UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SIENA Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell Ambiente Mobilità e biodisponibilità di metalli pesanti nei suoli dell area urbana di Siena: valutazione mediante metodi chimici e biologici Francesco Nannoni & Giuseppe Protano ( ) nannoni@unisi.it ( ) giuseppe.protano@unisi.it ENEA - Salone Centrale, Via Giulio Romano 41 - Roma, 11 Maggio 2016
Scopo della ricerca Definire il frazionamento chimico di metalli pesanti nei suoli dell area urbana di Siena tramite estrazioni sequenziali e la loro biodisponibilità attraverso il bioaccumulo nei lombrichi
Definizione di Biodisponibilità quella frazione del totale di una sostanza chimica presente in uno specifico comparto ambientale che, in un dato lasso di tempo, è disponibile o può essere resa disponibile per l assorbimento da parte degli organismi, attraverso l ambiente che li circonda o l assunzione di cibo (Peijnenburg et al., 2007)
Biodisponibilità La biodisponibilità degli elementi chimici nel suolo può essere valutata attraverso 2 metodi complementari: Chimico estrazioni selettive e/o sequenziali: valutare la mobilità e la distribuzione di un elemento nelle frazioni del suolo (frazionamento) Biologico misura del bioaccumulo: determinare i contenuti degli elementi nei tessuti di organismi sentinella (bioindicatori) Disponibilità ambientale (environmental availability) BIOdisponibilità ambientale (environmental bioavailability)
Biodisponibilità La biodisponibilità degli elementi nel suolo dipende da: fattori abiotici caratteristiche pedologiche (i.e., ph, CSC, tessitura) processi fisico-chimici (scambio ionico, dissoluzione acida, reazioni redox) elemento chimico frazionamento chimico fattori biologici caratteristiche ecologiche dell organismo (i.e., habitat, abitudini alimentari) caratteristiche fisiologiche (modalità di assorbimento degli elementi, meccanismi di regolazione ed escrezione)
Metodo chimico: estrazioni sequenziali (schema BCR) Solubile in acqua Estraibile (scambiabile + associata ai carbonati) Contenuto totale Riducibile (associata agli ossidrossidi di Fe e Mn) Ossidabile (associata alla sostanza organica) Residuale (associata ai minerali residuali e neoformazione) INFORMAZIONI RIGUARDO ALLA MOBILITÀ DEGLI ELEMENTI CHIMICI
Metodo biologico: perché i lombrichi? I lombrichi, importanti membri della comunità del suolo sensibili alla presenza di metalli pesanti, sono spesso utilizzati come efficaci bioindicatori della qualità del suolo L assorbimento dei metalli da parte dei lombrichi dipende non tanto dal contenuto totale nel suolo ma piuttosto dalla loro frazione biologicamente disponibile
Area di studio Suolo superficiale (0-20 cm) 30 siti di campionamento a diversa intensità di traffico veicolare
Siti extra-urbani: in terreni incolti di zone rurali distanti dal centro urbano e dalle arterie viarie fondo naturale
Siti verdi cittadini: in aree verdi pubbliche all interno o a ridosso del centro storico della città
Siti peri-urbani: in prossimità delle principali strade peri-urbane ad intenso traffico (< 2 m dal bordo strada)
Siti urbani: vicino alle principali strade urbane all esterno del centro storico (< 2 m dal bordo strada)
Lombrichi: 15 siti di raccolta 150 esemplari adulti (10 esemplari x sito) Nicodrilus caliginosus
