UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA
Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie
Via Elce di Sotto, 06123 -Perugia
Corso di Laurea in Scienze Biologiche
Corso di ECOLOGIA
Sito del corso: http://cclbiol.unipg.it/index.html
Alessandro Ludovisi
Sito docente: http://www.dcbb.unipg.it/alessandro.ludovisi
Tel. 075 585 5712
e-mail address: [email protected]
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CICLI BIOGEOCHIMICI E LORO ALTERAZIONI
LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE
DEI SISTEMI NATURALI E UMANI
SISTEMI
ECOLOGICI
Con ciclo biogeochimico si intende il percorso ciclico (più o meno perfetto) che la materia (elementi e composti )
compie attraverso i compartimenti ambientali (litosfera, atmosfera, idrosfera, biosfera) a scala globale .
Ai cicli biogeochimici globali concorrono cicli
biogeochimici locali , che tuttavia sono tipicamente
non perfetti, dal momento che trasferiscono e
prelevano materia dai compartimenti globali
(atmosfera, idrosfera, biosfera)
La perfetta ciclicità dei percorsi si realizza allo
stato stazionario, che tuttavia non è mai stato
perfettamente mantenuto nel corso
dell’evoluzione biogeochimica planetaria
I principali cicli biogeochimici degli elementi
interessano i macroelementi della biomassa
(C, O, N, P, S), dal momento che il “motore”
dei cicli elementari è la componente vivente
Il ciclo dell’acqua è essenzialmente a controllo
abiotico, ma dipende dalla composizione
dell’atmosfera e quindi è vincolato ai cicli
biogeochimici degli elementi
CICLO BIOGEOCHIMICO DELL’ACQUA
Il ciclo biogeochimico dell’acqua
include passaggi di stato solidoliquido-vapore ed è regolato dalle
condizioni di temperatura, pressione
e salinità
Il comparto biologico è coinvolto
direttamente (evapotraspirazione),
ma anche indirettamente attraverso
l’azione sui cicli di carbonio e
ossigeno
CICLO BIOGEOCHIMICO DELL’ACQUA
CICLO BIOGEOCHIMICO
CO2 (g)
O2 CO2 (g)
DEL CARBONIO
CO2 ↔ H2CO3
Fotosintesi
Respirazione
HCO3- H+
CO32- H+
Biomassa
Detrito
Nella litosfera:
- Carbonati
- Depositi organici fossili
petrolio, carbone, metano
-Depositi di scheletri
calcarei
Ca2+ CO32-
CaCO3
Fase di ciclizzazione
Fase di riserva
Il ciclo del carbonio è
strettamente controllato
dalla componente
biologica (uomo incluso),
che lo ha profondamente
trasformato e nel corso
delle ere geologiche….
e continua a farlo!!!
CICLO BIOGEOCHIMICO DELL’OSSIGENO
O2 CO2 (g)
CO2 (g)
CO2 ↔ H2CO3
Fotosintesi
Respirazione
HCO3- H+
CO32- H+
Biomassa
Detrito
Nella litosfera:
- Carbonati
- Depositi organici fossili
petrolio, carbone, metano
-Depositi di scheletri
calcarei
Ca2+ CO32-
CaCO3
Il ciclo dell’ossigeno è strettamente
connesso al ciclo del carbonio e
controllato dalla componente biologica
(uomo incluso), che lo ha profondamente
trasformato e nel corso delle ere
geologiche….
e continua a farlo!!!
Modello di variazione della temperatura e della concentrazione dei gas
atmosferici dalla comparsa della vita ad oggi.
Sintesi delle prime tappe
della storia della vita sulla
Terra - dai coacervati agli
organismi pluricellulari.
