morti, grazie a batteri specializzati (aerobi ed anaerobi che rilasciano rispettivamente solfati inorganici ed acido solfidrico). Lo zolfo presente nei sedimenti profondi può rendersi lentamente disponibile per l'interazione con un altro elemento vitale, il ferro, fissandosi in forma di solfuri.
Ciclo del fosforo
Il ciclo del fosforo non coinvolge l'atmosfera: è un elemento presente principalmente sottoforma di sali di cui la parte solubile in acqua, segue il ciclo idrologico (dal suolo agli oceani). Nel suolo è sedimentato o mineralizzato, in conseguenza di fenomeni erosivi o eventi dilavanti si libera come fosfato.
L'escrezione o la morte degli organismi restituiscono all'ambiente fosforo organico, nuovamente disponibile per le attività biochimiche di trasformazione energetica (es. ATP). Il fosforo in eccesso è immobilizzato (mineralizzato) nel terreno; saranno i lenti processi di alterazione delle rocce (pedogenesi) a rimetterlo in circolo.
L'eutrofizzazione delle acque è un fenomeno strettamente legato all'uso eccessivo dei fosfati, composti presenti nei concimi agricoli o nei detersivi per uso domestico ed industriale.
Un arricchimento in fosforo può alimentare una rapida crescita di alghe verdi, al punto tale che l'ambiente acquatico è costretto a fronteggiare fenomeni di anossia, dovuti all'elevata richiesta di ossigeno da parte delle alghe stesse.
