Il monitoraggio suolo-pianta per la valutazione dell'inquinamento da metalli pesanti nell'ambiente urbano

Il lavoro di tesi è incentrato sulla valutazione del degrado del suolo dovuto a fenomeni di inquinamento da metalli pesanti aerodispersi, ovvero apportati al suolo mediante deposizioni atmosferiche secche ed umide, in ambiente urbano. Lo scopo della ricerca è legato principalmente alla valutazione dell’efficienza del metodo di monitoraggio ideato che affianca al campionamento e all’analisi pedologica l’utilizzo di bioindicatori indigeni, quali il muschio, il cotico erboso, le foglie di piante arboree e il materiale pulverulento depositatosi su di esse. Una semplice analisi pedologica infatti non permette di discriminare la natura dei contaminanti in esso ritrovati. I metalli pesanti possono raggiungere il suolo attraverso diverse vie. In primo luogo questi elementi in traccia si trovano naturalmente nei suoi; ma numerose sono le fonti antropiche: attività industriali, traffico veicolare, incenerimento dei rifiuti, impianti di riscaldamento domestico, pratiche agricole, utilizzo di acque con bassi requisiti di qualità, ecc. Questo fa capire come una semplice analisi del contenuto totale o pseudo - totale di metalli pesanti nel suolo non riesca a rispondere alla domanda su quale si la fonte di provenienza di queste sostanze. Il metodo di monitoraggio integrato suolo- pianta è stato applicato a due diversi casi di studio. Il primo denominato “Progetto per il monitoraggio e valutazione delle concentrazioni in metalli pesanti e micro elementi sul sistema suolo - pianta in aree urbane adibite a verde pubblico dell’Emilia – Romagna” ha permesso di valutare l’insorgenza di una diminuzione della qualità dell’ecosistema parco urbano causata dalla ricaduta di metalli pesanti aerotrasportati, in tre differenti realtà urbane dell’Emilia Romagna: le città di Bologna, Ferrara e Cesena. Le città presentano caratteristiche pedologiche, ambientali ed economico-sociali molto diverse tra loro. Questo ha permesso di studiare l’efficienza del metodo su campioni di suolo e di vegetali molto diversi per quanto riguarda le aliquote di metalli pesanti riscontrate. Il secondo caso di studio il “Monitoraggio relativo al contenuto in metalli pesanti e microelementi nel sistema acqua-suolo-pianta delle aree circostanti l’impianto di termovalorizzazione e di incenerimento del Frullo (Granarolo dell’Emilia - BO)” è stato invece incentrato sulla valutazione della qualità ambientale delle aree circostanti l’inceneritore. Qui lo scenario si presentava più omogeneo dal punto di vista pedologico rispetto al caso di studio precedente, ma molto più complesso l’ecosistema di riferimento (urbano, extra-urbano ed agricolo). Seppure il metodo suolo-pianta abbia permesso di valutare gli apporti di metalli pesanti introdotti per via atmosferica, non è stato possibile imputarne l’origine alle sole emissioni prodotte dall’inceneritore.

Modelling the effects of nitrogen deposition and carbon dioxide enrichment on forest carbon balance

Atmospheric CO2 concentration ([CO2]) has increased over the last 250 years, mainly due to human activities. Of total anthropogenic emissions, almost 31% has been sequestered by the terrestrial biosphere. A considerable contribution to this sink comes from temperate and boreal forest ecosystems of the northern hemisphere, which contain a large amount of carbon (C) stored as biomass and soil organic matter. Several potential drivers for this forest C sequestration have been proposed, including increasing atmospheric [CO2], temperature, nitrogen (N) deposition and changes in management practices. However, it is not known which of these drivers are most important. The overall aim of this thesis project was to develop a simple ecosystem model which explicitly incorporates our best understanding of the mechanisms by which these drivers affect forest C storage, and to use this model to investigate the sensitivity of the forest ecosystem to these drivers. I firstly developed a version of the Generic Decomposition and Yield (G’DAY) model to explicitly investigate the mechanisms leading to forest C sequestration following N deposition. Specifically, I modified the G’DAY model to include advances in understanding of C allocation, canopy N uptake, and leaf trait relationships. I also incorporated a simple forest management practice subroutine. Secondly, I investigated the effect of CO2 fertilization on forest productivity with relation to the soil N availability feedback. I modified the model to allow it to simulate short-term responses of deciduous forests to environmental drivers, and applied it to data from a large-scale forest Free-Air CO2 Enrichment (FACE) experiment. Finally, I used the model to investigate the combined effects of recent observed changes in atmospheric [CO2], N deposition, and climate on a European forest stand. The model developed in my thesis project was an effective tool for analysis of effects of environmental drivers on forest ecosystem C storage. Key results from model simulations include: (i) N availability has a major role in forest ecosystem C sequestration; (ii) atmospheric N deposition is an important driver of N availability on short and long time-scales; (iii) rising temperature increases C storage by enhancing soil N availability and (iv) increasing [CO2] significantly affects forest growth and C storage only when N availability is not limiting.

