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Inquinamento - Prerequisiti per l'applicazione del biorisanamento

scienze della terra




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Inquinamento


L'inquinamento è un fenomeno che ha conseguenze sia sull'uomo che sull'ambiente:

sull'uomo per quanto riguarda la salute umana e l'economia, mentre sull'ambiente per quanto riguarda il danneggiamento degli habitat, la rottura degli equilibri dei sistemi, gli effetti negativi sul paesaggio (suoli, falde, acque superficiali ecc.).

l'unica soluzione per contrastare questo fenomeno è il risanamento delle parti già contaminate e la prevenzione.

Gli inquinanti/contaminanti possono avere origine biologica o chimica:

i microrganismi producono enzimi (pre-existing enzimes) che degradano le molecole  di sintesi biologica completamente, attraverso un processo chiamato mineralizzazione (la trasformazione dei composti in anidride carbonica CO2, H2O e Sali minerali) e più si evolvono le molecole più si evolvono i sistemi biologici in grado di mineralizzarle.



Le molecole di sintesi chimica (xenobiotici) vengono degradate solo in parte, perché i microrganismi non hanno l'informazione genetica per la degradazione perché non hanno avuto il tempo di acquisirle, infatti i tempi tecnologici di sintesi sono più veloci dei tempi biologici di degradazione.

I combustibili fossili inizialmente di origine biologica hanno subìto trasformazioni e ora le loro molecole solo in parte vengono riconosciute e degradate dagli enzimi preesistenti.


Prerequisiti per l'applicazione del biorisanamento


I prerequisiti (condizioni necessarie che devono essere soddisfatte) per l'applicazione del bior 111f51b isanamento sono due:


  1. Biodegradibilità degli inquinanti (capire se possono essere mineralizzati)
  2. Presenza nel suolo inquinati di microrganismi in grado di riconoscere e degradare gli inquinanti in esame

A volte la biorimediation dà risultati insoddisfacenti perché è adottata in situazioni in cui questo tipo di trattamento è inadatto o perché non ci sono verifiche in laboratorio sui principali agenti di biorisanamento, i microrganismi, oppure perché non ci sono le condizioni necessarie.


Le tecniche principali di biorisanamento / biorimediation sono due:


  • In situ: tecnica che prevede l'intervento in condizioni ambientali del suolo o delle acque senza mobilizzazione del materiale e quindi estremamente rispettosa perché non provoca alterazioni, e con costi contenuti
  • Ex situ: Tecnica che prevede la escavazione del terreno o delle acque il trattamento delle stesse. Può essere fatta: 

On site: sul posto, in apposite strutture

Off site: in luogo diverso in apposite strutture


VANTAGGI

Il biorisanamento rimuove completamente le molecole in oggetto

Attua la rimozione con meccanismi naturali, con interventi sulle condizioni ambientali perché il processo sia più veloce ed efficace (soprattutto in situ)

Ha costi contenuti (in situ)


SVANTAGGI

Bisogna accertarsi non solo della scomparsa dell'inquinante ma anche della sua mineralizzazione, altrimenti gli inquinanti potrebbero essere stati degradati solo parzialmente

L'effetto concentrazione degli inquinanti nella matrice ambientale può essere negativo, infatti se è troppo bassa non si innesca la rimozione, se è troppo alta può risultare tossica anche per i microrganismi che non riescono a compiere la mineralizzazione

I tempi di rimozione dell'inquinante non  sono brevi


Phytoremediation


La phytoremediation impiega piante per la bonifica dell'ambiente e può essere appilcata sia in situ che ex situ.

I contaminanti a cui è destinata questa tecnica possono essere organici (idrocarburi, petrolio greggio, pesticidi, miscele esplosive) o inorganici (Sali, metalli pesanti, materiale radioattivo).


Esistono vari tipi di phytorimediation ognuno con le proprie caratteristiche (tanto è vero che si parla di fito-tecnologia) che dipendono dal:


  • Tipo di inquinante
  • Oggetto contaminato
  • Obiettivi della bonifica (contenimento, stabilizzazione, isolamento, assimilazione, riduzione, disintossicazione, degradazione, metabolizzazione, mineralizzazione)

I vari meccanismi da utilizzare dipendono dai processi fisiologici di base:


Fitostabilizzazione: Le radici assorbono il contaminante e lo immobilizzano nell'area corticale, accumulano queste sostanze dentro le radici (assorbimento) o al di fuori delle radici (assorbimento) oppure attraverso la precipitazione o l'immobilizzazione


Rizodegradazione: E' definita come fitostimolazione, cioè la rimozione dei contaminanti organici presenti nel suolo attraverso l'attività biologica presente nella rizosfera. Questa azione deriva dalle proteine e dagli enzimi prodotti ed essudati dalle piante o dagli organismi del suolo.


