I composti organici volatili di origine biogenica (BVOC) nell ... - CNR

I composti organici volatili di originebiogenica (BVOC) nell’atmosfera eloro ruolo nei cambiamenti climaticiP. Ciccioli 1 , F. Loreto 21Istituto di Metodologie Chimiche, CNR, Roma, Italia2Istituto di Biologia Agro-Ambientale e Forestale, CNR, Roma, Italiapaolo.ciccioli@imc.cnr.itSOMMARIO: Vengono qui riassunti i risultati principali delle ricerche svolte sui composti organici volatili diorigine biogenica (BVOC) emessi o assorbiti da ecosistemi terrestri, che contribuiscono al clima ed ai cambiamenticlimatici globali per effetto serra o per produzione di ozono e di aerosoli organici secondari (SOA).1IL PROBLEMA SCIENTIFICOÈ ormai unanimemente riconosciuto (Kanakidouet al., 2005) che i BVOC con tensione divapore superiore a 0.13 KPa svolgono un ruolofondamentale negli equilibri climatici potendoagire sia come gas serra, che come produttoridi ozono troposferico e SOA. Particolarmenteefficace sul clima è l’impatto deiSOA perché si comportano da nuclei di condensazionedelle nubi (CCN). Fra i BVOC responsabilidel riscaldamento dell’atmosfera vaannoverato il metano, la cui emissione da partedelle piante terrestri è però ancora oggetto didiscussione. Tra quelli che concorrono alla formazionedi ozono e SOA, vanno annoverati essenzialmentei composti isoprenoidi (isoprene,monoterpeni, sesquiterpeni). Ozono e SOA siformano per ossidazione fotochimica degli isoprenoidiin presenza di NO+NO2 (NOx) e radiazioneUV. Il massimo dell’efficienza si raggiungequando 15>[BVOC]/[ NOx]>4. Al difuori di questo intervallo, la reattività di questicomposti decade rapidamente. Mentre incondizioni ottimali l’isoprene è un forte produttoredi ozono ma contribuisce poco o nullaalla formazione di SOA, i monoterpeni ed isesquiterpeni producono minori quantità diozono ma quantità molto maggiori di SOA.Presenti stime indicano che su scala globale isoli monoterpeni danno ragione di più del50% dei SOA presente nella troposfera, e chequest’ultima rappresenta una frazione variabiletra il 20 ed il 90% della massa totale degliaerosoli sottili ed ultrasottili (Kanakidouet al., 2006). L’esatta quantificazione deglieffetti dei BVOC sul clima è resa però difficiledall’alto numero e la diversa reattività deicomposti, dalla notevole incertezza sui fattoridi emissione e dalla limitata conoscenza deiprocessi di trasformazione in relazione allacapacità ossidativa dell’atmosfera. In particolare,i processi biochimici di formazione edemissione degli isoprenoidi non sono ancoracompletamente noti e ancora meno noto èl’impatto che sull’ emissione hanno gli stressbiotici ed abiotici. Per questi motivi la ricercasui BVOC stata avviata al CNR sin dal 1984.2 ATTIVITÀ DI RICERCAL’attività di ricerca svolta negli ultimi anni èstata focalizzata allo studio dei processi biochimicie fisiologici alla base dell’emissionedi BVOC ed alla parametrizzazione ed allamodellizzazione delle emissioni di BVOC allivello di ecosistema. La validazione degli algoritmie dei modelli, necessaria per generareuna cartografia GIS utile ai fini della modellizzazioneambientale, ha richiesto lo sviluppodi tecniche micro-meteorologiche avanzateper la misura dei flussi.637

Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNRPer lo studio dei processi in condizioni controllate,sono state costruite camere per la misuradell’emissione di BVOC mediante la tecnicadello scambio gassoso sia a livello fogliareche a livello di pianta intera. Esse consentonodi determinare sia l’emissione diBVOC che la fotosintesi e l’evapotraspirazionein funzione dei principali parametri ambientalie degli stress di tipo abiotico (ozono,siccità) e biotico (attacco degli insetti) a cui lapianta è soggetta. Un esempio dell’apparecchiaturausata per lo studio di questi stress èmostrato in Figura 1.Lo studio dei pathways metabolici è stato resopossibile dallo sviluppo di sofisticate tecnichedi marcamento isotopico con 13 CO 2 (Loretoet al., 1996), che permettono di seguire inmodo dettagliato i vari processi che soprassiedonoalla produzione ed all’emissione deiBVOC dalle piante. In tutte queste investigazionisi è fatto un uso intensivo di tecnicheanalitiche all’avanguardia basate sulla spettrometriadi massa e la gas cromatografia.Per la misura dei flussi di BVOC da ecosistemiforestali, sono state sviluppate tecnichemicro-meteorologiche innovative, quali laRelaxed Eddy Accumulation (REA) ed ilMiddle Layer Boundary Approach (MLA)che consentono di verificare in campo le osservazionieffettuate in laboratorio e di valutarele eventuali perdite causate dalla reattivitàatmosferica all’interno della canopy(Ciccioli et al., 2003). Una foto del sistemaREA è mostrata in Figura 2.Una metodologia originale è stata infine sviluppataper produrre mappe georeferenziatedelle emissioni biogeniche dei singoli componential fine di modellare in modo accuratoi loro processi ossidativi.dagli autori della presente nota in una piantaMediterranea (leccio) (Ciccioli et al., 1997;Loreto et al., 1996), ha rappresentato un notevolecontributo alla conoscenza scientifica.Esso è senz’altro uno dei risultati più brillantiottenuti dal progetto Europeo BEMA coordinatodal CNR. Tra le specie che seguono questotipo di meccanismo è stato recentementeindividuato anche il faggio, una delle piantepiù comuni nelle aree forestali in Italia ed inEuropa. I risultati di questa ricerca, svolta incollaborazione con il Max Plank Institute diMainz, (Dindorf et al., 2006) hanno mostratoche, contrariamente a quanto riportato, talespecie è un forte emettitore di monoterpeni edè potenzialmente in grado di influenzare notevolmenteil clima in Europa sia mediante laproduzione di ozono che quella di SOA. Èstato inoltre confermato, attraverso il marcamentoisotopico (Noe et al., 2006), come alcuneconifere dell’area Mediterranea (Pinuspinea) seguano anch’esse lo stesso meccanismoemissivo dei monoterpeni, che normalmenteè tipico delle angiosperme forestali.Per quel che concerne i flussi, la tecnica REAè stata per la prima volta impiegata per seguirele variazioni stagionali in un sito forestaleitaliano e per stabilire definitivamente l’importanzadella stagionalità nella modellizzazionedelle emissioni (Ciccioli et al., 2003).3 RISULTATI RILEVANTINegli ultimi anni è stato visto che un numerosempre maggiore di piante presenti nelle areetemperate e tropicali emettono monoterpenisecondo un meccanismo che dipende sia dallaluce che dalla temperatura. Tale meccanismo,che è stato osservato per la prima voltaFigura 1: Fotografia della camera di scambio gassosousate per lo studio dell’impatto sull’emissione di isoprenoidiindotta dall’esposizione ad ozono in collaborazionecon il Research Centre Jülich, Germany, Institute Phytosphere(ICG-III), Dr Juergen Wildt.638

Impatti dei cambiamenti climaticiFigura 2: Fotografia del sistema REA usato per la misuradei flussi di BVOC in un bosco di leccio localizzato all’internodella Tenuta Presidenziale di Castelporziano.Ciò ha consentito inoltre di validare i terminicorrettivi sviluppate sulla base di esperimentidi laboratorio. La tecnica MLA è stata sperimentatacon successo nell’isola di Pianosanell’ambito del progetto CNR PIANOSALAB. In questo studio è stato possibile compararedirettamente i flussi di BVOC misuraticon quelli stimati attraverso una modellizzazionedell’emissione reale.I risultati ottenuti dalle ricerche svolte dal nostrogruppo di ricerca indicano che una completarevisione delle stime attuali delle emissionidi BVOC in Italia ed in Europa è assolutamentenecessaria. L’emissione di monoterpeniin grado di produrre SOA è infatti moltopiù elevata di quanto previamente stimato,mentre è più bassa quella dell’isoprene. Datoil tipo di circolazione esistente in Italia, gli aerosoliformati da BVOC possono contribuirein modo decisivo al livello di PM10, PM2.5misurato nelle aree urbane e suburbane.I risultati delle ricerche effettuate dal nostrogruppo di ricerca in aree tropicali, boreali etemperate hanno convinto i colleghi Americania rivedere le metodologie da loro usate nellostudio dell’emissione dei BVOC, in quantoesiste una possibilità reale che anche alcunedelle specie vegetali presenti in quel continenteemettano monoterpeni secondo il meccanismoindividuato in Italia.Nello studio dell’impatto degli stress abioticisull’emissione di BVOC, risultati originalisono stati recentemente ottenuti nell’ambitodei progetti Marie Curie ISONET e ESF-VOCBAS, coordinati da uno degli autori. Taliricerche hanno ad esempio identificato a)relazioni tra la quantità di isoprenoidi emessie la chiusura stomatica che a sua volta influenzagli scambi di energia e materia tra atmosferaed atmosfera (Barta e Loreto, 2006);e b) che gli isoprenoidi possono proteggere lepiante da stress da ozono detossificando efficacementequesto inquinante all’interno dellefoglie (Loreto e Fares, 2007).Per quel che concerne il metano, sono stati direcente pubblicati i risultati di una modellizzazioneche riporta per la prima volta una stimarealistica del sink di questo composto daparte dei suoli agricoli e forestali italiani (Castaldiet al., 2007)4 PROSPETTIVE FUTURELe metodologie sviluppate rappresentano unabase di lavoro solida per poter ottenere i datidi emissione di BVOC, che sono fondamentaliper qualsiasi tipo di modellizzazione voltaa valutarne l’impatto sul clima. Tuttaviamolto lavoro rimane ancora da fare, soprattuttoper quel che concerne la conoscenza deglieffetti sull’emissione causati dall’aumentodella CO 2 e dagli stress, in particolare quelloidrico e da ozono, destinati ad aumentare nell’areaMediterranea a seguito dei cambiamenticlimatici in corso. Inoltre vanno ancora determinatii fattori di emissione di BVOC dimolte specie vegetali importanti sul territorionazionale, di cui ancora si sa poco o nulla. Inquesto senso si sta lavorando attivamente nelprogetto CARBOITALY che, avviato nel2006, terminerà tra due anni.5BIBLIOGRAFIA ESSENZIALEBarta C., Loreto F., 2006. The relationshipbetween the methylerythritol phosphate(MEP) pathway leading to emission of vo-639

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