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Presentazione standard di PowerPoint
Approccio biotecnologico agli interventi di bonifica e riqualificazione
di siti ed ecosistemi contaminati. (8 ore)
12-19 aprile 2016
GIORNATA DI STUDIO
“BIORISANAMENTO DEGLI ECOSISTEMI SUOLO-ACQUA-MATRICI
ORGANICHE.”
Estratto I e II parte
Docente:
Pierlorenzo Brignoli
Biotecnologo Industriale Senior (iscr. Albo Naz. N.0822 - Sez. A)
Membro ENEP (European Network of Environmental Professionals)
Docente di «Biorisanamento di siti ed ecosistemi contaminati» - Università di Siena (Centro
di GeoTecnologie)
Inquinamento ambientale
Negli ultimi decenni gli inquinamenti ambientali di origine
antropica, iniziati quando si è gradualmente passati da
un’economia di tipo agricolo ad un’economia di tipo
industriale, hanno assunto un peso notevole. Col passare
degli anni tali problemi sono cresciuti di pari passo con
l’aumento della popolazione e l’industrializzazione dei
processi produttivi.
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Glossario terminologia
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I contaminanti rilasciati nell’ambiente subiscono una serie di fenomeni che
ne determinano sia la loro propagazione che il loro possibile accumulo
oltre alla possibilità di venire in contatto con l’uomo e con gli altri
organismi presenti.
Quando il contaminante in fase liquida penetra nel sottosuolo tende a
drenare negli strati sottostanti ed è soggetto ad una serie di fenomeni
concomitanti: evaporazione e diffusione in fase di vapore, solubilizzazione
in acqua, diffusione ed adsorbimento nella matrice solida del suolo e
degradazione microbica (Grillo G., 2001).
Tali fattori determinano così l’inquinamento del suolo, del sottosuolo, dei
sedimenti, delle acque superficiali e profonde e dell’atmosfera con
sostanze chimiche anche pericolose e tossiche (Baker K.H. e Herson D.S.,
1994; Saponaro S. et al, 2000).
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Terminologie
Recalcitrante
Di difficile degradabilita'. Molti recalcitranti sono xenobiotici (sostanze di sintesi
non esistenti in natura).
Biodegradazione
Degradazione di sostanze mediante intervento di organismi viventi e loro
metaboliti.
Biodegradazione primaria
La sostanza perde le sue caratteristiche chimiche originarie senza essere
completamente degradata. Talvolta la biodegradazione primaria porta alla
formazione di sostanze con impatto ambientale maggiore.
Mineralizzazione
Degradazione completa di un composto fino ai suoi componenti minerali (quali
anidride carbonica ed acqua). A seconda dal composto che si degrada si possono
liberare anche ammoniaca, solfati, solfuri, nitriti e nitrati, fosfati o fosfiti, cloruri,
fluoruri etc. Una parte del carbonio liberato può essere convertito in biomassa.
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Co-metabolismo
Degradazione di un composto alla presenza obbligata di un altro o di altri
composti. L'organismo degradatore non ricava evidenti benefici dalla
degradazione del composto recalcitrante e non può ricavare da questo
energia o carbonio che pertanto devono essere presi da altri composti. Si
parla spesso a questo proposito di degradazione "fortuita" o "gratuita".
Microcosmi/consorzi di microrganismi
Alcuni composti possono venire completamente degradati da colture
microbiche pure ma, più comunemente, i composti vengono degradati da
colture microbiche miste (consorzi di microrganismi che contribuiscono,
ognuno per una parte, alla degradazione progressiva di un composto).
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Figure 3 Examples of Community Degradation Processes
(a) Relief of Inhibition during Growth of a Mixed Culture on Methane
accumulation of methanol in
the medium inhibits growth
of pseudomonads
Hyphomicrobium sp. utilises methanol
and thus removes the inhibition
Pseudomonad
CH4
several steps
CH3 OH
methanol
methane
CO2
Pseudomonad
Hyphomicrobium
(b) Degradation of Parathion by a Mixed Microbial Culture.
H5C2O OC2H5
P S
Coryneform
bacterium
Unidentified
motile rod
O
Excreted metabolites
NO2
H2 O
and
cell lysis products
H2 O
Pseudomonas stutzeri
H5C2O OC2H5
P S
OH
OH
diethyl thiophosphate
(unused)
growth
Pseudomonas aeruginosa
NO2
p -nitrophenol
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Monooxygenase
CH3
+
NADH / H
NAD
O2
Toluene
H2O
CH2OH
+
Benzylalcohol
Toluene monossigenasi
Dioxygenase
NADH / H+
NAD+
O2
Benzene
Dehydrogenase
H
OH
NAD+
NADH / H+
OH
H
Benzene-1,2-cis, cis -dihydrodiol
OH
OH
Catechol
Benzene diossigenasi
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Meccanismi di adattamento dei microrganismi per la degradazione
di contaminanti
Una determinata popolazione microbica ad una esposizione iniziale ad un
contaminante può non possedere abilità degradative significative
necessitando di un tempo di adattamento variabile.
Riassunto dei meccanismi di adattamento e dei processi coinvolti (Knapp & Bromley, 2003)
Meccanismo
Induzione di enzimi o sistemi
di trasporto
Crescita della popolazione di
microrganismi utili
Evoluzione
Processi coinvolti
I microrganismi hanno già il potenziale per produrre gli
enzimi o i metaboliti necessari ma, per stimolarne la
produzione, necessitano della presenza del composto
target.
Un limitato numero di microrganismi adatti alla
degradazione è già presente ma occorre una crescita della
popolazione stessa affinché si cominci ad assistere a
cambiamenti osservabili della concentrazione
dell’inquinante
Affinché l’organismo acquisisca la capacità di degradare
una determinata sostanza occorre attendere una
mutazione. Una o più mutazioni sono necessarie in uno o
più geni.
