CICLI BIOGEOCHIMICI
Definizioni
Un CICLO BIOGEOCHIMICO è il trasferimento ciclico di materia
(normalmente nutrienti) tra un compartimento (pool) di riserva (abiotico)
ad un compartimento (pool) di scambio (biotico)
POOL DI SCAMBIO
POOL DI RISERVA
COMPARTO
ABIOTICO
CICLO
DELLA
MATERIA
COMPARTO
BIOTICO
A seconda della localizzazione del comparto di riserva, i CICLI
BIOGEOCHIMICI sono di 2 tipi: GASSOSI o SEDIMENTARI
I possibili comparti di riserva/scambio
BIOSFERA
IDROSFERA
ATMOSFERA
LITOSFERA
Struttura generica di un ciclo biogeochimico
Scambi
gassosi
PP
Etero
trofi
saprotrofi
Sollevamento
Atmosfera
piogge
polveri
Materia
Organica
Crosta
terrestre
Scambi
gassosi
PP
Etero
trofi
saprotrofi
Litogenesi
Fattori forzanti sul ciclo biogeochimico
Indagini complesse sui cicli biogeochimici
Cicli biogeochimici e flusso di energia
input
Pool di riserva
luce
export
N
C
PP
R
calore
R
IL CICLO DEL CARBONIO
Ciclo del C = ciclo della CO2
• Il C è l’elemento + abbondante nella materia organica
• Al ciclo cel C, pertanto, sono indissolubilmente legati tutti gli
altri cicli biogeochimici
• Si tratta di un ciclo fondamentalmente con pool di riserva
nella litosfera, anche se i pool in atmosfera e nell’idrosfera
(oceani e acque continentali) sono più dinamici
• Il pool di scambio consiste in qualsiasi forma vivente (oltre
che nel detrito)
• Processi biologici: fotosintesi, respirazione, nutrizione
eterotrofa, decomposizione
• Processi abiotici: dissoluzione, precipitazione e deposizione
dei carbonati (potere tampone dell’acqua di mare)
CaCO3 + H2O + CO2
Ca (HCO3)2
Ciclo del Carbonio: il ciclo della vita
La riserva + piccola
ma la + dinamica
Tempo di residenza
=
3 anni
Tempo di residenza
=
9 anni
Negli oceani
superficiali
=
pochi giorni
La riserva + grande
ma la + “immobile”
Tempo di residenza
=
25 anni
Quantificare il ciclo del C: import/export
I numeri del
ciclo del C attuale
IL CICLO DELL’ACQUA
Ciclo dell’ H2O
• L’acqua è il costituente principale del protoplasma (fino al
90%)
• Gli organismi viventi rappresentano tuttavia un’esigua
porzione del ciclo dell’acqua che si esplica principalemte
attraverso percorsi abiotici (fisici e chimici)
• Ad esempio fino al 99% dell’acqua assimilata da una pianta
viene pers per traspirazione
• Ovviamente il pool di riserva è costituito dall’idrosfera dalla
quale per evaporazione ha inizio il ciclo e nella quale per
precipitazione ha termine
I pathways di una molecola d’acqua
Quantificare il ciclo dell’H2O
13 x 1018 g
111
27500
71
40
40
425
8200
1350000
IL CICLO DELL’AZOTO
Ciclo dell’ azoto
• La forma + abbondante sulla terra è l’azoto molecolare
gassoso presente in atmosfera (78%)
• L’N2 sarebbe di per se inerte se non che esistono organismi
(azotofissatori) in grado di inglobarlo in molecole organiche
• Prima della comparsa della vita l’azoto veniva fissato in
molecole organiche azotate (aminoacidi?) in condizioni di
elevata temperatura e di scariche elettriche (oggi solo 1
piccola parte)
• L’organicazione dell’azoto è bilanciata dalla denitrificazione
(in anossia), che restituisce azoto molecolare all’atmosfera
• Il ciclo dell’azoto è un classico esempio di ciclo gassoso, in
cui il pool di riserva è in atmosfera
L’origine della vita: l’esperimento di Miller
CH4
H2O
NH3
H2O
Aminoacidi
Il ciclo dell’azoto I
Energia
N2 ATMOSFERICO
Azotobacter, Clostridium
Batteri simbionti, Cianobatteri
Denitrificazione
RID
Nitrificazione
NO3
Nitrosazione
NO2
Ammonificazione
NH3
Azoto fissatori
OX
Catena del pascolo
Catena del detrito
N organico
detritale
Decomposizione
Il ciclo dell’azoto II
Il ciclo dell’azoto e lo stato chimico
IL CICLO DEL FOSFORO
Ciclo del fosforo
• Il fosforo gioca un ruolo fondamentale nella chimica della
vita in quanto è uno dei costituenti fondamentali del DNA,
delle membrane biologiche (fosfolipidi) e delle molecole
“energetiche (ATP, ADP)
• A differenza dei cicli di C, N e, come vedremo, S, non
presenta alcuna fase gassosa, ma dato che il pool di riserva è
nella litosfera, il ciclo del P è SEDIMENTARIO
• Il ciclo del P non prevede fondamentali trasformazioni
microbiche, in quant ogran parte del P deriva dall’alterazione
di minerali (e.g. apatite)
• La concentrazione di P nel mezzo dipende dal pH:
pH acido (P insolubile con Fe ed Al)
pH basico (P insolubile con Ca)
pH neutro disponibile in forma di ortofosfato PO4
Ciclo del fosforo: ambiente terrestre
Ciclo del fosforo: ambiente marino
Ciclo del fosforo: link tra mare e terra
Ciclo del fosforo: una quantificazione
IL CICLO DELLO ZOLFO
Ciclo dello zolfo
• Come l’azoto è un costituente fondamentale delle proteine
(cisteina e metionina)
• Anche lo zolfo presenta un ciclo fondamentalmente
sedimentario con un pool di riserva albergato nella litosfera
• Lo zolfo tende ad accumularsi nei sedimenti marini profondi
• Come per il ciclo dell’azoto anche il ciclo dello zolfo prevede
una serie di trasformazioni mediate da microorganismi
(solfobatteri) che ne determinano il cambiamento dello stato
di ossidazione (da SO4 ad H2S)
• Il ciclo dello zolfo, come per quello dell’azoto, è anche
enormemente condizionato dallo stato di ossidazione
dell’ambiente (ambiente areobico ed ambiente aerobico)
Il ciclo dello zolfo e lo stato chimico
Trasformazioni microbiche dello zolfo
S
Gruppi SH
proteici
1
AEROBIOSI
2
Riduzione dissimilativa
SO2-
Desulfovibrio
1
2
Gruppi SH
proteici
1 = rid. Assimilativa solfato
2 = desolforilazione
3 = riduzione dissimilativa
H 2S
S
3
ANAEROBIOSI
Le piogge acide
Sottoprodotti tipici di
centrali termoelettriche,
attività industriali,
scarichi motori ed automobili,
impianti di riscaldamento:
anidride solforosa e ossidi di azoto.
2SO2 + O2 + MeO => 2SO3 + MeO
SO3 + H2O => H2SO4
Reazione con l’acqua e formazione di
acidi che vengono portati a terra dalla
pioggia: piogge acide
Il ciclo DMS (Dimethylsulphide) in mare
Il ciclo DMS
in atmosfera