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Review n. 32 – Italus Hortus 24 (2), 2017: 51-67 doi: 10.26353/j.itahort/2017.2.5167
Gli isotopi stabili nell’acqua fra suolo, pianta e atmosfera
Francesca Scandellari1* e Daniele Penna2
1
Facoltà di Scienze e Tecnologie - Libera Università di Bozen-Bolzano
2
Dipartimento di Gestione dei Sistemi Agrari, Alimentari e Forestali, Università degli Studi di Firenze
Ricezione: 10 dicembre 2017; Accettazione: 31 gennaio 2018
Stable isotopes in the water within ring alternative forms of a specific element. Hydrogen
soil vegetation and atmosphere has two stable isotopes, 1H and 2H, while oxygen has
three, 16O, 17O and 18O, though only the former and
Summary. This work aims to present the state of the latter are commonly used for research. Because
the art regarding the distribution of stable isotopes of of their ubiquity and because they are natural con-
oxygen and hydrogen in the water flowing within the stituents of water, they represent the perfect trace to
soil-vegetation-atmosphere continuum. A special follow its flow within ecosystems, even when it is not
attention will be devoted to the fruit crops, although possible to directly measure the flux rate. We then
less research has been done in this field relative to dissect the agroecosystem presenting the main
other ecosystems. processes affecting the isotopic composition of water
The most up-to-date researches on climate change entering in, flowing through and exiting from the
highlight the risk of extended drought periods ecosystem. In particular, we discuss the dynamics of
throughout the European continent, and especially in water in soil, by showing how the forces that push or
the Mediterranean region. For this reason, the pull water out of the soil and those that keep it in the
European community has already activated a series system affect its isotopic composition. This is, proba-
of actions to improve the resilience of the European bly, the environmental compartment that is known the
society to future water scarcity. Although much is least, not only because it is difficult to study, but also
known already about the water fluxes on Earth, much because of the high number of chemical, physical and
more has to be unveiled, especially regarding water biological factors that may have an effect on soil
permanence in the soil and its flux from the soil to the water isotopic composition. From the soil, the water is
atmosphere through plants. This is because many taken up by roots and transferred in huge amounts in
effects of the complex interactions between water and the atmosphere. This flux does not only cause a huge
its environment still need to be fully comprehended. withdrawal of water from the soil, pushing the farmers
Many techniques are available to researchers to to artificially import it into the system by irrigation, but
study water fluxes in the environment. also creates air turbulences, which can deeply affect
The analysis of stable isotopes of oxygen and hydro- the local climatic conditions.
gen in water is one of them and is getting particularly For space reasons, we only report the most important
popular because of the development of new, powerful fluxes of water. Many more aspects should have been
techniques that allow continuous measurements explained, but this would have produced a book
directly in the field. We shortly introduce the topic instead of a review paper. Nonetheless, with this
reporting the background information regarding the work, we hope to stimulate the interest of the reader
stable isotopes, including the most important chemi- to know more about the distribution of stable isotopes
cal-physical processes affecting the isotopic composi- in agroecosystems and the usefulness of using them
tion of water and the most common techniques to as a tool to study water fluxes in these systems.
measure them. We explain how and why use stable
isotopes in ecophysiology, agriculture and agroeco- Key words: water fluxes, hydrogen-2, oxygen-18,
logical research. Stable isotopes are naturally occur- agricultural research, water use, vegetation.
*
francesca.scandellari@unibz.it
51
Scandellari e Penna
Introduzione stata ampiamente dimostrata, ma anche nei sistemi
agrari, dove le potenzialità di questa tecnica sono
È ormai esperienza comune osservare come negli ancora in gran parte da esplorare.
ultimi anni le condizioni climatiche sia in Italia che
nel mondo stiano cambiando. Destano particolare Isotopi stabili dell’acqua
preoccupazione gli eventi siccitosi, sempre più pro-
lungati ed intensi, che stanno diventando sempre più Definizioni e unità di misura
frequenti e non più legati esclusivamente alla stagione Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che
estiva. Inoltre, l’aumento della temperatura determina posseggono un diverso numero di neutroni. Gli isoto-
un aumento dell’evapotraspirazione e quindi un mag- pi vengono definiti stabili quando il numero di protoni
gior rilascio di acqua in atmosfera aggravando le con- e neutroni non cambia nel tempo. Poiché i neutroni
dizioni di siccità (Stagge et al., 2017). La gestione all’interno dell’atomo sono particelle elettricamente
dell’acqua è una priorità non solo a livello locale, in neutre, due isotopi dello stesso elemento mantengono
quanto condizioni siccitose sono state registrate negli la stessa carica ma hanno un diverso numero di massa
ultimi anni su quasi tutto il territorio europeo, sebbene (A). Il numero di massa è espresso dalla somma del
con intensità e gravità diverse, causando disagi a circa numero di neutroni (N) e di protoni (Z, particelle cari-
il 10 % della popolazione europea (Stein et al., 2016). che positivamente) ed è riportato come apice a sinistra
Per affrontare le future sfide legate all’uso dell’acqua, del simbolo chimico.
l’Unione Europea ha pubblicato, già all’inizio del mil- La molecola di acqua è formata da due atomi di H
lennio, la Direttiva Quadro Acqua (European ed uno di O. L’idrogeno ha due isotopi stabili desi-
Community, 2000) seguita da una serie di altre diretti- gnati con 1H e 2H e che contengono rispettivamente
ve volte a fornire strategie adeguate per affrontare la solo un protone oppure un protone ed un neutrone.
siccità e i rischi associati alla scarsità d’acqua (Stein Quest’ultimo isotopo stabile è noto anche come deu-
et al., 2016). In questo contesto è indispensabile com- terio. L’ossigeno contiene 8 protoni e può avere 8
prendere i flussi idrici negli ecosistemi agrari che glo- neutroni (16O), 9 neutroni (17O), o 10 neutroni (18O).
balmente rappresentano il maggiore consumo di In una molecola di acqua si possono avere tutte le
acqua (Hoekstra e Mekonnen, 2012). possibili combinazioni, anche se alcune (per esempio
I metodi a disposizione dei ricercatori per studiare quelle che contengono 17O) sono più rare di altre e di
il ciclo dell’acqua sono diversi. Questo lavoro di sin- solito vengono trascurate negli studi che considerano
tesi è focalizzato sulla tecnica basata sull’analisi degli gli isotopi. A causa della massa diversa, gli isotopi di
isotopi stabili di idrogeno (H) e ossigeno (O) che un elemento hanno forze di legame diverse e di con-
compongono la molecola dell’acqua. Gli isotopi stabi- seguenza possono avere comportamenti chimico-fisici
li consentono di seguire direttamente il destino del- diversi.
