Il processo di fitotrattamento dei sedimenti di dragaggio: risultati della sperimentazione AGRIPORT in Italia

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1 Il processo di fitotrattamento dei sedimenti di dragaggio: risultati della sperimentazione AGRIPORT in Italia Grazia Masciandaro, Serena Doni, Cristina Macci, Eleonora Peruzzi, Brunello Ceccanti CNR, Istituto per lo Studio degli Ecosistemi, Via Moruzzi 1, 56124, Pisa, Italia Tel.: L'obiettivo del progetto AGRIPORT è stato quello di trattare i sedimenti di dragaggio, sia marini che di acque interne, mediante l'impiego di tecniche biologiche. Tale trattamento è stato mirato principalmente alla decontaminazione dei sedimenti, in modo da eliminare i rischi per la salute dell'uomo e dell'ambiente. Al contempo, il progetto ha avuto anche l'obiettivo, non meno importante, di valutare il recupero dei sedimenti dal punto di vista agronomico-funzionale, in modo da ottenere una matrice non contaminata, riutilizzabile a terra in opere di ripristino ambientale o come substrato agronomico, ovvero un "tecno-suolo". In previsione del loro riutilizzo a terra, i sedimenti decontaminati devono assumere caratteristiche agronomiche (in termini di contenuto bilanciato di nutrienti, contenuto di sostanza organica, caratteristiche fisiche) paragonabili a quelle dei suoli naturali; in questo modo i sedimenti, inizialmente considerati un rifiuto, possono trasformarsi in una risorsa, o meglio in una "geo-risorsa". La tecnologia AGRIPORT va a potenziare quei processi che si svolgono in modo naturale all'interno di una matrice organo-minerale come quella del suolo e anche dei sedimenti. Questi processi sono garantiti dai microrganismi che, attraverso la produzione di enzimi, trasformano le sostanze organiche (contaminanti compresi) in composti nutritivi per le piante, che, a loro volta, hanno un ruolo determinante nella rimozione dei contaminanti inorganici (metalli pesanti). Il recupero della funzionalità biologica dei sedimenti costituisce, quindi, un punto chiave per garantire la loro decontaminazione ed il loro recupero. Il progetto AGRIPORT ha previsto il trattamento di due tipologie di sedimento: sedimenti di acque interne, dragati dal canale dei Navicelli, e sedimenti marini, dragati da porto di Livorno. Entrambi i sedimenti presentavano un contenuto non equilibrato di nutrienti, una tessitura prevalentemente argillosa e una contaminazione sia da composti organici che inorganici. La struttura fisica asfittica dei sedimenti,derivante dalla composizione limo-argillosa, ha costituito un problema molto importante per il loro trattamento con la tecnologia AGRIPORT, in quanto li rendeva non adatti a supportare la sopravvivenza e crescita delle piante. Per questo motivo, studi preliminari in fase pilota, hanno messo in evidenza la necessità di un condizionamento bio-fisico dei sedimenti, mediante miscelazione con un terreno sabbioso, che potesse conferire loro una tessitura molto più vicina a quella di un terreno agronomico. La sperimentazione ha inoltre previsto, per entrambe le tipologie

2 di sedimento da trattare, l aggiunta di compost in superficie in modo da promuovere l'iniziale adattamento e crescita delle specie vegetali selezionate. Per quanto riguarda i sedimenti dragati dal porto di Livorno, la vasca di sperimentazione (superficie di 80 m 2 ) è stata realizzata nell'area Donegani del porto di Livorno. Questa è stata suddivisa in quattro aree ciascuna delle quali è stata sottoposta al trattamento con piante diverse. Tra le piante utilizzate troviamo la specie erbacea paspalum (Paspalum vaginatum), che è una specie molto resistente alla salinità e con un sistema radicale molto esteso. Questa pianta è stata testata sia come monocoltura che in associazione con le specie arbustive ginestra (Spartium junceum) e tamerice (Tamarix gallica), che sono specie pioniere capaci di adattarsi alle caratteristiche dei sedimenti (Figura 1). Figura 1. Vasca per il trattamento dei sedimenti del porto di Livorno con le diverse specie vegetali (Paspalum vaginatum, Spartium junceum and Tamarix gallica) I sedimenti del canale dei Navicelli sono stati trattati in cisterne di circa 1 m 3 utilizzando le stesse specie vegetali testate per i sedimenti dragati dal porto di Livorno. Inoltre, questa tipologia di sedimenti, avendo una salinità più bassa, ha consentito l'utilizzo anche di altre specie vegetali quali l'oleandro (Nerium oleander) e la cannuccia d'acqua (Phragmites australis) (Figura 2). Quest'ultima è una pianta infestante, molto utilizzata per la fitodepurazione delle acque; essa si trova comunemente lungo i corsi d'acqua e cresce spontaneamente anche sui sedimenti dragati dal canale dei Navicelli.

