RUOLO DELLE PIANTE NELLA
MITIGAZIONE DELL’INQUINAMENTO
ATMOSFERICO URBANO E DEL
RISCALDAMENTO GLOBALE
Paolo
Ciccioli
Istituto di Metodologie Chimiche del CNR
Area della Ricerca del CNR di Roma 1
Monterotondo Scalo
00015 ITALIA
Prima di parlare del ruolo delle piante
nell’ambiente atmosferico è importante
chiarire quali sono le specie chimiche
potenzialmente tossiche e nocive che
vengono usate per definire la qualità
dell’aria, comunemente chiamati
inquinanti atmosferici.
Tali specie vanno assolutamente distinte
da quelle che, pur non avendo un effetto
tossico e nocivo sull’uomo, gli animali e
le piante, sono però in grado di
aumentare il riscaldamento globale e gli
equilibri climatici della terra.
Inquinanti atmosferici e composti rilevanti per il
riscaldamento globale ed i cambiamenti climatici
INQUINANTI ATMOSFERICI
- Monossido di Carbonio (CO)
- Anidride solforosa (SO2)
- Biossido d’azoto (NO2)
- Ozono (O3)
- Particolato fine con diametro minore
di 10 or 2.5 µm (PM 10 and PM 2.5)
- Benzene (C6H6)
- Idrocarburi policiclici aromatici
come benzo (a) pyrene
- Acido fluoridrico
Legislazione nazionale ed europea.
Protocollo di Ginevra che regola
l’inquinamento transfrontaliero.
Limiti applicati alle concentrazioni
presenti in atmosfera. Azioni sulle
emissioni basati sull’eccedenza dai
limiti
COMPOSTI RILEVANTI PER IL
RISCALDAMENTO GLOBALE ED I
CAMBIAMENTI CLIMATICI
- Anidride Carbonica (CO2)
- Protossido di azoto (N2O)
- Metano (CH4)
Protocollo Kyoto
- Clorofluorocarburi (CFC) (gas serra
e responsabili della distruzione
dell’ozono stratoferico)
Protocollo di Montreal
- Polveri fine ed ultrafine (estinzione
radiazione solare incidente e
alterazione del ciclo idrologeologico
con aumento del volume delle
nubi).
Limiti alle quantità emesse calcolate
su base nazionale. Possibilità di
acquistare crediti di per compensare
l’eccesso per la CO emessa
Inquinanti primari e secondari
Gli inquinanti atmosferici possono essere sia primari
che secondari:
Primari= emessi direttamente da processi antropici (es.
benzene ed NO) e/o naturali (es.SO2 geotermale)
Secondari= formati per trasformazione chimica di
inquinanti primari
La più importante specie secondaria nell’atmosfera è
l’ozono (O3), che è usato anche come indicatore dello
smog fotochimico, principalmente perchè la sua alta
concentrazione ne permette il monitoraggio in continuo.
Tuttavia tale specie non è l’unica e neanche la più
tossica formata in atmosfera, in quanto l’inquinamento
fotochimico è anche responsabile dell’acidità
dell’atmosfera sia secca che umida.
L’ozono e gli ossidanti fotochimici si formano
per reazioni di NOx (NO+NO2) con VOC in
presenza della componente UV della
radiazione solare
[O3] = JNO2 K1
[NO2]
[NO]
VOC
Equilibrio foto-stazionario
Ciò avviene perché in presenza luce UV i VOC sono in
grado di reagire con specie radicaliche (OH.) dando
luogo alla produzione di specie perossidate in grado di
convertire NO in NO2 in maniera rapida ed efficiente.
Questo processo è facilmente comprensibile se si
rappresentano le principali reazioni fotochimiche sotto
forma di ciclo.
SENZA VOC
IN PRESENZA DI VOC
+hν
+hν
NO2
NO2
O 3p
NO
O 3p
NO
O3
+hν+H2O
OH.
O3
+hν+H2O
VOC
RCHO
R.
OH.
+O2
RO2.
RO.
+O2
HO2.
Purtroppo la produzione di ozono non è lineare in quanto
dipende sia:
1) Dalla concentrazione e reattività dei VOC verso i radicali
OH, che è diversa da composto a composto.
2) Che dal rapporto VOC/NOx.