Una volta avvenuta la mutazione la popolazione mutante
deve crescere a sufficienza come visto sopra
Velocità relativa
Possibile
tempistica
Fattori influenzanti
Metabolismo
Molto veloce
Minuti o ore
intermedia
Da alcune ore
a qualche
settimana
Numero iniziale di
organismi e tasso di
crescita
Settimane o
mesi
Numero iniziale di
organismi con
potenziale ; numero di
mutazioni necessarie;
velocità di crescita.
lenta
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La biodegradazione degli idrocarburi, ovvero la demolizione fino a fino a CO2 e H2O,
avviene generalmente all’interno delle cellule batteriche. I microrganismi vivono e
operano in mezzo acquoso mentre gli HC sono insolubili in acqua pertanto pertanto
alcuni microrganismi producono biosurfattanti ionici che conferiscono agli
idrocarburi emulsionati sufficiente idrofilicità da permettere loro di attraversare la
parete cellulare. Altri microrganismi cambiano la natura della propria parete
cellulare producendo polimeri che agiscono come surfattanti non ionici che,
aderendo alla parete cellulare le conferiscono caratteristiche lipofile, in grado quindi
di interagire facilmente con gli idrocarburi.
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Batteri degradativi
da Balba et al., 1998
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Versatilità metabolica dei microrganismi e
pathways degradativi
Molti microrganismi presentano elevata selettività riguardo al tipo di
composto che possono degradare mentre altri presentano una notevole
versatilità metabolica mostrandosi in grado di degradare oltre 100 diversi
composti come unica fonte di carbonio ed energia.
Tra i microrganismi più versatili troviamo diversi batteri del genere
Pseudomonas, aerobi obbligati Gram-negativi. Tra i più studiati abbiamo P.
aeruginosa, P. Putida, P. Fluorescens, P. Stutzeri. Altri Gram-negativi
mostrano ottima versatilità: Acinetobacter, Alcaligenes, Moraxella,
Achromobacter, Flavobacterium.
Tra i Gram-positivi troviamo buona versatilita' in vari attinomiceti tra cui
Nocardia, Mycobacterium, Rhodococcus, Arthrobacter. Tra gli anaerobici
ottime attitudini degradative sono mostrate, tra gli altri, da solfato riduttori
quali i Desulfobacula e anche da generi che operano degradazione di
composti aromatici in condizioni denitrificanti (Azoarcus, Thauera).
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Examples of substrates whose degradation is, at least in part, plasmid-encoded (Knapp & Bromley, 2003).
Substrate degraded
toluate, toluene, xylenes
p-toluidine
salicylate
octane, hexane, decane
camphor
nicotine, nicotinate
2,4-D/methylchlorophenoxyacetate
aniline
naphthalene
fluoro acetate
chlorinated biphenyls
S-ethyl N,N–di-isopropyl thiocarbamate
parathion
geraniol
phenanthrene
morpholine
chloropropionic/chloroacetic acid
chlorobenzoate
Organism
Pseudomonas putida
Pseudomonas putida
Pseudomonas putida
Pseudomonas oleovorans
Pseudomonas putida
Pseudomonas convexa
Alcaligenes eutrophus, A. paradoxa
Pseudomonas sp.
Pseudomonas putida
Moraxella sp.
Alcaligenes, Arthrobacter
Arthrobacter
Pseudomonas diminuta, Flavobacterium sp.
Pseudomonas putida
Mycobacterium sp.
Mycobacterium chelonei
Alcaligenes
Alcaligenes
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I pathways metabolici, vista la grande varietà di composti ed anche di organismi
coinvolti, sono molteplici. In tutti i casi comunque, se un composto deve
rappresentare una fonte unica di carbonio ed energia per il microrganismo
occorre che lo stesso, attraverso passaggi più o meno complessi, venga
convertito in una forma tale da poter entrare nel metabolismo principale del
microrganismo.
Normalmente il composto originario viene convertito in uno o più intermediari
del ciclo degli acidi tricarbossilici (Ciclo di Krebs) o composti in grado di entrare
facilmente nel ciclo stesso. I tipici intermediari includono acetato (o Acetil CoA),
acetaldeide, piruvato, succinato o fumarato. I passaggi per arrivare a questo
punto possono essere molteplici e di diversa complessità.
Molti dei contaminanti ambientali sono composti aromatici la cui degradazione
deve passare dalla rottura dell'anello benzenico. Per rendere l' anello aromatico
attaccabile i primi passaggi consistono generalmente nel convertire il composto
originario in un intermedio con due ossidrili sostituenti. Con l' intervento di
ossigenasi viene quindi operata la rottura dell'anello. Se i due ossidrili sostituenti
sono vicini la rottura avviene in posizione orto (tra i due ossidrili) o meta
(immediatamente a lato). Se i gruppi ossidrili sono opposti tra loro la rottura
dell'anello avviene in prossimità di uno dei due. Il tipico intermedio su cui
avviene la rottura dell'anello e' il catecolo.
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La lunghezza e la complessità dei passaggi per arrivare a questo punto
partendo da composti xenobiotici e' come detto molto variabile e può andare
da uno-due passaggi sino a oltre la dozzina.
Quando la degradazione e' anaerobica l'anello benzenico non può essere
attivato mediante aggiunta dell'ossigeno.
L'attivazione avviene in questo caso per vie diverse che prevedono ad
esempio l'aggiunta di anidride carbonica per ottenere un anello carbossilato
che viene quindi convertito in un estere del Coenzima A. Il Benzoil Coenzima
A viene progressivamente ridotto quindi avviene la rottura dell'anello
mediante aggiunta di una molecola d'acqua in prossimità del gruppo
carbossilico. Si ha quindi la degradazione ad Acetil Coenzima A mediante
beta-ossidazione.
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Toluene
CH3
1
2
CH3
CH3
5
4
3
CH3
CH3
H
OH
OH
OH
p - cresol
m - cresol
CH2OH
OH
H
OH
1,2-dihydroxy-3methylcyclohex a3,5-diene
o - cresol
benzylalcohol
CH2OH
CHO
p -hydroxybenzylalcohol
benzylaldehyde
CH3
OH
OH
OH
CHO
p -hydroxybenzylaldehyde
COOH
3-methylcatechol
benzoic acid
Meta
Ring cleavage
OH
COOH
HOOC
pyruvate + acetaldehyde + acetic acid
OH
H
OH
benzoate dihydrodiol
OH p -hydroxybenzoate
protocatechuate
catechol
COOH
Ortho
Ring cleavage
OH
acetate
+
succinyl CoA
+
CO2
pyruvate
+
acetaldehyde
+
CO2
Meta
Ring cleavage
OH
OH
OH
Toluene is degraded via 5 different routes by the following bacteria; Pseudomonas mendocina KR1 (1), P. pickettii PKO1 (2),
Burkholderia (formerly Pseudomonas) cepacia G4 (3), P. putida F1 (4), P. putida mt-2 (5). Postulated intermediates are shown in
parentheses. Intermediates immediately prior to ring cleavage are shown in boxes (Knapp & Bromley, 2003).
