C.R.IN.ES

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.

Premesse per la nascita del Centro

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.

Il problema OZONO

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.

ATTIVITA' DI RICERCA SVOLTE NEL CORSO DEL 2010-2011

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

Il progetto, già avviato presso il CRINES nel corso dell’anno 2009, prevede per il 2011 il terzo anno delle attività sperimentali in campo. A partire dal mese di aprile piantine in vaso di leccio (Quercus ilex) e corbezzolo (Arbutus unedo) saranno sistemate all’interno di 8 Open-Top Chambers e sottoposte a due fattori di stress incrociati (ozono e salinità del suolo) utilizzando 4 repliche per ciascun trattamento.
Lo stress salino sulle piante verrà valutato mediante salinizzazione dell’acqua irrigua che verrà fornita direttamente nel vaso. Le piante sottoposte ai diversi trattamenti saranno 30 (15 per ciascuna specie) in ciascuna OTC, per un totale di 240 piante. Due diversi trattamenti di salinizzazione del suolo verrano applicati in ciascuna OTC: piante irrigate con acqua salinizzata (a composizione simile all’acqua marina) e piante irrigate con acqua non-salinizzata.
Delle 8 OTC utilizzate 4 saranno allestite con filtri al carbone attivo per l’abbattimento dell’ozono ambientale (-50% circa) mentre le altre 4 saranno sottoposte a fumigazione attiva con lo stesso inquinante prodotto da un generatore (+30% circa dell’ozono ambientale) per 8 ore al giorno e per 5 giorni alla settimana, durante i mesi di maggio, giugno e luglio.
Analisi fisiologiche sulle foglie verranno svolte a partire dal mese di giugno e riguarderanno in particolare: cicli giornalieri di misure su scambi gassosi (h 8:00; 10:00, 12:00, 14:00, 16:00, 18:00) per la valutazione di effetti a carico dell’attività fotosintetica e dell’assimilazione di CO2; misure di fluorescenza della clorofilla “a” per la valutazione dell’efficienza dei fotosistemi; misure di potenziale idrico (pre-dawn e midday); misure strutturali riguardanti parametri quali lo SLA (area fogliare specifica), diametri ed altezza delle piante, densità e danno stomatico che verrà valutato tramite osservazione al microscopio elettronico a scansione. Alla fine del terzo anno di attività mediante analisi distruttive verrà inoltre valutato l’eventuale calo di biomassa (peso secco) riscontrabile nei diversi trattamenti rispetto alle condizioni di controllo (OTC con aria filtrata e contemporanea assenza di stress salino). Ciò permetterà di analizzare l’effetto dello stress incrociato e dei singoli fattori di stress applicati su lunghi periodi (3 anni) sulla produttività delle specie studiate.

 

VALUTAZIONE DEL RUOLO DEI SOLFATI NELL’AUMENTO DELLA RESISTENZA DEL FRUMENTO DURO ALL’OZONO


Coordinamento: Prof. Franco Faoro, Dipartimento di Produzione Vegetale, Università degli Studi di Milano.
Partners del progetto:
- C.R.A. – I.A.A. Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura, Unità di ricerca per i processi dell’industria agroalimentare, Via Venezian, 26 20133 – MILANO.
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del S.C. di Brescia.
- Fondazione Lombardia per l’Ambiente.
- E.R.S.A.F.

Introduzione al progetto

Il frumento duro rappresenta la principale coltura cerealicola italiana e negli ultimi anni il suo areale di coltivazione ha interessato anche il Nord, grazie all’introduzione di varietà resistenti al freddo e alla ricerca di più alte rese unitarie per ettaro. Lo sviluppo della coltivazione del grano duro, trova altresì spiegazione nel forte interesse da parte dell’industria italiana di trasformazione, di diminuire la quota importata a favore di quella locale, con elevati e costanti standard di qualità. Per raggiungere tale obiettivo è determinante seminare varietà che, oltre ad avere ottime caratteristiche in termini di produttività e di resistenza a stress biotici ed abiotici, non siano influenzate e significativamente dall’inquinamento atmosferico, che nella pianura padana, supera costantemente, in termini di concentrazione di ozono (O3), i livelli critici stabiliti dalla UN/ECE (United Nations Economic Commission for Europe). L’esposizione all’ozono potrebbe, infatti, causare in una specie sensibile come il grano, cali di resa superiori al 20%, ma anche alterare il contenuto di carboidrati e di proteine della granella, con conseguenze negative sulla qualità del prodotto finale.
Negli ultimi anni su questa coltura si sta diffondendo con sempre maggiore intensità una sintomatologia caratterizzata da punteggiature fogliari clorotiche che compaiono ai primi mesi di aprile, si intensificano a maggio e diventano estremamente accentuate alla spigatura, spesso degenerando in necrosi ben visibili. Precedenti indagini svolte nell’ambito del progetto INFOGESO, finanziato dalla D.G. Agricoltura della Regione Lombardia, utilizzando camere a cielo aperto (Open-Top Chambers, O.T.C.) per il filtraggio di inquinanti, hanno dimostrato che tali sintomi non sono dovuti a patogeni ma ad uno stress ossidativo dovuto alla presenza dell’ozono; e che la severità dei sintomi è generalmente maggiore nelle varietà di frumento duro (Triticum durum). L’ipotesi quindi è che quest’ultimi abbiano un ridotto pool di antiossidanti per far fronte all’abbattimento delle Specie Reattive dell’Ossigeno (ROS) che si formano a livello cellulare a partire dall’ozono, o in alternativa, che essi assorbano più inquinante attraverso gli scambi gassosi stomatici rispetto alle varietà di frumento tenero (Triticum aestivum). Tuttavia, anche tra i frumenti duri, come tra quelli teneri, ci sono varietà (cultivar) particolarmente sensibili che presentano danni macroscopici eclatanti e cultivar tolleranti e quindi asintomatiche. Nel pool degli antiossidanti il glutatione riveste un ruolo fondamentale e la sua concentrazione cellulare è strettamente dipendente dalla disponibilità di ione solfato. Infatti, una delle principali vie metaboliche di utilizzo del solfato prevede la sua riduzione a solfuro e l’incorporazione nell’aminoacido cisteina che, con glicina e acido glutamico, concorre alla sintesi di glutatione. Una scarsa disponibilità di solfato ridurrebbe quindi il livello di cisteina e glutatione, diminuendo la capacità detossificante della pianta dalle ROS e rendendola più sensibile agli stress ossidativi, quali appunto l’ozono. Inoltre, una scarsa disponibilità di cisteina è particolarmente dannosa per il frumento perchè abbassa il contenuto di proteine solforate della cariosside, riducendo drasticamente la formazione di ponti disolfuro, indispensabili nella lievitazione dell’impasti.
Nell’ultimo decennio si sta verificando nei terreni d’Europa un graduale impoverimento del contenuto di zolfo, dovuto principalmente a una diminuzione significativa del suo apporto dall’atmosfera mediante precipitazioni acide e al tradizionale non uso della concimazione solfatica. Inoltre, il continuo aumento dell’azoto nei terreni ha alterato l’ottimale rapporto di 3:1 tra azoto e zolfo con ulteriore danno alla fisiologia della pianta. E’ ipotizzabile dunque che la progressiva aumentata sensibilità del frumento duro all’inquinamento da ozono sia in qualche modo correlata anche al graduale impoverimento di questo elemento nei terreni.