l’acqua seguendo i flussi idrici nel sistema pianta- La composizione in isotopi stabili di elementi di
suolo-atmosfera anche quando essi non sono diretta- bassa massa atomica quali l’O e l’H è riportata in ter-
mente misurabili. Gli isotopi di O e di H sono noti da mini di valori relativi ad uno standard di composizio-
quasi un secolo (Giauque and Johnston, 1929; Urey et ne isotopica nota. Questa notazione, il “delta per
al., 1932) e il loro uso come traccianti ambientali può mille” (δ ‰) è calcolata secondo l’equazione 1:
essere fatto risalire ai primi anni ’50 del secolo scorso
(Epstein and Mayeda, 1953). Sebbene lo strumento (Rcampione-Rstandard)
principe per l’analisi degli isotopi stabili, lo spettro- δ (‰)= ×1000 (Eq. 1)
Rstandard
metro di massa isotopica, sia in circolazione e quasi
invariato da quasi settant’anni, solo negli ultimi 10-15 dove R indica il rapporto tra l’isotopo più pesante
anni circa si è assistito allo sviluppo di una nuova tec- e quello più leggero (2H/1H o 18O/16O). In pratica, il
nologia, la spettrometria a laser a infrarosso, che sta valore δ esprime di quante parti per mille il rapporto
dando una nuova spinta all’uso degli isotopi stabili isotopico si discosta dallo stesso rapporto in uno stan-
nell’analisi ambientale e nello studio del trasporto e dard di riferimento con composizione isotopica nota.
delle origini dei flussi idrici nei sistemi agrari Il motivo dell’utilizzo di tale notazione risiede nel
(Flenker, 2012; Lis et al., 2008). fatto che la differenza tra due isotopi di un elemento è
L’argomento può sembrare ostico a una prima let- molto piccola (nell’acqua il rapporto 2H/1H è appros-
tura, ma speriamo di convincere il lettore dell’utilità simativamente uguale a 0.00015576 e il rapporto
di utilizzare gli isotopi stabili per studiare il ciclo del- 18
O/16O è approssimativamente 0.0020052) per cui
l’acqua non solo nei sistemi naturali, dove essa è già utilizzare il rapporto R implicherebbe il maneggiare
52
Gli isotopi stabili nell’acqua
numeri con molte cifre decimali e complicherebbe i Frazionamento isotopico
calcoli. L’uso della notazione δ espande piccole diffe-
renze e le rende più facilmente visibili. Inoltre, l’uso Il frazionamento isotopico comporta un cambia-
di un rapporto di rapporti permette di confrontare ele- mento nelle proporzioni relative dei diversi isotopi,
menti diversi che sarebbero molto più difficili da con- generando una composizione isotopica diversa rispet-
frontare in valori assoluti. Infine, misurare diretta- to a quella originale. Questo fenomeno è dovuto a dif-
mente il rapporto 18O/16O in un campione permette di ferenze nella velocità di reazione degli isotopi leggeri
annullare il rumore di fondo e di ottenere una misura e pesanti dello stesso elemento durante le reazioni ter-
più accurata rispetto a misurare il numero assoluto di modinamiche (tipico è il caso dei cambiamenti di
18
O e di 16O. fase).
Un valore δ positivo indica che il rapporto isotopi- Nell’acqua, il frazionamento isotopico avviene
co del campione considerato è più alto di quello dello principalmente durante i cambiamenti di fase (evapo-
standard, cioè che il campione è arricchito nell’isoto- razione, condensazione, fusione). In questi casi, la
po pesante rispetto allo standard. Viceversa, un valore velocità di diffusione varia a seconda della forza dei
δ negativo indica che il rapporto isotopico del cam- legami chimici tra gli isotopi pesanti e leggeri. I lega-
pione considerato è più basso di quello dello standard, mi molecolari tra gli isotopi leggeri vengono spezzati
e quindi che il campione è impoverito nell’ isotopo più facilmente di quelli tra isotopi pesanti. La forma
pesante rispetto allo standard. Diversi termini vengo- isotopica pesante dell’acqua (cioè contenente 2H e
no comunemente usati per comparare i valori δ: arric- 18
O, ossia 2H18O) richiede più energia per spezzare i
chito/impoverito in isotopi pesanti; più positivo/più legami chimici rispetto all’acqua che contiene isotopi
negativo; maggiore/minore; più “pesante”/più “legge- più leggeri ( 1H 16O), e di conseguenza la reazione
ro” (fig. 1). avviene più lentamente. Per esempio, nel caso del
Esistono diversi standard internazionali di riferi- cambiamento di stato da liquido a gassoso, le moleco-
mento per vari isotopi. Per quanto riguarda gli isotopi le di acqua che contengono 16O evaporano più facil-
stabili degli atomi che compongono la molecola del- mente rispetto a quelle che contengono 18O, a causa
l’acqua, ossigeno e idrogeno (2H e 18O), comunemente della differenza di massa tra i due isotopi e della faci-
denominati “isotopi stabili dell’acqua”, lo standard di lità di rottura dei legami idrogeno che mantengono
riferimento è rappresentato dallo VSMOW (Vienna l’acqua in forma liquida. Inoltre, maggiore è la diffe-
Standard Mean Ocean Water), rimpiazzato nel 2006 renza di massa tra due isotopi, maggiore è il fraziona-
dallo VSMOW2 che, per definizione, ha un valore di mento isotopico. Quindi, nel caso dell’acqua, si ottie-
δ di 0‰. Questo standard è preparato ne un frazionamento maggiore nell’idrogeno in cui la
dall’International Atomic Energy Agency (IAEA), massa di un isotopo è il doppio dell’altra (2H/1H),
con sede a Vienna, ed è distribuito in tutto il mondo rispetto all’ossigeno in cui la massa di un isotopo è
per la calibrazione degli strumenti usati per la misura solo il 10 % in più rispetto all’altra (18O/16O). Per
della composizione isotopica dell’acqua. informazioni più dettagliate sui meccanismi fisici che
determinano il frazionamento isotopico si rimanda il
lettore a Gat (1996).
Esistono due meccanismi principali che determi-
nano il frazionamento isotopico: frazionamento all’e-
quilibrio e frazionamento non all’equilibrio (fraziona-
mento cinetico).
