Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

MARIA ROSARIA BONI

Il corso fornisce agli studenti gli elementi di base di biologia, di ecologia e di ecotossicologia indispensabili per lo studio dei fenomeni di inquinamento degli ambienti naturali, per la loro salvaguardia ed il loro risanamento. Nel corso vengono analizzati i principi di base della biologia, dell’ecologia e dell’ecotossicologia. Vengono inoltre esaminati i diversi comparti ambientali e i fenomeni di inquinamento specifici per ciascun comparto.
Durante il corso lo studente potrà acquisire le informazioni necessarie per orientarsi autonomamente nello studio dei comparti ambientali e delle relazioni tra gli stessi; sarà in grado di riconoscere e interpretare le conoscenze acquisite e combinare in modo adeguato le conoscenze teoriche con l’applicazione pratica di quanto appreso sviluppando quindi autonomia di giudizio nell’ambito dello specifico campo di azione.
Particolare attenzione viene dedicata ai metodi innovativi per l’analisi degli effetti dannosi degli inquinanti e alla capacità di risposta del comparto ambientale considerato.
Alla fine del corso lo studente avrà acquisito le nozioni e i mezzi fondamentali per affrontare lo studio dei fenomeni di inquinamento dei comparti ambientali – che sono la causa delle alterazioni dell’ambiente – e dei processi chimico-fisici e biologici che vengono utilizzati nelle tecnologie di risanamento ambientale. Lo studente, inoltre, sarà in grado di comunicare in modo efficace le conoscenze acquisite.

Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito le conoscenze di base di biologia, biochimica, ecologia ed ecotossicologia necessarie per comprendere i principali fenomeni di inquinamento degli ambienti naturali.
In particolare, lo studente conoscerà:
• i livelli di organizzazione degli esseri viventi, i principali processi metabolici e il ruolo dei microrganismi nella degradazione della sostanza organica;
• la struttura e il funzionamento degli ecosistemi, i flussi di energia, i cicli biogeochimici e le dinamiche delle popolazioni e delle comunità;
• le principali classi di inquinanti e i processi che ne determinano il trasporto, la trasformazione, la persistenza e il destino negli ecosistemi;
• i principali effetti acuti e cronici degli inquinanti sugli organismi e i criteri di base utilizzati nei test di tossicità;
• le caratteristiche fondamentali dei comparti acqua, suolo e atmosfera e i principali fenomeni di inquinamento che li interessano;
• i principali processi naturali di autodepurazione e gli approcci di base alla protezione e al recupero degli ambienti contaminati.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
• descrivere i principali fenomeni di inquinamento che interessano le acque, il suolo e l’atmosfera;
• interpretare le relazioni tra caratteristiche chimico-fisiche degli inquinanti, condizioni ambientali e loro comportamento nei diversi comparti;
• individuare le possibili vie di ingresso, trasporto e trasferimento degli inquinanti negli ecosistemi e nelle catene alimentari;
• riconoscere i principali effetti degli inquinanti sugli organismi, sulle popolazioni e sulle comunità biologiche;
• individuare i principali processi che determinano il comportamento e gli effetti degli inquinanti nelle acque, nel suolo e nell’atmosfera.
Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di integrare le conoscenze acquisite per formulare valutazioni motivate sulle cause e sugli effetti dei principali fenomeni di inquinamento ambientale.
Sarà inoltre in grado di:
• individuare le principali relazioni tra sorgenti di contaminazione, caratteristiche dell’ambiente ed effetti sugli organismi;
• selezionare le informazioni utili per l’analisi di un semplice problema ambientale;
• distinguere gli effetti diretti e indiretti degli inquinanti sugli organismi e sugli ecosistemi.
Abilità comunicative
Lo studente sarà in grado di descrivere e discutere i principali fenomeni di inquinamento degli ambienti naturali utilizzando un linguaggio scientifico appropriato.
Sarà inoltre in grado di esporre in modo chiaro le conoscenze acquisite e di presentare i risultati dell’analisi di semplici casi di studio, utilizzando correttamente la terminologia propria della biologia, dell’ecologia, dell’ecotossicologia e dell’ingegneria sanitaria-ambientale.
Capacità di apprendimento
Lo studente acquisirà gli strumenti concettuali e metodologici necessari per approfondire autonomamente le tematiche relative all’ecologia e all’inquinamento degli ambienti naturali.
Sarà in grado di consultare testi, materiali didattici e fonti scientifiche di base, collegando le nuove informazioni alle conoscenze acquisite durante il corso e sviluppando la capacità di aggiornarsi sulle problematiche ambientali e sui relativi metodi di studio.

