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Il fitorisanamento è la decontaminazione dei suoli , la depurazione delle acque reflue o la sanificazione dell'aria interna, utilizzando le piante vascolari , le alghe (phycoremédiation) oi funghi ( mycoremediation ), e per estensione degli ecosistemi che supportano queste piante. Così eliminiamo o controlliamo le contaminazioni . La degradazione dei composti nocivi è accelerata dall'attività microbica .
L'etimologia deriva dal greco "phyton" = pianta, e dal latino "remedium" = ripristino dell'equilibrio, bonifica. Il fitorisanamento non è un concetto nuovo poiché 3000 anni fa gli esseri umani utilizzavano già le capacità depurative degli impianti per il trattamento delle acque. Dagli anni '70 questa pratica ha trovato rinnovato interesse, in particolare per il trattamento di pesticidi e metalli .
Il fitodepurazione è un insieme di tecnologie che utilizzano le piante per ridurre, degradare o immobilizzare composti organici inquinanti (naturali o sintetici) nel suolo , nell'acqua o nell'aria derivanti dalle attività umane. Questa tecnica consente anche di trattare l'inquinamento inorganico , come oligoelementi metallici o radionuclidi .
Oltre al disinquinamento, il fitorisanamento consente il recupero di siti inquinati come i terreni incolti industriali. Inoltre, è integrato nell'interesse socio-economico a causa del suo basso impatto e del suo interesse per il paesaggio. Inoltre, grazie alla fitoestrazione, i metalli immagazzinati nelle foglie e negli steli possono essere riutilizzati come ecocatalizzatore nei processi farmaceutici e chimici.
Il fitorisanamento si basa essenzialmente sulle interazioni tra piante , suolo e microrganismi . Il suolo è una matrice complessa che supporta lo sviluppo di piante e microrganismi che si nutrono dei composti organici o inorganici che lo compongono. Quando alcuni di questi composti sono in eccesso rispetto allo stato iniziale del suolo, quest'ultimo è qualificato come contaminato (questo vale anche per l'acqua e l'aria che, a differenza, sono fluidi). I composti in eccesso possono quindi essere utilizzati come fonte di energia da piante e microrganismi. Nel sistema pianta - suolo - microrganismo, la biodegradazione batterica è spesso a monte dell'assorbimento da parte delle radici . Piante e microrganismi si sono evoluti insieme per avere una strategia reciprocamente vantaggiosa per gestire la fitotossicità in cui i microrganismi sfruttano gli essudati delle radici , anche se la pianta beneficia delle capacità di degradazione dei microrganismi rizosferici per ridurre lo stress causato dalla fitotossicità. Infine, la pianta è l'agente essenziale per l'esportazione di un contaminante fuori dall'ambiente circostante.
La rizosfera si riferisce al volume del suolo soggetto all'influenza dell'attività radicale . Questo volume di terreno è più o meno importante e varia a seconda delle piante e del terreno. I processi che avvengono nella rizosfera sono essenziali per il fitorisanamento. L'attività e la biomassa microbica sono molto maggiori lì che nel suolo senza radici. Le radici rilasciano naturalmente sostanze nel terreno dove si sviluppano, attraverso gli essudati delle radici. Questi favoriscono e mantengono lo sviluppo di colonie microbiche fornendo dal 10 al 20% degli zuccheri prodotti dall'attività fotosintetica della pianta ( fotosintetica ). In questo modo possono essere rilasciati molti composti, ad esempio ormoni , enzimi , ossigeno e acqua . I microrganismi rizosferici in cambio promuovono la crescita delle piante (riduzione di agenti patogeni , fornitura di sostanze nutritive, ecc.). In teoria, più abbondanti sono le radici, più forniscono un'importante superficie di sviluppo per la microfauna e la microflora rizosferica. Gli essudati delle radici, infatti, favoriscono la biodegradazione degli inquinanti organici stimolando l'attività microbica.