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Degradazione IPA ad opera batterica
Nella maggior parte dei batteri il principale meccanismo di
degradazione degli idrocarburi poliaromatici implica
l’incorporazione nel nucleo aromatico di entrambi gli atomi
della molecola di ossigeno, per intervento di un enzima
diossigenasico e con la formazione del cis-diidrodiolo.
Il cis-diidrodiolo viene poi deidrogenato selettivamente, ad
opera di specifiche deidrogenasi, portando alla formazione del
catecolo, l’intermedio comune della degradazione dei
composti monoaromatici e poliaromatici.
La rottura successiva dell’anello viene catalizzata da specifiche
diossigenasi, secondo la via catabolica di orto-scissione
(apertura intradiolo) oppure la via catabolica di meta-scissione
(apertura extradiolo)
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Alcuni microrganismi degradatori degli IPA
Acinetobacter sp.
Actinomyces sp.
Aereomonas sp.
Agrobacterium tumefacens
Alcaligens sp.
Aspergillus ochraceus
Bacillus sp.
Candida sp.
Cunninghamella elegans
Desulfobacterium sp.
Funghi white-rot
Micrococcus sp.
Mycobacterium sp.
Nocardia sp.
Pseudomonas sp.
Rhizomonas sp.
Rhodococcus sp.
Sphingomonas sp.
Vibrio sp.
Fonti: Ruggeri B. et al (2001); Saponaro S. et al (2000);
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Degradazione degli IPA a carico dei funghi ligninolitici
Questi microrganismi (classe degli Eumiceti sottoclasse dei Basidiomiceti) sono noti come
White Rot Fungi (funghi del marciume bianco) ed in natura colonizzano il legno,
decomponendo preferenzialmente la lignina ed i materiali ligninocellulosici (sostanze
aromatiche polifenoliche). Tra di essi, ve ne sono alcuni che riescono a degradare gli IPA
come il Pleorotus ostreatus, il Phanerochaete chrysosporium ed il Trametes versicolor
(Novotny C. et al, 1999). Questi funghi producono, in funzione del substrato con cui sono a
contatto, diversi sistemi enzimatici, composti da ossidasi: lignine-perossidasi, Mnperossidasi, laccasi.
Questi enzimi hanno una bassa specificità di substrato per cui attaccano anche altre
molecole aromatiche oltre quelle ligniniche: i funghi ligninolitici hanno, quindi, elevate
potenziali capacità biodegradative nei confronti degli IPA recalcitranti (Baker K.H. e Herson
D.S., 1994)
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Struttura molecolare di alcuni tra gli IPA (PAHs) più diffusi
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In generale, rispetto alla degradazione degli IPA:
-
c’è una proporzionalità inversa con il numero di anelli presenti nella molecola
-
il tipo e la posizione di gruppi sostituenti sono fattori che influenzano il risanamento:
la presenza di sostituenti alogenati (ad esempio cloro e bromo), rende le molecole
maggiormente recalcitranti all’attacco microbico
-
la trasformazione parziale o la mineralizzazione degli IPA da parte di consorzi
microbici è più efficiente rispetto a quella di una singola specie
-
la biodisponibilità degli IPA è strettamente correlata al tempo di contatto tra tali
inquinanti e la matrice (contaminazioni più vecchie sono più difficili da risanare).
-
Può essere molto utile l’impiego di surfattanti (es. lecitine, saponine) per favorire il
rilascio degli IPA dal terreno (riduzione della tensione superficiale all’interfaccia
suolo inquinante, e ripartizione dei contaminanti con il tensioattivo stesso con
aumento della biodisponibilità).
-
Presenza di adeguata quantità di microrganismi in grado di operare specificatamente
sugli inquinanti bersaglio. In caso di carenza si può ricorrere alla Bioaugmentation
inoculando biomassa IPA degradante appositamente selezionata
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Scelta delle metodica di risanamento
ambientale
Criteri fondamentali:
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• matrice ambientale da trattare (suolo, sedimento, fango, acque
superficiali e sotterranee): è molto importante caratterizzare la matrice
inquinata perché, a seconda delle sue proprietà chimico–fisiche, ci si
può indirizzare verso una determinata metodica
• tipologia di inquinanti presenti (organici volatili, organici semivolatili,
organici non volatili, inorganici)
• concentrazioni e caratteristiche chimico-fisiche degli inquinanti
(densità, solubilità in acqua e in solventi organici, volatilità, stabilità,
stato di aggregazione, temperature di fusione e d’evaporazione)
• età dell’inquinamento: selezione popolazioni microbiche
indigene/compenetrazione nella matrice
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• attività microbica della matrice: nel caso in cui tale attività
risulti minima è più difficile attuare processi di risanamento
biologico
• estensione della zona contaminata e spazio disponibile per
il trattamento
• accesso al sito e vicinanza degli insediamenti
• durata, rese, costi ed eventuali effetti indesiderati
• valore aggiunto del sito dopo l’intervento di bonifica
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Tecnologie di bonifica biologiche
BIOREMEDIATION o biorisanamento
La bioremediation è definita come il processo nel quale, in
condizioni
controllate,
inquinanti
organici
sono
biologicamente degradati ad uno stato di inerzia, oppure
ridotti a livelli di concentrazione inferiori a quelli stabiliti
dalla normativa vigente. Per definizione la bioremediation
impiega organismi viventi, principalmente microrganismi,
per degradare gli inquinanti verso forme meno pericolose.
In particolare impiega batteri, oppure funghi o piante.
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Studi di trattabilità
Determinare se la biodegradazione avviene
effettivamente
Valutare i fattori che limitano
la biodegradazione (dipendenza della
cinetica dalla concentrazione, inibizione,
adsorbimento, solubilizzazione,
substrati misti, formazioni di intermedi,
necessità di aggiunta di nutrienti)
Problemi specifici del sito (idrogeologia,
eterogeneità)
Microcosmi
Mesocosmi, beute agitate, slurry, colonne
Studio pilota sul campo
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I microrganismi possono essere autoctoni rispetto ad una
specifica area oppure possono essere isolati altrove e quindi
immessi nel sito da trattare.
I composti inquinanti vengono trasformati dagli organismi
viventi attraverso reazioni che avvengono come parte dei loro
processi metabolici e spesso la biodegradazione di un
composto è il risultato dell’azione di tipi diversi di
microrganismi.
