SITI POTENZIALMENTE CONTAMINATI

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

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

ASSORBIMENTO

Come Funziona?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

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

Rhyzosphere

Tolleranza

Monossigenasi , perossidasi, Citocromo P450….

TNT(NO2 ) TNT(NH2) nitroreduttasi

Esempi Enzimi:

TNT= trinitrotoluene

Vantaggi della phytoremediation

VantaggiVantaggi 3. Applicabilità su vaste aree3. Applicabilità su vaste aree

4. Costi contenuti4. Costi contenuti

2. Rivalutazione del 2. Rivalutazione del paesaggio paesaggio

5. Possibili ritorni economici5. Possibili ritorni economici

1. Mantenimento 1. Mantenimento delle caratteristiche delle caratteristiche biologiche del sitobiologiche del sito

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

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

DEFINIZIONE IPERACCUMULATORE:Piante in grado di tollerare ed accumulare alte concentrazioni di metalli nel germoglioCi 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 accumulatingmetals at levels 100-fold greater than those typically measured in shoots of the common nonaccumulator plants

Rhizofiltration

• Applicabilità:

Per la rimozione di metalli pesanti (Cu2+, Cd2+, Cr6+, Ni2+, Pb2+, and Zn2+) e radionuclidi da:

1. Vaste distese d’acqua con concentrazioni di inquinanti non molto elevate

2. Acque reflue

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)

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.

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

Phytotransformation/Phytodegradation

2 possibilità:

1. Il contaminante viene assorbito e trasformato dalla pianta in un composto meno tossico

2. La pianta incrementa i microorganismi della rizosfera che degradano i composti (Phytostimulation)

Phytostabilization

2 meccanismi:

1. Il sistema radicale e la vegetazione erbacea prevengono il trasporto meccanico degli inquinanti per mezzo del vento, dell’acqua o per fenomeni di erosione

2. 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

FITODEPURAZIONE ACQUEFITODEPURAZIONE ACQUE

Assorbimento organici ed inorganici

Degradazione organici

Corpi idrici (laghi, fiumi etc) Acque di scarico

Dove possiamo utilizzare la fitodepurazione?Dove possiamo utilizzare la fitodepurazione?

(1) Abbattimento dei (1) Abbattimento dei carichi inquinanti nei carichi inquinanti nei

corpi idricicorpi idriciVasche Vasche

artificialiartificialie/oe/o

Zone UmideZone Umide

stagno vicino a Chernobyl

Girasole per rimuovere cesio e stronzio da acque interne

(2) Abbattimento dei (2) Abbattimento dei carichi inquinanti allo carichi inquinanti allo

scaricoscaricoFitodepurazioFitodepurazione Intensivane Intensiva

Ecosistema filtro

Fitodepurazione Intensiva: tipologie Fitodepurazione Intensiva: tipologie impiantisticheimpiantistiche

Impianti a flusso Impianti a flusso superficialesuperficiale

Impianti a flusso Impianti a flusso subsuperficialesubsuperficiale

dipendono dalla direzione di scorrimento dell’acqua dipendono dalla direzione di scorrimento dell’acqua

vasche impermeabilizzate vasche impermeabilizzate profonde 40- 60 cmprofonde 40- 60 cm

acqua in superficieacqua in superficie ricreano un ambiente simile agli ricreano un ambiente simile agli

stagni con canneti e idrofite stagni con canneti e idrofite galleggianti galleggianti

vasche impermeabilizzate vasche impermeabilizzate profonde 70- 80 cm riempite di profonde 70- 80 cm riempite di substrato inerte (es. ghiaia) in substrato inerte (es. ghiaia) in pendenzapendenza

Le piante crescono sul Le piante crescono sul substrato saturato d’acquasubstrato saturato d’acqua

I batteri si dispongono su radici I batteri si dispongono su radici e substrato (biofilm): hanno a e substrato (biofilm): hanno a disposizione un’elevatissima disposizione un’elevatissima superficie di contatto (alta superficie di contatto (alta efficienza)efficienza)

Impianto di fitodepurazione a Vizzola Ticino (circa 300 AE)Impianto di fitodepurazione a Vizzola Ticino (circa 300 AE)

