Fai un respiro profondo. Presta attenzione a come l'aria si muove dal naso alla gola prima di riempire i polmoni di ossigeno. Mentre espiri, una miscela di ossigeno e anidride carbonica lascia il naso e la bocca.
Sapevi che i ruscelli e i fiumi "respirano" in modo simile?
Gli Stati Uniti ospitano più di 250.000 di questi corpi idrici fluenti che si collegano alle zone costiere e agli oceani. Hanno dimensioni variabili, dai piccoli corsi d'acqua ai grandi fiumi, ma tutti assorbono ossigeno ed emettono anidride carbonica e altri gas serra come il metano.
Negli ultimi anni, un team di scienziati guidato dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) è stato immerso in ricerche cruciali sui processi e le interazioni che contribuiscono alle dinamiche dei gas serra. Il loro lavoro si concentra su intere reti di corsi d'acqua e fiumi, nonché sul territorio che circonda questi sistemi.
Il loro lavoro include anche fattori che possono disturbare la respirazione di torrenti e fiumi. Alcuni di questi disturbi si verificano oltre i corsi d’acqua, come gli incendi, ma influiscono comunque sul modo in cui i corsi d’acqua respirano, modificando il modo in cui il materiale entra nei corsi d’acqua. Comprendere questi impatti è fondamentale per affrontare le sfide legate alla qualità dell'acqua, al ciclo globale del carbonio e al cambiamento climatico.
Gli scienziati del PNNL hanno condotto studi di modellazione, sul campo e di laboratorio in tutti gli Stati Uniti, con alcuni studi particolarmente intensivi all'interno del bacino del fiume Columbia. Quest'area copre 258.000 miglia quadrate e il fiume Colombia scorre per oltre 1.270 miglia dalle Montagne Rocciose canadesi all'Oceano Pacifico. Questo bacino comprende foreste rigogliose, deserti aridi e vasti terreni agricoli. Il campus principale della PNNL si trova all'interno del bacino nella parte orientale di Washington.
La ricerca condotta dal PNNL ha prodotto modelli e dati che possono aiutare a prevedere come proteggere i corsi d'acqua e i fiumi della nazione e le comunità che dipendono da essi. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Frontiers in Water .
"Il nostro team utilizza modelli e dati per ottenere nuove informazioni e sviluppare previsioni che informeranno le decisioni prese dai regolatori e dai gestori delle risorse naturali", ha affermato Timothy Scheibe, PNNL Lab Fellow e scienziato della Terra che è uno dei leader di questa ricerca.
Modelli e dati possono aiutare a informare le pratiche di gestione dell’acqua e del territorio, compreso come rispondere ai disastri naturali come incendi e siccità. Possono anche contribuire a fornire informazioni su come i futuri cambiamenti nell'ambiente potrebbero influenzare i sistemi naturali e umani importanti per la salute del nostro pianeta.
Uno degli elementi che contribuiscono a comprendere come respirano corsi d'acqua e fiumi è un insieme di processi noti come respirazione, un insieme di reazioni chimiche che insieme determinano la quantità di carbonio che rimane e la quantità che entra nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica.
La respirazione combina carbonio e ossigeno per generare energia per gli organismi viventi. Questo processo crea anche uno “scarico” sotto forma di anidride carbonica che viene “espirata” da organismi come alghe e batteri all’interno degli ecosistemi di corsi d’acqua e fiumi. Studiando la respirazione attraverso molti tipi di corsi d'acqua e fiumi, i ricercatori possono scoprire perché alcuni sistemi respirano più di altri.
Capire il “perché” è fondamentale. Questo è ciò che consente ai ricercatori di prevedere il futuro di corsi d'acqua e fiumi.
