I T I S B FOCACCIA Salerno Progetto

I. T. I. S. “B. FOCACCIA” Salerno Progetto CHISS : Gruppo WP 3 - Prof. ssa Madaio Inquinamento del suolo da Piombo e principali tecniche di bonifica Alunni della V I: Ciullo Alessandro, Coppola Federico, Corbisiero Rita, Intiso Adriano Alunni della V M: Frasca Anna, Memoli Davide, Oliva Michela, Stanzione Lucia, Trapanese Vincenzo

Introduzione I metalli pesanti (in particolare il piombo) sono estremamente tossici per l’ambiente poichè tendono a bioaccumularsi e a dare fenomeni di biomagnificazione. Dal suolo essi sono trasmessi alle piante e agli animali e quindi agli alimenti fino all'uomo.

Cause di contaminazione da metalli pesanti Ø Vari processi industriali Ø Centrali termoelettriche Ø Traffico motorizzato Ø Utilizzo di fertilizzanti Ø Sfruttamento e successiva dismissione di miniere Ø Accumulo di rifiuti urbani e loro incenerimento Utilizzi del Piombo ØFabbriche di munizioni ed esplosivi ØBatterie ed accumulatori ØVernici e smalti Ø Vetri e ceramiche

Tossicità dei metalli pesanti Deposizione nelle cellule mediante interazioni con biomolecole (proteine, enzimi ed acidi nucleici) Forte affinità del catione metallico per i gruppi ‑SH dell’amminoacido cisteina con formazione di un complesso metallo-zolfo che compromette la funzionalità enzimatica Ø Modifica della conformazione attiva Ø Blocco di siti funzionali Ø Spostamento di ioni metallici essenziali

Saturnismo L’intossicazione proveniente da una elevata esposizione al piombo è chiamata saturnismo (dal nome dato al piombo dagli alchimisti medioevali) e si manifesta con : Ø Ø anemia ipertensione neuropatia coliche addominali Ø impotenza e sterilità Curiosità: La morte di personaggi famosi come Beethoven, Goya e Van Gogh è stata attribuita al saturnismo. Per i pittori si assume che l'intossicazione cronica sia dovuta al loro contatto con i colori: Goya inumidiva i pennelli con la bocca.

Bonifica dei Siti Inquinati Trattamenti chimico-fisici Biorisanamento: Øtrattamenti microbiologici Øfitodepurazione Artemisia princeps Acidithiobacillus ferrooxidans

in situ Trattamento sul posto del materiale contaminato INTERVENTI DI BONIFICA ex situ Rimozione fisica del materiale e successivo trattamento on-site off-site

Trattamenti chimico-fisici Ø metodi di precipitazione/sedimentazione Sfruttano la proprietà dei metalli di essere precipitati come idrossidi, solfuri o carbonati per poi essere separati per sedimentazione Ø complessazione mediante ligandi Prevedono l’utilizzo di ligandi (es. EDTA) in grado di complessare i cationi metallici conseguente solubilizzazione Ø metodi di ossidazione/riduzione chimica Si effettuano con l'aggiunta di agenti riducenti, ossidanti o neutralizzanti in grado di trasformare il metallo nelle sue forme meno tossiche o meno solubili

Esempio di trattamento chimico-fisico Ø Utilizzo di argille (vermiculite e montmorillonite) per la demetallizzazione di soluzioni contenenti specie metalliche rimosse dal terreno inquinato mediante ligandi (acido ossalico, acido citrico, acido tartarico e acido malonico) in grado di complessare i cationi metallici. Ø Le soluzioni estraenti devono essere in grado di rimuovere dal suolo i metalli potenzialmente tossici mediante contatto prolungato, lisciviazione e successiva decantazione e raccolta ØIl lisciviato così ottenuto viene demetallizzato mediante fissaggio su argille le quali possono assorbire i metalli pesanti, compreso il piombo, attraverso meccanismi di scambio cationico e di formazione di complessi a sfera interna con i gruppi Si-O- e Al-O- presenti sulle argille.

