Mesocosmi sperimentali per lo studio dei processi fisiologici di specie arboree forestali nell’ambito della fitodepurazione: recupero di acque contaminate per la produzione di biomassa legnosa
Author(s)
Pietropaoli, Silvia
Date Issued
April 14, 2014
Type
Doctoral Thesis
Abstract
L'esistenza di siti contaminati, in numero sempre crescente, pone seri problemi per la salute umana e degli
ecosistemi, e comporta la perdita di risorse naturali importanti, sotto forma di suoli e acque che non possono
essere utilizzati. Problemi di contaminazione intensa e pericolosa per la salute vengono affrontati
generalmente ex situ con vari metodi fisici e chimico-fisici a bassa sostenibilità ambientale ed economica.
Per affrontare le problematiche dell’inquinamento di suoli ed acque con tecnologie a maggiore sostenibilità,
da alcuni anni è stato proposto di sfruttare le caratteristiche di alcune specie vegetali di tollerare, rimuovere
e/o degradare composti inquinanti, quali metalli pesanti e composti organici. Per le loro caratteristiche
biologiche e colturali, le specie forestali a rapido accrescimento quali pioppo e salice, anche grazie alla
possibilità di essere coltivate mediante ceduazione a turnazione breve (SRC), sono sempre più utilizzate con
successo per studi ed applicazioni nel settore della fitobonifica di terreni ed acque contaminati. In ambito
forestale, una specie che potenzialmente ha caratteristiche di notevole interesse per il fitorimedio è
l’eucalipto. La capacità di questa specie forestale di tollerare e rimuovere contaminanti ambientali quali i
metalli pesanti però necessita di essere ancora precisata in studi in condizioni controllate. In questo contesto
si inseriscono gli studi e le ricerche attuati nel corso del presente dottorato, miranti a determinare le
potenzialità di un clone ibrido di eucalipto di fitodepurare acque contaminate da cadmio in un sistema
sperimentale quale il mesocosmo.
L’impianto è costituito da una serie di contenitori in PVC di 1 m3 riempiti con agriperlite e ghiaia drenante e
destinati ad ospitare 2-4 piante ciascuno in maniera da realizzare un sistema a coltura semi-idroponica con
totale ricircolo della soluzione nutritiva, possibilità di variare il livello di falda e di misurare i consumi di
acqua per evapotraspirazione. L’attività sperimentale realizzata è composta da una prima parte di valutazione
dell’adattamento delle talee radicate di eucalipto (ibrido Eucalyptus camaldulensis x E. globulus ssp.
bicostata clone Viglio ex 358) al sistema mesocosmo ed una seconda parte di studio della tolleranza e della
capacità di accumulo di cadmio da parte delle piante di eucalipto, oltreché della capacità del sistema di
rimuovere il metallo pesante dalla soluzione circolante. I risultati del primo anno hanno evidenziato la buona
capacità di adattamento della specie alla coltura semi-idroponica. Con i dati biometrici rilevati durante il
periodo vegetativo è stata elaborata una curva allometrica che è stata successivamente validata al termine del
primo anno di coltura con i dati di biomassa ottenuti dall‘espianto delle piante dai mesocosmi. E’ stato
inoltre determinato il quantitativo di acqua evapotraspirata dalle piante nel sistema mesocosmo durante la
crescita. Pertanto, disponendo dei dati di biomassa, è stato possibile ottenere un risultato molto importante
quale quello della misura reale dell’efficienza di uso dell’acqua a livello di pianta nel mesocosmo. Nella
seconda parte della attività sperimentale le nuove piante di eucalipto sono state trattate con cadmio 50 μM
per due mesi. I risultati hanno dimostrato che il genotipo testato possiede una buona tolleranza al cadmio.
