DITS Sapienza, Università di Roma
DICATA Università degli Studi di Brescia
DICA Università degli Studi di Catania
SiCon 2010 Workshop sui Siti Contaminati. Esperienze negli interventi di risanamento Roma 11-12 Febbraio 2010
Biotecnologie applicate alla bonifica di falde contaminate da Cr(VI) e Solventi clorurati
Roberto Ricci, Patrizia Pretto, Angela Garcia Perez Biosearch Ambiente srl Environment Park – Via Livorno, 60 – 10144 Torino biosearch@envipark.com
BIOTECNOLOGIE APPLICATE ALLA BONIFICA DI FALDE CONTAMINATE DA CR(VI) E SOLVENTI CLORURATI
BIOTECNOLOGIE APPLICATE ALLA BONIFICA DI FALDE CONTAMINATE DA CR(VI) E SOLVENTI CLORURATI Roberto Ricci, Patrizia Pretto, Angela Garcia Perez Biosearch Ambiente srl
Sommario
1. PREMESSA...........................................................................................1 1.1 Test in microcosmo..........................................................................2 1.2 Test in campo ...................................................................................3 2. MECCANISMI DI BIODETOSSIFICAZIONE ...............................3 2.1 Cromo...............................................................................................3 2.2 Solventi clorurati..............................................................................4 3. RISULTATI...........................................................................................4 3.1 Test in microcosmo – Caso A ..........................................................4 3.1 Test in microcosmo – Caso B ..........................................................5 3.2 Test in campo ...................................................................................6 4. CONCLUSIONI ....................................................................................7 5. BIBLIOGRAFIA ...................................................................................8
1. PREMESSA Le biotecnologie ambientali applicate al risanamento di siti contaminati rappresentano una soluzione ad elevata sostenibilità ambientale ed economica. L’applicazione di tali tecnologie richiede un approccio multidisciplinare atto a fornire elementi necessari per l’attuazione del sistema sulla base dell’idrogeologia, del profilo microbiologico e dei meccanismi biochimici in atto nel sito di interesse. Un intervento di biorisanamento su larga scala va quindi impostato su informazioni sito specifiche e definito sulla base dei risultati del Test in microcosmo e del Test pilota in campo.
Ricci, Pretto, Garcia Perez
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BIOTECNOLOGIE APPLICATE ALLA BONIFICA DI FALDE CONTAMINATE DA CR(VI) E SOLVENTI CLORURATI
Nel presente metodologia in contaminazione contaminazione
documento viene descritta l’applicazione di tale due diversi siti contaminati, uno interessato da una da Cr(VI) (Caso A) ed uno interessato da una di Cr(VI) e solventi clorurati (Caso B).
1.1 Test in microcosmo Il Test è volto a riprodurre su scala ridotta la situazione presente in sito. Dopo il campionamento della matrice da studiare, si procede con l’allestimento in laboratorio dei microcosmi. Nei due casi citati è stato eseguito utilizzando bottiglie di vetro sterili chiuse con tappo a tenuta munito di setto perforabile nelle quali sono stati immessi 500 ml di acqua di falda. La preparazione è stata eseguita in atmosfera controllata di azoto e in assenza di ossigeno e condotto a temperatura controllata simile a quella della falda (cfr. Figura 1.1). La durata del test è indicativamente di un mese per quanto riguarda la contaminazione da Cr(VI) e di due mesi per quella su Cr(VI) e solventi clorurati.
Figura 1.1 – Test in microcosmo
Ai microcosmi sono state aggiunte delle miscele di macro e micronutrienti atti a stimolare la crescita della microflora naturalmente presente nell’ambiente di falda e in grado di favorire la detossificazione dei contaminanti (cfr. Punto 2). Periodicamente sono stati misurati i parametri di riduzione degli inquinanti e la crescita microbica tramite conta MPN (Most Probable Number).
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1.2 Test in campo In un’area definita del sito di intervento (circa 1000 mq) viene eseguito il test in campo. Sulla base dei risultati del Test in microcosmo e delle caratteristiche idrogeologiche dell’area, vengono allestiti punti di iniezione e punti di monitoraggio; il mix di sostanze a migliore effetto biodetossificante testato in microcosmo, viene periodicamente immesso in falda (cfr. Figura 1.2). La durata del Test in campo è indicativamente di sei mesi.
