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Innovative bioremediation strategies for contaminated marine sediments

Author: Rocchetti Laura
Publication venue
Publication date: 17/02/2011
Field of study

I sedimenti marini costituiscono un serbatoio per i contaminanti organici ed inorganici, provenienti da attività industriali, inquinamento atmosferico, fiumi, fuoriuscite accidentali, fognature ed altre fonti. I sedimenti di dragaggio sono spesso caratterizzati dalla presenza di elevate concentrazioni di contaminanti organici e inorganici, influenzando il ri-uso dei sedimenti e/o il loro smaltimento. Diversi tipi di trattamenti possono essere utilizzati per ridurre il livello di contaminazione, e tra le tecnologie disponibili, strategie eco-compatibili di biorisanamento possono essere scelte, come la biostimolazione di comunità microbiche autoctone o la bioaugmentazione, introducendo specifici ceppi microbici. La stimolazione microbica mediante aggiunta di nutrienti è un approccio comune, in grado di migliorare i tassi di biodegradazione di idrocarburi nei sedimenti marini. I metalli, che non possono essere degradati, possono passare da uno stato redox ad un altro, influenzando la loro solubilità. Il biorimedio di contaminanti inorganici può essere indirizzato al cambiamento di speciazione e ripartizione dei metalli, aumentando la loro solubilità in acqua o la loro stabilità nel sedimento. È stato inoltre osservato che l'applicazione di strategie per la bonifica dei sedimenti è in grado di determinare cambiamenti nella composizione della comunità procariote, con la selezione di alcuni ceppi piuttosto che altri. Questa tesi si occupa di biorisanamento di sedimenti contaminati, e le principali domande poste sono: 1- I trattamenti diretti alla degradazione di idrocarburi possono influenzare la ripartizione dei metalli? 2- È possibile valutare la performance di degradazione degli idrocarburi utilizzando semplici modelli cinetici basati sui tassi di crescita dei procarioti? 3- Esiste una relazione tra la degradazione degli idrocarburi e la biodiversità batterica? 4- Quali sono i potenziali ruoli dei filotipi procariotici dominanti nella degradazione di idrocarburi e nella ripartizione dei metalli? Esperimenti di microcosmo sono stati allestiti per rispondere a queste domande. Nel primo esperimento, l'attenzione è stata indirizzata a sedimenti contaminati da idrocarburi del petrolio e metalli pesanti. L'ipotesi era che in esperimenti di microcosmo in condizioni anaerobiche sottoposti a strategie di biostimolazione e bioagumentazione, una maggiore biodegradazione di idrocarburi modificasse la ripartizione dei metalli pesanti, con potenziali ripercussioni sulla la loro mobilità e biodisponibilità. L'approccio di bioremedio utilizzato in questi esperimenti ha determinato una diminuzione significativa della concentrazione di idrocarburi, ma anche cambiamenti della ripartizione dei metalli pesanti. È stata affettuata un'altra serie di esperimenti, e un modello cinetico semi-empirico è stato applicato con successo ai dati sperimentali delle variazioni temporali delle concentrazioni residue di idrocarburi e alle abbondanze microbiche, in grado di prevedere le prestazioni del biorisanamento. Tale modello, eventualmente adattato alle caratteristiche biogeochimiche sito-specifiche del sito, può essere uno strumento utile nella progettazione di tecnologie eco-compatibili per la bonifica di sedimenti contaminati. Cercando di capire meglio gli effetti dovuti alla manipolazione dei sedimenti in prove di laboratorio, sono stati studiati i cambiamenti nella comunità batterica in esperimenti di biorisanamento con sedimenti marini contaminati, sia in condizioni aerobiche sia anaerobiche. Una correlazione positiva è stata trovata tra la biodiversità batterica e l’efficacia di biodegradazione degli idrocarburi, sia in condizioni aerobiche sia anaerobiche. L’efficacia del biorimedio potrebbe essere stata aumentata da possibili interazioni facilitative tra microrganismi. Considerando l'importanza della biodiversità procariotica ai fini del biorimedio, è stato effettuato uno studio per determinare la composizione dei principali procarioti coinvolti nel biorisanamento di sedimenti contaminati in condizioni anaerobiche. Dai dati del sequenziamento dei dominanti geni che codificano per il 16S rRNA, si è riscontrato che la maggior parte degli archaea che componevano la comunità microbica era affiliata al phylum degli Euryarchaeota, in particolare agli ordini del Methanomicrobiales, Methanosarcinales e Thermoplasmatales. Le sequenze geniche batteriche appartenevano agli Alpha-, Gamma- e Deltaproteobacteria, Firmicutes, Chloroflexi, Actinobacteria, Bacteroidetes e Verrucomicrobia. I risultati di questo lavoro suggeriscono che nei sedimenti anossici specifici taxa batterici influenzano l’efficacia di degradazione degli idrocarburi mentre gli archaea potrebbero essere coinvolti nei cambiamenti di ripartizione dei metalli. Questa attività di ricerca ha permesso non solo di avere una migliore comprensione del ruolo delle comunità microbiche in relazione al destino dei contaminanti per i campioni di sedimento specifiche, ma anche di acquisire conoscenze e competenze utili nel campo del biorimedio di sedimenti contaminati. Infatti, si possono incontrare molte difficoltà legate all’eterogeneità del campione, concentrazione in traccia dei contaminanti, differenze sitospecifiche. Quindi risulta fondamentale l’utilizzo di un approccio metodologico interdisciplinare, basato su strumenti di ecologia microbica, biogeochimica e analisi di processo

ACUBO (Archivio Aperto di Ateneo)

IRIS UniversitÃ Politecnica delle Marche