Quando i microrganismi impiegati sul sito da trattare
provengono da un altro luogo per favorire la biodegradazione,
il processo prende il nome di bioaugmentation.
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I microrganismi possono essere isolati praticamente in tutte le
condizioni ambientali: si adattano a crescere a temperature inferiori
allo zero, così come nei deserti più caldi, in acque eccessivamente
ricche di ossigeno, in condizioni anaerobiche, in presenza di
composti pericolosi o di inquinanti. Gli unici elementi necessari sono
una fonte di energia e una fonte di carbonio. Proprio grazie alla loro
adattabilità i microrganismi possono essere impiegati per degradare
e bonificare situazioni di rischio ambientale.
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Affinchè la bioremediation sia efficace, i microrganismi devono
attaccare gli inquinanti per via enzimatica e trasformarli in
prodotti meno pericolosi.
Alla luce di ciò risulta chiaro come la bioremediation sia efficace
soltanto quando le condizioni ambientali siano tali da consentire
l’attività e la crescita microbica e come, dunque, sia spesso
necessario intervenire sui parametri ambientali affinchè la
crescita microbica, e di conseguenza la degradazione, procedano
a ritmi più sostenuti.
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La degradazione aerobica, che avviene in presenza di ossigeno, è energeticamente avvantaggiata
rispetto alle altre
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bioventing e biosparging
sono tecnologie di biorisanamento in situ simili tra loro, in cui si
stimola la degradazione microbica autoctona fornendo ossigeno
atmosferico, mediante lance infisse nel suolo (bioventing) e nella falda
(biosparging), e i nutrienti minerali, attraverso opportuni dispersori.
Sono interventi caratterizzati generalmente da bassi costi e ridotto
impatto ambientale.
Sono particolarmente efficaci in suoli contaminati da idrocarburi di
origine petrolifera, solventi non clorurati, alcuni pesticidi, sostanze per
il trattamento del legno e altri composti organici.
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Bioventing
Da: La bonifica biologica di siti inquinati da idrocarburi – HOEPLI – Robertiello A.
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Biosparging / Bioventing
Contaminanti trattabili:
Se Tensione di vapore > 760 mm Hg (1 atm )
volatilizzazione troppo elevata (stripping)
Se tensione di vapore < 1 mm Hg
solo biodegradazione
Per valori intermedi (1-760 mm Hg): sia volatilizzazione che biodegradazione
Classi di contaminanti
Petroliferi (Benzina, Diesel, Olii combustibili, IPA)
Organici alogenati (VC, DCE, TCE, PCB).
Altri organici (fenoli, chetoni, alcoli)
Condizioni di applicabilità:
Permeabilità:
k> 10‐8 cm2 (idoneo)
k< 10‐10 cm2 ( non idoneo)
k intermedi (da valutare)
Umidità terreno:
Non troppo elevata così da favorire
il flusso dell’aria
(al 55% della capacità di campo la permeabilità
Può decrescere anche dell’80%)
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Biosparging/bioventing
Contaminanti trattabili
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Biosparging/bioventing
Concentrazioni degli inquinanti
Presenza di microrganismi
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land farming
tecnologia applicabile sia on site che off site. Consiste nel disporre uno
strato di materiale contaminato su un letto drenante e una superficie
non permeabile, assicurando nel tempo il mantenimento delle migliori
condizioni per la degradazione microbica. Viene favorita la
moltiplicazione della flora microbica indigena ottimizzando umidità,
ossigeno, nutrienti (biostimulation).
Nel caso in cui vengono immessi nel suolo starter microbici selezionati
si parla di «bioaugmentation».
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Landfarming
Da: La bonifica biologica di siti inquinati da idrocarburi – HOEPLI – Robertiello A.
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Per la buona riuscita del landfarming occorre:
- garantire il giusto bilanciamento dei nutrienti - tipicamente
C:N:P=100:10:1(fino a C:N:P=350:10:1)
- assicurarsi che il pH sia adeguato (ottimale tra 6 e 8) e comunque non
tale da inficiare l’attività degradativa
- Effettuare opportuni rimescolamenti del terreno impiegando mezzi
meccanici di tipo agricolo o da cantiere
- Se il terreno da trattare è poco permeabile aggiungere bulking agents
(scaglie di legno, cippato, materiali silicei espansi) in quantità tali da
garantire un buon passaggio dell’aria e dei gas da decomposizione dei
contaminanti
- Garantire il giusto tenore di umidità che normalmente è intorno al 6070% della capacità di campo
- Realizzare sistemi di drenaggio e raccolta delle acque in eccesso (periodi
piovosi)
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Esempio di andamento percentuale della concentrazione dei contaminanti
durante un ciclo di lanfarming on site
Da: La bonifica biologica di siti inquinati da idrocarburi – HOEPLI
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biopile
Da: La bonifica biologica di siti inquinati da idrocarburi – HOEPLI – Robertiello A.
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da: La bonifica biologica di siti contaminati da idrocarburi. Hoepli
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Barriere microbiologiche
Descrizione
Viene provocato il passaggio delle acque sotterranee contaminate
attraverso una barriera costituita da un supporto solido colonizzato da
microrganismi. Il passaggio delle acque contaminate nella barriera
consente ai microrganismi di trasformare i prodotti in entrata in altri meno
pericolosi all’uscita.
Operativamente vengono installati una serie di pozzi per l’immissione di
aria e nutrienti in modo tale che venga intercettata tutta l’ampiezza del
fronte della falda contaminata. In alcuni casi si possono creare trincee
riempite di materiale permeabile in grado di fungere da idoneo supporto di
crescita per microrganismi adesi.
In genere la barriera viene impiegata abbinata ad una barriera fisica (funnel
and gate) per indirizzare il flusso delle acque sotterranee contaminate e
per diminuirne lo sviluppo planimetrico.
Applicabilità
Possono essere applicate per il trattamento di solventi solubili in acqua e
BTEX.
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Nella configurazione base si realizza una fila di pozzi attrarverso i quali si
inietta acqua arricchita in ossigeno, nutrienti, microgranismi o qualunque
altro principio attivo in grado di stimolare la crescita microbica e la
conseguente biodegradazione di composti organici contaminanti.
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Si possono anche prevedere più file di pozzi con aggiunta di diverse sostanze
e per realizzare fasi diverse.