Fitoaccumulazione: E' definita comefitoestrazione e consiste nell'impiego di piante capiaci di accumulare metalli o sali in modo da trasferire e concentrare i contaminanti nel suolo nelle radici o nelle foglie o nel fusto. Alcuni tipi di piante definite iperaccumulatorie sono in grado di accumulare grandi quantità di metallo. Anche le alofite hanno le stesse caratteristiche, però loro sono in grado di accumulare grandi quantità di Sali.


Fitodegradazione (o fitotraformazione) Riguarda l'assorbimento degli inquinanti organici e la loro trasformazione. Perché una pianta sia capace di degradare direttamente un composto deve necessariamente essere capace di assorbire il composto dalle radici.

Questo dipende da alcuni fattori: concentrazione, composizione specifica del composto e condizioni del sito.

Le trasformazioni avvengono attraverso processi interni, mentre i  prodotti della degradazione finiscono nei vacuoli


Fitovolatilizzazione: La pianta assorbe il contaminante che può essere trasformato prima dell'assorbimento nella rizosfera oppure all'interno della pianta. Una volta assorbito il contaminante viene spostato nelle foglie che attraverso la respirazione lo rilasciano nell'atmosfera.


Applicazioni


L'applicazione della fitoremediation dipende da tre fattori:


Compartimenti ambientali inquinati

Il tipo di compartimenti

Gli obiettivi della bonifica (stabilizzazione, degradazione, accumulo, riduzione,           mineralizzazione)


Quindi l'applicazione della fitoremediation è la combinazione logica e scientifica dei vari metodi fitotecnologici.


Le fitotecnologie sono efficaci quando:


C'è spazio per la vegetazione

Applicazione per un lungo periodo



Concentrazioni non tossiche per le piante

Costi non eccessivi


VANTAGGI

Può essere applicata su aree poco contaminate ma molto grandi

E' molto economica

Grazie all'attenzione naturale dà buoni risultati

E' applicabile in più siti con contaminanti mescolati

Permette il recupero degli habitat

Ha un'ottimo impatto sull'opinione pubblica


SVANTAGGI

La quantità di terreno disponibile

Il sistema di crescita della vegetazione

La capacità della massa dell'inquinante di trasferirsi  nell'area del trattamento (area radicale)

I tempi sono relativamente lenti

E' legato al clima


Le conseguenze dell'inquinamento sull'ambiente acquatico


Effetti dannosi:

Effetti deossigenanti

Effetti eutrofizzanti

Effetti fisici e meccanici

Effetti da radiazioni

Effetti patogeni

Effetti da tossici


Non sono molti i casi in cui le conseguenze della contaminazione sono state esaminate in relazione a possibili modificazioni della struttura delle popolazioni (densità, distribuzione spaziale ecc.) o della dinamica delle stesse (natalità, mortalità, crescita ecc.) e una situazione analoga riguarda le comunità, questo perché  sono difficili le procedure di rilevamento dei dati e delle loro interpretazioni.

La sequenza delle interazioni tra tossico e organismi a livello crescente di organizzazione (individuo - popolazione -comunità) è schematicamente questa:


Fase a) risposte di natura biochimica:

Modificazioni dei vari sistemi enzimatici e ormonali

Cambiamenti metabolici del dna, delle membrane cellulari

Risposte fisiologiche

Risposte morfologiche


Fase b) nel singolo:

Risposte di tipo comportamentale che riguardano i singoli individui

Movimenti, equilibrio, orientamento, le varie tassie (foto-, chemio-), l'apprendimento

Nelle relazioni tra individui (problemi di riproduzione, di movimenti migratori, di aggregazione, di competizioni


Fase c)

Problemi sullo sviluppo e sulla crescita (riduzione) degli individui

Riproduzione


Fase d)  Livello di popolazione:

Alterazione della struttura

Riduzione della densità

Rapporto tra classi di età e tra sessi


Fase e)

Alterazioni delle comunità

Rapporti tra le popolazioni

Produttività

Evoluzione nel tempo

Rapporto preda     - predatore in base al tossico:



1) il tossico impedisce alla preda di scappare diminuizione prede

2)riduzione della pressione predatoria aumento prede area occupata dalle prede aumenta diminuizione alghe


Fase f) Livello di ecosistema:

Problemi nel ciclo degli elementi e trasferimento dell'energia


Studio delle modificazioni a cui sono soggetti gli inquinanti e i loro effetti sui viventi



Sostanze deossigenanti


Le sostanze organiche degradabili, una volta in acqua, vanno incontro a un processo di mineralizzazione ad opera di microrganismi con consumo di ossigeno disciolto. Questo consumo può dar luogo a una carenza di ossigeno e quindi a forti perturbazioni a vari libelli della comunità acquatica perché in ambiente anaerobico compaiono sostanze tossiche (es: NH3)

Sequenza del processo:


a)         Scomparsa specie che non tollerano la la scarsità di O2

b)        Selezione delle specie che sono scarsamente influenzate dalla mancanza di O2

c)         L'espansione di queste specie

d)        Ricomparsa delle specie a sensibilità intermedia (al cessare della perturbazione = mineralizzazione

e)         Ricomposizione della comunità originaria


Questa sequenza comporta un cambiamento radicale della struttura e delle funzioni della comunità.

