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Indagare con la Scienza!
I rapporti isotopici di elementi naturali possono essere utilizzati per determinazioni di provenienza. Molti fenomeni naturali, classificati come effetti fisico-chimici, possono portare al frazionamento degli isotopi (variazioni misurabili nel rapporto tra l'isotopo "pesante" e "leggero" di un dato elemento).
Ad esempio, evaporazione e condensazione, cristallizzazione e fusione, assorbimento e desorbimento, diffusione e termodiffusione.
Come prima approssimazione, le misurazioni dell'abbondanza naturale forniranno informazioni sul tipo di pianta (rapporti isotopici di carbonio e di azoto) e sull'origine geografica (rapporti isotopici di idrogeno, ossigeno)
Carbonio, l'elemento che controlla!
Le due principali riserve di carbonio in natura sono rappresentate dal carbonio organico e dal carbonio inorganico (carbonati) queste sono caratterizzate da differenti impronte isotopiche a causa dei diversi processi in cui sono coinvolte.
Il carbonio inorganico (carbonatico) interviene negli equilibri di scambio tra: anidride carbonica atmosferica - ione bicarbonato disciolto - carbonato solido; queste reazioni di scambio portano ad un arricchimento dell’isotopo pesante nella forma carbonatica solida (δ13C pari a 0‰).
Viceversa, le reazioni cinetiche in cui risulta principalmente coinvolto il carbonio organico, attraverso i processi fotosintetici, determinano una concentrazione dell’isotopo più leggero nel materiale organico prodotto (δ13C pari a circa −25‰)
Il frazionamento del carbonio organico è principalmente legato al tipo di pianta che opera la fotosintesi. Le piante terrestri, classificate come C3 e C4, seguono due vie metaboliche differenti. Entrambe generano sostanza organica caratterizzata da valori di δ13C più negativi rispetto a quello dell’anidride carbonica (~-7‰), in quanto durante la fotosintesi la sostanza organica prodotta accumula l’isotopo leggero rispetto a quello pesante.
Le piante C3, caratteristiche dei climi temperati, producono un composto a tre atomi di carbonio (ciclo di Calvin) con un valore medio di δ13C pari a -26,5‰.
Le piante C4 generano un composto a 4 atomi di carbonio (ciclo di Hatch-Slack) caratterizzato da un valore di δ13C intorno a -12,5‰.
Partendo da questo tipo di conoscenze il frazionamento del carbonio di origine organica è stato indagato per molteplici applicazioni in ambito agroalimentare. Un esempio di applicazione della misura del rapporto isotopico del carbonio è la ricerca di sofisticazioni in enologia, tale tecnica infatti è molto utile per comprendere se c’è stata aggiunta nel vino di zuccheri diversi da quelli presenti nell’uva (bietola, canna, mais), una pratica illecita in Italia.
Azoto, l'elemento che indaga!
L’azoto è il principale elemento dell’atmosfera terrestre (circa il 78%), ma nonostante ciò la maggior parte degli organismi non sono in grado di usarlo in forma gassosa.
L’azoto atmosferico deve essere quindi convertito in forme utilizzabili e ciò avviene naturalmente attraverso una serie di reazioni chimiche mediate dai microorganismi azotofissatori che vivono sia nel suolo che nelle acque dolci e salate (Clostridium, Azotobacter, Rhizobium leguminosarum, attinomiceti), e che producono un frazionamento isotopico dell’azoto differenziando i valori di δ15N.
La conoscenza dell’intero ciclo dell’azoto in termini di distribuzione isotopica, in associazione a quello del carbonio, è utile sia per comprendere le caratteristiche della catena trofica che le relazioni tra alcuni tipi di pressioni antropiche sull’ambiente e gli impatti sugli ecosistemi (utilizzo di pesticidi ed erbicidi).
L'ossigeno, il tracciante geografico!
Durante i fenomeni di evaporazione e precipitazione si verifica il frazionamento isotopico dell’ossigeno.
L’entità del frazionamento dipende dalla temperatura e da altri fattori climatici e geografici come ad esempio latitudine, altitudine, stagionalità e continentalità.
L’acqua tende ad evaporare con una reazione di equilibrio regolata dalla temperatura. La fase vapore è caratterizzata da un arricchimento in 16O (δ18O < 0) e in 1H, essendo le molecole di 1H16O più leggere e quindi più favorite all’evaporazione. La fase liquida sarà viceversa più ricca in 2H16O, 1H18O e 2H18O, molecole più pesanti (δ18O e δ2H > 0).
Le precipitazioni si impoveriscono dell’isotopo pesante all’aumentare della latitudine e dell’altitudine. In una stessa regione, le precipitazioni relative ai mesi freddi sono caratterizzate da composizioni isotopiche negative mentre durante i mesi caldi risultano arricchite in isotopi pesanti (δ più positivi per l’effetto stagionalità). Le precipitazioni risultano infine più arricchite dell’isotopo pesante spostandosi da regioni costiere all’entroterra.
Anche nel ciclo vegetativo delle piante, i processi di adsorbimento dell’acqua e di evapotraspirazione determinano un arricchimento degli isotopi pesanti (2H e 18O), in dipendenza dalla specie vegetale e dall’acqua “isotopicamente” diversa che le varie specie vegetali hanno a disposizione per la fotosintesi.
Idrogeno, elemento di provenienza!
L’idrogeno è ubiquitario nell’ambiente ed è caratterizzato dalla più grande differenza tra i suoi isotopi stabili (idrogeno e deuterio) in termini di massa.
L’idrogeno insieme all’ossigeno è utilizzato per la caratterizzazione del ciclo dell’acqua a diverse altitudini e latitudini. La misura del rapporto isotopico dell’idrogeno può essere dunque utilizzata per studi di provenienza geografica di prodotti DOC, IGP, DOP.
I rapporti isotopici degli elementi leggeri (H, O, C, N) sono misurati con la tecnica Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) mediante trasformazione in gas puri. La spettrometria di massa è una tecnica utilizzata per separare molecole cariche, cioè ioni, in base alla loro massa o, più correttamente, in base al rapporto massa/carica. Quindi è una tecnica in grado di distinguere isotopi dello stesso elemento e di calcolarne i rapporti isotopici.
