Phytoremediation to recovery contaminated soil by metal(loid)s: possible interaction with soil bacteria and biochar

Lo sviluppo industriale ha migliorato notevolmente gli standard di vita per gran parte della popolazione mondiale. Allo stesso tempo, però, questa crescita ha generato diversi problemi ambientali, con la produzione di composti tossici. La mancanza di sistemi di controllo e di leggi adeguate per la gestione dei rifiuti ha causato un preoccupante danneggiamento dell’ambiente. L'inquinamento ambientale si divide in tre tipi: aria, acqua e suolo. L'inquinamento atmosferico è causa dai fumi nocivi, che contengono in particolare il biossido di zolfo, monossido di carbonio e gli ossidi di azoto, emessi dalle automobili, trasporti pubblici (autobus e taxi), camion e fabbriche. Questi gas hanno lentamente cambiato l'atmosfera e ridotto lo strato di ozono che ha portato all’ attuale problema del riscaldamento globale. L'inquinamento delle acque è causato dai rifiuti industriali che vengono rilasciati nei laghi, nei fiumi ed in altri corpi idrici, con elevati rischi connessi alla suo utilizzo in agricoltura e nelle attività umane. L’inquinamento del suolo è il risultato delle piogge acide, dell’acqua inquinata, dell’uso di fertilizzanti, ecc., che ha portano alla perdita della fertilità. L'attività industriale ha avuto un importante ruolo nella contaminazione del suolo durante il secolo scorso, soprattutto per l’aumento delle attività estrattive e manifatturiere. Anche i rifiuti di casa risultano essere altrettanto pericoloso a causa dell'uso di prodotti detergenti e per la pulizia. Inoltre, -come risultato della globalizzazione- si è registrato un aumento della domanda e della qualità dei prodotti agricoli, con conseguente aumento nell’ uso di pesticidi e fertilizzanti. I quali risultano dannosi per il suolo a causa della presenza di composti chimici che non sono presenti nel terreno e non possono essere decomposti. Per cui quando questi inquinanti vengono versati nell'ambiente si può assistere al verificarsi di drammatici eventi. Tutti gli ecosistemi, foreste, barriere coralline, e fiumi possono essere seriamente danneggiate o distrutte dall'inquinamento. Inoltre, a causa delle connessioni esistenti tra i vari tipi di organismi vegetali ed animali che coesistono nello stesso ecosistema, la contaminazione ambientale può avere conseguenze che non sono immediatamente evidenti o facilmente prevedibili. Nell'ambiente, il suolo ha un ruolo importante, poiché supporta la crescita delle piante, è un serbatoio di nutrienti, oltre ad ospitare molti processi biologici coinvolti nella decomposizione e nel riciclo di prodotti vegetali e animali. Esso ha anche importanti influenze sulle interazioni con gli altri elementi naturali, influenza la qualità dell'aria (interagendo con l'atmosfera) ed agisce come mezzo di depurazione delle acque. La presenza di inquinanti porta alla degradazione del suolo, producendo la sua acidificazione (cambiamento nella composizione chimica del terreno), l’eutrofizzazione (cambiamento nella composizione chimica dell'acqua) e alla perdita della fertilità. Le attività umane sono responsabili della perdita quasi il 40% dei terreni agricoli del mondo a causa dell’erosione, dell’inquinamento atmosferico, della coltivazione intensiva, disboscamento, salinizzazione e desertificazione. Tra i composti che vengono rilasciati nel terreno i metalli/metalloidi rappresentano un grave pericolo poiché alterano la sua qualità cambiandone le sue caratteristiche fisiche e chimiche. I metalli/metalloidi sono altamente pericolosi in quanto persistono nell’ambiente per lungo arco di tempo, mettendo a rischio la salute umana ed ambientale. Essi possono trovarsi naturalmente nel suolo e diversi processi ambientali, come l’erosione delle rocce, le eruzioni vulcaniche e le polvere continentali, ne generano il rilascio nell'ambiente. Recentemente la loro presenza è aumentata in seguito a diverse attività industriali. Il loro aumento è associato a due cause: o vengono