Per un’adeguata comprensione degli argomenti trattati nel corso, sono utili conoscenze di base di chimica, fisica, biologia e analisi matematica.

Elementi di biologia e biochimica. Assetto morfologico e strutturale degli esseri viventi. I protisti ed il loro livello organizzativo. La composizione della materia vivente. Gli enzimi come catalizzatori biologici. I microrganismi ambientali ed il loro ruolo nella degradazione della sostanza organica. Metabolismo batterico: anabolismo e catabolismo.
Elementi di ecologia. Cenni di Ecologia. Gli ambienti naturali: aereo, terrestre, acquatico. L’ambiente antropizzato. Gli ecosistemi. Omeostasi ecologica. Energia negli ecosistemi. Catene alimentari. Piramidi ecologiche. Cicli biogeochimici. Ciclo dell’azoto, del carbonio, del fosforo e degli elementi biogeni. Leggi di crescita: legge della tolleranza, legge del minimo. La popolazione. Dinamica delle popolazioni. Le comunità esempi di ecosistemi naturali e artificiali.
Elementi di ecotossicologia. Ecotossicologia e tossicologia. Definizione. Effetti sull’uomo dei più comuni prodotti chimici. Identificazione dell’inquinante in base alle caratteristiche fisico-chimiche. Principali processi biotici e abiotici di trasformazione e trasporto degli inquinanti. Biodegradabilità, bioaccumulo, bioconcentrazione, biomagnificazione. Definizione di composti tossici. Esposizione e dose. Curve concentrazione-effetto. Tossicità acuta e cronica. Interazione fra tossici. Effetti sub letali: acuti e cronici. Le previsioni di tossicità.
2 CFU pari a 50 ore di impegno dello studente di cui:
• 20 ore tra lezioni frontali, esercitazioni e seminari;
• 30 ore di studio individuale.

Il suolo. L’ambiente terrestre. Pedogenesi. Caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e biologiche del suolo. Fonti di inquinamento del suolo e definizione dei livelli di contaminazione. Effetti diretti ed indiretti sulle biocenosi animali e vegetali. Principali processi di autodepurazione del suolo. Approccio alla decontaminazione dei suoli contaminati.
L’acqua. L’ambiente acquatico. Acque superficiali e di falda. Usi delle acque. Fonti ed effetti dell’inquinamento delle acque lentiche e lotiche. Principali processi di autodepurazione nelle acque. Aspetti biologici, chimici, e fisici dei principali fenomeni di inquinamento. Monitoraggio dell’inquinamento idrico. Misure di controllo dell’inquinamento delle acque. Le acque di falda ed il loro uso. Inquinamento dei laghi: eutrofizzazione. Recupero dei laghi eutrofizzati. Inquinamento marino. Inquinamento dei fiumi. Studio dell’inquinamento di un fiume con la curva a sacco.
L’atmosfera. L’ambiente aereo. Gradiente termico verticale. Principali fonti di inquinamento antropiche e naturali. Inquinanti primari, inquinanti secondari. Monitoraggio dell’aria atmosferica. Effetti dell’inquinamento atmosferico. Effetti sul clima: effetto serra, effetto frigorifero, effetto U.V., deposizioni acide, smog. Gli effetti diretti e indiretti sulle biocenosi animali e vegetali.
4 CFU pari a 100 ore di impegno dello studente di cui:
• 40 ore tra lezioni frontali, esercitazioni e seminari;
• 60 ore di studio individuale.