Frazionamento all’equilibrio
Il frazionamento all’equilibrio comporta la redi-
stribuzione degli isotopi di un elemento tra vari com-
posti, cosicché la velocità di reazione diretta e inversa
di un certo isotopo è identica. Questo implica che il
rapporto tra isotopi differenti in ogni composto o in
ogni fase della reazione per una certa temperatura
rimanga costante ma non implica necessariamente che
la loro concentrazione sia uguale. Durante le reazioni
Fig. 1 - Terminologia comunemente utilizzata per comparare
diversi valori di δ. all’equilibrio, l’isotopo più pesante si accumula nel
Fig. 1 - Terms commonly used to compare different values of δ. composto col maggiore stato di ossidazione o nel
53Scandellari e Penna
composto più “denso”. Un tipico esempio di processo allinearsi lungo una linea retta rappresentata
all’equilibrio è rappresentato dalla condensazione del dall’equazione
vapore acqueo. In tale processo, gli isotopi pesanti
della molecola d’acqua (18O and 2H) si concentrano δ2H (‰)= 8δ18O + 10 (Eq. 3)
nella fase liquida (che così viene definita arricchita in
isotopi pesanti, vedi fig. 1) mentre gli isotopi leggeri che è definita come retta mondiale delle acque
(16O and 1H) rimangono concentrati nella fase gasso- meteoriche (in inglese, Global Meteoric Water Line,
sa. In generale, il frazionamento è fortemente dipen- GMWL). La pendenza di questa retta nelle acque di
dente dalla temperatura: più alta è la temperatura, precipitazione, il cui valore è 8, varia in funzione
minore è la differenza tra la composizione isotopica di della temperatura di condensazione a livello atmosfe-
due specie all’equilibrio (Majoube, 1971). Questo rico. L’intercetta di questa retta corrisponde invece a
meccanismo è tipico delle reazioni reversibili in siste- ED e il suo valore, come specificato prima, è legato ai
mi chiusi in cui non vi è allontanamento del prodotto. processi di frazionamento cinetico che avvengono
durante l’evaporazione. Bassi valori di ED indicano
Frazionamento non all’equilibrio (cinetico) l’avvenuto frazionamento cinetico che determina un
Questo tipo di frazionamento è tipico di sistemi cambiamento (diminuzione) della pendenza della
aperti, dove il prodotto viene continuamente allonta- relazione tra δ18O e δ2H.
nato dal sistema, o nelle reazioni irreversibili. In que- Poiché ED è influenzato dall’umidità e dalla tem-
sti casi, non è possibile raggiungere l’equilibrio fra peratura del componente d’origine, rappresenta un
reagenti e prodotti. La velocità di reazione è dipen- parametro utile per inferire l’origine delle masse di
dente dal rapporto delle masse isotopiche e dalle loro vapore acqueo che formano le acque meteoriche in
energie vibrazionali. Come nel caso del frazionamen- una determinata zona. Per studi a scala locale vengono
to all’equilibrio, i legami tra gli isotopi leggeri vengo- spesso utilizzate rette locali delle acque meteoriche
no spezzati più facilmente di quelli tra isotopi pesanti. (Local Meteoric Water Line, LMWL) che possono
Questo comporta un accumulo di isotopi pesanti nel presentare valori di pendenza diversa da 8 e valori di
reagente mentre nelle reazioni reversibili all’equili- intercetta diversi da 10 ‰. Le rette locali per l’Italia
brio i prodotti della reazione possono essere isotopica- settentrionale e meridionale sono riportate in
mente sia più leggeri che più pesanti dei reagenti ori- Longinelli e Selmo (2003). Nel grafico in figura 2, le
ginari. Un tipico esempio di frazionamento isotopico acque campionate in regioni fredde si dispongono in
cinetico è rappresentato dal processo di evaporazione basso a sinistra perché sono impoverite in isotopi
dell’acqua dalla superficie degli oceani, in cui il vapo- pesanti, mentre quelle campionate in regioni aride si
re acqueo prodotto dall’evaporazione viene continua- posizionano in alto a destra perché arricchite in isotopi
mente rimosso dai processi di turbolenza dell’atmo- pesanti. Deviazioni dalla pendenza della GMWL, cioè
sfera cosicché la reazione non può mai raggiungere diminuzione della pendenza della retta, indicano tipi-
l’equilibrio. Il vapore prodotto dalla reazione di eva- camente il verificarsi di fenomeni evaporativi (fig. 2).
porazione risulta impoverito in isotopi pesanti con una Per esempio, in Europa sudoccidentale, dati di precipi-
deviazione del rapporto di frazionamento rispetto a tazione caratterizzati da valori di ED vicini a quello
quello che avverrebbe all’equilibrio. Tale deviazione della GMWL rivelano un’origine Atlantica mentre
è quantificata tramite un parametro definito eccesso di valori di ED più alti indicano l’influenza di masse d’a-
deuterio, ED (Dansgaard, 1964): ria provenienti dal bacino del Mediterraneo.
ED (‰)= δ2H - 8δ18O (Eq. 2) Utilità degli isotopi stabili dell’acqua in studi ecofi-
siologici ed ecoidrologici
Il grado di frazionamento cinetico durante il pro-
cesso di evaporazione è influenzato soprattutto dall’u- Gli isotopi stabili di H e O, in quanto costituenti
midità relativa al di sopra della superficie che evapo- della molecola d’acqua, sono naturalmente presenti nel
ra, e dalla temperatura dell’acqua e dell’aria. ciclo idrologico e sono pertanto ampiamente utilizzati
Nel 1961, Craig ha pubblicato un famoso articolo come traccianti per stimare percorsi e velocità dei flus-
in cui mostrava un grafico coi valori di δ18O sull’asse si di acqua nell’ambiente. Inoltre, gli isotopi stabili
delle ascisse e quelli di δ2H sull’asse delle ordinate nell’acqua sono considerati traccianti conservativi, per
(fig. 2) (Craig, 1961). In questo grafico, i dati di circa cui le interazioni che l’acqua può subire durante i pro-
400 campioni di acque prelevate da precipitazioni, cessi di precipitazione, infiltrazione nel suolo, percola-
fiumi e laghi da diversi paesi del mondo risultavano zione nel sottosuolo, assorbimento tramite apparato
54Gli isotopi stabili nell’acqua
Fig. 2 - Rappresentazione schematica dei fattori che determinano la variabilità della composizione isotopica delle acque nello spazio δ2H-
δ18O. La linea nera rappresenta la retta mondiale delle acque meteoriche (GMWL). Valori di δ più negativi si osservano di norma nei
mesi e nelle zone più fredde (alte quote e/o latitudini) e nelle zone continentali, mentre valori meno negativi o positivi si osservano nei
mesi e nelle zone più calde (basse quote e/o latitudini) e nelle zone costiere. Condizioni di elevata umidità atmosferica spostano il valore di
ED delle precipitazioni sotto la GMWL (linea tratteggiata blu) mentre condizioni di bassa umidità atmosferica lo spostano sopra la
GMWL (linea tratteggiata rossa). I processi di evaporazione causano una deviazione dalla GMWL (linea verde), in misura maggiore o
minore a seconda del tasso di evaporazione (linee verdi tratteggiate).
Fig. 2 – Schematic representation of factors determining the variability of the isotopic composition of water in the δ2H-δ18O space. The
black line indicates the global meteoric water line (GMWL). More negative values of δ are observed in cold seasons and regions (high
elevation and latitude), and inland, while less negative or positive values are observed in warm seasons and regions, and on the coast.
