ENEA e Biotecnologie di Risanamento Ambientale

ecosostenibilita sempre e comunque

Le biotecnologie ambientali hanno un ruolo decisivo nella realizzazione di uno sviluppo sostenibile duraturo. L'ENEA, ha sviluppato approcci innovativi per il miglioramento delle tecnologie di biorisanamento esistenti. Essi mirano a catturare e potenziare le capacità di biorisanamento naturalmente presenti nei sistemi ambientali.

I processi microbiologici responsabili della trasformazione degli inquinanti (biodegradazione, mobilizzazione, immobilizzazione, detossificazione) rappresentano il motore che guida i fenomeni di attenuazione naturale della contaminazione, cioè la capacità di auto-depurazione degli ecosistemi. Tuttavia l’accumulo di inquinanti altamente tossici in ambiente rende evidente che il flusso dei contaminanti di origine antropica è troppo elevato perché i microrganismi, in condizioni naturali, riescano da soli a smaltirlo. Si rende quindi necessario un aiuto per sfruttare al meglio le loro potenzialità e tradurle in efficaci tecnologie di biorisanamento. 

L'ENEA ha sviluppato un approccio al biorisanamento, tramite bioaugmentation (aggiunta di batteri competenti, autoctoni o alloctoni, per aumentare le capacità cataboliche rilevanti per il processo di biorisanamento), che ha permesso di ottenere risultati positivi riguardo alcune problematiche quali la co-contaminazione e la bonifica di siti minerari.  La bioaugmentation è influenzata dalle caratteristiche fisico-chimiche dei contaminanti che possono ridurre l'attività microbica. Uno dei principali problemi associati alla bioaugmentation è la sopravvivenza dei microrganismi inoculati o la microbiostasi, cioè l’arresto della crescita e della riproduzione microbica, a causa di stress abiotici e biotici.  Tra le diverse strategie possibili di bioaugmentation la ricerca si è focalizzata sull'uso di consorzi microbici, che mettano in relazione funzionale la struttura della comunità microbica in situ con gli inquinanti presenti. 

Gli inoculi introdotti, devono essere metabolicamente competenti e in grado di sopravvivere e di catturare il flusso energetico per guidare attivamente l'intera comunità microbica verso i processi biochimici necessari per la bonifica. La ricerca è stata quindi indirizzata all'identificazione delle popolazioni stabili e metabolicamente competenti presenti nelle comunità microbiche autoctone di matrici contaminate. L’approccio seguito comporta la caratterizzazione bio-geo-chimica, quella della matrice, dei contaminanti nonché la loro concentrazione e biodisponibilità. La comunità microbica nativa viene pure caratterizzata sia a livello metabolico che strutturale. L’insieme di queste informazioni permette di valutare il potenziale di biorisanamento intrinseco alle matrici stesse da trattare. Nel caso in cui il sistema ambientale sia invece privo di microrganismi competenti, è necessario inoculare microrganismi alloctoni, che devono essere scelti sulla base della conoscenza della composizione della comunità nativa, al fine di apportare ceppi compatibili che arricchiscano il patrimonio metabolico della comunità, riducendo al minimo l’impatto sia per gli inoculati che per la comunità nativa. La scelta di procedere con consorzi di batteri, anziché con specie individuali, deriva dall’esigenza di simulare il più possibile i sistemi naturali. Per procedere con la bioaugmentation i ceppi così selezionati vengono cresciuti in laboratorio fino alla concentrazione ritenuta necessaria, successivamente vengono inoculati nella matrice da trattare.

Bioaugmentation e Trattamento di reflui conciari

colonie isolate della flora microbica dei fanghi

L’industria conciaria provoca un elevato impatto ambientale a causa dei notevoli quantitativi di effluenti liquidi, solidi e aeriformi prodotti, caratterizzati da elevato contenuto di cromo nei reflui e dei fanghi, elevato livello di COD, presenza di tensioattivi e considerevole salinità negli effluenti. L’ingente consumo di acqua e la difficoltà di depurare gli effluenti industriali costituiscono i problemi fondamentali dei poli industriali di questo tipo. Le attività svolte da ENEA riguardano una sperimentazione su impianti pilota, mirata a definire una tecnologia in grado di recuperare la notevole quantità d'acqua utilizzata in questo tipo di lavorazione. Dai fanghi prelevati nelle vasche di decantazione della stessa conceria, è stata isolata e caratterizzata la flora microbica presente, per costituire una formula di ceppi, selezionati per resistenza al Cromo. La performance, oltre che nella rimozione del Cromo (da 60 a 10-15 mg L^-1 in max 70 ore), è stata buona anche riguardo la completa degradazione degli inquinanti organici presenti (4-cloro-3-metilfenolo, isodecil-polietossilato e paraffine) raggiunta in 40 ore circa e permettendo quindi il riutilizzo dell’acqua effluente. Nell’impianto BAC il carbone attivo ha favorito l’organizzazione della comunità microbica in biofilm, con una più marcata capacità di biodegradazione degli inquinanti e una cinetica di abbattimento del Cromo più rapida (a 15 mg L^-1 in 20 ore).

