Fondazione Lombardia per L'Ambiente

Il Centro di Ricerca INquinamento atmosferico ed EcoSistemi (C.R.IN.ES)

Il CRINES nasce ufficialmente nel 2007 da una convenzione fra Regione Lombardia, FLA ed ERSAF con l’obiettivo di fornire una struttura sperimentale permanente di supporto a ricerche e a possibili collaborazioni fra gruppi di ricerca legati al mondo universitario e non solo.
Un centro di ricerca sperimentale dunque, dove è possibile studiare e valutare gli effetti reali degli inquinanti atmosferici sulle colture agrarie, sulle foreste ed in generale sulla vegetazione della Lombardia. Un laboratorio che, in termini scientifici, valuti i rischi concreti per i nostri ecosistemi dovuti alle condizioni ambientali della nostra Regione.

Con un Protocollo d’Intesa firmato nel dicembre 2002 da Regione Lombardia, FLA, ERSAF ed ARPA, Curno (piccolo centro urbano in provincia di Bergamo) è stato scelto per realizzare, all’interno del Centro Regionale per la Valorizzazione della Biodiversità Forestale (ex Vivaio Forestale) dell’ERSAF, un’area di ricerca in cui costruire un sistema di 16 serre a cielo a aperto (Open-Top Chambers) e 6 anelli per la fumigazione controllata in campo aperto, in grado  di simulare diversi scenari di esposizione della vegetazione all’inquinamento atmosferico.  Con tale Protocollo è stato inoltre avviato a pieno titolo il progetto triennale T.O.P. (Transboundary Ozone Pollution, 2003-2005) per lo studio degli effetti che l’ozono produce su alcune delle specie forestali più diffuse nella fascia prealpina.
Tale progetto di ricerca denominato ufficialmente “Effetti dell'inquinamento transfrontaliero da ozono sulla vegetazione dell'area transalpina tra Lombardia e Canton Ticino” è stato inserito nello “Atto integrativo dell’Accordo di Programma Quadro in materia di ambiente ed energia tra Stato e Regione Lombardia”, firmato dalle parti il 5 settembre 2002, all’art.8 “Monitoraggio degli effetti dell’ozono”. E’ stato successivamente recepito nella DGR n. VII/11433 del 29 novembre 2002 e il 16 dicembre 2002 è stato sottoscritto il Protocollo d’Intesa tra Regione Lombardia, A.R.P.A., E.R.S.A.F. e F.L.A., il cui allegato tecnico è lo Studio di Fattibilità del Progetto. Durante l’attività di ricerca sono stati coinvolti nel Progetto, oltre ai soggetti sopra citati, anche: Università Cattolica del Sacro Cuore sede di Brescia (Dipartimento di Matematica e Fisica), Università degli Studi di Firenze (Dipartimento di Biologia Vegetale), Università degli Studi di Milano Bicocca (D.I.S.A.T.) e Università degli Studi di Milano (Dipartimento di Fisiopatologia Vegetale).
La successiva Convenzione triennale, siglata nell’ottobre del 2006 tra Regione Lombardia, ERSAF e FLA ha provveduto a rinnovare gli obiettivi scientifici originari del sito sperimentale, a definire il suo ampliamento tecnico verso l’attuale configurazione e ad approvarne il finanziamento fino al 2008.
Il C.R.IN.ES è stato inaugurato in occasione del convegno internazionale “Impacts of air pollution on plant ecosystems: assessment, perspectives and policies”, tenutosi presso lo stesso sito sperimentale di Curno il 25 Maggio 2007.
Alla fine del 2008 è stata rinnovata la Convenzione triennale che garantisce il supporto finanziario logistico e gestionale al Centro anche per i prossimi 3 anni.

