IL BIORISANAMENTO
METABOLISMO MICROBICO E BIORISANAMENTO
Inoltre, l’accettore finale di elettroni del processo metabolico definirà diversi pathway biochimici:
Aerobico
Anaerobico
Co-metabolismo
Es: ossidrilazione degli IPA grazie a mono e diossigenasi e conversione ad acetyl-coA grazie all’azione delle catecolo diossigenasi. Accettore finale: O2.
Es: idrolisi, declorazione, dealchilazione, riduzione di composti azotati grazie all’azione di monossigenasi e idrolasi. Accettori finali: NO3-, SO4
2-, CO2
Avviene nella formazione di consorzi microbici: formazione di composti intermedi da parte di batteri aerobi e conversione degli intermedi modificati in condizione di anaerobiosi
IL BIORISANAMENTO
METABOLISMO MICROBICO E BIORISANAMENTO
Pseudomonas Acinetobacter Bacillus Sphingomonas Sulfolobus
Gli effettori del metabolismo microbico sono sempre gli ENZIMI. Diversi microrganismi possiedono attività enzimatiche in grado di operare reazioni redox su un’ampia gamma di composti come anche gli inquinanti ambientali. Tra gli enzimi maggiormente implicati nei processi biodegradativi aerobici dei composti xenobiotici troviamo le monoossigenasi e le
diossigenasi, le deidrogenasi e le idrolasi.
Inoltre, la produzione da parte dei microrganismi di biosurfattanti (lipo e glicolipidi) può migliorare la degradazione di molecole apolari come gli idrocarburi.
Singoli batteri però generalmente possono degradare soltanto un range ristretto di substrati idrocarburici; per questo risulta fondamentale la costituzione di CONSORZI MICROBICI.
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METABOLISMO MICROBICO E BIORISANAMENTO
Differenza tra biodegradazione e biorisanamento.
Entrambi i processi sono governati dai microrganismi e dal loro metabolismo. Tuttavia, la biodegradazione è un processo naturale, ubiquitario e non controllato. Come accennato, esso è a bassa efficienza per composti scarsamente biodegradabili.
Il biorisanamento è un approccio biotecnologico controllato che utilizza gli agenti biologici per degradare specifici xenobiotici contaminanti. Nel biorisanamento, gli organismi vengono introdotti nel sito contaminato o vengono potenziati i microrganismi naturali fornendo adeguati requisiti di crescita. In questo senso, il biorisanamento può essere visto come un potenziamento mirato delle capacità degradative di alcuni microrganismi e comporta la manipolazione dei parametri ambientali come pH, temperatura, contenuto di umidità e nutrienti.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO
Esistono diverse tecniche di biorisanamento. La scelta di una tecnica piuttosto che di un’altra è legata alla conoscenza delle caratteristiche idro-geologiche del sito, l’estensione dell’area, il tipo
e grado di inquinamento, la distribuzione spaziale delle sostanze tossiche nel sito e le
caratteristiche della popolazione dell’ecosistema. Innanzitutto esistono:
Trattamenti
chimico-fisici Trattamenti biologici
• Soil flushing e soil washing
• Soil venting e air venting • Immobilizzazion e e barriere semi-permeabili VANTAGGI: • > Efficienza • > Velocità SVANTAGGI: • > Costi • Alterazione delle caratteristiche ambientali e biologiche del sito. • Bioaugmentation • Biostimulation • Bioventing • Phytoremediation • Compostaggio • Landfarming • Bioreattori e biobarriere VANTAGGI: • Ecocompatibilità • < Costi SVANTAGGI: • < Efficienza • Necessità di continuo monitoraggio • Possibile formazione di composti dannosi
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO
Esistono inoltre: Interventi in-situ Interventi ex-situ:on site o off site
Interventi che permettono di decontaminare i siti senza rimuovere il suolo o le acque da bonificare. Queste tecnologie risultano vantaggiose da un punto di vista economico, e consentono bonifica di vaste aree, ma sono sconsigliate qualora il rischio legato alla contaminazione e diffusione sia molto elevato. I limiti di questi sistemi consistono nella difficoltà di controllare in maniera efficace le reazioni degradative e sono in genere lenti.
Interventi che prevedono la rimozione fisica del materiale contaminato per i processi di trattamento al di fuori del sito ambientale.
Sono interventi di seconda scelta e si usano quando i metodi in-situ non siano in grado di garantire livelli di degradazione soddisfacenti o per particolari caratteristiche della matrice, del territorio o dell’elevata concentrazione degli inquinanti.