Biorisanamento di suoli co-contaminati da metalli e idrocarburi

La co-contaminazione rappresenta uno dei colli di bottiglia metabolici del biorisanamento, poiché la tossicità dei metalli inibisce le capacità degradative dei microrganismi, a vari livelli. Partendo da un’esplorazione microbiologica di alcune aree contaminate del sito siderurgico ex-ILVA di Bagnoli, che presentavano differenti tipologie e concentrazioni di inquinanti, sono state isolate tre distinte comunità microbiche native, caratterizzate per la composizione in specie e per il profilo metabolico, per la capacità di resistenza ai metalli pesanti e  per la capacità di degradare contaminanti organici, principalmente idrocarburi. È stata inoltre studiata la relazione tra i contaminanti presenti, il livello di ecotossicità rilevato e le caratteristiche metaboliche delle popolazioni microbiche native. Il lavoro ha permesso di isolare delle popolazioni stabili, adattate alle condizioni di contaminazione cronica e di selezionare, al loro interno, un centinaio di ceppi batterici con capacità di pluri-resistenza ai metalli pesanti e in grado di mantenere attivo il metabolismo biodegradativo verso idrocarburi e derivati. Da queste popolazioni, sono state sviluppate alcune formule microbiche per sperimentazioni di biorisanamento. La formula microbica usata è stata poi potenziata, con l’aggiunta di ceppi produttori di biosurfattanti, sempre isolati dal sito di Bagnoli, allo scopo di aumentare la biodisponibilità degli idrocarburi. Lo studio ha dimostrato che la formula microbica introdotta è in grado di promuovere una degradazione degli idrocarburi prossima al 75% nei primi 15 cm di suolo argilloso, in presenza di metalli pesanti. Lo studio della mobilità dei metalli pesanti ha dimostrato che, al termine dell’esperimento, essi sono presenti in forma quasi completamente biodisponibile. 

Biorisanamento di siti minerari

La bonifica dei suoli contaminati da metalli pesanti che derivano da attività minerarie rappresenta un obiettivo strategico per le politiche europee. L'obiettivo generale del progetto UMBRELLA, sviluppato da ENEA, è di utilizzare il potenziale offerto dai microrganismi per accelerare le attuali tecniche di fitorisanamento. L’obiettivo viene perseguito con un approccio di ricerca interdisciplinare nei settori della microbiologia, dell’assorbimento di metalli da parte di piante e della (idro)-geochimica, mirato allo studio dell'influenza microbica sui cicli biogeochimici dei metalli e dell’impatto del loro impiego nella protezione del suolo e delle acque. Il progetto si propone di fornire agli utilizzatori finali della tecnologia un insieme di strumenti (microrganismi e piante in associazione, approccio metodologico e modelli previsionali) per azioni di bonifica in situ, a basso costo e a basso impatto ambientale. Il progetto ha preso in esame complessivamente sei siti minerari in diverse zone europee, con l'obiettivo dell’individuazione dei microrganismi autoctoni dei suoli delle sei miniere e la successiva costituzione di un consorzio microbico, per ogni sito, con i 10 ceppi batterici selezionati per le migliori capacità di resistenza ai metalli pesanti e di promozione di crescita delle piante. I consorzi microbici così definiti entrano a far parte di un “tool-box” specifico per ogni sito, insieme alle specie botaniche selezionate, per realizzare interventi di fitorisanamento assistito di metalli pesanti.

specie botaniche slezionate per realizzare interventi per la fitorisanamento

Il sito italiano prescelto è la miniera abbandonata di blenda e galena  di Ingurtosu, Sardegna. Nel sito è stato allestito un campo sperimentale, dove sono tuttora in corso dei test che impiegano come tool-box un’associazione tra una pianta pioniera endemica, Euphorbia pythiusa, un consorzio di batteri PGP  e, in alcune condizioni, anche micorrize autoctone. È stato inoltre testato l’effetto di un prodotto commerciale sul dilavamento dei metalli pesanti dal suolo. L’attività microbica del suolo, i parametri fisiologici delle piante, il contenuto di metalli pesanti nel suolo e nelle piante sono stati monitorati durante la prova, mostrando una certa capacità spontanea di assorbimento di zinco da parte della pianta, un effetto positivo dei batteri sullo stato di salute della pianta e una riduzione della concentrazione dei metalli nel suolo, particolarmente significativa nelle condizioni in cui sono presenti sia batteri che ViroMine.

http://www.enea.it/it/produzione-scientifica/EAI/anno-2013/biotecnologie-per-lo-sviluppo-sostenibile/biotecnologie-per-l2019ambiente