Università degli Studi di Catania. Facoltà di Agraria.

CDL in Salvaguardia del territorio, dell’ambiente e del paesaggio; A.A. 2011/2012

Chimica dell’inquinamento ambientale. Prof.ssa A. Belligno

La fitorimediazione e i fiori spontanei

Dott.ssa Cristina Pandolfo - www.dryades.it

Inquinamento ambientale

L’inquinamento (biologico, fisico, chimico) rappresenta oggi uno dei principali problemi ambientali. I suoi effetti sugli habitat, sulle piante e sugli animali possono influenzare sia la struttura che la funzione di un intero ecosistema, inclusa la sua capacità di autoregolazione, nonché comportare danni tanto diretti quanto indiretti sugli esseri umani e i manufatti antropici. La definizione di inquinamento dipende dal contesto, ovvero dal sistema preso in considerazione e dal tipo di alterazioni indotte. Per inquinante si intende una sostanza, di origine antropica (agricoltura, industria, mezzi di trasporto, produzione energetica, processi di combustione) quanto naturale (erosione, tempeste di polvere, eruzioni vulcaniche, emissioni delle piante), in grado di alterare le condizioni di equilibrio di un dato ambiente. Bisogna tenere presente che non esiste una sostanza di per sé inquinante, ma è il suo uso, o un evento, che possono diventare inquinanti e la sua alterazione in termini di quantità e/o composizione.

Tra gli inquinanti atmosferici è da registrare, soprattutto in ambiente urbano, la presenza di alcuni metalli pesanti, rilasciati prevalentemente dai veicoli a motore e trasportati nel particolato aereo (inquinante eterogeneo presente nell’aria prodotto dalle combustioni. Aereosol di piccole particelle solide classificate in base alle dimensioni in “PTS”, polveri totali sospese) che risultano estremamente pericolosi e tossici anche a basse concentrazioni.

1 • emissione

2 • trasporto

3 • scambio

4 • distribuzione

5 • immissione

6 • deposito

Il suolo

Strato superficiale che ricopre la crosta terrestre, derivante dall'alterazione di un substrato roccioso, chiamato roccia madre, per azione chimica, fisica e biologica esercitata da tutti gli agenti superficiali e dagli organismi presenti in o su di esso. Costituisce un corpo naturale in continua evoluzione

evaporazione acqua

contenente sostanze

inquinanti

ricaduta piogge acide

inquinamento del suolo

Inquinamento del suolo

fenomeno di alterazione naturale o antropica. Non può essere considerato come autonomo ma è sempre collegato alla deposizione degli inquinanti presenti nell’aria e nell’acqua

Processi di degradazione naturale

Erosione idrica

Erosione eolica

Degradazione fisica, chimica,

biologica

Ricaduta radioattivo -

chimica

Inquinamento per attività antropica: modifica, per azione di sostanze tossiche, degli ambienti dove l’uomo opera e piante e animali seguono il loro ciclo vitale. Fenomeno di alterazione della composizione chimica del terreno

Attività industriali

Insediamenti civili

discariche

Attività agricole

L’inquinamento del suolo uccide la microfauna che lo abita e le specie vegetali che su di esso radicano, con gravi ripercussioni sulla fertilità, la biodiversità e le catene trofiche, predisponendolo anche all’erosione .

diserbanti, pesticidi, concimi

Inquinamento atmosferico

I metalli pesanti elementi chimici metallici con densità relativamente

alta e tossici anche in basse concentrazioni

componenti naturali della crosta terrestre che non possono essere degradati o distrutti. In piccola misura entrano nel corpo umano via cibo, acqua ed aria. Alcuni di questi, come elementi in tracce, sono essenziali per mantenere il metabolismo ma a concentrazioni più alte possono portare ad avvelenamento. La pericolosità dei metalli pesanti è data soprattutto dalla loro capacità di bioaccumularsi, ovvero di aumentare significativamente nel tempo la loro concentrazione in un organismo biologico. I residui assimilati ed immagazzinati si accumulano negli esseri viventi più velocemente di quanto possano essere scomposti (metabolizzati) o espulsi. I metalli pesanti possono entrare nei rifornimenti idrici da scarti derivanti da consumi o industrie o persino per effetto della pioggia acida che penetra nei terreni convogliandoli nei corsi d'acqua, nei laghi, nei fiumi e nell'acqua freatica.