Biorisanamento Il biorisanamento utilizza il potenziale metabolico dei microrganismi e/o piante per la riduzione dell'inquinamento di aria, acque e suolo. Esiste una vasta gamma di microrganismi in grado di vivere in presenza di elevate concentrazioni di ioni metallici verso i quali hanno sviluppato meccanismi di resistenza molto conservati nel tempo e tra le diverse specie

Meccanismi biochimici di resistenza microbica ai metalli pesanti Ø alterazione della speciazione chimica dei metalli con variazione dello stato di ossidazione e loro trasformazione in forme meno tossiche e spesso con minor solubilità; Ø concentrazione dei metalli all’esterno della cellula grazie alla formazione di legami con siti carichi negativamente situati sulle membrane cellulari (es. gruppi fosfato dei fosfolipidi di membrana). Ø concentrazione dei metalli all’interno della cellula, mediante specifici canali di trasporto

Meccanismi biochimici di resistenza microbica ai metalli pesanti Ø A livello intracellulare le metallotioneine, metallotioneine proteine a basso peso molecolare e ad elevato contenuto di residui –SH dell’amminoacido cisteina, formano biocomplessi con i metalli pesanti sequestrando i metalli dal citoplasma prevenendo la loro interazione con i componenti cellulari. (Nelle piante : fitochelatine) cadmio-metallotioneine.

Tecniche di biorisanamento microbiologico Ø biolisciviazione (bioleaching) Utilizzo di microrganismi capaci di permettere il passaggio in soluzione di specie metalliche verranno successivamente estratte dal lisciviato mediante metodi chimico-fisici o biologici. Saccaromyces cerevisiae Rhizopus arrhizus Leptospirillum ferrooxidans Ø bioadsorbimento (biosorption) I metalli vengono adsorbiti e/o complessati sulla superficie della biomassa che, precipitando come fango attivo, trasforma i metalli solubili in composti insolubili. L’adsorbimento degli ioni metallici avviene mediante interazione con vari tipi di ligandi o gruppi funzionali localizzati sulle membrane cellulari

Esempio di trattamento chimico-microbiologico Ø Il terreno contaminato viene dapprima lisciviato con acido citrico, un agente legante per metalli più efficace e meno costoso dell’EDTA. Ø Il lisciviato, ricco in ferro-citrato, addizionato di ioni fosfato e ammonio, diventa un buon terreno di coltura, per un ceppo batterico di Klebsiella oxytoca. Ø I metalli vengono bioprecipitati dal lisciviato e concentrati in un ferro-gel di origine batterica. Ø Con questa tecnica di lisciviazione quasi il 100% di piombo, rame e arsenico presenti come inquinanti precipitano nel ferro-gel.

Fitodepurazione Specie vegetali come filtri biologici: Crescita di piante su terreni contaminati in modo che gli inquinanti possano percolare attraverso il sistema radicale e accumularsi in radici, fusti, foglie etc. La biodisponibilità di un metallo può essere incrementata attraverso la somministrazione di agenti chelanti (EDTA), che facilitano l’assorbimento del metallo da parte delle piante. Ø Ø Ø Tali agenti devono essere: non tossici biodegradabili economici facilmente reperibili assorbibili dalle specie accumulatrici

ØFitostabilizzazione Sfrutta la capacità di alcune piante di produrre composti chimici nelle radici in grado di immobilizzare i metalli all’interfaccia radici-suolo riducendone la biodisponibilità ed evitandone la migrazione verticale verso le falde acquifere ØFitoestrazione Sfrutta la capacità di alcune piante, dette metalloaccumulatrici, di estrarre i metalli dal terreno attraverso l’apparato radicale e di concentrarli in germogli e foglie. ØPiante a crescita rapida e non da utilizzare come foraggio

Riportiamo alcune specie vegetali accumulatrici di metalli pesanti, tra cui il piombo: Specie vegetale Metalli accumulabili Artemisia princeps Beta maritima Brassica campestris Brassica nigra Brassica juncia Poa annua Brassica hirta Cd, Zn, Cu, Pb Pb, Cu, Zn Pb Pb Cd, Ni, Pb, Se Cd, Cu, Ni, Cd, Zn, Pb Hg, Pb Utilizzate soprattutto piante della famiglia delle Brassicaceae. Brassica juncia può rapidamente concentrare all’interno dei suoi tessuti radicali, cadmio, nikel, piombo e selenio, abbassandone il livello nel suolo circostante del 55% il primo anno e di un ulteriore 16% il secondo.

Al termine del trattamento la biomassa vegetale deve essere raccolta e smaltita. Le piante vengono essiccate ed incenerite a temperature inferiori a 600°C per non disperdere il metallo nell’ambiente. Talvolta si rende necessario effettuare più cicli di coltivazione e raccolta per il recupero totale del sito Sezione schematica di un impianto di fitodepurazione

Phytoremediation del Piombo Piuttosto difficoltosa per il piombo perché: Ø saldamente trattenuto dai materiali presenti nel suolo Ø poche piante sono in grado di iperaccumulare piombo senza subire danni irreparabili alle proprie cellule. E’ stato dimostrato che i cationi metallici inibiscono l’attività mitotica e di conseguenza la divisione cellulare Il piombo, alterando le strutture mitocondriali, può disaccoppiare la fosforilazione ossidativa e interferire con la sintesi proteica delle cellule vegetali.

