Fitoestrazione e fitocontrollo del bilancio idrologico in un sito industriale contaminato da metalli pesanti e arsenico

Dottorato di ricerca in Ecologia forestaleThe aim of this study was to investigate the utility of some spontaneous and cultivated plants in a phytoremediation strategy and to analyse the capability of a poplar plantation in remediate soil and in water control of an industrial contaminated site. Moreover an experiment was performed to investigate ex-situ the tolerance and accumulation capability of Pteris vittata L., an As-hyperaccumulator, to elevated Arsenic concentration with in order to introduce this specie in the contaminated site. The experimental field is an island of the industrial zone of Porto Marghera (Venice lagoon, Italy), called “Isola dei Petroli, classified as one of the most important “contaminated sites of national interest” (SIN) in Italy and considered as an area of high environmental risk which needs to be reclaimed. The island is 12 ha and has been used as an industrial landfill. Previous study described the island as highly contaminated by As, Cd and Zn mainly in soil depth range of 1-2 m. Since 2008 the island was wholly separated from surrounding sea by a waterproof barrier to avoid environmental contamination. This manufacture bounds the contamination scattering bat also it modifies the water balance of the island, annulling all exchanges island-sea. In this context a vegetation cover could be useful to remove water in excess, but soil toxicity could affect the growth plants. So an investigation of species both spontaneous and cultivated grown in the island are performed to analyse their utility in a phytoremediation and phytocontrol of hydrological balance strategy and their capability to survival in the contaminated site. The laboratory analyses and the ex situ study are performed in the IBAF, in the CNR centre in Montelibretti. It’s possible divide this work in 3 parts PART I - A SURVEY ON THE METAL AND METALLOID PHYTOEXTRACTION ABILITY OF SPONTANEOUS AND CULTIVATED PLANTS GROWING IN THE LANDFILL OF AN INDUSTRIAL SITE IN THE VENICE LAGOON. The aim of this part was to investigate the capability of different spontaneous and cultivated plant species growing on island to examine their potential use for a phytoremediation strategy. In particular this part focused on the most abundant tree, shrub and herbaceous species in the island. In soil of different depths and in the groundwater table, a large degree of heterogeneity in metal contamination, with values close to or higher than Italian guideline values (by Italian law D.Lgs 152/06), was found. Plants differed in pollutant accumulation. All spontaneous species, except for Amaranthus retroflexus L. towards zinc, showed a higher ability to exclude rather than accumulate heavy metals compared with cultivated species, making them unsuitable for the in situ phytoremediation of a contaminated industrial area. On the contrary, in cultivated species a valuable heavy metal concentration in above-ground organs was detected. In particular, good performances were evidenced for Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty to bioconcentrate Pb and for both Salix matsudana Koidz. and Salix alba L. to bioconcentrate Cd and Zn, allowing the evaluation of the possible utilization of these species for the phytoremediation of contaminated sites. PART II - SITE REMEDIATION AND HYDROLOGICAL CONTROL IN LANDFILLS: STUDY ON A POPLAR PLANTATION IN AN INDUSTRIAL SITE IN THE VENICE LAGOON. This part aimed to verify if in the industrial site a poplar plantation was useful both in site reclamation strategy and in the hydrological control of the site. The plantation consisted of three poplar clones: two Populus deltoides Bartr. Ex Marsch clones (Dvina, Lena) and one Populus x canadensis Moench clone (Neva). P..To investigate the poplar capability in accumulate As, Cd and Zn plant material, soil and groundwater table were sampled from 2006 to 2008 while to study the hydrological control by the plantation, plant transpiration was measured by Granier sensors during the three years. The results showed as the poplar plantation was able to regulate the hydrological balance of the site during growing season, with the exception of occasional heavy thunderstorms at the end of summer. Differences among clones were found for extraction efficiency of pollutants: Cd and Zn are more bioconcentrated than As and clone Neva seems to show the best performances. PART III - A LONG-TERM EXPERIMENT TO TEST P. VITTATA L. UNDER HIGH AS CONCENTRATION. This study was aimed to investigate the tolerance and accumulation capability of Pteris vittata L. exposed to a remarkable As concentration in a long-term semi-hydroponic experiment, evaluating some implications at physiological and biochemical level. After 17 weeks in pre-treatment condition, Na2HAsO4·7H2O was added to solution in two times to reach a concentration of 7 mg/l in the acclimatizing phase of 13 days and then of 21 mg/l in the treatment phase for seven weeks. At the end of treatment plants were sampled and divided into fronds, rhizome and roots. Biomass, As concentration, Cys, GSH, PCs, chlorophyll fluorescence image and chlorophyll content analysis were performed. It can be highlighted that organs developed during As treatment can maintain a valuable physiological status despite of the elevated As concentration in their tissues and that the main changes in the chlorophyll fluorescence parameters due to As treatment were the large reduction in ΦPSII (45%) and the notable increase in NPQ (350 %).Lo scopo di questa tesi è di studiare l’utilizzo di alcune specie vegetali, spontanee ed introdotte, in una strategia di fitorimedio in un sito industriale contaminato e di analizzare