mercurio (Hg) cadmio (Cd) arsenico (As) cromo (Cr) tallio (Ti) piombo (Pb) selenio (Se) nickel (Ni) argento (Ag) manganese (Mn) ferro (Fe) bario (Ba) antimonio (Sb) rame (Cu) zinco (Zn)

La fitorimediazione Phytoremediation

Tecnologia che impiega specie vegetali e

microrganismi per il trattamento “in situ” di suoli, sedimenti e acque contaminate. (contaminanti organici ed inorganici)

tipi di contaminazioni trattate: idrocarburi petroliferi solventi BTEX composti aromatici clorurati esplosivi metalli pesanti radionuclidi

processi di fitorimediazione

Fitodegradazione (contaminanti

organici)

assorbimento e demolizione del contaminante

attraverso i processi metabolici

della pianta

Fitostabilizzazione (contaminanti

inorganici)

riduzione della biodisponibilità degli inquinanti

per azione chimico-fisico-

meccanica dell’apparato

radicale

Fitovolatilizzazione (contaminanti

organici e inorganici)

Assorbimento del contaminante e

rilascio in atmosfera in forma

modificata

Rizodegradazione (contaminanti

organici)

demolizione del contaminante ad

opera dei microrganismi associati alla

rizosfera

Rizofiltrazione (contaminanti

organici ed inorganici)

sottrazione da matrici sia solide

che liquide, assorbimento,

concentrazione e precipitazione

degli inquinanti per azione delle

radici

Fitoestrazione (contaminanti

inorganici, metalli pesanti,

radionuclidi)

assorbimento e traslocazione ai

comparti cellulari degli inquinanti

dalla parte ipogea alla parte epigea

Fitoestrazione

Il processo di fitoestrazione utilizza le piante per la rimozione dei contaminanti dal comparto suolo. Le piante vengono seminate (trapiantate) e quindi coltivate in un suolo inquinato da metalli pesanti, il ruolo di assorbimento dell’inquinante è affidato alle radici che traslocano il metallo alla parte aerea. La parte epigea delle piante sarà poi asportata e con essa anche i metalli pesanti . I tempi di bonifica sono molto variabili, da 1 a 20 anni in funzione del tipo e della gravità dell’inquinamento , della durata dello sviluppo della pianta e dall’efficienza estrattiva.

Efficienza estrattiva: funzione di biomassa prodotta dalla pianta, fattore di bioaccumulazione (Bf, dove Bf = [Me]pianta / [Me]suolo) e volume di suolo esplorato dalle radici. Si stima che la percentuale rimossa per ciascun ciclo colturale sia pari al rapporto tra la concentrazione dell’inquinante nella pianta per la biomassa prodotta dalla stessa (t1) e la concentrazione del metallo nel suolo per il volume di suolo esplorato (t2)

% rimozione = ( [Me] pianta * t1 / [Me] suolo * t2 ) * 100.

1 •assorbimento radicale, traslocazione e accumulo

2

• rimozione del contaminante tramite raccolta della pianta

3 • smaltimento biomassa interessata

inquinamento limitato ad una profondità compatibile con la presenza dell’apparato radicale

caratteristiche chimico-fisiche del suolo compatibili con la crescita vegetale

instaurazione di mutue relazioni tra apparato radicale e microrganismi del suolo, al fine di aumentare l’efficienza del processo.

condizioni necessarie per l’applicazione della fitoestrazione

vantaggi

• notevole riduzione dei costi

• minori quantità di materiale da rimuovere

• positivo impatto su ambiente/paesaggio

• protezione del suolo

• possibile recupero dei materiali estratti

• approvazione dell’opinione pubblica

svantaggi

• estrazione limitata alla profondità di esplorazione delle radici

• probabilità di lunghi tempi di bonifica

• possibile concentrazioni di metalli tossici troppo elevate e non compatibile con lo sviluppo della pianta

