Il laboratorio chimico isotopico utilizza tecniche consolidate per determinare l’abbondanza isotopica della molecola d’acqua, di rocce carbonatiche, di gas e del carbonio inorganico disciolto (DIC). Lo studio degli isotopi si basa sulla loro distribuzione nelle diverse fasi (solida, liquida, gassosa) come traccianti dell’origine dell’elemento e dei processi che su di esso hanno agito. L’analisi di tali molecole permette di evidenziare le possibili interazioni delle sostanze oggetto di studio in matrici ambientali ed antropiche, con applicazioni che vanno dalla geologia alle scienze ambientali fino al campo medico.

Il laboratorio svolge un’intensa attività di ricerca mirata a numerose applicazioni delle tecniche della Geochimica isotopica in ambito geochimico, idrogeologico, geotermico e vulcanologico. In campo ambientale, le indagini isotopiche sono principalmente applicate alla caratterizzazione del percolato di discarica. L’utilizzo di tecniche di indagine isotopica in campo medico ha permesso di raggiungere risultati diagnostici, come l’evidenziazione della presenza dell’Helicobacter Pylori o di condurre studi sul metabolismo (Total Energy Expenditure, TEE). La collaborazione in campo medico con l’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR (IFC), avviata nel 1998, ha portato nel 2013 alla nascita di un laboratorio trasversale tra IFC e IGG (ENvironmental, Biological and ISotope Lab – ENBISL).

Il Laboratorio collabora con università, agenzie governative, società di consulenza e altre istituzioni.

STRUMENTAZIONE

La strumentazione presente nel laboratorio consente l’analisi degli isotopi dell’idrogeno (2H, 3H), del carbonio (13C) e dell’ossigeno (18O) in quasi tutti i composti in cui essi sono presenti.

La strumentazione presente nel laboratorio comprende:

  • Due spettrometri di massa IRMS (Europa Scientific Geo 2020 e Finnigan MAT252 in configurazione dual inlet), per l’analisi isotopica di CO2 e H2;
  • Liquid Water Isotope Analyser (LWIA) della Los Gatos Research (LGR), fornisce misure di δ18O e δ2H in campioni acquosi, utilizzando la spettroscopia laser. Lo strumento utilizza una tecnica basata sulla “Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy” (OA-ICOS). Questa tecnica, offre prestazioni comparabili a quelle offerte dagli spettrometri di massa, e misura la concentrazione assoluta delle molecole 2HHO, HH18O e HHO;
  • Linee di preparazione sotto vuoto che consentono di ottenere campioni di gas per la misura delle composizioni isotopiche allo spettrometro di massa. Le linee di preparazione riguardano in particolare l’analisi di ossigeno-18 e deuterio nelle acque, carbonio-13 e ossigeno-18 nei carbonati e del carbonio-13 disciolto nelle acque;
  • Contatore a scintillazione liquida QUANTULUS™ (PerkinElmer), in grado di misurare bassi livelli ambientali di radiazioni alfa e beta;
  • Banco di elettrolisi termostatato per l’arricchimento in trizio di acque naturali con utilizzo di celle tipo IAEA (International Atomic Energy Agency).

PERSONALE

Ing. Mario Mussi (Tecnologo CNR - Responsabile Laboratorio)
Enrico Calvi (Tecnico CNR)
Carlo Sardo (Tecnico CNR)
Maurizio Catania (Tecnico CNR)
Elisa Ferrari (Tecnico CNR)
Caterina Giorgi (Tecnico CNR)

CONTATTI

Telefono:

050 6212119 (Ing. Mario Mussi)
050 6213411 (Enrico Calvi)

E-mail:

mario.mussi(at)igg.cnr(dot)it
enrico.calvi(at)igg.cnr(dot)it
carlo.sardo(at)igg.cnr(dot)it

METODI E APPLICAZIONI

I principali metodi utilizzati all’interno del laboratorio sono derivati da tecniche consolidate di cui di seguito si riportano i principali riferimenti bibliografici:

  • Determinazione della concentrazione di ossigeno-18 nelle acque. La procedura consiste nell’equilibrazione con CO2, previa preparazione manuale su linea sotto vuoto, e successiva misura della composizione isotopica allo spettrometro di massa (Epstein S. and Mayeda T., 1953. Variation of 18O content of waters from natural sources. Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 4, n. 5, 213-224)
  • Determinazione simultanea di deuterio e ossigeno-18 nelle acque tramite LWIA-LGR. Il Liquid Water Isotope Analyser (LWIA), basato sulla tecnica “Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy” (OA-ICOS) rappresenta un’alternativa all’utilizzo della spettrometria di massa per l’analisi degli isotopi stabili nelle acque. Tale strumento fornisce misure simultanee dei rapporti D/H e 16O/18O direttamente sulle molecole di H2O senza conversione di H2O in H2, CO, o equilibrazione tra H2/CO2 e l’acqua. Utilizzando un'analisi sistematica del campione e una procedura di normalizzazione dei dati si ottiene una precisione nella misura dello 0.8‰ per il 2H e dello 0.1‰ per l’18O. (Lis G., Wassenaar L.I. and Hendry M. J., 2008. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples. Anal. Chem., 80, 287-293)
  • Determinazione del carbonio-13 e dell’ossigeno-18 dei carbonati per reazione con acido fosforico, previa preparazione manuale su linea sotto vuoto, e misura della composizione isotopica della CO2 prodotta allo spettrometro di massa (McCrea J.M., 1950. On the Isotopic Chemistry of Carbonates and a Paleotemperature Scale. The Journal of Chemical Physics, v. 18, n. 6, 849-857)
  • Analisi isotopica del carbonio inorganico disciolto in acqua (DIC). Tale misura viene eseguita sulla CO2 estratta dal campione, ottenuta mediante acidificazione dell’acqua con acido fosforico. (Mook W.G., 1970. Stable carbon and oxygen isotopes of natural waters in the Netherlands. Isotope Hydrology, IAEA, Vienna, 163-190)
  • Determinazione del trizio nell’acqua per misura diretta del campione (quando le acque contengono più di 60 UT), o previo arricchimento elettrolitico dello stesso per le acque a basso contenuto con il contatore a scintillazione liquida QUANTULUS™. Il conteggio a scintillazione liquida è basato sulla conversione dell'energia di una particella emessa da un nucleo radioattivo in energia luminosa mediante una sostanza chimica scintillante in cui il campione radioattivo si trova in soluzione. (Thatcher L.L., Janzer V.J. and Edwards R.W., 1977. Methods for determination of radioactive substances in water and fluvial sediments. In: Techniques of Water Resources Investigations. US Geol. Surv., Washington, pp. 79–81)

Questo tipo di analisi isotopiche trovano applicazione in diversi campi, tra i quali: la geotermia, la vulcanologia, l’idrogeologia, l’idrologia, le scienze ambientali e la medicina.

PROGETTI 

Il laboratorio effettua attività analitica certificata per conto terzi e nell’ambito di contratti, convenzioni e collaborazioni di ricerca con numerose società, università e istituzioni nazionali e internazionali, tra le quali:

  • Enel Green Power (gruppo ENEL) – Pisa;
  • International Atomic Energy Agency (I.A.E.A.) – Vienna;
  • AQUATER (gruppo ENI) – San Lorenzo in Campo (PS);
  • U.S.G.S. - U.S.A.;
  • Università di Napoli, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Università di Pisa, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Università di Roma “La Sapienza”, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Università di Ancona, Dipartimento di Fisica e Ingegneria dei Materiali e del Territorio;
  • Università di Perugia, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale;
  • Università di Perugia, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Università di Bologna, Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico-Ambientali;
  • Università di Torino, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Università di Firenze, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Università di Sassari, Istituto di Scienze Geologico-Mineralogico;
  • Università di Modena, Dipartimento di Scienze della Terra;
  • Politecnico di Torino, Dipartimento Georisorse e Territorio;
  • Terme di Manzano - Cortona (AR);
  • CEPA s.r.l. – Palermo;
  • Fiorentinambiente – Firenze;
  • Progeo s.r.l. – Pisa;
  • I.G.M.E. – Atene;
  • G.E.M.E.E. – Atene;
  • CESEN S.p.A. – Genova;
  • S.Te.G.A. – Viterbo;
  • Terme di Saturnia s.r.l. – Saturnia (GR);
  • GEO s.r.l. – Bari;
  • COINFRA consorzio infrastrutture – Prato;
  • Cierre s.n.c. – Arezzo;
  • Singea s.r.l. – Ravenna;
  • Geotecno – Firenze;
  • Crippa & Bergher fonti Levissima S.p.A.– Sondrio;
  • Museo Nacional de Ciencis Naturales – Madrid;
  • Ministero delle Attività Produttive – Roma;
  • ELC Electroconsult – Milano;
  • Rocchetta S.p.A. – Gualdo Tadino (PG);
  • PNOC – Manila (Filippine);
  • Istituto Nacional Electrificacion – Guatemala;
  • Ambiente s.c.r.l. – Carrara (MS);
  • C.E.L. – San Salvador (El Salvador);
  • Geotermica Italiana – Pisa;
  • ARPAT – Siena;
  • Consorzio Acquedotti Perugia S.p.A. – Perugia;
  • Solvay Chimica Italia – Rosignano Solvay (LI);
  • Analisi Service Pontedera (PI);
  • Consorzio Pisa Ricerche – Pisa;
  • Sodez SA – Corsica, Francia;
  • AFE S.p.A. – Alessandria;
  • San Pellegrino – San Pellegrino Terme (BG);
  • Controlli Sicurezza Ambientale sas - Prato;
  • R.A.I.T. s.r.l. – Roccapiemonte, Salerno;
  • Sardinia Gold Mining S.p.A. – Cagliari;
  • Amministrazione Provinciale – Sassari;
  • San Martino Codrongianos - Sassari;
  • Dip. Te. Ris. - Università di Genova;
  • Fonte Azzurrina S.p.A. – Lucca;
  • Italfilo – Grosseto;
  • Hydrodata S.p.A. – Torino;
  • Panna S.p.A. - Scarperia (FI);
  • Azienda Municipalizzata Nettezza Urbana S.p.A. – Parma;
  • Istituto De Investigationes Electricas, Dept. De Geotermia – Messico;
  • Comunità Montana dell’Elba e Capraia – Livorno;
  • SIAMI s.r.l. – Gubbio (PG);
  • Messer Geogas s.r.l. – Rapolano Terme (SI);
  • Centro Studi Geologici, Geologia Tecnica – S. Miniato B. Pisa;
  • Institute of Geology and Mineral Exploration (IGME) – Atene Grecia;
  • Aeronautica Militare – Genova;
  • HSYI s.r.l. – Torino; ASA – Livorno;
  • Caffaro Energia s.r.l. – Sesto San Giovanni (MI);
  • Getas-Petrogeo s.r.l. – Pisa;
  • TEA sistemi - Pisa.

INTERESSI SCIENTIFICI

I principali interessi scientifici includono:

  • La geochimica e l’idrogeologia (caratterizzazione isotopica delle acque di precipitazione e delle acque di falda, dinamica dei flussi idrici sotterranei, individuazione di processi d’interazione tra falde superficiali e profonde, datazione acquiferi);
  • La geotermia e la vulcanologia (applicazioni geotermometriche, studio dei campi fumarolici);
  • Il paleoclima e la paleoidrologia (determinazione della composizione isotopica dell’ossigeno e del carbonio sui foraminiferi per la ricostruzione delle condizioni climatiche e della paleocircolazione del settore Adriatico nel tardo Quaternario);
  • La biologia (studi sul metabolismo umano, sull’attività epatica e test diagnostici);
  • Il monitoraggio ambientale (valutazione del grado di contaminazione delle falde acquifere idropotabili, studi riguardanti i processi di formazione e dispersione del percolato e del biogas in discarica).