la capacità di una piantagione di pioppi di risanare il suolo e di controllare il bilancio idrogeologico del sito. È stato inoltre condotto un esperimento ex-situ per studiare la tolleranza e la capacità di accumulo di Pteris vittata L., un iperaccumulatore di Arsenico, in una condizione di elevata concentrazione di questo inquinante per un lungo periodo, con lo scopo di introdurre eventualmente questa specie nel sito contaminato. Il sito sperimentale è un’ isola di Porto Marghera (Laguna di Venezia, Italia), detta “Isola dei Petroli”, classificato come uno dei più importanti “Siti contaminati di interesse nazionale” (SIN) in Italia e considerato come un’area con elevato rischio ambientale e che necessita di essere risanata. L’isola è ampia 12 ha ed è stata utilizzata nei decenni passati come una discarica industriale. Precedenti studi descrivono l’isola come altamente contaminata da As, Cd e Zn soprattutto nelle profondità di suolo tra 1 e 2 metri. Dal 2008 l’isola è stata completamente separata dal mare circostante mediante una barriera impermeabile per limitare la contaminazione ambientale. Quest’opera evita il diffondersi dell’inquinamento ma modifica anche il bilancio idrogeologico dell’isola, annullando ogni scambio isola-mare. In questo contesto la copertura vegetale potrebbe essere utile per rimuovere l’acqua in eccesso, ma la crescita delle specie vegetali potrebbe essere influenzata dalla tossicità del suolo. È stata quindi condotta un’indagine delle specie sia spontanee che introdotte cresciute sull’isola per analizzare il loro utilizzo in una strategia sia di fitorimedio che di fitocontrollo del bilancio idrologico e la loro capacità di sopravvivere nel sito contaminato. Le analisi di laboratorio e l’esperimento ex-situ sono stati condotti presso l’Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale (IBAF) del CNR, sezione di Montelibretti. È possibile suddividere questo lavoro in 3 parti: PARTE I - INDAGINE SULLA CAPACITA’ DI FITOESTRAZIONE DI METALLI E METALLOIDI DI PIANTE SPONTANEE E INTRODOTTE CRESCIUTE IN UN SITO INDUSTRIALE CONTAMINATO NELLA LAGUNA DI VENEZIA. Lo scopo di questa prima parte è quello di studiare la capacità di differenti specie vegetali spontanee e introdotte cresciute sull’Isola per esaminare il loro potenziale uso in un intervento di fitorimedio. In particolare sono state studiate le specie arboree, arbustive ed erbacee più abbondanti nel sito. È stato riscontrato un ampio grado di eterogeneità nella contaminazione da metalli, con valori prossimi ai limite di legge in Italia (D.Lgs 152/06) in differenti profondità di suolo e nell’acqua di falda. Le specie vegetali differiscono nell’accumulo di inquinanti. Tutte le specie spontanee, eccetto l’Amarantus retroflexus L. nei confronti dello Zn, mostrano un’elevata abilità nell’escludere i metalli pesanti piuttosto che accumularli mostrandosi non idonee per un’azione di fitorimedio nel sito studiato. Al contrario, nelle specie introdotte un’interessante concentrazione di metalli pesanti è stata riscontrata nei diversi organi. In particolare buone performance sono state evidenziate per Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty nella bioconcentrazione di Pb, per Salix matsudana Koidz e per Salix alba L. nella bioconcentrazione di Cd e Zn, permettendo la possibile utilizzazione di queste specie in un intervento di fitorimedio del sito. PARTE II: - FITORIMEDIO E CONTROLLO IDROLOGICO IN SITI INQUINATI: STUDIO DI UNA PIANTAGIONE DI PIOPPI IN UN SITO INDUSTRIALE NELLA LAGUNA DI VENEZIA Lo scopo di questa seconda parte è di verificare se nel sito industriale contaminato la piantagione di pioppi è utile sia nell’intervento di fitorimedio sia nel controllo idrologico. La piantagione è composta da tre cloni: due Populus deltoides Bartr. Ex Marsch (Dvina, Lena) e un Populus x canadensis Moench (Neva). Per indagare la capacità dei pioppi di accumulare As, Cd e Zn, è stato campionato il materiale vegetale, il suolo e l’acqua di falda dal 2006 al 2008. Per studiare il controllo idrologico da parte della piantagione nei tre anni di studio ne è stata rilevata la traspirazione mediante i sensori Granier. I risultati mostrano come la piantagione è in grado di regolare il bilancio idrologico del sito durante la stagione vegetativa, ad eccezione dei temporali di fine estate. Tra i cloni sono state osservate differenze nell’efficienza di estrazione degli elementi analizzati: il Cd e lo Zn vengono maggiormente bioconcentrate rispetto all’As e il clone Neva mostra le migliori performance sia nell’accumulo che nella crescita. PARTE III: - UN ESPERIMENTO DI LUNGO TERMINE PER TESTARE P. vittata L. IN ELEVATE CONCENTRAZIONI DI ARSENICO. Questa terza parte ha lo scopo di indagare la tolleranza e la capacità di accumulo di Pteris vittata L. esposta a una elevata concentrazione di As per un lungo periodo, valutando alcune implicazioni a livello fisiologico e biochimico. Dopo 17 settimane in condizioni di pretrattamento, è stata aggiunta una soluzione di Na2HAsO4·7H2O in due volte raggiungendo una concentrazione di 7 mg/l nella fase di acclimatamento poi 21 mg/l nella fase di trattamento. Dopo 7 settimane le piante sono state campionate, dividendole in fronde, rizomi e radici. Sono state condotte analisi di biomassa, concentrazione di As, contenuto di tioli e fitochelatine, rilevamento dei parametri fotosintetici e contenuto di clorofilla. I risultati ottenuti dimostrano che gli organi sviluppati durante il trattamento riescono a mantenere un discreto stato fisiologico nonostante l’elevata concentrazione di As nei loro tessuti e che i principali cambiamenti nei parametri di fluorescenza della clorofilla, dovuti al trattamento con As, sono un’ampia riduzione nel ΦPSII (45%) e un notevole incremento in NPQ (350%)