BIORISANAMENTO: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE, VANTAGGI E SVANTAGGI - BIOLOGIA - 2025

Il biorisanamento è un insieme di biotecnologie igienico-sanitarie che utilizzano capacità metaboliche di microrganismi batterici, funghi, piante e / o enzimi isolati, per rimuovere contaminanti nel suolo e nell'acqua.

I microrganismi (batteri e funghi) e alcune piante possono biotrasformare un'ampia varietà di composti organici inquinanti e tossici, fino a quando non sono nocivi o innocui. Possono persino biodegradare alcuni composti organici nelle loro forme più semplici, come il metano (CH ₄ ) e l'anidride carbonica (CO ₂ ).

Figura 1. Contaminazione ambientale da fuoriuscita di petrolio, successivamente trattata con biorisanamento Fonte: commons.wikimedia.org

Alcuni microrganismi e piante possono anche estrarre o immobilizzare elementi chimici tossici, come i metalli pesanti, nell'ambiente (in situ). Immobilizzando la sostanza tossica nell'ambiente, non è più disponibile per gli organismi viventi e quindi non li influenza.

Pertanto, anche la riduzione della biodisponibilità di una sostanza tossica è una forma di biorisanamento, sebbene non implichi la rimozione della sostanza dall'ambiente.

Attualmente vi è un crescente interesse scientifico e commerciale per lo sviluppo di tecnologie economiche ea basso impatto ambientale (o “rispettose dell'ambiente”), come il biorisanamento di acque superficiali e sotterranee, fanghi e suoli contaminati.

Caratteristiche del biorisanamento

Contaminanti che possono essere biormediati

Tra gli inquinanti che sono stati biormediati vi sono metalli pesanti, sostanze radioattive, inquinanti organici tossici, sostanze esplosive, composti organici derivati ​​dal petrolio (idrocarburi poliaromatici o HPA), fenoli, tra gli altri.

Condizioni fisico-chimiche durante il biorisanamento

Poiché i processi di biorisanamento dipendono dall'attività dei microrganismi e delle piante viventi o dai loro enzimi isolati, le condizioni fisico-chimiche appropriate devono essere mantenute per ciascun organismo o sistema enzimatico, al fine di ottimizzare la loro attività metabolica nel processo di biorisanamento.

Fattori da ottimizzare e mantenere durante il processo di biorisanamento

-La concentrazione e la biodisponibilità dell'inquinante in condizioni ambientali: poiché se è troppo elevata può essere dannosa per gli stessi microrganismi che hanno la capacità di biotrasformarli.

-Umidità: la disponibilità di acqua è essenziale per gli organismi viventi, così come per l'attività enzimatica dei catalizzatori biologici cell-free. In generale, si dovrebbe mantenere un'umidità relativa dal 12 al 25% nei suoli sottoposti a biorisanamento.

-Temperatura: deve essere nell'intervallo che consente la sopravvivenza degli organismi applicati e / o l'attività enzimatica richiesta.

-I nutrienti biodisponibili: essenziali per la crescita e la moltiplicazione dei microrganismi di interesse. Principalmente, occorre controllare il carbonio, il fosforo e l'azoto, così come alcuni minerali essenziali.

-L'acidità o alcalinità del mezzo acquoso o pH (misurazione degli ioni H ⁺ nel mezzo).

-La disponibilità di ossigeno: nella maggior parte delle tecniche di biorisanamento vengono utilizzati microrganismi aerobici (ad esempio nel compostaggio, biopile e "landfarming") ed è necessaria l'aerazione del substrato. Tuttavia, i microrganismi anaerobici possono essere utilizzati nei processi di biorisanamento, in condizioni molto controllate in laboratorio (utilizzando bioreattori).

Tipi di biorisanamento

Tra le biotecnologie di biorisanamento applicate ci sono le seguenti:

biostimolazione

La biostimolazione consiste nella stimolazione in situ di quei microrganismi già presenti nell'ambiente che è stato contaminato (microrganismi autoctoni), in grado di biorimediare la sostanza contaminante.