Figura 1.2 – Test in campo
2. MECCANISMI DI BIODETOSSIFICAZIONE 2.1 Cromo E’ un metallo presente in natura in due stati di ossidazione: Cr(III): insolubile, poco tossico e ritenuto un microelemento per gli organismi. Cr(VI): altamente solubile (biodisponibile), tossico in quanto mutageno, teratogeno e carcinogeno. Un efficace sistema di bonifica ambientale è la riduzione della forma esavalente a Cr(III) sfruttando il metabolismo di microrganismi ambientali naturalmente presenti nei siti contaminati Tale processo può avvenire per : - via indiretta, in cui il cromo è ridotto indirettamente grazie a prodotti secondari del metabolismo microbico come ad esempio Fe (II) e HS-.
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- via diretta, quando le specie batteriche in questione sono coinvolte nella riduzione tramite produzione di enzimi.
2.2 Solventi clorurati Sono catene di carbonio organico sostituite con cloro che si trovano in ambiente solo in seguito a contaminazioni dovute ad attività antropiche. I microrganismi in grado di degradare tali composti sono rari, e quindi rimangono in natura come sostanze recalcitranti. A seconda del numero di atomi di alogenuro attaccati alla catena di carbonio, queste molecole vengono degradate di preferenza in ambiente ossidante o riducente, e possono fungere come nutrimento per i microrganismi, oppure essere trasformate da alcuni batteri, in composti utilizzati da un secondo batterio (cometabolismo). Esempio: Percloroetilene (PCE) e Tricloroetilene (TCE) Degradazioni possibili in ambiente: 1- Degradazione aerobica tramite enzimi come mono- e diossigenasi con formazione di acidi organici e totale ossidazione ad anidride carbonica e acqua. 2- Degradazione anaerobica secondo la catena di successione: Percloroetilene Tricloroetilene Dicloroetilene Vinilcloruro La formazione di vinilcloruro, composto cancerogeno e altamente più tossico delle sostanze di partenza, crea un grosso problema in ambiente anossico. 3- Degradazione per cometabolismo tramite batteri che normalmente si nutrono di metano e accidentalmente trasformano il TCE in un prodotto che altri batteri sono in grado di utilizzare come nutriente.
3. RISULTATI 3.1 Test in microcosmo – Caso A Sono state allestite 5 linee, di cui 2 rappresentate dal controllo abiotico (sterile) – e dal controllo biotico (Bianco di riferimento); sono state testate 3 miscele diverse di nutrienti.
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Nelle tre linee testate con le miscele di nutrienti c’è stata completa riduzione del Cr(VI) con minime differenze di tempo tra l’una e l’altra; nel campione di riferimento non c’è stata detossificazione (cfr. Figura 3.1). La capacità di riduzione del Cr(VI) nell’acqua di falda è risultata essere molto alta: la prova è stata condotta con circa 2000 µg/L di Cr(VI). Mix 1
Bianco 2500
1600 1400 1200
1500
Cr totale 1000
CrVI
Cr (µ g /L )
C r (µ g /L )
2000
1000 800
Cr totale
600
CrVI
400
500
200 0
0 0
5
10
15
20
0
5
Tempo (gg)
10
15
20
Tempo (gg)
Figura 3.1 – Risultati Test microcosmo Il sito in esame può essere decontaminato con successo con tecniche di bonifica biologica. L’aggiunta nell’acqua di falda di una miscela composta da donatori di elettroni + fattori di crescita microbica + nutrimenti bilanciati, consente la trasformazione del Cr(VI) da parte della comunità batterica presente. Per verificare l’efficacia del sistema e valutare eventuali fenomeni di rebound del processo di bonifica, sono stati eseguiti test di riossidazione i quali hanno dimostrato la validita’ del metodo.
3.1 Test in microcosmo – Caso B Il cromo esavalente (ridotto in meno di 3 giorni nel campione F e in circa 7 giorni nei campioni G e PB) risulta essere completamente detossificato nelle tre linee testate, mentre rimane inalterato nei due campioni negativi biotico e abiotico. Nell’arco di un mese di Test in microcosmo, in cui nr.2 linee di confronto
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(Bianco biotico e Bianco abiotico) sono state poste a confronto con nr.3 linee, in cui sono sati aggiunti diversi mix di sostanze (Linea F, G, PB), è avvenuto un abbattimento dei solventi clorurati nella seguente misura: •
95% in corrispondenza della Linea F
•
85% in corrispondenza della Linea G
•
85% in corrispondenza della Linea PB
Nel Test in microcosmo eseguito in relazione al Caso B si registra l’abbattimento totale del Cromo (VI), e si registra un abbattimento medio dei solventi clorurati nelle tre linee trattate di circa il 90%.
