Possono essere definite come:
“l’applicazione delle biotecnologie alla soluzione dei
problemi ambientali”
o come:
“l’uso integrato di scienze naturali e scienze
ingegneristiche allo scopo di realizzare l’applicazione
di organismi, cellule, parti di essi e analoghi
molecolari per uno sviluppo sostenibile” (European
Federation of Biotechnology)
Insieme delle conoscenze atte a realizzare l’applicazione di
organismi, cellule o parti di esse per uno sviluppo
sostenibile
Le biotecnologie ambientali si occupano della salvaguardia
delle risorse naturali
rilevamento della presenza di contaminanti;
trattamento rifiuti solidi, liquidi e emissioni gassose;
sviluppare prodotti e processi che generano meno rifiuti e
riducono il consumo energetico;
risanamento di aree contaminate
Uso di sistemi biologici (microrganismi)
per la rimozione di contaminanti
organici da sistemi acquatici e terrestri.
Questo processo si basa sulla diversità
metabolica delle comunità microbiche
naturali
BIORISANAMENTO:
Applicazione dei trattamenti biologici alla bonifica del suolo,
sottosuolo e acque sotterranee inquinati
Basato sull’accelerazione o l’attivazione dell’attività microbica
mediante controllo della concentrazione di nutrienti (N, P)
e l’aggiunta di altri reagenti per ottenere la
mineralizzazione del
composto
organico o la sua
trasformazione in composti organici diversi e meno nocivi
Creazione delle condizioni ambientali ottimali per
biodegradazione
la
Per stimolare l’attività dei microrganismi si parla di:
Biostimolazione: aggiunta di nutrienti (N,P), accettori
di elettroni (ossigeno), donatori di elettroni (metano,
lattato)
Bioaugmentation: aggiunta di microrganismi esogeni
all’ambiente del sito contaminato; tali mocrorganismi
possono essere selezionati da popolazioni già presenti
sul sito oppure possono essere ottenuti da varietà
isolate in laboratorio da batteri noti per la capacità di
degradare specifici composti
BIOMONITORAGGIO:
rilevamento della presenza di contaminanti chimici mediante
BIOSENSORI
1)
BIOCONVERSIONE:
permette di sfruttare il potenziale metabolico dei m.o. per ottenere
una grande varietà di composti organici:
etanolo, acidi organici, acetone, butanolo, amminoacidi,
antibiotici
utilizzo delle capacità enzimatiche dei microrganismi per la
trasformazione di composti come idrocarburi aromatici,
alifatici e altri, di particolare interesse ambientale
2)
3) BIORISANAMENTO DA METALLI PESANTI
VALUTAZIONE DEL TRATTAMENTO BIOLOGICO
Quesiti fondamentali per la scelta della metodologia
BIOREMEDIATION
Principali tecnologie utilizzate nella
BIOREMEDIATION
• Trattamento biologico aerobico di acque di scarico,
•
•
•
•
•
•
civili e industriali
Pretrattamento anaerobico di acque di scarico con
elevato BOD (domanda chimica di ossigeno)
Digestione anaerobica di fanghi urbani
Digestione anaerobica di rifiuti solidi organici
Compostaggio di rifiuti organici
Trattamento di emissioni gassose mediante biofiltri
Biorisanamento di suoli contaminati
La possibilità di applicare un trattamento biologico
dipende:
struttura molecolare dell’inquinante
Caratteristiche chimico-fisiche dell’inquinante:
struttura chimica, distribuzione dei contaminanti
tra le varie fasi, concentrazione, tossicità,
solubilità, pressione di vapore, costante di Henry,
punto di ebollizione
Caratteristiche ambientali: nutrienti, ossigeno,
accettori di elettroni, umidità, pH, temperatura
CLASSE DI COMPOSTI
FACILITA’ DI BIODEGRADAZIONE
Composti monocromatici (BTEX,alcoli,
fenoli, ammine
Molto facile