La cannuccia di palude (La cannuccia di palude (Phragmites australisPhragmites australis) )

Dimensioni ed EfficienzaDimensioni ed Efficienza

Abbattimento della Sostanza Organica: 30 – 60 Abbattimento della Sostanza Organica: 30 – 60 %%

5 m5 m22/AE se sostitutivo di un impianto /AE se sostitutivo di un impianto tradizionaletradizionale

1 m1 m22/AE come affinamento dell’effluente di un /AE come affinamento dell’effluente di un impianto tradizionaleimpianto tradizionale

Abbattimento dei nitrati: fino al 50 %Abbattimento dei nitrati: fino al 50 %

Abbattimento dell’azoto ammoniacale: fino al Abbattimento dell’azoto ammoniacale: fino al 99,9 %99,9 %

Vescovato (Cr)Vescovato (Cr)Biomasse (Pioppi) irrigate con acqua proveniente Biomasse (Pioppi) irrigate con acqua proveniente

dall’impianto di fitodepurazionedall’impianto di fitodepurazione

Ulteriore fitodepurazione!Ulteriore fitodepurazione!

Successivo rilascio in roggiaSuccessivo rilascio in roggia

Biomasse vegetali Biomasse vegetali BioetanoloBioetanolo

Inquinamento del suolo Inquinamento del suolo

FontiFonti

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

Tecniche di bonifica del suoloTecniche di bonifica del suolo

IN SITU EX-SITU

On site Off site

Tecniche di bonificaTecniche di bonificaTrattamenti fisici: Trattamenti fisici: •Campi elettrici (Elektrokinetic Campi elettrici (Elektrokinetic

Extraction)Extraction)•Vapori ad alta pressione (Steam Vapori ad alta pressione (Steam Extraction)Extraction)•Barriere semipermeabili (Permeable Barriere semipermeabili (Permeable Chemical Treatment Wall)Chemical Treatment Wall)Trattamenti chimici:Trattamenti chimici: •Reagenti chimici (Chemical Reagenti chimici (Chemical reduction)reduction)•Lavaggio in soluzione acquosa (Soil Lavaggio in soluzione acquosa (Soil washing)washing)

Trattamenti biologici:Trattamenti biologici: •Attività degradative e/o di Attività degradative e/o di adsorbimento/assorbimento di funghi adsorbimento/assorbimento di funghi

batteri e batteri e piante

Tipo di trattamento Costo al m3 ($)

Tempo di lavoro (mesi x ettaro)

Immobilizzazione 90 –100 6 – 9

Disposizione in discarica 100 – 400 6 – 9

Estrazione chimica 250 – 500 8 – 12

Phytoremediation 15 – 40 18 – 60

Fitoestrazione continuaBIODISPONIBILITA’ quantità di elemento nel suolo disponibile per le piante

dipende:• proprietà dell’inquinante •fattori abiotici (dipendenti dalla struttura del suolo)

• fattori biotici

-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)

clay-organic matter complex (hanno cariche-)

Es essudati radicali e microbici contengono chelanti (acidi organici zuccheri etc.)

phytoextraction tecnica subordinata alla biodisponibilità degli elementi

nel terreno

Fitoestrazione assistita

Sali di ammonio (abbassa pH)EDTA

Brassica juncea

Thlaspi

Alyssium

Pteris vittata

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

Accrescimento veloce.

Biomassa elevata e densità di crescita elevata.

Pianta rustica. Apparato radicale

profondo. Grandi possibilità di

impiego in diversi settori industriali.

Esempio:La “Esempio:La “Cannabis Cannabis sativasativa”:”:

Dove sono indirizzati oggi gli sforzi dei ricercatori in questo

settore?

