Convegno di apertura. FITO BENEFIT A MYPLANT&GARDEN a cura di Edizioni Green Planner e WIo (leggi Vivavio)

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1 Convegno di apertura MyPlant&Garden 25 febbraio 2015 FITO BENEFIT: terreni, aria, acque purificati dalle piante Bonifica e ripristino ambientale di siti contaminati: ruolo ed uso delle piante a cura di: Daniela Di Baccio Istituto di Biologia Agro-ambientale e Forestale (IBAF) Consiglio Nazionale delle Ricerche FITO BENEFIT A MYPLANT&GARDEN a cura di Edizioni Green Planner e WIo (leggi Vivavio)

2 Premessa matrici ambientali ATMOSFERA Soil IDROSFERA LITOSFERA

3 Premessa suolo Corpo o formazione naturale costituito da un profilo risultante da un miscuglio variabile (sistema eterogeneo) di materiali minerali disgregati e composti vari (organici e inorganici), nonché dalla sostanza organica in decomposizione, disposto in uno strato sottile della crosta terrestre (0 - >10 m), che rappresenta, quando acqua ed aria sono sufficienti, il supporto meccanico ed il sostentamento delle colture (R. Riffaldi, 1994) Il SISTEMA SUOLO è il risultato dell interazione tra idrosfera, litosfera, biosfera e atmosfera : PEDOSFERA

4 Situazione europea e nazionale; inquadramento normativo Tipologia di interventi La tecnologia del fitorisanamento o fitorimediazione (phytoremediation) Basi scientifiche del fitorisanamento, meccanismi e applicazioni Alcuni casi studio (Conclusioni)

5 - In Europa il numero di siti potenzialmente contaminati è di circa 2,5 milioni, di cui circa il 14% (342000) è rappresentato da siti contaminati «che richiedono interventi di bonifica». mappa della concentrazione di sost. inquinanti [ Fonti di inquinamento - La contaminazione del suolo deriva principalmente da: Produzione industriale e servizi commerciali (36%) Industria petrolifera (17%) Produzione di energia, attività militari, miniere, etc. (23%) Rifiuti raccolti a livello comunale (15%) Trattamento dei rifiuti industriali (9%) (Progress in the Contaminated Sites in Europe, Joint Research Centeer, January 2014)

6 Tipologia di contaminanti più rappresentati Pb 2+ Metalli pesanti 37% Oli minerali 34% Idrocarburi policiclici aromatici (PAHs) 13% BTEXs (benzene, toluene, etilbenzene e xilene) 6% Fenoli 4% Composti organici policlorurati (es: PCBs) 2,4% Zn 2+ Cu 2+ - Cause più frequenti di contaminazione del suolo e della falda: Attività industriali -rilasci da serbatoi e tubazioni; -incidenti Hg 2+ -smaltimento non corretto di rifiuti Attività agricole -distribuzione di fitofarmaci -concimazioni Cd 2+ Cr 6+ Progress in management of contaminated sites (CSI 015), EEA Report, August 2007

7 - Il 3% del territorio italiano (ca ha) è inquinato e le aree perimetrate come siti di interesse nazionale (SIN) sono 57, poi ridotti a 39 (D. M. 11 gennaio 2013). I SIN sono individuati in relazione a: - quantità e pericolosità degli inquinanti presenti; - rilievo dell impatto sull ambiente circostante (rischio sanitario e ecologico); - pregiudizio per beni culturali ed ambientali

8 - La contaminazione del suolo deriva da: Attività industriali e servizi (52%) Rifiuti urbani (20%) Rifiuti industriali (20%) Altro [es: trattamento di rifiuti, abbandono incontrollato di rifiuti] (8%) - I maggiori inquinanti del suolo sono: Matrice solida - metalli pesanti - oli minerali Zn 2+ - idrocarburi policiclici aromatici - idrocarburi clorinati e aromatici Matrice liquida - metalli pesanti - idrocarburi clorinati - oli minerali - idrocarburi aromatici Cd 2+ - La contaminazione del suolo deriva principalmente da: Attività industriali, agricole e agroindustriali Attività estrattive