Ad esempio, la prima fila a monte serve per aggiungere sostanza organica
per indurre reazioni anaerobiche in cometabolismo (ad esempio di HC
clorurati). La seconda fila di pozzi può essere impegata per l’aggiunta di
ossigeno, oltre ad eventuali nutrienti e fattori specifici per indurre una
efficiente zona biodegradativa aerobica.
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Fitoremediation
La Fitoremediation o fitodepurazione è un processo che impiega organismi
vegetali per eliminare, trasferire, stabilizzare e distruggere gli inquinanti
(organici o inorganici) presenti nel suolo e nel sedimento. I meccanismi
della fitodepurazione includono la enhanced rhizosphere biodegradation,
la fito-estrazione (detta anche fito-accumulation), la fito-degradazione, la
fito-stabilizzazione e la fito-volatilizzazione.
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La fitodepurazione può essere applicata per la depurazione da metalli,
pesticidi, solventi, esplosivi, petrolio greggio, PAH e percolato da discarica
e per eliminare inquinanti organici dalle acque di superficie, dalle acque di
falda, da percolato e dalle acque di scarico civili e industriali.
Le piante inoltre, producendo enzimi quali dealogenasi ed ossigenasi,
aiutano nella catalisi della degradazione. Alcune piante hanno la
caratteristica di immagazzinare metalli nelle loro radici: possono dunque
essere utilizzate per filtrare i metalli dalle acque reflue ed essere tagliate
nel momento in cui le loro radici incomincino a saturarsi.
Piante iper-accumulatrici sono in grado di eliminare gli inquinanti metallici
in quantità significative. Sono in corso numerose ricerche per determinare
la capacità degli alberi di rimuovere i contaminanti organici dalle acque di
superficie fino a metabolizzarli in CO2 o tessuto vegetale.
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Piante iperaccumulatrici
Brassica juncea (Senape indiana)
Elevata biomassa
Accumula Pb, Cr+6, Cd, Cu, Ni, Zn
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Festuca arundinacea
Accumulatrice di Pb e Zn
Alyssium wulfenianum
Accumulatrice di Ni
Thalaspi caerulescens
Accumulatrice di Ni e Zn
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Le specie iperaccumulatrici spesso presentano lentezza di accrescimento e
scarsa biomassa,per tale motivo possono essere impiegate anche tipiche
specie agrarie che sopperiscono allo scarso accumulo con l’elevata
biomassa (es. rafano, senape bianca, mais, sorgo, girasole, medica…)
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Impiego di chelanti
Iannelli et Al., 2007
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Fitoremediation/bioremediation
L’abbinamento delle due tecniche consente un’azione sinergica.
Le piante favoriscono la crescita microbica con gli essudati
radicali e varie sostanze derivanti dalla decomposizione delle
vecchie radici (zuccheri, acidi organi, amminoacidi etc.) che
diventano alimento per i microrganismi, inoltre facilitano la
diffusione nel suolo dei microrganismi stessi e il contatto coi
contaminanti.
I microrganismi stimolano l’attività e lo sviluppo radicale e
facilitano l’assorbimento di varie sostanze.
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Interazioni microrganismi/radici
Aumento dello sviluppo radicale
derivante dall’abbinamento di
piante di soia con
Trichoderma harzianum e
Bradyrhizobium japonicum
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Biotecnologie e biorisanamento
Le applicazioni pratiche delle biotecnologie sono molteplici: si
estendono dalla produzione di farmaci alle applicazioni nelle industrie
chimiche. Alcuni esempi dei sorprendenti risultati ottenuti con tali
tecnologie sono la produzione di enzimi, vitamine, aminoacidi, acidi
grassi, aromi, proteine, agenti conservanti per cibi, fermenti microbici,
antibiotici, anticorpi, agenti emulsionanti, biocarburanti e biopolimeri.
Un campo d’applicazione molto promettente delle biotecnologie è quello
ambientale, in cui vengono impiegati agenti biologici e specifiche
sostanze atte ad accelerare e ottimizzare i processi di biodegradazione
che avvengono negli ecosistemi naturali e artificiali.
Alcune applicazioni hanno il preciso intento di favorire la degradazione
delle sostanze chimiche inquinanti, tra cui gli xenobiotici, ovvero quei
composti la cui sintesi è estranea ai sistemi biologici e pertanto, non
essendo facilmente riconosciuti dagli enzimi degradativi presenti in
natura, si accumulano nell’ambiente.
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Ricerca, Progettazione e Sviluppo
Produzione Attivatori biologici
I processi autodepurativi naturali sono ormai, in molti contesti,
troppo “lenti” per degradare le notevoli quantità di inquinanti
immessi nell’ecosistema dalle intense attività produttive umane.
È necessario aiutare ed accelerare tali processi biodegradativi:
questo è lo scopo dei bioattivatori!
Sono costituiti essenzialmente da:
-
Microrganismi utili selezionati
Enzimi
Supporti e nutrienti
Fattori di crescita
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Batteri o Schizomiceti
Lieviti
(Bacillus, Spirillum, Pseudomonas,
Nitrosomonas…)
(Saccharomyces, Candida…)
Attinomiceti
(Nocardia, Streptomyces ..)
Microalghe
(Euglenophita, Chlorophyta,
Phaeophita, Rhodophita..)
Microfunghi
(Aspergillus, Penicillum,
Trichoderma, Gliocladium..)
I bioattivatori svolgono il ruolo di
«inoculi microbici»
ma anche di
«modulatori»
dell’attività microbica
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Contribuiscono ad
accelerare ed ottimizzare
le reazioni di biodegradazione
che avvengono nell’ambiente
limitando gli effetti indesiderati
Vengono studiate formulazioni specifiche
per ogni tipologia di applicazione.
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Selezione consorzio microbico biodegradante
Il processo di selezione di un consorzio microbico con
capacità biodegradative si può svolgere in 3 fasi
sequenziali:
I) isolamento microbico
II) selezione microbica
III) costituzione del consorzio microbico
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Una volta identificati e selezionati i microrganismi idonei si
procede alla costituzione degli opportuni consorzi microbici e
quindi all’esecuzione di test in microcosmi / mesocosmi.
In seguito si può eseguire il test pilota su scala reale.
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La Spezia – Bonifica terreno contaminato da idrocarburi C>12 e IPA
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Padova – Bonifica terreno agricolo contaminato da idrocarburi C>12 e PCB
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Milano – Bonifica terreno contaminato da idrocarburi C>12 e IPA
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1.
