http://www.bo.ibimet.cnr.it
Inquinamento urbano:
qual’ é il ruolo delle piante?
RITA
Foto del Dr. Luigi Nobilio
BARALDI
RICERCA
Produttori e
Fornitori di piante
•
Progettisti del verde
(amministrazioni
pubbliche e private)
Fornire informazioni aggiuntive inedite e specifiche sull’impatto ambientale che diverse
specie botaniche in uso nelle città possono causare o subire in funzione delle loro
caratteristiche fisiologiche e morfologiche, che vanno a completamento delle comuni
indicazioni delle caratteristiche botaniche, agronomiche e colturali
http://www.bo.ibimet.cnr.it
WE CARE FOR CLEAN AIR!
PELI FOGLIARI
CATTURA
PARTICOLATO
PARTICOLATO
MITIGAZIONE
INQUINAMENTO
IBIMET: RICERCA SCIENTIFICA
Analisi fisiologicabiochimica
Ecofisiologia
Analisi strutturale
Fisica dell’atmosfera
MicrometeorologiaMeteorologia
Caratterizzazione dell’impatto ambientale
di specie vegetali di utilizzo in ambito
urbano mediante la stima
Assorbimento
CO2
atmosferico
La concentrazione della CO2 atmosferica è aumentata del 30%
dall’inizio della rivoluzione industriale e sta ancora aumentando
CO2
1960
2003
2010
Le piante sono gli organismi più indicati per
LIMITARE l’aumento della CO2
Immagine tratta da http://trinityconsultants.com
La capacità di assorbire CO2 varia in
funzione della luce, temperatura,
superficie totale fogliare della pianta,
tassi di crescita
Sequestro di CO2
Alto
Basso
Salix fragilis (salice)
Salix caprea
Larix deciduous
(larice)
Malus domestica
Prunus laurocerasus Alnus glutinosa
Chamaeciparis
Tilia europea
lowsoniana (cipresso)
Alnus incana
Populus (pioppi)
Betula pendula
(betulla)
Salix alba
Fraxinus
Sambucus niger
Acer pseudoplatanis Ulmus campestris
(olmo)
Alnus cordata
Acer platanoides
Quercus robur
Quercus rubra
Pinus sylvestris
Acer campestris
Prunus avium
Corynus avellana
(nocciolo)
Rex acquifolium
(agrifoglio)
Quercus petrea
http://www.es.lancs.ac.uk/cnhgroup/iso-emissions.pdf
Caratterizzazione dell’impatto ambientale
di specie vegetali di utilizzo in ambito
urbano mediante la stima
e
Rimozion
i
inquinant
Assorbimento
CO2
atmosferico
INQUINAMENTO URBANO
Inquinanti gassosi
Particolato
Gli alberi influiscono sulla qualità dell’aria in 2 modi
BENZENE, TOLUENE
OSSIDI DI AZOTO, OZONO
DIOSSINA, FURANI
ANIDRIDE SOLFOROSA
Le foglie assorbono
gas inquinanti e CO2
e producono
ossigeno
Foglie che
intercettano le
particelle
Direttamente: effettiva rimozione
del particolato e degli inquinanti
gassosi attraverso le foglie per
ASSORBIMENTO
STOMI
ADSORBIMENTO
CUTICOLA
ACCUMULO E
DISATTIVAZIONE
OSSIDAZIONE
METABOLICA
Aria
pulita
Strato di foglie
che filtrano più
efficacemente
Camion
Indirettamente:
Indirettamente semplicemente agendo come
entità fisica (ostacolo) modificano la velocità
del vento e la turbolenza influendo quindi sulla
concentrazione locale degli inquinanti
