FREE PCB. Eliminazione di PCBs (bifenili policlorurati) dalla catena alimentare con tecniche di Bioremediation applicate a superfici agricole

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1 Eliminazione di PCBs (bifenili policlorurati) dalla catena alimentare con tecniche di Bioremediation applicate a superfici agricole FREE PCB Giusto Giovannetti CCS Aosta S.r.l Fraz. Olleyes 9, Quart (AO) ccs@micosat.it

2 PCB come inquinanti organici persistenti (POP) Gli organismi internazionali OMS, FAO, UNEP. si sono occupati da tempo degli i inquinanti organici persistenti (POP). Dopo la conferenza di Rio (1992) hanno promosso azioni internazionali per la messa al bando dei POP con il successivo sostegno istituzionale dell UNEP e nuove entità quali l Intergovernmental Forum on Chemical Safety(IFCS), Inter-Organization on the Sound Management of Chemicals(IOMC) e l International Programme on Chemical Safety(IPCS).

3 Per 12 sostanze che rientrano tra i POP è stata richiesta la messa al bando internazionale sulla base delle evidenze scientifiche presentate dal gruppo di lavoro ad hoc dell IFCS nel Il gruppo delle 12 sostanze comprende pesticidi : Aldrin, Clordano, DDT, Dieldrin, Endrin, Eptacloro, Mirex, Toxafene, Esaclorobenzene, sostanze destinate a importanti usi industriali quali i PCB, sottoprodotti indesiderati di reazioni chimiche o di combustioni quali PCDD e PCDF.

4 Composizione % tipica di miscele commerciali di PCB Grado clorurazion e Mono 2 1 * * * * Di * * * Tri * * Tetra * * Penta * * Esa * * * Epta * * * Octa * * * * 7 45 Nona * * * * 1 35 Deca * * * * * 5 * < 1%

5 Immissione cumulativa nell ambiente tra gli anni 30 e gli anni 70 Aria Acqua Discariche e rifiuti tons tons tons Circa il 30% ha subito degradazione Circa il 70% è rimasto invariato

6 Fonti di immissione nel comparto atmosferico (dopo la dismissione della produzione) effluenti degli inceneritori di rifiuti urbani e industriali recupero mediante seconda fusione di materiali inquinati da PCB volatilizzazione da superfici terrestri e acque superficiali discariche di rifiuti contenenti PCB I PCB presenti nel comparto atmosferico vengono stimati intorno allo 0,05% dei PCB presenti attualmente nell ambiente

7 Comportamento ambientale dei PCB

8 Dinamica delle emissioni di PCB e contenuto nell aria Progetto MEPOP- EUROTRAC-2 (2000) Anni Emissioni di PCB tons/anno Contenuto in aria tons

9 Ciclo dei PCB nell atmosfera I PCB presenti in fase vapore (a basso grado di clorurazione) o adsorbiti su materiale particellare (a maggior grado di clorurazione) subiscono rimozione per deposizione secca e/o umida su: vegetazione terreni acque superficiali Laconcentrazionenella pioggiavaria da1a250ng/l I PCB rientrano nel comparto atmosferico attraverso gli equilibri di fase: Acqua- aria Terreno- aria Terreno-acqua-aria

10 Bioconcentrazione Per K ow < 5 assunzione diretta dall acqua Per K ow >5 assunzione con la dieta Log BCF = a log K ow b (a, b = costanti empiriche) Biomagnificazione L accumulo di quantità crescenti passando dalle prede ai predatori avviene per via alimentare,più facilmente per composti decisamente liofili e per i predatori terminali. Negli organismi acquatici, dove il fenomeno è più evidente, i livelli della catena trofica sono : fitoplancton, zooplancton, consumatori secondari, predatori terminali

11 Concentrazione di PCB nei terreni Terreni remoti rurali urbani < 0,2 12,2 µg/kg In vicinanza di inceneritori di rifiuti urbani (U.K ) 5-60 µg/kg Sversamento di una quantità stimata tra 6800 e litri (Canada 1976) mg/kg

12 Conseguenze sull ambiente Impatto sugli equilibri degli ecosistemi Abbassamento della qualità delle matrici ambientali Ingresso nella catena alimentare Conseguenzesocio- economiche Limitazioni all uso del territorio Limitazione all uso di prodotti alimentari Costo delle bonifiche ambientali