LA COMPOSIZIONE ATMOSFERICA DETERMINA IL BILANCIO ENERGETICO E REGOLA IL CLIMA TERRESTRE
Il FORCING RADIATIVO è definito come il
bilancio radiativo netto (entrate uscite) globale (UV, Vis e IR) a livello
della tropopausa in condizioni di
equilibrio termico
La presenza di vapore acqueo (nubi),
CO2, O2, CH4 , ozono ed altri gas che
assorbono e riemettono radiazione
infrarossa, determina
“l’intrappolamento” dell’energia
termica nella tropopausa
(EFFETTO SERRA)
D’altra parte, vapore acqueo (nubi),
aereosols e la copertura a terra
riflettono in misura significativa la
radiazione incidente
(EFFETTO FRIGORIFERO)
INGRESSO
FINESTRE ATMOSFERICHE
USCITA
GLI EQUILIBRI ARIA-ACQUA-SEDIMENTO
E L’ATTIVITA’ BIOLOGICA REGOLANO LE CONCENTRAZIONI ATMOSFERICHE
O2 (g)
CO2 (g)
CO2 ↔ H2CO3
O2 CO2 (g)
O2 (aq)
H+
H2PO4-
Mg2+
HCO3- H+
CO3
2-
SSO42-
H+
Ca2+ CO32-
K+
SiO32-
NO3-
Fotosintesi
Carbonio nella litosfera:
Respirazione
- Carbonati
- Depositi organici fossili
petrolio, carbone, metano
-Depositi di scheletri
calcarei
HPO42- H+
Cl-
Biomassa
PO43- H+
Na+
OH -
ATMOSFERA
Detrito
ACQUA
Ca2+ PO43- OH SEDIMENTO
CaCO3
SiO2
T (°C)
[CO2]aq
[O2]aq
0
10
20
30
40
2.4 10-5
1.7 10-5
1.2 10-5
9.3 10-6
7.1 10-6
4.4 10-4
3.5 10-4
2.9 10-4
2.4 10-4
2.0 10-4
Ca5OH(PO4)3 - HAP
D.O.
(mg l-1)
14.1
11.4
9.3
7.7
6.4
pH
[Ca2+]
[HCO3-]
8.25
8.28
8.31
8.34
8.37
7.1 10-4
6.6 10-4
6.2 10-4
5.8 10-4
5.5 10-4
1.4 10-3
1.3 10-3
1.2 10-3
1.2 10-3
1.1 10-3
P-PO4
(mg l-1)
4.1
3.1
2.4
1.8
1.5
MA SONO ESSI STESSI FUNZIONE
DELLA TEMPERATURA (E DELLA
SALINITA’)
CICLI BIOGEOCHIMICI GLOBALI: HI CONTROLLA CHI??
La CO2 e gli altri gas serra
esercitano un forcing positivo e
trattengono il calore
… ma la temperatura regola la loro
concentrazione in atmosfera
Il ciclo biogeochimico dell’acqua è
regolato dalle condizioni di
temperatura, pressione e salinità….
… ma esercita un forcing sia
positivo che negativo sul bilancio
radiativo ….
…. CHI CONTROLLA CHI ?
… E, SOPRATTUTTO, IN CHE MISURA?!
RICOSTRUZIONE DEL PALEOCLIMA: LE CAROTE DI GHIACCIO POLARE
TEMPERATURA
COMPOSIZIONE ATMOSFERICA
La stretta correlazione
tra temperatura e
concentrazione di gas
serra ha supportato
l’ipotesi di un controllo
atmosferico della
temperatura …. ma chi
controlla chi?
Valori di temperatura e di concentrazioni di CO 2 e CH4 all’interno delle goccioline d’aria,
racchiuse nella carota di ghiaccio lunga 3300 m, estratta a Vostok in Antartide e risalente a
420000 anni
Le registrazioni ricavate
dai ghiacci antartici si
configurano come la
sovrapposizione di tre
segnali periodici:
- 100.000 anni;
- 40.000 anni;
- 22.000 anni, che
trovano la loro
principale causa nelle
oscillazioni
astronomiche
I CICLI ASTRONOMICI E LA TEORIA DI MILANKOWICZ
Le glaciazioni e i riscaldamenti più importanti
sono pertanto regolate dai cicli astronomici
L’attuale periodo di interglaciazione è
comunque caratterizzato da oscillazioni
sensibili, cui contribuiscono i “sunspot” e le
eruzioni vulcaniche
Sito web:
http://www.ipcc.ch/index.htm
L'Intergovernmental Panel on Climate Change (Gruppo consulente intergovernativo sul mutamento climatico,
IPCC) è il foro scientifico formato nel 1988 da due organismi delle Nazioni Unite, l'Organizzazione meteorologica
mondiale (WMO) ed il Programma delle Nazioni Unite per l'Ambiente (UNEP) allo scopo di studiare il
riscaldamento globale.