atmosferici
La capacità metabolica dipende
dal sistema enzimatico che è
specifico per ogni specie
TUTTE LE PIANTE ASSORBONO E MITIGANO
PIANTE ERBACEE
ARBUSTI
ALBERI
TUTTE LE PIANTE ASSORBONO E MITIGANO
Balconi fioriti
Parchi
Orticoltura urbana
Strade centrali
Pareti verdi
Giardini
Tetti verdi
Le piante rimuovono tutti gli inquinanti dall’aria (Nowak 1995)
Alcune piante funzionano meglio di altre nel rimuovere polveri
e inquinanti dall’aria
Alcune specie assorbono più di altre:
POTENZIALE SPECIE-SPECIFICO
INQUINANTI GASSOSI
CARATTERISTICHE FOGLIA
DENSITA’ E MORFOLOGIA DEGLI STOMI
SPESSORE E STRUTTURA DELLA CUTICOLA
MAGGIORE E’ LA DENSITA’ STOMATICA E LO SPESSORE DELLA
CUTICOLA E MAGGIORE E’ LA CAPACITA’ DI ASSORBIRE
INQUINANTI ALLO STATO GASSOSO
PROPRIETA’ FISICO-CHIMICHE DEGLI INQUINANTI
CONDIZIONI CLIMATICHE
CARATTERISTICHE PIANTA
STRUTTURA DELLA PIANTA
TASSI DI ACCRESCIMENTO
LONGEVITA’ DELLA PIANTA
SEMPREVERDE, DECIDUA, ANNUALE, PERENNE
RESISTENZA DELLA PIANTA AGLI INQUINANTI
POLVERI SOTTILI
Le piante come filtri biologici
per polveri
Polveri inalabili (PM10, 5, 2.5)
polvere, fumo, microgocce di liquido emessi da industrie,
centrali termoelettriche, autoveicoli, e cantieri.
Nelle città l’80% delle PM10 deriva
dal traffico
PARTICOLATO
Complessa miscela di sostanze organiche
ed inorganiche , sospese in atmosfera sia in
forma liquida che gassosa.
Particolato (PM) può avere diverse
dimensioni:
Grossolano
> 10 μm
Sottile
< 2,5 μm
Ultrasottile
< 1 μm
•
La Figura riporta i tipi di
particelle con diametro
inferiore a 10 µm più
comuni nell’atmosfera e la
distribuzione dei loro
diametri
Particolamente
importanti le
particelle molto
piccole (0.1 mm)
Quelle emesse da
combustione contengono
la quantità più elevata di
composti organici
cancerogeni e mutageni e
penetrano all’interno degli
alveoli polmonari.
In un' area urbana si riscontra una prevalenza di sintomi respiratorii tre volte
superiore rispetto ad una zona rurale (asma, bronchiti, enfisema, allergie…)
Ogni specie ha una diversa
capacità di cattura delle polveri sottili
MICRO-struttura della foglia
STOMI: n° e forma
ORNAMENTAZIONI
CUTICOLARI
RIVESTIMENTI CEROSI
NERVATURE
PELI o TRICOMI
rugosità e viscosità:
maggiore è la RUGOSITA’ maggiore è la CATTURA delle polveri
La capacità delle piante di ridurre gli inquinanti dipende dalla Velocità di deposizione e
dall’Efficienza di cattura degli inquinanti, parametri specifici per ogni specie (Beckett et al.,
2000)
Pinus nigra
Cypress
Le conifere sono più efficienti nella cattura
del particolato rispetto alle latifoglie grazie
alla maggiore superficie fogliare e
Sorbus
Acer
intermedia
Populus
campestris
complessità strutturale
PARTICOLATO
La deposizione degli
inquinanti è maggiore
negli alberi rispetto agli
arbusti
Maggiore