La formazione di ozono e’ bassa sia quando :
a) Il rapporto VOC/NOx è troppo alto (> 15 come in aree forestali, rurali e
remote)
b) che quando il rapportoVOC/NOx è troppo basso (< di 4 come in aree
urbane fortemente inquinate da intenso traffico)
E’ invece elevata quando 4<VOC/NOx<15 (ciò avviene in aree
periurbane e suburbane poste sottovento ai grandi centri urbani)
Data la non-linearità dei processi fotochimici, la previsione
dei livelli di ozono in aria è molto problematica e richiede
complessi modelli matematici che funzionano per specifiche
scale temporali e spaziali.
Le reazioni fotochimiche sono importanti
perché insieme all’ozono si formano:
- Carbonili ( formaldeide, acetaldeide, acetone
ed acroleina)
- Nitrati organici reattivi (PAN)
- Acido nitrico (gassoso) e solforico (aerosol)
- Particolato fine (PM 2.5) costituito da solfati e
nitrati e aerosoli organici.
In episodi di smog fotochimico, gli aerosoli
aumentano a tal punto da ridurre la visibilità da
30-40 km a meno di 1 km.
Questi inquinanti danno ragione di molti degli
effetti avversi osservati sull’uomo, gli animali e
le piante, che, erroneamente, vengono spesso
attribuiti all’ozono
Lo smog fotochimico è un grande problema ambientale in
tutta l’area del Mediterraneo data la forte emissione di
VOC ed NOx ed il persistere di lunghi periodi
caratterizzati da elevata intensità della radiazione solare
e della temperatura.
Numero dei
casi in cui il
valore medio
diurno di
ozono eccede
il limite
prefissato
Fout
hν
Diffusione
Reazioni
z
Fin
Avvezione
Deposizione
Emissione
Fout
Dato che i limiti di legge sull’inquinamento fanno riferimento alla
concentrazione in aria ( cioè alla massa M di un inquinante X presente
in un dato volume V di aria), è utile rappresentare la parte bassa
dell’atmosfera (troposfera) come una serie di scatole (box) dove si
stabilisce un equilibrio dinamico tra differenti processi.
Mentre l’emissione degli inquinanti nell’atmosfera dipende dall’uomo,
la loro rimozione per deposizione dipende dalla natura della superficie.
Lo scambio di gas, l’altezza e lo stato reattività di ciascun box è
funzione invece delle condizioni meteorologiche ed orografiche del sito.
IL RUOLO PRIMARIO DELLE PIANTE NELLA
TROPOSFERA CONSISTE NELLA
RIMOZIONE
SIA DI INQUINANTI CHE DI GAS SERRA
ATTRAVERSO PROCESSI CHE FAVORISCONO LA
LORO DEPOSIZIONE SULLA SUPERFICIE
TERRESTRE
CHE PUO’ ESSERE MISURATA SIA COME
FLUSSO DI DEPOSIZIONE (O VELOCITA’ DI
DEPOSIZIONE) O SEMPLICEMENTE COME
QUANTITA’ ASSORBITA.
La rimozione di inquinanti da parte delle piante
può avvenire attraverso vari meccanismi
Adsorbimento di
Dissoluzione gas e ritenzione di
di composti particelle solide
organici nelle sulla superficie
cere della
cuticula
Dissoluzione di gas, acidi e sali in
goccioline di acqua depositate sopra la
superficie delle foglie e successiva
reazione dei composti disciolti in acqua
Cuticola
Epidermide
C
M
P
V
Camera stomatica
Stoma
A causa di ciò, le foglie
delle piante agiscono
essenzialmente da
collettori passivi di
molte specie chimiche
presenti nell’atmosfera
Diffusione di gas attraverso gli stomi
e loro rimozione per effetti metabolici
(CO2) o chimici (ozono)
Nelle piante, lo scambio gassoso (e conseguentemente la rimozione di
inquinanti gassosi dall’atmosfera) è regolato dalla radiazione solare (la
cui componente attiva per le piante è detta PAR). Essa determina infatti
l’apertura degli stomi e l’attivazione di alcuni processi metabolici tra
cui il più importante è la fotosintesi diurna, che trasforma la CO 2 in
ossigeno e zuccheri tramite il ciclo di Calvin.
In generale oltre il 95% del carbonio assimilato viene allocato per la
crescita dei vari compartimenti di una pianta o riemesso come
respirazione notturna.
Questo comporta una rimozione di CO2 che è strettamente
relazionata al ciclo diurno, allo stato fisiologico e
fenologico della pianta ed alla densità di biomassa fogliare
La Figura mostra l’andamento stagionale della rimozione di CO2 da
parte di una foresta cedua di Faggio dell’Appennino. Essa mostra
come la rimozione (indicata come un flusso negativo) avvenga
soltanto quando si ha lo sviluppo e la crescita delle foglie. In inverno
ed autunno, la foresta agisce invece come leggera sorgente di CO2.