Questi cambiamenti nel caso della struttura sono stati presi come indici di qualità delle acque

Ad esempio SAB specie,abbondanza,biomassa ABC Abundance-Biomass Comparison o rapporto P (produzione primaria) 

R (respirazione)





Composti eutrofizzanti


Il processo consiste in un arricchimento delle acque in sali (fosforo e azoto) con il conseguente aumento della produttività algale e un cambiamento nella struttura e nella comunità fitoplactanica.

Una produzione eccessiva comporta un aumento della biomassa in quantità più grandi rispetto a quella utilizzata dagli erbivori. Questo eccesso di produzione non più controllato fa sì che l'energia fissata venga trasferita alla catena del detrito (stessi inconvenienti della deossigenazione).

Il processo di eutrofizzazione ha diversa importanza a seconda del fattore limitante (fosforo). Dalla condizione oligotrofia a quella di eutrofia si verificano una serie di cambiamenti della qualità delle acque:


Riduzione O2

Diminuzione della trasparenza


Cambiamenti a livello di sedimenti:


Contenuti diversi di azoto e fosforo

Diversa richiesta di ossigeno


La biomassa algale diventa più elevata e le specie sempre di numero maggiore a causa di fattore come il PH.



Metalli pesanti


Sostanze organiche hanno come inconveniente la scomparsa delle specie più sensibili e l'aumento delle specie più tolleranti.

Nel caso invece di inquinamento da metalli tossici si ha una riduzione dei componenti di tutte le specie della comunità.

In generale il meccanismo di azione dei metalli è lo stesso ma alcuni hanno la capacità di accumularsi negli organismi.

Essi posso essere classificati in 3 gruppi:


  • Metalli (Cr, Ag) che non hanno nessuna azione fisiologica
  • Metalli (Cr, Sr) simili che possono sostituire potassio e calcio
  • Metalli che hanno un'importante ruolo fisiologico (Fe, Mu, Co)

Gli elementi che non hanno funzione fisiologica non sono soggetti a regolazione da parte degli organismi, se la concentrazione in acqua aumenta si osserva un aumento proporzionale nell'organismo, mentre se la concentrazione aumenta si azionano dei meccanismi di autoregolazione.



Inquinamento dell'atmosfera


L'inquinamento atmosferico è la rottura dell'equilibrio tra litosfera, biosfera e idrosfera che regola la composizione dell'aria, a causa della presenza di sostanze in grado di alterare le normali condizioni ambientali e diventando dannose per la vita.


Inquinamento naturale: Immissione nell'aria di quantità anomale di gas, ceneri e polveri prodotte in modo naturale (eruzione vulcano ecc.)

Inquinamento prodotto dall'uomo:  Perdita e aggiunta nell'aria di componenti in modo artificiale dovuta a processi industriali e agricoli che modificano la composizione atmosferica con conseguenze dannose per l'uomo


L'aria non è mai pura, per la presenza di pulviscolo atmosferico e altre sostanze:




  • Inquinanti primari: immessi direttamente nell'atmosfera da fonti facilmente identificabili (SO2, SO3 )
  • Inquinanti secondari: si formano a partire da inquinanti primari in seguito a trasformazioni chimiche (SO2 + O2 + SO3 + vapori d'acqua)

Inquinanti primari: 

q       Monossido di carbonio (CO): prodotto dalla combustione di idrocarburi e loro derivati, molto dannoso per entra attraverso la respirazione impedendo il trasporto di ossigeno da parte del pigmento respiratorio

q       Biossido di zolfo (SO2) Gas corrosivo dal quale può formarsi l'acido solforico (pioggie acide)

q       Ossidi di azoto (NO, NO2, NO3) Dannoso, può combinarsi con l'acqua a formare l'acido nitrico e contribuisce al buco nell'ozono

q       Idrocarburi Derivati dalla combustione dei combustibili, sono dannosi, possono essere cancerogeni

q       Metalli Sostanze pericolose prodotte dalle industrie (piombo, nichel, mercurio ecc.)

q       Gas Prodotti dalle industrie, sono velenosi e molto reattivi (cloro, fluoro, ozono)

q       Particolati Derivanti dall'inquinamento naturale (pollini, ceneri) e umano (fumi di sigarette, fuliggini)


Le condizioni metereologiche influiscono sull'inquinamento atmosferico in modi diversi:


-Con l'aria instabile e il vento i gas di scarico e i fumi si mescolano all'aria e vengono trascinati in alto dalle correnti ascensionali e dispersi ad alte quote


Influiscono sulla dispersione degli inquinanti due fattori, la velocità del vento e l'instabilità verticale dell'atmosfera.


