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” (EuropeanFederation 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 terrestriorganici 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 microbicaBasato sull’accelerazione o l’attivazione dell’attività microbicamediante controllo della concentrazione di nutrienti (N, P)e l’aggiunta di altri reagenti per ottenere lamineralizzazione del composto organico o la suatrasformazione in composti organici diversi e meno nocivi

Creazione delle condizioni ambientali ottimali per labiodegradazione

Per stimolare l’attività dei microrganismi si parla di:

Biostimolazione: aggiunta di nutrienti (N,P), accettori di elettroni (ossigeno), donatori di elettroni (metano, lattato)lattato)

Bioaugmentation: aggiunta di microrganismi esogeni all’ambiente del sito contaminato; tali mocrorganismipossono 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

1) BIOMONITORAGGIO:

rilevamento della presenza di contaminanti chimici mediante BIOSENSORI

2) BIOCONVERSIONE:

permette di sfruttare il potenziale metabolico dei m.o. per ottenere una grande varietà di composti organici: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

3) BIORISANAMENTO DA METALLI PESANTI

VALUTAZIONE DEL TRATTAMENTO BIOLOGICO

Quesiti fondamentali per la scelta della metodologia

BIOREMEDIATION

• Trattamento biologico aerobico di acque di scarico, civili e industriali

• Pretrattamento anaerobico di acque di scarico con elevato BOD (domanda chimica di ossigeno)

Principali tecnologie utilizzate nellaBIOREMEDIATION

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 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 >C20Moderatamente Facile

Moderatamente FacileIdrocarburi monoclorurati

Moderatamente Facile

Idrocarburi policloruratiDifficile

Idrocarburi policiclico aromatici (IPA)Difficile

Policlorobifenili (PCB)Difficile

fitofarmaciDifficile

� 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

� Biotrasformazione riferita a processi biologici dove i prodotti finali non sono minerali ma composti organici

OHC O2,2 ),,.( 22 salieOHCOes

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

Contaminanti possono servire come:- Substrato Primario

facilmente disponibile e degradabile: fonte energetica - Substrato Secondario

fornisce energia, ma è difficilmente degradabile, i tempi di

Utilizzazione e degradazione dei contaminantida parte dei microrganismi

fornisce energia, ma è difficilmente degradabile, i tempi di degradazione sono lunghi (periodi di adattamento)

- Substrato Cometabolicotrasformazione 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

DEGRADAZIONE COMETABOLICA

Contaminanti organici resistenti alla degradazione metabolica ( recalcitranti o refrattari) e per quelli la cui degradazione metabolica avverrebbe troppo lentamente

(persistenti)

costituiscono i più comuni accettori di elettroni

(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)

+++−− 5732

2432 ,,,,,, MnMnFeCOSONOO

Classi di percorsi metabolici:Ossidazione aerobica: l’ossigeno funge da accettore di elettroni

Ossidazione anaerobica: altri composti fungono da accettori

(nitrati,solfati, )

OHCOOHC 22266 665.7 +→+

2CO

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

OHNCONOHHC 222366 63666 ++→++ −+

2CO

C6H6 benzene

Aerobica

Ossidazione

Anaerobica

Denitrificazione

Riduzione del Manganese

Cometabolismo

Riduzione del Manganese

Riduzione del Ferro

Riduzione dei solfati

Metanogenesi

++−+− 5724

332 ,,,,, MnMnSOFeNOO

L’elevata capacità adsorbente del batterio gram-negativo

Arthrobacter , ubiquitario dei suoli, neiconfronti di

Pb, Cu, Zn, Cr, Mo, Fe, Mn .

Alcuni di questi elementi vengono assorbiti 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 In particolare la capacità del

Trichoderma viride

Fungo ubiquitario del suolo.

VANTAGGI

� Costi di installazione contenuti

BIORISANAMENTO

� 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� agroremediation

� vegetative remediation,

Serie di tecnologie che utilizzano differenti piante ai fini dell’estrazione, accumulo e distruzione dei contaminanti.

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);

APPLICABILITA’

� 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 � 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� 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 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 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

FitofarmaciFitofarmaciLa 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 cloruratiLa mineralizzazione del TCE (Tricloetilene) aumenta in un suolo vegetativo con leguminose

Fito degradazione: applicazioniAcque contaminate con fenoli sono state trattate in reattori ex sitoUsando 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 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, chevengono degradati dal metabolismo vegetale esuccessivamente eliminati per volatilizzazioneattraverso gli stomi.

La fitovolatilizzazione si applica ai solventi clorurati(TCE) Tricloetilene e a contaminanti inorganicicome selenio (dimetilato di selenio) e inparticolare mercurio monometil,dimetilmercurio).