Fenomeni di inquinamento degli ambienti naturali. Principi e metodi di studio.
Autore: Boni Maria Rosaria. Casa editrice: Carocci. Marzo 2007

Schemi e dispense di lezione

Il corso si svolge prevalentemente mediante lezioni frontali.
La trattazione teorica è integrata con esempi applicativi e con l’analisi di semplici casi di studio relativi ai fenomeni di inquinamento e alle caratteristiche qualitative dei diversi comparti ambientali.
Potranno inoltre essere organizzati seminari di approfondimento su tematiche di particolare interesse.

Le lezioni si svolgono in presenza. La frequenza è consigliata, in quanto favorisce la comprensione degli argomenti trattati e supporta lo studio individuale.

La verifica del conseguimento degli obiettivi formativi da parte di ciascun studente verrà condotta in modo organico all’interno dell’esame di profitto al termine del corso.
L'esame di profitto consiste in una prova orale in cui il candidato sarà giudicato sulla base delle conoscenze degli argomenti del corso, quindi dovrà dimostrare di sapersi orientare in modo autonomo tra i diversi temi trattati.

Esempi di domande
Che cosa si intende per metabolismo cellulare? Descrivere la differenza tra anabolismo e catabolismo.
Descrivere le principali differenze tra respirazione aerobica, respirazione anaerobica e fermentazione.
Qual è il ruolo dei microrganismi nella degradazione della sostanza organica negli ambienti naturali?
Quali fattori determinano il destino di un inquinante all’interno di un ecosistema?
Descrivere la differenza tra tossicità acuta e tossicità cronica.
Che cosa rappresenta una curva concentrazione-effetto?
Spiegare la differenza tra bioaccumulo, bioconcentrazione e biomagnificazione.
Quali fattori influenzano l’accumulo di un inquinante negli organismi e nelle catene alimentari?
Quali sono le principali proprietà fisiche, chimiche e biologiche delle acque naturali?
Come possono essere classificate le acque naturali?
In che modo la circolazione delle acque condiziona le caratteristiche di laghi, fiumi e altri corpi idrici?
Quali sono le principali categorie di inquinanti presenti nelle acque?
Quali processi determinano il destino di un inquinante all’interno di un corpo idrico?
Quali effetti può determinare l’immissione di sostanza organica biodegradabile in un corso d’acqua?
Quali sono le principali conseguenze dell’inquinamento chimico, biologico e termico delle acque?
Che cosa rappresenta la curva a sacco dell’ossigeno disciolto?
Quali processi determinano la riduzione e il successivo recupero della concentrazione di ossigeno in un corso d’acqua?
Descrivere le principali zone individuabili lungo la curva a sacco.
Qual è la differenza tra il processo di deossigenazione e quello di riossigenazione?
Quali caratteristiche del corso d’acqua e dello scarico influenzano l’andamento della curva?
Che cosa si intende per eutrofizzazione di un corpo idrico?
Come si forma il suolo e quali sono i principali processi pedogenetici?
Descrivere il profilo di un suolo e i suoi principali orizzonti.
Quali sono le principali proprietà fisiche, chimiche e biologiche del suolo
In che modo le proprietà del suolo e dell’inquinante ne condizionano il destino nei diversi comparti ambientali?
Descrivere la struttura dell’atmosfera e la sua classificazione in funzione dell’andamento della temperatura.
Qual è la differenza tra inquinanti primari e secondari?
Quali processi regolano il trasporto, la trasformazione e la rimozione degli inquinanti dall’atmosfera?
Distinguere i fenomeni di inquinamento su scala locale, regionale e globale.
Quali sono i principali effetti dell’inquinamento atmosferico sugli organismi, sugli ecosistemi e sui materiali?
Quali sono i principali macroinquinanti atmosferici indicati come “Big Five”?