High atmospheric humidity determines ED values lower than the GMWL (blue dashed line) while low atmospheric humidity determines
ED values higher than the GMWL (red dashed line). Evaporation causes a deviation from the GMWL (green solid line), which is more or
less emphasized according to the evaporation rate (green dashed lines).
radicale della vegetazione e trasporto nella pianta non l’origine dell’acqua traspirata dalla vegetazione
ne modificano la struttura chimica. Pertanto, sono (Dawson e Ehleringer, 1991; Ehleringer e Dawson,
numerose le applicazioni in diverse discipline quali 1992). Da allora, si è assistito ad un interesse crescen-
scienze dell’atmosfera, (paleo)climatologia, geochimi- te e ad un uso maggiore di questa tecnica per determi-
ca, oceanografia, idrologia, idrogeologia, ecoidrologia nare la profondità e i comparti del suolo da cui l’appa-
ed ecofisiologia. Recentemente, questa tecnica è stata rato radicale di diverse specie vegetali assorbe l’acqua
applicata con successo anche in sistemi agrari (Rothfuss e Javaux, 2017), sulla sua compartimenta-
(Mohammed et al., 2016; Penna et al., 2016). Per zione e sulla dinamica all’interno della pianta
esempio, in idrologia e idrogeologia, gli isotopi stabili (Flanagan e Ehleringer, 1991) e per distinguere la
vengono impiegati per l’analisi dei movimenti dell’ac- componente acquosa traspirata da quella evaporata
qua a scala di versante e di bacino idrografico, dei pro- (Williams et al., 2004). Negli ultimi anni, l’adozione
cessi di generazione di deflusso, per la quantificazione degli isotopi stabili nell’acqua, talvolta usati in combi-
dell’origine dell’acqua che forma la risposta di piena nazione con gli isotopi stabili di altri elementi (soprat-
in un corso d’acqua, per calcolare il tempo di residen- tutto carbonio e azoto), si è sviluppata per analizzare
za dell’acqua nel sottosuolo, per stimare la ricarica l’interazione della vegetazione con l’atmosfera e la
delle falde, il tasso di evaporazione di acqua dal suolo pedosfera, e il ruolo delle piante nell’ecosistema, nello
e la vulnerabilità degli acquiferi (McGuire e specifico per esaminare i processi e l’efficienza dell’u-
McDonnell, 2007). L’utilizzo di questa tecnica in studi tilizzo idrico da parte delle piante, la variabilità spa-
di ecofisiologia ed ecoidrologia è stato introdotto all’i- ziale e temporale dell’origine dell’acqua assorbita e
nizio degli anni ’90 con alcuni lavori pioneristici sul- traspirata dalle piante, i meccanismi di utilizzo di
55Scandellari e Penna
acque di diversa origine, le strategie adattative ad
ambienti aridi (Dawson et al., 2002; Yang et al.,
2010). Sono diversi, infatti, i vantaggi offerti dagli iso-
topi stabili in studi ecofisiologici ed ecoidrologici: i)
sussistono spesso marcate differenze nella composi-
zione isotopica dei vari compartimenti idrici (suolo,
falda, precipitazioni...) tali da semplificare l’identifica-
zione delle principali origini idriche, inclusa l’acqua
assorbita da diverse profondità del suolo; ii) la quantità
di campione di acqua necessaria per l’analisi è limitata
e spesso il campionamento di acqua xilematica è non
distruttivo o poco invasivo; iii) non è necessario utiliz-
zare marcatori tossici o radioattivi; iv) è possibile
applicare semplici indici fisiologici per stimare l’effi- Fig. 3 - Schema di un IRMS
cienza dell’utilizzo idrico (Yang et al., 2010). Fig. 3 - schematic representation of an isotopic mass spectrome-
ter (IRMS).
Strumenti di misura
Gli isotopi stabili degli elementi leggeri, fra cui già in forma gassosa vengono semplicemente preleva-
l’ossigeno e l’idrogeno, si misurano tradizionalmente ti mediante un ago e iniettati direttamente nell’IRMS.
con lo spettrometro di massa isotopica, IRMS I campioni in forma acquosa vanno invece lasciati per
(Isotope-Ratio Mass Spectrometry), sviluppato inizial- 24 ore a temperatura costante in modo che si raggiun-
mente negli anni ‘40 del secolo scorso. ga uno stato di equilibrio isotopico fra l’acqua del
Concettualmente lo strumento è piuttosto semplice campione e l’atmosfera dello spazio di testa. Un cam-
(fig. 3). Il campione viene prima ionizzato e poi fatto pione dello spazio di testa viene poi iniettato come
passare attraverso un campo magnetico molto potente descritto prima.
che determina la separazione degli isotopi in base al I campioni liquidi e quelli solidi vengono invece
loro rapporto massa/carica, m/z. Infine gli ioni separa- convertiti in forma gassosa mediante un pirolizzatore
ti raggiungono un rivelatore costituito da una o più (TC/EA) (fig. 4), cioè una fornace ad alta temperatura
coppe di Faraday. Tutto questo avviene in un flusso di (1450 °C) in cui il campione viene bruciato in assenza
elio puro sotto vuoto spinto (più di 10-6 mbar). di ossigeno. Il campione viene poi trasferito all’IRMS
In un IRMS, il campione può essere analizzato per l’analisi.
solo se in forma gassosa. Un IRMS è quindi sempre
dotato di un iniettore la cui funzione è di (1) iniettare Spettrometria laser
il gas nella camera di ionizzazione; (2) regolare il Recentemente sono stati sviluppati strumenti per la
flusso del campione in modo tale che il vuoto all’in- misura degli isotopi nell’acqua in forma liquida o gas-
terno della camera di ionizzazione venga mantenuto; sosa basati sulla spettrometria all’infrarosso (fig. 5). Il
(3) iniettare il gas di riferimento in condizioni presso- concetto è completamente diverso da un tradizionale
ché identiche a quelle del campione. IRMS. In questo caso, infatti, si sfrutta l’assorbimento
I due metodi più comuni di iniezione sono il dual nel vicino infrarosso (IR) che caratterizza quasi tutte
inlet e il flusso continuo (continuous flow; CF-IRMS). le piccole molecole in fase gassosa, inclusa l’acqua.
Nel primo caso il campione viene preparato separata- La precisa lunghezza d’onda del laser utilizzato deter-
mente (off-line) e iniettato nell’IRMS attraverso un mina il tipo di elemento, cioè ossigeno o idrogeno,
sistema di valvole e mantici. Questo sistema è estre- che viene misurato. Ne esistono di diversi tipi
mamente preciso e permette di misurare quantità di (Iannone et al., 2010; Wen et al., 2013), ma sono tutti
gas molto piccole. Tuttavia, il metodo più comune accomunati dal fatto che il cammino del laser viene
usato oggi è il flusso continuo in cui una periferica per esteso per diversi chilometri grazie alla presenza di
la preparazione del campione viene collegata diretta- specchi ultrapuri; la lunghezza del cammino ottico
mente all’IRMS. Nel caso dell’analisi dell’acqua que- rende questi strumenti abbastanza precisi per misurare
sta periferica può essere un gas-bench o un pirolizza- i diversi isotopi. La presenza delle molecole di cam-
tore (thermal conversion elemental analyzer, TC-EA). pione diminuisce l’intensità della luce laser che viene
Il gas-bench viene utilizzato per campioni gassosi misurata da un rilevatore posto alla fine del cammino
o liquidi conservati in provette di vetro con una capa- ottico. Questa diminuzione è proporzionale alla con-
cità di 15 mL con tappi in silicone (fig. 4). I campioni centrazione dei vari isotopi presenti nel campione.