Idrocarburi alifatici fino a C 15
Molto facile
Idrocarburi alifatici C 12-C20
Moderatamente Facile
Idrocarburi alifatici >C20
Idrocarburi monoclorurati
Idrocarburi policlorurati
Idrocarburi policiclico aromatici (IPA)
Policlorobifenili (PCB)
fitofarmaci
Moderatamente Facile
Moderatamente Facile
Difficile
Difficile
Difficile
Difficile
Devono essere biodegradabili e facilmente attacabili
dai microrganismi, fungendo così da substrato di
crescita della biomassa stessa;
Devono essere solubili per facilitare l’attacco da parte
dei microrganismi
Devono essere presenti in concentrazioni non troppo
elevate altrimenti potrebbero risultare tossici per i
microrganismi
Conversione dei contaminanti in prodotti finali del
metabolismo biologico (es. CO2 , H 2O, e sali )
CO
H
2
,
O
2
Biotrasformazione riferita a processi biologici dove i
prodotti finali non sono minerali ma composti organici
intermedi non tossici
La Biodegradazione consiste in processi di liberazione di
energia da composti organici e la loro conseguente
ossidazione
Utilizzazione e degradazione dei contaminanti
da parte dei microrganismi
Contaminanti possono servire come:
- Substrato Primario
facilmente disponibile e degradabile: fonte energetica
- Substrato Secondario
fornisce energia, ma è difficilmente degradabile, i tempi di
degradazione sono lunghi (periodi di adattamento)
- Substrato Cometabolico
trasformazione fortuita di un composto
Secondo le ultime stime, i microrganismi analizzati fino ad
oggi sono in grado di degradare 650 composti diversi,
utilizzando circa 450 enzimi che generano almeno 700
reazioni di interesse per la bioremediation
DEGRADAZIONE METABOLICA
Tipica degli inquinanti facilmente
biodegradabili
−
2−
O2 , NO3 , SO4 , CO2 , Fe3+ , Mn7+ , Mn5+
costituiscono i più comuni accettori di
elettroni
DEGRADAZIONE COMETABOLICA
Contaminanti organici resistenti alla
degradazione metabolica (
recalcitranti o refrattari) e per quelli
la cui degradazione metabolica
avverrebbe troppo lentamente
(persistenti)
enzima metabolico che catalizza la
degradazione in condizioni di routine
di una data sostanza (substrato
primario o cometabolita)
determina contemporaneamente e
casualmente la degradazione di un
secondo composto (substrato
secondario)
Classi di percorsi metabolici:
Ossidazione aerobica: l’ossigeno funge da accettore di elettroni
C6 H6 + 7.5O2 → 6CO2 + 6H2O
Ossidazione anaerobica: altri composti fungono da accettori
(nitrati,solfati, CO2 )
C6 H 6 + 6 H + + 6 NO3− → 6CO2 + 3N 2 + 6 H 2O
Declorurazione riduttiva anaerobica: sostituzione di un
atomo di cloro con un atomo di idrogeno (tetracloroetiliene)
Cometabolismo: degradazione indiretta ad opera di un
enzima prodotto da organismi impegnati in altre reazioni
C6H6 benzene
Aerobica
Anaerobica
Denitrificazione
Riduzione del Manganese
Riduzione del Ferro
Riduzione dei solfati
Metanogenesi
Ossidazione
Cometabolismo
−
2−
O 2 , NO 3 , Fe 3 + , SO 4 , Mn 7 + , Mn 5 +
L’elevata capacità adsorbente del batterio gram-negativo
Arthrobacter, ubiquitario dei suoli, nei
confronti di
Pb, Cu, Zn, Cr, Mo, Fe, Mn.
Alcuni di questi elementi vengono assorbiti
prevalentemente sulla parete polisaccaridica
(Cr, Cu, Co, Cd)
altri (Zn, Fe, Pb) attraversano la parete cellulare
accumulandosi dentro la cellula batterica
(BIOACCUMULO)
Comportamenti analoghi sono stati osservati su funghi
del suolo che presentano la parete cellulare capace di
complessare ioni metallici.
In particolare la capacità del
Trichoderma viride
Fungo ubiquitario del suolo.
