Master Energia in Gioco. Ridurre le emissioni, un impegno non più eludibile Problema emissioni e utilizzo del bioindicatore Sporobolomyces roseus per rilevare la presenza di alcuni inquinanti nell’area napoletana




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Master Energia in Gioco.

Ridurre le emissioni, un impegno non più eludibile

Problema emissioni e utilizzo del bioindicatore Sporobolomyces roseus per rilevare la presenza di alcuni inquinanti nell’area napoletana.

Tutor Prof.

Marco Guida Marco Di Tella

Scuola Classe

Istituto Salesiano “Sacro Cuore” V Scientifico B

Via Scarlatti, 29 Napoli


Alunni che hanno scritto la tesi:

Criscuolo Giorgio

Evangelista Andrea

Gaudino Aldo Gianmarco

Russo Marco

Sabatino Domenico

Sicilia Anna Chiara

Vitale Claudio

Abstract

Nella stesura della tesi ci è sembrato opportuno partire da un’analisi minuziosa del problema spiegando in primo luogo cosa sia l’atmosfera, le principali fonti dell’inquinamento atmosferico e in secondo luogo mostrando le conseguenze che esso produce sul clima e sulla salute umana, animale e vegetale. Dopodiché abbiamo enunciato le normative più importanti riguardanti le emissioni di inquinanti in atmosfera. Abbiamo, inoltre, definito cosa sia il biomonitoraggio, illustrato il lavoro pratico svolto presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II, Polo delle Scienze e delle Tecnologie con il bio-indicatore Sporobolomyces roseus nell’area napoletana e la metodologia seguita inserendoci in un progetto di ricerca già avviato. Infine sono state tratte le conclusioni con i dati in nostro possesso.



Indice

Introduzione…………………………………………………………………………….. 4

Capitolo 1. Analisi del problema………………………………………………………. 5

1.1 Atmosfera terrestre………………………………………………………………… 5

1.2 Inquinamento atmosferico…………………………………………………………. 8

1.3 Fonti principali di inquinamento………………………………………………….. 12

1.4 Conseguenze sull’uomo…………………………………………………………….. 15

1.5 Conseguenze sulla flora e fauna…………………………………………………… 18

1.6 Conseguenze sul clima……………………………………………………………… 21

Capitolo 2. Normative sulle emissioni…………………………………………………. 28

2.1 Normative Mondiali………………………………………………………………… 28

2.2 Normative Europee…………………………………………………………………. 35

2.3 Normative Italiane………………………………………………………………….. 39

Capitolo 3. Biomonitoraggio…………………………………………………………… 48

3.1 Cosa è il biomonitoraggio…………………………………………………………... 48

3.2 Bioindicatori………………………………………………………………………… 50

3.3 La zonazione meteorologica………………………………………………………... 51

Capitolo 4. Sporobolomyces roseus…………………………………………………….. 54

4.1 Cosa è lo Sporobolomyces roseus…………………………………………………… 54

4.2 Lo Sporobolomyces roseus come bioindicatore e i suoi vantaggi………………… 55

Capitolo 5. Materiali e metodi…………………………………………………………. 56

5.1 Area di indagine…………………………………………………………………….. 56

5.2 Urtica dioica…………………………………………………………………………. 57

5.2.1 Perchè l’Urtica dioica…………………………………………………………….. 57

5.3 Protocollo operativo………………………………………………………………… 58

5.3.1 Campionamento…………………………………………………………………... 58

5.3.2 Preparazione campioni…………………………………………………………… 58

4.3.3 Terreni utilizzati…………………………………………………………………... 59


5.3.4 Incubazione………………………………………………………………………... 59

5.3.5 Lettura…………………………………………………………………………….. 59

5.3.6 Come isolare una colonia…………………………………………………………. 60

Capitolo 6. Risultati e conclusioni……………………………………………………... 62

Capitolo 7. Fonti………………………………………………………………………… 64

7.1 Bibliografia………………………………………………………………………….. 64

7.2 Sitografia…………………………………………………………………………….. 65
Introduzione
L’inquinamento atmosferico, derivante dalle emissioni costantemente in crescita negli ultimi anni è divenuto argomento di dibattito quotidiano non solo per le autorità mondiali ma anche per gran parte della popolazione sempre più terrorizzata dagli effetti che esso determina sulla salute degli esseri viventi e sulla natura e gli effetti che potrebbe determinare sul clima.

Normative, limitazione, protocolli e molto altro è stato stabilito ed emanato ufficialmente per far fronte al problema emissioni ma fino ad ora non si sono raggiunti i risultati previsti, infatti la situazione odierna sta evolvendo verso una condizione sempre più critica.