L’ozono troposferico è un inquinante “secondario” che si forma prevalentemente in estate per reazione chimica fra i composti organici volatili (COV) e gli ossidi di azoto (NOx) emessi dal traffico veicolare e dalle combustioni industriali e civili; è stato ormai accertato che, insieme al PM10, è uno degli inquinanti più pericolosi dato che può compromettere seriamente la produttività degli ecosistemi agricoli ed anche il patrimonio boschivo, con danni visibili riscontrabili soprattutto nella “zona dei laghi” della provincia di Varese, Como Lecco e Bergamo.
Il calo stimato di produttività, quando nell’atmosfera vi sono alte concentrazioni di ozono, si aggira su una percentuale che può arrivare anche al 30 per cento, andando a colpire soprattutto specie come il frumento, il fagiolo, l’erba medica, la soia, il trifoglio e l’orzo, considerate più sensibili di altre.
Gli effetti più evidenti dell’ozono sulle specie forestali sono la defoliazione, l’arricciamento, la clorosi e la necrosi delle foglie ed i cali di accrescimento radiali. Inoltre, ciò che desta più apprensione, è la considerazione che le concentrazioni di ozono in pianura padana sono in lento ma costante aumento da circa 15 anni, al contrario di altri inquinanti, come ad esempio il biossido di zolfo.
La necessità di cautela di fronte agli effetti devastanti dell’ozono troposferico – presente, cioè, nella troposfera, la fascia dell'atmosfera a diretto contatto con la superficie terrestre - si evidenziò già nel lontano 1979, quando a Ginevra quaranta Paesi di tutto il mondo sottoscrissero una Convenzione che mirava a  contrastare gli effetti dell’inquinamento atmosferico transfrontaliero a lunga distanza (Convention on Longe Range Transboundary Air Pollution).
Tale convenzione  ha dato il via ad una serie di protocolli attuativi,  tra cui quello relativo all’ozono sottoscritto nel 1999 a Göteborg, ratificato anche dall’Unione Europea.   
Alla luce degli studi degli ultimi anni, è emerso che, con grande probabilità, è l’ozono il parametro più importante da prendere in analisi per prevenire danni di carattere biologico, ecologico e soprattutto economico, dato che - come già accennato - compromette la resa stessa delle colture.

A livello europeo, sono state emanate importanti direttive per la qualità dell’aria che l’Italia deve rispettare: la 96/72 CE e la direttiva figlia 02/03/CE che mira a fissare i livelli critici di ozono per i danni alla salute e per la protezione della vegetazione, e la direttiva 50/08/CE “per la qualità dell'aria ambiente e per un'aria più pulita in Europa”, che stabilisce i livelli critici degli inquinanti come obiettivi futuri a medio e a lungo termine da ottemperare.

Per quanto riguarda le attività di ricerca scientifica in corso si riporta lo stato d’avanzamento lavori di due progetti, il POP-STRESS e il MEDOZ, avviati presso il CRINES, frutto della collaborazione con alcuni gruppi di ricerca provenienti da diverse Università e centri di ricerca.

 PROGETTO POP-STRESS- Impatto di fattori di stress derivanti da cambiamenti ambientali su colture da biomassa

Coordinamento: Prof. Filippo Bussotti, Università degli Studi di Firenze

Partners del progetto:
- Dipartimento di Biologia Vegetale, Università degli Studi di Firenze
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del S.C. di Brescia
- Fondazione Lombardia per l’Ambiente
- ERSAF Lombardia
Collaborazioni su aspetti specifici anche con:
- Dipartimento di Bioenergetica, Università di Ginevra (CH)
- WSL, Centro di Ricerca svizzero per le foreste, la neve e il paesaggio, Birmensdorf, ZH (CH)