L’IPCC è organizzato in tre gruppi di lavoro (working groups):
•Gruppo di lavoro I: basi scientifiche dei cambiamenti climatici;
•Gruppo di lavoro II: impatti dei cambiamenti climatici sui sistemi naturali e
umani, delle opzioni di adattamento e della loro vulnerabilità;
•Gruppo di lavoro III: mitigazione dei cambiamenti climatici, cioè della
riduzione delle emissioni di gas a effetto serra.
I "rapporti di valutazione" periodicamente diffusi dall'IPCC
sono alla base di accordi mondiali quali la Convenzione
quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici e il
Protocollo di Kyoto che la attua.
Nobel per la pace 2007
I cicli solari
controllano la
temperatura che, a
sua volta, controlla
gli equilibri dei
carbonati... nel
lungo periodo (!)
Nel periodo attuale,
le variazioni di CO2
eccedono quanto
osservato nei
millenni precedenti
…
… soprattutto in
termini di velocità di
variazione!
Climate Change 2007 IPCC Report
(a)
- Variazione della concentrazione di CO2
atmosferica (medie mensili) misurate
nella stazione di Mauna Loa (Hawai) –
nero e Baring Head (Nuova Zelanda) –
blu e
-variazioni della concentrazione di
ossigeno atmosferico misurate nella
stazione di Alert (Canada ) – rosa e
presso la stazione di Cape Grim
(Australia) - azzurro
(b)
Variazione delle emissioni annuali di CO2
da combustibili fossili in Giga tonnellate
(109 tonn) di carbonio – nero e
variazione del rapporto isotopico
13C/12C nella CO atmosferica misurato
2
nella stazione di Mauna Loa (Hawai)
Fonte: Climate Change 2007 - IPCC Report
LO “SBILANCIO” DEL CARBONIO
Ciclo globale del carbonio che mostra i
principali variazioni (in GtC ) nei depositi
tra l’epoca pre-industriale e l’attuale
(1750-2005) e i flussi (in GtC yr-1) per
l’anno 1990:
-depositi e flussi pre-industriali in nero e
-depositi e flussi ‘antropogenici’ in rosso.
I flussi hanno un’incertezza del 20%.
GPP rappresenta la produzione primaria
lorda
L’erosione della riserva fossile di
carbonio (-244 GtC ) è parzialmente
assorbita dal comparto terrestre(+101
GtC) e dalle acque oceaniche (+118 GtC
-41%)….
….ma dal momento che la riserva
terrestre è stata erosa dall’uso del suolo
(140 GtC )si ha un accumulo netto in
atmosfera di 165 GtC.
Fonte: Climate Change 2007 - IPCC Report
Climate Change 2007 IPCC Report: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment
Climate Change 2007
IPCC Report
Conclusions
- Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane and nitrous oxide have increased markedly as a
result of human activities since 1750. The global increases in carbon dioxide concentration are due primarily to
fossil fuel use and land use change, while those of methane and nitrous oxide are primarily due to agriculture.
- Warming of the climate system is unequivocal, as is now evident from observations of increases in global
average air and ocean temperatures, widespread melting of snow and ice, and rising global average sea level
- At continental, regional and ocean basin scales, numerous long-term changes in climate have been
observed. These include changes in arctic temperatures and ice, widespread changes in precipitation
amounts, ocean salinity, wind patterns and aspects of extreme weather including droughts, heavy
precipitation, heat waves and the intensity of tropical cyclones.
