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Bandiera, Marianna (2010) Improving phytoremediation efficiency in metal-polluted wastes. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Human activities are responsible for the release of pollutants into the environment, and soil contamination by metals and metalloids is of primary concern. Currently, the laws covering environmental management and protection of several countries are focusing on the less expensive and more environmentally friendly biological methods of restoration, compared with the more invasive physico-chemical ones.
The present study regards the first attempt in Italy to apply in situ phytoremediation of a metal-polluted, markedly degraded area located at Torviscosa (Udine, NE Italy) and included in the national priority list of sites for restoration. Within the site, pyrite cinders, derived from mineral roasting for sulphur extraction, had been severely contaminated by various metals such as arsenic, cadmium, copper, lead and zinc. The wastes were discharged in the Thirties and covered with an unpolluted 0.15-m layer of gravelly soil. Because of the particular substrate composition, poor physical structure, nutrient deficiency, and extreme hydrological conditions, the site was colonised by a rare and inadequate vegetation cover. Application of phytoremediation with biomass species required particular care in soil management and adjustment of the cultivation method. In this regard, ploughing was compared with subsoiling, in order to dilute the cinders with the unpolluted top layer and to maintain a shallow favourable layer for plant establishment, respectively.
In situ, trials were carried out to compare woody species (Populus alba L., P. nigra L., P. tremula L., Salix alba L.) and crops (Helianthus annuus L., Lolium multiflorum Lam., Medicago sativa L., Raphanus sativus L. var. oleiformis Pers.) in terms of above-ground productivity and metal accumulation, and to establish the role of root colonisation. Greater root lengths were generally correlated with metal concentrations in plant tissues but not with mass removals. The excessively high metal concentrations, both total and DTPA-extractable, of the wastes in ploughing cause worse rooting than subsoiling in almost all species.
In both woody and crop species, the mass balance of phytoextraction mainly involved Zn and was relatively poor because of generalised impaired growth. However, poplar and willow were able to stabilise a considerable fraction of trace elements at below ground, making the application of phytostabilisation (coarse roots) through short-rotation coppicing a reliable complementary strategy. Instead, this possibility seems less practicable in herbaceous crops through their finer roots, although more precise quantification of root production and turnover is required for insights into long-term metal stabilisation in tap-rooted species.
Results obtained at the Woolston New Cut Canal in the UK, which are an integral part of this thesis, indicate that stabilisation of several metals can also be achieved by adding soil with a small percentage of cement (1%) or lime (1%). This would reduce risks of metal movements through windblow and leachate transfer, and allow plants to improve their above-ground productivity.
Among crops, Raphanus sativus var. oleiformis showed the highest tolerance to pyrite wastes, providing interesting phytoextraction balances, thanks to less altered growth rather than increased metal concentrations. The consistency of these results with past experiments in another polluted site suggested that this species can be conveniently exploited by testing various methods of improvement in metal uptake (e.g., auxins, humic acids, chelators).
In pot trials, repeated soil applications of indolebutyric acid (IBA) have shown detrimental effects on plant growth and phytoextraction, regardless of doses of 0.1 and 1 mg kg-1. These negative effects were not observed for foliar spraying at 10 IBA mg L-1. Conversely, significant increases in root length and metal removal were seen after soil application of humic acids (HA) at small doses (0.1 g HA kg-1 of substrate), probably because of their hormone-like and chelating (weak) effects. Higher doses of HA (1 g kg-1), an extremely expensive option on a large scale, were fortunately not effective, as worsening of shoot biomass greatly exceeded improvements in metal concentrations.
The application of ethylene-diamine-disuccinic acid (EDDS), a less persistent and more easily degraded chelator than the traditional ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA), was experimented in both Raphanus sativus var. oleiformis and Brassica carinata A. Braun, but only occasionally were good phytoextraction results observed. EDDS always improved metal concentrations, regardless of doses of 2.5 and 5 mmol kg-1 (applications close to harvest), but biomass reduction was a prevailing effect. Repeated low-dosage applications of EDDS (1 mg kg-1 × 5 times) during the cycle, another possible strategy of chelator management, was less effective because of considerable phytotoxitoxicity and undesirable marked increases in metal leaching. Like those found for other chelators, these results suggest that, for maximum effectiveness and absence of environmental risks, EDDS should be applied one week before harvest at a moderate dose (2.5 mmol kg-1), regardless of species.
