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pubblicato il 10 marzo 2006 in acqua

Ambiente biotech

La biotecnologia può essere definita l’applicazione della microbiologia, dell’ingegneria genetica e della biochimica al trattamento di materiali con microrganismi, cellule vegetali, animali e enzimi per la produzione di beni e servizi nel campo della salute, dell’alimentazione, dell’industria chimica, dell’energia e dell’eliminazione dei rifiuti.
I continui progressi che avvengono riguardo alle conoscenze della biotecnologia, aprono sicuramente la strada a nuove applicazioni nei settori delle cure mediche, dell’agricoltura, della produzione degli alimenti e dell’ambiente.
Le biotecnologie ambientali sono un’area “emergente” di applicazione delle biotecnologie in cui si utilizzano organismi, cellule e parti di essi per depurare l’aria, trattare le acque inquinate, eseguire il trattamento dei rifiuti, monitorare e risanare le aree contaminate.
La ricerca in questo settore è fortemente orientata verso lo sviluppo di prodotti e metodi industriali più puliti, basati sull’uso d’enzimi; vengono investiti fondi sia nei centri di ricerca pubblici sia grazie all’iniziativa di privati, per lo studio e la messa a punto di biosensori: semplici organismi vegetali e microbici che vengono usati per monitorare l’ambiente perché conosciamo il loro comportamento in presenza di sostanze inquinanti.
Molta attenzione viene rivolta agli organismi batterici biocatalizzatori che possono compiere la biodegradazione e la detossificazione di composti xenobiotici come i prodotti di sintesi che normalmente non si trovano in natura.

Biofiltrazione
Alcune attività (per esempio gli allevamenti intensivi di suini, la produzione di mangimi zootecnici, gli altiforni, le industrie di lavorazione del polistirene) producono rifiuti industriali gassosi che devono essere trattati prima di essere liberati nell’atmosfera.
E’ dagli anni ’60 che si utilizzano metodi di biofiltrazione per lo smaltimento di reflui industriali gassosi. Questo metodo utilizza filtri riempiti di compost per allontanare i cattivi odori e le piccole quantità di sostanze maleodoranti biodegradabili. Il sistema della biofiltrazione è  poco costoso ma risulta essere poco efficiente perchè il procedimento complessivo è lento e i filtri vanno sostituiti spesso. Di conseguenza la ricerca si è orientata verso lo sviluppo di processi d’abbattimento biologico delle sostanze inquinanti gassose e soprattutto in Europa settentrionale sono state impiegate molte risorse per studiare e realizzare materiali adatti ai biofiltri e per individuare i microrganismi più efficienti per la biofiltrazione. Il progresso in questo campo sta aprendo la possibilità di trattare un numero sempre maggiore d’inquinanti.
Come funzione la biofiltrazione?
L’aria contenente gas indesiderati viene fatta passare attraverso il biofiltro nel quale sono presenti gli organismi capaci di utilizzare le sostanze inquinanti come fonte di nutrimento. I microrganismi utilizzati  nel biofiltro possono essere organismi quali funghi, lieviti, muffe e batteri. I parametri che influiscono sull’efficienza del processo di bioltrazione sono la temperatura e l’umidità del flusso d’aria da decontaminare perché i microrganismi hanno bisogno di specifiche condizioni ambientali per sopravvivere e svolgere le loro normali attività metaboliche.
Nei periodi di inattività dell’impianto, si deve provvedere periodicamente a fornire nutrimento agli organismi presenti per non rischiare di far morire tutte le colonie.
La maggior parte dei biofiltri a biossidazione lavora bene con i batteri mesofili,  batteri che vivono in condizioni ottimali nell’intervallo di temperatura compreso tra i 20°C e i 40 °C. Le comunità di microrganismi formate da ceppi diversi (flore microbiche) che vengono utilizzate sono anche in grado di degradare eventuali sostanze costituite da composti chimici di origine non naturale che possono essere presenti negli effluenti gassosi.
I materiali inerti che costituiscono un biofiltro sono supporti formati da sostanze come la torba, il compost o trucioli di legno; per costruire filtri più resistenti all’usura si tende a utilizzare materiali come i polimeri espansi e la cellulosa.
L’efficienza d’abbattimento di un biofiltro è la capacità di eliminazione dei composti organici volatili presenti nell’aria: nella maggior parte dei casi è superiore al 95% e sono molto utilizzati per rimuovere le sostanze dal caratteristico odore nauseante (alcoli, eteri, aldeidi, chetoni e gli alcali).