- Most of the observed increase in global average temperatures since the mid-20th century is
very likely due to the observed increase in anthropogenic greenhouse gas concentrations.
This is an advance since the TAR’s (2001) conclusion that “most of the observed warming over
the last 50 years is likely to have been due to the increase in greenhouse gas concentrations
IPCC Report 2007: There is now higher confidence in projected patterns of warming and
other regional-scale features, including changes in wind patterns, precipitation and some
aspects of extremes and of ice
Proiezioni 2090 -2099 (media multi-modello scenario A1B) per la variazione di temperatura e precipitazioni a
livello planetario rispetto alle medie del periodo 1980 -1999 (IPCC Report, 2007)
IPCC Report 2007: There is now higher confidence in projected patterns of warming and
other regional-scale features, including changes in wind patterns, precipitation and some
aspects of extremes and of ice
Proiezioni 2080 -2099 (media multi-modello scenario A1B) per la variazione di temperatura e precipitazioni in
Europa rispetto alle medie del periodo 1961 -1990 (Prudence –IPCC,2007)
QUALI GLI EFFETTI DEI CAMBIAMENTI CLIMATICI SUGLI ECOSISTEMI ACQUATICI INTERNI?
Fonte: Bates et al., 2008: Climate Change and Water. IPCC Technical Paper
Fonte: Bates et al., 2008: Climate Change and Water. IPCC Technical Paper
QUALI GLI EFFETTI DEI CAMBIAMENTI CLIMATICI SUGLI ECOSISTEMI LACUSTRI?
TEMPERATURA:
•RIDUZIONE DELLA DURATA DELLA GLACIAZIONE INVERNALE;
•NEI LAGHI PROFONDI, L’INCREMENTO DI TEMPERATURA SUPERFICIALE AUMENTA LA
PERSISTENZA DELLA STRATIFICAZIONE TERMICA VERTICALE E RIDUCE LA FREQUENZA DI
RIMESCOLAMENTO INVERNALE;
•RIDUZIONE DELLA SOLUBILITÀ DEI GAS ATMOSFERICI E SPOSTAMENTO DEGLI EQUILIBRI
IONICI;
•AUMENTO DEL RISCHIO DI CONDIZIONI DI IPOSSIA E STRESS SULLA FAUNA ACQUATICA;
•ACCELERAZIONE DEI CICLI BIOLOGICI DEGLI ORGANISMI POICHILOTERMI (COPEPODI: +3°C
 -25% DURATA DEL CICLO BIOLOGICO);
•SPOSTAMENTO DELLE NICCHIE ECOLOGICHE VERSO LA TERMOFILIA;
•FACILITAZIONE NELL’ACCLIMATAMENTO DI SPECIE ESOTICHE E/O INVASIVE TERMOFILE
QUALI GLI EFFETTI DEI CAMBIAMENTI CLIMATICI SUGLI ECOSISTEMI LACUSTRI?
PRECIPITAZIONI:
NELLE REGIONI SUBTROPICALI E DI MEDIA LATITUDINE, I PATTERNS OSSERVATI DI VARIAZIONE CAUSANO:
• AUMENTO DELLE FREQUENZE DI EVENTI DI PIENA E DI DISSECCAMENTO;
• AUMENTO DEI TEMPI DI RICAMBIO IDRICO;
• RIDUZIONE DELLA DILUIZIONE DEL CARICO TROFICO E DI INQUINANTI DAL BACINO IDROLOGICO.
