Eutrofizzazione: quando il troppo è un male

SIGNIFICATO DI EUTROFIZZAZIONE

Una spiegazione semplice di eutrofizzazione è la seguente: si tratta di una eccessiva abbondanza di sostanze nutritive di origine antropica principalmente, soprattutto nitrati e fosfati, in ambiente acquatico. Il significato di eutrofizzazione deriva dal greco, ed è infatti eu (“buono”) e trophè (“nutrimento”). Ma in realtà, laddove si verifica, non è una buona notizia per gli ambienti acquatici. Infatti l’eutrofizzazione delle acque, e quindi questo surplus di nutrienti, genera una catena di effetti che portano alla morte delle forme di vita acquatiche a causa dell’anossia, ovvero la mancanza di ossigeno disciolto. In questo articolo parleremo delle conseguenze dell’eutrofizzazione, delle cause, e dei possibili trattamenti in grado di risolvere o contrastare questo fenomeno.

EFFETTI NEGLI AMBIENTI ACQUATICI

L’accumulo di nutrienti come azoto e fosforo causa la proliferazione di alghe e/o fitoplancton, nota come bloom algali: queste alghe rendono l’acqua torbida, e inoltre, non essendo smaltite dai consumatori primari, finiscono sul fondo dove vengono decomposte da batteri, che in risposta all’aumento di materiale organico aumentano la loro attività, consumando però l’ossigeno nel corpo idrico. I batteri possono consumare anche tutto l’ossigeno, determinando condizioni di anossia che provoca poi la morte dei pesci e di altre forme di vita. Oltre a questo, i processi di decomposizione liberano grandi quantità di ammoniaca, metano e acido solfidrico, rendendo l’ambiente inospitale anche per altre forme di vita, soprattutto per i pesci. Quando l’ossigeno termina, ai batteri aerobi subentrano i batteri anerobi, che con la loro attività liberano sostanze tossiche. Questo fenomeno di inquinamento è ormai diffuso in tutto il mondo, e si verifica sempre più di frequente.

Destino degli inquinanti in acqua

Oltre a ricevere importanti input di nutrienti antropogenici, le acque superficiali di tutto il mondo fungono sia da serbatoi che da condotti per metalli pesanti, pesticidi, prodotti farmaceutici, ormoni e altri inquinanti. Prove scientifiche suggeriscono che il destino di tali contaminanti può essere influenzato dalla disponibilità di nutrienti. L’apporto di nutrienti può limitare direttamente e indirettamente l’attività metabolica dei microrganismi eterotrofi. Ad esempio, ci sono prove di effetti positivi diretti di azoto e fosforo sulla crescita batterica e, di conseguenza, la biomassa batterica totale è fortemente correlata alle concentrazioni di questi nutrienti negli ecosistemi marini e d’acqua dolce. Il destino dei contaminanti è quindi influenzato dallo stato trofico dei corpi idrici che li ricevono: aumenti di azoto e fosforo possono favorire la biodegradazione di prodotti petrolchimici, idrocarburi aromatici e pesticidi in molti ecosistemi acquatici. Tuttavia, mentre in alcuni casi le concentrazioni di inquinanti sono diminuite, in altri sono aumentate. Perciò l’eutrofizzazione, per quanto riguarda il destino di alcuni inquinanti, può avere effetti variabili negli ecosistemi.

Rischio di malattie infettive

Potrebbero esserci collegamenti diretti tra eutrofizzazione e rischio di malattie infettive. Le malattie legate all’acqua sono una delle principali cause di mortalità umana in tutto il mondo, e possono causare gravi impatti tra gli organismi acquatici. Chiaramente, le attività di smaltimento dei rifiuti biologici, come le applicazioni di letame nei terreni coltivati, possono aumentare contemporaneamente sia il carico di nutrienti (fosforo, azoto) che di batteri coliformi potenzialmente pericolosi nelle acque superficiali. Tuttavia, un maggiore carico di nutrienti da solo potrebbe anche influenzare l’abbondanza, la composizione, la virulenza e la sopravvivenza dei patogeni che sono già presenti negli ecosistemi acquatici. Ad esempio, l’aumento della disponibilità di azoto e fosforo migliora il tasso di replicazione dei virus acquatici. L’eutrofizzazione può anche influenzare indirettamente l’abbondanza di agenti patogeni modificando l’abbondanza e la distribuzione dei loro ospiti e vettori. Ad esempio, aumentando l’abbondanza del vettore copepode di Vibrio cholerae, l’aumento dei nutrienti può influenzare la probabilità di epidemie di colera nelle popolazioni umane suscettibili. I potenziali collegamenti tra agenti patogeni e disponibilità di nutrienti potrebbero avere importanti implicazioni per la gestione della salute umana in aree con laghi e oceani usati per attività balneare. L’uso ricreativo delle acque può diffondere virus fecali-orali (enterovirus, virus dell’epatite A, rotavirus e altri) che causano un’ampia gamma di infezioni gastrointestinali, respiratorie, oculari, nasali, dell’orecchio e della pelle. Il rischio di tali infezioni aumenta nei sistemi eutrofici.

