SITI POTENZIALMENTE CONTAMINATI

1. SITI POTENZIALMENTE CONTAMINATI

2. Phytoremediation “the use of green plant to remove pollutant from the environment or to render them harmless” (Salt 1998) • Può essere applicata: • -inquinanti organici ed inorganici • Substrati solidi (es. suolo) • Substrati liquidi (es. acqua) • aria

4. ASSORBIMENTO Sottosettori della phytoremediation • Phytoextraction: uso delle piante iperaccumulatrici di inquinanti per rimuovere le sostanze organiche ed inorganiche dal suolo concentrandole nel germoglio • Rhizofiltration: uso di radici per rimuovere gli inquinanti dalle acque e dagli scarichi acquosi • Phytotranformation/Phytodegradation:uso delle piante e dei microrganismi associati per degradare gli inquinanti • Phytostabilization: uso delle piante per ridurre la biodisponibilità degli inquinanti nell’ambiente • Phytovolatilization: uso delle piante per volatilizzare gli inquinanti • Uso delle piante per rimuovere gli inquinanti dall’aria

5. Le piante insieme con i batteri e i funghi della rizosfera trasformano, trasportano o accumulano xenobiotici Perchè le piante possono fare la phytoremediation? Caratteristiche che fanno delle piante dei buoni candidati Ampia superficie radicale assorbente ed efficienti meccanismi di trasporto di acqua e sali minerali Capacità di selezionare l’assorbimento degli ioni Capacità di tollerare alte concentrazioni di contaminanti Rhyzosphere The Rhizosphere is the zone surrounding the roots of plants in which complex relations exist among the plant, the soil microorganisms and the soil itself. The plant roots and the biofilm associated with them can profoundly, influence the chemistry of the soil including pH and nitrogen transformations Come Funziona?

6. Tolleranza Esempi Enzimi: Monossigenasi , perossidasi, Citocromo P450…. TNT(NO2 ) TNT(NH2) TNT= trinitrotoluene nitroreduttasi

7. Vantaggi della phytoremediation 1. Mantenimento delle caratteristiche biologiche del sito 2. Rivalutazione del paesaggio Vantaggi 3. Applicabilità su vaste aree 4. Costi contenuti 5. Possibili ritorni economici

8. Limiti attuali della phytoremediation • Smaltimento della biomassa contaminata • Per la fitoestrazione: • Piante iperaccumulatrici generalmente di piccole dimensioni con radici poco profonde • Tempi di recupero del sito molto lunghi • Possibile dispersione dei contaminanti attraverso la dispersione delle foglie

9. DEFINIZIONE IPERACCUMULATORE: Piante in grado di tollerare ed accumulare alte concentrazioni di metalli nel germoglio Ci si riferisce ai metalli Ma quanto? Metal hyperaccumulators are plants that exhibit very high metal concentrations in the shoot, which exceed threshold values defined on a dry-biomass basis as 1.0 % for Zn and Mn, or 0.1 % for Ni, Co, Cu, Cd, Cr Hyperaccumulators are species capable of accumulating metals at levels 100-fold greater than those typically measured in shoots of the common nonaccumulator plants E’ utilizzata sopratutto per i metalli come il cadmio, piombo, rame nickel etc. Phytoextraction Esempi: A Detroit rimozione di Pb con girasole e Indian Mustard Recentemente in Florida hanno visto che felci native del sud-est accumulano alte concentrazioni di arsenico nel germoglio più di 200 volte della concentrazione nel suolo

10. Rhizofiltration • Applicabilità: Per la rimozione di metalli pesanti (Cu2+, Cd2+, Cr6+, Ni2+, Pb2+, and Zn2+) e radionuclidi da: • Vaste distese d’acqua con concentrazioni di inquinanti non molto elevate • Acque reflue

11. Rhizofiltration: Esempi 1995, il girasole è stato usato in uno stagno vicino a Chernobyl - approx. in 1 settimana ha accumulato parecchie centinaia di volte la concentrazione di Cesio e Stronzio (iperacculatori: piante che possono accumulare il contaminante almeno 100 volte di più rispetto al normale)

12. Piante acquatiche per il trattamento delle acque di scarico Water Lily has an extensive root system with rapid growth rates, but is sensitive to cold temp, it is an ideal plant for water treatment in warm climates. Duckweed (Lemma spp.) has greater cold tolerance and a good capacity for nutrient absorption. Penny wort (Hydrocotyl spp) is relatively cold tolerant with a very good capacity for nutrient uptake. Water hyacint uptake of heavy metal eg.,Pb,Cu,Cd,Hg from contaminated water.