BONIFICHE: PIRELLI – Pero (MI)
1.
BONIFICHE: PIRELLI – Pero (MI)
Bonifica biologica di aree boschive percorse da incendi
Progetto MICROS-WILDFIRE
(Eurovix R&D Dept. – Università di Verona Dip. di Biotecnologie)
Lo scopo di questo Progetto è quello di arrivare alla formulazione di
specifici ed efficaci inoculi microbici destinati all’impiego in aree percorse
da incendi boschivi, al fine di stimolare la degradazione degli idrocarburi
policicli aromatici (IPA) - accumulatisi nel terreno a seguito della
combustione di biomassa ligno-cellulosica in condizioni di aerazione
insufficiente - come presupposto di un più rapido ripristino della copertura
vegetale e, in generale, delle condizioni ecologiche pre-esistenti.
In sintesi, gli obbiettivi previsti possono essere così elencati:
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Curve biodegradazione bosco
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Curve biodegradazione IPA in mesocosmi
Vedi allegato: Andreolli et Al., Bio Micro World 2013
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M. Andreolli, S. Lampis, P. Brignoli
and G. Vallini
Effects of wildfire on the level of
high molecular weight (HMW)
hydrocarbon compounds in forest
soil: analysis of HMW hydrocarbonsdegrading microbial communities
and comparison of different in-situ
bioremediation protocols.
BioMicroWord 2013 - V International
Conference on Environmental,
Industrial and Applied Microbiology Madrid, Spain. 2-4 October 2013
Impiego di biotecnologie
Attivatori biologici (bioattivatori)
negli ecosistemi acquatici
Negli ecosistemi acquatici naturali la rimozione degli inquinanti avviene
grazie ad una combinazione di processi chimici, fisici e biologici. I più
importanti sono: sedimentazione, precipitazione, adsorbimento,
assimilazione da parte delle piante e attività microbica. Per quanto
riguarda in particolare azoto e fosforo, che sono i tipici fattori di
eutrofizzazione, quando i processi autodepurativi sono efficienti la loro
rimozione avviene piuttosto rapidamente per più vie. I nitrati vengono
assimilati dalle macrofite o convertiti dai microrganismi, attraverso
processi biochimici di denitrificazione, in azoto gassoso che si libera
nell’atmosfera. Il fosforo viene in parte assimilato dai vegetali, in parte si
insolubilizza sotto forma di fosfati minerali di calcio, ferro o alluminio
oppure forma complessi organici più o meno stabili che in seguito
mineralizzano attraverso processi chimici o biologici (Brix, 1993; Kadlec
and Knight, 1996; Mitsch and Gosselink, 1986; Williams, 1990). Un
contributo fondamentale alla qualità dell’acqua in un ecosistema
acquatico viene dai microrganismi e degli enzimi in grado di degradare i
contaminanti.
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Il grado di contaminazione delle acque superficiali (fiumi, laghi, lagune
etc.) è tuttavia spesso molto maggiore di quanta non sia la capacità di
autodepurazione biologica. L’impiego di attivatori biologici a base di
microrganismi selezionati ed enzimi ha lo scopo di aiutare la natura a
svolgere tale importantissima funzione. In diversi studi è stata monitorata
la qualità dell’acqua dopo l’aggiunta di attivatori biologici, specialmente i
gram-positivi Bacillus spp., i quali sono generalmente più efficienti dei
gram-negativi nel convertire la materia organica in CO2 (Stainer et al.,
1963; Boyd & Gross, 1998). La tecnologia dei bioattivatori complessi,
costituiti da microrganismi, componenti enzimatiche ed idonei supporti
organici e minerali ha già trovato varie positive applicazioni negli
ecosistemi acquatici di acqua dolce (Brignoli & Ansferri, 2004; Brignoli &
Ansferri, 2006; Brignoli et al., 2008) ed anche in ambiente marino
(Ansferri & Brignoli, 2005). La differenza sostanziale tra il trattamento di
acque ferme ed il trattamento di acque correnti è nella tecnica di
somministrazione dei bioattivatori o nell’utilizzo di prodotti in grado di
diffondersi lentamente nell’ambiente (es. formulazione in pastiglioni
compressi o in granuli).
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Obbiettivi a breve termine del
biorisanamento
Ridurre eccesso di nutrienti
Aumentare la trasparenza
Degradare la sostanza organica
Eliminare i cattivi odori
Limitare i fenomeni di eutrofizzazione
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Obbiettivi a lungo termine
Ripristinare le capacità
di autodepurazione
degli ecosistemi
acquatici
Ripristinare le catene trofiche
Con
Bioattivatore
Efficiency test
Non
Trattato
Monitoraggio del sito
Dispenser of product in solution for running water
Sun energy dispenser of tablets
Trattamento dello strato superficiale dei sedimenti
caratterizzazione
e trattamento
di
fondali profondi
caratterizzazione
e trattamento
di
bassi fondali
Tratto terminale dei corsi d’acqua
Il tratto terminale dei corsi d’acqua è generalmente quello che presenta più evidenti problemi di
inquinamento. Per i corsi d’acqua che terminano nel mare o in un lago l’inquinamento portato dal corso
d’acqua può creare problemi al recettore finale (balneabilità, cattivi odori, torbidità etc.) e richiamare
l’attenzione dell’opinione pubblica oltre che degli enti preposti. Il biorisanamento può rappresentare in
tali casi una risorsa preziosa per contribuire a ripristinare condizioni favorevoli nell’ecosistema.
Torrenti – tratto terminale
Committente
Provincia di Teramo
Sito
Torrente Vibrata
foce
Inizio tratto
Lunghezza del tratto (m)
Durata del trattamento
Periodo di trattamento
2.000
90 giorni
giugno - settembre
Torrente Vibrata - Teramo
tratto a valle
somministrazione dei bioattivatori
Sedimento Vibrata - tal quale
120
80
SOSTANZA SECCA
60
UMIDITA'
CENERI
40
SOSTANZA ORGANICA
20
0
06/06/2011
20/07/11
Sedimento Vibrata - tal quale
12/09/11
30,00
25,00
mg/l
20,00
PO4 -P
15,00
PO4---
10,00
Sedimento Vibrata - microbiologia surnatante
UFC/ml
%
100
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
0
P2O5
5,00
0,00
06/06/2011
SALMONELLE
06/06/2011
20/07/11
12/09/11
20/07/11
12/09/11
Torrente Vibrata - Teramo
La foce del torrente Vibrata è collocata
direttamente a ridosso di quartieri residenziali e di
spiagge molto frequentate dai turisti in estate e
dalla popolazione residente tutto l’anno, a
quest’ultima si è rivolto un sondaggio durante il
periodo di trattamento per verificare il grado di
percezione dei risultati ottenuti.