Proliferazione di alghe nocive

I nutrienti in eccesso vengono spesso utilizzati da taxa indesiderabili o dannosi. Ad esempio, alcune specie di fitoplancton stimolate dai nutrienti hanno una forma o una dimensione che ne ostacola l’utilizzo da parte dei consumatori, finendo così per accumularsi. Un insieme diversificato di specie algali, tra cui diatomee, flagellati e dinoflagellati, può causare fastidiose fioriture algali e molte producono tossine che danneggiano altri organismi, oltre che l’uomo. Gli impatti economici globali di queste proliferazioni non sono stati completamente calcolati, ma è probabile che il costo dell’eutrofizzazione sulla pesca, sul trattamento dell’acqua potabile e sulla salute degli esseri umani e del bestiame sia di miliardi di dollari all’anno.

Effetto sulle fanerogame marine

Il meccanismo più comune che causa il declino delle fanerogame quando si verifica eutrofizzazione è la crescita eccessiva di alghe, come epifite e macro-alghe, nelle aree costiere poco profonde, e come fitoplancton nelle acque costiere più profonde. Il declino delle fanerogame sotto l’arricchimento dei nutrienti sembra coinvolgere meccanismi indiretti e di feedback, e si manifesta come cambiamenti improvvisi nell’abbondanza di fanerogame, piuttosto che cambiamenti continui e graduali. A seconda della specie, è stato dimostrato che le interazioni di alta salinità, alta temperatura e scarsa illuminazione, esacerbano gli effetti negativi dell’eccessivo arricchimento di nutrienti. Alcuni effetti indiretti dell’eutrofizzazione possono accelerare la scomparsa delle fanerogame marine, tra cui la risospensione dei sedimenti legati alla perdita di fanerogame, l’aumento della respirazione dell’ecosistema e il conseguente stress da ossigeno, alterazioni biogeochimiche come l’anossia dei sedimenti, con maggiori concentrazioni di composti tossici e il carico di nutrienti interni tramite flussi di nutrienti potenziati dai sedimenti all’acqua sovrastante. Anche la perdita di erbivori, a causa dell’anossia e di altri cambiamenti dell’habitat, che avrebbero agito come “ingegneri ecologici” nel promuovere la sopravvivenza delle fanerogame controllando la crescita eccessiva delle alghe, è un fattore che ne accelera la scomparsa.

CAUSE DELL’EUTROFIZZAZIONE

Azoto e fosforo, i più discussi di tutti i nutrienti, entrano nei laghi da molte fonti. I tre principali nutrienti nei fertilizzanti necessari per la crescita delle colture sono azoto, fosforo e potassio. Questi nutrienti, quando scaricati nei corpi idrici, promuovono la crescita del fitoplancton (piante microscopiche o alghe). Questo è importante perché il fitoplancton rappresenta la base della catena alimentare nei laghi. Lo zooplancton si nutre di fitoplancton e i piccoli pesci si nutrono di zooplancton. I pesci più piccoli sono consumati dai grandi pesci carnivori. La crescita del fitoplancton, o produttività primaria, è il primo passo nella catena alimentare di un lago. L’entità della produzione di alghe indica in una certa misura la capacità produttiva di un lago. Tuttavia, ci sono limiti oltre i quali la crescita delle alghe diventa dannosa per altre forme di vita acquatiche. Nei laghi e nei fiumi d’acqua dolce, il fosforo è spesso il nutriente che limita la crescita, perché si trova nella minima quantità rispetto ai bisogni delle piante. Negli estuari e nelle acque costiere, l’azoto è generalmente il nutriente limitante la crescita. Oltre a nitrati e fosfati, anche pH, temperatura e luce possono influenzare il processo di eutrofizzazione.

Ruolo del fosforo

Il fosforo è un macronutriente necessario per tutte le cellule viventi. È un componente importante di adenosina trifosfato (ATP), adenosina difosfato (ADP), nicotinamide adenosina dinucleotide fosfato (NADP(H)), acidi nucleici e fosfolipidi nelle membrane cellulari. Esistono diverse fonti di fosforo: questo nutriente viene portato nell’ambiente acquatico principalmente dall’erosione delle rocce, dalla lisciviazione del suolo e dalla pioggia, ma queste sono fonti naturali. In altri casi, il fosforo può provenire dai deflussi degli allevamenti, dove è presente nei mangimi di molti animali d’allevamento. Essendo importante per le piante, anche i fertilizzanti contengono fosfati, e dalle aree ricche di campi agricoli, o dove l’agricoltura è molto sviluppata, il fosforo può arrivare fino ai corpi idrici. Anche le acque reflue domestiche possono contenere fosfati, perché questi sono presenti nei detergenti usati normalmente per la pulizia. I rifiuti organici umani sono responsabili del 50% del fosforo presente nelle acque reflue domestiche, mentre il 20-30% deriva dai detersivi.