Introduzione al progetto

L’aumento di concentrazione dell’ozono troposferico, l’aumento della temperatura e di condizioni di stress idrico sono fattori legati agli scenari di “global change”, ed esercitano un’azione nociva sulla fotosintesi e sulla produttività primaria netta della vegetazione. Attualmente in Italia settentrionale, ed in particolare nelle regioni della pianura padana, le concentrazioni medie di ozono sono già molto alte e gli scenari di cambiamento climatico ipotizzati per l’immediato futuro prospettano un suo continuo incremento, accompagnato da un aumento della temperatura e dalla riduzione della frequenza delle precipitazioni. Questi fattori esercitano effetti negativi sulla fotosintesi e sulla produttività primaria delle piante e di conseguenza le condizioni ambientali per la produzione di biomasse vegetali potrebbero deteriorarsi in maniera significativa. Ciò pone seri problemi anche per l’implementazione delle politiche europee per la produzione di energia da biomasse.
La riduzione dell’accrescimento è considerata un indicatore di risposta in piante sottoposte ad alte concentrazioni di ozono troposferico. Le piante dispongono di numerosi meccanismi di difesa contro questo tipo di stress e gli effetti sull’accrescimento implicano alterazioni a livello biochimico, fisiologico e morfologico, determinando così una complessità di risposte soprattutto a carico della fotosintesi.
L’accrescimento delle piante e la produzione di biomassa infatti sono direttamente relazionati alla loro capacità fotosintetica. Le relazioni tra la crescita e i principali parametri fotosintetici, quali la fotosintesi netta ed altri determinati dall’analisi della fluorescenza della clorofilla, in condizioni ambientali più o meno limitanti, a causa della presenza di uno o più fattori di stress, non sono ben note. La determinazione di questo tipo di relazioni e la definizione di indicatori di comportamento fisiologico della pianta sotto stress permettono di riconoscere condizioni precoci di rischio per la vegetazione esposta a condizioni ambientali limitanti.

Obiettivi della ricerca

- individuare segnali specifici di stress (ozono e stress idrico) in una specie a rapida crescita (pioppo);
- quantificare gli effetti dello stress a livello di pianta intera, mediante l’analisi delle relazioni tra condizione di stress, parametri fotosintetici ed accrescimento;
- valutare la precocità della risposta della pianta allo stress e al cambiamento delle condizioni ambientali, nonché indagare sui meccanismi di compensazione ed acclimatazione allo stress.

Metodologia sperimentale e stato avanzamento lavori

La sperimentazione è iniziata il 1° aprile 2008 e prevede per il 2009 lo svolgimento del secondo anno di misure. Sono state allestite 6 Open-Top Chambers (OTC), di cui 3 ad aria filtrata (charcoal-filtered), con filtri a carbone attivo che riducono a circa il 50% la concentrazione di ozono rispetto a quella ambientale, e 3 ad aria ambiente (non-filtered), con circa il 95% di ozono. Vengono studiati due cloni di pioppo, Populus maximowiczii Henry x P x berolinensis Dippel (Oxford Clone) ibrido usato nell’Europa centro-orientale per siepi e per short rotation forestry (da cui l’importanza per la produzione di biomassa), e Populus nigra puro non ibridato (Jean Pourtet Clone).
Le piante, ottenute da talea, sono state cresciute in vaso e sottoposte a due livelli di esposizione all’ozono (camere filtrate e non-filtrate) e a due regimi idrici (irrigato e non-irrigato).
A partire dal mese di giugno 2009 sono state svolte:
• misure di fotosintesi netta mediante l’utilizzo di gas analysers (ADC, BioScientific Ltd., e CIRAS, PPSystems),
• misure di conduttanza stomatica (con l’impiego dei precedenti gas analysers e del porometro AP-4 Delta-T, Devices) per quantificare gli scambi gassosi,
• misure di fluorescenza diretta (HandyPea, Hansatech) e di fluorescenza modulata (mediante FMS2, Hansatech) per esaminare l’efficienza fotosintetica delle piante in termini di dissipazione dell’energia radiante.
Tutte queste misure sono state condotte in 5 fasce orarie del giorno e ripetute ogni 15 giorni. A partire dal mese di luglio tali misure vengono invece ripetute settimanalmente.
La misura periodica della conduttanza stomatica, assieme alla misura del potenziale idrico (mediante l’uso della camera a pressione tipo Scholander) a pre-dawn e a midday e alla determinazione del Relative Water Content (RWC), ha permesso di quantificare lo stress idrico. Per conoscere, invece, l’impatto dei due fattori di stress, separatamente ed integrati tra loro, sull’accrescimento delle piante sono state svolte con la stessa frequenza misure di altezza e diametro del fusto ed è stato effettuato il “pinning method”, un metodo basato sul ferire periodicamente il fusto al fine di monitorare la dinamica intra-annuale del cambio con un’alta risoluzione temporale, in modo tale da quantificare a livello anatomico (n° dei vasi e delle trachee) l’accrescimento diametrale del fusto. Inoltre sono state svolte misure di biomassa epigea ed ipogea. Ulteriori evidenze sull’efficienza fotosintetica, quindi sulle potenzialità di accrescimento di piante sottoposte a condizioni di stress saranno ottenute dall’analisi della discriminazione isotopica del carbonio (δ13C) e dell’ossigeno (δ18O).
Attualmente sono in corso le analisi dei dati delle campagne di misura che saranno illustrati nel prossimo stato avanzamento lavori.