prodotti, attraverso le attività antropiche, in quantità maggiori rispetto ai processi naturali, e/o la forma chimica, in cui si trovano nell'ambiente, li rendere maggiormente biodisponibili. Metalli/metalloidi hanno effetti negativi sulla salute umana e quindi la contaminazione della catena alimentare, attraverso la contaminazione del suolo, merita una particolare attenzione. Vi è una sempre più una maggiore consapevolezza del declino della qualità del suolo e la sua protezione dai metalli/metalloidi, è un dovere necessario per la sopravvivenza delle generazioni future. Pertanto, nuovi ed efficaci metodi di risanamento sono necessari. I tradizionali metodi fisico-chimico usati per il risanamento dei terreni contaminati da metalli/metalloidi presentano dei limiti come i costi elevati, i cambiamenti irreversibili sulle proprietà del suolo, la distruzione della microflora nativo e la generazione di inquinamento secondario. Anche se nel corso degli anni, esse sono state migliorate, la maggior parte di loro non sono sostenibili in quanto comportano conseguenze negative che distrugge la struttura del suolo. Pertanto, nell’interno della strategia europea per la protezione del suolo, la necessità di sviluppare nuove e valide tecnologie di risanamento per la protezione del suolo e la sua bonifica sta diventando una priorità. In questa direzione il fitorisanamento che è considerato una soluzione “verde” alternativa al problema dell'inquinamento da metalli/metalloidi. Le tecniche di fitodepurazione sono eco-friendly e si basano sull’uso di diverse specie vegetali. Esso viene incluso all'interno della Green Infrastructure (GI). GI è definita come una rete strategica tra aree naturali e semi-naturali studiate in modo da offrire una vasta gamma di servizi. Questa definizione comprende tre aspetti importanti: l'idea di una rete tra le aree urbane e la natura, pianificazione e gestione delle aree urbane ed il concetto di servizi eco-sistemici. Le fitotecnologie rappresentano un approccio innovativo in quanto le piante sono usate per ricreare un habitat su un suolo martoriato dalle attività umane. Queste fitotecnologie, chiamate anche fitodepurazione, si avvale di processi naturali in cui le piante da sole o in combinazione con la rizosfera microbica degradano le sostanze inquinanti renderndole innocue. Essa si basa sull'idea di utilizzare il paesaggio per recuperare l’ambiente contaminato. Contemporaneamente queste piante riescono a ridurre la dispersione degli inquinanti, in quanto in grado di assorbirli attraverso l’apparato radicale e di accumularli nei loro tessuti. Questa innovativa strategia di bonifica è stata ampiamente studiati e applicata ed offre diversi vantaggi quali la riduzione dei costi, un approccio meno invasivo (il fatto che essa viene effettuata in situ), rigenera la struttura del suolo ed è esteticamente piacevole. Inoltre il fitorimedio si è dimostrato efficace nella rimozione sia degli inquinanti organici che inorganici. Il concetto rivoluzione associato ad esso consiste nel poter recuperare il territorio usando gli stessi paesaggi, garantendo la conservazione della biodiversità, la qualità del suolo e la tutela dell'ecosistema. Le piante utilizzate per la fitodepurazione vengono chiamate iperaccumulatrici. Tra queste, le specie arboree sono risultate particolarmente idonee per la bonifica del suolo. Le piante angiosperme, note come legno duro, in grado di operare la fitoestrazione sono spesso rappresentate dal salice, Populus, Acer, Atnus e Betula. Nel 1990 ha avuto iniziato lo studio sulla Salicaceae ( a cui appartiene il pioppo) per il fitorisanamento, che hanno coinvolto vari aspetti, come la captazione dell’inquinante, l’accumulo nei diversi organi, la capacità di tolleranza, compresi i meccanismi fisiologici e biochimici alla base della queste attività. L'uso di alberi nella fitodepurazione è favorita dalla possibilità di una crescita a lungo termine e di un’elevata produzione biomassa per l'accumulo dei contaminanti. Questi alberi hanno caratteristiche