Nel Carbonifero (100 milioni di anni fa) la fissazione del C è stata in eccesso rispetto alla respirazione così si è avuto la formazione di depositi fossili di carbone, che per lungo tempo sono state riserva di CO₂. Questo è il ciclo terrestre.

In acqua la CO₂ si discioglie facilmente e viene usata dal fitoplancton che fa la fotosintesi emettendo ossigeno che viene usato dai consumatori, decompositori e dagli stessi produttori, che la rimettono in circolo. Sia produttori che decompositori determinano anche un deposito di CaCO₃ (contenuto nel loro scheletro) sul fondo del mare. Inoltre negli oceani è presente un sistema tampone che limita l'eccesso di CO₂ nell'atmosfera: se aumenta nell'atmosfera, allora una parte finisce disciolta nell'acqua.

L'azione umana

L'uomo interviene nel ciclo del C bruciando combustibili fossili, con le pratiche agricole (arature) e con il disboscamento (legno e ossidazione di humus). Questi ultimi due provocano la perdita di humus e un aumento di CO₂ in atmosfera, inoltre si ha una diminuzione del flusso di acque acide (molibdeno, zinco, .) e quindi la conseguente dissoluzione di questi nelle rocce.

La concentrazione di CO₂ è aumentata notevolmente nell'ultimo secolo: nel 1850 era di 284 ppm, oggi è di 326 ppm. Le principali fonti sono le combustioni di carburanti fossili[1]. Ciò potrebbe portare ad un aumento della temperatura a causa dell'effetto serra, anche se non tutti sono d'accordo, infatti dicono che le polveri emesse assieme alla CO₂ provocheranno un raffreddamento che andrà a bilanciare la temperatura.

Ciclo dell'azoto e fissazione simbiotica

Il più vasto serbatoio è la troposfera (78%), che è alimentato anche da gas vulcanici. Gli organismi usano N in varie forme chimiche per sintetizzare proteine, acidi nucleici e altri composti, e quello non utilizzato va a finire negli escrementi, quindi l'azoto viene riemesso sotto forma di ione ammonio: questa è la fissazione biologica.

Ne esiste anche una non biologica fatta dai fulmini, che con la loro scarica elettrica rompono il triplo legame dell'N₂ ossidandolo in NO₂ e NO₃; questi reagendo con il vapor d'acqua formano acido nitrico (HNO₃) che cade al suolo con le precipitazioni.

L'azoto molecolare non può essere usato direttamente, ma deve essere convertito in composti solubili in acqua (NO₃^-, NH₄⁺ e NH₃). La fissazione biologica passa attraverso la nitrificazione fatta dai cianobatteri o da batteri (Rhizobium) che vivono in simbiosi con le radici delle leguminose[2], rendono così l'azoto assimilabile dalle piante (ammoniaca e ione ammonio). La nitrificazione si completa, grazie ad altri batteri, con l'ossidazione dell'ammonio a nitrito e di questo a nitrato.

Nel corso della decomposizione avviene la denitrificazione, sempre a opera di batteri (anaerobi eterotrofi): gli ossidi di N sono ridotti ad azoto molecolare o a biossido di azoto e restituiti all'atmosfera.

Una parte dell'azoto contenuto in acqua dolce viene sepolta nei sedimenti marini.

L'azione umana

Immettendo nell'atmosfera grandi quantità di NO coi processi di combustione ad alta temperatura; aumenta così l'acido nitrico nelle precipitazioni: piogge acide.

Il prodotto agricolo può essere migliorato con la rotazione agraria, coltivando alternativamente con erba medica o trifoglio e cereali, per favorire la denitrificazione, infatti troppo azoto nel terreno può aumentare il raccolto. Se si usano troppi fertilizzanti, questi favoriscono lo sviluppo di batteri denitrificanti e questi producono NO₂, gas che contribuisce all'effetto serra e alla distruzione dell'ozono.

Arricchendo le acque con ioni nitrato e ammonio derivanti dal dilavamento, scarichi delle fogne e di allevamenti agricoli, questi sono alimento per le alghe che proliferano. Si ha cioè l'eutrofizzazione degli ecosistemi acquatici. L'aumento di biomassa in decomposizione (catena del detrito: mucillagine) consuma ossigeno e uccide i pesci.

I legumi sono ricchissimi di proteine (proprio grazie all'azoto) ciò potrebbe risolvere la mancanza di carne nei paesi meno sviluppati.

Ciclo del fosforo

È un ciclo sedimentario: la fonte principale sono le rocce vulcaniche e sedimentarie, da cui il P inorganico passa lentamente ai suoli, poi per erosione e dilavamento passa nel mare. Qui una parte va a finire nei sedimenti profondi e viene perduto, l'altra va nei sedimenti litoranei e viene utilizzata dai pesci, poi passa negli uccelli e il P ritorna sulla terra nello loro deiezioni (guano), che sono un ottimo fertilizzante.