PROGETTO MEDOZ- Effetto combinato di stress abiotici in specie della macchia mediterranea mediante studi di campo e in ambienti simulati

Coordinamento: prof. Fausto Manes, Università di Roma “La Sapienza”

Partners del progetto:
- Dipartimento di Biologia Vegetale, Università di Roma “La Sapienza”
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del S.C. di Brescia
- Dipartimento di Agrometeorologia, Università degli Studi di Sassari
- Fondazione Lombardia per l’Ambiente

Introduzione al progetto

Gli ecosistemi costieri, rappresentano una zona di grande importanza ecologica ed economica, caratterizzati da un’elevata biodiversità, e come riportato nell’ultimo report dell’IPCC (2007), sono tra quelli che più risentiranno degli effetti dei cambiamenti climatici, che potrebbero inasprirne le condizioni ambientali già limitanti. Ad un suolo poco evoluto con una pronunciata variabilità nella distribuzione e disponibilità delle risorse idriche, si aggiunge l’azione costante degli aerosol marini, che svolgono un ruolo determinante nella distribuzione della vegetazione, condizionando sia aspetti strutturali che fisiologici. Gli effetti dell’aerosol sulla vegetazione hanno una natura sia meccanica che chimica. Quella meccanica è più intensa durante il periodo invernale, ed è prodotta dalla frazione grossolana, in cui prevale la componente di origine minerale (sabbie o particolato), mentre la componente di origine marina (NaCl), produce alterazioni funzionali.
Da un’analisi della letteratura emerge che l’azione dell’aerosol è presa poco in considerazione nella quantificazione dei processi funzionali delle specie legnose della macchia mediterranea, e scarsi sono gli studi che affrontano gli effetti dell’esposizione cronica all’aerosol, sul bilancio idrico e flussi di inquinanti. Infatti, la quasi totalità degli studi ha preso in considerazione i tensioattivi che costituiscono i maggiori inquinanti delle acque marine, mentre risultano isolati gli studi incentrati sulle possibili interazioni fra i danni da aerosol e altri inquinanti atmosferici come l’ozono.  L’esposizione della vegetazione costiera a tale inquinante potrebbe rivelarsi particolarmente importante visto che a causa della dinamica delle brezze, la vegetazione costiera risulta esposta sia all’azione degli aerosol marini sia ad inquinanti provenienti dall’entroterra.
Infatti le zone costiere sono tra le più densamente popolate in Italia come nel resto del globo, per cui lo studio della vegetazione in tali aeree, non può prescindere dalla considerazione dell’impronta ecologica degli agglomerati urbani. Sempre più attenzione è posta sull’aumento del tasso delle emissioni dovute soprattutto al traffico veicolare che degradano la qualità dell’aria e costituiscono la fonte principale di precursori di inquinati secondari come l’ozono, del quale, le maggiori concentrazioni si raggiungono in estate, stagione durante la  quale la vegetazione in area mediterranea è soggetta a periodi di siccità che potrebbero intensificarsi a causa del cambiamento del pattern stagionale delle precipitazioni.
Per comprendere le relazioni idriche e tassi di produttività della vegetazione costiera all’aumento delle concentrazioni di inquinanti, e della siccità, è essenziale quantificare e indagare l’impatto che tali fattori hanno sulla funzionalità dei singoli organi della pianta (foglie, rami, radici), e sulle strutture stomatiche, che giocano un ruolo chiave nella regolazione degli scambi tra vegetazione e atmosfera. Infatti l’effetto dannoso dell’ozono sulla vegetazione è proporzionale all’assorbimento, che dipende sia dai livelli di ozono nell’ambiente, che dalla conduttanza stomatica, gs, fattore chiave per la  stima dei flussi di ozono, che sono utilizzati per valutare l’esposizione della vegetazione a tale inquinante.
Di conseguenza ogni fattore che incide sul meccanismo di apertura/chiusura degli stomi, può condizionare  l’impatto dell’ozono sulla vegetazione.
Importante è anche lo studio dei meccanismi di interazione (sinergica o antagonista), tra gli stress (aerosol - stress idrico), che possono modificare la risposta delle piante ai fattori ambientali, limitando gli scambi gassosi e quindi il flusso di ozono, che in tali periodi potrebbe essere assorbito principalmente per via non stomatica. 
Le specie sempreverdi rappresentano la vegetazione climax per il Mediterraneo e l’analisi di come tali specie arrivino ad ottimizzare l’assorbimento di CO2 e la perdita di acqua in differenti condizioni climatiche e soggette a differenti tipologie di stress assume una rilevanza importante nello studio sulla fisiologia delle specie della macchia costiera.

