I.T.I.S.“B. FOCACCIA” Salerno Progetto CHISS : Gruppo WP3 - Prof.ssa Madaio

Inquinamento del suolo da Piombo Inquinamento del suolo da Piombo e principali tecniche di bonificae 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

I metalli pesanti (in particolare il piombo) sono estremamente tossici per l’ambiente poichètendono 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.

IntroduzioneIntroduzione

Cause di contaminazione da metalli Cause di contaminazione da metalli pesantipesanti

� Vari processi industriali

� Centrali termoelettriche

� Traffico motorizzato

� Utilizzo di fertilizzanti

� Sfruttamento e successiva dismissione di miniere

� Accumulo di rifiuti urbani e loro incenerimento

Utilizzi del PiomboUtilizzi del Piombo�Fabbriche di munizioni ed esplosivi

�Batterie ed accumulatori

�Vernici e smalti

� Vetri e ceramiche

TossicitTossicitàà dei metalli pesantidei metalli pesantiDeposizione 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 funzionalitàenzimatica

�Modifica della conformazione attiva

�Blocco di siti funzionali

�Spostamento di ioni metallici essenziali

SaturnismoSaturnismo

� anemia � ipertensione� neuropatia � coliche addominali

� 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.

L’intossicazione proveniente da una elevata esposizione al piombo è chiamata saturnismo (dal nome dato al piombo dagli alchimisti medioevali) e si manifesta con :

Trattamenti chimico-fisici

Biorisanamento:

�trattamenti microbiologici

�fitodepurazione

Bonifica dei Siti InquinatiBonifica dei Siti Inquinati

Artemisia princeps

Acidithiobacillus ferrooxidans

Trattamento sul posto del materiale contaminato

INTERVENTI DI BONIFICA

in situ

ex situ

Rimozione fisica del materiale e successivo trattamento

on-site

off-site

Trattamenti Trattamenti chimicochimico--fisicifisici

��metodi di precipitazione/sedimentazionemetodi di precipitazione/sedimentazioneSfruttano la proprietà dei metalli di essere precipitati come idrossidi,

solfuri o carbonati per poi essere separati per sedimentazione

�� complessazionecomplessazione mediante mediante ligandiligandiPrevedono l’utilizzo di ligandi (es.EDTA) in grado di complessare i cationi

metallici con conseguente solubilizzazione

�� metodi di ossidazione/riduzione chimicametodi di ossidazione/riduzione chimicaSi 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 Esempio di trattamento chimicochimico--fisicofisico

� 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.

� Le soluzioni estraenti devono essere in grado di rimuovere dal suolo i metalli potenzialmente tossici mediante contatto prolungato, lisciviazione e successiva decantazione e raccolta

�Il lisciviato così ottenuto viene demetallizzatomediante 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.

BiorisanamentoBiorisanamentoIl biorisanamento utilizza il potenziale metabolico dei potenziale metabolico dei microrganismi e/o piantemicrorganismi e/o pianteper 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 resistenzamolto conservati nel tempo e tra le diverse specie

Meccanismi biochimici di resistenza Meccanismi biochimici di resistenza microbica ai metalli pesantimicrobica ai metalli pesanti

� alterazione della speciazione chimica dei metalli con variazione dello stato di ossidazione e loro trasformazione in forme meno tossiche e spesso con minor solubilità;

� 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).

� concentrazione dei metalli all’interno della cellula, mediante specifici canali di trasporto

Meccanismi biochimici di resistenza Meccanismi biochimici di resistenza microbica ai metalli pesantimicrobica ai metalli pesanti

� A livello intracellulare le metallotioneinemetallotioneine, 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 Tecniche di biorisanamentobiorisanamento microbiologicomicrobiologico

�� biolisciviazionebiolisciviazione ((bioleachingbioleaching))

Utilizzo di microrganismi capaci di permettere il passaggio in soluzione di specie metalliche che verranno successivamente estratte dal lisciviato mediante metodi chimico-fisici o biologici.

�� bioadsorbimentobioadsorbimento ((biosorptionbiosorption))

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

Saccaromyces cerevisiae Rhizopus arrhizus Leptospirillum ferrooxidans

Esempio di trattamento Esempio di trattamento chimicochimico--microbiologicomicrobiologico

� Il terreno contaminato viene dapprima lisciviato con acido citrico, un agente legante per metalli più efficace e meno costoso dell’EDTA.

� 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.

