Un esercito microbico al servizio delle biotecnologie ambientali

Cosa sono le biotecnologie? Le biotecnologie consistono nella “integrazione di scienze naturali ed ingegneria al fine di ottenere beni e servizi dall’impiego di organismi, cellule, loro componenti e analoghi molecolari” (Assemblea Generale della Federazione Europea delle Biotecnologie, 1989).

E le biotecnologie ambientali? Quest’ultime possono essere definite come l’applicazione delle biotecnologie alla soluzione dei problemi ambientali nel rispetto dei principi dello sviluppo sostenibile.

Gli obiettivi delle biotecnologie per l’ambiente o Grey Biotechnology consistono nel proteggere le risorse naturali, trattare rifiuti liquidi, solidi ed effluenti gassosi, risanare le aree contaminate, prevenire danni ambientali, sviluppare prodotti e processi in grado di generare meno rifiuti e/o ridurre il consumo di energia.

I principali settori delle biotecnologie ambientali sono: effluenti industriali e acque di scarico urbane, rifiuti solidi, emissioni gassose (processi di biodegradazione, detossificazione, biofiltrazione), suoli contaminati (processi di biorisanamento in situ ed ex situ), acqua per uso alimentare (trattamenti biologici, es. denitrificazione), rilevamento e monitoraggio di contaminanti (biosensori), monitoraggio di microrganismi per il biorisanamento (sonde molecolari), industria chimica (processi di Green Chemistry), contaminanti di origine industriale e scarti dell’agricoltura (processi di bioconversione in prodotti ad alto valore aggiunto), protezione dell’agricoltura (bioinsetticidi, biofertilizzanti).

Cos’è il biorisanamento o bioremediation? Si tratta di un insieme di tecnologie che, sfruttando la capacità di alcuni microrganismi di degradare contaminanti, sono capaci di accelerare i fenomeni naturali di detossificazione dell’ambiente. Solitamente tali tecnologie sfruttano le capacità dei microrganismi naturalmente presenti nella matrice da decontaminare (popolazioni autoctone).

Le vie possibili per attivare e migliorare queste potenzialità naturali comportano un controllo di tipo biogeochimico, che di solito consiste nell’indurre cambiamenti nei parametri fisico-chimici dei sistemi ambientali da trattare (pH, temperatura, donatori o accettori di elettroni, ecc.) o nell’apportare un “aggiustamento di nicchia”, mediante adeguati inoculi, che favoriscano la trasformazione degli inquinanti presenti. Un aggiustamento di nicchia può essere realizzato attraverso diversi approcci e le tecniche principali sono la biostimolazione o bioenhancement (aggiungere nutrienti per favorire la crescita dei batteri autoctoni) e la bioaugmentation (aggiungere batteri competenti, autoctoni o alloctoni, per aumentare le capacità cataboliche rilevanti per il processo di biorisanamento). Non esiste una via univoca in quanto il biorisanamento è una tecnologia sito-specifica e come tale richiede studi dettagliati di caratterizzazione del sito e di fattibilità, prima di decidere sul metodo di biorisanamento più adeguato al caso.

Una delle situazioni in cui sono maggiormente applicate biotecnologie di risanamento ambientale consiste nell’inquinamento da metalli di suolo e/o corpi d’acqua. In questi casi i microrganismi utilizzabili sono molteplici così come i meccanismi con cui le cellule microbiche sono in grado di rimuovere i metalli dalle matrici ambientali (Fig. 1).

Figura 1 – Rappresentazione schematica delle principali tipologie di interazioni tra microrganismi e metalli all’interno di matrici ambientali contaminate.

Infatti, è possibile distinguere tra meccanismi molecolari di adsorbimento del metallo sulla membrana cellulare (biosorption), reazioni di mineralizzazione con molecole inorganiche (biomineralization) e reazioni biochimiche volte all’aumento della solubilità in acqua dei metalli attraverso la chelazione di composti organici (bioleaching) oppure attraverso reazioni di ossidoriduzione (bioreduction) catalizzate da enzimi.

Nei processi di biosorption sono molto utilizzati i batteri appartenenti alle specie Bacillus firmus, Corynebacterium glutamicum, Pseudomonas putida (per la rimozione del piombo), Aphanothece halophytica (Fig. 2), Streptomyces rimosus (per la rimozione dello zinco), Micrococcus luteus, Burkholderia cepacia, Sphaerotilus natans (per la rimozione del rame), Aeromonas caviae, Staphylococcus xylosus, Streptomyces pimprina (per la rimozione del cadmio), Bacillus licheniformis, Bacillus thuringiensis, Bacillus megaterium (per la rimozione del cromo), Desulfovibrio desulfuricans, Desulfovibrio vulgaris, Desulfovibrio fructosivorans (per la rimozione di palladio e platino) e Arthrobacter nicotianae, Corynebacterium equi (per la rimozione dell’uranio).