56Gli isotopi stabili nell’acqua
Fig. 4 - Gasbench e TC/EA in uso presso la facoltà di Scienze e Tecnologie della Libera Università di Bolzano-Bozen
Fig. 4 - Gasbench and TC/EA at the Faculty of Science and Technology of the Free University of Bozen-Bolzano.
Fig. 5 - Spettrometro laser in uso presso la facoltà di Scienze e Tecnologie della Libera Università di Bolzano-Bozen. Alla sua destra, l’ap-
parato per l’estrazione criogenica di acqua. Il campione viene scaldato per far evaporare l’acqua dal campione che poi viene condensata in
una trappola di azoto liquido (Koeniger et al., 2011).
Fig. 5 - Laser spectrometer at the Faculty of Science and Technology of the Free University of Bozen-Bolzano. The system for cryogenic
distillation of water from solid samples such as soil and leaves is shown on the right (Koeniger et al., 2011).
Lo sviluppo di questi strumenti ha dato un nuovo Variabilità della composizione isotopica dei
impulso agli studi basati sugli isotopi. Essi sono infat- comparti idrici e metodi di campionamento
ti relativamente economici, almeno rispetto ad un
IRMS tradizionale, e, soprattutto, sono trasportabili. Le precipitazioni
Questo permette di installare lo strumento direttamen- Le precipitazioni costituiscono spesso il principale
te in campo ed effettuare misure in tempo reale e apporto idrico nei sistemi agrari. Pertanto, essere in
senza effettuare manipolazioni del campione che por- grado di seguirne il destino all’interno del sistema
tano inevitabilmente a errori, per quanto piccoli, nella può contribuire a sviluppare tecniche più efficaci di
misurazione. gestione idrica. È però essenziale comprendere quali
57Scandellari e Penna
processi determinano la variabilità spazio-temporale
della composizione isotopica delle precipitazioni, che
è estremamente ampia; per esempio Craig (1961) ha
riportato valori di δ18O da +10 a -40 ‰ e di δ2H da
+60 a -320 ‰. In Italia essa va da -4.91 ‰ a -11.38
‰ per δ 18 O e da -24.9 ‰ a -78.2 ‰ per δ 2 H
(Longelli e Selmo, 2003). Questo valore dipende da
numerosi fattori tra i quali la composizione isotopica
del vapore acqueo nelle masse d’aria che originano la
precipitazione, il frazionamento associato all’evapora- Fig. 6 - Schematizzazione della distillazione di Rayleigh che rego-
zione dell’acqua in tali masse, i processi di formazio- la, insieme all’evaporazione secondo il modello di Craig e Gordon
ne delle precipitazioni. I due fattori primari sono i) la (1965), la composizione isotopica delle precipitazioni.
Fig. 6 - Schematics of Rayleigh distillation.
temperatura dell’aria (che controlla i fenomeni di fra-
zionamento) e ii) la proporzione di vapore che rimane esse vengono sollevate incontrando un rilievo
nella massa d’aria dopo l’inizio dell’evento di precipi- montuoso produce maggiori precipitazioni sul
tazione. Quindi, i fattori ambientali che controllano la lato del rilievo a favore di vento. Questo favorisce
variabilità spazio-temporale della composizione isoto- il verificarsi del processo di distillazione di
pica della precipitazione sono le variazioni di tempe- Rayleigh (fig. 7) e di conseguenza le quote più
ratura legate i) alla variazione stagionale, ii) alla posi- elevate ricevono precipitazioni impoverite in iso-
zione geografica (zone costiere o interne), iii) alla
quota, iv) alla latitudine e v) alla precipitazione cumu-
lata durante un evento.
i) Effetto stagionalità. La variazione stagionale
della temperatura comporta valori isotopici nella
precipitazione più arricchiti in isotopi pesanti
(meno negativi) durante l’estate e più impoveriti
in isotopi pesanti (più negativi) durante l’inverno.
L’effetto stagionale è più pronunciato per le zone
continentali caratterizzate da marcate variazioni
delle temperature.
ii) Effetto continentalità. Quando, a pressione
costante, la temperatura delle masse d’aria che si
sono formate sulla superficie oceanica è tale per
cui l’aria diventa satura di vapore acqueo (punto
di rugiada), si verifica la condensazione e la suc-
cessiva precipitazione. La composizione isotopica
di queste masse d’aria dipende principalmente dal
frazionamento cinetico di cui si è detto. Quando si
formano le precipitazioni, l’isotopo più pesante
tende a condensare prima di quello più leggero
(fig. 6). Per cui, a mano a mano che le masse d’a-
ria si spostano dalla superficie oceanica e si muo- Fig. 7 - Concettualizzazione dei principali flussi idrici fra com-
vono sopra i continenti e perdono acqua con le parti idrici nel continuum suolo-pianta-atmosfera. La variazione
precipitazioni, la loro composizione isotopica della composizione isotopica dell’acqua è indicata dalla lettera
“a” quando il processo di frazionamento comporta un arricchi-
tende a diventare più ricca di 16O. Quindi, allonta- mento negli isotopi pesanti, dalla lettera “i“ quando si osserva un
nandosi dalla costa, la precipitazione rimane più impoverimento in isotopi pesanti, mentre il segno “=” rappresenta
arricchita in isotopi pesanti rispetto al vapore la mancanza di frazionamento e il mantenimento della composi-
zione isotopica. In tabella 1 sono riportati alcuni valori tipicamen-
acqueo rimanente, ma è in realtà impoverita te riscontrati nei diversi comparti idrici.
rispetto alle precipitazioni avvenute in precedenza, Fig. 7 - Conceptual model of the principal fluxes between water
sebbene originate dalla stessa massa d’aria. Il compartments in the soil-plant-atmosphere. Isotope enrichment is
fenomeno è noto come distillazione di Rayleigh. indicated by an “a” and depletion with an “i”. The sign “=”
indicates that no isotope fractionation occurs during the move-
iii) Effetto altitudine. L’effetto orografico causato ment of water from one compartment to the next. Typical isotope
dal raffreddamento delle masse d’aria quando values found in these compartments are shown in table 1.
58Gli isotopi stabili nell’acqua
Tab. 1 - Intervalli di valori tipici per i comparti idrici descritti nel testo e rappresentati in Fig. 6. I valori riportati sono indicativi vista la
grande variabilità riportata in letteratura.
Tab. 1 - range of typical values found in the water compartments described in the following text and represented in Fig. 6. Values are
indicative due to the high variability reported in literature.
