Analizzare i Composti Organici Volatili emessi dalle Piante che influiscono sul clima

Analizzare i composti organici volatili emessi dalle piante

La vegetazione terrestre emette grandi quantità di composti organici volatili (VOC) nell’atmosfera, che per ossidazione produce un aerosol organico secondario (SOA). Agendo come nuclei di condensazione delle nubi (CCN), la SOA influenza la formazione di nuvole e il clima. In un clima di riscaldamento, i cambiamenti dei fattori ambientali possono causare stress alle piante, inducendo cambiamenti nel VOC emesso. Questi possono modificare la dimensione e la composizione delle particelle.

Qui riportiamo come le emissioni indotte alla fine influenzano l’attività dei nuclei di condensazione  dell’aerosol e permette di analizzare i composti organici volatili emessi dalle piante un parametro chiave nella formazione delle nubi. Per le specie arboree forestali boreali, l’infestazione da afidi causa ulteriori emissioni di COV che modificano la composizione SOA e quindi l’igroscopicità e l’attività CCN. Il calore moderato aumenta la quantità totale di VOC costitutivo, che ha un effetto minore sull’igroscopicità, ma influenza l’attività del CCN aumentando la dimensione delle particelle. L’accoppiamento tra stress delle piante, composizione di COV e attività di CCN indica un importante impatto delle emissioni indotte dalla pianta sulla formazione di nuvole e sul clima.

Composti organici volatili (VOC) come isoprene e terpeni emessi dalle piante hanno varie funzioni biologiche, tra cui crescita delle piante, difesa e comunicazione.

Si stima che 1.000 teragrammi di VOC biogenico vengano emessi globalmente ogni anno, superando di molto le emissioni totali di COV derivanti dalle attività umane.

Le emissioni di COV delle piante sono strettamente collegate alla formazione di nuvole e al clima attraverso la formazione di aerosol organico secondario (SOA)  che contribuiscono al budget di nuclei di condensazione (CCN) regionali e globali (Figura 1).

Analizzare i Composti Organici Volatili emessi dalle Piante permette di capire che essi sono regolati da fattori ambientali biotici e abiotici.

Calore, siccità o infestazione sono fattori di stress che causano deviazioni dalle condizioni di vita ottimali delle piante. I fattori ambientali e gli stress cambiano significativamente le emissioni degli impianti in due modi ,possono o aumentare o diminuire la quantità di VOC costitutivo (Figura 1, percorso a sinistra), o stimolare percorsi biochimici che inducono l’emissione di altri tipi di VOC. Quest’ultimo sposta la composizione generale delle emissioni, cioè i contributi relativi di diverse classi di VOC (Figura 1, retta via). Tali cambiamenti nel VOC emesso determinano cambiamenti delle dimensioni delle particelle di SOA e composizione chimica, quindi igroscopicità. Poiché sia ​​la dimensione che l’igroscopicità determinano l’attività CCN di SOA, le variazioni di VOC finiranno per influenzare la formazione di nubi e, in definitiva, avranno un impatto sul clima. Allo stato attuale, i fattori di stress ambientale colpiscono fortemente le piante, secondo ispezioni periodiche di aree forestali, oltre il 40% degli alberi forestali in Europa soffrono di vari stress in cui gli stress biotici rappresentano circa il 40% delle tensioni totali. Con il cambiamento climatico, si prevede che fattori di stress come le ondate di calore, infestazioni o la siccità intensificheranno e influenzeranno più spesso le condizioni ambientali delle piante; ciò implica un potenziale feedback importante tra le emissioni delle piante e il clima.

Solo pochi studi hanno affrontato gli effetti dei fattori ambientali sulle emissioni di COV indotte e sulla formazione di SOA; è importante sottolineare che gli eventuali effetti dei fattori ambientali sull’attività CCN della SOA e sulle concentrazioni di CCN sono sconosciuti finora, limitando la nostra comprensione di come le piante terrestri interagiscono con il clima.