specifiche, come una crescita rapida, la possibilità di radicamento a diversi metri di profondità, oltre ad essere tolleranti agli ambienti inquinati, che lo rendeno un buon candidato per l'applicazione del fitorisanamento. Inoltre, essi non solo sono in grado di crescere in condizioni critiche del suolo, tipiche delle aree contaminate, ma sono anche in grado di estrarre il metalli/metalloidi (diverse parti per milione di peso secco prodotto). Tuttavia, l’elevata concentrazione di metalli/metalloidi nei terreni ha un’influenza deleteria sulla crescita delle piante stesse, e di conseguenza anche sulle rese delle colture a causa dei vari danni cellulari. Per una fitodepurazione efficiente è importante e fondamentale avere una crescita delle piante efficace associato ad una elevata produzione di biomassa. Due sono le principali strategie naturali, verso la quale la ricerca si sta focalizzando: l'uso di specifici batteri del suolo e di ammendanti. Nel terreno viene definita la rizosfera quella porzione del suolo che circonda le radici delle piante, qui i nutrienti essenziali e l’acqua, necessari per la crescita, vengono assorbiti. In esso vivono e si sviluppano diversi tipi di microrganismi. L'interazione tra questi batteri, chiamati anche rizobatteri, e la pianta è chiamato processo simbiotico che prevede un’associazione tra la pianta che fornisce i nutrienti necessari per la crescita microbica ed i microbi che garantiscono una buona qualità del suolo per le piante coltivate. Alcuni di questi batteri sono fitopatogeni, cioè hanno un effetto negativo causando malattie ed inibendo la crescita delle piante; altri invece, chiamati batteri promotori della crescita delle piante (PGPB), possono facilitare la crescita delle piante attraverso l’utilizzano di diversi meccanismi (fissazione dell'azoto, solubilizzazione dei fosfati, produzione di siderofori, fitoormone, e ACC deaminasi). Questi PGPR hanno generato una grande attenzione perché giocano un ruolo chiave anche nell’adattamento ad un ambiente inquinato; essi possono influenzare positivamente le piante, migliorandone la crescita e la salute, favorendo lo sviluppo delle radici, o aumentando la tolleranza delle piante ai vari stress ambientali. La simbiosi permette al microrganismi di degradare l'inquinante, mentre le radici delle piante forniscono le sostanze nutritive per la crescita microbica. I PGRB possono agire alterando il metabolismo cellulare, in modo che in seguito all'esposizione allo stress da metalli, le piante sono in grado di tollerarne le alte concentrazioni e quindi possono sopportare tale condizione. In effetti, i PGPB possono rilasciare diversi metaboliti, come siderofori, biotensioattivi, acidi organici, regolatori di crescita, che possono modificare l'assorbimento di metalli/metalloidi sia indirettamente che direttamente. Direttamente, attraverso l'acidificazione, chelazione, la precipitazione, l'immobilizzazione e reazioni di ossido-riduzione della rizosfera; indirettamente, influenzando le dinamiche di crescita delle piante. Un esempio è rappresentato dai siderofori che giocano un ruolo importante per la pianta. La presenza di metalli/metalloidi nei tessuti vegetali può influenzare negativamente l’assimilazione del ferro. In tali condizioni, i siderofori sono capaci di chelare il Fe3 +. Di conseguenza, le radici possono assorbire il ferro dai complessi siderofori -Fe. Queste sostanze possono, anche, promuovere la mobilitazione degli stessi metalli nel suolo, solubilizzando forme non disponibili che possono essere, quindi, assimilati dalle radici. Per cui, questi batteri associati alle piante possono potenzialmente migliorare la fitoestrazione alterando la solubilità, la disponibilità ed il trasporto di metalli/metalloidi, (riducendo il pH del terreno, rilasciando composti chelanti, solubilizzando il fosforo, o inducendo cambiamenti redox), in modo da accelerare la fitodepurazione di terreni contaminati da metalli/metalloidi. Per migliorare la salute delle piante in un terreno contaminato durante il processo di