3 Figura 2. Contenitori per il trattamento dei sedimenti dragati dal canale dei Navicelli con le diverse specie vegetali (Paspalum vaginatum, Spartium junceum, Tamarix gallica, Nerium Olender and Phragmites australis) Phragmites australis Paspalum vaginatum Nerium oleander Spartium junceum Tamarix gallica Per entrambe le sperimentazioni, il monitoraggio ha previsto il campionamento dei sedimenti con cadenza semestrale a 0-20, e cm di profondità. Anche le piante (parte epigea e parte radicale) sono state campionate con lo scopo di valutare lo sviluppo del sistema radicale e l accumulo dei metalli pesanti nei loro tessuti. I risultati di seguito riportati sono relativi a due anni di sperimentazione, per quanto riguarda i sedimenti dragati dal porto di Livorno, e ad un anno e mezzo, per quelli dragati dal canale dei Navicelli. Il recupero agronomico dei sedimenti è stato seguito mediante la determinazione di carbonio organico totale, azoto, fosforo totale e nitrati, che rappresentano la forma di azoto solubile più disponibile per le piante. Il recupero funzionale dei sedimenti è stato invece valutato mediante la determinazione del numero dei microrganismi e della loro attività. In particolare, l'attività dei microrganismi è stata monitorata testando l'attività dell'enzima deidrogenasi. Inoltre è stata misurata la biodiversità microbica dei sedimenti mediante l'applicazione di tecniche di biologia molecolare, grazie alla collaborazione con i colleghi della Facoltà di Biologia di Pisa. Per monitorare la decontaminazione, sono stati, infine, misurati i metalli pesanti e gli idrocarburi totali nei sedimenti. Dopo soli tre mesi dalla piantumazione nella vasca dei sedimenti del porto di Livorno, le piante hanno mostrato un buon adattamento e, in due anni, la crescita delle piante arbustive si è attestata tra il 500 ed il 700%, mentre la specie erbacea

4 paspalum ha raggiunto una copertura superficiale del 100% in tutti i trattamenti. Analizzando i dati chimici, il carbonio organico totale, ha mostrato una diminuzione nel tempo che può essere associata ai processi di mineralizzazione della sostanza organica aggiunta con il compost. Tali processi hanno consentito il rilascio e la migrazione di nutrienti azoto e fosforo (aumento superiore al 20%) negli strati profondi (20-40 e cm), diventando, così, disponibili per la crescita delle piante e dei microorganismi, senza la necessità di doverli apportare dall'esterno. Anche i nitrati sono aumentati nel tempo, indicando il miglioramento delle caratteristiche strutturali del sedimento, proprietà che consente una migliore ossigenazione ed un buono sviluppo delle radici. Infatti, il maggior apporto di ossigeno può aver innescato i processi di nitrificazione, con trasformazione degli ioni ammonio in nitrati. Questo miglioramento chimico-fisico ha garantito l'instaurarsi di un ambiente favorevole alla crescita e attività dei microrganismi. Infatti, l'attività dell'enzima deidrogenasi, utilizzata come indicatore indiretto dell attività microbica totale, è aumentata nel tempo in tutti gli strati con una percentuale superiore al 40% rispetto ai sedimenti di controllo. L'aumento del numero di microrganismi coltivabili del 50-60%, in particolare nei trattamenti con piante erbacee e arbustive in tutte le profondità, ha confermato in modo molto chiaro l'efficacia dell'applicazione della sostanza organica e dell'interazione radici-microorganismi nella stimolazione del metabolismo microbico. Per entrare più nel dettaglio dell'aspetto microbiologico, i colleghi della Facoltà di Biologia dell'università di Pisa, come già anticipato, hanno caratterizzato le comunità microbiche utilizzando tecniche di biologia molecolare (genomica). Tali tecniche si basano sull'estrazione e amplificazione del DNA dei microorganismi. Una volta amplificato, il DNA viene trattato con enzimi di restrizione (T-RFLP, Terminal restriction fragmernt lenght polymorphism) che permettono di ottenere dei frammenti di DNA di diversa lunghezza che possono essere separati mediante elettroforesi e successivamente identificati. Ogni frammento corrisponde ad una diversa specie microbica. I risultati di queste analisi all'inizio della sperimentazione hanno sottolineato la diversa composizione microbica dei sedimenti rispetto al suolo di miscelazione e al compost. Alla fine del trattamento, cioè dopo due anni, la struttura della comunità microbica dei sedimenti piantumati si è modificata raggiungendo una composizione simile a quella della rizosfera delle piante. Ciò significa che si sono sviluppate delle specie microbiche che non sono più quelle del sedimento ma che si sono avvicinate a quelle di un terreno colonizzato da piante. Un aspetto interessante di questo tipo di studio è che potrebbe consentire di individuare le specie microbiche coinvolte nei processi di decontaminazione dei sedimenti e di quindi poter pianificare interventi mirati di biorimediazione. L attivazione dei processi microbici a livello delle rizosfera è, infatti, il principale meccanismo responsabile della degradazione dei contaminati organici, quali gli idrocarburi. Alla fine della sperimentazione i sedimenti dragati dal porto di Livorno hanno mostrato una significativa riduzione di questi contaminanti, in media del 50%, in tutti i trattamenti con le piante (Figura 3).