Range di valori tipici nei diversi comparti idrici Riferimento bibliografico
δ18O ‰ δ2H ‰
Acqua dell’oceano da cui Per definizione (è la VSMOW2, lo
si originano le masse di 0 0 standard internazionale definito alla
vapore IAEA)
Allen et al., 2014; Hervé-Fernández et
Precipitazione sottochioma fra -4 e -14 fra -25 e -100 al., 2016
Allen et al., 2014; Brooks et al., 2010;
Precipitazioni fra -3.7 e -23.2 fra -25 e -174.1 Hervé-Fernández et al., 2016
Irrigazione Dipende da dove viene prelevata
Falda fra -13 e -15 fra -95 e -105 Penna et al., 2016
Acqua del suolo campiona- fra -5.6 e -4.7 fra -30.2‰ e -26.1 Hervé-Fernández et al., 2016
ta con lisimetri
Acqua del suolo estratta Brooks et al., 2010; Hervé-Fernández
mediante distillazione crio- fra -6.0 e -12.3 fra -41.2 e -94.6 et al., 2016
genica
Brooks et al., 2010; Hervé-Fernández
Acqua xilematica fra -2 e -11 fra -40 e -85.7 et al., 2016
Acqua nella foglia fra +8.4 e +18.9 == Kahmen et al., 2008
Brooks et al., 2010; Hervé-Fernández
Fiume/torrente fra -6.8 e -10.7 fra -37 e -73.0 et al., 2016
Fiume Po -9.8 ‰ -66.2 ‰ Marchina et al., 2015
topi pesanti. Le alte quote sono inoltre caratteriz- isotopico della precipitazione si ritrova inalterato nel
zate da basse temperature che conducono a com- momento in cui essa raggiunge lo strato di atmosfera
posizioni isotopiche delle precipitazioni ulterior- occupato dalla vegetazione (fig. 7). Una parte dell’ac-
mente impoverite. qua di precipitazione, quantificata fra il 10 e il 50 %
iv) Effetto latitudine. Le masse d’aria incontrano (Allen et al., 2014), viene però intercettata e trattenuta
temperature più basse spostandosi dalle regioni all’interno della chioma. In tale occasione, a seconda
equatoriali verso le alte latitudini. La diminuzione del tempo di permanenza delle gocce su foglie e rami,
della temperatura di condensazione è associata a e delle condizioni ambientali, si può verificare frazio-
valori isotopici più impoveriti nelle precipitazioni namento cinetico, cosicché l’acqua che viene rilascia-
che avvengono alle alte latitudini. ta come precipitazione sottochioma risulta isotopica-
v) Effetto quantità. Eventi di precipitazione di mente arricchita (Hsueh et al., 2016). In aggiunta a
bassa cumulata sono tipicamente arricchiti in iso- tale fenomeno, secondo una recentissima review
topi pesanti. Questo effetto è stato attribuito all’e- (Allen et al., 2017), si possono verificare fenomeni di
vaporazione delle gocce di pioggia durante la loro i) scambio isotopico liquido-vapore, cioè di fraziona-
discesa che avviene più facilmente per eventi di mento all’equilibrio quando le fasi di vapore e di
pioggia di bassa cumulata ed intensità liquido non sono in condizioni di stato stazionario; ii)
(Dansgaard, 1964). La condensazione delle forme effetto selezione della chioma, quando la precipitazio-
isotopiche pesanti all’inizio di eventi di precipita- ne sottochioma è trattenuta o rilasciata differentemen-
zione maggiori fa sì che la pioggia successiva si te (nel tempo e nello spazio) dalla chioma nei diversi
arricchisca meno di isotopi pesanti rispetto a quel- eventi di pioggia; iii) mescolamento di pioggia tratte-
la che avviene all’inizio dell’evento (Gedzelman e nuta dalla chioma con pioggia di eventi precedenti. La
Arnold, 1994). Pertanto, durante eventi di durata frazione di precipitazione che non viene intercettata
maggiore si verifica un arricchimento totale mino- può fluire lungo il fusto di specie arboree (deflusso
re a causa della ridotta evaporazione durante la lungo il fusto) subendo un certo frazionamento (che
parte finale dell’evento. tipicamente porta ad un leggero arricchimento) o rag-
Una volta formatesi le gocce di pioggia, queste giungere direttamente il suolo senza subire fraziona-
non subiscono più frazionamento, per cui il segnale mento (fig. 6). A nostra conoscenza, l’influenza della
59Scandellari e Penna
chioma della vegetazione agraria, e pertanto soprattut- vegetazione agraria) è importante tenere in considera-
to dei frutteti, sulla composizione isotopica della pre- zione tale potenziale variabilità intra-evento della
cipitazione non è stata per ora studiata. In ambito composizione isotopica tramite un campionamento
forestale sono invece frequenti gli esperimenti riporta- sequenziale della pioggia (McDonnell et al., 1990).
ti in letteratura tesi a valutare la composizione isotopi-
ca della precipitazione sottochioma. L’irrigazione
In questa sezione trascuriamo di proposito la trat- Gli studi riguardanti la composizione isotopica
tazione della precipitazione sotto forma di neve e dei dell’acqua di irrigazione, che ovviamente rappresenta
conseguenti fenomeni di frazionamento che si verifi- un apporto idrico fondamentale per la vegetazione
cano durante il processo di fusione del manto nevoso agraria, sono recenti e numericamente piuttosto scar-
perché essi rappresentano tipicamente nei contesti si. La composizione isotopica dell’acqua utilizzata a
agrari un apporto d’acqua meno rilevante rispetto alla scopi irrigui può essere molto variabile a seconda del
pioggia e all’irrigazione. Informazioni sugli apporti al serbatoio idrico da cui essa viene prelevata. La com-
suolo di acqua derivante da fusione nivale e sulla sua posizione isotopica dell’irrigazione riflette essenzial-
composizione isotopica possono essere trovate in mente quella della sua origine che può essere la falda
Sprenger et al. (2016) e bibliografia ivi riportata. o sorgenti (Oerter e Bowen, 2017; Penna et al., 2016),
Il campionamento della precipitazione liquida al o canali, torrenti o fiumi (Yang et al., 2015). In gene-
fine dell’analisi della composizione isotopica è piutto- rale, comunque, l’acqua di irrigazione è in grado di
sto semplice, a patto che si adottino delle accortezze influenzare significativamente il segnale isotopico
finalizzate alla prevenzione o minimizzazione del dell’acqua del suolo a diverse profondità (Ma e Song,
rischio di evaporazione, e pertanto di frazionamento 2016) e, di riflesso, quello dell’acqua assorbita dal-
isotopico. Per campionamenti di più eventi di pioggia l’apparato radicale e trasportata alle foglie. Anche
cumulati, per esempio a scala temporale mensile o l’acqua di irrigazione non subisce ulteriore fraziona-
superiore, si possono utilizzare dei semplici raccogli- mento isotopico da quando lascia l’impianto a quando
tori in plastica o in metallo di dimensioni adeguate, giunge al suolo o alla chioma (fig. 7).
muniti di un imbuto per convogliare la precipitazione.