In breve, le piante assorbiranno il contaminante per metabolizzarlo o immagazzinarlo, oppure ridurranno o addirittura impediranno il rilascio del contaminante in altri compartimenti dell'ambiente ( fitostabilizzazione ). Molto spesso, i composti organici ( xenobiotici o meno) possono essere degradati e metabolizzati per la crescita delle piante. L' inquinante viene quindi eliminato. Quando si tratta di composti inorganici inquinanti (metalli, metalloidi o radionuclidi), ci può essere solo fitostabilizzazione o fitoestrazione perché questi tipi di inquinanti non sono biodegradabili.
Le piante selezionate per la fitoestrazione sono scelte per la loro capacità di estrarre grandi volumi di inquinanti . Si chiamano piante iperaccumulanti o iperaccumulatori . Le caratteristiche comuni degli iperaccumulatori sono spesso: rapida crescita; piante resistenti, facili da piantare e mantenere; una grande capacità di evapotraspirazione (evaporazione dell'acqua dalle foglie); e la capacità di trasformare i contaminanti interessati in prodotti non tossici o meno tossici. Tra le piante più utilizzate ci sono i pioppi, che uniscono una rapida crescita, un grande adattamento climatico e la capacità di assorbire grandi quantità di acqua (rispetto ad altre specie). Quest'ultima qualità consente loro di trattare quantità maggiori di inquinanti disciolti, oltre a limitare la quantità di acqua che passa oltre la zona contaminata, limitando così anche la propagazione della contaminazione.
Nel 1999 Reeves et al elencano 320 specie che si accumulano da 43 famiglie . Il loro numero è molto più alto: ad esempio, nel 2006 si conoscono circa 300 iperaccumulatori di nichel . Ci sono centri di diversità a Cuba (clima subtropicale) e Nuova Caledonia (clima tropicale). Molte specie studiate per il loro accumulo di metalli sono le Brassicaceae (clima temperato e freddo, emisfero settentrionale).
Il gruppo di ricerca di Abdelhak El Amrani sul meccanismo alla base della biodiversità , dell'Università di Rennes, ha lavorato su diversi inquinanti, in particolare sull'erbicida atrazina . Questi ricercatori hanno scoperto un meccanismo nelle piante che consente loro di prosperare anche quando il livello di inquinamento nel loro suolo è normalmente letale per una pianta non trattata. È la presenza di alcuni semplici composti naturali biodegradabili come le poliammine esogene, che consente alle piante di tollerare concentrazioni di inquinanti 500 volte superiori rispetto agli impianti di controllo, ma anche di assorbire più inquinanti. Questo trattamento determina cambiamenti nell'espressione genetica delle piante, coinvolgendo geni noti nel processo di resistenza allo stress ambientale. La tecnica genetica è stata brevettata dall'Università di Rennes.
Una pianta si dice iperaccumulante se riesce a concentrare gli inquinanti secondo una percentuale minima variabile a seconda dell'inquinante interessato (esempio: più di 1 mg / g di sostanza secca per nichel , rame , cobalto , cromo o piombo ; o più di 10 mg g / 1 per zinco o manganese . La maggior parte dei 215 iperaccumulatori citati da Baker e Brooks si riferiscono al nichel . Sono elencati 145 iperaccumulatori di nichel , 26 di cobalto , 24 di rame , 14 di zinco , quattro di piombo , e due di cromo . Questa capacità di accumulo è dovuta all'ipertolleranza , o fitotolleranza : il risultato dell'evoluzione adattativa delle piante ad ambienti ostili su più generazioni. Boyd e Martens elencano le interazioni biotiche che possono essere influenzate da essa. iperaccumulo di metallo:
I risultati sperimentali indicano che i metalli negli iperaccumulatori hanno un ruolo protettivo almeno parziale per le piante contro un certo numero di organismi ( batteri , funghi , insetti ).