Il ruolo degli apparati radicali nella fitoestrazione

L’indagine dell’apparato radicale consente di evidenziare quali siano i meccanismi che permettono alla pianta di colonizzare la rizosfera e di adattarsi all’ambiente. Le radici sono la struttura a diretto contatto con il substrato e rappresentano il punto di ingresso degli elementi. La capacità radicale di esplorare il suolo e di interagire con esso è un fattore chiave nell’ottica di un processo fitoestrattivo, basato sull’azione di assorbimento e traslocazione degli inquinanti dalle radici alla parte epigea della pianta. Le radici, sviluppandosi, sono in grado di espandersi esplorando volumi sempre maggiori di suolo e di rendere biodisponibili, unitamente al processo di estrusione di essudati, i metalli pesanti favorendo il processo di bonifica. Per molte piante la morfologia del sistema radicale è funzione del rapporto geneticamente scritto tra assorbimento, traslocazione ed efficienza del sistema anche se le radici mantengono una certa plasticità fenotipica che consente loro di adattarsi al variare delle condizioni del suolo. Le piante possono manifestare differenti risposte ai fattori di stress che possono condizionare l’apparato radicale, tolleranza e comportamento sono dunque due fattori che vanno considerati nella scelta delle piante da utilizzare nel processo di bonifica. La capacità di accumulare metalli pesanti nell’apparato aereo è correlata al rapporto biomassa aerea e biomassa (o lunghezza) radicale. Lo studio delle modificazioni a carico dell’apparato radicale per monitorare l’adattamento e la modalità di colonizzazione sono l’elemento centrale per l’efficienza fitoestrattiva

Vie di assorbimento radicale: - Banda di Caspary (strato continuo di materiale idrofobo che riveste internamente le pareti cellulari radiali e trasversali delle cellule che costituiscono l’endosperma) - Via apoplastica (attraverso la a parete cellulare) - Via simplastica (dalla parete al protoplasto attraverso la membrana)

Ancora in fase di studio è il riutilizzo delle biomasse provenienti dal processo di fitoestrazione. La presenza di grandi quantità di questi rifiuti è un problema che richiede in primis una riduzione di volume, soprattutto per ridurre i costi di trasporto , a tal fine risulta conveniente sottoporre la fitomassa a compostaggio e pressatura. Al fine di recuperare e ricavare anche un beneficio economico dalla biomassa fitoestrattiva, uno degli utilizzi proposti è quello del suo impiego a scopo energetico per mezzo dell’incenerimento. Le ceneri prodotte, ricche in metalli, possono essere destinate a processi estrattivi (recupero del metallo, quando economicamente conveniente), essere incorporate in conglomerati cementizi in materiali non soggetti a degradazione, o destinate alla discarica con il vantaggio di un ridotto volume rispetto alla biomassa tal quale. Interessante, se la specie scelta lo consente, è la possibilità di utilizzo dei frutti, semi ed oli per produzioni no food (amido per la produzione di carta, colle, plastiche; olio per la produzione di biodiesel o oli industriali), usi possibili solo nel caso in cui la pianta non traslochi i metalli pesanti agli organi riproduttivi.

Il destino delle biomasse

Le piante iperaccumulatrici

Una pianta si definisce iperaccumulatrice quando è in grado di accumulare metalli in quantità circa 100 volte superiore alle altre.

caratteristiche specie vegetali adatte alla fitoestrazione

• tolleranza ad elevate concentrazioni dell’elemento inquinante

• specificità di assimilazione

• facilità di gestione colturale

• proprietà geneticamente stabili

• interesse economico della biomassa

• capacità di sviluppare in tempi brevi una biomassa elevata

• capacità di assorbire e traslocare all’apparato epigeo elevate quantità di inquinanti.

• tolleranza a suoli con caratteristiche fisico-chimiche sfavorevoli

I wildflowers

La flora italiana è ricchissima di specie (circa 5600), molte delle quali presenti nell’area del mediterraneo tra le comuni erbe di campo, che assumono un notevole interesse dal punto di vista fitogeografico, bio-ecologico ed estetico. Proprio tra questi fiori selvatici è possibile selezionare decine di specie da impiegare in terreni abbandonati o modificati dall’uomo, per un recupero sia ecologico che paesaggistico di territori spesso fortemente antropizzati.

campagne

zone incolte

ambienti antropizzati e inquinati

suoli marginali con difetti strutturali e nutrizionali

Ambienti di diffusione

Portamento erbaceo e/o statura non eccessivamente elevata

Fioritura appariscente e prolungata

Adattabilità a suoli aridi, poveri di nutrienti e inquinati

Risposta positiva agli sfalci

Facile reperibilità nel territorio e capacità di autodisseminazione

Facilità di germinazione

caratteristiche dei wildflowers vantaggi

• Conservazione della biodiversità (oasi fiorite, opportunità per la fauna)