Sul fondo del contenitore può essere posto uno strato L’acqua di falda
di olio minerale che rimanendo sulla superficie del- Gli apporti idrici dalle falde acquifere alla zona
l’acqua che viene raccolta forma uno strato impermea- insatura del suolo nei sistemi agrari sono generalmen-
bile ed evita l’evaporazione. L’olio deve essere rimos- te più limitati rispetto all’acqua che raggiunge il
so accuratamente per evitare che interferisca con l’a- suolo tramite le precipitazioni e l’irrigazione.
nalisi. Un’alternativa è rappresentata da raccoglitori L’accesso all’acqua di falda può aumentare sensibil-
cilindrici di metallo, dotati di imbuto, con un tubicino mente l’utilizzo idrico della vegetazione e in alcuni
spiralato numerose volte e di minima sezione, che casi può rappresentare una larga frazione (>50%)
consente all’acqua di pioggia di entrare nel campiona- della traspirazione annuale (Benyon et al., 2006).
tore ma non al vapore di uscirne (Gröning et al., Uno studio recente ha riportato che quasi il 40 %
2012). Il vantaggio di questo tipo di campionatori è delle 414 specie di angiosperme e 38 specie di gim-
rappresentato dal non dover utilizzare olio minerale. nosperme analizzate a scala globale mostrava un con-
In caso invece di campionamenti ad evento, se la rac- tributo di acqua di falda alla traspirazione fogliare
colta di acqua viene effettuata immediatamente dopo (Evaristo and McDonnell, 2017). È ragionevole pen-
il termine della precipitazione non è necessario usare sare che in alcuni ambienti, anche le piante coltivate
particolari attenzioni (almeno nei climi temperati e possano avere accesso all’acqua della falda acquifera
freddi). È stato però notato che durante lo stesso even- superficiale (circa nel primo metro dal piano campa-
to di pioggia, soprattutto in caso di temporali estivi, si gna), specialmente nei casi di colture non irrigue e
possono avere variazioni molto marcate della compo- con radici profonde.
sizione isotopica della precipitazione (McDonnell et La risalita di acqua dalla falda acquifera alla zona
al., 1990), che quindi vengono perse ed omogeneizza- vadosa tramite capillarità è un fenomeno che, soprat-
te prelevando un solo campione integrato alla fine del- tutto in caso di falda superficiale o poco profonda,
l’evento di precipitazione. Se vengono effettuati studi può influenzare il bilancio dell’acqua nel suolo e
dettagliati che prevedono campionamenti di acque da costituire un apporto idrico significativo per alcune
diversi corpi idrici, incluso l’acqua xilematica, ad ele- specie vegetali usate in agricoltura (Ramos et al.,
vate risoluzioni temporali (per esempio, per l’analisi 2017). Però, a conoscenza degli autori, non esistono
del trasporto dell’acqua dal suolo alla chioma nella studi che abbiano caratterizzato isotopicamente l’ac-
60Gli isotopi stabili nell’acqua
qua di risalita capillare e valutato il suo ruolo nel vità è probabilmente troppo piccolo per avere un’in-
modificare la composizione isotopica dell’acqua nella fluenza sulla composizione isotopica nel breve perio-
zona insatura. do per cui essa può venire considerata assente (Barnes
e Allison, 1988) e la diminuzione di composizione
L’acqua nel suolo isotopica che si vede con la profondità (Oerter e
Come visto in precedenza, l’acqua che si trova nel Bowen, 2017) è probabilmente legato ad altri fattori.
suolo in un determinato momento può avere diverse Per esempio, bisogna considerare che generalmente la
origini e la sua composizione isotopica è l’effetto di temperatura cambia con la profondità e anche questo
numerosi fattori chimici e fisici che agiscono su di può influire sul frazionamento isotopico, come evi-
essa modificandola sia nel tempo che nello spazio. Per denziato precedentemente.
molti anni si è assunto che l’acqua nella matrice del La forza con cui l’acqua interagisce con la superfi-
suolo si mescolasse completamente e rapidamente cie delle particelle del suolo è la somma di forze
cosicché, una volta penetrata nel suolo, non fosse più capillari e di forze di adesione. Questa forza è quella
possibile distinguere, per esempio, l’acqua irrigua da che ha la maggiore influenza sul movimento di acqua
quella di precipitazione (Hewlett e Hibbert, 1966). In nel profilo del suolo non saturo e dipende fortemente
realtà, già il lavoro di Dawson e Ehleringer (1991) dal tipo di suolo; per esempio, nei suoli sabbiosi l’ac-
aveva messo in evidenza una situazione più comples- qua interagisce poco con la superficie disponibile per-
sa e il lavoro di Brooks e colleghi del 2010 (Brooks et ché le particelle sono di grandi dimensioni. Questa
al., 2010) ha definitivamente confutato l’assunto del forza è probabilmente quella che maggiormente
completo mescolamento ed ha aperto la via a un gran influenza la composizione isotopica del suolo e che è
numero di ricerche e ad una accesa discussione fra i stata invocata per spiegare i risultati di Brooks et al.
ricercatori. Utilizzando gli isotopi, Brooks e colleghi (2010). In un ambiente non irrigato, durante i periodi
(2010) hanno ipotizzato che l’acqua nel suolo si sud- di siccità il suolo si svuota quasi completamente di
divida in due pool che non si mischiano: un’acqua più acqua. Con le piogge autunnali, il suolo assorbe acqua
fortemente legata alle particelle del suolo e che viene che viene persa prima per gravità, poi per evaporazio-
assorbita dalle radici degli alberi, e un’acqua più ne e assorbimento da parte delle radici. L’acqua gra-
mobile che, infiltrandosi negli strati più profondi del vitazionale sembra essere più arricchita di isotopi
suolo, contribuisce alla ricarica della falda e al sosten- pesanti rispetto all’acqua capillare (Brooks et al.,
tamento delle acque superficiali. Questa ipotesi, deno- 2010). I micro- e mesopori drenano, cioè si svuotano,
minata dei due mondi d’acqua (McDonnell, 2014) è più lentamente dei macropori per cui le piogge suc-
oggi fortemente discussa. cessive non li riempiono, e contengono probabilmente
Per capire la distribuzione isotopica dell’acqua nel acqua più vecchia e, verosimilmente, isotopicamente
suolo bisogna considerare che essa è ivi soggetta a più leggera. La presenza di sali nel suolo non influen-
molte forze diverse, a livello chimico e fisico. za particolarmente il flusso di acqua perché laddove
L’acqua di pioggia e di irrigazione possono comincia- non ci sono impedimenti al movimento dei soluti, la
re a cambiare composizione isotopica nel momento in loro concentrazione diventerà nel tempo la stessa in
cui toccano il suolo. Il primo importante meccanismo tutto il profilo del suolo per il processo di diffusione.
a causare questo cambiamento è l’evaporazione, per- Tuttavia, questa forza diventa rilevante per determina-
tanto la composizione isotopica può cambiare per fra- re il flusso d’acqua quando ci si riferisce all’assorbi-
zionamento cinetico (fig. 7). L’acqua che non evapo- mento radicale. La presenza di sali solubili nel suolo,
ra immediatamente si sposta lungo il profilo del suolo infatti, rende più difficile l'estrazione dell'acqua da
dove interagisce con l’acqua già presente e con i sali parte della pianta e questo potrebbe facilmente creare
in essa contenuti, con le particelle di suolo e con le le condizioni per avere frazionamento isotopico.
