Studio ipotizza che dove i tubi d'irrigazione siano rossi di ruggine, l'acqua non sarebbe inquinata da nitrati

Uno studio dell'Università del Nebraska – Lincoln ha permesso di evidenziare un parametro esteriore che è risultato correlato alla mancanza di nitrati dalle acque, ciò potrebbe guidare il campionamento di tale inquinante delle acque potabili nei soli distretti in cui si possa ritenere in partenza vi sia un maggior contenuto di nitrati nelle acque.
L'applicazione di questo studio è stato subito prospettato potrebbe tornare utile alle zone rurali degli Stati Uniti (e quindi del Nebraska), o nelle nazioni meno sviluppate, in cui altrimenti il campionamento risulterebbe eccessivamente oneroso.

E' stato scoperto che laddove i tubi d'irrigazione siano arrugginiti è improbabile vi sia presenza di nitrato nelle acque di falda, che in buona percentuale alimenta gl'impianti d'irrigazione negli Stati Uniti; chiaramente questo aspetto diviene molto più importante quando si analizzano acque potabili, poiché il nitrato, al di sopra di determinate concentrazioni, è considerato causa di casi di cancro e malformazioni neonatali.

Quest'intuizione è partita dall'esperienza quotidiana di agronomi, e docenti universitari ed è stata poi verificata, arrivando poi a trovare anche una semplice spiegazione sulla base di noti concetti di microbiologia. Lo spunto sarebbe partito da un'osservazione di Marty Stange supervisora ambientale del servizio di fornitura idrica di una cittadina del Nebraska, durante il suo intervento a un convegno, che il professor Troy Gilmore, dell'università del Nebraska, esperto in idrologia e che assistette a tale evento, riferisce di averne poi parlato con la sua collega Mikaela Cherry.

Dopo molteplici osservazioni d'immagini satellitari d'impianti d'irrigazione 'a Pivot' e analisi di dati di campioni effettuati in vari territori del Nebraska la dott. Cherry e i suoi colleghi di lavoro sono arrivati alla conclusione che quanto era stato sentito come semplice osservazione di Stange, tecnico dell'acquedotto, era fondato: le acque pompate dalle falde sottostanti impianti d'irrigazione i cui Pivot erano rossi di ruggine non contenevano nitrati.

I Pivot sono impianti d'irrigazione che si muovono in modo circolare intorno a un punto fisso. Essi sono in genere realizzati con materiale antiruggine, per cui la cui la ruggine di cui si parla non è dovuta a una reazione chimica col materiale costituente l'impianto d'irrigazione, ma dipende dal deposito sullo stesso delle componente minerale contenuta nell'acqua, tra cui, in questo caso, ossido di ferro. Ne consegue che affinché vi sia tale deposito l'acqua debba in partenza contenere ferro (in genere si tratta di acque di falde poste in aree adiacenti corsi d'acqua o fiumi), poiché in caso contrario non vi potrebbe essere alcun alcun deposito di ossido di ferro e tale indicatore colorimetrico perderebbe di significato.

'Un perno non arrugginito non ti dice davvero nulla', ha detto Cherry, ora fisico al Al Centro geologico statunitense, d'indagini sulle Scienze idrologiche, dello stato del Nebraska. 'Ma la presenza di quei Pivot arrugginiti è un'indicazione che non c'è (molto) nitrato nelle acque sotterranee.' L'utilità di tale dato sarebbe quindi solo nell'escludere dal campionamento le acque che depositino ossido di ferro sulle tubazioni.

La dott.ssa Cherry riferisce di essere riuscita a rilevare, tramite Google Earth, la presenza o meno di ruggine dai Pivot centrali di molteplici impianti d'irrigazione del Nebraska e capire quanta della loro superficie fosse arrugginita. Procedendo in tal modo ha potuto classificare 700 pivot in una delle tre categorie: ruggine totale, ruggine parziale o assenza di ruggine. Questo lavoro iniziale del suo studio fu compiuto durante il lock-down della recente epidemia di Covid, non potendo uscire in campo.
'Ho passato molto tempo a fissare i pivot su Google Earth', ha detto ridendo. 'E poi, una volta che potevamo ricominciare a fare un po' più di lavoro sul campo, (ho passato molto tempo a) a uscire e ricontrollare che i pivot che ho visto come arrugginiti su Google Earth fossero effettivamente arrugginiti nella vita reale'.

Ella prima di mettersi in viaggio ha individuato 277 pivot da ispezionare.
Dai suoi rilievi sul campo è risultato che nell'83% dei casi, le classificazioni terrestri dei Pivot, in base alla presenza di ruggine, corrispondevano a quelle satellitari.
Ha quindi deciso di confrontare la ruggine di ciascun Pivot, con i corrispondenti dati recenti del contenuto di nitrati nelle acque sotterranee che li alimentavano; per farlo si è servita di un archivio di dati delle acque sotterranee, sviluppato dal Dipartimento dell'Agricoltura del Nebraska e dall'Università del Nebraska, di Lincoln.

La dottoressa Cherry era interessata in particolare a capire se le concentrazioni di nitrati rinvenute nelle acque sotterranee dei luoghi in cui i Pivot erano arrugginiti fossero superiori, o inferiori al valore soglia di sicurezza per il consumo umano, fissato dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente EPA e cioè 10 mg.