I risultati percepiti
Percezione dei Risultati
notevole
modesta
nessuna
Riduzione odori
93%
5%
2%
Miglioramento
qualità
dell’acqua
72%
21%
7%
Riduzione alghe
80%
19%
1%
Torrente Vibrata - Teramo
tratto a valle
ripristino delle catene alimentari
Torrente Vibrata - Teramo
tratto a valle
ritorno degli uccelli ittiofagi
Torrente Tesino - Grottammare
Torrente Tesino - Grottammare
area test
durata del test
n. di somministrazioni
frequenza delle somministrazioni
3.000 m2
1 mese
12
3 volte a settimana
Torrente Tesino - Grottammare
alghe macrofite prima del trattamento
pastiglie di bioattivatore sul fondo del
torrente a monte della briglia
Torrente Tesino - Grottammare
Presenza di piante acquatiche
(Lemna minor) a valle della briglia
presenza di uccelli ittiofagi
(Egretta garzetta) nell’area di
trattamento a monte della briglia
Torrenti – tratto terminale
committente
Autorità Portuale di
Catania
siti
- Porto di Catania
- Torrente Acquicella
Aree trattamento Porto di Catania
e Torrente Acquicella
Tratto interessato alla sommin istrazione
di bioattivatori
Area del
Porto Nuovo
trattata nel 2005
Foce Acquicella
37°29’20” N
15°05’22” E
Attrezzatura di miscelazione e distribuzione
Porto
Nuovo
AREA
dell' INTERVENTO
Porto
Vecchio
Molo
Crispi
Dimensioni dell’area trattata
Sporgente
Centrale
Molo
di Levante
Porticciolo
Pescherecci
Molo
di Mezzogiorno
Perimetro
Area
Profondità
Volume acqua
820 m
43.759 m2
9m
393.750 m3
Ossigeno
12,0
10,0
8,0
Stazione 1 trattata
mg/l 6,0
Trasparenza (valori medi)
Stazione 2 trattata
Stazione 3 non trattata
4,0
2,0
300
0,0
media
250
max
min
cm
200
150
Saturazione
100
140
50
120
100
0
1-8
9-12
13-21
non trattata
trattata
Stazione 1 trattata
80
%
Stazione 2 trattata
60
Stazione 3 non trattata
40
20
0
media
max
min
Idrocarburi Totali
unità di
misura
17/12/2004
20/01/2004
punto 1
20/01/2004
punto 2
20/01/2004
punto 3
leggeri (< 12 C)
mg/l
0,20
0,003
0,002
0,002
pesanti (> 12 C)
mg/l
0,31
0,004
0,003
0,003
Somministrazione dei bioattivatori in polvere
solubilizzata ed in pastiglie
BIOAMPLIFICATORI
torrente Acquicella (Catania)
5° anno
Azoto Totale - ACQUA
Fosforo Totale - ACQUA
7
1,6
6
1,4
1,2
4
mg/l
mg/l
5
3
1
0,8
0,6
0,4
2
1
0,2
0
0
14-giu
23-ago
14-giu
COD - ACQUA
3,5
140
3
120
2,5
100
2
80
mg/l
mg/l
Ammoniaca - ACQUA
23-ago
1,5
60
1
40
0,5
20
0
0
14-giu
23-ago
14-giu
23-ago
torrente
Acquicella
(Catania)
5° anno
Fosforo Totale - SEDIMENTO
0,03
0,025
%
0,02
0,015
0,01
0,005
0
14-giu
23-ago
COD - SEDIMENTO
50.000
mg/kg
40.000
30.000
20.000
10.000
0
14-giu
Azoto Totale - SEDIMENTO
0,25
0,2
%
0,15
0,1
0,05
0
14-giu
23-ago
23-ago
Corso di «Biorisanamento di siti ed ecosistemi contaminati» - Materiale ad uso esclusivo didattico – non divulgabile
Litorale marino Fregene-Focene
(Roma)
Area dei trattamenti
Foce del fiume ARRONE
area del trattamento
Tratto percorribile
con natante
attrezzato
Foce Arrone
Fregene-Focene
Schema disributore in continuo di prodotto solubilizzato
Canali Consorzio di Bonifica
Sito
Consorzio di Bonifica
Tevere Agro Romano
CANALE IRRIGUO ALIMENTATO DA ACQUA DEL FIUME TEVERE
IRRIGAZIONE
Volume di acqua trattata
82.350 m3
Durata del trattamento
46 giorni
Trasparenza dell’acqua
Prima del trattamento
40 cm
Dopo il trattamento
100 cm
Trattamento acque irrigue – Consorzio Tevere Agro Romano
Emergenze ambientali
committente
ACEA – ATO 2 - Roma
sito
Fiumicino – Canale dei Pescatori
Punti di somministrazione
1
2
3
4
fronte sollevamento "Progressiva 2000”
Interno Country Club Castelfusano
Altezza Viale Villa di Plinio
Altezza Via Mar dei Coralli
Prima del
trattamento
Tecniche di
somministrazione
Si può intervenire d’urgenza
al manifestarsi di
emergenze ambientali
perché esiste un
protocollo operativo
Sversamento accidentale di liquami in un canale irriguo. A sinistra prima dell’intervento di biorisanamento. A destra dopo 2 giorni.