Dunque è necessario individuare una soluzione al problema, una via di fuga da una possibile condizione futura tutt’altro che rosea.

Nella nostra attività teorica dunque abbiamo eseguito un’analisi dettagliata della situazione e cercando di dimostrare che il problema è divenuto realmente un impegno “non più eludibile”!

Invece la nostra attività pratica è stata svolta all’ “Università degli studi di Napoli Federico II, Polo delle scienze e delle tecnologie” con il coordinamento del professore universitario Marco Guida e l’aiuto di alcuni suoi collaboratori, ed è consistita nel monitoraggio della temperatura, umidità, irraggiamento UVB e presenza del lievito Sporobolomyces roseus sulle foglie della Urtica dioica. Questo lavoro è stato possibile farlo poiché il professore ci ha inserito in un suo progetto già in corso fornendoci gli strumenti atti alle misurazioni.


Capitolo 1. Analisi del problema



    1. Atmosfera terrestre

L'atmosfera terrestre è l'involucro di gas che riveste il pianeta Terra. I principali componenti chimici presenti sono: Azoto (78%), Ossigeno (21%), Argon (0,93%), Vapore acqueo (variabile 0-5%), Biossido di carbonio (0,032%), neon (0,00181%), elio (0,0005%), metano (0,0002%), idrogeno (0,00005%), kripton (0,000011%), xeno (0,000008%), ozono (0,000004%). Essa ha una struttura piuttosto complessa ed è divisa in più strati, chiamati sfere, che in ordine di altezza sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, ionosfera, esosfera (Fig.1.1).




  • Troposfera

La troposfera costituisce la prima fascia in cui si divide l'atmosfera ed e' la parte più vicina alla superficie terrestre ed è di conseguenza, quella che ci e’ nota in maniera diretta. Si estende dalla superficie fino ad un'altezza di 10 chilometri ai poli e di 18 chilometri all'equatore. Qui è possibile la vita, infatti, la troposfera costituisce insieme ad una parte del sottosuolo, alla massa delle acque e alla superficie terrestre, la biosfera.  In questa parte dell'atmosfera hanno luogo processi indispensabili, importanti nel determinare il clima di ogni area della Terra. Nella troposfera si raccoglie quasi tutto il vapore acqueo che da luogo a nubi, pioggia, neve e grandine. Le diverse temperature presenti all'interno della troposfera determinano, inoltre, movimenti e spostamenti di masse d'aria da una parte all'altra del pianeta.


  • Stratosfera

La stratosfera, partendo dalla superficie terrestre, può essere considerata il secondo strato dell'atmosfera. Oggi è al centro di particolari studi e ricerche: qui, infatti, si trova lo strato di ozono determinante per la vita sulla Terra e progressivamente aggredito dai cosiddetti gas serra. La stratosfera costituisce, quindi, la parte dell'atmosfera su cui si fa sentire maggiormente la pressione delle attività umane e degli stili di vita vigenti nei paesi industrializzati. Dalla stratosfera e dal suo strato di ozono dipende l'innalzamento della temperatura in tutto il pianeta.

Figura 1.1



Mesosfera

E' lo strato dell'atmosfera al di sopra della stratosfera separato da questa da una zona di transizione, detta stratopausa, alla temperatura di circa 0 °C. Nella mesosfera, che si estende sino a 80 km, la temperatura sale prima leggermente per la presenza di ozono (O³), poi discende rapidamente sino a circa -70 °C. In essa si forma la maggior parte dell'ozono atmosferico e si osservano le scie luminose delle meteore, chiamate popolarmente anche "stelle cadenti". Inoltre s'osservano pure alcune aurore polari particolarmente basse.


Nella mesosfera avviene inoltre la trasformazione delle particelle di grande energia provenienti dallo spazio (raggi cosmici primari) in particelle meno energetiche (raggi cosmici secondari), con conseguente formazione di uno strato atmosferico di ioni (particelle dotate di carica elettrica). Questo strato, detto strato D, fa parte di uno strato più ampio chiamato ionosfera.
Termosfera

Lo strato di transizione tra mesosfera e termosfera è chiamato mesopausa ed è caratterizzato da temperature estremamente basse che vanno da -70 °C a -100 °C. In questa zona, a latitudine maggiori di circa 45° nord o sud, nei mesi che vanno dalla fine della primavera ad autunno inoltrato, si possono talvolta osservare nubi dalle caratteristiche molto particolari, dette nubi nottilucenti, che si vedono splendere sopra l'orizzonte in direzione dei poli nelle ore attorno a mezzanotte. Non è chiaro il meccanismo attraverso il quale si formano, poiché l'aria ad altezze così grandi è secca ed è generalmente ritenuta priva di nuclei di solidificazione. E' possibile però che questi nuclei siano particelle di polvere meteorica.