superficie fogliare
Struttura della chioma
più complessa =
movimenti turbolenti
dell’aria
Caratterizzazione dell’impatto ambientale
di specie vegetali di utilizzo in ambito
urbano mediante la stima
ne
o
i
z
o
Rim
sti
o
p
m
co
nti
a
n
i
u
inq
Emissione di
Composti
Organici
Volatili VOC
Assorbimento
CO2
atmosferico
Emissione di Composti Organici Volatili (VOC)
dalle piante
Le sostanze emesse dalle piante conosciute fino ad oggi sono circa 1700. Tutti gli
organi vegetali sono in grado di emettere tali comosti (foglie, fiori, radici)
Le piante: fonti di composti organici volatili (VOC) (tratto da Elmar Uherek del Max Planck Institute for Chemistry,
Mainz/Germany (http://www.atmosphere.mpg.de/enid/2__Greenhouse__light___biosphere/-_emissons_kv.html
Su scala globale i VOC emessi dalle piante sono 10 volte più
abbondanti di quelli emessi dall’uomo e le specie chimiche
rilasciate sono molto più reattive di quelle di origine antropica
1200 Tg/y
460 isoprene
120 monoterpeni
500 alcoli, aldeidi e
chetoni
103 Tg/y
Areni, alcani, alcheni,
chetoni and alcoli
Il ciclo completo di ossidazione dell'ozono. Immagine: Anja Kaiser © ESPERE
Guenther A., in Reactive Hydrocarbons in the Atmosphere (1999) C.N. Hewitt Edr., Academic Press, New York, pp. 98-116
α-pinene
Le piante producono e rilasciano nell’aria
sostanze organiche volatili (VOC)
limonene
Le sostanze odorose vengono percepite
dall’uomo….
α-pinene
VOC
limonene
……..ed anche dagli insetti
VOC come MESSAGGERI CHIMICI
… ATTRATTIVO
percepito dagli
INSETTI
IMPOLLINATORI…
…ma anche repellente e
deterrente per INSETTI che
sono DANNOSI alle stesse
piante
Perché i VOC sono importanti per l’ambiente?
I VOC modificano le proprietà chimiche e fisiche
dell’atmosfera
Nell’atmosfera i BVOC svolgono una duplice azione in funzione della
presenza o meno di inquinanti antropogenici.
Ambiente naturale
VOC
NOx
Ossidazione
dei VOC
-O3
Quando gli NOx sono assenti i BVOC “puliscono” l’atmosfera
dall’ozono
Nell’atmosfera
BLUE HAZE: I terpeni reagiscono con l’ozono a formano piccole
particelle organiche (aerosols) che diffondano la luce blu
Blue Ridge Highlands (Virginia, USA)
Blue Mountains (Australia)
Great Smokey Mountains
Cosa succede in città?
NOx
In presenza di alte
concentrazioni di NOx i
VOC iniziano delle reazioni
che portano all’ aumento
dell’ozono troposferico
+O3
VOC
VOCs
Quercus rubra
Pinaceae (Picea)
palma
Isoprene
Salicaceae (Quercus)
Fagaceae (Populus)
Palmaceae (Chamaerops)
Alcune felci
pioppi
Monoterpeni
Canfene Carene
Limonene mircene
Pinene sabinene
Conifere
Lamiaceae (Salvia, Rosmarinus)
Apiaceae
Rutaceae (Citrus)
Myrtaceae (Myrtus, Eucalyptus)
Astearaceae
Linalolo eucaliptolo
conifere
rosmarino
limone
INDICE POF: POTENZIALE DI FORMAZIONE DELL’OZONO
POF: B*[(Eiso*Riso) + (Emono*Rmono)]
B=BIOMASSA FOGLIARE
