Development of phytotecnological approaches for contamined sites characterization

Dottorato di ricerca in Ecologia forestaleLe piante interagiscono intimamente con l’ambiente che le circonda, estraendo acqua, anidride carbonica, macro- e micro-nutrienti. Per mezzo di questi processi di estrazione le piante possono anche prelevare contaminanti dalle matrici circostanti. Le piante vascolari, in particolare, sviluppano un esteso sistema radicale e fogliare, che rappresentano un punto di scambio e contatto con le matrici ambientali (acqua-suolo-aria). Pertanto il campionamento di materiale vegetale rappresenta un metodo speditivo ed economico per individuare, mappare e ricostruire l’evento inquinante. Le piante, quindi, forniscono dei proxy-data sugli eventi inquinanti presenti (phytoscreening) o passati (dendrochemistry) e possono essere utilizzate nelle indagini ambientali volte all’individuazione/caratterizzazione di inquinamento delle matrici acqua, suolo, aria. Numerosi metodi di campionamento ed analitici sono stati sviluppati per l’analisi degli inquinanti attraverso le piante che sono funzione del tipo di contaminazione e del tipo di copertura vegetale che insiste sul sito. Questo lavoro si pone l’obiettivo di sviluppare un approccio da utilizzare in via preliminare nella caratterizzazione di siti contaminati. La prima parte del lavoro si propone di individuare e descrivere le dinamiche di ricolonizzazione forestale in una ex-discarica industriale di carburo di calcio e calciocianamide, sita a Papigno (TR, Italy). Questo tipo di informazioni rappresentano uno strumento utile a guidare le tecniche di fitorimedio, l’analisi della vegetazione presente sul sito, infatti, informa sulla storia passata e orienta le scelte future guidando tecniche che assecondino ed eventualmente stimolino, in modo controllato, approcci naturali di attenuazione della contaminazione. Il sito dell’ex-discarica di Papigno ha una storia di colonizzazione recente. La distribuzione della vegetazione è opera di una disseminazione naturale e la composizione specifica delle differenti aree sembra essere condizionata dalle caratteristiche micro-stazionali limitanti la fase di insediamento dei giovani semenzali e dalle principali direttrici di disseminazione. I risultati di questa analisi dimostrano che i pattern spaziali della vegetazione sono strettamente legati alle condizioni ambientali, e microstazionali, che ne hanno influenzato l’insediamento. Ad un livello di ampia scala, nel processo successionale, sono favorite le specie pioniere e più adattate a condizioni stazionali meno mature. E’ il caso, appunto, della robinia che sembra prevalere sul pioppo in quasi tutte le aree. Ad un livello di scala fine assumono grande importanza le condizioni microstazionali grazie alle quali alcune specie vengono più favorite di altre e creano nelle diverse aree dell’ex-discarica, prevalenza dell’una o dell’altra in termini di abbondanza o di volumi. La contemporaneità dell’insediamento, assieme alle condizioni di degrado del suolo hanno portato alla relativa omogeneità della vegetazione presente, favorendo lo sviluppo di specie pioniere e invasive come la robinia e l’ailanto o specie che, come i pioppi, hanno semi molto mobili e una buona capacità pollonifera. Lo studio delle dinamiche di accrescimento e di accumulo di metalli pesanti nella vegetazione dell’ex-discarica, mediante lo studio degli anelli legnosi ha messo in luce un sistema strettamente legato alla variabilità stagionale. La probabile assenza di falda rende l’accrescimento delle specie legnose suscettibile all’aridità estiva e gli incrementi si mostrano strettamente legati alle piogge di ricarica autunno-invernali. Nonostante ciò, le piante mostrano dei buoni incrementi e le specie presenti, che si sono naturalmente selezionate, mostrano una buona predisposizione ad essere utilizzate in un contesto di fitorimedio. In merito allo studio delle dinamiche di accumulo e traslocazione di idrocarburi e metalli pesanti, questo studio ha evidenziato che, in un sito ex-industriale come quello di Papigno, la capacità di uptake del contaminante da parte delle piante, e con essa il BCF, sono molto variabili. Questa grande variabilità dipende non solo dal tipo di contaminante (idrocarburi, metalli pesanti, PCB ecc.), dalla specie legnosa e dall’estensione dell’apparato radicale, ma anche dalla grande variabilità delle condizioni al suolo. I risultati ottenuti dimostrano che le specie legnose analizzate, in particolare robinia e pioppo, hanno buone capacità di prelevare idrocarburi e metalli pesanti, mostrando una buona attitudine per il fitorimedio. La tecnica del phytoscreening in questo caso si è mostrata in grado di rilevare una situazione di contaminazione ed ha permesso una mappatura della distribuzione della contaminazione nella vegetazione del sito, che potrà essere un utile strumento per guidare le successive indagini volte ad una più completa conoscenza della tipologia e distribuzione della contaminazione del sito. Il phytoscreening rappresenta un utile strumento anche nello studio delle contaminazioni della acque da composti organo-clorurati (tricloroetilene e tetracloroetilene). L’ultima parte di questo lavoro si propone lo studio di questi composti nelle piante legnose, attraverso analisi delle carotine di legno. Dallo studio è emerso che le piante legnose sono in grado di prelevare il PCE dalla matrice acquosa, trasportarlo e accumularlo nei tessuti legnosi ed, inoltre, che questo uptake avviene solo quando la concentrazione di PCE nella matrice è al di sopra di una certa soglia (>142 μg/l). Le tecniche di phytoscreening si sono dimostrate in grado di rilevare la presenza di composti organo-clorurati nelle matrici acquose e hanno fornito informazioni di tipo qualitativo e semi-quantitativo che, se integrate, con analisi al suolo possono rappresentare uno strumento di alta predittività dei livelli di contaminazione della matrice suoloacqua. In particolar modo, tenendo conto degli scopi e delle