Ionosfera

Con il termine ionosfera si intende convenzionalmente la regione dell'alta atmosfera che si estende da 50 a 1000 km circa sopra la superficie terrestre in cui la densità di elettroni e ioni liberi raggiunge valori fisicamente rilevanti tali da influenzare sensibilmente l'indice di rifrazione nei riguardi delle radioonde. Tale ionizzazione, che e' più bassa negli strati ionosferici inferiori e cresce negli strati più alti, e' prodotta principalmente dalle radiazioni UV e, in misura minore, dai raggi X provenienti dal Sole. A causa della rotazione terrestre, essa segue un andamento diurno ed è quindi massima a mezzogiorno.


Riguardo il processo di ionizzazione oltre al Sole, che fornisce il massimo contributo, bisogna considerare anche i raggi cosmici che, seppur in minima parte, sono causa anche loro della presenza di elettroni e ioni liberi nell'atmosfera; inoltre variazioni più o meno importanti nella distribuzione della ionizzazione sono prodotte da qualsiasi tipo di fenomeno di trasporto e di propagazione ondosa che caratterizza l'atmosfera stessa. Ed e' proprio a causa della sua estrema sensibilità nei confronti di fenomeni atmosferici di vario tipo che la ionosfera può essere utilizzata come un sensibile indicatore di variazioni atmosferiche e equatoriali.


  • Esosfera

L'esosfera è la zona dell'atmosfera terrestre al di sopra di 500 chilometri di altezza ed è lo strato più esterno. A differenza della termosfera, l'esosfera ha una temperatura cinetica costante (circa 2000°C) ed è a diretto contatto con le particelle provenienti dallo spazio esterno una sorta di zona di confine tra il vuoto cosmico e l'atmosfera terrestre. L'esosfera è lo stato più esterno dell'atmosfera. Le particelle gassose che superano la velocità di movimento di 11,2 km/s (detta "velocità di fuga") abbandonano l'atmosfera e si disperdono nello spazio esterno. Si tratta perlopiu’ di particelle con elementi leggeri, quali l'idrogeno o l'elio. Tali particelle tendono a disperdersi nell’ambiente a causa della bassa forza gravitazionale che agisce su di esse.
1.2 Inquinamento atmosferico
Inquinamento atmosferico è un termine che indica tutti gli agenti fisici (particolati), chimici e biologici che modificano le caratteristiche naturali dell'atmosfera e possono causare effetti misurabili sull’essere umano, sugli animali e sulla vegetazione. In particolare la parte V del D.Lgs. n. 152/06 definisce i concetti di inquinamento atmosferico come "ogni modificazione dell'aria atmosferica, dovuta all'introduzione nella stessa di una o di più sostanze in quantità e con caratteristiche tali da ledere o da costituire un pericolo per la salute umana o per la qualità dell'ambiente oppure tali da ledere i beni materiali o compromettere gli usi legittimi dell'ambiente" e di emissione in atmosfera di "qualsiasi sostanza solida, liquida o gassosa introdotta nell'atmosfera che possa causare inquinamento atmosferico".

L'impossibilità di individuare le proprietà di un ambiente incontaminato di riferimento induce a introdurre il concetto di inquinamento atmosferico stabilendo uno standard convenzionale per la qualità dell'aria. Si ritiene quindi inquinata l'aria la cui composizione eccede nei limiti stabiliti per legge allo scopo di evitare effetti nocivi sull'uomo, sugli animali, sulla vegetazione, sui materiali o sugli ecosistemi in generale.

Il problema dell’inquinamento dell’aria risale addirittura al 1273, anno in cui le autorità della città di Londra proibirono l’impiego del carbone come combustibile in quanto “pregiudizievole per la salute”(Garzanti).

I contaminanti atmosferici possono essere di origine antropica cioè prodotti dall’uomo, come i gas di scarico degli autoveicoli, le emissioni di industrie oppure di origine naturale, come le eruzioni vulcaniche.

Solitamente gli inquinanti sono distinti in due gruppi:


  • primari cioè gli inquinanti direttamente immessi nell’atmosfera dalle sorgenti. Il monossido di carbonio è un esempio di inquinante primario, perché è un sottoprodotto della combustione.

  • secondari che si formano successivamente in atmosfera attraverso reazioni chimico-fisiche degli inquinanti primari: la formazione di ozono nello smog è un esempio di inquinante secondario.