Fasi della ricerca Contenuto totale di metalli pesanti (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb, U e Zn) nel suolo Il frazionamento chimico nel suolo L influenza del traffico veicolare sul frazionamento L accumulo nei tessuti dei lombrichi Il ruolo delle frazioni nell assorbimento da parte dei lombrichi
Contenuto totale e frazionamento dei metalli pesanti nel suolo
Contenuto totale dei metalli pesanti influenzati dal traffico veicolare (Pb, Sb, Cd, Cu e Zn) mg/kg 120 100 FA = 2.2 80 81.89 FA = 1.4 60 54.18 40 20 23.01 FA = 2.8 6 104.51 5 mg/kg Piombo FA = 1.8 3 2.41 2 FA = 2.3 3.05 0.99 0 Extra-urbane Verdi cittadine FA = 3.9 5.15 4 1 0 Antimonio Peri-urbane Urbane Metalli pesanti maggiormente arricchiti nei suoli urbani
Contenuto totale dei metalli pesanti influenzati dal traffico veicolare (Pb, Sb, Cd, Cu e Zn) Cadmio FA = 1.3 mg/kg 0.25 0.20 FA = 0.9 0.15 0.16 0.15 FA = 1.5 0.27 120 0.22 0.10 Zinco 140 FA = 1.0 100 mg/kg 0.30 Rame 80 60 77.6 90.7 FA = 1.3 FA = 1.1 96.8 40 0.05 20 0.00 0 Extra-urbane Verdi cittadine Peri-urbane Urbane Metalli pesanti debolmente arricchiti nei suoli urbani 121.6
Contenuto totale dei metalli pesanti non influenzati dal traffico veicolare (Co, Cr, Ni e U) Cobalto 15 9 12.5 60 50 11.7 8.2 6 8.4 mg/kg mg/kg 12 Nickel 40 30 20 3 45.3 43.6 41.0 28.4 10 0 0 Extra-urbane Verdi cittadine Peri-urbane Urbane Concentrazioni di Co, Cr, Ni e U sono omogenee in tutta l area di studio ed all interno del rispettivo fondo naturale geogenici
Piombo Frid > Fres >> Foss > Fest > Fsol Frazionamento dei metalli pesanti nel suolo 0.1% 0.7% 42.8% 48.5% solubile estraibile riducibile ossidabile residuale 8.1%
Piombo Frid > Fres >> Foss > Fest > Fsol Frazionamento dei metalli pesanti nel suolo 0.1% 0.7% 42.8% 48.5% solubile estraibile riducibile ossidabile residuale 8.1% Ripartizione del Pb nel suolo in funzione dell intensità del traffico Suoli extra-urbani (non contaminati) Suoli urbani s.l. (contaminati, Pb tot > fondo naturale) 0.04% 0.6% 0.1% 1% 49% 45% 37% 52% 5% Extra-urbani 11% Urbani s.l.
Suoli extra-urbani Suoli urbani s.l. 19% 10% 0.1% 8% 7% 0.1% Cadmio + mobile 13% 58% Extra-urbani 25% 61% Urbani s.l. 0.3% 1% 9% 8% 0.2% 1% 10% Rame 21% 82% Extra-urbani 68% Urbani s.l. 0.1% 2% 9% 4% 0.04% 4% 20% Zinco 10% 84% Extra-urbani 66% Urbani s.l. solubile estraibile riducibile ossidabile residuale
Frazionamento dei metalli pesanti nel suolo Geogenici: non sono state riscontrate differenze significative nel frazionamento tra suoli extra-urbani ed urbani s.l. Suoli extra-urbani Suoli urbani s.l. Co 0.01% 15% Co 0.02% 12% Cobalto 51% 27% 53% 28% 7% Extra-urbani 7% Urbani s.l. Cr 0.01% 0.2% 3% 12% Cr 0.01% 0.1% 3% 11% Cromo 85% Extra-urbani 86% Urbani s.l. solubile estraibile riducibile ossidabile residuale
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi 70 60 50 mg/kg 40 30 20 10 0 Cd Cu Pb Sb Zn Lombrichi raccolti in suoli: Non contaminati Contaminati
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi Piombo 4 3.09 mg/kg 3 2 1.43 1.36 1.16 1 0 Extra-urbane Verdi cittadine Peri-urbane Pb lombrichi (mg/kg) 6 5 4 3 2 1 0 0 40 80 120 Pb[Pb] (mg/kg) tot Suolo suolo 160 200 Urbane