Obiettivi della ricerca

Data la complessità degli ecosistemi costieri emerge la necessità di sviluppare piani di ricerca che attraverso molteplici approcci teorici e metodologici, mirino a stabilire rapporti più precisi di causa ed effetto tra i singoli fattori di stress che agiscono in natura, riuscendo a combinare un monitoraggio in condizioni naturali, ad esperimenti in condizioni controllate.
In tale ambito si inserisce tale progetto di ricerca che comprende due differenti attività sperimentali che si svolgono in siti di studio posti rispettivamente presso la Tenuta Presidenziale di Castelporziano (RM), il vivaio forestale di Oristano, e il C.R.IN.E.S. presso il Centro Vivaistico Forestale Regionale ERSAF di Curno (BG).

Metodologia sperimentale e stato avanzamento lavori

Le problematiche sopra esposte verranno affrontate tramite un approccio integrato fra esperimenti di campo ed esperimenti in condizioni controllate, che pur seguendo obiettivi distinti, serviranno a comporre un database unico che permetterà di analizzare, in modo più ampio ed esaustivo, la funzionalità delle specie in esame e i processi in atto nelle differenti condizioni ecologiche.
Il primo esperimento avviato, prevede una caratterizzazione fisiologica di Quercus ilex L. (leccio) e Phillirea latifolia L. (fillirea), a differenti distanze dalla linea di costa (200m, 500m, 1000m) ubicati all’interno della Tenuta Presidenziale di Castelporziano, con l’obiettivo di quantificare l’influenza che l’esposizione agli aerosol marini ha sui flussi di acqua e di inquinanti di specie della macchia mediterranea.
A tale attività viene affiancato un esperimento in condizioni controllate, avviato nel mese di aprile 2009, che si sta svolgendo presso il C.R.IN.E.S. di Curno su piantine in vaso di leccio e corbezzolo, poste all’interno di 6 Open-Top Chambers (OTC), 2 per ogni tesi sperimentale.
Le piante, in numero di 20 per ogni OTC, sono sottoposte a due fattori, ozono e spray salino, quest’ultimo suddiviso in due blocchi (piante nebulizzate con aerosol salino, e piante non-nebulizzate). Il trattamento con ozono prevede invece tre livelli: trattamento arricchito rispetto al livello ambientale (+30% circa), trattamento filtrato (-50%), e trattamento non-filtrato con livelli di ozono comparabile a quello ambientale (95% circa). L’attività sperimentale è stata avviata nel mese di maggio e prevede tre giornate di misure fisiologiche che comprendono: 1 ciclo giornaliero di scambi gassosi (h8:00; 10:00, 12:00, 14:00, 16:00, 18:00), misure della fluorescenza della clorofilla “a”, misure di potenziale idrico di pre-dawn e mezzogiorno, e misure strutturali riguardanti parametri quali lo SLA (area fogliare specifica), diametri ed altezza delle piante, densità e danno stomatico valutato tramite osservazione al microscopio elettronico a scansione. Nell’ultima fase dell’esperimento, a partire dal 20 luglio fino al 10 agosto, la risposta agli stress