Articolo | Specie vegetali | Metallo | Organismo (i) interessato (i) |
---|---|---|---|
Ernst 1987 | Silene vulgaris (Moench) Garke | Cu (400 mg g −1 ) | Hadena cucubalis Schiff. ( Lepidotteri : Noctuidae ) |
Boyd et al. 1994 | Streptanthus polygaloides Grigio | O | Xanthomonas campestris (batterio Gram-negativo) |
Boyd et al. 1994 | Streptanthus polygaloides Grigio | O | Alternaria brassicicola (Fungo imperfetto) |
Boyd et al. 1994 | Streptanthus polygaloides Grigio | O | Erisyphus polygoni (oidio) |
Martens & Boyd 1994 | Streptanthus polygaloides | O | Pieris rapae L. ( Lepidoptera : Pieridae ) |
Boyd & Martens 1994 | Thlaspi montanum L. var. montanum | O | Sarcococca rapae |
Pollard & Baker 1997 | Thlaspi caerulescens J. e C. Presl. | Zn | Schistocerca gregaria ( Forsk. ) ( Ortotteri : Acrididae ) |
Pollard & Baker 1997 | Thlaspi caerulescens J. e C. Presl. | Zn | Deroceras carvanae ( Pollonera ) ( Pulmonata : Limacidae ) |
Pollard & Baker 1997 | Thlaspi caerulescens J. e C. Presl. | Zn | Pieris brassicae L. ( Lepidoptera : Pieridae ) |
La difesa contro i virus non è sempre migliorata dalla presenza di metalli. Davis et al. hanno confrontato due specie correlate S. polygaloides Gray (iperaccumulatore di nichel ) e S. insignis Jepson (non accumulatore), inoculandole con il virus del mosaico della rapa . Hanno così dimostrato che la presenza di nichel indebolisce la risposta delle piante al virus .
Le difese elementari delle piante sono aggirate dai loro predatori in tre modi: (a) alimentazione selettiva di tessuti con bassa concentrazione di metallo, (b) dieta variata per diluire il metallo (probabilmente per grandi erbivori rispetto alle piante) e (c) tolleranza di alte concentrazioni di metalli.
Dieta selettivaIl pisello afide ( Acyrthosiphon pisum (Harris); Homoptera : Aphididae ) nutrendosi del floema di Streptanthus polygaloides Gray ( Brassicaceae ) ha sopravvivenza e riproduzione pari a piante contenenti circa 5000 mg / kg di nichel modificato con NiCl2 ( cloruro di nichel ), e quelle contenente circa 40 mg / kg di nichel . Pertanto, o il floema è povero di nichel anche negli iperaccumulatori di nichel , oppure gli afidi tollerano alte dosi di nichel.
Quelli nutriti con piante ad alta concentrazione di nichel mostrano solo un lievissimo aumento del livello di nichel nei loro corpi, rispetto agli afidi nutriti con piante a basso contenuto di nichel.
Gli afidi ( Brachycaudus lychnidis L.) nutriti con l'accumulatore di zinco Silene vulgaris (Moench) Garcke ( Caryophyllaceae ) - che può contenere fino a 1400 mg / kg di zinco nelle sue foglie - hanno mostrato alti livelli di accumulo di zinco (9000 mg / kg ) nei loro corpi.
Hopkin (1989) e Klerks (1990) lo hanno dimostrato per le specie animali; Brown & Hall per specie fungine ; e Schlegel & al. (1992) e Stoppel & Schlegel (1995) per le specie batteriche.
Lo Streptanthus polygaloides ( Brassicaceae ) può essere parassitato dalla Cuscuta californica var. breviflora Engelm. ( Cuscutaceae ). Le piante di Cuscuta così scoperte contenevano tra 540 e 1220 mg di Ni / kg di peso secco, (un massimo di) 73 volte il contenuto di nichel delle piante Cuscuta che parassitano le altre specie locali non in accumulo. Boyd & Martens (sottomesso) Considerate questo il primo esempio documentato del trasferimento di difese elementali da un ospite iperaccumulante a una pianta parassita .
Baker & Brooks (1989) ha menzionato la possibilità ma non ha offerto un meccanismo esplicativo. Gabrielli et al. (1991) e Wilson & Agnew (1992), hanno suggerito una diminuzione della competizione sperimentata dagli iperaccumulatori attraverso la lettiera delle loro foglie.