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi Cadmio mg/kg 3 1.91 1.98 2.65 5 2.95 4 Cd lombrichi 4 2 1 0.5 Sb (mg/kg) 1 0.4 0.24 0.3 0.13 0.17 0.0 0.2 0.3 0.4 3 6 9 12 0.5 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.1 Extra-urbane 0.1 1.0 0.52 Sb lombrichi Antimonio 0.6 0.0 2 0 0 0.2 3 Verdi cittadine 0 Peri-urbane Urbane 15
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi Rame 30 25 Cu lombrichi 25 Cu (mg/kg) 30 20 15 10 15 10 5 5 0 1000 800 600 400 200 0 Zinco 0 15 30 45 60 75 90 1200 1000 Zn lombrichi 0 Zn (mg/kg) 20 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 250 I contenuti tissutali di Cu e Zn, seppur contaminanti, non mostrano significative correlazioni con il contenuto totale nel suolo regolazione fisiologica
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi 6.53 2.5 5.56 6 mg/kg 3.0 4.10 4 2.65 mg/kg 8 Cobalto 1.83 2.18 1.93 2.0 1.5 0.5 0 0.0 Nickel 8 5.99 6.64 5.41 4 2 Uranio 0.15 5.88 0.12 mg/kg mg/kg 2.25 1.0 2 6 Cromo 0.09 0.10 0.10 0.07 0.07 0.06 0.03 0.00 0 Extra-urbane Verdi cittadine Peri-urbane Urbane Le concentrazioni degli elementi geogenici nei lombrichi non mostrano significative differenze in relazione al settore di campionamento
Ruolo delle frazioni nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Esiste una relazione tra la disponibilità dei metalli stimata tramite il frazionamento chimico ed il bioaccumulo nei lombrichi? Sono state definite le correlazioni tra i contenuti dei metalli nei tessuti dei lombrichi e quelli nelle singole frazioni (solubile, estraibile, riducibile ed ossidabile)
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Elemento Solubile Estraibile Riducibile Ossidabile Cd 0.683 ** 0.606 * n.s. n.s. Co n.s. n.s. n.s. n.s. Cr n.s. n.s. n.s. n.s. Cu n.s. n.s. n.s. 0.839 ** Ni n.s. n.s. n.s. n.s. Pb n.s. 0.518 * 0.516 * 0.514 * Sb n.s. 0.765 ** 0.807 ** 0.750 ** U n.s. n.s. n.s. n.s. Zn 0.614 * 0.736 ** 0.761 ** 0.796 ** Cd nei lombrichi è correlato con il contenuto nelle f. solubile ed estraibile (elemento più mobile nel suolo) Pb, Sb e Zn nei lombrichi sono correlati con i rispettivi contenuti nelle f. estraibile, riducibile ed ossidabile Cu nei lombrichi è correlato con il contenuto nella f. ossidabile (elemento maggiormente associato alla sostanza organica)
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi LE CORRELAZIONI SIGNIFICATIVE RIGUARDANO SOLO I METALLI CONTAMINANTI DEL SUOLO (Cd, Cu, Pb, Sb, Zn) IL MODELLO DI FRAZIONAMENTO DEI METALLI NEL SUOLO INFLUENZA L ASSORBIMENTO DA PARTE DEI LOMBRICHI I CONTENUTI CORPOREI DEI METALLI NON DIPENDONO DA UNA SINGOLA FRAZIONE MA DAL CONTRIBUTO DI PIÙ FRAZIONI
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Sono state valutate le correlazioni tra i contenuti corporei dei metalli e quelli in specifici pool disponibili: effettivamente disponibile frazioni più mobili: S f. solubile + estraibile potenzialmente disponibile frazioni potenzialmente mobilizzabili per variazioni delle condizioni redox: S f. riducibile + ossidabile bioaccessibile frazione di un elemento presente nel cibo o nel suolo ingerito e che viene resa disponibile per l assorbimento nel tratto gastrointestinale degli organismi: S f. solubile + estraibile + riducibile + ossidabile