Esistono inoltre inquinanti, come il particolato fine, in cui, secondo molti studi, si equivalgono numericamente le componenti primarie e secondarie.

L’inquinamento può essere di due tipi:



  • Di tipo acuto: immissioni, per brevi periodi e ad elevate concentrazioni, di sostanze inquinanti. Determinano danni immediati e gravi soprattutto nei soggetti più deboli.

  • Di tipo cronico: le concentrazioni di sostanze inquinanti sono basse, ma vengono emesse lunghi periodi.

La dispersione degli inquinanti atmosferici è regolata dalle condizioni meteorologiche e dalla topografia locale. Le concentrazioni degli inquinanti al livello del suolo sono funzione sia della turbolenza meccanica sia dell’intensità del vento. È stato dimostrato inequivocabilmente che i più gravi episodi di inquinamento atmosferico sono spesso associati a basse velocità del vento e a fenomeni di inversione termica durante i quali uno stato di area calda ricopre in quota un’intera regione. Se la topografia locale comprende barriere montuose, gli inquinanti non riescono a disperdersi normalmente e possono raggiungere concentrazioni pericolose. Condizioni di questo tipo si ebbero in Belgio, nella vallata della Mosa tra Seraing e Huy, nel periodo 1-5 dicembre 1930 quando gran parte della popolazione accusò gravi disturbi e si ebbero 60 morti; la causa delle affezioni e dei decessi fu attribuita ai fumi solforosi della locale industria pesante.(Garzanti)
Le modalità di produzione e di liberazione dei vari inquinanti sono estremamente varie, allo stesso modo sono moltissime le variabili che possono intervenire nella loro diffusione in atmosfera, così che l’inquinamento causato da queste sostanze negli ambienti aperti è definito esterno (o outdoor), mentre l’inquinamento nei luoghi confinati, come gli edifici, è indicato come inquinamento interno o indoor. La qualità dell’aria negli ambienti confinati è, infatti, spesso indicata come Indoor Air Quality.

Finora sono stati catalogati circa 3.000 contaminanti dell’aria, prodotti per lo più dalle attività umane con i vari processi industriali, con l’utilizzo dei mezzi di trasporto o in altre circostanze, quindi si conviene classificarli per gruppi. Alcuni di essi sono:




  • Composti dello zolfo

Normalmente gli ossidi di zolfo presenti in atmosfera sono l’anidride solforosa (SO2) e l’anidride solforica (SO3); questi composti vengono anche indicati con il termine comune SOx. Le loro sorgenti principali sono la decomposizione biologica, la combustione dei derivati del petrolio e di materia organica, lo spray marino e le eruzioni vulcaniche.
L’anidride solforosa o biossido di zolfo è un gas incolore, irritante, non infiammabile, molto solubile in acqua e dall’odore pungente. Dato che è più pesante dell’aria, tende a stratificarsi nelle zone più basse.
Il biossido di zolfo, che costituisce il 95% del totale delle emissioni antropiche di zolfo, deriva dall’ossidazione dello zolfo nel corso dei processi di combustione delle sostanze che contengono questo elemento sia come impurezza, come i combustibili fossili(in particolare gasolio, olio combustibile, carbone) che come costituente fondamentale. Esso rappresenta l’inquinante atmosferico per eccellenza essendo il più diffuso, uno dei più aggressivi e pericolosi e di gran lunga quello più studiato.
Dall’ossidazione dell’anidride solforosa si origina l’anidride solforica o triossido di zolfo che reagendo con l’acqua, sia liquida sia allo stato di vapore, origina rapidamente l’acido solforico, responsabile in gran parte del fenomeno delle piogge acide. Dato che la reazione di ossidazione che conduce alla formazione dell’anidride solforica è molto lenta, e data la reattività di questo composto con l’acqua, in genere la concentrazione del triossido di zolfo varia fra l’1 e il 5% della concentrazione del biossido di zolfo (che è considerato l’inquinante di riferimento).


