I Cicli Biogeochimici

In biologia e chimica ambientale il ciclo biogeochimico (o ciclo vitale) è il percorso seguito da un determinato elemento chimico all'interno dell'ecosfera.

I vari organismi viventi si scambiano elementi chimici mediante la catena alimentare e questo passaggio avviene ugualmente anche tra gli stessi organismi e l'ambiente esterno, secondo processi ben definiti.

In ogni ciclo è possibile distinguere due comparti:

• un pool di riserva, generalmente abiotico grande e stabile, dove l'elemento non è immediatamente disponibile per gli organismi e gli scambi sono poco attivi;
• un pool di scambio, labile, di dimensioni ridotte ma circolante attivamente, in cui l'elemento è disponibile per gli organismi e gli scambi tra l'ambiente ed essi sono molto più attivi.

In base alla localizzazione del pool di riserva, i cicli biogeochimici vengono distinti in:

Gassosi (il pool di riserva è l'atmosfera o l'idrosfera);

• ciclo dell'azoto;
• ciclo dell'acqua;
• ciclo del carbonio.

Sedimentari (l'elemento è presente in una riserva localizzata nella litosfera);

• ciclo del fosforo;
• ciclo dello zolfo;
• ciclo del ferro.

Ciclo dell'azoto

Il ciclo dell'azoto è un ciclo biogeochimico con il quale l'azoto si muove principalmente tra l'atmosfera, il terreno e gli esseri viventi. Questo ciclo viene definito gassoso poiché il pool di riserva, cioè il serbatoio di questo elemento chimico, è appunto l'atmosfera, dove l'azoto occupa circa il 78% del volume totale.

L'importanza del ciclo per gli organismi viventi è dovuta alla loro necessità di assimilare azoto per la formazione di composti organici vitali, quali le proteine e gli acidi nucleici, ma, ad eccezione di particolari batteri (azotofissatori), l'azoto atmosferico non può essere direttamente assorbito dagli organismi e ciò rappresenta spesso un fattore limitante per lo sviluppo forestale.

Le piante, però, possono assimilare l'azoto tramite l'assorbimento di alcuni composti azotati (nitriti, nitrati e sali d'ammonio) che, disciolti nell'acqua, giungono fino alle loro radici. Una volta organicato nella fitomassa, l'azoto viene quindi trasferito agli organismi eterotrofi, come gli animali, mediante la catena alimentare. La decomposizione dei resti organici restituisce al terreno l'elemento, che può ritornare nell'atmosfera grazie all'azione di alcuni batteri specializzati.

Questo ciclo risulta molto complesso proprio perché l'atomo di azoto può entrare a far parte di un elevato numero di molecole: azoto molecolare, ammoniaca e sali d'ammonio, nitrati ed azoto organico. I processi chimici coinvolti per la loro formazione possono essere suddivisi in quattro tipi: azotofissazione, ammonificazione, nitrificazione e denitrificazione.

Denitrificazione:

La denitrificazione consiste nella riduzione dei nitrati ad azoto molecolare che ritorna in atmosfera chiudendo il ciclo dell'azoto. Una frazione dell'azoto molecolare viene lisciviata nel mare dalle acque di ruscellamento.

Questo processo è realizzato da batteri dei generi Pseudomonas e Clostridium in condizioni anaerobiche. La denitrificazione è una forma di respirazione anaerobica che usa il nitrato come accettore di elettroni in assenza di ossigeno. I batteri denitrificanti sono anaerobi facoltativi dal momento che possono vivere anche in presenza di ossigeno.

Fissazione:

Non essendo immediatamente assimilabile per la maggior parte dei viventi l'azoto deve essere convertito in forme utilizzabili chimicamente, secondo i processi di fissazione o azotofissazione, ammonificazione, nitrificazione, denitrificazione. L'azotofissazione è un processo riduttivo con cui l'azoto molecolare (N2) presente nell'atmosfera viene trasformato in ammoniaca (NH3). Questa trasformazione può avvenire sia con un processo industriale, detto di Haber-Bosch, sia naturalmente.

Il 90% della quantità fissata naturalmente è biologica; viene prodotto ammonio a partire dall'azoto molecolare.

Ammonificazione:

Un'altra fonte di ammoniaca per il suolo deriva dalla decomposizione dell'azoto organico, come gli amminoacidi presenti nei prodotti di rifiuto e nella sostanza organica in putrefazione. Questo processo è detto ammonificazione ed è attuato da particolari batteri decompositori e funghi che, degradando l'azoto amminico, liberano l'ammoniaca nel terreno, dove può reagire con diversi composti per formare dei sali d'ammonio.

Nitrificazione:

Le molecole d'ammoniaca, che vengono così liberate nel suolo, possono subire un'ossidazione da parte di batteri liberi, con un processo chiamato nitrificazione, in cui si distinguono i batteri nitrosanti, che trasformano lo ione ammonio in nitrito (NO2-), ed i batteri nitrificanti, che, a loro volta, ossidano i nitriti e contribuiscono alla produzione dei nitrati (NO3-). L'azoto presente nelle acque sotto varie forme può provocare fenomeni di eutrofizzazione e di anossia dei corpi idrici recettori e tossicità alla vita acquatica. Per l'abbattimento dell'azoto dalle acque di scarico sono disponibili sistemi: - biologici; - chimico-fisici.