VANTAGGI DEL BIORISANAMENTO:
• Costi contenuti
• Minimo impatto ambientale
• Trattamento mirato verso specifici xenobiotici
• Eliminazione dei rifiuti in maniera
permanente
• Applicazione anche per contaminanti diluiti e
a basse concentrazione
• Le tecniche in situ possono essere impiegate
IL BIORISANAMENTO
METABOLISMO MICROBICO E BIORISANAMENTO
Biodegradabilità dello xenobiotico Potenziale di mineralizzazione Disponibilità di C, N, P e accettore di elettroni Disponibilità di fonti di nutrienti alternative e condiz. redox Estensione e distribuzione dei contaminanti Estensione della popolazione microbica Il biorisanamento è quindi unprocesso complesso che
necessita del lavoro e
monitoraggio continuo da parte
di esperti con diverse
competenze. Bisognerà infatti considerare le caratteristiche dei ceppi microbici da utilizzare in sinergia con le caratteristiche idro-geologiche del territorio da bonificare e dello xenobiotico da degradare.
IL BIORISANAMENTO
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
I metodi biologici possono essere di vario tipo e si basano sullo sfruttamento dell’attività metabolica dei microrganismi naturali o ingegnerizzati. In funzione del tipo di inquinante, i metodi biologici impiegano una varietà di microrganismi differenti (batteri e/o funghi) o piante.
(Tra i microrganismi maggiormente utilizzati per bonificare le aree inquinate si ricordano le specie appartenenti ai generi Pseudomonas, Mycococcus,
Bacillus, Rhodococcus, Mycobacterium, Trichoderma, Cladosporium, Aspergillus, Penicillium, Saccharomyces,
etc).
Gli approcci principali si dividono in:
Garbisu et al. Front. Microbiol., 09 October 2017. Plasmid-Mediated Bioaugmentation for the Bioremediation of Contaminated Soils.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
BIOATTENUATION
È il tipo più semplice di biorisanamento e viene di solito messo in atto nelle fasi iniziali, assieme allo studio della popolazione microbica indigena e delle caratteristiche geologiche del sito. Esso consiste nel monitorare il naturale avanzamento della degradazione degli xenobiotici nel sito di interesse per assicurarsi che il processo di biodegradazione avanzi con il tempo in punti di campionamento selezionati.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
BIOSTIMULATION
È l’approccio di prima scelta quando è già presente una microflora endogena con capacità degradative per lo xenobiotico ma in condizioni ambientali sfavorevoli (inquinante eccessivo, pH, mancanza O2 e altri nutrienti), si provvede all’aggiunta di componenti in grado di correggere le condizioni sfavorevoli e così favorire la crescita e attività dei ceppi di interesse. Es: incremento di N e P o altri nutrienti necessari per il co-metabolismo quando ci sono più ceppi coivolti. È necessaria una conoscenza approfondita della microflora endogena e delle condizioni chimico-fisiche del sito
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
CELL BIOAUGMENTATION
Consiste nell’introduzione nel sito da bonificare di microrganismi, autoctoni o alloctoni. I microrganismi vengono isolati da terreno o acque di falda ed accresciuti in presenza del contaminante da degradare. In questo modo è possibile isolare solo le popolazioni microbiche di interesse. Alcuni test di laboratorio permettono di valutare la biocompatibilità e le capacità degradative dei microrganismi selezionati prima del loro inoculo nel sito contaminato.
Per scegliere la dose e il tipo di microrganismi più adatta da utilizzare, occorre prendere in considerazione:
• volume di contaminante,
• tipo e proprietà delle sostanze inquinanti,
• parametri fisici come pH del suolo, temperatura del terreno, etc.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
GENETIC BIOAUGMENTATION
Consiste nell’introduzione nel sito da bonificare non di microrganismi ma di geni (in plasmidi) codificanti per enzimi in grado di degradare specifici xenobiotici presenti nel sito. Questo approccio sfrutta le naturali capacità di trasferimento genetico orizzontale dei batteri autoctoni che possono così acquisire le capacità degradative necessarie, senza necessità di introdurre al sito nuovi ceppi batterici, la cui sopravvivenza e impatto sulla microflora indogena è spesso difficile da valutare.