Corso di «Biorisanamento di siti ed ecosistemi contaminati» - Materiale ad uso esclusivo didattico – non divulgabile
prima
dopo
Nei grandi laghi → Sirmione - Desenzano
Progetto Everglades – riduzione N e P in acque eutrofizzate
PROGETTO EVERGLADES 2005
(bioattivazione per aumentare l’efficienza depurativa
dei bacini di fitodepurazione)
SFWMD (South Florida Water Management District)
Eurovix - Vanguard
Ved. allegato
punti di
somministrazione
prodotto
Corso di «Biorisanamento di siti ed ecosistemi contaminati» - Materiale ad uso esclusivo didattico – non divulgabile
Acquacoltura
committente
HARVEST SELECT
sito
Selma (AL) USA
Without
Treatment
Test Phase – Application of bioactivators
Without
Treatment
3/22/12
6/21/12 6/28/12 7/5/12 7/12/12 7/19/12 7/26/12
9/21/12
Ammonia
(ppm)
9.0
1.2
1.0
3.5
3.1
2.4
2.7
7.0
Nitrite
0.4
Trace
Trace
0.05
0.09
0.06
0.09
0.15
Nitrate
N/A
8.0
10.8
8.0
15.0
0.0
0.5
N/A
Ammonia
10
9
8
7
ppm
6
5
4
3
2
1
0
3/22/12
6/21/12
6/28/12
07/05/2012 07/12/2012
7/19/12
7/26/12
9/21/12
Tratamiento del agua en una granja de camarón
Mexico
Camaròn Dorado
ALCUNE PUBBLICAZIONI SUL TEMA “BIOATTIVATORI / BIORISANAMENTO”

Marco Andreolli · Silvia Lampis · Pierlorenzo Brignoli · Giovanni Vallini (2016)- TRICHODERMA LONGIBRACHIATUM EVX1
IS A FUNGAL BIOCATALYST SUITABLE FOR THE REMEDIATION OF SOILS CONTAMINATED WITH DIESEL FUEL
AND POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS - DOI: 10.1007/s11356-016-6167-6 -Environmental Science and Pollution
Research

Andreolli M., Albertarelli N., Lampis S., Brignoli P., Seyed Khoei N., Vallini G. (2016) - BIOREMEDIATION OF DIESEL
CONTAMINATION AT AN UNDERGROUND STORAGE TANK SITE: A SPATIAL ANALYSIS OF THE MICROBIAL
COMMUNITY - World Journal of Microbiology and Biotechnology 01/2016; 32(1).

Vallini G., Andreolli M., Brignoli P., Lampis S. (2015) POST-FIRE REHABILITATION OF FOREST SOILS THROUGH
INTEGRATED BIOREMEDIATION STRATEGIES: A CASE STUDY - X Congresso Nazionale SISEF (Firenze, 15-18 Settembre
2015)

Doni S., Macci C., Martinelli C., Iannelli R., Brignoli P., Lampis S., Vallini G. and Masciandaro G. (2015) - BIOACTIVATORS AS
A POTENTIAL STRATEGY FOR DREDGED MARINE SEDIMENT RECOVERY- CEST2015, 14th International Conference on
Environmental Science and Technology, 3-5 September 2015, Rhodes, Greece

M. Andreolli, S. Lampis, P. Brignoli and G. Vallini (2015) -MICROBIAL CENOSES AND COMPARISON OF DIFFERENT
BIOREMEDIATION PROTOCOLS IN A WILDFIRE‐IMPACTED FOREST SOIL - 6th European Bioremediation Conference,
Chania, Crete, Greece, June 29 – July 2, 2015

M. Andreolli, N. Albertarelli, S. Lampis, P. Brignoli and G. Vallini (2015) -BIOREMEDIATION APPROACH TO DIESEL
CONTAMINATION AT AN UNDERGROUND STORAGE TANK SITE: ANALYSIS OF THE MICROBIAL CENOSIS
RESPONSE TO A COMPLEX POLLUTION - 6th European Bioremediation Conference, Chania, Crete, Greece, June 29 – July 2,
2015

Vallini G., Andreolli M., Brignoli P., Lampis S. (2015) POST-FIRE REHABILITATION OF FOREST SOILS THROUGH
INTEGRATED BIOREMEDIATION STRATEGIES: A CASE STUDY - X Congresso Nazionale SISEF (Firenze, 15-18 Settembre
2015)

Doni S., Macci C., Martinelli C., Iannelli R., Brignoli P., Lampis S., Vallini G. and Masciandaro G. (2015) - BIOACTIVATORS AS
A POTENTIAL STRATEGY FOR DREDGED MARINE SEDIMENT RECOVERY- CEST2015, 14th International Conference on
Environmental Science and Technology, 3-5 September 2015, Rhodes, Greece

M. Andreolli, S. Lampis, P. Brignoli and G. Vallini (2015) -MICROBIAL CENOSES AND COMPARISON OF DIFFERENT BIOREMEDIATION PROTOCOLS IN
A WILDFIRE‐IMPACTED FOREST SOIL - 6th European Bioremediation Conference, Chania, Crete, Greece, June 29 – July 2, 2015

M. Andreolli, N. Albertarelli, S. Lampis, P. Brignoli and G. Vallini (2015) -BIOREMEDIATION APPROACH TO DIESEL CONTAMINATION AT AN
UNDERGROUND STORAGE TANK SITE: ANALYSIS OF THE MICROBIAL CENOSIS RESPONSE TO A COMPLEX POLLUTION - 6th European
Bioremediation Conference, Chania, Crete, Greece, June 29 – July 2, 2015

M. Andreolli, S. Lampis, P. Brignoli and G. Vallini (2015) – BIOAUGMENTATION AND BIOSTIMULATION AS STRATEGIES FOR THE BIOREMEDIATION
OF A BURNED WOODLAND SOIL CONTAMINATED BY TOXIC HYDROCARBONS: A COMPARATIVE STUDY – Journal of Environmental Management Elsevier 153 (2015) 121-131

Pierlorenzo Brignoli, Ampelio Cagalli, Massimo Di Martino (2015) - TRATTAMENTO BIOLOGICO DI TERRENI CONTAMINATI DA PCB - Sicon 2015 Siti
contaminati: esperienze negli interventi di risanamento – Taormina 5-7/2 2015

Pierlorenzo Brignoli, Massimo Di Martino, Gabriele Gagliardi (2014) - BIOVENTING e BIOSPARGING IN AREA CONTAMINATA DA TPH E PAHs - Sicon 2014
Siti contaminati: esperienze negli interventi di risanamento – Brescia 6-8/2 2014

M. Andreolli, S. Lampis, P. Brignoli and G. Vallini (2013) - EFFECTS OF WILDFIRE ON THE LEVEL OF HIGH MOLECULAR WEIGHT (HMW)
HYDROCARBON COMPOUNDS IN FOREST SOIL: ANALYSIS OF HMW HYDROCARBONS-DEGRADING MICROBIAL COMMUNITIES AND
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