E=TASSO DI EMISSIONE
R=REATTIVITA’composti
emessi
Simulazioni matematiche relative a scenari diversi di pianificazione del
verde urbano segnalano che, se si scelgono specie con basso POF,
l’effetto di mitigazione dell’ozono è positivo
Tratto da: “Le piante e l’inquinamento dell’aria. G. Lorenzini e C. Nali. Springer
Caratterizzazione dell’impatto ambientale di specie vegetali di utilizzo in
ambito urbano mediante la stima dell’emissione di composti organici volatili
(VOC) e dell’assorbimento di CO2 e inquinanti atmosferici
Quercus cerris
Tilia cordata
Prunus avium
Malus everest
Liquidambar styraciflua
Liriodendrum tulipifera
Acer platanoides
Fraxinus ornus
Fraxinus excelsior
Carpinus betulus
Acer campestre
Crataegus monogina
Cercis siliquastrum
Catalpa bungei
Betula pendula “Youngii” Koelreuteria paniculata
Parrotia persica
Robinia pseudoacacia
Morus alba “Pendula”
Sophora japonica
Analizzatore a raggi
infrarossi localizzato
nella cuvetta
Per ciascuna specie le
misure sono state effettuate
inserendo le foglie nella
cuvetta di un sistema
portatile di misura della
fotosintesi (LI-6400XT) per
determinare
e l’emissione di VOC
PAR= 1000 µmolm-2s-1
T = 30°C
L’attività fotosintetica (CO2
assorbita)
Analisi chimiche nel laboratorio
Desorbimento termico
Gascromatografia
5890-5970
Spetrrometria di massa
Ion chromatogram
7890-5975
µmoli CO2
assorbita per
metro2 fogliare al
secondo
ASSORBIMENTO DELLA CO2
Alto
> 13
Medio
10-13
Basso
0 - 10
Tilia cordata
Crataegus monogyna
Fraxinus ornus
Cercis siliquastrum
Robinia pseudoacacia
Acer campestre
Malus everest
Quercus cerris
Acer platanoides
Prunus avium
Parrotia persica
Morus alba pendula
Betula pendula youngii
Carpinus betulus
Liriodendron tulipifera
Fraxinus excelsior
Liquidambar styraciflua
Catalpa bungeii
Sophora japonica
Koeleuteria paniculata
5
8
7
mg di C10H16 per
metro2 fogliare
all’ora
Emissione di VOC
Alto
>1
Medio
0.1 - 1
Basso
< 0.1
Liquidambar styraciflua
Koelreuteria paniculata
Malus evereste
Carpinus betulus
Tilia cordata
Liriodendron tulipifera
Robinia pseudoacacia
Sophora japonica
Fraxinus ornus
Quercus cerris
Crataegus monogyna
Fraxinus excelsior
Acer campestre
Acer platanoides
Prunus avium
Cercis siliquastrum
Catalpa bungeii
Morus alba “Pendula”
Parrotia persica
Betula pendula “Youngii”
2
6
12
Indice di POF: potenziale di formazione dell’ozono
(g O3 pianta-1 giorno-1)
Basso
<1
Fraxinus ornus
Quercus cerris
Crataegus monogyna
Fraxinus excelsior
Acer campestre
Acer platanoides
Prunus avium
Malus everest
Carpinus betulus
Tilia cordata
Cercis siliquastrum
Catalpa bungei
Morus alba “Pendula”
Parrotia persica
Betula pendula “Youngii”
Robinia pseudoacacia
Medio
1 - 10
Alto
> 10
Liquidambar styraciflua
Koelreuteria paniculata
Liriodendron tulipifera
Sophora japonica
Nei nostri laboratori…….