13 PROGETTO FREEPCB LIFE 03 / ENV / IT/ D E T CONSORZIO INTERUNIVERSITARIO NAZIONALE PER LA BIOLOGIA MOLECOLARE DELLE PIANTE - SIENA

14 Obiettivi Prestabiliti Il sistema proposto nell ambito del progetto FREEPCB è stato finalizzato a due obiettivi principali: ottimizzare la biodegradazione dei contaminanti nel suolo impedire il passaggio dei contaminanti dal suolo alla pianta Il progetto, finalizzato a decontaminare la superficie agraria dal PCB ed impedire la trasmissione di tali sostanze lungo la filiera alimentare, riguarda principalmente uno dei sistemi biologici più complessi: il suolo. Il suolo svolge un ruolo fondamentale nella biosfera permettendo la vita delle piante ed il completamento dei principali cicli biogeochimici. E costituito oltre che da una grande varietà di composti inorganici, anche da un numero molto elevato di composti organici, spesso metaboliti del gran numero di specie che lo popolano.

15 Il ruolo del consorzio microbiologico nel progetto La presenza di consorzi microbici, che fungono da filtro per le sostanze inquinanti presenti nel suolo, consentono un minor assorbimento di contaminanti da parte delle piante con la conseguente riduzione di pericolosità nell ambito della filiera alimentare. Tali considerazioni sono di assoluto interesse considerando la diffusione del problema sul territorio, in considerazione anche del fatto che le ultime normative ambientali (D. Lgs 152/06) hanno innalzato i limiti di concentrazione del PCB nei terreni ad uso residenziale (per la normativa regionale) da 0,001 mg/kg a 0,06 mg/kg.

16 L impiego del consorzio microbiologico della rizosfera non solo contribuisce in forma diretta allo sviluppo delle piante trattate, ma favorisce, indirettamente, una serie di altri processi, quali ad esempio: Rende le piante più sane e resistenti alle malattie, incrementandone la capacità di assorbimento radicale; Aumenta la resistenza delle piante agli attacchi dei nematodi; Aumenta l estensione dell apparato radicale fino a volte, con conseguente notevole Aumento delle sue potenzialità di assorbimento di elementi nutritivi; Esalta il profumo, la pigmentazione e le qualità organolettiche in genere della parte edule delle piante; Rende disponibili e facilmente assimilabili da parte delle piante macroelementi (N, P, K) e microelementi presenti nel terreno, anche quelli non accessibili dal solo apparato radicale delle piante stesse; Arricchisce il terreno di biomassa organica, favorendo una maggiore uniformità dello sviluppo vegetale ed incrementa la produzione negli anni successivi.

17 L applicazione dei funghi micorrizici arbuscolari con i consorzi di microrganismi della rizosfera in sperimentazioni diverse, ha portato grandi benefici sia a livello ambientale sia a livello alimentare. Nel seguito saranno forniti dati sperimentali in relazione all impiego del consorzio microbiologico della rizosfera in campo. Saranno evidenziati i benefici forniti dal consorzio tramite il cosiddetto effetto filtro da parte dei microrganismi della rizosfera di sostanze dannose, cancerogene presenti nel suolo, evitando che queste possano arrivare al prodotto vegetale finale e di conseguenza alla filiera alimentare. Sarà valutata l efficacia del consorzio nella diminuzione della quantità di PCB presente nel prodotto vegetale finale.

18 Interazione fra gli inquinanti, terreno e microrganismi in esso presenti Alcune forme di citocromo come il P4501A1 ed il P4502E1 (conosciute perché metabolizzano in particolar modo gli IPA, i PCB, molti pesticidi ed i composti clorurati) di mammifero sono presenti nei microrganismi del terreno agrario (es. funghi micorrizici e/o nei batteri della rizosfera). Essi aumentano il metabolismo degli inquinanti presenti nei terreni ed interrompono la catena che li porta verso le piante. Il sistema è tanto più veloce quanto più ricco e vario è il popolamento biotico del terreno.