In questo approccio, è richiesta una conoscenza approfondita della microflora endogena ed una selezione appropriate dei geni donatori.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
BIOVENTING
Ha come obiettivo la stimolazione dell’attività metabolica dei microrganismi autoctoni aerobici in grado di degradare i contaminanti presenti in una zona satura di inquinanti nel suolo. Tale tecnologia prevede l’utilizzo di pozzi per migliorare l’ossigenazione tramite l’immissione di aria nell’ambiente. Eventualmente sono presenti uno o più pozzi per l’estrazione collegati a delle pompe da vuoto che garantiscono la circolazione dell’aria nel terreno. Usata soprattutto per il trattamento delle acque di falda e nella contaminazione da idrocarburi e VOCs.
Ci può essere un sistema d'irrigazione superficiale dell'area contaminata per la fornitura di acqua e nutrienti in forma solubile così da garantire un rapporto ottimale pari a circa C:N:P = 100:10:1.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO in situ
BIOBARRIERE E FILTRI MICROBIOLOGICI
Si tratta di vere e proprie barriere e di filtri microbiologici il cui utilizzo deriva dalla necessità di superare la difficoltà di distribuire in maniera uniforme all’interno dell’acquifero i vari composti (ossigeno e nutrienti) necessari all’attività metabolica della microflora batterica utilizzata. Viene solitamente scavata una trincea e riempita con materiale sabbioso.
Qui viene inoculato un ceppo batterico selezionato per la biodegradazione del contaminante che fluisce con l'acqua attraverso la barriera. I batteri,
adesi alle particelle sabbiose, si trovano
concentrati in uno spazio confinato.
È anche possibile l’uso di colonne con filtri per trattare direttamente le emissioni d’aria.
Noduli di deposizione di erbicidi o microrganismi
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO ex situ
LANDFARMING
Il terreno inquinato viene dissodato, i nutrienti sono dosati e aggiunti e viene eventualmente modificato il pH. La microflora batterica può essere autoctona o esogena. Un sottile strato di terreno contaminato viene deposto al di sopra di un letto drenante di sabbia o ghiaia. L’aerazione e umidità vengono così massimizzate. Il letto di sabbia è disposto a sua volta su un manto impermeabile in PVC avente lo scopo di evitare la percolazione dei contaminanti.
È una tecnica analoga al Landfarming. È utilizzata nel trattamento dei rifiuti solidi e dei fanghi di depurazione dei reflui civili. I cumuli di terreno sono periodicamente rivoltati per mantenere le condizioni aerobiche e miscelati con altra materia organica come compost o scarti agricoli. Il terreno deve essere preventivamente trattato con agenti rigonfianti per incrementare la porosità e consentire l’uniforme distribuzione degli additivi ed il trasferimento dell’ossigeno.
La fornitura dell’ossigeno può avvenire mediante
insufflazione e aspirazione dell’aria. Per accelerare il processo, si può prevedere l’insufflazione di aria calda.
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO ex situ
COMPOSTAGGIO
IL BIORISANAMENTO
TIPI DI BIORISANAMENTO ex situ
BIOREATTORI
Il tipo più complesso di sistema impiantistico è il Bioreattore. Esso può essere sia per trattamento di sistemi acquosi che solidi. È un sistema a ciclo continuo in cui ogni parametro è controllato costantemente. Il suolo inquinato è trattato nel bioreattore, qui vengono aggiunti costantemente acqua per il 40-90% in peso, nutrienti, tensioattivi utili al desorbimento dei contaminanti poco solubili. L’ossigeno viene costantemente insufflato e il pH e la temperatura sono controllati. Una volta completata la biodegradazione, la miscela viene rimossa e disidratata mediante diversi sistemi di separazione solido-liquido. I vantaggi di questa tecnica sono un rendimento di rimozione in genere superiore al 90% e tempi di trattamento brevi (3-30 giorni) ma ha elevati costi.
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TIPI DI BIORISANAMENTO
UTILIZZO DI MICRORGANISMI GENETICAMENTE MODIFICATI
L’utilizzo di OGM è una delle frontiere nel biorisanamento e può essere considerato il passo successivo rispetto al genetic bioaugmentation. Invece di fornire materiale genetico utile per la degradazione dello xenobiotico, le tecniche di ingegneria genetica e metabolica hanno reso possibile utilizzare direttamente microrganismi GM.
Peixoto et al. Microbial Enzymes 2011. Petroleum-Degrading Enzymes: Bioremediation and New Prospects.
Negli OGM l’aggiunta di geni codificanti per particolari enzimi, porta alla costruzione de novo di nuovi pathway catabolici e rende
questi batteri capaci di
biodegradare xenobiotici e di selezionarsi positivamente in un sito inquinato.
Un’alternativa che ha preso piede negli ultimi anni è anche quella del diretto utilizzo di enzimi immobilizzati.