radici. Inoltre, la presenza di sali nell’acqua rallenta l’evapo-
Fra le forze che agiscono sull’acqua, quella di gra- razione rispetto all’acqua pura (El-Dessouky et al.,
vità è forse la più evidente, è ineluttabile e il suo 2002) e la soluzione rimanente è meno arricchita in
effetto dipende dall’altezza dell’acqua rispetto ad un isotopi pesanti rispetto all’acqua pura. Infine, l’effetto
punto di riferimento arbitrario, ma è indipendente di suzione effettuato dall’atmosfera, che si trasmette
dalle caratteristiche del suolo. Poiché la forza attratti- al suolo attraverso lo xilema e determina il trasferi-
va del nostro pianeta è proporzionale alla massa, è mento verticale dell’acqua, potrebbe influenzare la
ragionevole pensare che essa possa avere un effetto di composizione isotopica dell’acqua rimasta nel suolo a
frazionamento diverso sugli isotopi che, per definizio- causa di una più rapida movimentazione degli isotopi
ne, hanno diversa massa. Tuttavia, l’effetto della gra- più leggeri lasciando nel suolo gli isotopi più pesanti.
61Scandellari e Penna
In aggiunta alle interazioni fisiche fra l’acqua e il popolare oggi grazie allo sviluppo della spettrometria
suolo, per comprendere appieno la sua composizione laser per l’analisi degli isotopi, è l’equilibrazione
isotopica bisognerebbe anche considerare l’effetto del- diretta dell’acqua contenuta nel campione con la CO2
l’attività biologica e il ruolo della sostanza organica. o l’H2 dello spazio di testa nel contenitore, analoga-
Per esempio, è stato dimostrato che il carbonio e l’a- mente a come succede nel gas-bench (Wassenaar et
zoto microbico sono costantemente arricchiti rispetto al., 2008). Un’alternativa è quella di utilizzare le
alla sostanza organica (Dijkstra et al., 2006). Questo microonde per evaporare l’acqua dal suolo
potrebbe accadere anche per l’acqua sebbene sia più (Munksgaard et al., 2014). Il vantaggio di queste tec-
probabile che i microrganismi preferiscano assorbire niche accoppiate allo spettrometro laser è che il vapo-
acqua isotopicamente leggera e quindi lasciare il suolo re può essere trasferito immediatamente e contestual-
arricchito in 2H e 18O. Un altro meccanismo biologico mente alla sua formazione allo strumento per l’analisi.
che potrebbe avere un effetto sulla composizione iso- Questo minimizza i rischi di frazionamento isotopico
topica riguarda l’equilibrio di ossigeno e idrogeno del- dovuti al metodo di campionamento.
l’acqua con gli analoghi elementi presenti nei sali che Diversi studi hanno cercato di confrontare tecniche
si trovano nel suolo o nella biomassa. Per esempio, è diverse per campionare l’acqua del suolo per studiar-
stato dimostrato che lo scambio di ossigeno fra acqua ne la composizione isotopica. Per esempio, Figueroa-
e fosfato lascia il fosfato arricchito di 18O (Blake et al., Johnson et al. (2007) hanno confrontato lisimetri a
1997). Un altro possibile scambio di ossigeno avviene suzione, centrifugazione e distillazione azeotropica;
con gli ossidi di azoto durante i processi di nitrifica- Thoma et al. (accettato per la pubblicazione) hanno
zione e denitrificazione. L’attività stessa delle radici confrontato lisimetri a suzione e distillazione crioge-
può modificare la composizione isotopica dell’acqua nica; Orlowski et al. (2016) hanno confrontato pres-
nel suolo: per esempio l’assorbimento di alcuni sione meccanica, centrifugazione, equilibrazione,
nutrienti (per esempio lo ione ammonio, NH4+), deter- estrazione con microonde ed estrazione criogenica.
mina il rilascio di ioni H+ o OH-e l’attività di dissolu- Emerge chiaramente da questi studi il fatto che diffi-
zione dei silicati produce O2+. Infine, la sostanza orga- cilmente i risultati sono confrontabili anche se in alcu-
nica ha un ruolo importante nel trattenere l’acqua del ni casi è possibile riconoscere degli andamenti ripeti-
suolo. Inoltre, la sua decomposizione libera sia ossige- bili. Per esempio, l’acqua estratta con la distillazione
no che idrogeno che possono poi sostituirsi nelle criogenica è sempre isotopicamente più leggera del-
molecole di acqua libera (Paul et al., 2016). l’acqua estratta dai lisimetri a suzione. Questi risultati
Il campionamento di acqua del suolo per le analisi hanno portato a ipotizzare che ognuno di questi meto-
isotopiche è argomento di intenso dibattito nella di in realtà è in grado di campionare acqua che si
comunità scientifica. Per esempio, a settembre 2017 trova nel suolo in pool diversi probabilmente perché
l’argomento è stato oggetto di approfondite discussio- trattenuta da diversi potenziali idrici.
ni nell’ambito del workshop internazionale Isotope- La scelta del metodo è quindi particolarmente cri-
based studies of water partitioning and plant-soil tica quando si lavora con gli isotopi dell’acqua nel
interactions in forested and agricultural environments suolo. Purtroppo, nonostante gli sforzi della comunità
organizzato dai due autori del presente lavoro e da scientifica e il progresso della tecnologia di analisi,
una collega dell’Università di Bayreuth (Germania). non si è giunti ancora ad un consenso riguardo al
Il metodo “aureo” fino a poco tempo fa era consi- metodo di campionamento. A questo riguardo, quindi,
derato la distillazione. Inizialmente si sottoponevano i ulteriori ricerche sono necessarie per capire (1) che
campioni a distillazione azeotropica. Il metodo è stato tipo di acqua viene campionata con ciascun metodo;
tuttavia sostituito dalla distillazione criogenica (fig. (2) quali sono i punti a maggior rischio di fraziona-
5), molto più sicura perché non basata sull’uso di mento isotopico di ciascun metodo; (3) se esista un
sostanze tossiche, nonché più rapida. Recentemente, metodo che possa essere assunto come “metodo stan-
tuttavia, l’affidabilità della distillazione criogenica è dard” e per il quale si possa sviluppare un protocollo
stata messa in discussione (Newberry et al., 2017). Un comune.
altro metodo molto utilizzato è quello dei lisimetri a
suzione che si assume siano in grado di simulare l’as- L’acqua nella vegetazione
sorbimento radicale. Questo assunto però è stato Più del 50% dell’acqua rilasciata in atmosfera
recentemente messo in discussione in quanto la pres- dagli ecosistemi a livello globale passa attraverso
sione di suzione esercitata dai lisimetri non è parago- l’assorbimento radicale e la traspirazione fogliare
nabile a quella esercitabile dalle piante. Un metodo (Jasechko et al., 2013). In effetti, ai fini di una miglio-
già utilizzato in passato, ma che sta diventando più re comprensione dei flussi di acqua negli ecosistemi,
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