• Individuazione di nuove piante con caratteristiche “migliori”• Smaltimento biomassa contaminata

• Ricerca di strategie per rendere più efficienti le piante finora sperimentate:

(a) induzione di simbiosi con m.o. opportuni

(b) individuazione di fattori genetici che migliorino: - la tolleranza della pianta - la sua capacità di assorbimento

Piante transgeniche (OGM)

Batteri funghi

Micorrize

Radici Funghi micorrizici

Simbiosi mutualistiche

+

(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

ECTOMICORRIZE

Mantello di ife intorno alle radici di eucalipto

•mantello di ife intorno alle radici e reticolo che si sviluppa tra le cellule radicali della corteccia. •Formano corpi fruttiferi macroscopici

Hartig Net

ENDOMICORRIZE dette anche VAM (micorrize vescicolo-arbuscolari)

•Non formano un mantello esterno•“Penetrano” all’interno delle cellule formando arbuscoli e vescicole

Endomicorrize Ectomicorrize

Sezione apice radicale

Micorrize: Amplificano notevolmente la superfice radicale

Aumento della capacità di assorbire/stabilizzare contaminanti?

RISULTATI CONTRASTANTI

PROBABILMENTE DIPENDENTI DALLE SINGOLE ASSOCIAZIONI!

Notevole aumento delle potenzialità nutrizionali Notevole aumento della stimolazione della crescita di m.o. nella rizosfera

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.

Le Micorrize

Come si fa una pianta trasgenica?

Ingegneria geneticaManipolazione del genoma di un organismo (DNA)

PRODUZIONE DIOrganismi

Geneticamente Modificati

1953: James Watson e Francis Crick individuano la struttura della

molecola del DNA (acido desossiribonucleico)

1 molecola di zucchero:

DESOSSIRIBOSIO4 basi: Adenina

Guanina Citosina Timina

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

IL GENE E’ L’UNITA’ FUNZIONALE DEL DNAE’ un segmento di DNA costituito da più triplette in una sequenza DEFINITA e NON CASUALE. IL PRODOTTO DI UN GENE è UNA PROTEINATramite la sintesi proteica la sequenza di basi azotate che costituiscono il gene viene tradotta in una sequenza di aminoacidi.

L’INGEGNERIA GENETICA è in grado di introdurre in una cellula ospite uno o più GENI e di indurne l’espressione

Per effettuare una TRASFORMAZIONE GENETICA sono necessari: Un organismo donatore, Un vettore per trasportare il gene che interessa impiantare, Un organismo riceventeed un buon sistema di “taglio-cucito”

TRASFORMAZIONE GENETICA

Organismo donatore

Organismo ricevente

vettore

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

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

Esempi di piante transgeniche

APS+CGS

Enzimi limitanti per l’assimilazione e la volatilizzazione del SeAPS: 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-)cysteineto (Se-)cystathionine and, thus, is the first enzyme in the pathway that converts selenocysteine to volatile dimethylselenide -Kim and Leustek, 1996).

APS e CGS overexpressionPianta più tollerante al Se e in grado di assorbire e volatilizzare maggior quantità di metallo

Indian mustardPlants are able to transform inorganic selenium in soil to organic seleniumPlants 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

Se inorganico Se organicoVia dell’assimilazione dello S

(aa contenenti Se)Se volatile

APS CGS

A. bisulcatus

SMT: Selenocysteine methyltransferase (the enzyme responsible for the methylation of selenocysteine to MeSeCys in A. bisulcatus)

SMT

Arabidopsis Thaliana tollerante ad alte concentrazioni di Selenium SMT overexpression

(Se) hyperaccumulator Astragalus bisulcatus

Primo passo per poi eventualmente trasferirla in Indian mustard (grande biomassa!)

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.

Campi di applicazione delle piante transgeniche

Piante con resistenza a stress biotici (insetti, funghi, batteri, virus, erbe infestanti) e abiotici (siccità, salinità, gelo)Piante per ciboIndustria tessilePiante da fruttoPiante forestali

(mais, soia, pomodoro)(cotone)(vite, castagno, melo)(pioppo, conifere)

Piante con alto valore nutrizionaleCibo arricchito di vitamine, ferro, ecc.Cibo arricchito di amminoacidi (metionina, cisteina, lisina)

Piante come biodepuratori che accumulano e/o degradano e/o volatilizzano inquinanti

Piante come “plant factories”Per l’industria chimica (carburanti, plastiche)Per l’industria farmaceutica (produzione di farmaci)Per la produzione di vaccini (in patata, banana, pomodoro)Per la produzione di anticorpi contro i tumori

