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ALTEMURA

BIANCALANA

TRAZZERA

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El Alaoui

Rosi

Mirabile

Esposito

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CARMIGNANI

PALACIO

VAGLI

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Il carbonio è il quarto elemento chimico più diffuso nell'universo e fa parte della vita di tutti noi. Sì perché noi siamo fatti di carbonio, mangiamo carbonio e le nostre economie sono basate sul carbonio. Questo elemento è un pilastro fondamentale del pianeta Terra perché in grado di legarsi molto facilmente con le altre molecole creando composti essenziali per la vita.

Il ciclo del carbonio è un ciclo naturale biogechimico ed è un viaggio iniziato milioni e milioni di anni fa che, attraverso le rocce, l'oceano e la biosfera, arriva a regolare la quantità di anidride carbonica nell'atmosfera, che è un fattore determinante. La CO2 e gli altri gas serra, mescolati all'atmosfera, agiscono infatti come una sorta di coperta per intrappolare una parte delle radiazioni del Sole riflesse dalla superficie terrestre: è il famoso effetto serra, che tiene il pianeta al calduccio e che ha permesso alla vita sulla Terra di prosperare negli ultimi 200 mila anni. Ma allo stesso tempo ha un equilibrio molto sottile.

Quanto carbonio è presente sul pianeta Terra?

Nell'intero sistema Terra si stima che siano presenti 1,85 miliardi di petagrammi di carbonio. Cosa sono i petagrammi? Il petagrammo è un'unità di misura che serve a esprimere grandi numeri: se in un chilogrammo ci sono 1000 grammi, e in una tonnellata ci sono 1000 chilogrammi, in un petagrammo sono presenti 1000 miliardi di chilogrammi, una cifra gigantesca. Per capire bene questo ciclo dovete quindi immaginare che le riserve di carbonio sul nostro pianeta si distribuiscono in dei serbatoi giganteschi, chiamati pool, di cui prenderemo in considerazione i quattro principali.

IPCC - Ciclo del carbonio contemporaneo

CROSTA TERRESTRE

La crosta terrestre è il pool con più carbonio, di cui circa 100 milioni di PgC immagazzinati nelle rocce sedimentarie e carbonatiche. Nei depositi organici sono invece immagazzinati altri 4.000-10.000 PgC, sotto forma di idrocarburi come gas, petrolio e carbone.

OCEANI

Gli oceani contengono circa 38.000 PgC, che si trovano perlopiù disciolti in profondità dove vi rimangono per lunghi periodi. In superficie si trovano invece circa 1000 PgC, che vengono scambiati rapidamente con l'atmosfera.

ATMOSFERA

È il serbatoio più importante, perché determina l'effetto serra e di conseguenza il clima sul nostro pianeta. Al suo interno sono presenti circa 750 PgC, sotto forma di CO2 (anidride carbonica) e CH4 (metano).

BIOSFERA

Le piante contengono circa 560 PgC, immagazzinati nei tronchi e nelle foglie. Altri 1.500 PgC si trovano nel suolo e, in forma organica, nei microrganismi, nei funghi e nelle muffe.

Come fa il carbonio a spostarsi da un pool all'altro?

NASA: Goddard Space Flight Center

Il carbonio scorre liberamente tra un pool all'altro attraverso dei meccanismi naturali chiamati flussi, alcuni più veloci di altri. Nella biosfera, le piante, attraverso la fotosintesi, assorbono CO2 e restituiscono ossigeno all'atmosfera. In questo processo il carbonio può rimanere nelle piante anche per migliaia di anni, nel caso di alberi molto longevi. Le stime indicano che le piante rimuovono circa 120 PgC all'anno dall'atmosfera, e ne restituiscono circa 58 PgC dalla respirazione delle stesse piante e 59 PgC dalla decomposizione dei terreni. Praticamente è come se la Terra respirasse, dal momento che rilascia nell'atmosfera più o meno la stessa quantità di carbonio che assorbe. Un equilibrio tanto eccezionale quanto sottile.

