Matteo Duca – Pane, trincee e smog: il ciclo dell’azoto nell’era dell’Antropocene

Matteo Duca – Pane, trincee e smog: il ciclo dell’azoto nell’era dell’Antropocene

novembre 2, 2017 Editor GV 0 Tag:, , , ,

L’effetto delle attività umane sul ciclo dell’azoto è come l’aria: sebbene invisibile, è ovunque, anche dentro di noi. Ampiamente ignorato dalla stampa, focalizzata sull’anidride carbonica, lo squilibrio del ciclo dell’azoto è considerato da molti scienziati come una minaccia ancor più grave per gli ecosistemi e per la salute umana. Questo squilibrio è dovuto ad una caratteristica fondamentale del ciclo dell’azoto: questo elemento, infatti, è immagazzinato principalmente in una molecola molto stabile, N2, che compone il 78% dell’aria e solo lentamente si trasforma in altre molecole azotate che chiameremo in seguito “azoto reattivo” (Nr). Questo significa che l’azoto è un elemento limitante per tutti gli ecosistemi: qualsiasi influsso addizionale di Nr (ad esempio d’origine antropica) può rapidamente condurre ad uno squilibrio. Per comprendere il ciclo dell’azoto nella nostra era geologica, l’Antropocene, è utile seguire un percorso diacronico che parte dall’agricoltura, la prima attività umana ad alto impatto ambientale.


Figura 1 Panoramica dell’impatto delle attività antropiche sul ciclo dell’azoto. Adattato da: Duca, M.; Koper, M. T. M., Powering Denitrification: The Perspectives of Electrocatalytic Nitrate Reduction. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9726-9742.


In tutte le civiltà agro-pastorali si svilupparono conoscenze empiriche volte ad incrementare la fertilità dei suoli aumentando l’influsso di Nr. In primo luogo, si notò l’effetto benefico del letame del bestiame; principalmente, però, fu l’associazione di cereali e leguminose a permettere di conservare la fertilità dei suoli. Così, il frumento o l’orzo furono coltivati con ceci/piselli/fave (Mesopotamia e Mediterraneo), il riso con la soia (Cina), e infine il mais con i fagioli (America). Le leguminose arricchiscono il suolo di Nr grazie all’associazione simbiotica di batteri specializzati nella fissazione dell’azoto, secondo la reazione:


N2 + 8H+ + 8e + 16ATP -> 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi


catalizzata da un enzima contenente ferro e molibdeno, la nitrogenasi, che probabilmente si evolse ben prima della comparsa dell’ossigeno sulla Terra. Si tratta di una reazione ad alto costo energetico, come sottolineato dall’idrolisi di ben sedici molecole di ATP, il vettore energetico delle cellule: questa è un’ulteriore prova dell’estrema difficoltà con la quale si trasformare l’N2 in Nr. L’ammoniaca, sotto forma di ione ammonio (NH4+), può essere assimilata dalle piante.


Il ruolo dell’azoto in agricoltura, che sarà definito solo a metà del XIX secolo da Von Liebig, si accompagna ad un secondo aspetto tipico del rapporto dell’uomo con quest’elemento: la sua importanza come componente degli esplosivi. Scoperta in Cina e utilizzata per applicazioni belliche e pirotecniche, la polvere da sparo combina due combustibili (carbone vegetale e zolfo) e un comburente, il salnitro, ossia nitrato di potassio. La combustione della polvere da sparo genera un aerosol e molto gas, la cui espansione scaglia il proiettile. Il nitrato si pone agli antipodi dell’ammoniaca nel ciclo dell’azoto ed ha la caratteristica di essere una molecola ad alta energia che, se opportunamente stimolata (ad esempio con un innesco), tende a riformare N2, mentre l’ammoniaca è molto più stabile. Come quest’ultima, il nitrato può essere impiegato anche come fertilizzante, facendone l’archetipo di un prodotto utile sia per scopi pacifici sia bellici.