9 - Il D. Lgs. 22/97 o Decreto Ronchi il recepimento delle direttive europee: 91/156/CEE (rifiuti) 91/689/CEE (rifiuti pericolosi) 94/62/CEE (imballaggi e rifiuti di imballaggio) - D. M. 471/99, Regolamento recante criteri, procedure e modalità per la messa in sicurezza, la bonifica e il ripristino ambientale dei siti inquinati (ai sensi dell art. 17 del D. Lgs. 22/97 e successie modificazioni ed integrazioni) - D. Lgs. 152/2006 e successive modifiche (2008/98/CE sui rifiuti): codice ambientale o testo unico per l ambiente. È suddiviso in 6 parti. La Parte IV: Norme in materia di gestione dei rifiuti e bonifica dei siti inquinati

10 Alcune definizioni.... Suolo contaminato: che ha subito un alterazione della composizione chimica naturale causata dall attività umana. Ciò modifica le caratteristiche qualitative del suolo e/o delle acque superficiali e sotterranee, predisponendolo a fenomeni di: - erosione - smottamento - ingresso di sostanze dannose nella catena alimentare Concentrazione soglia di contaminazione (CSC): livelli di contaminazione della matrice ambientale (Allegato 5, DLgs. 152/2006) al di sopra dei quali è necessaria la caratterizzazione del sito e l analisi di rischio sito specifica Concentrazione soglia di rischio (CSR): livelli di contaminazione della m. a. il cui superamento richiede la messa in sicurezza e la bonifica (Allegato 1, DLgs. 152/2006) Sito potenzialmente contaminato: nel quale uno o più valori di conc. delle sostanze inquinanti supera la CSC Sito contaminato: nel quale uno o più valori di conc. delle sostanze inquinanti supera la CSR

11 Intervento di risanamento Bonifica del suolo: insieme degli interventi atti ad eliminare le fonti di inquinamento e le sostanze inquinanti o a ridurre le concentrazioni delle stesse presenti nel suolo, nel sottosuolo e nelle acque sotterranee ad un livello uguale o inferiore ai valori di CSR Ripristino e ripristino ambientale: interventi di riqualificazione ambientale e paesaggistica, anche costituenti completamento degli interventi di bonifica o messa in sicurezza permanente che consentono di recuperare il sito all effettiva e definitiva fruibilità per la destinazione d uso conforme agli strumenti urbanistici

12 Tecnologie di bonifica del suolo In base all ubicazione del trattamento: 1. Interventi di bonifica in situ: il terreno inquinato è trattato direttamente sul posto, senza procedere allo scavo. 2. Interventi di bonifica ex situ: il trattamento del terreno avviene in seguito a rimozione dei volumi inquinati. Queste metodologie possono essere suddivise in: - on site, in cui il terreno è rimosso e trattato in un impianto mobile sul posto; dopo il trattamento il suolo viene recuperato in situ - off site, i volumi di terreno inquinati sono trasportati in impianti di trattamento o smaltimento localizzati a distanza In base alla natura dei processi coinvolti: - trattamenti chimici - t. fisici - t. termici - t. biologici

13 Classificazione delle tecnologie di risanamento Trattamento Tecnologia di bonifica Tipologia di impianto CHIMICO Soil Washing Ex situ (on site - off site) Estrazione con solventi Ex situ (on site - off site) Dealogenazione Ex situ (on site - off site) Adsorbimento passivo su polimero In situ Ossidazione In situ Riduzione In situ /ex situ (on site) FISICO Decontaminazione elettrocinetica In situ Decontaminazione elettroacustica In situ Air Sparging In situ Solidificazione/Stabilizzazione In situ /ex situ TERMICO Desorbimento termico Ex situ, on site Soil Vapour Extraction In situ Termodistruzione In situ /ex situ (on site) BIOLOGICO Landfarming In situ /ex situ (on site) Compostaggio Ex situ (on site) Bioreattori Ex situ (on site) Fitorisanamento In situ

14 Fitorisanamento o fitorimediazione (phytoremediation) trattamento di bonifica biologico in situ Volatilizzazione traslocazione Rimozione, sequestro accumulo stabilizzazione trasfor- mazione degradazione Impiego di piante superiori, e eventualmente degli organismi associati alla loro rizosfera, capaci di rimuovere e/o immobilizzare elementi inquinanti o degradare composti organici presenti nel suolo, sottosuolo, acque superficiali o sotterranee Cunningham et al., 1993; Salt et al., 1998; Pilon-Smits, 2005

15 Piante ecosystem services CO 2 ENERGIA Sequoia spp. 100 m GLUCOSIO O 2 Lemna spp. ACQUA SALI MINERALI 2-3 cm

16 PROCESSI METABOLICI accumulo (metalli pesanti) degradazione (composti organici) Cu 2+ NUTRIENTI Zn 2+ Pb 2+ METALLI PESANTI Cd 2+ COMPOSTI ORGANICI essudati radicali esoenzimi