19 Risultati progetto FREEPCB nelle piante COLTURA MODALITA TOT Foglia+Fusto Radice CANAPA BIANCO 52,73 10,51 42,22 CANAPA Micorrizzata 57,45 18,43 39,02 CANAPA CANAPA Micorr+ ciclodestrine Micorr+ Biosurf.Biol 26,10 4,48 21,62 37,55 14,97 22,58 CONC. MEDIA 43,45 MAIS BIANCO 42,42 11,54 27,22 MAIS Micorrizzata 29,29 9,50 18,56 MAIS MAIS Micorr+ ciclodestrine Micorr+ Biosurf.Biol CONC. MEDIA 24,27 14,25 5,08 6,51 10,75 1,41 8,17

20 Conclusioni In merito ai risultati raggiunti nel corso dei tre anni di sperimentazione ed applicazione del progetto LIFE FREE PCB possiamo fare le seguenti considerazioni: In presenza di concentrazioni molto basse di PCB, quali quelle riscontrate nell area oggetto di studio,che sono probabilmente comuni a tutti i terreni agrari italiani, il tempo necessario per la degradazione di sostanze ad elevata persistenza come il PCB in un suolo sono notoriamente molto lunghi, nell ordine di diversi anni, anche se non è ancora possibile dare un esatta valutazione dei tempi di decontaminazione con l applicazione dei consorzi microbiologici della rizosfera completi di biosurfattanti, è possibile ipotizzare la detossificazione dei terreni agrari in alcuni anni.

21 A tale proposito possiamo inoltre affermare che: l efficacia del sistema di biodegradazione e la riduzione dei tempi di detossificazione da PCB dei suoli sono migliorati in presenza di biosurfattanti, che agevolano l attacco microbico di tali sostanze. I biosurfattanti possono essere prodotti da microrganismi in grado di sintetizzarli. La presenza di consorzi microbici, che sono in grado di metabolizzare il PCB e fungono da filtro per le sostanze inquinanti presenti nel suolo, consentono un minor assorbimento di contaminanti da parte delle piante con la conseguente riduzione di pericolosità nell ambito della filiera alimentare. L autosostentamento dell azienda deriva principalmente dalla possibilità di riutilizzare la pianta per l alimentazione animale, e da una riduzione dei costi di produzione.

22 I risultati ottenuti, in un contesto agrario, quale quello oggetto di studi, aprono una nuova prospettiva nella bonifica dei suoli a contaminazione diffusa ed un nuovo ruolo dell agricoltore, come soggetto attivo nella bonifica ambientale, in termini di: degradazione del contaminante nel suolo interruzione della trasmissione del contaminante nel passaggio suolopianta autosostentamento economico delle aziende agricole colpite da eventi di contaminazione da PCB. Ruolo attivo degli agricoltori nelle bonifiche ambientali è dato dalla sinergia : MAIS + MICORRIZAZIONE + BIOSURFATTANTI Tale sistema può rappresentare l unico metodo di risanamento possibile per tali aree, caratterizzato da elevati standard di sostenibilità economica ed ambientale.

23 Progetto Metodologie a basso impatto ambientale per il miglioramento della qualità dei suoli e delle produzioni agricole Prove sperimentali condotte dal DIPARTIMENTO DI CHIMICA DELLE SOSTANZE NATURALI dell UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Dalle prime indicazioni della sperimentazione possiamo ipotizzare che il primo obiettivo può essere raggiunto ripristinando una presenza microbica della rizosfera, tipica di un suolo agricolo di buona qualità ed intervenendo sul grado di biodisponibilità del contaminante, I biosurfattanti possono essere immessi nel suolo attraverso l immissione di microrganismi in grado di produrli, soluzione più sostenibile in termini economici. In merito al secondo obiettivo, le sostanze chimiche presenti nei terreni entrano negli organismi animali (uomo compreso) attraverso ingestione, inalazione o assorbimento dermico ed ivi soggetti a metabolismo tramite una estesa varietà di meccanismi che coinvolgono complessi processi ossidativi. In generale anche nelle piante come negli animali uno xenobiotico è biotrasformato per via enzimatica. Nelle piante tuttavia, a differenza dei mammiferi, i metaboliti non vengono facilmente escreti ma possono essere ulteriormente biotrasformati, compartimentalizzati, legati covalentemente e/o incorporati come residuo insolubile. Questo residuo insolubile una volta assunto dall animale o dall uomo con la dieta può andare incontro ad ulteriori processi di biotrasformazione con la possibilità di rilascio di metaboliti reattivi e mutageni. Per limitare il passaggio del contaminante dal suolo alla pianta, è stato testato un sistema basato sull immissione nel suolo di un filtro naturale, rappresentato da un consorzio microbico della rizosfera, che sembra avere la capacità di metabolizzare il PCBs:

24 Prove sperimentali condotte dal DIPARTIMENTO DI CHIMICA DELLE SOSTANZE NATURALI dell UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II nell ambito del Progetto Metodologie a basso impatto ambientale per il miglioramento della qualità dei suoli e delle produzioni agricole finanziato dalla Regione Campania Dati di terreno addizionato artificialmente con octa-cdd usato per coltura in vasi con Mais

25 In presenza di concentrazioni molto basse di PCB è possibile ipotizzare la detossificazione dei terreni agrari in alcuni anni utilizzando una coltivazione di piante inoculata con un consorzio microbiologico idoneo. Dai dati presentati si può comunque notare come già dal primo anno si possa ottenere una riduzione fino al 70% di contaminanti nel suolo

26 Microbioma Mucigel Lisati Mucillagini Secrezioni vegetali Secrezioni microbiche Cellule vegetali e microbiche Materiale organico Materiale minerale Essudati Prodotti apici radicali Cellule vegetali senescenti Prodotti microbici

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28 Estensione delle radici con e senza funghi micorrizici PIANTA lunghezza della radice (km) radice con micorrize (km) Grano 2 12 Orzo 5 15 Le sostanze nutritiveprodotte dalle piante e secrete dalla radice servono per nutrire la flora microbiologica della rizosfera. E stato calcolato che il 20%delle sostanze prodotte dalla pianta con la fotosintesi clorofilliana viene veicolato nella radice, secreto come essudati radicali ed utilizzato per nutrire il consorzio microbiologicodella radice stessa

29 QUANTITA DI MICRORGANISMI PRESENTI NEI SUOLI ORGANISMI numero per grammo biomassa(kg/ha,t/q) Batteri Attinomiceti Funghi Microalghe Protozoi Nematodi Lombrichi m

30 Figure: Illustration of root colonization structures in ectomycorrhizal (blue) and arbuscular mycorrhizal (pink) interactions. The ectomycorrhizal fungus surrounds the root tip with a thick mantle of closely appressed hyphae, whereas the Hartig net develops around epidermal cells (green). In the case of arbuscular mycorrhizas, the root tip is usually not colonized. Hyphae develop from a spore and produce a hyphopodium on the root epidermis. Intraradical colonization proceeds both intra and intercellularly and culminates with the formation of arbuscules, little fungal trees, inside inner cortical cells (brown). Figure: Scheme summarizing the main nutrient exchange processes in EM and AM symbiosis. Emphasis is placed on the translocation of phosphorus (P), nitrogen (N) and carbon (C) at the soil fungus and fungus plant interface. Inorganic P and mineral or organic forms of N, such as NH 4 +, NO 3 and amino acids (AA), are taken up by specialized transporters located on the fungal membrane in the extraradical mycelium. NH 3 / NH 4 + and P i (the latter originated in AM fungi from the hydrolysis of polyphosphate) are imported from the symbiotic interface to the plant cells through selective transporters. Hexose transporters import plant-derived carbon to the fungus, whereas transporter proteins involved in the export of nutrients from either the plant or fungus have not been identifi ed yet. This questions whether such processes indeed result from active, protein mediated transport or involve passive export mechanisms.

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32 MICOSAT F Consorzio microbiologico costituito da: Mycorrhizae Bacteria of the rhizosphere Actinomycetes Saprophytic fungi Micromycetes Yeasts

33 ENDOMICORRIZE Sono le più diffuse in natura Micorrizano tutte le specie coltivate Micorrizano anche quasi tutti gli arbusti e gli alberi da frutto Non producono corpi fruttiferi macroscopici

34 Ciclo vitale delle endomicorrize

35 ECTOMICORRIZE Sono le più evolute in natura Micorrizano gran parte delle specie forestali Producono corpi fruttiferi macroscopici Primo tartufo bianco coltivato

36 BATTERI DELLA RIZOSFERA Sono i più numerosi tra tutti quelli presenti nel suolo Creano una filiera assimilativa capace di estrarre i nutrienti naturalmente presenti nel suolo Metabolizzano le sostanze cancerogeniche Occupano la nicchia della radice e svolgono un azione protettiva