imposti e la potenziale interazione fra i due fattori, verrà valutata eseguendo un esperimento di stress idrico dopo due mesi di trattamento. L’eventuale diversa risposta allo stress idrico verrà usata per evidenziare l’impatto e l’interazione fra ozono e aerosol marino. In questa fase alle misure sopraelencate, effettuate due volte a settimana, verranno aggiunte curve di risposta della fotosintesi alla CO2 e misure notturne per evidenziare la presenza di fenomeni di traspirazione notturna.
Il secondo esperimento si svolge contemporaneamente nei tre siti di studio. Quindici individui per ogni specie (leccio, fillirea e corbezzolo) appartenenti a due popolazioni differenti (di origine sarda, e di origine laziale), sono stati posizionati in vasi nei tre siti di studio. Questo esperimento presenta due obiettivi principali: determinare quanto la plasticità fenotipica delle tre specie coinvolga l’architettura idraulica della pianta e quanto questa vada a modificare l’uso dell’acqua nelle tre specie; determinare quanto le tre specie possano compensare delle modifiche strutturali con cambiamenti nella fisiologia. L’esperimento è iniziato nell’ottobre 2008, con la messa in sito del materiale vegetale, e il disegno sperimentale avviato a maggio 2009, prevede di sottoporre le piante a defoliazioni ripetute (una al mese a partire da maggio) di grado diverso (40% o 70%), e in seguito, ad uno stress idrico che permetta di determinare la diversa risposta e resistenza allo stress fra le piante cresciute nei tre siti sperimentali, e dei diversi trattamenti di defoliazione eseguiti. La risposta allo stress idrico verrà valutata in termini di evoluzione del potenziale idrico fogliare e conduttanza stomatica all’aumentare dell’aridità. Tale risposta è anche il risultato degli adattamenti fisiologici e strutturali avvenuti nelle piante durante il periodo di crescita di due anni, pertanto verrà valuta la crescita complessiva degli individui, il rapporto fra area fogliare e area conduttrice, densità stomatica, fattore di forma fogliare, conduttanza massima, curve di risposta alla luce per determinare la resa quantica massima. Inoltre la replica dell’esperimento su siti geografici ascrivibili a tre tipologie fitoclimatiche differenti, permetterà di evidenziare quanto l’eventuale diversità nella risposta alla defoliazione, è dovuta a fattori climatici.
L’insieme di questi esperimenti permetterà anche di comprendere a quali segnali rispondono la conduttanza stomatica e la densità stomatica: se tali fattori rispondono a parametri quali  concentrazione d’acqua nel suolo e l’umidità ambientale, oppure unicamente alla effettiva disponibilità idrica per unità di superficie fogliare.  

Documenti utili

• Regolamento C.R.IN.ES
• Elenco delle pubblicazioni 

Comitato di Indirizzo e Gestione  C.R.IN.ES
Per Regione Lombardia:   Dr. Gian Luca Gurrieri
Per ERSAF: Dr. Sauro Coffani
Per Fondazione: Prof. Antonio Ballarin Denti