3.2 Test in campo Sulla base dei risultati ottenuti nell’ambito dei Test in microcosmo, si è ritenuto opportuno procedere con l’esecuzione di un Test in campo. In relazione al Caso A, il Test in campo è iniziato nel mese di luglio 2009, è stata conclusa la fase di iniezione ed è attualmente in sottoposto a monitoraggio per la valutazione di eventuali fenomeni di rebound; in relazione al Caso B, il Test in campo partirà nel mese di febbraio c.a.. In relazione al Caso A, la prova pilota in campo è stata condotta tramite iniezioni periodiche della miscela di sostanze rivelatasi essere la più efficace in termini di detossificazione durante inl test in laboratorio. Nell’area definita per la conduzione del Test in campo (cfr. Figura 3.2), sono stati realizzati 6 pozzi di iniezione, e 3 pozzi di monitoraggio posti idrogeologicamente a valle della linea di iniezione. Il Test in campo ha dato ottimi risultati in termini di abbattimento del Cr(VI); nei tre pozzi di monitoraggio (Pz5, Pz11, Pz12) in soli tre mesi si è registrato il completo abbattimento di Cr(VI). Il risultato, confermato anche dalle più recenti attività di monitoraggio, consentirà di intervenire su larga scala nel sito.
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Monit. Valle idrog. Pz INIEZ. 250,0
200,0
150,0
[C r V I]
PZ 5 PZ 11 PZ 12
100,0
50,0
0,0 20/07
29/07
04/08
25/08
09/09
data
Figura 3.2 – Area definita per il Test in campo (Caso A) e risultati in termini di [Cr(VI)] in 3 mesi.
4. CONCLUSIONI I risultati ottenuti nei due casi di studio descritti, dimostrano che un approccio multidisciplinare alle problematiche ambientali, in cui gli aspetti biotecnologici rappresentano la base per lo sviluppo di tecnologie di intervento sito specifiche, consentono lo sviluppo di sistemi di bonifica efficaci e a costi sostenibili.
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5. BIBLIOGRAFIA Anderson ,R.T. ,Lovley D.R.(1997) Ecology and biogeochemistry of in situ groundwater bioremediation. In:Advances in microbial ecology,pp.289350. Ed.J.G. Jones. Plenum press : New York Barnes L.J.,Scheeren P.J.M. e Buisman, C.J.N.(1994) Microbial removal of heavy and sulfate from contaminated groundwaters. In: Emerging Technology of bioremediatonof metals, pp.38-49 Eds. J.L. Means, R.E. hinchee.CRC Press Inc: Boca raton, FL Barton L.L., e Tomei, F.A.(1995) Characteristic and activities of sulfatereducing bacteria. In: sulfate –reducing bacteria,pp.1-32.Ed L.L barton. Plenum Press: New York Bopp L.H. and Ehrich H.L. (1998) Chromate resistance and reduction in Pseudomonas fluorescens strain LB300. Arch Microbiol 150,426-431 Bopp L.H. and Ehrlich H.L.(1983) Chromate resistance plasmid in Pseudomonas fluorescens. J Bacteriol 155,1105-1109 Fredrickson J.K., Kostandarithes H.M., Li S.W., Plymale ,A.E. and Daly M.J.(2000) Reduction of Fe(III), Cr(VI),U(VI) and Tc(VII) by Deinococcus radiodurans R1. Appl Env Microbiol 66,2006-2011 Fuji E.,Toda K., and Ohtake H.,(1990) Bacterial reduction of toxic exavant chromium using a fed-batch culture of Enterobacter cloacae strain HO1. J Ferment Bioengin 69, 365-367 Suzuki T, Miyata N.,Horitsu H., Kawai K., Takamizawa K., Tai Y., and Okazaki M.,(1992) NAD(P)H- dependent chromium (VI) reductase of Pseudomonas ambigua G-1: A chromium(V) inermediate is forming during the reduction of chromium (VI) to chromium(III). J Becteriol 174,5340-5345 Tebo B.M. and Obraztova A.Y.(1998) Sulfate reducing bacterium grows with Cr(VI),U(VI),Mn(IV) and Fe(III) as electron acceptors. FEMS Microbiol Lett 162,193-198
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