Ruolo dell’azoto

L’azoto può limitare la produzione di fitoplancton nelle acque eutrofiche temperate, soprattutto quando le concentrazioni di fosfato sono elevate (quando i rapporti azoto:fosforo sono bassi). Si ritiene che le variazioni nella composizione chimica delle acque siano un fattore importante nella regolazione dell’abbondanza, della composizione e della distribuzione geografica e periodica del fitoplancton. Tra azoto, fosforo e silicio, l’azoto è generalmente considerato il principale nutriente limitante per l’accumulo di biomassa di fitoplancton. I nitrati possono entrare nelle acque da diverse fonti. Le acque reflue urbane e gli agroecosistemi in molti paesi asiatici, come l’India, sono le due principali fonti di nitrati. L’azoto (sotto forma di nitrati e ione ammonio) è ovviamente presente nei fertilizzanti usati in agricoltura.

MISURE DI CONTROLLO

Un migliore trattamento delle acque reflue è tra i modi più efficaci per ridurre il carico di fosforo. Poiché il fosforo è la principale causa dell’eutrofizzazione delle acque superficiali, deve essere rimosso mediante processi di trattamento delle acque reflue prima che queste giungano in fiumi o laghi. Diversi meccanismi biologici e chimici sono responsabili della rimozione del fosforo negli impianti di trattamento delle acque reflue. Questi processi includono precipitazione chimica, assimilazione del fosforo da parte di microrganismi, accumulo di polifosfato da parte di microrganismi e precipitazione chimica potenziata mediata da microrganismi. In casi estremi, il processo di eutrofizzazione può anche essere controllato temporaneamente mediante l’eliminazione diretta delle piante acquatiche. Il solfato di rame e l’arseniato di sodio sono impiegati, rispettivamente, per uccidere le alghe e le piante acquatiche.

Controlli biologici

Le macrofite acquatiche come Eichhornia crassipes e Salvinia auriculata causano una significativa riduzione dei composti di azoto e fosforo nell’acqua. Anche alcune erbe acquatiche, come Typha, Phragmites e Glyceria spp., possono essere utili nel rimuovere nutrienti dai corpi idrici. Hydrodictyon reticulatum rimuove attivamente il 67,3% di azoto e fosforo in sei giorni, in diverse condizioni ambientali. Il fosforo disciolto può essere rimosso nell’acqua di drenaggio dell’irrigazione dei campi mediante sistemi galleggianti ricchi di vegetazione. Questi sistemi sono progettati per accogliere piante acquatiche a diffusione orizzontale dalle acque provenienti da scarichi irrigui, da allevamenti, o da bacini di trattamento delle acque, con il fine di eliminare il fosforo disciolto. Anche alcuni pesci fitoplanctivori possono essere utilizzati per la gestione delle specie di fitoplancton e per contrastare l’eutrofizzazione. In alcuni habitat, anche il periphyton può avere un ruolo importante nella rimozione del fosforo dalla colonna d’acqua. Le acque reflue possono essere trattate con appositi ceppi di microrganismi, come con Acinetobacter calcoaceticus, capace di rimuovere elevate quantità di fosfati. In determinate aree anche le mangrovie possono diventare un sistema per controllare l’eutrofizzazione.

Utilizzo di bio-indicatori

Alcuni bioindicatori possono essere utilizzati per conoscere lo stato di un ecosistema acquatico, in quanto questi agiscono come misura delle condizioni ambientali. Possono essere utilizzati per osservare il funzionamento e le relazioni di causa ed effetto all’interno di un ecosistema. L’indicatore biologico di eutrofizzazione può essere una singola specie o un insieme di più specie. Gli indicatori dell’eutrofizzazione differiscono per i fiumi e per i laghi. Per gli ecosistemi fluviali i bioindicatori riguardano la diversità e l’abbondanza di alcune specie. Per gli ecosistemi lacustri vengono selezionati due bioindicatori caratteristici: l’area e la biomassa delle macrofite, a indicare che la torbidità è diminuita al punto che le macrofite possono crescere; e il rapporto tra pesce preda e pesce predatore, che deve essere compreso tra 1:1 e 2:1 per garantire la stabilità di un lago.