Figura 2 – Fotografia di cellule del cianobatterio Aphanothece halophytica.

Nei processi di biosorption vengono spesso adoperati anche lieviti appartenenti ai generi Saccharomyces, Candida e Pichia, e funghi filamentosi appartenenti ai generi Penicillium, Aspergillus, e Rhizopus.

Nei processi di bioleaching sono molto utilizzati i batteri mesofili, tra cui le specie Acidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus caldus (batteri Gram negativi in grado di ricavare energia dall’ossidazione dello zolfo), Acidithiobacillus ferrooxidans (Fig. 3), Leptospirilum ferrooxidans (batteri Gram negativi in grado di effettuare l’ossidazione del ferro).

Figura 3 – Fotografia al microscopio elettronico a trasmissione di cellule appartenenti alla specie Acidithiobacillus ferrooxidans durante il processo di bioleaching dell’arsenico.

Le tecnologie di bioremediation hanno conquistato, specie nel corso dell’ultimo decennio, un ruolo rilevante sul mercato delle bonifiche del suolo e delle acque sotterranee. I motivi del successo delle biotecnologie ambientali sono basati prevalentemente sul costo competitivo rispetto ad altre tecnologie di bonifica di natura chimico-fisica. Inoltre, tra le tecniche di biorisanamento, quelle operanti in situ sono a loro volta di un ordine di grandezza più economiche delle altre.

La ricerca scientifica è sempre più orientata ad individuare strategie e approcci di biorisanamento che contribuiscano a rendere la tecnologia maggiormente fattibile, stabile e matura. Allo stesso tempo contribuisce ad allargare le conoscenze fondamentali sulla biodiversità microbica, sui processi metabolici e sulle interazioni tra microrganismi e tra microrganismi e piante, in ecosistemi sottoposti a forte stress ambientale. L’approccio di bioaugmentation che si avvale di consorzi microbici selezionati secondo criteri di ecologia microbica, è stato applicato con successo in diverse situazioni sperimentali di contaminazione e in diverse matrici, confermando che una selezione razionale dell’inoculo microbico, operata tenendo conto del contesto ecologico in cui si deve agire, può effettivamente contribuire a catturare e mettere a frutto il potenziale di biorisanamento intrinseco dei sistemi ambientali contaminati. Inoltre, lo sviluppo della metagenomica ambientale ha posto le basi disciplinari e tecniche per amplificare enormemente la capacità di bioprospezione e nei prossimi anni sarà possibile rilevare in modo più realistico questo potenziale metabolico, con la scoperta di nuovi organismi, geni funzionali e vie metaboliche ancora sconosciute. Da tutto questo trarranno vantaggio sia le tecnologie di biorisanamento, sia le tecniche di monitoraggio ambientale.

 

Nicola Di Fidio

 

Sitografia

  • http://www.consorziouno.it/opencms/export/sites/default/RicercaTerritorio/ConvegniSeminari/Download/BIOTIN_0708_settimanaScientifica_Lallai.pdf
  • http://www.enea.it/it/seguici/pubblicazioni/EAI/anno-2013/biotecnologie-per-lo-sviluppo-sostenibile/biotecnologie-per-l2019ambiente

Bibliografia

  • C. Singer, C.J. van der Gast, I.P. Thompson (2005) Perspectives and vision for strain selection in bioaugmentation. Trends in Biotechnology, volume 23(2), pages 74-77.
  • P. Thompson, C.J. van der Gast, Singer A.C. (2005) Bioaugmentation for bioremediation: the challenge of strain selection. Environmental Microbiology, volume 7 (7), pages 909-915.
  • Alisi, R. Musella, F. Tasso, C. Ubaldi, S. Manzo, C. Cremisini and A.R. Sprocati (2009) Bioremediation of diesel oil in a co-contaminated soil by bioaugmentation with a microbial formula tailored with native strains selected for heavy metals resistance. Science of the Total Environment, volume 407 (8), pages 3024-3032.

Crediti immagini

  • http://ubio.org/portal/index.php?client=ubio&category=i&startPage=1&search=Chroococcales
  • https://www.hindawi.com/journals/jac/2013/424253/fig2/
  • http://www.molecularlab.it/news/view.asp?n=7639

 

Informazioni su Nicola Di Fidio 18 Articoli
Industrial and environmental biotechnologist Dept. of Bioscience, Biotechnology and Biopharmaceutics University of Bari "Aldo Moro" Via E. Orabona, 4 70125 Bari, Italy E-mail: nicola.difidio91@gmail.com

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