BIORISANAMENTO
VANTAGGI
Costi di installazione contenuti
Bassi consumi energetici
Terreni bonificati biologicamente attivi
Ridotti rischi di lisciviazione e di volatilizzazione dei
contaminanti
BIORISANAMENTO
SVANTAGGI
Valutazione preventiva dell’efficacia dell’intervento
Monitoraggio preventivo delle condizioni ambientali
Ridotta conoscenza della biodegradabilità dei
contaminanti
L’uso delle piante (sia erbacee che arboree) per
rimuovere, eliminare, contenere o rendere meno
pericolosi i contaminanti come metalli pesanti,
composti organici e radioattivi nel suolo e nelle
acque.
La phytoremediation, detta anche
botano- remediation,
agroremediation
vegetative remediation,
Serie di tecnologie che utilizzano differenti piante ai fini
dell’estrazione, accumulo e distruzione dei
contaminanti.
APPLICABILITA’
I contaminanti influenzati dai processi di phytoremediation sono:
Metalli pesanti [Cd, Cr(VI), Pb, Co, Ni, Se, Zn];
Esplosivi (TNT, DNT, TNB, RDX, HMX);
Specie radioattive (Cs, Sr, U);
Solventi clorurati;
Policlorobifenili (PCB);
Idrocarburi policiclico aromatici.
Fitofarmaci clorurati;
Insetticidi organofosfati;
Nutrienti;
Sostanze emulsionanti.
Tipo di suolo;
Il contenuto di acqua nel suolo;
La temperatura che influenza vari
meccanismi di phytoremediation;
La disponibilità di nutrienti;
La fotodegradazione degli inquinanti
dovuta ai raggi ultravioletti nello strato
superficiale;
Rizodegradazione
Fitodegradazione
Fitostabilizzazione
Fitovolatilizzazione
Fitoestrazione (indotta, continua)
L’effetto della simbiosi tra piante e microrganismi del suolo
che caratterizza la rizosfera:
le piante attraverso l’apparato radicale essudano sostanze
ricche di carbonio organico (zuccheri, acidi, proteine) ed
enzimi nella rizosfera
queste sostanze stimolano la proliferazione dei
microrganismi
i microrganismi degradano, metabolizzano e
mineralizzano i composti organici riducendoli in composti
innocui fonte di nutrimento per le piante migliorando le
caratteristiche del suolo
Assorbimento diretto dal suolo dei contaminanti senza
il coinvolgimento dei microrganismi presenti nella
rizosfera.
Il contaminante assorbito viene degradato attraverso
processi interni di metabolizzazione: le molecole
organiche complesse sono trasformate in molecole
organiche semplici, che sono incorporate nei tessuti
vegetali favorendo la crescita della pianta, i cataboliti
non tossici possono essere accumulati nei tessuti
vegetali.
PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)
Sperimentazioni in serra hanno dimostrato una maggiore
scomparsa di tali composti nei terreni vegetati rispetto ai
terreni non vegetati, pari a 10 mg/kg
Fitofarmaci
La biodegradazione è influenzata dalla presenza delle
piante. Nei terreni in cui è presente la vegetazione la
degradazione dei fitofarmaci è maggiore, si hanno valori di
rimozione pari a 0,5 mg/g per l’atrazina
Solventi clorurati
La mineralizzazione del TCE (Tricloetilene) aumenta in un
suolo vegetativo con leguminose
Fito degradazione: applicazioni
Acque contaminate con fenoli sono state trattate in reattori ex sito
Usando enzimi ossidoreduttasi derivati dalle radici di alcune piante
Le piante permettono l’adsorbimento e la precipitazione dei
contaminanti, riducendone la mobilità e la migrazione
nell’acquifero
Richiede piante tolleranti all’effetto tossico di elevate
concentrazioni dei metalli. Le piante riducono la mobilità
del metallo tramite l’assorbimento e l’accumulo
nell’apparato radicale.
L’effetto stabilizzante delle piante è anche idoneo per terreni
nei quali i metalli sono stati preventivamente
immobilizzati con altri metodi.
Il processo può essere applicato anche per la rimozione di
composti organici idrofobici (Kow > 3)
Le piante adsorbono inquinanti organici, che
vengono degradati dal metabolismo vegetale e
successivamente eliminati per volatilizzazione
attraverso gli stomi.
La fitovolatilizzazione si applica ai solventi clorurati
(TCE) Tricloetilene e a contaminanti inorganici
come selenio (dimetilato di selenio) e in
particolare
mercurio
monometil,
dimetilmercurio).