In alcune situazioni accade che se manca del tutto l'aria gli inquinanti non dispersi si accumulano e concentrano negli strati più bassi della troposfera, come nell'inversione termica, in cui, in particolari occasioni (quando d'inverno l'aria a contatto col suolo perde parte del suo calore assorbito dal suolo formando la nebbia) la temperatura dell'aria aumenta con l'aumentare dell'altitudine e quindi uno strato di aria calda sovrasta uno strato di aria più fredda e più pesante che resta in basso.


Il bilancio termico del pianeta terra dipende dall'energia solare ma anche dalla composizione atmosferica e quindi dal biossido di carbonio (CO2) e dal vapore d'acqua, i quali lasciano passare le radiazioni a onda corta in arrivo dal Sole ma riflettono verso il suolo la maggior parte della radiazione a onda lunga emessa dalla terra, intrappolando il calore riflesso negli strati più bassi dell'atmosfera: si crea il cosiddetto effetto serra il quale in condizioni normali è favorevole per la vita (mantiene la temperatura alta e favorevole per gli esseri viventi) ma con l'aumento con l'industrializzazione della CO2 che cresce ogni anno smisuratamente e se in futuro verrà eliminata la vegetazione che attraverso la fotosintesi mantiene entro i limiti l'incremento di calore si potrebbero verificare ondate di caldo e precipitazioni irregolari, con improvvisi freddi che danneggerebbero la vegetazione spontanea, oltre alle alluvioni di grandi proporzioni, lo scioglimento dei ghiacci e contemporaneamente la desertificazione di molte regioni.


Il buco nell'ozonosfera


L'ozono è un gas presente nell'atmosfera che si forma durante i temporali ed è distribuito non uniformemente, con un massimo intorno ai 25 km dell'atmosfera, perché in quel punto giunge una quantità di raggi ultravioletti sufficiente a formare ossigeno atomico e la densità dell'aria permette la collisione fra ossigeno atomico e molecolare a dare ozono (3O2 2O3): la concentrazione di ozono è mantenuta costante grazie ad un delicato equilibrio tra distruzione e formazione di molecole O3.

L'ozono è di fondamentale importanza per la vita sulla Terra, in quanto assorbe le radiazioni che provengono dal Sole, che in caso contrario raggiungerebbero la superficie terrestre rendendo impossibile la vita per molti terrestri.

Negli anni 80 si è scoperto uno squarcio nello strato di ozono sull'Antartide, a causa di certe sostanze come gli ossidi di azoto e il bromuro di metile ma soprattutto i clorofluorocarburi o CFC (gas usati nelle bombolette spray, nei frigoriferi, nei condizionatori) i quali rimangono attivi per 50-70 anni raggiungendo la stratosfera: gli atomi di cloro che si liberano con l'uso dei CFC catalizzano la reazione di trasformazione di ozono in ossigeno molecolare rompendo l'equilibrio (infatti l'ozono viene distrutto più velocemente di quanto venga formato).

Nelle nubi fredde le reazioni di dissociazioni di CFC avvengono più facilmente: con la distruzione dell'ozono i raggi ultravioletti solari possono raggiungere la superficie terrestre con una concentrazione inversamente proporzionale alla riduzione dello schermo, con conseguenze del genere:

Danni alla salute umana (tumori della pelle ecc.)

Rese minori delle coltivazioni

Aumento della temperatura dell'aria e conseguenti cambiamenti climatici

Rottura degli equilibri di molti ecosistemi

Aumento delle reazioni fitochimiche che producono inquinanti dell'aria


Secondo alcuni studiosi gli CFC non fanno che velocizzare la naturale diminuzione dell'ozono: i vari stati, a parte gli Stati Uniti, hanno preso importanti decisioni per fare fronte a questo problema.


Le acque piovane solitamente sono leggermente acide per la presenza di acido carbonico, ma nel corso degli anni '90 l'acidità è aumentata fino a raggiungere valori di pH tra 5 e 3: le pioggie acide sono precipitazioni con pH inferiore a 5.

Ciò è dovuto alla presenza nell'aria di biossido di zolfo e di ossidi di azoto, in piccola percentuale componenti naturali dell'atmosfera, ma concentrati nelle zone industriali.

I danni che possono provocare le pioggie acide riguardano:


Gli ecosistemi idrici (abbassano il pH di laghi e fiumi impoverendo la fauna)

Gli ecosistemi terrestri (danneggiano i raccolti agricoli e la vitalità delle foreste)

Il patrimonio artistico e i materiali solidi (corrodono i metalli e danneggiano i monumenti)
















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