  • Composti dell'azoto

Pur essendo presenti in atmosfera diverse specie di ossidi di azoto, per quanto riguarda l’inquinamento dell’aria si fa quasi esclusivamente riferimento al termine NOx che sta ad indicare il monossido di azoto (NO) e il biossido di azoto (NO2). La miscela di NOx emessa è costituita per lo più da NO, mentre buona parte dell'NO2 ha origine secondaria e si forma in atmosfera per ossidazione del monossido. L’ossido di azoto (NO) è un gas incolore, insapore ed inodore; è anche chiamato ossido nitrico. E’ prodotto soprattutto nel corso dei processi di combustione ad alta temperatura assieme al biossido di azoto (che costituisce meno del 5% degli NOx totali emessi).La tossicità del monossido di azoto è limitata, al contrario di quella del biossido di azoto che risulta invece notevole.
Il biossido di azoto è un gas tossico di colore giallo-rosso, dall’odore forte e pungente e con grande potere irritante; è un energico ossidante, molto reattivo e quindi altamente corrosivo. Il ben noto colore giallognolo delle foschie che ricoprono le città ad elevato traffico è dovuto per l’appunto al biossido di azoto. Rappresenta un inquinante secondario dato che deriva, per lo più, dall’ossidazione in atmosfera del monossido di azoto. Il biossido di azoto svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog fotochimico.
Si stima che gli ossidi di azoto contribuiscano per il 30% alla formazione delle piogge acide (il restante è imputabile al biossido di zolfo e ad altri inquinanti). Da notare che gli NOx vengono per lo più emessi da sorgenti al suolo e sono solo parzialmente solubili in acqua, questo influenza notevolmente il trasporto e gli effetti a distanza.


  • Composti del carbonio

In questa categoria i principali composti inorganici sono il monossido di carbonio (CO) e il biossido o anidride carbonica (CO2). L'anidride carbonica prodotta dalle attività umane deriva dai processi di combustione. Mentre fino ad un secolo fa le emissioni erano bilanciate dalla rimozione da parte della vegetazione mediante la fotosintesi clorofilliana, il brusco aumento delle emissioni (causato dall'ampio uso di combustibili fossili) ha portato all'aumento delle concentrazioni di fondo. L'interesse che si è sviluppato attorno a questo composto è dovuto alle modificazioni climatiche su scala planetaria di cui potrebbe essere responsabile. Il monossido di carbonio è un gas incolore, inodore, infiammabile, ed è considerato altamente tossico in quanto avendo affinità con l'emoglobina impedisce l'ossigenazione dei tessuti. Esso è generato durante la combustione di materiali organici quando la quantità di ossigeno a disposizione è insufficiente; ha un tempo di residenza in atmosfera di circa un mese ed è rimosso mediate reazioni fotochimiche in troposfera.



  • Polveri

Il particolato è composto da particelle allo stato solido o liquido che, grazie alle loro piccole dimensioni, restano sospese in atmosfera per tempi più o meno lunghi; le polveri totali sospese o PTS vengono anche indicate con l’acronimo PM (Particulate Matter). Spesso il particolato rappresenta l’inquinante a maggiore impatto ambientale nelle aree urbane, tanto da indurre le autorità competenti a disporre dei blocchi del traffico per ridurne la concentrazione.
Il particolato nell’aria può essere costituito da diverse sostanze: sabbia, ceneri, polveri, fuliggine, sostanze silicee di varia natura, sostanze vegetali, composti metallici, fibre tessili naturali e artificiali, sali ed elementi. Le polveri PM10 rappresentano il particolato che ha un diametro inferiore a 10 micron, mentre le PM2,5, che costituiscono circa il 60% delle PM10, rappresentano il particolato che ha un diametro inferiore a 2,5 micron. Queste sono anche dette inalabili poiché sono in grado di penetrare nel tratto superiore dell’apparato respiratorio.


  • Idrocarburi Policiclici Aromatici

Gli IPA sono dei contaminanti organici presenti diffusamente nell’ambiente che si formano per combustione incompleta di materiali organici, in particolare il legno ed i combustibili fossili. Le molecole degli IPA sono costituite da due o più anelli benzenici. Appartengono a questa famiglia alcune centinai di composti molto eterogenei tra di loro, ma i più tossici sono le molecole che hanno dai quattro ai sette anelli. Gli IPA sono dei sottoprodotti di combustioni incomplete.

  • In più un altro gas non trascurabile è l’ozono, un gas tossico di colore bluastro, costituito da molecole instabili formate da tre atomi di ossigeno (O3); queste molecole si scindono facilmente liberando ossigeno molecolare (O2) ed un atomo di ossigeno estremamente reattivo (O3 —> O2+O). Per queste sue caratteristiche l’ozono è quindi un energico ossidante in grado di demolire sia materiali organici che inorganici. Nella stratosfera la sua presenza protegge la superficie terrestre dalle radiazioni ultraviolette emesse dal Sole. L’ozono presente nella troposfera è un componente dello smog fotochimico che si origina soprattutto nei mesi estivi in concomitanza con un intenso irraggiamento solare. Gli ossidi di azoto e i composti organici volatili vanno incontro ad un complesso sistema di reazioni fotochimiche indotte dalla luce ultravioletta che porta alla formazione di sostanze tossiche e altamente ossidanti.



    1. Fonti principali di inquinamento



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