37 ATTINOMICETI Occupano la nicchia permettendo l azione sinergica dei funghi saprofiti e simbionti Creano una filiera assimilativa capace di estrarre i nutrienti naturalmente presenti nel suolo Metabolizzano le sostanze cancerogeniche Occupano la nicchia della radice e svolgono un azione protettiva

38 FUNGHI SAPROFITI DELLA RIZOSFERA Creano una filiera assimilativa capace di metabolizzare la lignina Occupano la nicchia della radice e svolgono un azione protettiva Metabolizzano le sostanze cancerogene Svolgono un azione di difesa contro i funghi patogeni come Armillaria mellea Parassitizzano gli insetti e le larve nutrendosi della parete di chitina

39 LIEVITI DELLA RIZOSFERA Lieviti biosulfattanti: Pichia pastoris

40 Vantaggi portati dell utilizzo del consorzio microbiologico Aumento dell estensione dell apparato radicale anche di volte, con notevole aumento delle potenzialità nutrizionali Miglioramento dell assorbimento dei principali elementi presenti nel terreno (N, P, K) e microelementi. Diminuzione dell accumulo di nitriti e nitrati nelle parti eduli delle piante e nel suolo Aumento delle sostanze aromatiche e del grado zuccherino dei prodotti Riduzione degli stress dovuti a carenza idrica, squilibri termici e crisi di trapianto. Aumento della biomassa organica nel terreno, che aumenta la produzione degli anni successivi Miglioramento dello stato fitosanitario delle piante Controllo dei patogeni della radice e del colletto.

41 Caratteristiche generali Prodotti naturali Prodotti biologici Biotecnologia non OGM

42 Modalità di azione Biostimolanti Probabile attività metabolica dei composti cancerogeni complessi come i PCB Bioattivatori per la riattivazione dei processi naturali di fertilità Attivatori della crescita Resistenza biologica indotta

43 Campo di impiego Settore agro Settore ambiente Settore zootecnia

44 Filtrobiologico: Batteri e FunghiMicorrizici IPA PCB PESTICIDI -FERTILIZZANTI VEGETALI UOMO

45 Giusto Giovannetti Premio miglior imprenditore valdostano 2012 Quest anno il concorso per il MIGLIOR IMPRENDITORE VALDOSTANOè stato vinto da GIUSTO GIOVANNETTI. I conocorso è iniziato il 1 settembre e sifinisceil 10dicembre per assegnare il famoso tatà di ImpresaVda, realizzato dall'artigiano Giorgio Broglio.

46 Premio miglior prodotto innovativo 2010 Categoria Nutrizione delle piante 4 rapporto 2010 dell Osservatorio sull innovazione delle imprese agricole

47 Premio impresa ambiente 2005 Categoria Migliore Cooperazione Internazionale per lo sviluppo sostenibile Menzione Speciale a TEA s.c.-ccs AOSTA per il progetto Mycor

48 GRAZIE PER L ATTENZIONE CCS AOSTA Srl Fraz. Olleyes 9, Quart (AO) Tel Website: ccs@micosat.it

49 Micosat F Fito Campo d impiego: Si applica alle vasche di detossificazione e al suolo per il recupero ambientale Caratteristiche: Modalità d uso: Il prodotto è distribuito nelle vasche di detossificazione e al suolo con mezzi meccanici. Dose consigliata: 50 Kg/ha L'associazione sinergica di un consorzio microbiologico composto da micelio e spore di funghi micorrizici, funghi saprofiti e batteri della rizosfera agronomicamente utili, inoculati sulle radici, porta i seguenti vantaggi e benefici: Aumento del volume di terreno esplorato dalle radici delle piante per effetto della micorrizazione. Incremento della microflora utile delle radici per effetto dei microrganismi inoculati e della loro crescita nell ambiente divenuto favorevole. La verifica dell efficacia di MICOSAT F FITO nella bonifica ambientale è condotta in collaborazione con il CNR di Pisa -Istituto di Biologia e Biotecnologia Agraria. I PGPR apportano al suolo o alla pianta sostanze che favoriscono o regolano l'assorbimento degli elementi nutritivi o correggono le anomalie di tipo fisiologico (D. L , n. 75; G.U. n. 121 del )