Piante come bioindicatori tester dell’ambiente

Problemi delle piante transgeniche per l’ambiente

TRASFERIMENTO DEI TRANSGENI A PIANTE SESSUALMENTE COMPATIBILI O AD ALTRI ORGANISMI

TOSSICITA’ PER ORGANISMI DIVERSI DAL BERSAGLIO ALTERAZIONE DELL’EQUILIBRIO DEGLI ECOSISTEMI

(si riferisce a quelle piante che sono state trasformate per essere resistenti agli attacchi di insetti, funghi, batteri patogeni)

INQUINAMENTO AMBIENTALE – DIFFUSIONE DEL TRANSGENE

E’ un problema reale e complesso! Una pianta transgenica produrrà, semi, frutti e polline transgenico. Questi sono tutti elementi che hanno il ruolo di diffondere la specie pertanto possono raggiungere anche distanze notevoli. Non è semplice contenere la diffusione di questi elementi…

TUTTAVIA BISOGNA DISTINGUERE DA SPECIE A SPECIE!!!

LE PIANTE COLTIVATE SPESSO NON SONO PIÙ SESSUALMENETE COMPATIBILI CON I LORO PROGENITORI SELVATICI!!!

TUTTAVIA IL POLLINE D MAIS TRANSGENICO POTREBBE RAGGIUNGERE E FECONDARE COLTURE DI MAIS NON TRANSGENICO!!

Uno studio americano del 2004 ha dimostrato che a 10 metri di distanza la percentuale di semi di mais GM ottenuta nel campo di mais tradizionale è al di sotto della sogli dell’1%A 20 metri di distanza la percentuale è prossima allo 0. L’esperimento è stato ripetuto con diverse varietà di mais in differenti luoghi per più anni. I dati sono stati confermati.

Sono stati svolti studi in serra ed in campo per definire la distanza minima tra due campi di mais per garantire l’esclusione di flusso genico (polline e semi).

PERCHÉ È SUFFICIENTE UNA DISTANZA COSÌ RIDOTTA?

La dispersione del polline delle Poaceae (Graminaceae) è primariamente anemogama (viene diffuso attraverso il vento). Tuttavia il polline del mais coltivato è piuttosto pesante e sebbene sia in grado di “volare” la distanza media percorsa è di pochi metri. Sperimentazioni svolte sia in Canada che in Messico hanno mostrato che generalmente il polline ricadeva entro 5 m dal margine del campo e in media il 90% del polline è stato raccolto all’interno del campo stesso.

A ciò va aggiunto che:

il polline di mais rimane vitale in condizioni normali da 24 ore ad alcuni giorni. Questa vitalità può essere ridotta a poche ore in caso di caldo di assenza di acqua e in genere di condizioni ambientali sfavorevoli.

La colza ha invece una probabilità di scambio genetico maggiore rispetto alla soia o al mais!

In ogni caso la condizione necessaria per avere un flusso da una pianta transgenica ad una non transgenico, o spontanea è che esse siano sessualmente compatibile. E’ ovviamente necessario che nell’area di interesse vi siano piante spontanee parenti delle coltivate! Non sempre questo si realizza!!

Per la colza bisogna avere quindi accorgimenti maggiori!

Vi sono studi scientifici che hanno mostrato un trasferimento genetico delle resistenze da cultivar transgeniche a specie spontanee… un esempio è “l’erba dei campi da golf!”

Sino ad oggi non sono mai stati evidenziati casi di trasferimento orizzontale di transgeni…

TRASFERIMENTO DEI TRANSGENI AI MICRORGANISMI DEL SUOLO

ALTERAZIONE DELL’EQUILIBRIO DEGLI ECOSISTEMI

OGM: SI O NO?

Le piante transgeniche forniscono un’opportunità importante per l’ambiente.

E’ tuttavia necessario valutare i rapporti rischi/benefici. Questo sempre!! Per qualsiasi tipo di agricoltura.

Uno scienziato dell’ambiente ha le potenzialità e le competenze per eseguire questi controlli.