13. Phytotransformation/Phytodegradation Esempi: pioppo usato per trasformare il Trichloroethylene (TCE) in un metabolita meno tossico L’areonautica militare in Texas usa il cotone per trattare acque interne inquinate da TCE

14. Phytotransformation/Phytodegradation 2 possibilità: • Il contaminante viene assorbito e trasformato dalla pianta in un composto meno tossico • La pianta incrementa i microorganismi della rizosfera che degradano i composti (Phytostimulation)

15. Phytostabilization 2 meccanismi: Il sistema radicale e la vegetazione erbacea prevengono il trasporto meccanico degli inquinanti per mezzo del vento, dell’acqua o per fenomeni di erosione Le piante traspirano una grande quantità di acqua (più di 50 litri/giorno): l’azione di pompaggio previene la precipitazione dei contaminanti nella falda acquifera

16. FITODEPURAZIONE ACQUE • Corpi idrici (laghi, fiumi etc) • Acque di scarico Assorbimento organici ed inorganici Degradazione organici

17. Girasole per rimuovere cesio e stronzio da acque interne stagno vicino a Chernobyl Dove possiamo utilizzare la fitodepurazione? (1) Abbattimento dei carichi inquinanti nei corpi idrici Vasche artificiali e/o Zone Umide

18. Ecosistema filtro (2) Abbattimento dei carichi inquinanti allo scarico Fitodepurazione Intensiva

19. vasche impermeabilizzate profonde 70- 80 cm riempite di substrato inerte (es. ghiaia) in pendenza • Le piante crescono sul substrato saturato d’acqua • I batteri si dispongono su radici e substrato (biofilm): hanno a disposizione un’elevatissima superficie di contatto (alta efficienza) Fitodepurazione Intensiva: tipologie impiantistiche dipendono dalla direzione di scorrimento dell’acqua Impianti a flusso superficiale • vasche impermeabilizzate profonde 40- 60 cm • acqua in superficie ricreano un ambiente simile agli stagni con canneti e idrofite galleggianti Impianti a flusso subsuperficiale

20. Impianto di fitodepurazione a Vizzola Ticino (circa 300 AE) La cannuccia di palude (Phragmites australis)

21. Dimensioni ed Efficienza 5 m2/AE se sostitutivo di un impianto tradizionale 1 m2/AE come affinamento dell’effluente di un impianto tradizionale Abbattimento della Sostanza Organica: 30 – 60 % Abbattimento dei nitrati: fino al 50 % Abbattimento dell’azoto ammoniacale: fino al 99,9 %

22. Vescovato (Cr) Biomasse (Pioppi) irrigate con acqua proveniente dall’impianto di fitodepurazione Ulteriore fitodepurazione! Successivo rilascio in roggia

23. Biomasse vegetali Bioetanolo

24. Fonti Inquinamento del suolo

25. Strategie di intervento • (1) Messa in sicurezza permenente: • insieme degli interventi atti ad isolare in modo definitivo le fonti inquinanti rispetto alle matrici ambientali circostanti (falde, suolo aria); • (2) Bonifica: • insieme degli interventi atti a ridurre le concentrazioni delle sostanze inquinanti nel suolo a valori di concentrazioni limite stabiliti ed accettabili per la destinazione d’uso prevista dagli strumenti urbanistici

26. Tecniche di bonifica del suolo EX-SITU IN SITU On site Off site

27. Trattamenti fisici: • Campi elettrici (Elektrokinetic Extraction) • Vapori ad alta pressione (Steam Extraction) • Barriere semipermeabili (Permeable • Chemical Treatment Wall) Trattamenti chimici: • Reagenti chimici (Chemical reduction) • Lavaggio in soluzione acquosa (Soil • washing) Trattamenti biologici: • Attività degradative e/o di adsorbimento/assorbimento di funghi batteri e piante Tecniche di bonifica