Con lo sviluppo degli eserciti moderni, le potenze europee dovettero procurarsi quantità crescenti di nitrato: in assenza di processi industriali, si requisivano stalle nelle quali opportune condizioni avevano permesso la formazione di depositi ricchi di nitrato in seguito all’accumulo di deiezioni animali. Allo stesso tempo, l’avanzamento delle tecniche agricole, soprattutto in Inghilterra con la rotazione quadriennale (rape, trifoglio –una leguminosa, grano e orzo), condusse ad un incremento sempre più rapido della popolazione. Nel XIX secolo, si giunse quindi ad una situazione potenzialmente esplosiva, nella quale le grandi nazioni europee si trovavano per la prima volta confrontate con una carenza di fertilizzanti per massimizzare le rese delle colture, mentre eserciti agguerriti e tecnologicamente avanzati necessitavano di nitrato per la fabbricazione delle munizioni. Nel 1840, il chimico tedesco Justus von Liebig pubblicò un trattato di chimica applicata all’agricoltura, sottolineando il ruolo vitale dell’azoto. Come spesso accade in questo resoconto, le conoscenze nell’ambito degli esplosivi e dell’agricoltura avanzano di pari passo, e nel 1847 il chimico italiano Ascanio Sobrero, dottorando di Von Liebig, sintetizzò la nitroglicerina, poi commercializzata da Alfred Nobel. Così, si giunge alla metà XIX secolo, quando le potenze europee, in primo luogo l’Impero Britannico, dovettero cercare di assicurarsi forniture continue di fertilizzanti azotati e di materie prime per produrre esplosivi. Per un breve periodo, fu il Perù a saziare la fame d’azoto dell’Europa, fornendo guano (ossalato di ammonio, prodotto da deiezioni di uccelli marini) esportato dalle isole Chincha, al largo della costa peruviana. Il boom economico peruviano, generato dalle importazioni e capitali stranieri, attrasse le mire neocoloniali della Spagna, che occupò le isole Chincha nel 1864 dando origine ad una breve guerra nella quale venne infine sconfitta. In seguito all’esaurimento del guano, si iniziarono a sfruttare i depositi di caliche, una crosta salina tipica del Deserto dell’Atacama. Estese a cavallo di tre stati – Cile, Bolivia e Perù – queste formazioni minerali richiedono impianti di raffinazione per permettere l’estrazione del nitrato. Poiché i tre stati sudamericani non avevano a disposizione la tecnologia necessaria, intervennero investitori stranieri, in primo luogo inglesi, e in questo modo sorsero i primi centri di produzione di nitrati. Cercando di assicurarsi una fonte di introiti, la Bolivia introdusse un dazio sulle esportazioni di nitrato dai propri porti, che colpiva in primo luogo imprese anglo-cilene. Fu questo il casus belli della Guerra del Pacifico, una conflitto sanguinoso che oppose Perù e Bolivia al Cile dal 1879 al 1884. I cileni, con un esercito meglio equipaggiato, sbarcarono nel porto boliviano di Antofagasta e mossero verso nord; ben presto la guerra volse a loro favore e, firmata la pace, le rettifiche di confine permisero al Cile di conquistare un’ampia fetta di territorio con ingenti risorse minerarie, mentre la Bolivia perdeva lo sbocco al mare. Per il resto del XIX secolo, i nitrati cileni continuarono a rifornire l’Europa e la sua popolazione in continua crescita.


