Assisted phytoremediation of mel(loid) contaminated soil

Metal(loid) contamination of soils is a global environmental problem with serious consequences on human, animal, plant and ecosystem health. In the course of the years, various technologies have been used to treat and remediate metal(loid) polluted sites. Assisted phytoremediation strategy for contaminated soils has attracted increasing attention since it offers environmental protection at low cost, and it can be applied to a large area. However, the efficiency of assisted phytoremediation of metal(loid) contaminated soils depends on environmental features (e.g., type, pH and nutrient content of soil), contaminant characteristics, amendment types, microbial activity, plant species, and interactions between all these aspects. Thus, the main objectives of thesis, related to applied and basic research, were to understand: (i) how different factors influence the effectiveness and the potential of assisted phytoremediation approach, and (ii) the mechanisms involved in the interactions between plants, amendments, microorganisms, and contaminated soil in assisted phytoremediation process. To accomplish the objectives of the applied research, two experiments were carried out with the goal of providing insights for use of alternative methods for assisted phytoremediation of metal(loid) contaminated soils. The first experiment was conducted using three different Salicaceae species and two diverse strategies of the same soil amendment. This experiment gave an outline about the influences of plant species and amendment application procedure on the assisted phytoremediation of a soil heavily polluted by only one metalloid (arsenic). The second experiment was focussed on the phytoremediation ability of a clover species and the need to use a combination of different amendments for the treatment of a multicontaminated soil. On the base of metal(loid) characteristics and soil physicochemical properties, experiment data showed the importance to choose a specific plant species and a correct combination of amendments (both in regarding to the amendment type and application rate). In order to understand molecular mechanisms underlying plant tolerance to metal(loid) stress, plant-soil microorganism interactions and amendment effects, investigations were carried out by using the Arabidopsis thaliana model plant grown on a polluted soil added with amendment and bacteria. An in-depth bioinformatics-assisted proteomics analysis was also used for deciphering the biological processes which allowed the better growth of Arabidopsis plants, in the soil with amendment/bacteria combination. Taking together, data of this thesis provided important suggestions on how to use different combinations of amendments and microorganisms in assisted phytoremediation strategies in order to efficiently treat soils contaminated by inorganic pollutants. Furthermore, results obtained on the A. thaliana model plant contributed with new information in broadening the knowledge on the complex interactions occurring among contaminants, plants, soil amendments, and microorganisms in areas polluted by high concentrations of metal(loid)s. Such information might be applied in the selection and management of plant species, amendment types, and soil microbial communities to ameliorate plant-amendment-microbe synergy, increase plant growth and tolerance to biotic and abiotic stresses and, consequently, enhance the efficiency of phytoremediation programs to restore metal(loid) contaminated lands.

L’inquinamento dei suoli da metal(loid)i è un problema ambientale globale che ha gravi conseguenze sulla salute umana, animale, vegetale e dell’ecosistema. Nel corso degli anni, sono state utilizzate diverse tecnologie per il trattamento di suoli contaminati da metal(loid)i. Per la decontaminazione di suoli inquinati, un’attenzione sempre maggiore è stata rivolta all’impiego della strategia del fitorimedio assistito, poiché questa tecnica offre protezione ambientale a basso costo e può essere applicata a vaste aree contaminate. Tuttavia, l’efficacia del fitorimedio assistito di suoli contaminati da metal(loid)i è influenzata da diversi fattori: caratteristiche ambientali, proprietà del contaminante, tipologia dell’ammendante utilizzato, attività microbica del suolo, specie vegetali impiegate. Questa tesi si è avvalsa di sperimentazioni sia di ricerca applicata che ricerca di base, e gli obiettivi principali sono stati: (i) capire in che modo diversi fattori influenzano il potenziale dell’approccio del fitorimedio assistito; (ii) comprendere i meccanismi coinvolti nelle interazioni tra piante, ammendanti, microrganismi e suolo contaminato nel processo del fitorimedio assistito. Nell’ambito della ricerca applicata, sono state condotte due sperimentazioni, al fine di fornire informazioni sull’impiego di metodi alternativi di fitorimedio assistito di terreni contaminati da metal(loid)i. La prima sperimentazione ha previsto l’utilizzo di tre diverse specie vegetali appartenenti alla famiglia delle Salicaceae e due diverse modalità di applicazione di un ammendante del suolo (il biochar). Questo studio ha illustrato come diverse specie vegetali e differenti strategie di applicazione di un ammendante del suolo possano influenzare l’efficacia del fitorimedio assistito di un suolo inquinato da elevate concentrazioni di arsenico. La seconda sperimentazione, invece, è stata incentrata sulla capacità di fitorimedio della specie di trifoglio Trifolium repens e sull’impiego di differenti combinazioni di diversi ammendanti per il trattamento di un suolo multi-contaminato. I dati di questa seconda ricerca hanno mostrato come, sulla base delle caratteristiche dei metal(loid)i e delle proprietà fisico-chimiche del suolo, sia importante selezionare una determinata specie vegetale e utilizzare una corretta combinazione di ammendanti (prestando attenzione sia al tipo di ammendante utilizzato che alla sua percentuale di applicazione al suolo). Nella sperimentazione concernente la ricerca di base, la pianta modello Arabidopsis thaliana è stata fatta crescere su un suolo contaminato da arsenico e piombo ed ammendato con biochar e batteri, con lo scopo di comprendere i meccanismi molecolari alla base della tolleranza delle piante allo stress da metal(loid)i. Per decifrare i processi biologici che hanno permesso una migliore crescita delle piante di Arabidopsis nel suolo con la combinazione di biochar ed inoculo batterico, questo studio si è avvalso di un’approfondita analisi di proteomica assistita dalla bioinformatica. Presi insieme, i dati di questa tesi hanno fornito importanti suggerimenti su come utilizzare diverse combinazioni di ammendanti del suolo e microrganismi nelle strategie di fitorimedio assistito, al fine di trattare in maniera efficace i suoli contaminati da inquinanti inorganici. Inoltre, i risultati ottenuti sulla pianta modello hanno permesso l’ampliamento delle conoscenze sulle complesse interazioni che si verificano tra contaminanti, piante, ammendanti del suolo e microrganismi in aree inquinate da alte concentrazioni di metal(loid)i. Tali informazioni potrebbero essere applicate nella selezione e nella gestione delle specie vegetali, delle tipologie di ammendanti e delle comunità microbiche del suolo per migliorare la sinergia pianta-ammendante-microrganismi, incrementare la crescita delle piante e la loro capacità di tollerare stress biotici e abiotici e, di conseguenza, migliorare l’efficacia dei programmi di fitorimedio per la bonifica di aree contaminate da metal(loid)i.