6
emissione
4
2009
2008
-2
-1
NEEday (gC day
m )
2
0
-2
-4
-6
-8
rimozione
-10
-12
1
31
61
91
121
151
181
211
Giorno dell'anno
241
271
301
331
361
Nel caso di piante sempreverdi, la rimozione avviene praticamente per
tutto l’anno eccetto nei periodi molto freddi o nevosi, anche se è
leggermente inferiore a quella di latigoglie. La Figura si riferisce ad
una foresta di Pino nero della Sila.
6
4
2007
2008
151
181
-1
-2
NEEday (gC mday )
0
-2
2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
1
31
61
91
121
211
Giorno dell'anno
241
271
301
331
361
Come accade nell’uomo, le piante sono in grado di
metabolizzare non solo la CO2 ma anche composti tossici,
come l’ozono, la SO2, NO2 ed il PAN, che penetrano
all’interno della pianta per diffusione attraverso gli stomi.
Come per l’uomo, esiste però un soglia, al di là della quale,
si ingenerano danni irreversibili nel metabolismo vegetale.
Un eccesso di esposizione della pianta a livelli ripetuti e
prolungati di ozono, o SO2, può dunque indurre danni tali da
portare alla caduta ed al danneggiamento delle foglie.
Per questo motivo, alcune specie vegetali particolarmente
sensibili a danneggiamenti da ozono (come il Tabacco)
vengono usate per monitorare i livelli di questo inquinante
nell’atmosfera.
Le velocità di deposizione misurate in una foresta dell’Asia,
illustrano bene la capacità della vegetazione di rimuovere gli
inquinanti atmosferici. Tuttavia questa capacità è variabile a
seconda della stagione e del giorno e della notte.
Velocità di deposizione dell’ozono
stagione secca
0.37–0.39 cm s−1 (giorno) - 0.12–0.13 cm s−1 (notte)
Stagione umida
0.62–0.65 cm s−1 (giorno)- 0.25–0.27 cm s−1 (notte)
Velocità di deposizione di SO2
stagione secca
0.10–0.31 cm s−1 (giorno)- 0.08–0.11 cm s−1 (notte)
Stagione umida
0.95–1.39 cm s−1 (daytime) and 0.26–0.42 cm s−1 (nighttime)
in the wet season.
Come avviene per la CO2, la capacità di rimozione degli
inquinanti è proporzionale al grado di apertura degli stomi.
Nel caso in cui esistano fattori limitanti della fotosintesi
(come lo stress indotto da carenza di acqua) gli stomi si
chiudono e la capacità di rimozione diminuisce. I dati
mostrati si riferiscono ad macchia mista sulla spiaggia di
Castelporziano, vicino Roma.
Stato fisiologico normale
Stato di stress idrico
Tuttavia le piante non agiscono solo come elemento
di rimozione di specie chimiche, ma anche come
sorgenti di emissione di VOC capaci di produrre
ozono ed inquinamento fotochimico.
Isoprene
Monoterpeni
+ altri VOC
< 5% della CO2
assimilata
CO2
Legno, foglie suolo
(> 95 % della CO2
assimilata)
Le specie emesse sono indicate come VOC biogenici
(BVOC). Esse sono tante e diversi chimicamente.
I più importanti sono gli isoprenoidi costituiti da….
OH
I BVOC isoprenoidi mostrano però
delle caratteristiche generali…..
1) le quantità emesse sono più elevate o comparabili
rispetto ai VOC antropogenici (10:1 su scala globale,
1:1 in Italia)
2) Mostrano una reattività con i radicali OH a formare
ozono (isoprene>> monoterpeni) più elevata dei
composti antropogenici più reattivi
3) elevata reattività con l’ozono a formare Aereosoli
Organici Secondari < 2.5 mm (monoterpeni>> isoprene)
Variabilità nella produzione di ozono e particelle in
funzione della struttura chimica
In genere le piante possono emettere o solo
isoprene o solo monoterpeni. Solo in rarissimi
casi essi sono in grado di emettere ambedue i
tipi di isoprenoidi.
L’emissione può avvenire con due
meccanismi differenti:
a) L’emissione direttamente legata alla
fotosintesi, dipende sia dalla luce (PAR)
che dalla temperatura (meccanismo L+T)
b) L’emissione svincolata dalla
fotosintesi, dipende esponenzialmente
solo dalla temperatura (meccanismo T)
In passato si credeva che l’emissione dalle piante
fosse facilmente stimabile in quanto si pensava
che tutte le conifere emettessero monoterpeni con
meccanismo T, mentre tutte le latifoglie
emettessero isoprene con meccanismo L+T.