Obiettivi del Progetto

Sulla base delle premesse illustrate, questo progetto di ricerca è volto ad analizzare e verificare i seguenti aspetti:
1)     il grado di sensibilità all’ozono di una specifica cultivar di grano duro in relazione al pool di antiossidanti e/o al flusso stomatico dell’inquinante (dose assorbita);
2)    un eventuale correlazione tra la carenza di zolfo nel terreno e l’aumento della sensibilità all’ozono del frumento duro;
3)    l’effetto dell’apporto di zolfo, mediante concimazione, sull’intensità e la diffusione dei danni da ozono, sia per quanto riguarda la sintomatologia fogliare che la quantità e qualità della granella prodotta.

Piano sperimentale

Il progetto ha preso in esame due cultivar di frumento duro di largo utilizzo e diversamente sensibili all’ozono: Virgilio (molto sensibile e sintomatico) e Neodur (tollerante, asintomatico):
-    Le piante sono state seminate nel febbraio 2010 in vasi da 30 cm (3 piante per vaso), in un terreno artificiale a pH neutro e a basso tenore di azoto, fosforo e zolfo, opportunamente calibrato mediante analisi preventiva e nel corso della sperimentazione.
-    I vasi sono stati collocati alla fine del mese marzo in 4 OTC filtrate (-50% della concentrazione ambientale di ozono) e 4 OTC non filtrate, sottoposte poi a fumigazione attiva con ozono per 8 ore al giorno e per 5 giorni a settimana (+30% della concentrazione ambientale di ozono). Le OTC sono state monitorate per le concentrazioni di ozono e per i valori di tutti i parametri ambientali necessari alla determinazione dei flussi stomatici di ozono.
-    In ogni OTC sono stati collocati 14 vasi della cultivar Virgilio e 14 della cultivar Neodur. Ciascuno dei due gruppi di 14 vasi è stato poi suddiviso in due tesi sottoposte a 2 trattamenti di concimazione diversi. Una tesi ha costituito il controllo (concimazione normale con urea 46%), mentre l’altra ha subito in aggiunta 3 concimazioni con zolfo elementare durante la stagione vegetativa.
-    Durante il ciclo colturale, sono stati prelevati dei campioni di foglie per la determinazione del contenuto del pool di antiossidanti, in particolare il livello di glutatione, ascorbato e deidroascorbato. Su alcuni campioni di foglie sono state effettuate anche indagini citochimiche per la determinazione dei danni invisibili dovuti all’ozono (accumulo di H2O2 nei tessuti e morte cellulare), oltre a stime dell’eventuale danno macroscopico (maculature clorotiche e necrotiche) mediante analisi di immagine.
-     A maturazione, le spighe sono state raccolte ed essiccate per la valutazione della quantità e della qualità della produzione in granella. Per quanto riguarda quest’ultima, oltre ai classici parametri agronomici (amido, proteine e glutine) è stato determinato anche il contenuto di tioli.
-    Sono stati infine analizzati statisticamente i risultati ottenuti per una valutazione dell’efficacia della concimazione a base di zolfo nella prevenzione dei danni da ozono e, più in generale, per verificare se vi sia correlazione tra pool di antiossidanti e/o flussi stomatici e sensibilità del frumento duro all’inquinante.

Relazione finale del progetto "VALUTAZIONE DEL RUOLO DEI SOLFATI NELL’AUMENTO DELLA RESISTENZA DEL FRUMENTO DURO ALL’OZONO"

 

Documenti utili

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

Responsabile Scientifico
Dr. Giacomo Gerosa,  Università Cattolica del Sacro Cuore di Brescia giacomo.gerosa@unicatt.it
Enti coinvolti
Regione Lombardia 
ERSAF  
Fondazione Lombardia per l'Ambiente