17 Tipologie di fitorisanamento (meccanismo fisiologico-biochimico biochimico)

18 E consultabile una risorsa informativa con VIDEO( del Progetto Fitorimedio REMIDA e una base di dati di applicazioni di Fitorimedio

19 Piante iperaccumulatrici (hyperaccumulator plants) Piante capaci di accumulare nei propri tessuti (porzione aerea) quantità di metalli pesanti volte superiori rispetto agli altri organismi non tolleranti Baker & Brooks, 1989 McGRath & Zhao, 2003 Cd, Zn Zn Ni Thaspi caerulescens Arabidosis halleri Alyssum bertolonii

20 Limiti all uso delle iperaccumulatrici nel fitorisanamento - Piante erbacee di taglia ridotta (scarsa biomassa, 4-5 t ha -1 ) - Tasso di accrescimento molto basso - Specie endemiche adatta a vivere in specifiche aree (es.: suoli ultramafici in Grecia, aree minerarie in Inghilterra) The ideal plant species to remediate a heavy metal-contaminated soil would be a high biomass producing crop that can both tolerate and accumulate the contaminants of interest (Ebbs and Kochian, 1997)

21 Famiglia Salicaceae (Populus spp.) - Crescita veloce (3-5 metri/anno) e produzione di elevata biomassa - Elevati tassi di traspirazione (100 L/giorno in piante di 5 anni) ed alta efficienza d uso dell acqua ( solar driven pumps ) - Sviluppo di un esteso apparato radicale, capace di esplorare elevati volumi di suolo - Elevata variabilità genetica delle popolazioni naturali ed adattabilità alle variazioni ambientali - Facilità di propagazione per via sessuata e asessuata (ibridazione interspecifica e propagazione in vitro) Selezione e valutazione di tolleranza/resistenza dei cloni - Facilità di trasformazione e rigenerazione in vitro - Genoma relativamente ridotto e sequenziato (Populus trichocarpa (Nisqually-1) genome sequence: 485±10 Mb, Tuscan et al. Science 313, ) - Uso nella produzione di carta o come biomassa da energia - Non entra a far parte della catena alimentare

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24 Caso studio: inquinante inorganico European Soil Data Center, htpp://eusoils.jrc.ec.europa.eu - In Italia: D. Lgs. 152/2006 (Tabella I e II) Zn Suolo e sottosuolo COMPOSTI INORGANICI A Siti ad uso verde pubblico, privato e residenziale (mg kg-1 ss) B Siti ad uso commerciale e industriale (mg kg-1 ss) Cadmio 2 15 Piombo Zinco Acque sotterranee COMPOSTI INORGANICI Valore limite (µg L -1 ) Cadmio 5 Piombo 10 Zinco 3000

25 Funzioni Piante Concentrazioni fisiologiche (ppm) soglia (ppm) Tossicità Zn sintomi Ruolo strutturale e catalitico nelle proteine (carbonicoanidrasi, alcooldeidrogenasi, Cu/Zn SOD); coinvolto nel metabolismo dei carboidrati, sintesi proteine, espressione di geni, struttura e integrità funzionale delle biomembrane, fotosintesi e metabolismo di IAA Marshner, 1995; Buchanan et al., 2000; Broadley et al., 2007 Clorosi e epinastia fogliare, crescita stentata, inibizione dell allunga mento radicale, riduzione della resa

26 Condizioni di crescita Sistema vaso Sistemi idroponici Mesocosmi (lisimetri) serra Trattamenti con Zn Camera crescita Solutioni con concentrazioni note di Zn (Cu, Zn, Cd) pieno campo piena aria Suoli contaminati da Zn Matrici arricchite di m.p.