It is concluded that phytomanagement of metal-polluted sites with field crops and coppices undoubtedly has a landscape value, but may only seldom become a reliable phytoextraction strategy in extreme contamination conditions like those due to pyrite wastes. In these circumstances, phytostabilisation is an option which should be evaluated more carefully as additional complementary mean. For both phytoextraction and stabilisation, the proper choice of species and adjustment of its cultivation method, as well as substantial soil amelioration and identification of specific treatments, can significantly improve these green technologies.

Abstract (italiano)

Le attività civili, industriali e agricole sono responsabili del rilascio di inquinanti nell’ambiente. Tra le diverse fonti, la contaminazione del suolo da parte di metalli e matalloidi è una problematica di grande attualità. Contestualmente, la legislazione in materia di gestione e protezione ambientale di molti Paesi attribuisce alle tecnologie di bonifica biologiche, meno costose e di minor impatto ambientale, una rinnovata importanza, al pari dei più invasivi metodi di depurazione fisico-chimici.
Il presente studio riguarda il primo tentativo in Italia di applicazione della fitodecontaminazione in situ di un’area – sita a Torviscosa, Udine – marcatamente inquinata da metalli e inclusa nell’elenco nazionale dei siti prioritari per la bonifica (D.M. 468/2001). A partire dagli anni Trenta e per diversi anni, nel sito sono state scaricate ceneri di pirite derivanti dall’arrostimento del minerale pirite per l’estrazione dello zolfo. Le ceneri sono risultate marcatamente contaminate da vari metalli come arsenico, cadmio, rame, piombo e zinco. A termine del periodo industriale, lo scarto industriale è stato ricoperto con uno strato di 0,15 m di terreno di riporto non inquinato ma ricco in scheletro. A causa delle particolari caratteristiche negative del substrato, struttura fisica alterata, carenza di nutrienti e delle sfavorevoli condizioni idrologiche, la flora spontanea che ha colonizzato negli anni il sito è risultata essere rada e inadeguata allo svolgimento di un efficiente processo fitoestrattivo.
La realizzazione dell’impianto di fitoestrazione con specie da biomassa ha richiesto una cura particolare nella gestione del suolo e un adeguamento delle tecniche di coltivazione. In merito alla lavorazione del terreno, la coltivazione delle piante è avvenuta dopo aratura ed in comparazione con tecniche di ripuntatura, rispettivamente al fine di diluire le ceneri con il terreno di riporto e di mantenere uno strato superficiale non inquinato.
In situ sono state coltivate specie arboree (Populus alba L., P. nigra L., P. tremula L., Salix alba L.) ed erbacee di interesse agrario (Helianthus annuus L., Lolium multiflorum Lam., Medicago sativa L., Raphanus sativus L. var. oleiformis Pers.), valutando la produzione di biomassa, l’accumulo di metalli ed il possibile ruolo dell’apparato radicale. In generale, un maggiore accrescimento radicale (lunghezza) è risultato correlato positivamente alla concentrazione di metalli raggiunta nei tessuti epigei, ma non con la loro rimozione. Nelle ceneri, l’aratura ha peggiorato l’accrescimento radicale di quasi tutte le specie saggiate a causa della maggiore presenza (totale e biodisponibile) di metalli rispetto alla ripuntatura.
Nel sito di Torviscosa, l’asportazione di inquinanti è risultata generalmente modesta a causa della scarsa produttività vegetale, e ha riguardato quasi esclusivamente lo zinco. Pioppo e salice sono stati comunque in grado di stabilizzare una porzione considerevole di metalli pesanti a livello radicale, suggerendo che i sistemi SRC (Short Rotation Coppice) possano fornire anche un importante contributo nella fitostabilizzazione. Questa possibilità sembra invece essere meno realistica per le radici fibrose delle colture erbacee, a causa del loro intenso e rapido turnover. Si rende tuttavia necessaria una precisa quantificazione della produttività radicale e del tempo di ritenzione dei metalli nelle radici fittonanti.
