Strategie di fitorisanamento assistito da microrganismi promotori di crescita delle piante

Progetto SMERI “Sviluppo di MEtodologie per la progettazione di interventi di bioRImedio”

Anna Rosa SprocatiENEA-Casaccia, Roma

annarosa.sprocati@enea.it

Cagliari, 7 novembre 2014

PROGETTO UMBRELLA

Using MicroBes for the REgulation of heavy metaL mobiLity at ecosystem and landscape scAle: an integrative approach for soil remediation by geobiological processes

http://www.umbrella.uni-jena.de/cms/index.php

FP7- THEME 3.1.2. ENV.2008.3.1.2.1 : Recovery of degraded soil resourcesCoordinator: Professor Erika Kothe, FS University of Jena, Germany

Grant agreement no.: 2268702009-2012

•Il suolo può essere considerato essenzialmente come una risorsa non rinnovabile dell'Unione Europea, per un totale di circa 400 milioni di ettari.

•Il degrado del suolo è un problema acuto in Europa e il costo stimato potrebbe ammontare a 38 miliardi di euro all'anno.

•Nella UE la superficie di suoli influenzati da attività minerarie è stata stimata pari allo 0,6%, rispetto a una media mondiale dello 0,2%.

•La bonifica di queste aree è un obiettivo strategico per le politiche europee.

•Sono richieste tecnologie promettenti su scala di ecosistema che devono garantire il recupero dell'uso del suolo, con un impatto positivo sui sistemi fluviali a valle, comprese le vie d'acqua internazionali (corsi d'acqua e il mare).

PROBLEMATICA

Il ripristino può essere ottenuto attraverso l’attenuazione naturale, che, tuttavia, è estremamente lenta. In realtà, ambienti contaminati da metalli soffrono in generale di bassa attività microbica, motivo per cui il biorisanamento può essere difficile da implementare nelle ex-miniere.

Le possibilità dei microorganismi di accelerare le reazioni chimiche nell’ordine di 106 dimostra che vi è un enorme potenziale di miglioramento

Il ruolo che possono giocare i microrganismi nella fitoestrazione/stabilizzazione dei metalli è ancora sottovalutato

Di solito la bonifica è stimata solo su scala di sito, mentre il rischio per altri comparti ambientali (es: acqua, fauna selvatica) si verifica sia a livello di sito che su scala di ecosistema tramite dispersione fluviale

I parametri geologici, mineralogici e geomorfologici che influenzano la distribuzione dei metalli sono indagati a livello di sito o di bacini limitrofi, e non sono correlati all’impatto che gli affluenti possono avere a valle, sull'ambiente costiero e marino.

Vi è una mancanza di modelli matematici applicabili a livello europeo riguardo il risanamento di siti contaminati da metalli.

Carenze delle tecniche attuali

OLTRE LO STATO DELL’ARTE: l’idea di Umbrella

Individuare appropriati ceppi di microrganismi nativi di siti minerari europei e utilizzarli in combinazione con specie botaniche per ottimizzare processi di fito-estrazione o di fito-stabilizzazione,

Messa a punto di metodologie per la caratterizzazione del rischio geochimico dovuto alla mobilità dei metalli, integrando a livello di ecosistema, per valutare l'efficienza di un biorisanamento migliorato dall’uso di microrganismi appositamente selezionati

Produzione di modelli matematici dell'ecosistema chiave e dei processi rilevanti per la valutazione del rischio e per la bonifica, su scala di ecosistema, con applicabilità Europea.

Fornire agli utenti finali “tool-boxes” per tecniche di bonifica in situ efficaci, economiche e rispettose dell'ambiente, basate sulle conoscenze generali delle interazioni piante-microrganismi :

1. microrganismi e piante

2. un approccio metodologico

3. modelli predittivi

Obiettivi

WP1Microbiologia

•Caratterizzazione delle comunità microbiche

•Sviluppo di consorzi microbici PGP e Micorrize•Frazionamento degli isotopi per seguire l'assorbimento di metalli nei sistemi viventi

WP 2:

Botanica

•Regolazione assorbimento radicale dei metalli e trasferimento nella pianta

•Mappatura delle comunità botaniche

•Speciazione dei metalli nel suolo e nelle piante

WP 3:Geochimica

•Idrogeochimica dei siti sperimentali

• Ciclo suolo-pianta dei metalli

• Processi di mobilizzazione eimmobilizzazione dei metalli

•Mineralogia dei precipitati

•Biomineralizzazione

WP 4: Modellazione

•Produzione di modelli matematici biochimici/ecotossicologici

•Tool-box per decisori Per esplorare scenari di risanamento sulla protezione delle acque e della biodiversità a livello di bacino

WP 5-7: Trasferimento

•Campi sperimentali

•Linee-guida

WP 6—8

•FSU Jena•Forschungszentrum Dresden-Rossendorf

•ENEA - Casaccia•University of Cagliari•VIROTEC, SME

•Bangor University•Aberystwyth University

•Lulea University of Technology•Orebro Universitet

•University of Bucharest

•Jagiellonian University,Krakow• Kwazar, City Council of Chrzano

•University of Vienna•AGES

•University of Valladolid

Kopparberg, Sweden Cwmystwyth, Wales

Trzebionka, Poland

Zlatna Rosia, Romania

Ronnenburg, Germany,

Ingurtosu, Sardinia

Pb and Zincsince Bronze age

Cu, Fe,Pb and Zn sulphideSince 13th century

Zn-Pb ores 20th century

Zn-Pb ores During 18th century till 1968etherogeneous , Cu

Former Russian Uranium mine

Procedura per lo screening e la selezione di piante e consorzi microbici endemici per la realizzazione di un processo di fitorisanamento assistito

Scelta delle piante per esperimenti in serra e in campo

Fonte: prof. Irene Lichtscheidl. UNI Vienna.