Funghi e licheni
In natura esistono organismi che vengono definiti bioindicatori che sono sensibili alla presenza di composti inquinanti che alterano gli equilibri ambientali del loro habitat.
I licheni reagiscono alla presenza di un inquinante manifestando determinati “sintomi” che si possono misurare in modo preciso valutando le modificazioni morfologiche (aspetto, colore, forma), fisiologiche e genetiche a livello cellulare che essi subiscono dopo aver assunto un composto nocivo. I licheni sono anche capaci di comportarsi come delle “spugne” che assorbono sia le sostanze utili sia quelle pericolose presenti nell’ambiente e le concentrano nel loro organismo. Attraverso analisi chimiche si possono individuare e valutare le concentrazioni delle sostanze accumulate nell’organismo del lichene stesso.
I licheni sono utilizzati come bioindicatori dell’inquinamento atmosferico grazie ad alcune caratteristiche che li rendono particolarmente adatti: scarsa mobilità nell’ambiente, presenza diffusa nell’area studiata, alta resistenza agli stress ambientali, non sono capaci di eliminare le parti intossicate, vivono molto tempo e presentano un attività metabolica costante.
Anche alcuni funghi sono utilizzati come bioindicatori della contaminazione da metalli pesanti nei terreni per la loro capacità di concentrare nell’organismo sostanze pericolose come l’ argento, il piombo, il mercurio ed gli isotopi radioattivi. Infatti, si stanno conducendo degli studi per comprendere quali geni dei funghi determinino la presenza di alcune proteine che permettono la tolleranza a questi metalli. In caso di un risultato positivo, grazie alle biotecnologie, si potrebbe trasferire la capacità di tolleranza ai metalli pesanti dai funghi ai batteri che verrebbero poi impiegati più facilmente negli impianti di depurazione.

Biorisanamento
Ambienti terrestri e marini possono essere inquinate da una gran concentrazione di contaminanti organici che possono avere origine naturale o in seguito a processi industriali.
Le biotecnologie suggeriscono un metodo per ridurre o eliminare l’inquinamento per mezzo di una tecnica attuale e ritenuta sostenibile perchè la sua applicazione viene considerata a basso rischio di effetti secondari per gli ecosistemi. Parliamo del biorisanamento o bioremediation.
Microrganismi, funghi o piante vengono impiegati per ripulire una zona dalla presenza di composti inquinanti isolando i batteri più efficienti per degradare la sostanza che si vuole eliminare e successivamente creare le condizioni di vita più adatte per i batteri stessi.
La realizzazione pratica di questa tecnica biotecnologia avviene in diverse fasi che riassumiamo in questo modo:

  • determinare lo stato dell’inquinamento attraverso la definizione del tipo di inquinante, valutando la sua concentrazione nell’ambiente e determinando il grado di pericolosità per l’ecosistema in cui si trova;
  • individuare le specie di batteri capaci di aggredire la sostanza inquinante e di rimuoverla efficacemente;
  • isolare il ceppo specifico del microrganismo o la comunità microbica che si vuole utilizzare per la decontaminazione rispetto agli altri organismi che vivono nello stesso ambiente;
  • fornire la quantità ottimale di nutrienti per ottenere il numero necessario di colonie di batteri selezionati per la decontaminazione;
  • inoculare i batteri nella zona inquinata e monitorare la velocità di degradazione della sostanza inquinante e individuare i prodotti di rifiuto che si formano al termine del processo.

Il processo di biodegradazione può avvenire attraverso un meccanismo metabolico sia di tipo aerobico sia anaerobico.
Il biorisanamento è una metodica che si avvale dell’impiego di sistemi biologici (alghe, e microrganismi) che negli ultimi 15 anni si utilizza con successo e sempre maggior agilità dato che la ricerca sull’argomento procede verso soluzioni sempre più pratiche. Questa metodica viene preferita alle tradizionali tecniche di risanamento dei suoli come l’incenerimento o l’utilizzo di solventi chimici perchè hanno un impatto ambientale molto costoso. Infatti, in generale, il residuo del biorisanamento che si accumula nel terreno o nelle acque inquinate è composto da anidride carbonica, acqua e biomassa. Con l’applicazione del biorisanamento si possono anche attuare interventi di pulizia di zone di mare o di suolo inquinate da petrolio e altri idrocarburi o di aree di terreno contaminate da benzene o altri composti nocivi all’ambiente.