La biostimolazione in situ si ottiene ottimizzando le condizioni fisico-chimiche affinché si verifichi il processo desiderato, ovvero; pH, ossigeno, umidità, temperatura, tra gli altri e aggiunta dei nutrienti necessari.

bioaugmentation

La bioaumentazione comporta l'aumento della quantità di microrganismi di interesse (preferibilmente autoctoni), grazie all'aggiunta dei loro inoculi coltivati ​​in laboratorio.

Successivamente, una volta inoculati in situ i microrganismi di interesse, è necessario ottimizzare le condizioni fisico-chimiche (come nella biostimolazione), per favorire l'attività degradante dei microrganismi.

Per l'applicazione del bioaumento, devono essere considerati i costi della coltura microbica nei bioreattori in laboratorio.

Sia la biostimolazione che la bioaumentazione possono essere combinate con tutte le altre biotecnologie descritte di seguito.

compostaggio

Il compostaggio consiste nel mescolare il materiale contaminato con un terreno non contaminato integrato con agenti e sostanze nutritive vegetali o animali. Questa miscela forma coni alti fino a 3 m, distanziati tra loro.

L'ossigenazione degli strati inferiori dei coni deve essere controllata, attraverso il loro regolare allontanamento da un sito all'altro con macchinari. È inoltre necessario mantenere condizioni ottimali di umidità, temperatura, pH, nutrienti, tra gli altri.

biopile

La tecnica di biorisanamento con biopile è la stessa della tecnica di compostaggio sopra descritta, ad eccezione di:

• L'assenza di agenti riproduttori di origine vegetale o animale.
• Eliminazione dell'aerazione mediante spostamento da un sito all'altro.

Le biopile rimangono fisse nello stesso luogo, essendo aerate nei loro strati interni tramite un sistema di tubazioni, i cui costi di installazione, funzionamento e manutenzione devono essere considerati sin dalla fase di progettazione dell'impianto.

landfarming

La biotecnologia denominata “landfarming” (tradotto dall'inglese: dissodamento del terreno), consiste nel mescolare il materiale contaminato (fango o sedimento) con i primi 30 cm di terreno incontaminato di una vasta area.

In quei primi centimetri di suolo, la degradazione delle sostanze inquinanti è favorita grazie alla sua aerazione e miscelazione. Per questi compiti vengono utilizzate macchine agricole, come i trattori aratro.

Il principale svantaggio del landfarming è che richiede necessariamente ampi tratti di terra, che potrebbero essere utilizzati per la produzione alimentare.

fitodepurazione

Il fitorisanamento, chiamato anche microorganismo e biorisanamento assistito da piante, è un insieme di biotecnologie basate sull'utilizzo di piante e microrganismi per rimuovere, confinare o ridurre la tossicità di sostanze inquinanti nelle acque superficiali o sotterranee, fanghi e suoli.

Durante il fitorisanamento, possono verificarsi degradazione, estrazione e / o stabilizzazione (diminuzione della biodisponibilità) del contaminante. Questi processi dipendono dalle interazioni tra piante e microrganismi che vivono molto vicino alle loro radici, in un'area chiamata rizosfera.

Figura 2. Biorisanamento di acque contaminate da piante e microrganismi. Fonte: Wikyhelper, da Wikimedia Commons

Il fitodepurazione ha avuto un successo particolare nella rimozione di metalli pesanti e sostanze radioattive dal suolo e dalle acque superficiali o sotterranee (o rizofiltrazione di acque contaminate).

In questo caso, le piante accumulano i metalli dall'ambiente nei loro tessuti e poi vengono raccolte e incenerite in condizioni controllate, in modo che l'inquinante passi da essere disperso nell'ambiente, ad essere concentrato sotto forma di cenere.

Le ceneri ottenute possono essere trattate per recuperare il metallo (se di interesse economico), oppure possono essere abbandonate in luoghi di smaltimento finale dei rifiuti.

Uno svantaggio del fitorisanamento è la mancanza di una conoscenza approfondita delle interazioni che avvengono tra gli organismi coinvolti (piante, batteri e possibilmente funghi micorrizici).