limitazioni, il phytoscreening si mostra utile nelle valutazioni preliminari volte a studi di caratterizzazione della contaminazione delle matrici suolo-acqua, principalmente in contesti urbani dove può essere difficile e costoso utilizzare altri metodi di monitoraggio.Plants interact with the surrounding environment, “extracting” water and nutrients from soil and water reservoirs, carbon dioxide from the atmosphere. By means of these processes, plants can also uptake contaminants from the surrounding matrices (soil, water, atmosphere). Vascular plants, in particular, develop an extensive root and leaf system, representing a point of contact and exchange among the different environmental matrices. Therefore, plant sampling represents an expeditious and inexpensive method to identify, to map and to reconstruct the polluting event. Plants provide proxy-data about present and past pollutant events (phytoscreening - dendrochemistry) and it can be used in environmental investigations and site assessments.. Several sampling and analytical methods have been developed for the analysis of the pollutants by using the plants; these methods depend on the types of contamination and vegetation, which insists on the site. This work aims to develop an approach to be used as a preliminary characterization of the contaminated sites. The first section of the thesis report the study conducted in a former industrial landfill of calcium carbide, located in Papigno (TR), where the dynamics of tree recolonisation ) was investigated. The main objective of the study was to provide a first set of information to guide a phytoremediation project; the vegetation analysis, in fact, provide information about the past and address future choices, directing natural approaches to contamination attenuation. The former landfill of Papigno has a history of recent tree colonization. The vegetation distribution is the result of a natural dissemination and the specific composition of different areas seem to be affected by the micro-site characteristics and the main dissemination ways, limiting the establishment phase of young seedlings. The results of this analysis demonstrate that the vegetation spatial patterns are closely linked to environmental micro-site conditions. On a time-scale level, the successional process, pioneer species are favoured because more adapted to the specific conditions of that artificial soil. The black-locust tree (Robinia pseudoacacia L.), in fact, seems to be more widespread than poplar (Populus spp.) in almost all studied sub-areas. On a spatial scale level micro-site conditions dominates the species distribution, resulting in patches of small tree communities differentiated in term of species, density and total biomass. The contemporary settlement of the plants with the conditions of soil degradation led to relative vegetation homogeneity, encouraging the pioneer and invasive species development, such as black locust and tree of heaven (Ailanthus altissima (Mill.) Swingle) or poplar that has very movable seeds with a good production of suckers. In the second section of the thesis, the study of growth dynamics and heavy metals accumulation in the trees colonising the former landfill of Papigno (TR), is reported. The objective of the tree rings analysis was the identification of the the specific environmental constrains of plant growth, which should be considered for a correct design of the pythoremediation project. The results showed that the tree growth was susceptible to summer drought and positively correlated to rainfall recharge in autumn and winter, supporting the geological indication about the absence of a water reservoir accessible to the plant roots. Nevertheless, the trees present in the area, which are naturally selected, showed growth rates in the typical range of the species, supporting their use for the phytoremediation project. Regarding the study on hydrocarbons and heavy metals accumulation and translocation in the trees growing in the site, the results showed a high spatial variability of the plant contamination according to a “hot spot” type of pollution also resulted from soil analysis. This large variability depends, not only, on contaminant type (hydrocarbons, heavy metals, Polyclorinathed Byphenils), but also on tree species and dimension/age and soil conditions. The results show that the different tree species analysed, especially poplar and black locust, have good capability to transfer hydrocarbons and heavy metals from soil to the plant tissues. In the third section of the thesis, the results obtained using a phytoscreening approach to analyse the contamination of different aquifers, are presented. The phytoscreening techniques can be used to produce maps of the diffusion of contaminants, on soil and/or aquifer, using trees as probes. Among the others, the phytoscreening is a useful tool in water contamination studies, by chlorinated compounds (trichlorethylene and tetrachlorethylene). The last part of this paper aims to study these compounds in woody plants, through analysis of the wood cores, in a site of Città di Castello (PG, Center of Italy). The study shows that the woody plants are able to uptake the PCE from aqueous matrix and accumulate it in woody tissues and, furthermore, that this uptake occurs only when the PCE concentration in the matrix is above a threshold value (142 mg/l). The phytoscreening techniques was able to detect the chlorinated compounds presence in aqueous matrix, providing qualitative and semi-quantitative information about the spatial diffusion of these compounds. These techniques, if integrated with soil analysis, can be a high predictive tool of contamination levels of soil-water arrays. In particular, taking into account the objectives and constraints, the phytoscreening seems to be useful in the preliminary evaluations aimed at characterization studies of groundwater contamination, mainly in urban areas where it could be difficult and expensive using other mapping methods