Analisi della struttura fogliare:
• MALUS ‘EVEREST’
• LIQUIDAMBAR STIRACIFLUA
• CARPINUS BETULUS
• LIRIODENDRON TULIPIFERA
• ACER PLATANOIDES
• QUERCUS CERRIS
• PRUNUS AVIUM
• FRAXINUS ORNUS
• CRATAEGUS MONOGYNA
• FRAXINUS EXCELSIOR
• ACER CAMPESTRE
12. TILIA CORDATA
13. KOELREUTERIA PANICULATA
14. MORUS PENDULA
15. CATALPA BUNGEI
16. SOPHORA JAPONICA
17. CERCIS SILIQUASTRUM
18. PARROTIA PERSICA
19. BETULA ‘’YOUNGEII’
20. ROBINIA PSEUDOACACIA
Diverse sono le metodologie sviluppate per stimare l’efficienza di cattura degli
inquinanti dalle piante
OSSERVAZIONI ANATOMICHE E MORFOLOGICHE:
MICROSCOPIO OTTICO:
OTTICO per studiare le strutture anatomiche
SEM (Microscopio Elettronico a Scansione): per studiare la micro-morfologia delle foglie
Esup
Tot
PPI
PPtot
La%
PL
POTENZIALITA’ DI ASSORBIMENTO DEGLI INQUINANTI ATMOSFERICI
INQUINANTI GASSOSI:
SPAZI
INTERCELLULARI
TESSUTO
LACUNOSO
SCAMBI
GASSOSI
DENSITA’ STOMATICA
Maggiore è il numero di
stomi, maggiore è la
potenzialità di assorbire
inquinanti gassosi
TESSUTO A
PALIZZATA
ATTIVITA’
FOTOSINTETICA
ASSORBIMENTO
INQUINANTI
COEFFICIENTE DI
PALIZZATA
COEFFICIENTE DI PALIZZATA)
% LAMINA FOGLIARE OCCUPATA DAL
PARENCHIMA A PALIZZATA E
LACUNOSO
Spessore del
palizzata X 100
Spessore del
lacunoso
Fraxinus excelsior
(Frassino comune)
Alto CP =
Bassa potenzialità
Fraxinus ornus
(Orniello)
Basso CP =
Alta potenzialità
Specie
Coefficiente
di palizzata
Indice di
mitigazione
A. campestre
MEDIO
••
ALTO
•
C. monogyna
ALTO
•
F. excelsior
ALTO
•
F. ornus
MEDIO
••
L. styraciflua
MEDIO
••
L. tulipifera
MEDIO
••
M. domestica
MEDIO
••
P. persica
MEDIO
••
Q. cerris
MEDIO
••
C. betulus
DENSITA’ STOMATICA= N° STOMI per mm2
Bassa densità stomatica = basso potenziale di assorbimento
Specie vegetale
N.
stomata
Carpinus betulus
DENSITA’
STOMATICA
A. campestre
570
ALTA
C. betulus
222
MEDIA
C. monogyna
192
MEDIA
F. excelsior
240
MEDIA
F. ornus
261
L. styraciflua
518
ALTA
L. tulipifera
106
MEDIA
M. domestica
454
ALTA
P. persica
493
ALTA
Q. cerris
619
Quercus cerris
Alta densità stomatica = alto potenziale di
assorbimento
MEDIA
ALTA
POTENZIALITA’ DI CATTURA DEGLI INQUINANTI ATMOSFERICI
POLVERI SOTTILI:
SUPERFICIE FOGLIARE
PELI
CERE
MICRO- RUGOSITA’
Rugosità e viscosità:
La cattura delle PM10 aumenta all’aumentare della
viscosità, mentre per le polveri sottili (PM2,5; PM1)
è la rugosità che influenza positivamente la loro
cattura.
PARTICOLATO
DENSITA’ DEI PELI FOGLIARI
Liquidambar styraciflua
Parrotia persica
Quercus cerris
Malus domestica “Evereste”
PARTICOLATO
MICRO-RUGOSITA’ DELLE FOGLIE
Crataegus monogyna
Liriodendron tulipifera
Scabrosità
cuticolari
Quercus cerris
Parrotia persica
Superficie
liscia
Obiettivo finale:
• costruire una banca dati strutturata in una serie di
schede innovative che offrano per le diverse specie
botaniche di maggiore interesse vivaistico e in uso
nelle città, assieme alle comuni indicazioni delle
caratteristiche botaniche, agronomiche e colturali,
informazioni aggiuntive inedite e specifiche
sull’impatto ambientale che esse possono causare o
subire in funzione delle loro caratteristiche
fisiologiche e morfologiche
Capacità potenziale di mitigazione ambientale: Bassa
SPECIE
Acer campestre
Acer platanoides
Betula pendula “youngii”
Carpinus betulus
Catalpa bungeii
Crataegus monogyna
Cercis siliquastrum
Fraxinus excelsior
Fraxinua ornus
Koelreuteria paniculata
Liquidambar styraciflua
Liriodendron tulipifera
Malus evereste
Morus alba pendula
Parrotia persica
Prunus avium
Quercus cerris
Robinia pseudoacacia
Tilia cordata
Sophora japonica
ASSORBIMENTO
FOGLIARE CO2
SEQUESTRO E
ACCUMULO CO2 PER
PIANTA
EMISSIONE DI VOC
Media
FORMAZIONE
POTENZIALE DI
OZONO (O3)
Alta
ASSORBIMENTO
DI INQUINANTI
GASSOSI
CATTURA DI
POLVERI
PIANIFICAZIONE DEL VERDE URBANO
E’ accertato quindi che esistono
piante che meglio si prestano ad
essere utilizzate in ambienti a forte
pressione antropica. Come da sempre
sosteniamo, occorre una oculata
scelta dell’albero giusto al posto
giusto perchè tante sono le variabili
che possono giocare un ruolo
importante sulla qualità dell’aria.