fitodepurazione, la ricerca sta valutando l'impiego anche di altre sostanze naturali, come gli ammendanti. Queste sostanze sono definite come prodotti naturali (minerale o organico) in grado di modificare e migliorare le proprietà chimiche, fisiche, biologiche e meccaniche dei terreni. Essi sono principalmente utilizzati per aumentare e mantenere la fertilità del suolo. Di recente, tra i vari ammendamenti, il biochar sta acquisendo un ampio interesse scientifico. Esso è un prodotto carbonioso, a grana fine e con una struttura porosa, prodotto dalla decomposizione termica di materiale organico (legno, letame o foglie e rifiuti animali) in condizioni limitate o in completa assenza di ossigeno (O2), ed a diverse temperature (detto processo di pirolisi). La sua struttura altamente porosa migliora la ritenzione di acqua ed aumenta la superficie del suolo, cosi da ridurre la quantità e la frequenza dell’irrigazione per le colture. Inoltre, l'aggiunta di biochar aumenta la concentrazione di nutrienti, sia attraverso le sostanze portare dal biochar stesso, sia tramite il miglioramento delle caratteristiche chimio- fisiche del terreno che permettono una maggiore disponibilità di nutrienti. Il biochar ha anche un importante effetto sul cambiamento climatico. Attraverso la sua produzione è possibile ridurre la quantità di CO2 rilasciato nell'atmosfera. Cioè, le piante assorbono la CO2 necessaria per i loro processi fisiologici; successivamente quest’ultime possono essere utilizzate per produrre biochar (il processo di pirolisi non rilascia CO2), in modo da incorporare il carbonio nel terreno. Inoltre, durante la pirolisi è possibile produrre energia (bio-olio e syngas) senza utilizzare combustibili fossili. Pertanto, l'intero processo diventa "negativo per il carbonio". In conclusione, con il biochar vengono realizzati tre importanti obiettivi per la gestione ambientale: miglioramento del suolo, valorizzazione dei rifiuti e produzione di energia. Alcuni studi hanno messo in evidenza che il biochar oltre a fornire una serie di vantaggi agronomici, quali l'aumento dei nutrienti e della fertilità, può anche immobilizzare contaminanti organici e inorganici. Le modifiche che apporta al suolo possono ridurre la solubilità dei metalli/metalloidi mediante l’innalzamento del pH, e/o attraverso l’interazione con specifici siti di scambio cationico presenti sulla superficie del biochar. Diminuendo le concentrazioni degli inquinante nel terreno o la loro disponibilità / mobilità. Per cui l'applicazione del biochar a terreni contaminati permette di ottenere due importanti risultati: semplificare la coltivazione di piante e ridurre la lisciviazione di metalli/metalloidi nell'ambiente (acque sotterranee). In conclusione, l’uso di piante, come il pioppo, permette di intervenire senza produrre ulteriori danni al territorio, ma garantendo la conservazione e riprendendo un paesaggio fatiscente. Per questo motivo la ricerca si è focalizzata sull’identificazione di piante autoctone per la fitodepurazione, e la caratterizzazione delle proteine coinvolte nel trasporto di membrana e nel sequestro vacuolare di metalli/metalloidi per ottenere maggiori informazioni sul meccanismo di fitodepurazione. Gli obiettivi principali di questo lavoro sono: • ottenere informazioni sulle risposte del pioppo allo stress da metalli/metalloidi e migliorare le conoscenze sull’applicazione del pioppo nella fitodepurazione. In aggiunta testiamo l’efficacia del sistema vacuum infiltration come possibile metodo sperimentale per l'analisi della risposta a breve termine nella foglia di pioppo al cadmio; • chiarire l'effetto dei metalli sulla crescita di pioppo inoculate con ed in assenza di ceppi batterici; • infine, valutiamo l'influenza del biochar sui parametri fisico-chimici di suoli provenienti da miniere (La petite Faye e Pontgibaud) e da siti metallurgici (Mortagne du Nord), oltre ad osservare i suoi effetti sulla mobilità e la disponibilità dei metalli/metalloidi nel suolo e le sue potenzialità per una possibile combinazione