ORGANICI
INORGANICI
• Fitodegradazione
•
Fitoestrazione
• Rizodegradazione (attività
•
Fitostabilizzazione
batterica)
• Rilascio di enzimi attivi
utili nella rizosfera
• Fitovolatilizzazione
Phytoextraction,
accumulo ed
estrazione
dei contaminanti
nei tessuti delle
piante da raccolto;
1.
2.
3.
4.
5.
Una frazione di metallo viene
assorbita nelle pareti radicali
La frazione biodisponibile viene
trasportata dalle pareti cellulari
all’interno delle cellule
Una frazione di metallo viene assorbita
dalle radici e accumulata
all’interno del vacuolo (tonoplasto)
La frazione mobile attraversa la
membrana e si muove attraverso lo
xilema
Il metallo viene trasportato dalle radici
alla parte aerea (germogli e foglie)
E’ stato osservato che il 99% del Cadmio adsorbito dalle radici di riso passa
nelle parti epigee della pianta e si accumula anche nella granella
PHITOEXTRACTION DI METALLI PESANTI
Caratteristiche delle specie vegetali da utilizzare
nella fitoestrazione
Brassicaceae
Specie coltivate:
Mais, leguminose
Piante transgeniche
• Metallo-tolleranti
• Adattabilità
•Apparato radicale sviluppato
• Sviluppo di biomassa
• Alta capacità di traslocazione
• Velocità di crescita (ciclo di vita breve)
• Alta traspirazione
I metalli vengono rimossi per assorbimento dalle radici e
traslocazione nelle parti aeree della pianta (fusto, foglie).
Le piante vengono poi colte ed eliminate mentre il sito è sottoposto
a cicli successivi di crescita fino ad abbassare la concentrazione
del metallo a livelli accettabili.
Piante iperaccumulatrici nelle foglie (peso secco)accumulano almeno
0,1% di metallo (g/ 100 g s.s.)
Helichrysum italicum (iperaccumulatore) [Fam. Compositae]
Juncus compressus
[Fam. Juncaceae]
Festuca arundinacea
[Fam. Graminaceae]
(apparato radicale profondo)
Mirabilis jalapa
(sp. ad alta produzione di biomassa)
[Fam. Nyctaginacee]
Helichrysum
italicum
Juncus
compressus
Mirabilis jalapa
Festuca arundinacea
Lupinus albus
(tollerante, azoto fissatrice)
[Fam. Leguminose]
Zea mais
(sp. ad alta produzione di biomassa)
[Fam. Graminaceae]
Helianthus annus
Zea mais
[Fam. Compositae]
Helianthus annus
Lupinus albus
Impiego di agenti chelanti sintetici per aumentare la
disponibilità dei metalli
o I chelanti sono composti molto stabili che sono però
più facilmente assorbibili dalle specie vegetali
o Es. EDTA o DTPA (1 g/kg suolo prima della
piantumazione)
o acido citrico
Impiega additivi chimici per mobilizzare il contaminante
e renderlo disponibile all’assorbimento da parte del
vegetale
EDTA per Pb
Fosfato per As
Caratteristiche dei contaminanti
•Devono essere biodegradabili e facilmente attaccabili dai microrganismi,
fungendo così da substrato di crescita della biomassa stessa;
•Devono essere solubili per facilitare l’attacco da parte dei microrganismi;
•Devono essere presenti in concentrazioni non troppo elevate altrimenti
potrebbero risultare tossici per i microrganismi;
I prodotti di degradazione derivanti dal metabolismo microbico
devono essere meno pericolosi e meno tossici rispetto al
contaminante iniziale.
Problematiche relative alla fitoestrazione indotta
•Mobilità del contaminante lungo il profilo del suolo
•Dosi eccessive possono essere tossiche per la
pianta anche nei cicli successivi
Definizione degli interventi di natura chimica per incrementare la
biodisponibilità dei metalli:
In particolare della tempistica delle aggiunte e le concentrazioni.
Dove si può fare una Phytoremediation
•In aree dove destinazione d’uso e analisi dei rischi sono
compatibili con i lunghi tempi di trattamento;
•La contaminazione è poco profonda (< 5m)
•Gli inquinanti sono affini alle diverse componenti colloidali.