5 Figura 3. Idrocarburi totali (TPH) nei sedimenti del porto di Livorno alle diverse profondità (0-20, e cm) e nei diversi trattamenti con le piante all'inizio (Luglio 2010) e alla fine (Maggio 2012) della sperimentazione. mgtph Kg P C P+S P+T P C P+S P+T P C P+S P+T inizio fine P, Paspalum vaginatum; C, controllo, P+S, Paspalum vaginatum + Spartium junceum; P+T, Paspalum vaginatum + Tamarix gallica I metalli pesanti (Cu, Cd, Zn, Ni, Pb e Cr) hanno mostrato una diminuzione media nel tempo in tutti i trattamenti con le piante del 20% prevalentemente negli strati superficiali (0-20 e cm). Lo zinco, che all'inizio della sperimentazione risultava superare i limiti previsti dal D.Lgs 152/2006 in relazione alla specifica destinazione d uso verde pubblico e residenziale (Uso A), è diminuito soprattutto in presenza della ginestra. La diminuzione della concentrazione dei metalli pesanti nei sedimenti mediante l assimilazione per via radicale e la traslocazione verso la parte epigea delle piante, è stata confermata, a due anni dall'inizio della sperimentazione, dall aumento degli stessi nel corpo vegetale del paspalum, della tamerice e della ginestra. Il fattore di bioaccumulo, che indica la concentrazione del metallo nella pianta rispetto alla concentrazione nel sedimento, ha confermato che lo zinco è stato assorbito in maniera più significativa dalla ginestra, mentre il nichel dalla tamerice. Entrambe le specie arbustive hanno inoltre mostrato una buona capacità di accumulare cadmio. Nell'elaborazione del bilancio di massa dei metalli pesanti, è stato interessante notare che una consistente frazione dei metalli si è concentrata a livello della rizosfera, mentre solo una piccola percentuale è riuscita a passare nei tessuti della pianta, ed è stato anche evidenziato un accumulo di questi contaminanti a livello della ghiaia e del percolato (Figura 4).