Quando parliamo invece di ciclo veloce del carbonio ad avere un ruolo fondamentale è l'oceano, che di base contiene 50 volte il carbonio contenuto nell'atmosfera. Può darsi che non tutti lo sappiano, ma i gas possono essere disciolti e rilasciati nell'acqua, tramite delle reazioni chimiche chiamate carbonatiche. L'anidride carbonica, attraverso una serie di reazione chimiche, può trasformarsi in carbonato, comunemente chiamato calcare. In questa forma il carbonio può essere immagazzinato in grandi quantità. Il carbonio circola nell'oceano anche attraverso dei processi biologici di fotosintesi, e tramite la respirazione e la decomposizione dei plankton. Nel ciclo oceano/atmosfera, l'oceano ogni anno assorbe circa 92 PgC dall'atmosfera, mentre ne rilascia 90 PgC. Nota interessante: con l'aumento della temperatura media globale l'oceano diminuisce la sua capacità di assorbire CO2. Più fa caldo infatti, più ne lascia in atmosfera. È una sorta di reazione a catena indirizzata verso un continuo innalzamento della temperatura globale.

Il ciclo più lento che restituisce carbonio nell'atmosfera è quello della litosfera, cioè quello relativo al carbonio intrappolato nelle rocce. Il carbonio in questo caso viene rilasciato con le eruzioni vulcaniche. Si pensa che i vulcani emettano quantità di CO2 molto grandi, ma la realtà è ben diversa: in media infatti, i vulcani di tutto il mondo emettono ogni anno circa 0,1 PgC, che è un centesimo dell'anidride carbonica prodotta dalle attività umane, che equivale invece a 8-9 PgC. Una singola eruzione emette tanto, sia chiaro, ma il conto va fatto a livello globale nel corso di un anno, dove la quantità è molto ridotta.

Un sottile equilibrio

Il ciclo naturale del carbonio è stato in equilibrio per milioni di anni, mantenendo la concentrazione di CO2 nell'atmosfera più o meno costante nel tempo. L'atmosfera può gestire 750 PgC in maniera naturale, rimanendo in equilibrio. Proviamo a immaginare l'atmosfera come una bottiglia di vino da 750 ml: se la riempiamo esattamente con 750 ml di vino, essa potrà gestire tranquillamente tutto il fluido. Ma se prendiamo un bicchierino che contiene anche solo 10 ml di vino e lo versiamo nella bottiglia, ecco che vediamo immediatamente il problema: quel cicchetto di vino traboccherà dalla bottiglia. Il problema infatti è il cicchetto, e non i 750ml della bottiglia. Questo cicchetto rappresenta le emissioni di CO2 delle attività umane.

Dalla rivoluzione industriale in poi abbiamo infatti cominciato a estrarre e bruciare enormi quantità di combustibili fossili, immettendo carbonio che a lungo è stato sepolto e stoccato nelle profondità della Terra naturalmente. Questo carbonio, che avrebbe impiegato milioni di anni per entrare nell'atmosfera, attraverso i processi geologici, viene invece rilasciato in un istante geologico, sconvolgendo l'equilibrio naturale del ciclo del carbonio. Dobbiamo capire che noi siamo parte di questo ciclo, e che le nostre azioni mettono in pericolo quel delicato equilibrio che permette all'umanità di vivere su questo pianeta alle condizioni di oggi, che sono quelle che ci piacciono tanto.

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Il carbonio è la spina dorsale della vita sulla Terra, il cui ciclo contribuisce a regolare la temperatura del pianeta. Ma come funziona il suo ciclo? In questo articolo vi spieghiamo i meccanismi che lo regolano e quelli che lo alimentano, e perché una variazione del suo equilibrio può portare al disastro.

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L' azoto compone il 78% dell'atmosfera, ma costituisce anche DNA, proteine e acidi nucleici, composti fondamentali per la vita sulla Terra. Questo elemento, essenziale per tutti gli organismi, non sarebbe disponibile per noi esseri umani se non fosse per alcuni importanti processi chimici che permettono di trasformare l'azoto atmosferico in nuovi composti organici. Tutti questi passaggi sono definiti dal ciclo dell'azoto, un ciclo biogeochimico "gassoso" il cui serbatoio principale è proprio l'atmosfera.
Capiamo da dove deriva l'azoto, come si trasforma, qual come si sposta e quali sono le sue peculiarità.