• Adattabilità e rusticità

• Potenzialità didattiche

• Effetti positivi sul paesaggio

• Valenza estetico/funzionale

• Risparmio economico

svantaggi

• Carenza delle conoscenze delle specie dal punto di vista agronomico

• Carenza delle conoscenze della biologia dei semi

• Assenza della produzione di sementi sul territorio nazionale

• Scarsa domanda di mercato

• Scarsa conoscenza delle tecniche di impianto e manutenzione

• Scarsa conoscenza dei miscugli più opportuni da utilizzare

Wildflowers iperaccumulatrici applicabili per la fitoestrazione

Agrostemma githago (Caryophyllaceae)

• Pb

Alliaria officinalis (Brassicaceae)

• Pb

Arabidopsis (Brassicaceae)

• Cd, Fe, Zn

Armeria maritima (Plumbaginaceae)

• Pb, Zn

Aster (Asteraceae)

• Ni, Pb, Cd, Cu, Zn

Astragalus (Fabaceae)

• Se

Berkheya coddii (Asteraceae)

• Ni

Brassica rapa sylvestris (Brassicaceae)

• Cd, Cr

Carduus nutans (Asteraceae)

• Pb, Zn

Carthamus (Asteraceae)

• Pb

Chrysanthemum coronarium (Asteraceae)

• Pb

Cichorium intybus (Asteraceae)

• Cd

Cistus salvifolius (Cistaceae)

• Pb, Cd, Zn

Commelina communis (Commelinaceae)

• Pb

Glaucium flavum (Papaveracee)

• Pb

Helianthus annuus (Asteraceae)

• Pb, Sr, Cs, Zn, As, Cd, U

Hypericum perforatum (Hypericaceae)

• Pb, Cd

Iberis intermedia (Brassicaceae)

• Ta

Inula viscosa (Asteraceae)

• Pb, Cd, Zn

Ipomoea alpina (Convolvulacee)

• Cu

Ipomoea lacunosa (Convolvulacee)

• Pb

Linum usitatissimum (Linaceae)

• Cd, Pb

Lithospermum (Boraginaceae)

• Pb

Lotus corniculatus (Fabaceae)

• Se

Lupinus albus (Fabaceae)

• Pb, Zn

Matthiola fruticulosa (Brassicaceae)

• Pb

Medicago sativa (Fabaceae)

• Pb, Cd

Pisum sativum (Fabaceae)

• Pb

Silene colorata (Caryophyllaceae)

• Pb

Silene vulgaris (Caryophyllaceae)

• Zn, Cd

Sinapis alba (Brassicaceae)

• Pb

Taraxacum officinale (Asteraceae)

• Pb

Thlaspi (Brassicaceae)

• Pb, Zn, Cd, Ni

Viola calaminaria (Violaceaee)

• Zn

Brassicaceae Asteraceae

Piombo – Pb Zinco – Zn

La prosecuzione della ricerca e sperimentazione nell’ambito delle specie da fiore autoctone può contribuire a riscoprire taxa dimenticati e soprattutto risulta importantissimo il loro contributo nella possibile risoluzione di problemi quali la rinaturalizzazione di ambienti degradati, o comunque alterati dall’intervento umano e l’armonizzazione di questi con il paesaggio. Investire sui wildflowers, può anche essere un valido aiuto nel rallentamento di quell’erosione genetica che l’antropizzazione, con il disturbo o la distruzione di habitat naturali e l’inquinamento floristico di specie esotiche invadenti, concorre ad aumentare .

Bibliografia:

Il trattamento di terreni contaminati da metalli pesanti mediante fitoestrazione . Luigi Bresciani, Claudia Cerioli, Mentore Vaccari, Paolo Volpini

Wildflowers: produzione, impiego, valorizzazione . A cura di Claudio Carrai; ARSIA Toscana Phytoremediation . Impiego di specie vegetali per la bonifica di suoli contaminati da metalli pesanti. Dott. Marco Vignudelli

Biomonitoraggio di metalli pesanti in ambiente urbano attraverso piante erbacee ruderali. Loris Poetrelli, Stefano Ciferri, Patrizia Menegoni, Tiziana Farneti, Francesco Modestia, Antonio Saluzzo.

Impieghi e prospettive agro-ecologiche per i fiori spontanei. Dott.ssa Francesca Bretzel

Convegno i fiori spontanei per un verde sostenibile. Di Napoli Salvatore