6 Figura 4. Bilancio di massa dei metalli pesanti per i sedimenti del porto di Livorno alla fine della sperimentazione (Maggio 2012). 100% 90% 80% 70% 60% 50% Controllo Paspalum Spartium + Paspalum Tamarix + Paspalum Percolato 1,88 2,16 6,53 3,35 Ghiaia 2,50 2,58 2,53 2,37 Pianta 0,15 0,16 0,15 Rizosfera 4,06 12,44 9,77 Sedimento 95,62 91,05 78,35 84,36 Passando ai risultati dell'impianto pilota dei sedimenti del canale dei Navicelli, l'andamento dei parametri chimici e biologici, ha confermato quanto detto riguardo ai sedimenti del porto di Livorno. Dopo un anno e mezzo dalla piantumazione, le piante hanno mostrato un buono stato di salute e crescita (crescita percentuale tra il 400 ed il 700%). I parametri legati al recupero agronomico (carbonio, azoto e fosforo totali e nitrati) hanno registrato lo stesso andamento dell'impianto dei sedimenti del porto di Livorno, nel senso che l'aggiunta di sostanza organica in associazione con l'azione delle piante ha garantito il mantenimento di sostanze nutrienti responsabili dell'attivazione dei processi biologici. Il rapporto tra carbonio e azoto, utile per valutare la qualità del suolo in termini di bilanciamento dei nutrienti dal punto di vista agronomico, è diminuito nel tempo avvicinandosi ad un valore medio pari a 10 che è tipico di un suolo naturale in equilibrio. Un risultato che conferma la validità della tecnologia AGRIPORT. Nei sedimenti del canale dei Navicelli il numero e l'attività dei microrganismi totali sono aumentati nel tempo in misura del 40-50% rispetto ai sedimenti di controllo. I risultati ottenuti in termini di decontaminazione hanno inoltre mostrato che tutti i trattamenti con le piante hanno, con successo, ridotto (>35%) la concentrazione degli idrocarburi totali a livello superficiale (0-20 cm) e subsuperficiale (20-40 cm). Tra le diverse piante testate, la phragmites, la ginestra e la tamerice sono risultate le più efficienti, con una riduzione a livello superficiale di questi contaminanti maggiore del 50%. La tamerice è stata responsabile della più alta riduzione dei metalli pesanti (Figura 5). Considerando tutti i metalli pesanti analizzati, è stata verificata una riduzione media intorno al 20% (Figura 5).

7 Figura 5. Metalli totali (Cr, Cu, Ni, Zn, Cd e Pb) in meq tot kg -1 nei sedimenti del canale dei Navicelli alle diverse profondità (0-20, e cm) e nei diversi trattamenti con le piante all'inizio (Ottbre 2010) e alla fine (Maggio2012) della sperimentazione meq kg inizio fine 5 0 O Ph S T C P O Ph S T C P O Ph S T C P 0-20 cm cm cm O, Nerium oleander + Paspalum vaginatum; Ph, Phragmites australis; S, Spartium junceum + Paspalum vaginatum; T, Tamarix gallica + Paspalum vaginatum; C, controllo, P, Paspalum vaginatum Alla fine di entrambe le sperimentazioni, i valori dei parametri misurati nel prodotto ottenuto (tecno-suolo), sono perfettamente confrontabili con quelli di un suolo agronomico naturale (tabella 1). Il sedimento non trattato non permetteva la crescita vegetale mentre i sedimenti trattati hanno mostrato una crescita vegetale superiore a quella di un terreno agronomico. In conclusione, lo stato di salute e crescita delle piante e la caratterizzazione dei sedimenti dopo il trattamento di fitorimediazione, hanno evidenziato l'efficienza del processo di decontaminazione e di recupero dei sedimenti dal punto di vista agronomico (chimico) e funzionale (biochimico). Il prodotto ottenuto, che si può definire tecno-suolo, ha assunto caratteristiche che si avvicinano molto a quelle di un suolo naturale.

8 Tabella 1. Parametri indicatori dell'adattamento dei sedimenti all'ecosistema terrestre Parametri Unità di misura sedimenti trattati (Tecnosuolo) Intervalli di accettabilità per suoli agronomici ph 8,0-8,5 7,3-8,1 sub-alcalino; > 8,2 alcalino Conducibilità elettrica (ds/m) <2 < 2 adatto per tutte le coltivazioni 2-4 rischi per coltivazioni sensibili 4-8 rischi per tutte le coltivazioni >8 non tollerato da nessuna coltivazione C-organico totale (g/kg) Per suoli limo-sabbiosi: < 7 basso; 7-9 normale; 9-12 buono; >12 ottimo N totale (%) 0,08-0,25 0,15-0,4 valore medio C/N valore medio P totale (g/kg) 0,40-0,77 0,2-5 valore medio Attività deidrogenasi (mgintf/gh) 1,5-3,5 1-4 suoli naturali (indice attività metabolica) Tutte queste considerazioni possono motivare l'uso della fitorimediazione, in particolare attraverso l'associazione della specie arbustiva tamerice e della specie erbacea paspalum, come una valida alternativa ai sistemi di decontaminazione tradizionali. I sedimenti recuperati con la tecnologia AGRIPORT possono essere reimpiegati per diversi usi ambientali, per esempio come substrato di crescita per le piante, come geo-materiale per la riforestazione di suoli erosi o nella biorimediazione di siti contaminati degradati.