D'altra parte, devono essere mantenute le condizioni ambientali che soddisfano le esigenze di tutti gli organismi applicati.

bioreattori

I bioreattori sono contenitori di notevoli dimensioni, che consentono di mantenere condizioni fisico-chimiche molto controllate in terreni di coltura acquosi, con l'obiettivo di favorire un processo biologico di interesse.

Microrganismi batterici e funghi possono essere coltivati ​​su larga scala in laboratorio in bioreattori e quindi applicati in processi di bioaugmentation in situ. I microrganismi possono anche essere coltivati ​​per ottenere i loro enzimi di degradazione degli inquinanti.

I bioreattori vengono utilizzati in processi di biorisanamento ex situ, miscelando il substrato contaminato con il mezzo di coltura microbico, favorendo la degradazione del contaminante.

I microrganismi coltivati ​​nei bioreattori possono anche essere anaerobici, nel qual caso il mezzo di coltura acquoso deve essere privo di ossigeno disciolto.

Figura 3. Bioreattore. Fonte: es.m.wikipedia.org

Tra le biotecnologie di biorisanamento, l'uso di bioreattori è relativamente costoso, a causa della manutenzione delle apparecchiature e dei requisiti per la coltura microbica.

Microremediation

L'uso di microrganismi fungini (funghi microscopici) nei processi di biorisanamento di un inquinante tossico è chiamato micorisanamento.

Va considerato che la coltivazione di funghi microscopici è solitamente più complessa di quella di batteri e quindi comporta costi maggiori. Inoltre, i funghi crescono e si riproducono più lentamente dei batteri, con il biorisanamento assistito da funghi che è un processo più lento.

Biorisanamento rispetto alle tecnologie fisiche e chimiche convenzionali

-Vantaggio

Le biotecnologie di biorisanamento sono molto più economiche e rispettose dell'ambiente rispetto alle tecnologie di igienizzazione ambientale chimiche e fisiche applicate convenzionalmente.

Ciò significa che l'applicazione del biorisanamento ha un impatto ambientale inferiore rispetto alle pratiche fisico-chimiche convenzionali.

D'altra parte, tra i microrganismi applicati nei processi di biorisanamento, alcuni riescono addirittura a mineralizzare i composti inquinanti, assicurandone la scomparsa dall'ambiente, cosa difficile da realizzare in un unico passaggio con i processi fisico-chimici convenzionali.

-Svantaggi e aspetti da considerare

Capacità metaboliche microbiche esistenti in natura

Dato che solo l'1% dei microrganismi esistenti in natura è stato isolato, un limite del biorisanamento è proprio l'identificazione di microrganismi in grado di biodegradare una specifica sostanza contaminante.

Mancanza di conoscenza del sistema applicato

D'altra parte, il biorisanamento funziona con un sistema complesso di due o più organismi viventi, che generalmente non è completamente compreso.

Alcuni microrganismi studiati hanno biotrasformato composti inquinanti in sottoprodotti ancora più tossici. Per questo motivo è necessario studiare preventivamente in laboratorio gli organismi di biorisanamento e le loro interazioni.

Inoltre, prima di applicarli in massa, devono essere eseguiti test pilota su piccola scala (sul campo) e, infine, i processi di biorisanamento devono essere monitorati in situ, per garantire la corretta igiene ambientale.

Estrapolazione dei risultati ottenuti in laboratorio

A causa dell'elevata complessità dei sistemi biologici, i risultati ottenuti su piccola scala in laboratorio non possono essere sempre estrapolati ai processi sul campo.

Particolarità di ogni processo di biorisanamento

Ogni processo di biorisanamento prevede uno specifico disegno sperimentale, in funzione delle particolari condizioni del sito contaminato, del tipo di contaminante da trattare e degli organismi da applicare.

È quindi necessario che questi processi siano diretti da gruppi interdisciplinari di specialisti, tra cui biologi, chimici, ingegneri, tra gli altri.

Il mantenimento delle condizioni fisico-chimiche ambientali per favorire la crescita e l'attività metabolica di interesse, implica un lavoro permanente durante il processo di biorisanamento.

Tempo richiesto

Infine, i processi di biorisanamento possono richiedere più tempo dei processi fisico-chimici convenzionali.

Riferimenti

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