Anche la crescita delle piante non ha mostrato riduzioni a causa della presenza del metallo. La
determinazione del cadmio nei vari organi, sia in termini di bioconcentrazione che di accumulo quantitativo,
ha mostrato come la quasi totalità del metallo assorbito dalle radici non venga trasferito alla parte aerea e
come gli organi legnosi di questa ne contengano minimi livelli, risultando pertanto idonei all’utilizzo per fini
energetici. Il bilancio di ripartizione del cadmio nel sistema mesocosmo ha evidenziato come la maggior
parte del metallo rimanga adsorbito all’agriperlite, disponibile per la pianta durante le successive fasi della
crescita in un periodo di trattamento più lungo. Come dato di depurazione da parte del sistema piantamesocosmo
è da rilevare che la contaminazione dell’acqua da cadmio nel periodo di trattamento è diminuita
drasticamente, passando dalle oltre 900 volte alle 6 volte i limiti di legge.
The existence of a growing numbers of contaminated sites poses serious problems for the health of both
humans and ecosystems, leading to the loss and disuse of key natural resources, such as soils and waters.
Large and health-threatening contamination problems are usually faced ex-situ through different physical
and chemical-physical methods with low environmental and economic sustainability. To tackle the pollution
of soils and waters with much more sustainable technologies, it has been recently proposed to exploit the
properties of some vegetal species to tolerate, remove and/or degrade pollutants, such as heavy metals and
organic compounds. Given their biological properties and agronomic management, together with the
possibility to cultivate them through short rotation coppicing (SRC), fast-growing forest species, such as
poplar and willow, have been increasingly and successfully used for studies and applications of the
phytoremediation of polluted soils and waters.
Among forest plants, a species with potential interesting characteristics for phytoremediation is eucalypt.
However, the capacity of this forest species to tolerate and remove environmental contaminants, like heavy
metals, needs to be further investigated in studies performed in controlled conditions. Thus, the work
performed during my PhD aimed to determine the potential of a hybrid clone of eucalypt for the
phytodepuration of cadmium-contaminated waters in an experimental system such as the mesocosm.
The research facility is composed of a series of 1m3 containers, made of PVC, filled with agriperlite and
draining gravel, each hosting 2-4 plants, in order to realize a semi-hydroponic culture system with totally
circulating nutrient solution, and with the possibility to change the water table level and to measure the
amount of water loss by evapo-transpiration. The experimental activity has been carried out in two parts. In
the first part, I evaluated the adaptation of the rooted cuttings of eucalypt (Eucalyptus camaldulensis x E.
globulus ssp. bicostata hybrid clone Viglio ex 358) to the mesocosm conditions. In the second part, I studied
the eucalypt metal tolerance and the capability of this plant species to accumulate cadmium and to remove it
from the circulating solution.
The results of the first year highlighted a good adaptation ability of eucalypt to the semi-hydroponic culture.
Through biometric data obtained during the vegetative period, I developed an allometric curve, which I
validated, at the end of the first year, with the biomass data measured after plants removal from the
mesocosms. Moreover, we calculated the amount of water that the plants evapo-transpired during their
growth in the mesocosm. Then, thanks to the biomass data, I was able to realistically measure the efficiency
by which the plants used the water in the mesocosm.
In the second part of my experimental activity, a new set of eucalypt plants has been treated for 2 months
with 50 μM cadmium. The tested genotype demonstrated a good tolerance to cadmium and plant growth was
not affected by the presence of the metal. By metal bio-concentration and quantitative accumulation
analyses, we evaluated the levels of cadmium in the different plants organs. The results showed that almost
the whole amount of cadmium absorbed by the roots was not transferred to the aerial organsand that the
woody organs contained only minimal traces, highlighting that these plants might be useful for energy
purposes.
However, the cadmium mass balance in the mesocosm revealed that the higher amount of the metal
remained absorbed by agriperlite, available to the plant for the following growth stages in case of a longer
treatment. Nonetheless, the depuration data from the system plant-mesocosm revealed that the cadmium
contamination of the water, during the treatment period, drastically decreased from 900 times to 6 times
higher than the levels allowed by the Italian law.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia forestale
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2.4 MB
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