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Modello R 2 Modello R 2 Modello R 2 Pool effettivamente disponibile Pool potenzialmente disponibile Pool bioaccessibile (F. solubile + estraibile) (F. riducibile + ossidabile) (F. solubile + estraibile + riducibile + ossidabile) [Cd]Ew = 8.01 [Cd] S sol+ext + 1.37 0.82 [Cd]Ew = 14.83 [Cd] S red+oxi + 1.5 0.53 [Cd]Ew = 6.21 [Cd] S sol+ext+red+oxi + 1.36 0.58 [Pb]Ew = 1.53 [Pb] S sol+ext + 0.93 0.64 [Pb]Ew = 0.02 [Pb] S red+oxi + 0.89 0.81 [Pb]Ew = 0.02 [Pb] S sol+ext+red+oxi + 0.77 0.90 [Sb]Ew = 1.16 [Sb] S sol+ext + 0.12 0.61 [Sb]Ew = 0.61 [Sb] S red+oxi + 0.15 0.79 [Sb]Ew = 0.37 [Sb] S sol+ext+red+oxi + 0.13 0.86 [Cu]Ew = 8.82 [Cu] S sol+ext + 13.73 0.22 [Cu]Ew = 0.46 [Cu] S red+oxi + 12.1 0.50 [Cu]Ew = 0.45 [Cu] S sol+ext+red+oxi + 12.1 0.52 [Zn]Ew = 36.9 [Zn] S sol+ext + 486 0.47 [Zn]Ew = 5.57 [Zn] S red+oxi + 479 0.51 [Zn]Ew = 5.3 [Zn] S sol+ext+red+oxi + 467 0.55 Per gli elementi geogenici non sono state trovate correlazioni in quanto i loro contenuti nel suolo sono in un ristretto intervallo di valori
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Per i lombrichi, la f. biodisponibile varia in funzione del metallo Cadmio: è rappresentata dal pool effettivamente disponibile (S f. sol + f. est) Piombo e Antimonio: è rappresentata dal pool bioaccessibile (S f. sol + f. est + f. rid + f. oxi) Per questi metalli la biodisponibilità biologica è confrontabile con la disponibilità chimica I contenuti corporei di Cd, Pb e Sb nei lombrichi sono efficaci per stimare la loro biodisponibilità nel suolo
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Rame e Zinco: la biodisponibilità biologica non concorda con la disponibilità chimica non è possibile stabilire quale pool rappresenta la f. biodisponibile per i lombrichi I contenuti corporei di Cu e Zn non sono idonei per stimare la loro biodisponibilità nel suolo Regolazione fisiologica
Considerazioni conclusive
Considerazioni conclusive La valutazione del pool biodisponibile degli elementi chimici nel suolo è un argomento importante ma complesso, in quanto influenzato da numerosi fattori, sia abiotici che biologici I lombrichi possono essere utilizzati come bioindicatori per stimare la biodisponibilità di alcuni metalli pesanti nel suolo (Cd, Pb e Sb), mentre i meccanismi fisiologici che regolano i contenuti corporei di Cu e Zn, non permettono la valutazione del loro pool biodisponibile
Considerazioni conclusive La disponibilità stimata con metodo chimico (frazionamento) non sempre concorda con la biodisponibilità valutata con metodo biologico (bioaccumulo), ed entrambi i metodi mostrano vantaggi e svantaggi Il metodo chimico risulta appropriato per valutare la mobilità ed il frazionamento degli elementi nel suolo, tuttavia è limitato sia perché le frazioni sono definite in modo operativo piuttosto che funzionale strettamente dipendente dal protocollo utilizzato, sia a causa delle complesse interazioni tra suolo, metalli e biota Il metodo biologico è utile a stimare il pool biodisponibile di un elemento indipendentemente dal frazionamento, ma può essere influenzato dalle caratteristiche eco-fisiologiche dell organismo non è possibile valutare la biodisponibilità di tutti i metalli nel suolo utilizzando un unica specie target