Questo meccanismo imita l' allelopatia , sebbene l'effetto qui sia dovuto a una ridistribuzione di un elemento nel terreno piuttosto che alla pianta che produce un composto organico . Boyd e Martens chiamano questa allelopatia elementare - senza il problema dell'autotossicità dimostrato in altri casi di allelopatia (Newman 1978).
Il contenuto di metallo nel suolo è chiaramente più alto intorno agli iperaccumulatori. L'ipotesi dell'allelopatia elementare richiede di dimostrare che questi livelli elevati inibiscono altre specie serpentine .
Qui vengono considerati due tipi di mutualismo :
Associazioni micorriziche o micorrizeEsistono due tipi di funghi micorrizici: ectomicorrizici ed endomicorrizici . I funghi ectomicorrizici formano guaine attorno alle radici ; i funghi endomicorrizici entrano nelle cellule corticali nelle radici.
Le associazioni micorriziche sono le relazioni simbiotiche tra funghi e radici delle piante. Alcuni iperaccumulatori possono formare associazioni micorriziche e in alcuni casi il fungo micorrizico può svolgere un ruolo nella lavorazione dei metalli. In terreni con bassi livelli di metalli, le micorrize vescicolari e arbuscolari aumentano l'assorbimento di metalli da parte delle specie non in accumulo. D'altra parte, alcune micorrize aumentano la tolleranza ai metalli diminuendo l'assorbimento del metallo in alcune specie non in accumulo. Così l'associazione micorrizica aiuta Calluna ad evitare la tossicità del rame e dello zinco . La maggior parte delle radici ha bisogno di circa 100 volte più carbonio delle ife dei funghi associati per coprire la stessa quantità di terreno . Ecco perché è più facile per le ife che per le piante acquisire elementi a mobilità ridotta, come il cesio-137 e lo stronzio-90.
I funghi micorrizici dipendono dalle piante ospiti per il loro carbonio , consentendo alle piante di assorbire i nutrienti e l'acqua in modo più efficiente. Il fungo rende più facile per le piante assorbire i nutrienti, mentre le piante forniscono loro composti organici ricchi di energia. Alcune specie vegetali normalmente simbiotiche con funghi micorrizici possono esistere senza l'associazione; ma il fungo migliora notevolmente la crescita della pianta. Dal punto di vista dell'energia spesa, ospitare funghi è molto più efficiente per la pianta che produrre radici.
La famiglia delle Brassicaceae formerebbe poche associazioni micorriziche. Tuttavia, Hopkins (1987) nota le micorrize associate allo Streptanthus glandulosus Hook. ( Brassicaceae ), un non accumulatore. Le terre serpentine sono popolate da funghi che tollerano il livello generalmente alto di metallo trovato in questi terreni . Alcuni di questi funghi sono micorizal.
L'assorbimento dei radionuclidi da parte dei funghi dipende dal loro meccanismo nutrizionale ( micorrizico o saprofitico ). Pleurotus eryngii assorbe meglio di Cs Sr & Co., mentre Hebeloma cylindrosporum promuove Co . Ma aumentando la quantità di K aumenta l'assorbimento di Sr (sostanza chimica analoga a Ca) ma non quella di Cs (sostanza chimica analoga a K). Inoltre, il contenuto di Cs diminuisce con Pleurotus eryngii (micorrizico) e Hebeloma cylindrosporum ( saprofita ) se si aumenta la dose di Cs, ma il contenuto di Sr aumenta se si aumenta la dose di Cs - questo indicherebbe che l'assorbimento è indipendente. il meccanismo nutrizionale.
Dispersione di polline e semiAlcuni animali ottengono il cibo dalle piante (nettare, polline o polpa di frutta - Howe e Westley 1988). Gli animali che si nutrono di iperaccumulatori con un'alta concentrazione di metallo devono essere tolleranti o diluire la concentrazione di metallo mescolando il mangime con altre fonti con un contenuto di metallo inferiore. In alternativa, gli iperaccumulatori possono dipendere per la loro dispersione dei semi da vettori abiotici o vettori animali non mutualistici, ma ci mancano informazioni su questi meccanismi di dispersione rispetto agli iperaccumulatori.