Le fasi del ciclo dell'azoto

Quello dell'azoto è uno dei cicli biogeochimici più studiati, insieme a quello dell'acqua, in quanto di fondamentale importanza per la vita e la produzione alimentare. Con il termine ciclo biogeochimico si intendono tutti i passaggi che un dato atomo compie all'interno della sfera del vivente e del non vivente che, nel caso dell'azoto, andremo a descrivere nel dettaglio sottolineandone l'importanza e i punti critici.
Per farlo cominciamo facendoci aiutare dall'immagine sottostante.

Una piccola precisazione: il ciclo dell'azoto non ha in realtà un vero e proprio punto di partenza perché ogni fase è concatenata alla precedente e a quella successiva. Per praticità cominceremo a descrivere il processo partendo dall'azoto atmosferico, quello che si trova in forma gassosa molecolare e che costituisce l'aria che respiriamo.

L'azoto atmosferico, la cui formula molecolare è N₂, è formato da due atomi di azoto legati con forza tra loro generando una molecola gassosa, che costituisce il 78% dell'aria che respiriamo. Questi legami sono così forti da rendere l'azoto bimolecolare un gas inerte, cioè un composto che difficilmente reagisce con l'ambiente circostante: questa caratteristica lo rende molto utile in alcuni processi di conservazione alimentare (le cosiddette atmosfere controllate) ma allo stesso tempo un gas molto poco reattivo, che "se ne sta per i fatti suoi".
Infatti, la sua stessa inerzia lo rende difficilmente assimilabile nel mondo dei viventi, in particolare per le piante, rendendo necessarie tutta una serie di trasformazioni per poterlo organicare.
Ecco quindi arrivati al primo passaggio in cui si trasforma in molecole assimilabili dal mondo biologico: l'azotofissazione!

Azotofissazione

In questa fase del ciclo l'azoto molecolare (N₂) viene scisso e reso disponibile per gli esseri viventi tramite l'azione di fulmini o batteri, che lo convertono in ossidi di azoto (NOx) e ammoniaca (NH₃).
Grazie ai fulmini - che con la loro energia riescono a rompere i legami tra due atomi - a partire dall'azoto molecolare si formano due atomi singoli e molto instabili di azoto (N) che per natura tenderanno a reagire con l'ossigeno atmosferico dando origine a nuove molecole assimilabili chiamate ossidi di azoto (NO x).

Ma non è l'unico modo possibile: fortunatamente per gli esseri viventi, l'evoluzione ha permesso lo sviluppo di un altro processo in grado di convertire l'azoto atmosferico in una forma più disponibile, almeno per alcuni microorganismi. Questo processo di fissazione biologica dell'azoto avviene grazie ad alcuni batteri, come quelli dei generi Azotobacter e Rhizobium che vivono in simbiosi con alcune piante leguminose. Soia, fagioli, ceci e lenticchie danno modo ai batteri di "accasarsi" nel terreno all'interno o in prossimità delle radici delle piante, arricchendo di azoto biodisponibile il suolo e i loro semi. Grazie a questa serie di reazioni otteniamo così l' ammoniaca (NH ₃).

Ammonificazione

Durante il processo di ammonificazione l'azoto divenuto ammoniaca nella fase precedente acquista un protone e diventa . Questo processo è svolto da funghi e da diversi batteri del suolo che tra le varie cose, trasformano anche la sostanza organica in decomposizione rimettendo nel ciclo biologico l'azoto che era intrappolato nella sostanza organica viva.
Anche l'ammoniaca contenuta all'interno di feci e urine subisce questa trasformazione diventando nutriente per alcune tipologie di batteri che, ossidandola, la renderanno biodisponibile anche per le piante attraverso il successivo processo di nitrificazione.