Questa lacuna è stata affrontata in un lavoro di ricerca eseguito da   “Zhao, D. F. et al. Environmental conditions regulate the impact of plants on cloud formation” con un nuovo studio di laboratorio su come le emissioni delle piante indotte da fattori ambientali biotici e abiotici modificano l’igroscopicità e l’attività CCN della SOA. Si è notato che l’effetto dell’infestazione da afide crea una tipologia di stress biotico mentre  l’effetto del calore e della siccità come esempi di stress abiotici sia per le emissioni costitutive sia per le emissioni indotte. Le emissioni di VOC sono state prelevate da un supporto misto di pino, abete rosso e betulla, tipico delle foreste boreali e di singoli alberi dello stesso tipo conservati nella Jülich Plant Atmosphere Chamber (JPAC)  in condizioni variabili . La SOA è stata formata per ossidazione fotochimica di VOC costitutiva e indotta tramite nucleazione omogenea e l’attività CCN delle particelle SOA è stata determinata direttamente . Si è riscontrato che l’infestazione da insetti, come esempio di fattori biotici, ha causato ulteriori emissioni di VOC che hanno modificato la composizione SOA e quindi l’igroscopicità e l’attività CCN. E il calore, come esempio di fattori abiotici, ha aumentato la quantità totale di emissioni costitutive di COV, che ha avuto un effetto minore sull’igroscopicità della SOA, ma ha influenzato l’attività del CCN aumentando le dimensioni delle particelle.

La distribuzione delle dimensioni delle particelle nell’ambiente e la composizione chimica sono state misurate in una foresta boreale nei pressi di Jämijärvi, Finlandia  durante la campagna PEGASOL   utilizzando strumenti  come il fotoionizzatore portatile Tiger (FIg.2) per quanto riguarda i VOC e  uno spettrometro di massa di aerosol ad alta risoluzione  adattato alla misurazione su un  dirigibile.

Gli effetti di varie sollecitazioni biotiche come , calore , siccità , valore medio delle particelle,

igroscopicità( κ ) ,granulometria, sono rilevanti in relazione alla concentrazione del numero CCN e sono stati concettualmente modellati sulla base dei risultati in questo studio come mostrato nella figura 3.

Si è osservato che il calore aumenta la dimensione delle particelle mentre la siccità diminuisce le dimensioni delle particelle a causa dei loro effetti sulle emissioni di VOC. Allo stesso modo, per la SOA delle emissioni indotte, il calore aumenta anche le dimensioni delle particelle pur avendo scarso effetto sul valore medio . Le variazioni delle dimensioni delle particelle dovute al calore sono state calcolate utilizzando le variazioni di massa SOA corrispondenti alle variazioni esponenziali delle emissioni VOC con la temperatura come derivata dalla Fig. 4. In questo lavoro è stato ipotizzato un aumento della temperatura di 3,7 ° C cioè l’aumento della temperatura media globale nel 2100 progettata dal rapporto IPCC. La variazione della dimensione delle particelle dovuta alla siccità è stata calcolata utilizzando la variazione di massa SOA corrispondente alle variazioni totali di COV nella figura supplementare 6. Una relazione cubica tra la massa e il diametro delle particelle è stata assunta nei calcoli degli effetti di questi fattori ambientali sulla dimensione delle particelle . L’effetto della dimensione delle particelle (mostrato come diametro mediano) sulla concentrazione del numero CCN è stato ottenuto spostando la distribuzione delle dimensioni in passi costanti di diametro logaritmico.Le emissioni indotte diminuiscono di κ mentre aumentano le dimensioni delle particelle a causa della maggiore resa in SOA dei terpeni. La variazione delle dimensioni delle particelle dovuta alle emissioni indotte da stress biotico è stata calcolata utilizzando la massa SOA corrispondente alle rese SOA delle emissioni dominate dai VOC (ppbC) .

Questo interessante lavoro ci porta a concludere che con le strumentazioni adeguate come ad esempio  i fotoionizzatori a sensibilità elevatissime come il Tiger PPB ,commercializzato dalla Ion Science Italia www.ionscience.it,  si possono studiare fenomeni naturali di attualità come i cambiamenti climatici che interagiscono tra loro tramite l’emissione dei Voc. La precisione di tali strumenti, che riescono a rilevare anche i PPB parti per miliardo, apre nuove frontiere alla ricerca oltre che all’analisi chimica tradizionale.