Il P è un elemento nutritivo essenziale per piante e animali. Il P parte come fosfato inorganico nel terreno, viene assorbito dagli autotrofi, poi passa agli eterotrofi (fosfato organico) e ritorna in circolo grazie ad una azione batterica.

L'azione umana

L'uomo interviene immettendo fosfato inorganico dagli scarichi di allevamenti e culture e da quelli delle città. In alcuni ambienti marini provoca eutrofizzazione (alghe) e la scomparsa totale dei pesci.

Ciclo dello zolfo

Lo S fissato nelle rocce sedimentarie (pirite e gesso) passa nei suoli e nelle rocce con la degradazione, mentre quello emesso dai vulcani (H₂S e SO₂) viene immesso nell'atmosfera o nell'acqua (eruzioni subacquee e sorgenti termali). Lo S passa in atmosfera dal mare per via biologica attraverso la produzione delle alghe nella zona eufotica degli oceani e a causa della attività umane attraverso la combustione di olio e carbone e processi di raffineria e fonderie.

Le trasformazioni operate dai solfobatteri hanno un ruolo molto importante, attraverso ossidazioni e riduzioni in rapido flusso.

Lo zolfo atmosferico si ossida rapidamente in acido solforico che cadendo sulla terra con la pioggia provoca le piogge acide. Queste sono dannose si per la terra (quelle con poco calcare) che per l'acqua (plancton).

Inquinamento dell'aria

Gli inquinanti rientrano in cinque gruppi principali: CO, NO_x (scarichi delle auto), So_x (combustione del carbone), composti organici volatili (idrocarburi) e particelle sospese. A questi si può aggiungere l'ozono e il Pb. Le principali fonti sono i trasporti, le industrie, combustione di impianti fissi e le discariche.

Il disboscamento, oltre ad introdurre nell'ambiente CO₂, espone il suolo da cui si libera NO₂, lo stesso gas emesso dai fertilizzanti naturali.

Le centrali elettriche e le industrie bruciano carbone e le loro ciminiere emettono grandi quantità di SO₂, NO e particelle sospese. In seguito alle prime lamentele le aziende, anziché installare dei filtri, hanno alzato le ciminiere sopra lo strato di inversione termica, inquinando le zone lontane sottovento! Si formavano nel frattempo inquinanti secondari, come l'acido solforico e l'acido nitrico: nasceva così il problema delle piogge acide. Esse indeboliscono la resistenza delle piante, che risultano stressate e deboli. Soprattutto sulle foglie aghiformi delle conifere il rivestimento di cera protettiva e la clorofilla si danneggiano, perciò il nutrimento è minore, anche a causa del fatto che dal suolo vengono asportati Ca, Mg e altre sostanze nutritive, allora si perde la chioma e la pianta comincia a morire. Esse possono anche causare varie malattie respiratorie (e forse anche il cancro) e infine deteriorano monumenti cittadini[3]. Si ha anche acidità dell'acqua, soprattutto nei laghi nei quali si verifica formazione di metil-mercurio che penetra nei tessuti adiposi ed entra nella catena alimentare. In Italia i suoli sono abbastanza protetti dagli acidi suddetti per la presenza di carbonato di calcio che ha un effetto tampone.

L'ozono, deriva dall'ossigeno, ma i suoi effetti quando è sottoposto a radiazioni ultraviolette sono molto dannosi, perché interviene una somma di effetti a catena (sinergismo tra NO₂ e idrocarburi incombusti) con formazione di smog fotochimico. Questo fenomeno avviene soprattutto d'estate quando l'illuminazione solare è prolungata.

Ciclo dell'ossigeno e degli elementi non essenziali

L'ossigeno partecipa a tutti i suddetti cicli. L'ossigeno atmosferico si rimette in ciclo ogni 2000 anni, combinandosi con C, N e S; tra le sue fonti, oltre all'acqua (da cui lo estrae la fotosintesi) a alla CO₂, vi sono quindi gli ioni solfato e solfato. Da questo l'ossigeno viene estratto per riduzione da parte di microrganismi. Altre reazioni a cui partecipa l'ossigeno sono l'alterazione dei minerali contenenti Fe la combinazione tra ossigeno molecolare e atomico, che produce ozono.

Tra gli elementi non essenziali troviamo: stronzio 90 (radioattivo, deriva dalla fissione nucleare dell'uranio e può essere immesso in atmosfera a causa delle perdite delle centrali, quando si ha una ricaduta al suolo di queste particelle si forma un fall out, allora esse entrano nelle catene alimentari arrivando fino all'uomo e fissandosi nelle ossa indebolendole), cesio 137 (radioattivo, rilevato soprattutto dopo l'esplosione di Chernobyl, oggi ancora molto presente nei funghi), mercurio (è molto nocivo e attacca il sistema nervoso, deriva dagli scarichi delle industrie minerarie e manifatturiere), cromo, rame e zinco (anch'essi possono diventare tossici se presenti in grandi quantità).

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