L’IMPATTO È ESALTATO ALL’APPROSSIMARSI DI CONDIZIONI EVAPORITICHE:
• AUMENTO DELLA SALINITÀ E SPOSTAMENTO DEGLI EQUILIBRI IONICI;
• SPOSTAMENTO DELLA LINEA DI COSTA, CON EFFETTI SULLA FLORA E FAUNA BENTONICA LITORANEA;
• LA RIDUZIONE DEL LIVELLO IDROMETRICO FAVORISCE IL RIMESCOLAMENTO DELLE ACQUE, CUI SEGUE:
• AUMENTO DELLA TORBIDITÀ PER RISOSPENSIONE DEI SEDIMENTI;
• AUMENTO DELLA VELOCITÀ DI CICLIZZAZIONE DEI NUTRIENTI;
• AUMENTO DEL RISCHIO DI FIORITURE DI ALGHE VERDI E AZZURRE TOSSICHE, LA RIDUZIONE DEI
LIVELLI DI OSSIGENO DISCIOLTO E, CONSEGUENTEMENTE, DELLO STRESS SULLA FAUNA ACQUATICA;
IL BUCO DELL’OZONO
L’assorbimento di radiazione ultravioletta (UV) nella stratosfera da parte all’ossigeno (UV-C) determina la
formazione di ozono, a sua volta in grado di assorbire UV a più alta frequenza (UV-A e UV-C) . Lo strato di ozono
permane in uno stato stazionario caratterizzato dalla formazione e distruzione catalizzata dalla radiazione UV
240 nm
290 - 320 nm
Il “buco dell’ozono” al di sopra dell’Antartide
IL BUCO DELL’OZONO
A partire dagli anni ‘80 le misurazioni di livelli di ozono
rivelarono che era in corso una riduzione dello strato,
particolarmente nell’area antartica.
Nel 1987, sotto la pressione delle associazioni ambientaliste,
della comunità scientifica e dell'opinione pubblica, venne
firmato il protocollo di Montreal, che impone la progressiva
riduzione della produzione dei gas clorofluorocarburi (CFC),
ritenuti responsabili dell’aumentare dell’assottigliamento
dell’ozono. Nel 1990 più di 90 paesi decisero di sospendere
la produzione di gas CFC.
Nel 2000 la produzione di CFC era scesa dal suo massimo di
un milione di tonnellate (raggiunto nel 1988) a meno di
100.000 tonnellate per anno, grazie anche all'introduzione
dei meno dannosi idroclorofluorocarburi (HCFC); per alcune
applicazioni (come i condizionatori per automobili), si è
passati anche all'uso di idrofluorocarburi (HFC) che, non
contenendo atomi di bromo o di cloro, non sono dannosi per
lo strato di ozono.
I CLOROFLUROCARBURI CFC
Il cloro radicale che si libera dai CFC per l’azione della radiazione ultravioletta è
altamente reattivo e interferisce con li ciclo dell’ozono in atmosfera, eliminando O 3. Il
ClO prodotto, a sua volta, cattura ossigeno atomico, riducendo la formazione di ozono
Partecipando in modo catalitico, il cloro radicale non è eliminato, per cui è in
grado di reagire ulteriormente. Si stima infatti che una molecola di cloro possa
trasformare in ossigeno 40 000 molecole di ozono
Al momento, la produzione di
CFC è bandita e le emissioni
sono quindi quasi nulle (a
parte i vecchi impianti
frigoriferi ed antiincendio
ancora in esercizio).
Il "buco nell'ozono" continua
ad essere elevato, a causa
della persistenza del cloro
radicale nella stratosfera
IL CICLO SEDIMENTARIO
LA DINAMICA DELLE PLACCHE (O ZOLLE)
IL CICLO DEL FOSFORO
Ca5OH(PO4)3 – HAP
LITOSFERA
ROCCE
IDROSSIAPATITE
emersione
Erosione- lisciviazione
H2PO4-
Fotosintesi
Respirazione
HPO42- H+
PO4
3-
H+
Ca2+ PO43- OH -
Ca5OH(PO4)3 - HAP
IDROSFERA
Biomassa
Detrito
Decomposizione
ACQUA LIBERA O
INTERSTIZIALE
DEL SUOLO
LITOSFERA
SEDIMENTO
Dal momento che il fosforo in natura è prevalentemente
presente come fosfato, il ciclo del fosforo non interessa
l’atmosfera.