Il dualismo vita-morte che pare attraversare l’intera storia del rapporto dell’uomo con l’azoto s’incarna nella figura controversa del geniale chimico tedesco Fritz Haber, Premio Nobel per la chimica nel 1918 e nel cosiddetto processo Haber-Bosch, definito dalla BBC come una delle 50 innovazioni alla base dell’economia moderna. All’inizio del XX secolo, numerosi scienziati avevano lanciato un allarme: per evitare future carestie, era fondamentale sviluppare la tecnologia chimica che permettesse di copiare l’azione della nitrogenasi e trasformare l’azoto atmosferico in ammoniaca per produrre fertilizzanti in grande quantità. La teoria dell’equilibrio chimico di Le Châtelier (1884) indicava che sarebbero state necessarie alte pressioni per ottenere ammoniaca; allo stesso tempo, la teoria della catalisi sviluppata all’inizio del XX secolo dal chimico tedesco Ostwald suggeriva che la velocità di reazione poteva essere incrementata grazie ad un opportuno catalizzatore. Fu il gruppo di ricerca di Haber a brevettare nel 1909 il processo nel quale l’azoto e l’idrogeno si combinano per dare ammoniaca; il catalizzatore più attivo parve inizialmente essere l’osmio:


N2 + 3H2 -> 2NH3


Convinti delle potenzialità del processo Haber, i chimici della BASF decisero di lavorare alla realizzazione di un processo industriale a grande scala. L’ingegnere Carl Bosch ideò materiali resistenti alle alte pressioni, mentre il chimico Alwin Mittasch sostituì l’osmio, molto caro, con un catalizzatore a basso costo a base di ossido di ferro e additivi come l’ossido di potassio. La produzione industriale di ammoniaca iniziò nel 1913. Fu così che il Reich si rese indipendente dalle importazioni dal nitrato cileno, non solo per la produzione di fertilizzanti, ma anche di esplosivi, proprio all’alba dello scoppio della Prima Guerra Mondiale. Grazie al processo Haber-Bosch, i tedeschi riuscirono a continuare a combattere e a nutrire il proprio esercito nonostante il blocco imposto dalla marina britannica alle esportazioni di nitrato verso la Germania. La figura di Haber ritorna durante il conflitto: egli infatti supervisionò l’attacco al cloro durante la battaglia di Ypres nel 1915. La moglie di Haber, Clara Immerwahr, brillante scienziata e prima donna tedesca a conseguire il dottorato in chimica, si suicidò pochi giorni dopo, forse in risposta alle azioni del marito.


Dai gas delle trincee delle Fiandre, la storia del ciclo dell’azoto ci porta ora all’inquinamento atmosferico che soffoca le nostre città, risultato della motorizzazione di massa che accompagnò la crescita economica dell’Europa occidentale e degli Stati Uniti a partire dagli anni ’50 del XX secolo. Nei motori a scoppio, l’ossigeno dell’aria non reagisce solo con il carburante: le alte temperature permettono la formazione di ossidi di azoto, i famosi NOx, che sono una forma molto pericolosa di Nr. Infatti, i NOx rilasciati nell’atmosfera, oltre ad essere dannosi per l’apparato respiratorio, contribuiscono in primo luogo allo “smog fotochimico”: reazioni a catena indotte dalla luce solare che generano ozono e composti organici volatili. In secondo luogo, i NOx formano acido nitrico, che conduce alle cosiddette “piogge acide”. Tuttavia, l’introduzione dei catalizzatori per automobili ha permesso di ridurre il rilascio di NOx nell’atmosfera, sebbene il recente scandalo delle emissioni truccate, che coinvolge vetture Diesel, ci ricordi che la “marmitta catalitica” non è una soluzione definitiva al problema dell’inquinamento.