Emerse così che nessuno dei 76 pozzi di acque sotterranee che alimentavano i Pivot completamente arrugginiti conteneva nitrati al di sopra della soglia di 10 mg/L. Infatti, la concentrazione media di nitrati di quelle fonti era di appena 2,4 mg/L.
La maggior parte delle acque sotterranee fornite ai pivot parzialmente arrugginiti si trovava anch'essa al di sotto della soglia dei nitrati, ma con una concentrazione media di 4,5 mg/L, fino a un massimo di quasi 23 mg/L.
Sebbene la maggior parte dei Pivot attingesse da pozzi di acque sotterranee al di sotto della soglia EPA, con una media di 7,8 mg/L, tanti altri erano anche al di sopra di tale soglia.
Le analisi statistiche hanno confermato una chiara differenza tra le concentrazioni di nitrati che hanno rifornito i Pivot arrugginiti e non.

'Quindi sembra esserci una correlazione piuttosto forte tra la ruggine e il nitrato', ha detto Cherry, che ha notato che campioni di dimensioni maggiori potrebbero fornire ulteriore supporto alla conclusione del gruppo di ricerca. Ella ha anche notato la particolarità che i Pivot arrugginiti erano disposti a chiazze.

Cherry, Gilmore e gli altri ricercatori Jeffrey Westrop, Yusong Li e Tiffany Messer hanno un'ipotesi per spiegare tale fenomeno, che fa riferimento ai microrganismi, che vivono nel suolo e nelle acque sotterranee, in particolare batteri, i quali in assenza di ossigeno utilizzano, in alternativa all'ossigeno, differenti accettori di elettroni per le loro reazioni di ossidazione anaerobica, dalle quali traggono energia per la sopravvivenza.

I batteri, in un ambiente anaerobico, come è la falda acquifera (a seconda del gruppo di microrganismi di cui fan parte) possono degradare molecole organica e utilizzarne altre ancora, come accettori di elettroni; oppure possono ossidare elementi minerali e poi cedere elettroni ad altri elementi minerali, nell'ambito di reazioni di ossidoriduzione, che li vedono coinvolti.
In tal caso il nitrato è il primo di una serie di composti ossidanti, alternativi all'ossigeno, che possono fungere da accettori di elettroni (riducendosi): il nitrato è quello avente potenziale di riduzione (o potenziale di ossidoriduzione) maggiore, ovvero il nitrato ha maggiore affinità per gli elettroni, rispetto, ad esempio, al ferro e sarà, in mancanza di ossigeno, l'accettore di elettroni ridotto per primo dai microrganismi presenti nell'ambiente anaerobio della falda acquifera: quindi sarà ridotto più facilmente del ferro.
Tale 'meccanismo' permette quindi di decifrare quanto sopra descritto, dalla colorazione rossa dei Pivot degli impianti d'irrigazione, come la rapida ossidazione, a contatto con l'aria, di ferro molto ridotto, presente in molte acque di falda, successiva alla completa riduzione del nitrato. Nei luoghi in cui si evidenzi la colorazione rossa dei Pivot il nitrato o non era presente nella falda acquifera, o è stato lì completamente ridotto a nitriti e altri composti azotati ancor più ridotti, lasciando poi il posto al ferro come accettore di elettroni per le reazioni microbiche.

Queste sostanze, quando vengono ridotte, acquisiscono un potenziale di riduzione ancora minore e quindi una maggiore disponibilità ad ossidarsi (cedere elettroni). Quindi il ferro ridotto (Fe2+) contenuto nell'acqua a contatto con l'aria tenderà ad ossidarsi (arrugginirsi), più delle forme meno ridotte (Fe3+), colorando di rosso le tubazioni.

'Questo è solo il nostro meccanismo proposto', ha detto Cherry. 'Questo è, logicamente, ciò che pensiamo potrebbe accadere.'
Tra i dettagli riguardo questo studio riportati viene segnalato che è esso è stato possibile per la presenza in Nebraska (USA) di condizioni sperimentali più idonee a verificare quanto sostenuto dai ricercatori: abbondanza di terreni agricoli irrigati con acqua prelevata dalle falde acquifere; adeguata disponibilità di dati relativi al campionamento di nitrati e altri contaminanti nelle acque sotterranee.
Quest'ultima operazione, viene evidenziato, è molto dispendiosa e quindi non effettuata ovunque in modo preciso: in genere essa avviene a rotazione tra più punti di prelievo.
L'onerosità del sistema di prelievi dei campioni rende quindi tali dati spesso inadeguati e in particolare, nel caso del Nebraska, una recente indagine ha mostrato che il 25% degli abitanti delle zone rurali del Nebraska riceve acqua da pozzi privati, dei quali solo il 55% sarebbe sottoposto a prelievi di campioni, per la valutazione del contenuto di nitrati.

L'obiettivo di questo studio è di fornire un parametro visivo (affidabile) che permetta di tagliare i costi di campionamento delle acque per concentrare i prelievi dei campioni su quei pozzi che più probabilmente potranno risultare inquinati da nitrati.

Come ha affermato Cherry: Questo metodo potrebbe rivelarsi utile in nazioni come il Brasile, che stanno molto espandendo l'uso dell'irrigazione in agricoltura. Anche le nazioni in via di sviluppo che attualmente non dispongano delle risorse per campionare le proprie acque sotterranee su base regolare potrebbero avvalersene. Inoltre i ricercatori che hanno condotto questo studio ipotizzano che tale metodo possa, in futuro, aiutare a capire in quali territori ci sia maggior rischio di contaminazione delle acque, a causa dei nitrati.