Cos’è il Fitorisanamento o Phytoremediation E’ un set di tecnologie che utilizza le piante, il loro apparato radicale e i microrganismi che in esso vivono per degradare, rimuovere o immobilizzare contaminanti presenti nelle varie matrici ambientali (suolo, sedimenti, acque sotterranee, acque superficiali, atmosfera). Il termine “Phytoremediation” è piuttosto recente e fu coniato a partire dal 1991

Phytoremediation is the use of green plants to clean-up contaminated hazardous waste sites. Phytoremediation is aimed at providing an innovative, economical, and environmentally-friendly approach to removing toxic metals from hazardous waste sites The foundation of phytoremediation is built upon the microbial community, and the contaminated soil/water environment. Complex biological, physical, and chemical interactions that occur within the soil allow for the remediation of contaminated sites. Of major importance is the interaction that takes place in the soil adjacent to the roots, called the rhizosphere. It has been shown that the rhizosphere contains 10-100 times the number of microorganisms per gram than unvegetated soil. Plants exudate from their roots a variety of organic compounds that support the microbial community and facilitate the uptake of some metals

Meccanismi di fitorisanamento: Meccanismi coinvolti o Destino del contaminate Estrazione Concentrazione Degradazione Volatilizzazione Immobilizzazione Una combinazione

Possibili applicazioni Metalli pesanti Radionuclidi Solventi clorurati (TCE, PCE) BTEX PCBs Policiclici aromatici Nutrienti (N, P) Pesticidi clorurati Surfattanti Contaminanti Contaminazione del suolo limitata entro 1 metro dalla superficie Acque di falda entro 10 metri dalla superficie Suoli su larghe aree poco o moderatamente contaminati BTEX benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes Tipologia del sito

Destino di un inquinante organico nel suolo Detossificazione Produzione agricola Fotodecomposizione Volatilizzazione Assorbimento e essudazione Adsorbimento Degradazione Biologica Decomposizione chimica Ossidi Sostanza organica Lisciviazione Flusso capillare Falda

Sites with widespread, low to medium level contamination within the root zone are the best candidates for phytoremediative processes. High concentrations of contaminants may inhibit plant growth and thus may limit application on some sites or some parts of sites. Some ecological exposure may occur whenever plants are used to interact with contaminants from the soil. The fate of the metals in the biomass is a concern. Although some forms of phytoremediation involve accumulation of metals and require handling of plant material embedded with metals, most plants do not accumulate significant levels of organic contaminants In addition, even on currently unvegetated sites, contaminants will be entering the food chain through soil organisms. Accumulation in fruits, seeds, and leaves typically creates more exposure than accumulation in stems and roots.

Profondità di azione

Resistenza alla detossificazione Estrazione Fitochelatine Enzimi Resistenza alla detossificazione Estrazione Fitochelatine Volatilizzazione Degradazione Stabilizzazione Traslocazione Associazione radice-microbi Microrganismi Fertilità del suolo Suolo rizosferico Enzimi Biomassa Enzimi Essudati Assorbimento radicale Biomassa attività FATTORI del SUOLO Mobilità degli inquinanti Immobilizzazione

Tipi di Fitorisanamento Rizofiltrazione: adsorbimento, o assorbimento in radici, o precipitazione su radici di contaminanti presenti in soluzione, grazie a processi biotici o abiotici. Gli essudati radicali potrebbero causare la precipitazione di alcuni metalli. E’ una tecnologia di estrazione e concentrazione nei tessuti radicali. Particolarmente adatta per colture in idroponico, utile per separare i metalli dall’acqua. La rizofiltrazione determina un contenimento degli inquinanti che devono essere rimossi fisicamente, rimuovendo la pianta. E’ adatta per metalli pesanti e radionuclidi

Tipi di Fitorisanamento Rizodegradazione, degradazione di un organico contaminante del suolo attraverso l'attività microbica particolarmente elevata nella rizosfera. E’ nota anche come degradazione pianta-assistita, o plant-assisted bioremediation, plant-aided in situ biodegradation

Tipi di Fitorisanamento Fitoestrazione: estrazione ed accumulo di contaminanti in tessuti di piante accumulatrici incluso radici e germoglio. E’ una tecnologia di estrazione e concentrazione in tutti i tessuti della pianta

Coefficiente di fitoestrazione Metal (g)/DW shoot (g)/ Metal (g)/ DW soil (g) Metal Phytoextraction Coefficient Cr6+ 58 Cd2+ 52 Ni2+ 31 Cu2+ 7 Pb2+ 1.7 Cr3+ 0.1 Zn2+ 17

Tipi di Fitorisanamento Fitotrasformazione, degradazione di molecole organiche complesse in molecole semplici (CO2 e acqua) mediante processi metabolici/enzimatici che avvengono sia all'interno della pianta che nella rizosfera.

Fitostabilizzazione, adsorbimento e precipitazione di contaminanti (principalmente metalli) con conseguente riduzione della mobilità e migrazione nelle acque di falda, nell’aria o nella catena alimentare immobilizzazione dei contaminanti nel suolo attraverso l'assorbimento e l'accumulo da parte delle radici, l’adsorbimento sulle radici, o all'interno dell’apparato radicale l'uso di piante e apparati radicali per impedire la migrazione di contaminanti attraverso l'erosione (vento e acqua), lisciviazione e dispersione del suolo. Il pH del terreno può subire delle variazioni grazie alla produzione di essudati radicali o di CO2. La fitostabilizzazione può cambiare solubilità e mobilità del metallo

Tipi di Fitorisanamento Fitovolatilizzazione, diffusione e traspirazione di un contaminante con il rilascio del contaminante stesso o di un di un suo derivato, generalmente meno tossico.