con la fitodepurazione, mediante l’analisi della crescita e dell’assorbimento di due specie Phaseolus vulgaris e Populus Dorskamp. I risultati presentati indicano che le risposte a breve termine (1 h) al trattamenti da Cd sulle foglie per mezzo della vacuum infiltration permette di ottenere informazioni significative sui meccanismi molecolari attivati per contrastare lo stress da Cd. Il trattamento con questo metallo ha portato ad una up-regolazione di diverse proteine coinvolte nelle risposte di difesa allo stress che includono le proteine coinvolte nello scavenging dei ROS (reactive oxygen species) o degli chaperon molecolari importanti nella protezione delle cellule dai danni ossidativi associati alla produzione di H2O2 indotta dallo stress da metalli. Inoltre, è stata osservata anche la partecipazione degli ormoni vegetali nelle risposte al Cd. Infatti, le variazioni dell’omeostasi ormonale possono rappresentare potenziali segnali di attivazione delle risposte delle piante al Cd, e coinvolgere diversi meccanismi nella risposta allo stress, tra cui la segnalazione dei ROS. L'incremento dei livelli di ABA può mediare la tolleranza riducendo il tasso di traspirazione della foglia, che potrebbe essere importante per ridurre la traslocazione del Cd stesso dalle radici alle foglie. Invece l'etilene può svolge un ruolo fondamentale nel ridurre i danni del Cd sulla fotosintesi, attraverso la modulazione del metabolismo dello zolfo e del glutatione (GSH). L’analisi proteomica ha indicato che anche nelle risposte a breve termine al cadmium si è osservato l’attivazione dei pathways di difesa allo stress cellulare, (gli enzimi dello scavenging o chaperon molecolari) già nelle prime fasi. Tuttavia, la capacità del pioppo di superare i limiti della crescita associati alle variazioni dei parametri chimico-fisici indotte dalla presenza dei metalli/metalloidi nel suolo, è fondamentale per poter valutare l'efficacia del fitorisanamento in possibili applicazioni in campo. L’azione sinergica tra i microrganismi ed il pioppo nel suolo può contribuire a migliorare le strategie di stabilizzazione dei siti contaminati attraverso la crescita di queste piante arboree. L'inoculazione con S. marcescens ha avuto effetti positivi sulla crescita delle piante anche in presenza di Cd. Inoltre, i batteri nella rizosfera possono alterare la biodisponibilità del contaminante promuovendo la stabilizzazione del Cd. Infatti, il contenuto Cd era superiore nelle radici di piante non inoculate rispetto a quelle inoculate, indicando che l'associazione con i batteri probabilmente attiva specifici processi che modificano l’assorbimento di Cd, promuovendo così la crescita e la sopravvivenza delle stesse piante in presenza di elevati livelli di Cd. Lo studio conferma l’utilizzo del sistema di piante-batteri-substrato come possibile strumento biologico per la bonifica dei siti contaminati da Cd. Questo sistema ha fornito un quadro promettente per testare l’efficacia delle fitotecnologie. Comunque il recupero dei siti inquinati con questo sistema (pioppo-batteri) richiede la selezione di batteri della rizosfera che sono in grado di resistere all'elevata tossicità di metalli/metalloidi e alla coesistenza di diversi tipi di metalli/metalloidi riducendo la loro tossicità e promuovere la crescita delle piante. Al fine di ottimizzare l’efficacia dalla formazione di una “copertura” vegetale per la fitostabilizzazione, una potenziale soluzione è rappresentata dall’uso di ammendanti naturali che promuovono la crescita delle piante e/o immobilizzano metalli/metalloidi. A tale scopo il biochar ha un notevole interesse per il suo potenziale effetto sulla immobilizzazione di metalli/metalloidi, sulla qualità dei terreni e sulla crescita delle piante, mentre riduce la produzione e il rilascio di carbonio. I risultati presentati evidenziano l'effetto positivo del biochar sui parametri del suolo (pH, EC, SPW) che aumentano dopo la sua applicazione sia sul controllo che sui terreni contaminati. Particolarmente evidenti sono