È anche importante capire se l'acqua o i sedimenti nei fiumi e nei torrenti hanno più respirazione. Per rispondere a questa domanda, il PNNL ha collaborato con ricercatori della Washington State University e dell’Università del Montana. Il team ha scoperto che nel fiume Columbia la maggior parte della respirazione viene effettuata da organismi presenti nell'acqua. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che il fiume Columbia contiene molta acqua in cui può avvenire la respirazione.
Ma in altri sistemi di corsi d’acqua, i microbi nei sedimenti svolgono la maggior parte della respirazione. Alcuni sedimenti "respirano" molto più velocemente di altri e, di conseguenza, producono più anidride carbonica.
Il team del PNNL ha dimostrato che la quantità di anidride carbonica prodotta dai sedimenti è legata alla dimensione delle rocce che compongono i letti dei fiumi. Le rocce più grandi spesso portano a una maggiore respirazione. Questo è importante perché quanto più velocemente i sedimenti respirano, tanto più riescono a ripulire gli inquinanti da corsi d'acqua e fiumi.
Oltre ai gas come l'ossigeno e l'anidride carbonica, i corsi d'acqua e i fiumi contengono particelle di organismi morti come piante e alghe. Questa è nota come materia organica ed è il "carburante" o "cibo" che alimenta la respirazione e svolge un ruolo nella qualità dell'acqua e nella salute delle specie acquatiche. La composizione della materia organica è controllata in parte dall'uso del territorio, dagli inquinanti, dalla gestione delle foreste e dai disturbi naturali e umani, quindi comprendere la sua relazione con la respirazione può motivare diverse pratiche di gestione del territorio e dell'acqua.
Il team del PNNL ha condotto una ricerca esaminando come i cambiamenti nei tipi di materia organica causano cambiamenti nella respirazione. In una serie di studi, il team ha dimostrato che la respirazione nei sedimenti è collegata alla chimica della materia organica. Le frontiere dell'acqua Lo studio, condotto in collaborazione con ricercatori dell'Università del Nebraska, ha rivelato regole generali su diversi flussi che definiscono il modo in cui la chimica della materia organica si collega alla respirazione dei sedimenti.
Gli scienziati del PNNL hanno anche rivelato come gli incendi possono modificare la materia organica nei corsi d'acqua a seguito di un incendio. Il team ha scoperto che esisteva un collegamento tra la composizione della materia organica e il modo in cui gli incendi hanno influenzato il paesaggio durante la prima tempesta dopo un grande incendio nel 2020. Ciò rende difficile capire come i microbi utilizzino diversi tipi di materia organica per alimentare la respirazione nei corsi d’acqua. e fiumi.
Ci sono decine di migliaia di composti diversi che compongono la materia organica. Esistono anche numerosi organismi che utilizzano la materia organica come combustibile. Ciò rende difficile capire quanta respirazione avviene attraverso i diversi tipi di materia organica e organismi nei corsi d'acqua e nei fiumi.
Nonostante le sfide, il PNNL e i ricercatori partner hanno rivelato regole generali su come funzionano questi sistemi complessi. Queste regole consentono agli scienziati di risolvere altre importanti sfide, ad esempio come migliorare la qualità dell'acqua e prevedere la quantità di anidride carbonica che lascerà corsi d'acqua e fiumi in seguito a grandi eventi come gli incendi.
"Comprendere quali principi regolano i processi e come funzionano nei sistemi è un obiettivo chiave del nostro lavoro", ha spiegato la scienziata della Terra del PNNL Allison Myers-Pigg. "Questa conoscenza fornisce una base per la costruzione di modelli in grado di prevedere la salute futura di corsi d'acqua e fiumi, compreso il modo in cui potrebbero essere influenzati da grandi disturbi. Senza questa conoscenza, non possiamo fare previsioni accurate."
Ulteriori informazioni: Firnaaz Ahamed et al, Esplorazione dei determinanti della biodisponibilità della materia organica attraverso la modellazione termodinamica esplicita del substrato, Frontiers in Water (2023). DOI:10.3389/frwa.2023.1169701
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