PUBBLICAZIONI SELEZIONATE

  • Cortopassi P., D’Amato Avanzi G., Guidotti M., Marconi C., Milano P.F., Mussi M., Puccinelli A. (2006) Approccio multidisciplinare per la valutazione della pericolosità di frana: indagini geologico-tecniche, idrogeologiche, geochimiche e isotopiche per la determinazione degli apporti idrici sotterranei nella frana di Cassana in Val di Magra (Massa-Carrara, Italia). Giornale di Geologia Applicata, Vol. 3, pp. 196- 204.
  • Cortecci G., Boschetti T., Mussi M., Lameli C.H., Mucchino C., Barbieri M. (2005) New chemical and original isotopic data on waters from El Tatio geothermal field, northern Chile. Geochemical Journal, Vol. 39, pp. 547- 571.
  • Mussi M. (2004) Gli isotopi ambientali nelle acque di sorgenti e pozzi e nelle emergenze sulfuree sottomarine di Capo Palinuro, Salerno. Geologia Tecnica & Ambientale, Vol. 3, pp. 35 – 55.
  • Calvi E., Caprai A., Leone G., Mussi M. (1999) Isotopic and chemical compositions of some thermal groundwaters and associated gases in the Serchio river valley, Northern Tuscany, Italy. Atti Soc. tosc. Sci. nat., Mem., Serie A, vol. 106 (1999), pagg. 45-53.
  • Mussi M., Leone G., Nardi I. (1998) Isotopic geochemistry of natural water from the Alpi Apuane-Garfagnana area, Northern Tuscany, Italy. Miner. Petrogr. Acta, vol. XLI, pp. 163-178.
  • Gianelli G., Ruggieri G., Mussi M. (1997) Isotopic and fluid inclusion study of hydrothermal and metamorphic carbonates in the Larderello geothermal field and surrounding areas, Italy. Geothermics vol. 26, n. 3, pp. 393-417.
  • Grassi S., Kolios N., Mussi M., Saradeas A. (1996) Groundwater circulation in the Nea Kassani low-temperature geothermal field (NE Greece). Geothermics vol. 25, n. 2, pp. 231-247.
  • Tenu A., Davidescu F., Squarci P., Mussi M. (1995) A low enthalpy geothermal system in the moesian platform. Proceedings of the World Geothermal Congress, Firenze 18-31 maggio 1995, vol. 2, pp. 1325-1329.
  • Grassi S., Squarci P., D’Amore F., Mussi M. (1995) Circulation of thermal waters on Pantelleria Island (Sicily Channel, Italy). Proceedings of the World Geothermal Congress, Firenze 18-31 maggio 1995, vol. 2, pp. 703-706.
  • Squarci P., Gianelli G., Grassi S., Mussi M., D’Amore F. (1994) Preliminary results of geothermal prospecting on the Island of Pantelleria. Acta Vulcanologica, vol. 5, pp. 117-123.
  • D’Amore F., Fancelli R., Mussi M., Caprai A. (1988) Gas modelling in geothermal system using carbon monoxide measurements. Rendiconti SIMP “In memory of Marcello Carapezza 1925-1987” vol. 43, n. 4, pp. 1013-1020.
  • Raco B., Mussi M., Doveri M., Lelli M., Calvi E., Catania M., Cervelli M., Ferrari E., Giorgi C., Trifirò S. (2007) Studio idrogeochimico sulla rete di monitoraggio della discarica RSU di Legoli (Comune di Peccioli, PI) e sui corpi idrici circostanti. Rapporto Finale CNR-IGG, nell’ambito della Convenzione di Ricerca tra CNR-IGG e Belvedere S.p.A. del 11/10/2006 protocollo CNR-IGG 0002430, 25 pp.
  • Mussi M., Doveri M., Calvi E., Catania M., Ferrari E., Giorgi C., Giorgi R. Trifirò S. (2006) Discarica di Casa Sartori (Comune di Montespertoli – FI): Indagine isotopica sui percolati e le acque di tre piezometri (prelievo del 26 novembre 2006 ad integrazione della prima indagine di cui alla relazione del 30/10/2006). Rapporto Scientifico Riservato CNR-IGG, commissionato da Publiambiente S.p.A., 13 pp.
  • Mussi M. (1995) Contenuti isotopici delle acque provenienti dalla concessione Rocchetta S.p.A., Comune di Gualdo Tadino (PG) e campionate il 22 febbraio 1995. Rapporto Scientifico Riservato CNR-IIRG, commissionato da Rocchetta S.p.A., 14 pp.
  • Mussi M. (1993) Contenuti isotopici delle acque provenienti dalla concessione Panna S.p.A., Comune di Scarperia (FI). Rapporto Scientifico Riservato CNR-IIRG, commissionato da Panna S.p.A., 27 pp.
  • Mussi M. (1992) Interpretazione isotopica dei risultati dell'analisi del contenuto in Deuterio, Ossigeno-18 e Tritio in cinque campioni di acqua provenienti da alcune sorgenti delle fonti Levissima S.p.A. (Cepina Valdisotto). Rapporto Scientifico Riservato CNR-IIRG, commissionato da Crippa & Bergher Fonti Levissima S.p.A., 14 pp.
  • Mussi M. (1989) Interpretazione isotopica dei risultati dell'analisi del contenuto in Deuterio, Ossigeno 18 e Tritio dei due campioni di acque provenienti dalle terme di Manzano (Comune di Cortona). Rapporto Scientifico Riservato CNR-IIRG, commissionato dalla società GEOTECNO di Firenze, 3 pp.
  • D'Amore F., Fancelli R., Mussi M., Saracco L., Truesdell A.H., Caprai A., Calvi E., Del Chicca G., Giorgi R. (1988) Development of a methodology for measuring carbon monoxide and its geothermometric applications. Final Report 1986-88, contratto CEE-CNR (IIRG) n° EN3G-0022-I, 34 pp.