29. quantità di elemento nel suolo disponibile per le piante BIODISPONIBILITA’ tecnica subordinata alla biodisponibilità degli elementi nel terreno phytoextraction • dipende: • proprietà dell’inquinante • fattori abiotici (dipendenti dalla struttura del suolo) clay-organic matter complex (hanno cariche-) -pH (ioni H+competono con cariche – di argille e sostanza org.); al suo aumentare diminuisce biodisponmibilità -CSC (capacità di scambio cationico) capacità del suolo di trattenere gli ioni metallici al suo aumentare diminusce biodisponibilità -Potenziale redox (capacità del suolo di donare o ricevere elettroni); al suo diminuire aumenta la biodisponibilità degli ioni metallici (Cr fa eccezione! In condizioni riducenti è meno solubile) • fattori biotici Es essudati radicali e microbici contengono chelanti (acidi organici zuccheri etc.) Fitoestrazione continua

30. Fitoestrazione assistita Sali di ammonio (abbassa pH) EDTA

31. Thlaspi Brassica juncea Alyssium Pteris vittata

32. Caratteristiche di una pianta adatta alla fitoestrazione • resistenza ad alte concentrazioni di inquinanti • capacita’ di assorbire ed accumulare gli inquinanti • crescita veloce e produzione di un’elevata biomassa • apparato radicale profondo • impiego della biomassa vegetale

33. Esempio:La “Cannabis sativa”: • Accrescimento veloce. • Biomassa elevata e densità di crescita elevata. • Pianta rustica. • Apparato radicale profondo. • Grandi possibilità di impiego in diversi settori industriali.

34. (b) individuazione di fattori genetici che migliorino: - la tolleranza della pianta - la sua capacità di assorbimento Piante transgeniche (OGM) Dove sono indirizzati oggi gli sforzi dei ricercatori in questo settore? • Ricerca di strategie per rendere più efficienti le piante finora sperimentate: Batteri funghi (a) induzione di simbiosi con m.o. opportuni • Individuazione di nuove piante con caratteristiche “migliori” • Smaltimento biomassa contaminata

35. + Funghi micorrizici Radici Simbiosi mutualistiche Micorrize (dal greco: mykos: fungo rhiza: radice). 2 tipi di micorrize: ECTOMICORRIZE: caratteristiche della maggior parte delle latifoglie e delle conifere ENDOMICORRIZE: a più ampia diffusione anche tra le specie erbacee

36. mantello di ife intorno alle radici e reticolo che si sviluppa tra le cellule radicali della corteccia. • Formano corpi fruttiferi macroscopici ECTOMICORRIZE Mantello di ife intorno alle radici di eucalipto Hartig Net

37. ENDOMICORRIZE dette anche VAM (micorrize vescicolo-arbuscolari) • Non formano un mantello esterno • “Penetrano” all’interno delle cellule formando arbuscoli e vescicole

38. Ectomicorrize Endomicorrize Sezione apice radicale

39. Micorrize: Amplificano notevolmente la superfice radicale Notevole aumento delle potenzialità nutrizionali Notevole aumento della stimolazione della crescita di m.o. nella rizosfera Aumento della capacità di assorbire/stabilizzare contaminanti? RISULTATI CONTRASTANTI PROBABILMENTE DIPENDENTI DALLE SINGOLE ASSOCIAZIONI!

40. Le Micorrize La micorriza è una associazione di tipo mutualistico tra le radici di piante superiori ed i funghi del suolo. Da un punto di vista morfo-funzionale si possono distinguere le ectomicorrize dalle endomicorrize. Le prime sono tipiche della maggior parte delle piante ad alto fusto e sono caratterizzate da un mantello di ife intorno alle radici e da un reticolo che si sviluppa tra le cellule radicali. Le endomicorrize, invece, rappresentano un categoria molto diffusa tre le piante erbacee e sono caratterizzate dalla presenza di ife fungine all'interno delle cellule radicali della pianta. Entrambe queste associazioni rivestono un ruolo di particolare importanza dal punto di vista sia agro-forestale sia ambientale in quanto capaci di dar luogo alle produzione di funghi commestibili, alcuni dei quali di particolare pregio (Tuber, Boletus) e di offrire un contributo significativo alla salvaguardia ambientale attraverso un risparmio netto di elementi fertilizzanti quali il fosfato. Inoltre, le piante micorrizate mostrano un accrescimento ed una resistenza alle malattie significativamente superiore rispetto a quelle non micorrizate.