Se l’inquinamento atmosferico è un esempio visibile degli squilibri del ciclo dell’azoto, ne esiste un altro ben più insidioso e nascosto, ma con un impatto ancor più devastante, che deriva direttamente dall’uso su larga scala dei fertilizzanti azotati prodotti con il processo Haber-Bosch. Il punto di svolta si situa sempre intorno agli anni ’50 del XX secolo, quando, grazie all’impiego di fertilizzanti artificiali, le rese agricole in paesi come Cina e India crescono di pari passo all’enorme boom demografico di questi paesi. È questo evento, secondo alcuni scienziati, a definire più di ogni altro l’inizio dell’Antropocene per quanto riguarda il ciclo dell’azoto. Ormai, la metà della popolazione umana è direttamente dipendente dai fertilizzanti azotati artificiali: senza di essi, ci sarebbe cibo solo per una persona su due. Il processo Haber-Bosch permette inoltre di nutrire gli animali che alleviamo per soddisfare il consumo di carne e latte caratteristico delle società ricche: per questo possiamo dire che la maggior parte dell’azoto nelle proteine del nostro corpo proviene dall’aria attraverso il processo Haber-Bosch. Tuttavia, l’uso indiscriminato di fertilizzanti in quantità superiori al fabbisogno delle piante conduce ad un’accumulazione dei nitrati nei suoli e, con il dilavamento dovuto alle precipitazioni, un eccesso di Nr raggiunge i corsi d’acqua e le aree costiere, creando le condizioni perfette per l’eutrofizzazione. Questi fenomeni non sono solo una minaccia per gli ecosistemi, ma anche per il clima: infatti, i batteri nei suoli ricchi di nitrato tendono a rilasciare protossido d’azoto (N2O, il “gas esilarante”) un potente gas ad effetto serra che permane a lungo nell’atmosfera e, una volta raggiunta la troposfera, contribuisce alla distruzione dell’ozono atmosferico.


Di fronte a questa situazione, che fare? Fra le svariate soluzioni allo studio, molte sono ancora in fase sperimentale: ad esempio, cereali geneticamente modificati in modo da “copiare” la capacità delle leguminose ad associarsi ai batteri azoto-fissatori. Tuttavia, la Haber-Bosch continuerà ancora a giocare un ruolo fondamentale. È in questo contesto che ciascuno di noi può dare il proprio contributo, e il primo passo consiste nella quantificazione della “impronta ecologica dell’azoto” legata ai vari settori della vita quotidiana. Un gruppo di scienziati ha realizzato un questionario, disponibile su www.n-print.org, grazie al quale possiamo valutare l’impatto del nostro stile di vita sul ciclo dell’azoto. Come si può notare, l’impronta ecologica dell’azoto dipende in primo luogo dall’alimentazione, ed è a tavola che possiamo fare la nostra parte, riducendo il consumo di carne e sostituendola con fonti di proteine vegetali come i legumi, ma soprattutto evitando gli sprechi. In secondo luogo, i trasporti ed i consumi incidono sull’impronta dell’azoto a causa della produzione di NOx nei motori a scoppio: si può quindi optare per veicoli a basse emissioni, i trasporti pubblici, e consumare beni prodotti localmente. Infine, possiamo ridurre il fabbisogno energetico delle nostre abitazioni, diminuendo così il consumo di energia elettrica prodotta in centrali termoelettriche.


Dai campi di battaglia alle campagne e alle città, l’azoto è una presenza continua nella storia delle civiltà umane: le sfide poste dagli squilibri attuali del ciclo dell’azoto saranno vinte solo col contributo di tutti, nei nostri piatti, nelle nostre case, nelle nostre strade.



Matteo Duca è attualmente ricercatore postdottorale presso l’Institut National de la Recherche Scientifique di Varennes. La sua passione per la scienza varca la soglia dei laboratori e si traduce in attività di divulgazione scientifica organizzate in collaborazione con il centro di comunicazione scientifica Cœur des Sciences dell’UQAM. Nel 2012 ha conseguito il dottorato di ricerca cum laude all’Università di Leiden (Paesi Bassi), con una tesi in elettrochimica e catalisi. Questo campo di ricerche studia i processi chimici che sono prodotti dall’elettricità, o quelli che invece la generano. Un esempio del primo caso è la separazione dell’acqua in ossigeno e idrogeno: l’elettrolisi; fra i secondi, possiamo citare le batterie. Lo scienziato comasco Alessandro Volta, considerato uno dei padri fondatori dell’elettrochimica, riassume in sé questi due aspetti, essendo stato fra i primi ad osservare che l’elettrolisi dell’acqua poteva essere ottenuta grazie ad una pila (“pila di Volta”).

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