Novel techniques for the remote sensing of photosynthetic processes

Remote sensing (RS) techniques have evolved into an important instrument to investigate forest function. New methods based on the remote detection of leaf biochemistry and photosynthesis are being developed and applied in pilot studies from airborne and satellite platforms (PRI, solar-induced fluorescence; N and chlorophyll content). Non-destructive monitoring methods, a direct application of RS studies, are also proving increasingly attractive for the determination of stress conditions or nutrient deficiencies not only in research but also in agronomy, horticulture and urban forestry (proximal RS). In this work I will focus on some novel techniques recently developed for the estimation of photochemistry and photosynthetic rates based (i) on the proximal measurement of steady-state chlorophyll fluorescence yield, or (ii) the remote sensing of changes in hyperspectral leaf reflectance, associated to xanthophyll de-epoxydation and energy partitioning, which is closely coupled to leaf photochemistry and photosynthesis. I will also present and describe a mathematical model of leaf steady-state fluorescence and photosynthesis recently developed in our group. Two different species were used in the experiments: Arbutus unedo, a schlerophyllous Mediterranean species, and Populus euroamericana, a broad leaf deciduous tree widely used in plantation forestry. Results show that ambient fluorescence could provide a useful tool for testing photosynthetic processes from a distance. These results confirm also the photosynthetic reflectance index (PRI) as an efficient remote sensing reflectance index estimating short-term changes in photochemical efficiency as well as long-term changes in leaf biochemistry. The study also demonstrated that RS techniques could provide a fast and reliable method to estimate photosynthetic pigment content and total nitrogen, beside assessing the state of photochemical process in our plants’ leaves in the field. This could have important practical applications for the management of plant cultivation systems, for the estimation of the nutrient requirements of our plants for optimal growth.

Dove il DNA antico tace: studio della 'life history' individuale nelle popolazioni umane del passato tramite analisi istologica e biogeochimica ad alta risoluzione di tessuti dentali mineralizzati da contesti archeologici e paleontologici umani

Questa tesi mira a presentare una panoramica, anche sperimentale con dati editi ed inediti, della ricostruzione delle life histories umane mediante metodi istologici e biogeochimici applicati allo smalto dentale delle dentizioni decidue. La tesi si concentra sulle metodologie biogeochimiche ad alta risoluzione spaziale che consentono di ottenere livelli temporali di dettaglio senza precedenti (da stagionali fino a sub-settimanali), quando combinate con l'analisi istomorfometrica dei tessuti dentali mineralizzati. La presente ricerca si concentra sulla creazione di modelli consistenti di variazione delle concentrazioni di elementi in traccia (con particolare riferimento a stronzio e bario) lungo la giunzione smalto dentinale, ottenuti tramite LA-ICPMS (Laser Ablation Inductively Coupled Mass Spectrometry), in funzione dei cambiamenti nella dieta (allattamento, svezzamento) nel primo anno di età di individui a storia nutrizionale nota (utilizzando denti decidui naturalmente esfoliati). In una prospettiva bioarcheologica, i risultati delle indagini sulla dieta altamente risolte nel tempo e interpretate con modelli come quelli proposti si correlano direttamente alle life histories individuali e consentono una analisi più sfumata e completa del comportamento umano nel passato, fornendo informazioni essenziali per la comprensione degli adattamenti bioculturali e aprendo finestre conoscitive su aspetti quali il rapporto madre-progenie, la gravidanza, l’allattamento, lo stress infantile, la dieta sia della progenie che della madre, la mobilità ad alta risoluzione e molti altri aspetti della vita delle popolazioni del passato che lo studio del DNA antico e della morfologia scheletrica non possono fornire. Dove il DNA antico tace, lo studio avanzato delle life histories parla.

High temporal resolution insights into early life histories: integrating histomorphometric, trace element and isotopic analyses of dental hard tissues in archaeological populations from Italy

Teeth, with their high mineralisation, incremental growth, and lack of remodelling, serve as biological archives that document an individual's development. This project aims to utilise the potential of teeth in bioarchaeological studies to achieve three primary objectives: 1) to investigate the application of histological and histochemical methods in reconstructing developmental bio-chronologies and early life histories; 2) to refine the temporal precision of isotopic analysis of dentine collagen by developing a novel protocol that integrates micro-sampling techniques with high-resolution histomorphometrics; and 3) to synthesise data from enamel and dentine for a comprehensive understanding of early life development and dietary transitions. This study adopts an integrated multidisciplinary bioarchaeological approach, conducting histomorphometric analysis on enamel and dentine across deciduous and permanent dentitions. It applies high-temporal resolution trace element analysis to enamel using LA-ICPMS and δ13C and δ15N isotope analyses through sequential micro-sampling to dentine of permanent teeth. Samples were selected from diverse archaeological contexts across the Italian peninsula, covering the Upper Palaeolithic, Copper Age, and Early Medieval periods, providing insight into diachronic variations in infant development and life history. Findings highlight the efficacy of histological and histochemical techniques in accurately determining growth rates, physiological stress, dietary shifts (particularly timing of weaning), and age at death in infant remains. The consistency and comparison between enamel and dentine underscores the enhanced insight obtained from integrating information from both tissues. Importantly, the newly proposed protocol significantly improves the temporal accuracy of dentine collagen analysis, facilitating precise chronological placement of the results over broad developmental associations. This study reaffirms the significance of teeth as valuable bioarchaeological instruments. By introducing and testing multidisciplinary methods, it provides deeper insights into early life history and cultural practices across diverse chronological contexts, highlighting the importance of advanced methodologies in extracting detailed, accurate, and nuanced information from past populations.