ORGANICI

• Fitodegradazione

• Rizodegradazione (attività

INORGANICI

• Fitoestrazione

• Fitostabilizzazione• Rizodegradazione (attività batterica)

• Rilascio di enzimi attivi utili nella rizosfera

• Fitovolatilizzazione

• Fitostabilizzazione

Phytoextraction,accumulo ed estrazione estrazione dei contaminanti nei tessuti dellepiante da raccolto;

1. Una frazione di metallo vieneassorbita nelle pareti radicali

2. La frazione biodisponibile vienetrasportata dalle pareti cellulariall’interno delle cellule

3. Una frazione di metallo viene assorbitadalle radici e accumulatadalle radici e accumulataall’interno del vacuolo (tonoplasto)

4. La frazione mobile attraversa lamembrana e si muove attraverso lo

xilema5. 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 passanelle parti epigee della pianta e si accumula anche nella granella

PHITOEXTRACTION DI METALLI PESANTI

Caratteristiche delle specie vegetali da utilizzarenella fitoestrazione

• Metallo-tolleranti• Adattabilità•Apparato radicale sviluppato•Apparato radicale sviluppato• Sviluppo di biomassa• Alta capacità di traslocazione• Velocità di crescita (ciclo di vita breve)• Alta traspirazione

Brassicaceae

Specie coltivate:Mais, leguminose

Piante transgeniche

I metalli vengono rimossi per assorbimento dalle radici etraslocazione nelle parti aeree della pianta (fusto, foglie).

Le piante vengono poi colte ed eliminate mentre il sito è sottopostoa cicli successivi di crescita fino ad abbassare la concentrazione

del metallo a livelli accettabili.

Piante iperaccumulatrici nelle foglie (peso secco)accumulano almeno0,1% 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 [Fam. Nyctaginacee]

(sp. ad alta produzione di biomassa)

Helichrysumitalicum

Juncuscompressus

Mirabilis jalapa Festuca arundinacea

� Lupinus albus [Fam. Leguminose](tollerante, azoto fissatrice)

� Zea mais [Fam. Graminaceae](sp. ad alta produzione di biomassa)

� Helianthus annus [Fam. Compositae]� Helianthus annus [Fam. Compositae]

Zea mais 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 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 contaminantee renderlo disponibile all’assorbimento da parte delvegetale

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 I prodotti di degradazione derivanti dal metabolismo microbico devono essere meno pericolosi e meno tossici rispet to al contaminante iniziale .

Problematiche relative alla fitoestrazione indotta

•Mobilità del contaminante lungo il profilo del suol o•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.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•Minimo disturbo ambientale

•Ridotta produzione di rifiuti (circa il 95% se compa rata 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 contaminanteraggiunto:

Inferiore ai limiti stabiliti dalla normativa : compostaggio.Superiore : discarica adeguata

Recupero metalli

Trattamenti biologici

� Se l’ossigeno è l’accettore elettronico terminale, il processo è chiamato:

� BIODEGRADAZIONE AEROBICA� Tutti gli altri processi di degradazione biologica sono

)( 2O

� 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 , ma possono impiegare anche nitrato , in assenza

)( 2O)( 3

−NO 2O

AZOTO

ZOLFO

SOSH

eossidazionSOS

42

48

''→

→

−

−

−

( )( )( )23

32

23

NNOazioneDenitrific

NONOioneNitrificaz

NONHneNitrosazio

→

→

→

−

−−

−

METALLI

riduzioneSHSO

SOSO

24

42 ''

→

→−

−

++

++

++

→→→

53

42

32

SbSb

eossidazionMnMn

FeFe

rioMetilmercuHg →

Decontaminazione dell’acquifero da nitrati presenti nel

suolo

AGGIUNTA DI AMMENDANTI DEGRADAZIONE anaerobica

23 NNO →−

• Idrocarburi

• Composti clorurati (PCB, TCE)

Moderatamente idrofobici solventi clorurati e

composti

alifatici di basso peso TCE)

• Esplosivi (TNT, DNT)

• Insetticidi

• Tensioattivi

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� Biobarriere permeabili reattive

Trattamenti in situ intrinseci: attenuazione naturale

Trattamenti ex situ

� Biopile

� Landfarming

� Compostaggio

� Bioreattori in fase solida e semisolida

• Il contenuto di è il principale fattore limitante nella biodegradation in situ

• Se possono essere fornite adeguate quantità di allora la biodegradation è una tecnica idonea per la remediation

2O

2O

remediation

• Esistono altri fattori limitanti ma generalmente sono secondari rispetto all’ossigeno.

Degradazione del Benzene:

OHCOOHC 22266 365.7 +→+

Utilizzo di m.o. indigeni

I parametri che influenzano la biodegradazione:a) quelli che influenzano la concentrazione e la

disponibilità di un certo contaminante;disponibilità di un certo contaminante;b) quelli che controllano la velocità di reazione

Contaminanti che possono essere trattati:

1. Organici;2. Complessi organo minerali.

Vantaggi: economiciSvantaggi:tempi lunghi

� Temperatura favorevole per i microrganismi;

� Disponibilità di acqua (prossima alla capacità di campo);

� Nutrienti (N, P, K) in adeguate quantità;� 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