27 Populus x canadensis (Populus x euramericana) I-214 clone Dosi di Zn: 1 µm (0.065 ppm); 1 mm (65 ppm); 5 mm (327 ppm); 10 mm (654 ppm)

28 Caratterizzazione fenotipica di I-214 per tolleranza/resistenzaresistenza all eccesso di Zn Riduzione di biomassa (foglie) Inibizione del processo fotosintetico(contenuti di Chl ) Buon assorbimento di Zn (foglie: ppm; fusto: ppm; radici: ppm) Concentrazione preferenziale di Zn nelle foglie più mature (2:1) e in generale nei tessuti più vecchi Coinvolgimento del metabolismo del glutatione (meccanismi di difesa contro lo stress ossidativo) )

29 Caratterizzazione fenotipica di I-214 per tolleranza/resistenzaresistenza all eccesso di Zn Modificazioni morfologicostrutturali Foglie: varizioni di spessore e densità stomatica Zn 2+ Radici: ispessimento della parete delle cellule del periciclo (barriera tra cilindro centrale e c. corticale) Foglie: distribuzione preferenziale di Zn nel mesofillo Radici: distribuzione preferenziale di Zn nei tessuti più periferici. ) Di Baccio et al., Biol. Plant, 54: Stolárikova et al., Biol. Plant., 54: Zn 2+

30 Foglia: Caratterizzazione genotipica di I-214 per tolleranza/resistenzaresistenza all eccesso di Zn - processi metabolici: fotosintesi, sistemi antiossidanti di difesa (AsA-GSH) - cellula: sistema membranale, cloroplasto, vacuolo e mitocondrio Di Baccio et al., Tree Physiol., 31: Radice: - processi metabolici: trasporto (famiglie ZRT/IRT, NARAMP), omeostasi degli ioni, reazioni di ossido-riduzione - cellula: membrane, vacuolo RNA-sequencing Ariani et al., PloS one, 10(2), e

31 Fitoestrazione - Zn Piantagione di I-214 [2 anni] Short Rotation Forestry (10000 piante ha -1 ) 1 m [Zn] = 160 ppm > CSC (150 ppm) D a suolo: 1,5 t /m 3 Resa della coltura: t ha -1 [Zn] pianta = 500 ppm Superficie di suolo ( 10 ppm): 1 ha TEMPO: 3,75 anni

32 Bacino del fiume Sacco SIN, Legge 248/2005 Caso studio: inquinante organico γ-esaclorocicloesano (γ-hch) > 0,01 ppm [D. Lgs. 152/2006] Isomeri: α, ß, δ-hch Superficie: 0,5 ha ca Densità: pianta ha-1 Cloni: I-214, AF2, Monviso Inoculi: Arthrobacter spp. + compost commerciale 50% (n)-hch dopo 5 anni di impianto

33 Fitorisanamento vantaggi Tecnologia a basso impatto ambientale Notevole risparmio di costi (30-60 /t, 60% in meno rispetto ad altre applicazioni in situ e 90% rispetto a tecnologie ex situ), energia e materiali Migliora o lascia inalterata l attività biologica ed ecologica del suolo e delle piante Applicabile anche in località remote, difficilmente raggiungibili Favorevolmente accettata dall opinione pubblica svantaggi Poco efficace per contaminazioni profonde e/o non raggiungibili dalle radici Le sostanze contaminanti devono essere presenti al di sotto della soglia di tossicità per le piante Richiede tempi di trattamento relativamente lunghi, in dipendenza dalle condizioni pedoclimatiche e di sviluppo delle piante Non segue protocolli standardizzati, ma algoritmi di applicazione di volta in volta elaborati

34 Algoritmo di applicazione del fitoris. Caratterizzazione dell inquinante - inorganico o organico? - quali sono le concentrazioni? - solubilità e disponibilità nelle frazioni del sistema suolo Caratterizzazione idrogeochimica e climatica - composizione del suolo (ph, s.o., etc.) - esistono falde, a che profondità? - dati meteo (piovosità, temp. media, etc.) Caratterizzazione floristica - quali specie vegetali sono già presenti? - sono presenti iperaccumulatrici? - la popolazione naturale può essere potenziata ai fini della bonifica? Sono necessari trattamenti preliminari (lavorazioni, irrigazione, etc.)? Criteri di valutazione dell efficienza del processo (chimici, tossicologici, biologici, estetici, economici) MyPlant&Garden Il fitorisanamento è applicabile? Definizione del processo Scelta/selezione della/e specie vegetali più adatte Monitoraggio - campionamenti - controlli - parametri/indici Se il processo è efficiente si procede alla messa in opera 25 febbraio 2015 Milano

35 RINGRAZIAMENTI Gruppo del fitorimedio : Dr. Angelo Massacci, Director Dr. Massimo Zacchini Dr. Fabrizio Pietrini Scuola Superiore Sant Anna (Pisa): Prof. Luca Sebastiani Dr. Antonio Minnocci