Il ciclo di breve termine è “imperfetto”, perché il fosforo
dilavato dalle rocce è parzialmente riciclato nella rete
trofica e parzialmente accumulato nella litosfera.
La chiusura del ciclo si realizza con il ciclo sedimentario
IL CICLO DEL FOSFORO
Il ciclo del fosforo è alterato e accelerato dall’attività
antropica, tramite:
Input 
- Estrazione del fosforo minerale (2 Mtonn/ anno);
Uso e dispersione
- Distribuzione nei suoli come fertilizzante
- Utilizzazione del fosfato nei tensioattivi (detersivi);
- Dilavamento superfici agricole e scarico di reflui organici
urbani e zootecnici nelle acque superficiali
Output 
-Pesca (60000 tonn /anno);
Dal momento che il fosforo rappresenta il
principale fattore limitante per la produzione
primaria nella maggior parte degli ambienti
acquatici d’acqua dolce e marina, i carichi di
fosforo sono i principali responsabili del
fenomeno di EUTROFIZZAZIONE
IL CICLO DELL’AZOTO
AZOTOFISSATORI
Liberi :
(Azotobacter, Pseudomonas, alghe azzurre, etc.)
Simbionti :
(Rhizobium, Attinomiceti, etc.)
N2 + 3H2O

400 kcal
2 NH3 + 3/2 O2
IL CICLO DELL’AZOTO
Il ciclo dell’azoto è fortemente influenzato
dall’attività antropica, tramite:
Input 
- Produzione di ammoniaca da azoto atmosferico
- Combustione dei combustibili fossili (produzione di
ossidi di azoto - NOx)
Uso e dispersione
- Distribuzione nei suoli come fertilizzante
- Scarico di reflui organici urbani e zootecnici nelle
acque superficiali (EUTROFIZZAZIONE)
Output 
-Pesca
La sintesi chimica dell’ammoniaca:
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g),
tramite il processo di Haber-Bosch, è responsabile di un
consumo pari all’1% del consumo globale di energia.
Un Kg di NOx produce un effetto serra pari a quello prodotto
da 296 Kg di CO2. La concentrazione di NOx in atmosfera è
aumentata del 15% nell’ultimo secolo
Fonte di NOx
Edilizia e alterazione dei suoli
Distruzione zone umide
Incendi e combustione biomasse
Combustibili fossili
Coltivazioni azoto-fissatrici
Fertilizzanti
Totale rilasci di origine umana
Totale rilasci di origine naturale
Milioni di tonnellate
20
10
40
20
40
80
210
140
World Resources Institute: www.wri.org/wri/wr-98-99/nutrient.htm
L’EUTROFIZZAZIONE
Al termine della stagione vegetativa, la
biomassa accumulata viene degradata tramite
processi aerobici che determinano il consumo
di ossigeno, di cui si impoverisce la colonna
d’acqua. In condizioni ipossiche o anossiche si
innescano processi di decomposizione
anaerobica, con proliferazione di patogeni e
produzione di composti maleodoranti (H2S,
NH3)
Fioritura algale nella laguna di
Orielton (Australia)
Moria di pesci nell'invaso del Cillarese (Brindisi)
L’EUTROFIZZAZIONE
Fioritura algale nella laguna di
Orielton (Australia)
Moria di pesci nell'invaso del Cillarese (Brindisi)
IL CICLO DELLO ZOLFO
LE PIOGGE ACIDE
pH naturale della
pioggia: 5.5-6
(da H2 CO3)
pH piogge acide: 2-4
Deposizioni secche (dry deposition): deposizione diretta dei gas o per adsorbimento su particolato
Deposizioni umide (wet deposition): deposizione tramite mezzo acquoso:
Rain out: SOx e NOx vengono idratati ad acido nitrico e solforico e depositati tramite le piogge
Wash out: Trasporto di particolato e inquinanti da parte della pioggia
CONSEGUENZE DELLE PIOGGE ACIDE