41. Come si fa una pianta trasgenica? Ingegneria genetica Manipolazione del genoma di un organismo (DNA) PRODUZIONE DI Organismi Geneticamente Modificati 1953: James Watson e Francis Crick individuano la struttura della molecola del DNA (acido desossiribonucleico) 1 molecola di zucchero: DESOSSIRIBOSIO 4 basi: Adenina Guanina Citosina Timina

42. 1972: Paul Berg (Stanford University) infranse per la prima volta il confine tra specie creando una molecola ibrida di DNA; partendo dal DNA di una scimmia e di un batterio. È l’inizio dell’era del DNA RICOMBINANTE

43. L’INGEGNERIA GENETICA è in grado di introdurre in una cellula ospite uno o più GENI e di indurne l’espressione TRASFORMAZIONE GENETICA IL GENE E’ L’UNITA’ FUNZIONALE DEL DNA E’ un segmento di DNA costituito da più triplette in una sequenza DEFINITA e NON CASUALE. IL PRODOTTO DI UN GENE è UNA PROTEINA Tramite la sintesi proteica la sequenza di basi azotate che costituiscono il gene viene tradotta in una sequenza di aminoacidi. Per effettuare una TRASFORMAZIONE GENETICA sono necessari: Un organismo donatore, Un vettoreper trasportare il gene che interessa impiantare, Un organismo ricevente ed un buon sistema di “taglio-cucito”

44. vettore Organismo donatore Organismo ricevente

45. I vettori di trasformazione o PLASMIDI sono piccoli tratti di DNA circolare di origine batterica Il meccanismo “TAGLIA-INCOLLA” si basa sull’utilizzo di enzimi di origine batterica detti ENZIMI DI RESTRIZIONE

46. Tra i plasmidi più conosciuti vi è il plasmide Ti proveniente da Agrobacterium tumefaciens

48. APS+CGS Esempi di piante transgeniche APS e CGS overexpression Pianta più tollerante al Se e in grado di assorbire e volatilizzare maggior quantità di metallo Indian mustard Plants are able to transform inorganic selenium in soil to organic selenium Plants primarily take up Se as selenate or selenite which is then metabolized, via the sulfur assimilation pathway, resulting in the production of selenocysteine, SeMet and other Se analogues of various S metabolites Via dell’assimilazione dello S Se organico Se volatile Se inorganico (aa contenenti Se) APS CGS Enzimi limitanti per l’assimilazione e la volatilizzazione del Se APS: ATP sulfurylase (involved in the reduction of sulfate to sulfite and the key enzyme of the sulfur assimilation pathway); CGS: cystathionine-γ –synthase (mediates the conversion of (Se-)cysteine to (Se-)cystathionine and, thus, is the first enzyme in the pathway that converts selenocysteine to volatile dimethylselenide -Kim and Leustek, 1996).

49. SMT Arabidopsis Thaliana tollerante ad alte concentrazioni di Selenium SMT overexpression A. bisulcatus (Se) hyperaccumulator Astragalus bisulcatus SMT: Selenocysteine methyltransferase (the enzyme responsible for the methylation of selenocysteine to MeSeCys in A. bisulcatus) Primo passo per poi eventualmente trasferirla in Indian mustard (grande biomassa!)

50. PIANTE TRANSGENICHE PER OPERE DI BONIFICA Sono state create piante transgeniche sensibili al biossido di azoto che viene rilasciato dalle mine nel suolo. In presenza di tale sostanza le foglie cambiano colore da verde a rosso. Si potrebbero usare queste piante per bonificare numerose aree del mondo in cui vi sono mine antiuomo.