• Elementi di biologia e biochimica - Componenti della materia vivente: biomolecole, reazioni chimiche. Esseri viventi e loro livello organizzativo. La cellula: struttura, trasporto attivo e passivo. Energia: reazioni enzimatiche, metabolismo, catabolismo, nutrizione batterica e processi di sintesi. Crescita, sopravvivenza e morte dei microrganismi: significato della crescita, curva di crescita. I microrganismi ambientali e il loro ruolo nella degradazione della sostanza organica ( 10 ore)


• Elementi di ecologia – Livelli di organizzazione gerarchica: ecosistema. Biosfera: clima e caratteristiche dell’ecosistema, biomi terrestri, ecosistemi acquatici. Dinamica degli ecosistemi: cicli biogeochimici (ciclo dell’azoto, del carbonio, del fosforo e degli elementi biogeni), flussi di energia attraverso gli ecosistemi. Fattori limitanti: concetto di fattore limitante, condizioni di esistenza come fattori di regolazione, fattori fisici limitanti. Ecologia delle popolazioni: le popolazioni, dinamica delle popolazioni. Ecologia delle comunità: interazioni tra specie competitive, interazioni tra specie all’interno di una comunità, successioni ecologiche ( 10 ore)


• Elementi di ecotossicologia – Definizione. Inquinanti e loro destino negli ecosistemi: principali classi di inquinanti, ingresso degli inquinanti nell’ecosistema, migrazione a lungo raggio e trasporto globale degli inquinanti, destino degli inquinanti organici negli organismi e negli ecosistemi. Bioaccumulo: assunzione, biotrasformazione e detossificazione, eliminazione, accumulo, fattori che influenzano il bioaccumulo, bioaccumulo attraverso il cibo e la catena alimentare (spirale eco tossicologica), biodegradabilità. Bioconcentrazione; biomagnificazione. Effetti degli inquinanti sugli organismi: test di tossicità, effetti degli inquinanti sugli organismi: tossicità acuta e cronica, curva concentrazione (dose-effetto), effetti biochimici e fisiologici degli inquinanti ( 10 ore)


• L’acqua – Classificazione delle acque naturali. Caratteristiche dell’acqua e delle acque naturali: proprietà chimico-fisiche, caratteristiche biologiche delle acque, circolazione delle acque ed effetti sulle caratteristiche dei corpi idrici. Inquinamento delle acque: inquinanti nelle acque e loro destino nei corpi idrici. Inquinanti biologici, inquinanti inorganici, inquinanti organici, eutrofizzazione, deossigenazione dei corsi d’acqua (curva a sacco) ( 10 ore)


• Il suolo – Origine e sviluppo del suolo: processi pedogenetici, caratteristiche dei materiali, profilo del suolo. Struttura e caratteristiche dei suoli: caratteristiche fisiche, caratteristiche chimiche, caratteristiche meccaniche, contenuto d’acqua nel suolo. Inquinamento del suolo: inquinanti chimici del suolo, inquinanti fisici del suolo, inquinanti biologici del suolo, destino degli inquinanti nel suolo. effetti diretti e indiretti sulle biocenosi animali e vegetali. Principali processi di autodepurazione del suolo. Approccio alla decontaminazione dei suoli contaminati. ( 10 ore)


• L’atmosfera – Caratteristiche dell’atmosfera: classificazione termica, pressione atmosferica, composizione atmosferica. Inquinamento dell’atmosfera: inquinamento su scala locale,inquinamento su scala globale, comportamento degli inquinanti in atmosfera. Gli effetti diretti e indiretti sulle biocenosi animali e vegetali. Misure di controllo della qualità dell’aria. ( 10 ore)