Jaffré & Schmid 1974; Jaffré et al. 1976; Reeves et al. diciannove ottantuno; ha studiato il livello di metallo in frutti interi e fiori . In genere hanno trovato livelli significativi di metalli in essi. Baker et al. (1992) hanno trovato un'eccezione con Walsura monophylla Elm. ( Meliaceae ), originaria delle Filippine e che mostra 7000 mg / kg di Ni nelle foglie ma solo 54 mg / kg nei frutti. Alcune piante hanno quindi un meccanismo che esclude metalli o altri contaminanti dalle loro strutture riproduttive.
Il commensalismo è un'interazione benefica per un organismo mentre ha un valore neutro per un altro . Il più probabile per gli iperaccumulatori è l' epifitismo . Ma questo fenomeno si riscontra più comunemente nelle foreste tropicali e gli studi condotti in tali habitat hanno prestato poca o meno attenzione a questo punto. (ad esempio, Proctor et al. 1989; Baker et al. 1992). Proctor et al. (1988) hanno studiato l'albero Shorea tenuiramulosa , che può accumulare fino a 1000 mg Ni / kg di peso secco nelle sue foglie. Hanno stimato la copertura delle epifite in Malesia, ma non hanno riportato i valori per le singole specie. Boyd et al. (1999) hanno studiato la presenza di epifite sulle foglie del cespuglio tropicale iperaccumulativo a Ni Psychotria douarrei (Beauvis.). La quantità di epifite aumenta notevolmente con l'età della foglia, fino al 62% per le foglie più vecchie. Una copia epifita di [leafy liverworts] da una foglia di P. douarrei conteneva 400 mg di Ni / kg di peso secco (molto meno della pianta ospite, le cui foglie più vecchie - le più epifitizzate - contenevano un valore medio di 32.000 mg di Ni / kg di secco peso). Dosi elevate di Ni non impediscono quindi la colonizzazione di Psychotria douarrei da parte degli epifiti.
I composti chimici coinvolti nelle interazioni ospite-epifita hanno maggiori probabilità di essere localizzati nei tessuti più esterni dell'ospite (Gustafsson & Eriksson 1995). Inoltre, la maggior parte del metallo accumula nelle pareti di epidermiche o subepidermiche cellule o vacuoli (Ernst & Weinert 1972 Vazquez et al. 1994; Mesjasz-Rzybylowicz . Et al 1996; Gabrielli al et. 1997). Ciò suggerisce che le epifite sperimenterebbero tassi di concentrazione di metalli più elevati quando crescono su fogli di iperaccumulatori. Ma Severne (1974) ha misurato l'evacuazione della lamiera per l'iperaccumulatore di nichel Hybanthus floribundus (Lindl.) F. Muell. ( Violaceae ), originaria dell'Australia occidentale; conclude che le lamine non rilasciano facilmente il nichel .
In linea di principio, potrebbe esistere un'altra interazione commensale se l'elevato livello di metallo nel suolo fosse necessario affinché un'altra specie di piante si stabilisse. Finora nessuna prova è andata in questa direzione.
Vedere gli articoli corrispondenti su biofilm e Pseudomonas aeruginosa .
Un articolo di Science concluso da novembre 2010che gli ecosistemi boscosi decidui sarebbero in grado di pulire l'aria meglio di quanto inizialmente pensato, per i composti organici volatili (COV) testati. Esperimenti condotti in laboratorio suggeriscono che le foglie assorbono i COV in modo ancora più efficiente e li distruggono per conversione enzimatica) quando sono stressate da lesioni o da alcuni inquinanti (ozono e metilvinilchetone durante gli esperimenti). Il ciclo dei COV ossigenati nell'aria dovrebbe quindi essere rivisto e incorporato meglio nei modelli globali di chimica atmosferica e trasporto di sostanze inquinanti.
Fonti