Vantaggi
Limiti
Confronto con le tradizionali Tecniche di Bonifica
•È una tecnologia “in situ”
•Bassi costi
•Applicabilità ad un ampio range di contaminanti sia organici
che inorganici
•Minimo disturbo ambientale
•Ridotta produzione di rifiuti (circa il 95% se comparata con
la collocazione in discarica)
•Elevato consenso pubblico
Test di Applicabilità: sito specifico
La biodisponibilità degli inquinanti:
Analisi di speciazione
Le specie vegetali più idonee
I trattamenti agronomici
I tempi di trattamento
Test di Applicabilità: sito specifico
1. Test di laboratorio (microcosmo);
2. Test in serra (mesocosmo);
3. Test pilota in campo.
Smaltimento della biomassa
Destino diversificato a seconda delle concentrazioni di contaminante
raggiunto:
Inferiore ai limiti stabiliti dalla normativa: compostaggio.
Superiore: discarica adeguata
Recupero metalli
Trattamenti biologici
Se l’ossigeno (O2 ) è l’accettore elettronico terminale, il
processo è chiamato:
BIODEGRADAZIONE AEROBICA
Tutti gli altri processi di degradazione biologica sono
classificati come:
BIODEGRADAZIONE ANAEROBICA
Nella maggior parte dei casi, i batteri possono usare un
solo accettore elettronico terminale
Gli aerobi facoltativi usano ossigeno (O2), ma possono
impiegare anche nitrato (NO3− ) , in assenza O2
AZOTO
(NH
( NO
( NO
Nitrosazione
Nitrificazione
→ NO3
−
→ N2
3
−
S8
→
SO 4
H 2S
→
SO 4
SO 2
→
SO 4
→
H 2S
−
−
2
Denitrificazione
SO 4
→ NO2
3
)
)
)
−
−
ZOLFO
ossidazion e
−
''
−
''
riduzione
METALLI
Hg
Fe 2 +
→
Fe 3 +
Mn 2 +
→
Mn 4 +
Sb 3 +
→
Sb 5 +
→
ossidazion e
Metilmercurio
Decontaminazione dell’acquifero da nitrati presenti nel
suolo
AGGIUNTA DI AMMENDANTI
−
DEGRADAZIONE anaerobica
NO3 → N 2
• Idrocarburi
• Composti clorurati (PCB,
TCE)
• Esplosivi (TNT, DNT)
• Insetticidi
• Tensioattivi
Moderatamente idrofobici
solventi clorurati e
composti
alifatici di basso peso
molecolare. I composti
idrofobici sono infatti
trattenuti così
fortemente alla superficie
delle radici da non poter
essere traslocati nella
pianta.
Trattamenti in situ
Iniezione diretta di nutrienti, accettori di elettroni e
donatori di elettroni
Bioventing/biosparging
Biobarriere permeabili reattive
Trattamenti in situ intrinseci: attenuazione naturale
Trattamenti ex situ
Biopile
Landfarming
Compostaggio
Bioreattori in fase solida e semisolida
• Il contenuto di O2 è il principale fattore limitante
nella biodegradation in situ
• Se possono essere fornite adeguate quantità di O 2
allora la biodegradation è una tecnica idonea per la
remediation
• Esistono altri fattori limitanti ma generalmente sono
secondari rispetto all’ossigeno.
Degradazione del Benzene:
C6 H6 + 7.5O2 → 6CO2 + 3H2O
Utilizzo di m.o. indigeni
I parametri che influenzano la biodegradazione:
a) quelli che influenzano la concentrazione e la
disponibilità di un certo contaminante;
b) quelli che controllano la velocità di reazione
Contaminanti che possono essere trattati:
1.
2.
Organici;
Complessi organo minerali.
Vantaggi: economici
Svantaggi:tempi lunghi
Temperatura favorevole per i microrganismi;
Disponibilità di acqua (prossima alla capacità di
campo);
Nutrienti (N, P, K) in adeguate quantità;
Rapporto C: N dei materiali < 30: 1;
Materiali addizionati devono essere simili a quelli
naturalmente presenti nel materiale organico;
Ossigeno in sufficiente quantità;
Permeabilità del terreno.
fine