SPORE di AMF ISOLATE e IDENTIFICATE DALLE PIANTE DEL SITO DI INGURTOSU (Sardegna)

Trap cultures (Plant species) AMF species

Cistus monspeliensis Glomus constrictum

Ranunculus bullatus Glomus sp.

Festuca sp. Gennamari Not identified

Euphorbia characias Not identified

Helichrysum italicum Not identified

Rosmarinus officinalis Not identified

Ptilostemon casabonae Glomus irregulare

Festuca sp. Not identified

Carlina carymbosa Not identified

Trifolium sp. Glomus fasciculatum

Helichrysum sp. GENNAMARI Not identified

Substratum from GENNAMARI Glomus sp.

Fonte: prof. Katarzyna Turnau, UNI Cracovia.

Strain

CODE

Phylogenetic affiliation based on

r-RNA 16S sequence SIM%

GenBank

accession number

P mobilisation N2 fixation Siderophores IAA

MMSE

Heavy Metals tolerance

Halo Growth halo Halo zone Pink-purple Ni Cd Cu Zn Pb

PVK AzM ARA CAS Na DF+ Tryp+SR mM mM mM mM mM

UI2 Pseudomonas sp. 99 JX133196 + + + + * + + 20 5 5 20 10

UI3 Stenotrophomonas maltophilia 99 JX133197 - + + * +/- +/- 10 2,5 2,5 20 5

UI4 Rhizobium sp. 99 JX133198 - + + * ++ + 10 2,5 2,5 10 10

UI6 Niabella sp. 96 JX133200 - + + * + + 10 2.5 2,5 10 10

UI7 Curtobacterium flaccumfaciens 99 JX133199 + + + * +/- + 10 2,5 5 10 10

UI9 Streptomyces ambofaciens 98 JX133201 +/- + + + * + + 2,5 2,5 1 20 10

UI18 Streptomyces sp. 99 in progress + + + * - + 2,5 2,5 2,5 20,0 10,0

UI24 Plantibacter flavus 99 JX133202 + + + * + + 10 2,5 5 20 10

UI27 Niabella sp. 96 similar to UI6 - + + * + + 20 5 5 20 10

UI28 Bacillus cereus 100 JX133203 + + ++ * + + 30 10 5 20 10

Consorzio batterico UI con proprietà PGP

Rosmarinus officinalis , Ranunculus bullatus and Carlina corymbosa; in Asphodeluscerasiferus , Ptilostemon casabonae, Cistus salvifolius, Trifolium sp. and H. italicum

Micorrize arbusculari

BIOAUGMETATION

SERRA CAMPO

6 piante x 6 suoli+consorzio nativo PGP

Sito di Ingurtosu: Euphorbia pythiusa

Campo sperimentale

Campo sperimentale di Ingurtosu

FIELD TRIAL UMBRELLA

DOPO INOCULO

ATTIVITA’ MICROBICA DEL SUOLO

T0

Ottobre 2011

legenda: US= suolo non trattato ; BACT batteri VIR= viromine

FIELD TRIAL UMBRELLA

DOPO 5 MESI

E. pithyusa ha la capacità di assorbire MP (metallofita) nella parte aerea della pianta

ATTIVITA’ METABOLICA DEL SUOLO

ASSORBIMENTO DI METALLI PESANTI

CONCLUSIONI FIELD-TRIAL UMBRELLA

E. pithyusa ha la capacità di assorbire MP (metallofita) nella parte aerea della pianta

La presenza di Viromine™ha portato ad una riduzione della biodisponibilità per Zn e Cd con riduzione di assorbimento

L’introduzione di E. pithyusa migliora l’attività metabolica del suolo anche senza bioaugmentation

La presenza del consorzio UI migliora ulteriormente la qualità del suolo espandendo la diversità funzionale e specialmente la

affinità per gli essudati plantari

E. pithyusa + Consorzio UI sono compatibili e capaci di stabilire una associazione e possono agire come “tool box”

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30

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60

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Sopravvivenza di Euphorbia p. %

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Pe

rce

nta

ge

A distanza di 2 anni e mezzo i parametri permane un effetto positivo di una sola applicazione di bioaugmentation con il consorzio batterico UI

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AW

CD

(O

D)

10

3

incubation time in Biolog ECOPlates (day)

Bacteria

VM

VM+Myc

VM+Bact

Bact+ Myc

Control

Myc

ATTIVITA’ METABOLICA DEL SUOLO

Giugno 2014

SMERI

Sviluppi in SMERI

Miglioramento tool box

• Associazione di piante (E.pithyusa+Juncus)

• Inoculo batterico (evoluzione comunità)