I risultati ottenuti presso il Woolston New Cut Canal (Inghilterra, UK), parte integrante di questa tesi, indicano che l’ammendamento della matrice inquinata con piccole quantità di cemento (1%) o di carbonato di calcio (1%) può contribuire a stabilizzare diversi metalli pesanti. Questo ridurrebbe la dispersione atmosferica e il dilavamento degli inquinanti, permettendo allo stesso tempo alle piante di migliorare la produttività per effetto della minore frazione di metalli biodisponibili.
Tra le colture saggiate, il rafano (Raphanus sativus var. oleiformis) ha dimostrato un elevato grado di adattamento alle ceneri di pirite, raggiungendo un buon potenziale produttivo e interessanti asportazioni di metalli. L’interesse per questa specie è stato pertanto esteso anche a sperimentazioni in ambiente controllato per studiare l’applicazione di auxine, acidi umici e sostanze chelanti.
L’applicazione ripetuta al suolo di acido indolbutirrico (IBA) non ha fornito i risultati attesi avendo ridotto l’accrescimento vegetale e l’accumulo di metalli sia a 0,1 che 1 mg IBA kg-1. L’ormone ha invece fatto incrementare la lunghezza radicale tramite applicazioni fogliari a 10 mg IBA L-1. Stimolazione dell’accrescimento radicale e miglioramenti del bilancio fitoestrattivo sono stati ottenuti con modeste applicazioni al suolo (0,1 g kg-1) di acidi umici (HA), verosimilmente per l’attività ormono-simile e del debole effetto chelante. Dosi superiori di HA (1 g kg-1), un’opzione estremamente costosa su larga scala, non sono risultate efficaci, a causa del prevalente effetto fitotossico.
L’applicazione di acido etilendiaminodisuccinico (EDDS), un chelante meno persistente e più facilmente biodegradabile del ben noto acido etilendiaminotetracetico (EDTA), è stata sperimentata sia in Raphanus sativus var. oleiformis che in Brassica carinata A. Braun, ma solo raramente si sono osservati miglioramenti della fitoestrazione. L’EDDS ha infatti sempre aumentato la concentrazione di metalli nei tessuti epigei, indipendentemente dalla dose (2,5 e 5 mmol kg-1) applicata poco prima della raccolta, ma la riduzione di biomassa è stata più marcata. Un’altra strategia possibile di gestione del chelante, ovvero applicazioni ripetute a basso dosaggio durante il ciclo colturale (1 mmol kg-1 × 5 volte), è risultata meno efficace a causa della considerevole fitotossicità e dell’aumento incontrollato di metalli lisciviati. Questi risultati suggeriscono che l’EDDS, analogamente ad altri chelanti, possa essere applicato proficuamente e senza rischi ambientali una settimana prima della raccolta a dosi moderate (2,5 mmol kg-1), indipendentemente dalla specie vegetale considerata.
Si può concludere che la gestione di siti inquinati da metalli pesanti tramite coperture vegetali agrarie e forestali possiede indubbiamente un importante valore paesaggistico, ma solo raramente può diventare una strategia concreta in condizioni estreme come quelle causate dalle ceneri di pirite. In queste circostanze la fitostabilizzazione è un’opzione da valutare con attenzione ed in termini di complementarietà alla fitoestrazione. Una corretta scelta delle specie e il perfezionamento delle tecniche agronomiche, così come il miglioramento delle condizioni chimico-fisiche della matrice inquinata e l’individuazione di trattamenti specifici, possono tuttavia rendere queste tecnologie ecocompatibili più efficaci e applicabili su larga scala.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Vamerali, Teofilo
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > SCIENZE DELLE PRODUZIONI VEGETALI > AGRONOMIA AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:01 Febbraio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):In situ phytoremediation, Heavy metals, Arsenic, Biomass species, Root growth, Chelators, Metal leaching, Auxins, Humic acids, Inorganic amendments
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/02 Agronomia e coltivazioni erbacee
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Agronomia Ambientale e Produzioni Vegetali
Codice ID:2577
Depositato il:29 Set 2010 11:36
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