Fitodepurazione
Negli ultimi decenni si è affermata una “soluzione biotecnologia” in grado di rimuovere gli inquinanti dalle acque: la fitodepurazione che si basa sulla capacità di autodepurazione dell’ambiente acquatico attraverso processi fisici, chimici e biologici ad opera di organismi vegetali e batterici. Le piante interessate sono macro e microfite che vengono appositamente selezionate in base ad alcune caratteristiche come la capacità di adattamento all’ambiente da decontaminare e la crescita rapida con formazione di biomassa; comunque le specie utilizzate  per la fitodepurazione sono piante acquatiche o igrofile, ovvero capaci di vivere in ambienti umidi. In particolare a seconda del tipo di sistema di fitodepurazione che si vuole costruire vengono utilizzati diversi tipi di macrofite galleggianti, sommerse ed emergenti singolarmente o in associazione. La depurazione delle acque avviene grazie all’attività congiunta delle macrofite e di alcuni microrganismi ad esse associati: le alghe si nutrono di una parte degli inquinanti presenti e favoriscono lo sviluppo dei batteri in grado di trasformare le sostanze nocive metabolizzandole.
Le tipologie impiantistiche dei sistemi di fitodepurazione dipendono dalla direzione di scorrimento dell’acqua. I sistemi a flusso superficiale sono formati da vasche o canali che hanno una profondità dai 40 ai 60 cm, e ricreano un ambiente simile agli stagni coperti da idrofite galleggianti. Invece i sistemi a flusso sub-superficiale, le acque correnti non sono in contatto con l’atmosfera e nelle vasche viene inserito un supporto inerte sul quale si sviluppano le radici delle macrofite. L’acqua scorre sotto il supporto inerte e per favorire il movimento la vasca,  profonda 70-80 cm, è in pendenza.
I sistemi di fitodepurazione rappresentano un’alternativa di trattamento delle acque reflue per le comunità rurali di piccole dimensioni e per gli scarichi stagionali come per esempio quelli dei campeggi, degli alberghi e dei villaggi turistici o per il trattamento degli scarichi industriali, dei percolati provenienti dalle discariche e delle acque di dilavamento di strade e autostrade. I costi di realizzazione sono molto variabili, ma comunque non superiori a quelli degli impianti di depurazione convenzionale, mentre i costi di gestione sono assai modesti dato che i consumi energetici possono essere addirittura inesistenti.

Smaltimento dei rifiuti
I metodi tradizionali per smaltire i rifiuti industriali (fanghi oleosi o fanghi contenenti idrocarburi etc.) prevedono lo stoccaggio in discariche controllate o l’eliminazioni in forni di termodistruzione. Queste soluzioni sono poco sostenibili e molto impegnative economicamente. Negli anni ’90 sono sorti i primi impianti di smaltimento biotecnologici di rifiuti e fanghi industriali negli Stati Uniti, soluzioni adottate anche in Europa e in Italia. Anche in questo caso il principio è quello di utilizzare delle comunità di batteri aerobici in grado di metabolizzare il rifiuto da trattare come ad esempio gli idrocarburi policiclici aromatici.
Lo smaltimento dei rifiuti urbani è molto diffuso e ben sviluppato, da alcuni anni in Italia ci sono diversi impianti funzionanti. Molto diffuso è il compostaggio dei rifiuti, ovvero della fermentazione aerobica della parte organica dei rifiuti urbani stessi.
Le operazioni di compostaggio oltre che a livello industriale in grandi impianti, possono essere eseguite anche a livello domestico e nelle aziende agricole per sostituire il letame con il compost. In generale si possono ottenere diversi tipi di compost che dipendono dalla materia organica di partenza: il compost verde (rifiuti vegetali come foglie, potature, frutta, verdura, fiori, scarti di lavorazione legno e carta), il compost da matrice organica selezionata (proveniente da raccolte differenziate specifiche e univoche, fanghi di impianti di depurazione o rifiuti industrie alimentari) ed infine il compost misto.

A cura di Eliana Marchisio

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