A seguito di studi effettuati in molte specie
mediterranee e tropicali, oggi sappiamo che ciò
non è vero. Esistono infatti conifere (Abete rosso)
in grado di emettere isoprene, ed esistono querce
(Leccio) in grado di emettere monoterpeni con un
meccanismo L+T. In molte piante questi due
meccanismi di emissione di monoterpeni possono
coesistere.
E’ stato anche accertato che specie credute
emettere grandi quantità di BVOC in realtà non
sono in realtà emettitrici
La Tabella illustra bene la complessità di prevedere
l’emissione di BVOC dalle piante senza misure effettuate
in condizioni controllate
30°C 1000 µE
ε°max Mt (L+T) and T
ε°max Iso (L+T)
ug g(DW)-1h-1
ug g(DW)-1h-1
Quercus cerris
<0.01
0.00
Castanea sativa
3.22
0.00
Fraxinus ornus
0.00
0.00
Quercus suber
37.86
0.00
Acer platanoides
0.14
0.03
Fagus sylvatica
11.19
0.06
Carpinus betulus
2.12
0.06
Fraxinus excelsior
0.27
0.00
Pinus pinaster
0.08
0.02
Specie
E’ importante notare come l’emissione di BVOC, come
del resto la rimozione di CO2, non sia costante perché
dipende fortemente sia dallo stato fisiologico che dalla
fenologia della pianta. La Figura mostra la grande
variabilità stagionale ed annuale nell’emissione di
monoterpeni da una foresta di leccio dell’Italia centrale.
Others
Limonene
Myrcene
beta-Pinene
Sabinene
alpha-Pinene
1000
ng m-2 s-1
800
600
400
200
0
5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45
Time (weeks)
VOC carbon emitted \ GPPsim carbon fixed [%]
Previsioni certe sono complicate dal fatto che la quantità di
BVOC emessa nell’arco dell’anno non risulta proporzionale
alla quantità di carbonio catturata dalle piante stesse. In
altre parole la quantità di CO2 allocata per la produzione di
BVOC non è costante durante l’anno.
3.0
2.0
1.0
0
100
200
Day of year
300
Considerata la complessità dei fattori in gioco, la
scelta delle specie da inserire in un contesto
urbano non è semplice, e richiede scelte oculate
che tengano conto dei vantaggi e degli svantaggi
in termini di rimozione di CO2 e produzione di
ozono ed ossidanti fotochimici.
Al momento non è stato ancora fatto un bilancio
per stabilire se, ed in che misura, la rimozione di
ozono ed inquinanti fotochimici vada a
controbilanciare la loro produzione.
In mancanza di questi dati si possono dare solo
delle indicazioni generali sulla scelta delle specie,
basate sulle informazioni disponibili.
Certamente specie a crescita rapida, quali il pioppo,
massimizzerebbero la rimozione di CO2 ma solo nel
periodo in cui le foglie sono presenti, e proprio in questo
periodo si avrebbero emissioni tali di isoprene (ε°=60-70
µg g h-1) da incrementare certamente lo smog fotochimico
in aree periurbane .
La scelta di conifere consentirebbe una rimozione
continua, anche se minore di CO2, ed una minore
produzione di ozono (ε°= 1-5 µg g h-1), ma aumenterebbe di
certo il livello del PM10 e PM2.5.
Piante come il cerro , l’ulivo o il frassino che sarebbero
ideali per minimizzare la produzione di ozono in quanto
non emettono praticamente BVOC (ε°<0.1 µg g h-1),
potrebbero non essere vantaggiose per la rimozione di
CO2, in quanto la crescita delle foglie e della massa
legnosa è in queste specie assai modesta e lenta.
Infine va ricordato che, dopo un certo periodo, le piante
raggiungono comunque uno stato di equilibrio per cui la
quantità di CO2 assorbita eccede solo di poco quella
emessa
L’introduzione di specie vegetali in aree
urbane, se fatto con criteri adeguati, di certo
rappresenta un passo importante per la
riduzione di inquinanti e di gas serra
nell’atmosfera.
Tuttavia questa pratica diventa realmente
efficace solo se combinata con sforzi analoghi
volti a limitare l’emissione antropica sia di CO 2
che di VOC, particolato e, soprattutto NOx.
Non può essere vista come una panacea in
grado, da sola, di risolvere tutti i problemi
delle aree urbane italiane.
