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La chimica del carbonio

I cicli biogeochimici

Tutti gli atomi dei composti chimici che vanno a formare la materia vivente sono destinati a ritornare nell'ambiente fisico, andando a costituire ``serbatoi'' da cui, nell'arco di tempi più o meno estesi, vengono di nuovo prelevati per fabbricare altra sostanza organica, e così via. In tal modo, si instaura una circolazione degli elementi chimici dagli organismi all'ambiente e viceversa, secondo un complesso e fondamentale gioco di processi in equilibrio dinamico, che prendono il nome di cicli biogeochimici.

I principali cicli biogeochimici sono quelli del carbonio, dell'ossigeno e dell'azoto, detti anche cicli gassosi in quanto le riserve o serbatoi principali dei rispettivi elementi sono principalmente costituiti da gas atmosferici: diossido di carbonio, ossigeno e azoto, questi ultimi in forma di molecole biatomiche (altri due importanti cicli naturali sono il ciclo del fosforo e il ciclo dello zolfo).

Ciclo del carbonio e ciclo dell'ossigeno

Il ciclo del carbonio, strettamente intrecciato al ciclo dell'ossigeno (v. fig. 21.1), si svolge attraverso due tappe fondamentali:

  1. fissazione del diossido di carbonio atmosferico, CO2, cioè sua trasformazione in composti organici, per mezzo della fotosintesi operata dalle piante terrestri e marine; in questa fase si forma contemporaneamente ossigeno, O2 (che proviene dalla dissociazione dell'acqua).
  2. Ritorno del diossido di carbonio all'atmofera in seguito all'ossidazione biologica della materia organica (respirazione, decomposizione o fermentazione per opera di batteri e funghi) e alle reazioni di combustione (incendi di vegetazione e uso di combustibili fossili). In tutti questi processi viene consumato ossigeno.

Una piccola frazione di carbonio si accumula nei fondali oceanici come sedimenti costituiti da resti di alghe e di animali marini, i cui gusci o scheletri sono formati da carbonato di calcio insolubile. Questi sedimenti danno origine nel tempo a rocce calcaree. Negli strati superiori dell'atmosfera l'ossigeno per azione della radiazione solare si trasforma parzialmente in ozono, che assorbe i raggi ultravioletti dannosi per gli esseri viventi, riformando di nuovo ossigeno.

Ciclo dell'azoto

Il ciclo dell'azoto inizia con la fissazione dell'azoto molecolare (N2) — non utilizzabile direttamente dalla maggior parte degli esseri viventi —, cioè con la sua trasformazione in composti inorganici (per esempio, in forma di ammoniaca o di ione ammonio, di nitrati e di nitriti). Ciò può avvenire in seguito a reazioni che si svolgono nell'atmosfera provocate dalla luce solare (reazioni fotochimiche) o dall'azione di fulmini, oppure per opera di microrganismi specializzati che vivono nel terreno liberi o nelle radici delle leguminose (azotofissatori). Una terza via è praticata dall'uomo attraverso la fissazione industriale di azoto nel corso della quale si ottengono fertilizzanti azotati impiegati in agricoltura. L'azoto fissato viene incorporato dalle piante in composti organici (amminoacidi e proteine), che attraverso la catena alimentare vengono distribuiti agli animali (incapaci di utilizzare l'azoto minerale).

L'azoto organico viene restituito all'ambiente dagli animali e dalle piante sia sotto forma di scorie azotate prodotte durante il loro metabolismo, sia sotto forma di spoglie dopo la loro morte. Speciali batteri del suolo provvedono a trasformare le sostanze organiche azotate in ammoniaca, o ioni ammonio (ammonificazione), che da altri batteri viene trasformata in nitriti e infine in nitrati (nitrificazione), di nuovo disponibili all'utilizzo da parte delle piante. Un terzo tipo di batteri trasforma infine i nitrati in azoto molecolare (denitrificazione), restituendolo all'atmosfera.

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