Ruolo delle Piante nella Degradazione di Contaminanti Organici Degradazione diretta, attraverso attività metabolica dei tessuti vegetali Degradazione indiretta rilascio di essudati radicali che promuovono l’effetto rizosferico ed incrementano la degradazione dei contaminanti; rilascio di enzimi associati alle radici, capaci di trasformare gli inquinanti organici; effetti fisici e chimici delle piante e del loro sistema radicale sulle condizioni del suolo

Le radici possono adsorbire gli idrocarburi sulla loro superfice L’evapotraspirazione trasferisce gli idrocarburi volatili dal suolo all’aria attraverso le piante Gli idrocarburi possono essere degradati o accumulati nelle piante Gli essudati radicali stimolano la comunità microbica a degradare gli idrocarburi Effetto rizosferico Le radici possono adsorbire gli idrocarburi sulla loro superfice Gli idrocarburi possono essere trattenuti nella zona radicale attraverso l’acqua assorbita Frick, Farrell & Germida, 1999

Interazioni tra piante e microrganismi I microrganismi possono ridurre la fitotossicità dei contaminanti fino al punto in cui le piante riescono a crescere in condizioni di terreno sfavorevole stimolando successivamente la degradazione di altri contaminanti non fitotossici “ (Siciliano & Germida, 1998) Ai meccanismi di difesa delle piante dai contaminanti si possono aggiungere le attività microbiche tramite la degradazione esterna dei contaminanati nella rizosfera. Piante e microrganismi hanno co-evoluto strategie mutualmente benefiche contro le sostanze fitotossiche: I microrganismi beneficiano degli essudati vegetali mentre le piante beneficiano della capacità dei microrganismi di degradare sostanze chimiche nocive. (Walton et al., 1994)

Degradazione di Inquinanti Organici nella Rizosfera Inquinante Pianta Residui di oli Riso Attività di Bacillus sp, isolato dalla rizosfera di riso, solo in presenza di essudati radicali PAH Erba di prateria Aumentata scomparsa di PAH in suoli coltivati Surfattanti Grano, Soia, Aumenti significativi delle velocità iniziali di mineralizzazione Petrolio Leguminose Numerosi esempi di bonifica di suoli contaminati da petrolio Tricloetilene Pini, Soia Aumentata degradazione di TCE nel suolo rizosferico Pentaclorofenolo Gramigna medicale (Triticum repens) Aumentata mineralizzazione in suoli contenenti il vegetale

Piante per il fitorisanamento di Inquinanti Organici Agropyron smithii, Bouteloua curtipendula Buchloe dactyloides, Daucus carota Festuca arundinacea, Glycine max Lemma gibba, Lolium multiflorum Lolium perenne, Medicago sativa Phaseolus vulgaris, Populus deltoiles Sorghum bicolor, Secale cereale, Triticum repens

Influenza dei fattori ambientali Tipo di suolo e contenuto di sostanza organica (biodisponibilità dell’inquinante) Contenuto di acqua e disponibilità dell’ossigeno (crescita piante/microrganismi; respirazione aerobica) Temperatura (velocità dei processi) Disponibilità adeguata di nutrienti (velocità ed entità della degradazione) Radiazioni solari (caratteristiche molecolari dell’inquinante) Weathering (biodisponibilità dell’inquinante)

Vantaggi: Utilizzabile con un certo numero di composti organici ed inorganici Applicazioni in situ/ex situ Le applicazioni in situ diminuiscono il disturbo del suolo che si ha con metodi chimico-fisici Riduce la quantità di materiale da portare a discarica fino al 95% Le applicazioni in situ diminuiscono la dispersione di inquinanti via aria e acqua Non richiede equipaggiamenti costosi o personale altamente qualificato Basso costo paragonato a metodi convenzionali Eco-compatibile ed esteticamente gradevole, in genere ben accetto dal pubblico

Svantaggi: Applicabile a siti con bassa contaminazione superficiale nell’area accessibile alle radici Il processo di fitorimediazione può durare anche alcuni anni Il raccolto della biomassa vegetale dopo il processo di fitorimediazione è considerato un rifiuto speciale Le condizioni climatiche possono non essere adatte L’introduzione di specie non native può alterare la biodiversità e le comunità vegetali Gli inquinanti possono entrare nella catena alimentare attraverso le piante usate come cibo da animali ed insetti Richiesta di ammendanti per facilitare l’azione delle piante verso inquinanti saldamente legati a particelle del suolo (agenti chelanti)

Sviluppo di un programma di fitorisanamento Identificare l’inquinante e il relativo ambiente inquinato da recuperare Screening di specie vegetali adatte Verifica in serra e in prove di campo della specie selezionata, per identificare le eventuali incapacità disinquinanti Studiare i processi base e i meccanismi coinvolti nella fitorimediazione Se richiesto, modificare (ingegnerizzare) le caratteristiche desiderate della specie selezionata e/o ottimizzare le condizioni del suolo e le pratiche di coltivazione per sostenere la crescita e l’accumulo/tolleranza al contaminante Provare la tecnologia migliorata Valutare i costi ambientali ed economici

Valutazione di un programma di fitorisanamento Criteri E’ stato ottenuto il risanamento del sito? L’inquinamento è stato completamente rimosso? Il trattamento ha causato un miglioramento visivo ed estetico del sito inquinato? Il trattamento è economicamente competitivo?

Costi di un Processo di Fitorisanamento Costo stimato di una fitoestrazione: da 60.000 a 100.000$ per acro (4046,873 m2) (incluso tutte le fasi del processo) Costo stimato per un sito inquinato da oli, gas, fenoli, composti organici volatili e semivolatili : 3000 $ per m3 per anno (BP Amoco)