Considerazioni conclusive Allo scopo di ottenere risultati confrontabili nonché una migliore comprensione degli effetti dei contaminanti sulla fauna del suolo, sarebbe necessario: una maggiore unificazione e standardizzazione delle varie procedure di estrazione chimica definire linee guida per valutare la frazione biodisponibile dei diversi contaminanti nel suolo utilizzando specifiche specie bersaglio
Traffico veicolare e metalli pesanti In molte aree urbane il traffico veicolare rappresenta una delle principali fonti di immissione di metalli pesanti nell ambiente. In particolare Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb e Zn, provengono essenzialmente da: Gas di scarico dei veicoli Deterioramento e consumo delle componenti dei veicoli (pneumatici, olio, freni, frizioni, carrozzeria) Abrasione del manto stradale
Contenuto totale degli elementi nel suolo Negli studi geochimico-ambientali il contenuto totale degli elementi chimici nel suolo: definisce il livello della contaminazione non permette di valutare il comportamento geochimico ed il rischio ambientale Per ovviare a questa lacuna è utile valutare mobilità e biodisponibilità degli elementi nel suolo
Materiali & metodi In laboratorio i campioni di suolo e gli esemplari di lombrico sono stati preparati seguendo protocolli standard Campioni di suolo: essiccati in stufa a 30 C, setacciati a 2 mm, polverizzati e solubilizzati mediante attacco acido (0.2 g di suolo con HNO 3, HCl, HF e HClO 4 ) Determinazione dei contenuti dei metalli pesanti: spettrometria di massa accoppiata al plasma induttivo (ICP-MS) Step Frazione Reagente/i Condizioni operative A SOLUBILE in acqua 5 g suolo : 10 ml Acqua ultrapura B C D E ESTRAIBILE (assorbita ai mineralli argillosi) RIDUCIBILE (associata agli ossidrossidi di Fe e Mn) OSSIDABILE (associata alla sostanza organica) RESIDUALE (nella struttura dei minerali) 1 g suolo : 40 ml Acido acetico 0.11M 40 ml Idrossilammina cloroidrata 0.5M 20 ml Perossido di idrogeno 8.8M + 50 ml Acetato di ammonio 1M HNO 3 + HCl + HF + HClO 4 Agitazione per 1 h a temperatura ambiente Agitazione per 16 h a temperatura ambiente Agitazione per 16 h a temperatura ambiente Riscaldamento a +85 C per 2 h Agitazione per 16h Solubilizzazione in digestore a microonde
Materiali & metodi I lombrichi appartengono alla specie Nicodrilus caliginosus (Savigny), una delle più diffuse nell area di studio Vivono in pascoli, boschi ed in ambienti modificati dall intervento umano, in gallerie orizzontali scavate nei primi 20-25 cm del suolo In laboratorio: sciacquati con acqua deionizzata, spurgati per 96 h, congelati a -80 C, liofilizzati e solubilizzati tramite attacco acido con HNO 3 e H 2 O 2
Livello e distribuzione degli elementi in traccia nel suolo Al fine di quantificare il livello di contaminazione di ciascun elemento nel suolo: 1. è stato determinato il background locale (intervallo di variabilità naturale) utilizzando i valori min e max del contenuto totale dei suoli extra-urbani 2. è stato usato il Fattore di Arricchimento (FA) come indice dell apporto antropico FA = contenuto totale nel suolo valore max del background In base al valore del Fattore di Arricchimento gli elementi sono stati suddivisi in contaminanti e non contaminanti
Ruolo delle frazioni del suolo nell assorbimento dei metalli pesanti da parte dei lombrichi Contenuto corporeo nei lombrichi Pool biaccessibile (S f. sol + f. est + f. rid + f. oxi) Pb Frazione (bio)disponibile nel suolo