i risultati osservati sui terreni acidi, La petite Faye e Pontgibaud, dove è stato registrato un miglioramento maggiore rispetto al terreno alcalino di Mortagne du Nord. Mentre per quanto riguarda l'interazione tra il biochar e i metalli/metalloidi, sono state osservate delle differenze in base al tipo contaminante considerato. Per il Cd, Pb e Zn è stato osservato una riduzione delle loro disponibilità nel suolo e nell’acqua interstiziale per effetto dell’interazione tra i metalli e specifici gruppi funzionali presenti sul biochar e/o per la loro precipitazione come composti insolubili. Al contrario, esso si è dimostrato inefficace nell’immobilizzare As e Sb, i cui livelli nel suolo e negli organi vegetali aumentano dopo l’applicazione del biochar. In seguito a questi miglioramenti registrati per i parametri del suolo, è stato osservato un’influenza positiva del biochar sulla crescita delle piante (sia fagioli che pioppo), non solo sul terreno di controllo, ma soprattutto sui i terreni contaminati. Invece, per il trattamento con il suolo del sito minerario di La petite Faye (caratterizzato da elevati livelli di As a Sb) è stato osservato una riduzione nella crescita della pianta dopo l’aggiunta del biochar. Per quanto riguarda le concentrazione dei metalli/metalloidi registrati negli organi di P. Vulgaris, la riduzione della disponibilità dei metalli (Cd, Sb, Zn) nel suolo, dopo l'applicazione del biochar, ne riduce l’assorbimento. Invece per il pioppo, una pianta tollerante, è stato osservato, un aumento dei metalli/metalloidi a seguito della presenza del biochar sul suolo. Tale pianta arborea ha mostrato una notevole capacità di bio-accumulo a livello radicale, dove sono stati registrati i valori di metalli/metalloidi più elevati, evitandone la loro traslocazione nella parte aerea (soprattutto nelle foglie). Questi risultati confermano quanto riportato in letteratura, dimostrando la capacità fitostabilizzante del pioppo nel limitare la dispersione dei metalli/metalloidi dal sito contaminato alle aree circostanti. Pertanto, le tecniche di biochar e fitodepurazione possono essere potenzialmente combinati nella bonifica di suoli contaminati da metalli/metalloidi. Anche se, gli effetti del biochar sul suolo, sono strettamente associati al tipo di terreno e di sostanze inquinanti presenti. Pertanto, ulteriori studi sono necessari per esaminare l'interazione del biochar sulla struttura e composizione del terreno, sulle specie vegetali utilizzate e sul tipo di inquinate per ottenere un’efficace bonifica dei terreni. In conclusione, anche se i risultati presentati in questo lavoro confermano un buon livello di tolleranza allo stress del pioppo e l'interazione vantaggiosa tra il pioppo con i rizobatteri e/o il biochar, molte sono le questioni aperte. Come definire il tempo necessario per una clean-up di un suolo contaminato. Riuscire ad applicare la fitodepurazione non solo ai siti con bassi a moderati livelli di contaminazione da metalli. Esaminare le possibili interazioni tra i ceppi batterici e la pianta durante il processo di fitodepurazione. Valutare le risposte dei rizobatteri alla co-presenza di più metalli nel suolo, in combinazione anche con il biochar e riuscire a definire un livello soglia per la tossicità dei metalli/metalloidi nel pioppo. La ricerca sulla fitorimedio è interdisciplinare e ha bisogno di conoscenze di chimica del suolo, biologia vegetale, ecologia e microbiologia del suolo. Pertanto, un eventuale studio può essere svolto per esaminare gli effetti dei batteri e del biochar sulla crescita/sviluppo del pioppo e sulla potenzialità della fitorimedio. Per valutare la tolleranza del pioppo (risposte morfologiche e molecolari), per migliorare e aumentare le conoscenze sulla fitodepurazione, riducendone i suoi limiti. Sperando che molte domande associate all'applicazione del fitorimedio possano essere risolte in futuro. Al fine di promuovere una sua applicazione ampia e diffusa su ambienti inquinati, garantendo la protezione e la conservazione del paesaggio.