Qualità dell’aria
Tutte le specie analizzate
sono da considerarsi idonee
per l’arredo urbano ed
extraurbano
Mitigazione Inquinanti atmosferici
Malus evereste
Quercus cerris
gas
Parrotia persica
polveri
Ozono
Mitigazione Inquinanti
atmosferici
Liriodendron tulipifera
Carpinus betulus
Crataegus monogyna
gas
polveri
Ozono
Mitigazione Inquinanti
atmosferici
Acer campestre
Fraxinus ornus
gas
polveri
Fraxinus excelsior
Ozono
Mitigazione CO2 atmosferica
Acer platanoides
Tilia cordata
Tilia cordata
CO2
Betula pendula youngii
Ozono
Nella progettazione di aree verdi occorrerà valutare l’associazione migliore
tra le specie in funzione delle caratteristiche ecofisiologiche delle piante,
dell’ ambiente in cui si debbono inserire e della mitigazione che si vuole
ottenere
Ozono
gas
CO2
Koelreuteria paniculata
Liquidambar styraciflua
polveri
MODELLISTICA ECOFISIOLOGICA
UFORE. "Urban Forest Effects"
STRATUM (Street Tree Resource Analysis Tool
for Urban-Forest Managers)
dai dati di un censimento, la struttura del popolamento in esame (disposizione, composizione, copertura),
consentono di
QUANTIFICARE i benefici ambientali ed economici derivanti dalla mitigazione da parte delle piante.
Forest Service dell’USDA-USA
Occorre applicare un modello, che tenga conto al meglio delle caratteristiche
microclimatiche, fisiologiche e morfologiche della specie
VOC
Scambio netto con
l’atmosfera
componenti strutturali della
chioma e stagionalità
componenti del microclima
radiativo
+
quantità di CO2 rimossa ANNUALMENTE
20 Kg di CO2/anno
1 ettaro: 5-6 ton/anno
CO2 immagazzinata COME BIOMASSA sotto forma di carbonio
0.4-1 ton durante il suo
ciclo vitale
Parco Ducale
Tree number
(4975)
Tilia spp
Acer campestris
Ulmus minor
Aesculus hippocastanum
Species
20 - 40 cm
Diameter
(22 ha)
40 - 80 cm
CO2 sequestrata da un albero
Diametro del
tronco
Il sequestro di CO2 dipende dalle dimensioni delle piante
COMPENSAZIONE ANNUALE DEL PARCO DUCALE
+ uso auto giornaliero (= 1,10 t CO2)
emette in totale
1,1 t CO2
1 auto emette 110g CO2 / km
uso giornaliero = 10000 km / anno
CO2 sequestrata:
160 t/anno
145
NO2: 100 Kg/anno
20
SO2: 83 Kg/anno
18
PM10: 228 Kg/anno
2200
SOLUZIONI, IDEE, SVILUPPI INNOVATIVI
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y Ne lso n GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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