Svantaggi dei trattamenti chimico-fisici Vantaggi dei trattamenti microbiologici Ø Costi elevati Ø Costi minori Ø Rimozione incompleta dei metalli e bassa selettività Ø Minimo impatto ambientale per i trattamenti in situ Ø Alti consumi energetici e di reagenti Ø Maggiore semplicità di processo Ø Produzione di fanghi tossici e altri prodotti di rifiuto. Ø Tempi di bonifica relativamente brevi

Ricerca e Quantificazione del Piombo negli alimenti a foglia larga e in funghi

Funghi Grazie alle ife fungine sono capaci di assorbire e/o accumulare elevate quantità di contaminanti metallici, nonostante i bassi livelli presenti nel terreno, e trattenere a lungo elevate concentrazioni di inquinanti. Presentano molecole proteiche analoghe alle metallotioneine. Si ritiene che siano molto utili nell'identificazione di bassi livelli di inquinamento come bioindicatori

Ricerca e Quantificazione del Piombo negli alimenti a foglia larga e in funghi Per valutare quanto il piombo, presente nell’ambiente, si accumula negli alimenti, abbiamo svolto una ricerca finalizzata alla determinazione del Pb in verdure a foglia larga, raccolte in terreni adiacenti zone potenzialmente inquinate, e in funghi raccolti in zone montagnose.

Metodica analitica ØIl campione fresco (non lavato) viene triturato ed estratto con adatta soluzione estraente: (CH 3 COO-NH 4+ 10 g/l EDTANa 2 2 g/l; correzione del p. H con CH 3 COOH fino a p. H 4, 65)

Metodica analitica ØL’estrazione viene eseguita in un vortex per 20 minuti fino a completa omogeneizzazione del campione. ØL’omogenato ottenuto viene centrifugato ed il surnatante, versato in matraccio, è portato a volume con la medesima soluzione estraente.

Metodica analitica ØLa soluzione ottenuta è analizzata tal quale o previa diluizione in AA con fornetto di grafite, (modello GBC Avanta) contro bianco fatto dalla medesima soluzione estraente. ØSi adotta la tecnica dello standard esterno ottenendo una retta di regressione lineare con R 2 circa 1, sinonimo di ottima linearità

Sequenza delle operazioni

Risultati ottenuti Campione Peso umido Peso secco Volume (sol. estr) ppm Pb Campione n. 1 70. 0 g 2. 82 g 150 ml 0. 26 Campione n. 2 70. 0 g 2. 00 g 200 ml 0. 32 Campione n. 3 16. 6 g 2. 30 g 125 ml 11. 6 Campione n. 4 44. 397 g n. d. 125 ml 0. 23 Campione insalata n. 1: Prodotto acquistato in un supermercato in busta chiusa Campione insalata n. 2: Prodotto raccolto in località Pellezzano (Salerno) area a vocazione prevalentemente agricola Campione insalata n. 3: Prodotto raccolto in località Fuorni (Salerno) area a vocazione industriale Campione n. 4: Fungo porcino raccolto in località Montoro (Avellino) area montana con varie attività artigianali

Conclusioni Ø Nel campione insalata n. 3 la concentrazione di Pb è circa quaranta volte superiore ai limiti consentiti dalla Normativa vigente pari a 0, 3 ppm ØAbbiamo sospettato che nell’area di raccolta sia stata interrata una vecchia batteria al piombo, un metodo di smaltimento in passato spesso adottato ØLa significativa presenza di Piombo nel campione n. 4 (fungo), prelevato in un’area prevalentemente agricola, con un apparente basso grado d’ inquinamento, conferma l’attitudine di questa specie vegetale ad accumulare metalli pesanti nella sua struttura cellulare

La contaminazione alimentare da piombo e da metalli pesanti è una realtà! La nostra indagine ci ha confermato che le popolazioni sono esposte inconsapevolmente ad un rischio non trascurabile, che può diventare significativo per quegli individui che, per età o per stato di salute, sono più vulnerabili di altri.

I. T. I. S. “B. FOCACCIA” SALERNO Progetto CHISS Gruppo WP 3 - Prof. Madaio Alunni V I Ciullo Alessandro Coppola Federico Corbisiero Rita Intiso Adriano Alunni V M Frasca Anna Memoli Davide Oliva Michela Stanzione Lucia Trapanese Vincenzo Ringraziamo il Prof. G. Barone per il suo contributo