� I metalli vengono bioprecipitati dal lisciviato e concentrati in un ferro-gel di origine batterica.

� Con questa tecnica di lisciviazione quasi il 100% di piombo, rame e arsenico presenti come inquinanti precipitano nel ferro-gel.

FitodepurazioneFitodepurazioneSpecie 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.

Tali agenti devono essere:

� non tossici

� biodegradabili

� economici

� facilmente reperibili

� assorbibili dalle specie accumulatrici

��FitostabilizzazioneFitostabilizzazioneSfrutta 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

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.

�Piante a crescita rapida e non da

utilizzare come foraggio

��FitoestrazioneFitoestrazione

Riportiamo alcune specie vegetali accumulatrici di metalli pesanti, tra cui il piombo:

Specie vegetaleSpecie vegetale Metalli accumulabiliMetalli accumulabili

Artemisia princepsBeta maritimaBrassica campestrisBrassica nigraBrassica junciaPoa annua Brassica hirta

Cd, Zn, Cu, PbPb, Cu, ZnPbPbCd, Ni, Pb, SeCd, Cu, Ni, Cd, Zn, PbHg, 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.

Sezione schematica di un impianto di Sezione schematica di un impianto di fitodepurazionefitodepurazione

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

PhytoremediationPhytoremediation del Piombodel Piombo

Piuttosto difficoltosa per il piombo perché:

� saldamente trattenuto dai materiali presenti nel suolo

� 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 Svantaggi dei trattamenti chimicochimico--fisicifisici

� Costi elevati

� Rimozione incompleta dei metalli e bassa selettività

� Alti consumi energetici e di reagenti

� Produzione di fanghi tossici e altri prodotti di rifiuto.

Vantaggi dei trattamenti Vantaggi dei trattamenti microbiologicimicrobiologici

� Costi minori

� Minimo impatto ambientale per i trattamenti in situ

� Maggiore semplicità di processo

� Tempi di bonifica relativamente brevi

Ricerca e Quantificazione delRicerca e Quantificazione delPiombo negli alimenti a foglia largaPiombo negli alimenti a foglia larga

e in funghie in 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.

FunghiFunghi

Si ritiene che siano molto utili nell'identificazione di bassi livelli di inquinamento come bioindicatori

Ricerca e Quantificazione delRicerca e Quantificazione delPiombo negli alimenti a foglia largaPiombo negli alimenti a foglia larga

e in funghie 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 analiticaMetodica analitica

�Il campione fresco (non lavato) viene triturato ed estratto con adatta soluzione estraente:

(CH3COO-NH4+ 10g/l EDTANa22 g/l; correzione del pH con CH3COOH fino a pH 4,65)

Metodica analiticaMetodica analitica

�L’estrazione viene eseguita in un vortex per 20 minuti fino a completa omogeneizzazione del campione.

�L’omogenato ottenuto viene centrifugato ed il surnatante, versato in matraccio, è portato a volume con la medesima soluzione estraente.

Metodica analiticaMetodica analitica

�La 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.

�Si adotta la tecnica dello standard esterno ottenendo una retta di regressione lineare con R2 circa 1, sinonimo di ottima linearità

Sequenza delle operazioniSequenza delle operazioni

Risultati ottenutiRisultati ottenuti

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

0.23125mln.d.44.397 g Campione n. 4

11.611.6125 ml2.30 g16.6 g Campione n. 3

0.32200 ml2.00 g70.0 gCampione n. 2

0.26150 ml2.82 g70.0 g Campione n.1

ppm PbVolume (sol.estr)

Peso seccoPeso umido Campione

ConclusioniConclusioni

� Nel campione insalata n. 3 la concentrazione di Pb è circa quarantaquarantavolte superiore ai limiti consentiti dalla Normativa vigente pari a 0,3 ppm

�Abbiamo sospettato che nell’area di raccolta sia stata interrata una vecchia batteria al piombo, un metodo di smaltimento in passato spesso adottato

�La 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 La contaminazione alimentare da piombo e alimentare da piombo e da metalli pesanti da metalli pesanti èè una una

realtrealtàà!!

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 WP3 - Prof.Madaio

Alunni V IAlunni V I

Ciullo Alessandro

Coppola Federico

Corbisiero Rita

Intiso Adriano

Alunni V MAlunni V M

Frasca Anna

Memoli Davide

Oliva Michela

Stanzione Lucia

Trapanese Vincenzo Ringraziamo il Prof. G.Barone per il suo contributo