Nitrificazione

Durante la nitrificazione alcuni batteri liberi nel suolo sono in grado di trasformare in maniera consequenziale lo ione ammonio in nitriti (NO₂) e nitrati (NO₃). Un primo gruppo di batteri chiamati nitrosanti trasformano l'ammonio in nitrito mentre un secondo gruppo di batteri detti nitrificanti trasformano il nitrito in nitrato.
Il nitrato (NO ₃) è la forma maggiormente biodisponibile per le piante che, assorbendolo a livello radicale, lo trasformano in proteine vegetali. Le proteine vegetali ottenute saranno poi usate come fonte di azoto per tutta la rete trofica.

Denitrificazione

Infine, alcuni organismi come Clostridium o Pseudomonas sono in grado di effettuare una respirazione anaerobica cioè in assenza di ossigeno (dove, detto tecnicamente, come accettore di elettroni usano il nitrato invece che l'ossigeno portando alla formazione di azoto bimolecolare). Questo passaggio è fondamentale perché permette di chiudere il ciclo.
Arrivati a questo punto dobbiamo proprio dirlo: se sfruttiamo e otteniamo l'azoto dalla dieta è solo grazie ai batteri!

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Cos'è, come funziona e perché è importante il ciclo dell'azoto

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L'azoto è ovunque: si trova nell'aria, nel suolo e costituisce le nostre molecole. Ma qual è il suo ruolo biologico e come si trasforma passando da un sistema all'altro?

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Il ciclo del Fosforo è spesso definito un non-ciclo sedimentario perché si sposta da una componente litosferica ad un'altra componente litosferica senza ritorno. Si sposta cioè dalla crosta terrestre attraverso il dilavamento e va a confinarsi nei sedimenti oceanici per ere geologiche. I meccanismi di ritorno ci sono ma si tratta di spostamenti di materiale così piccoli da essere trascurabili (pesca e feci degli uccelli marini).

Il pool di riserva è nella litosfera (quindi è un ciclo sedimentario) più precisamente nei sedimenti oceanici e si stima che ce ne sia 4*109 Mt. Non esiste una forma atmosferica, una forma volatile, di fosforo, notare bene che quando viene trasportato dal vento si tratta, appunto, di un trasporto di pulviscolo, non c'è una forma chimica del fosforo volatile.

Le polveri suddette si creano dall'attività estrattiva. Se esistesse un processo che volatilizza il fosforo allora sarebbe probabilmente un ciclo vero e proprio.

Il suolo, che è un ecosistema eterogeneo e molto poco definibile possiede 200'000 Mt di fosforo di cui il 99,9% non è biodisponibile. È fosforo che proviene dalla degradazione della sostanza organica ed è chelato e inerte, si dice che è legato. Solo 60 Mt tornano disponibili quasi immediatamente.

L'uomo preleva 12 Mt all'anno di fosforo e si stima che ce ne siano 10'000 Mt disponibili.
Delle 21 Mt che arrivano al mare con il dilavamento 19 Mt si legano nel suolo e 2 Mt entrano effettivamente nell'oceano libero. Il fosforo è un materiale limitante che passa velocemente da reattivo a non reattivo. È fondamentale perché media le reazioni energetiche, costituisce gli acidi nucleici, è presente nelle proteine fosforilate.

Le forme che troviamo sono:

Ortofosfato, una forma inorganica e solubile, biodisponibile

Fosforo legato, una forma organica insolubile, non biodisponibile

DNA ambientale, una forma di fosforo organico solubile, molto stabile e attivo

C'è un riciclo interno nell'oceano che vale 1000 Mt. In generale il ciclo del fosforo è un ciclo semplice perché come attori abbiamo poche forme chimiche e poche reazioni. È importante perché è un fattore limitante.

Fonte: Elementi di Ecologia, di Thomas M. Smith e Robert L. Smith. Pearson editore.

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Il ciclo del Fosforo è spesso definito un non-ciclo sedimentario perché si sposta da una componente litosferica ad un'altra componente litosferica senza