Biorisanamento (Bioremediation)
• Pseudomonas sp., Rhodococcus, Sphingomonas,
Mycobacterium,
Rhizobium,
batteri
non
identificabili e/o consorzi microbici.
- Devono essere in grado di degradare in maniera consistente le
sostanze inquinanti di interesse
- Devono essere attivi “in situ”, cioè nell’ambiente naturale
- Devono persistere nell’ambiente senza turbarne la biodiversità
- Devono possedere attività biodegradativa endogena (non essere
geneticamente modificati, a meno che possa essere contenuta la
loro dispersione nell’ambiente)
Bioremediation
• Trattamento preventivo: abbattimento di
prodotti tossici in bioreattori
• Biorisanamento da inquinamento “cronico”;
deposizione/dispersione nell’ambiente di
prodotti inquinanti su lunghi periodi (es.
scarichi industriali)
• Biorisanamento da inquinamento “acuto”;
scarico di quantità insolitamente alte di
prodotti tossici nell’ambiente; catastrofi
ecologiche
Esempi di processi di biorisanamento
Bioremediation di ecosistemi naturali
(a livello di contaminazione medio/basso)
Bioremediation di siti pesantemente contaminati
(contenimento/rimozione/rischio immediato per la salute)
Depurazione di acque di scarico
(degradazione di prodotti ad alta tossicità ambientale)
Biobarriere
(contenimento di prodotti inquinanti; es. fanghi acidi di miniere)
Ecotossicologia: valutazione degli effetti a lungo termine dell’ introduzione
nell’ambiente di sostanze chimiche, farmaceutiche ecc. ritenute “innocue”
Esempio: grosse quantità di farmaci per uso umano/veterinario vengono scaricate nell’ambiente
Problemi da: antibiotici, analgesici, anticoncezionali
Bioremediation
• Trattamento preventivo: abbattimento di
prodotti tossici in bioreattori
• Biorisanamento da inquinamento “cronico”;
deposizione/dispersione nell’ambiente di
prodotti inquinanti su lunghi periodi (es.
scarichi industriali)
• Biorisanamento da inquinamento “acuto”;
scarico di quantità insolitamente alte di
prodotti tossici nell’ambiente; catastrofi
ecologiche
Bioreattori a scopo preventivo: la situazione più “controllabile”
Esempio: liberazione di grandi quantità di mercurio per la produzion
di cloro elementare per la sintesi di PVC e altri polimeri
Il rilascio di Hg nell’ambiente porta
ad un accumulo di sali organici di Hg2+
(metilmercurio) nella catena alimentare
Tossicità del metilmercurio
Concentrazioni crescenti di CH3Hg+
Primi sintomi: Infiammazione delle gengive e delle mucose
Esposizione cronica: Irritabilità, depressione, perdita di
memoria, incapacità di concentrarsi
Danni irreversibili: collasso del sistema nervoso; tremori,
perdita di coordinazione nel movimento, incapacità di
orientarsi. Ritardo mentale nei bambini, malformazioni nei
feti.
Diversi microrganismi dispongono di sistemi di detossificazione
(riduzione) del Hg2+
Riduzione MerR-dipendente in E. coli e P. putida
Meccanismi di resistenza a metalli tossici
Bioremediation
• Trattamento preventivo: abbattimento di
prodotti tossici in bioreattori
i bioreattori consentono l’utilizzo di speci batteriche
definite (o addirittura ingegnerizzate: es.
overespressione di un operone degradativo)
e la possibilità di scegliere condizioni “da laboratorio”:
temperatura, terreni di coltura, ecc.
Bioremediation
• Trattamento preventivo: abbattimento di prodotti
tossici in bioreattori
• Biorisanamento da inquinamento “cronico”;
deposizione/dispersione nell’ambiente di prodotti
inquinanti su lunghi periodi (es. scarichi industriali)
• Biorisanamento da inquinamento “acuto”; scarico
di quantità insolitamente alte di prodotti tossici
nell’ambiente; catastrofi ecologiche
Bioremediation
La natura è il miglior medico di sé stessa ?
Biostimolazione contro bioaugmentazione
Bioremediation
La natura è il miglior medico di sé stessa (?)
Biostimolazione:
1.
2.
Microrganismi in grado di degradare o inattivare sostanze
inquinanti sono già presenti in natura (particolarmente se
l’ambiente ha già ricevuto basse concentrazioni di
inquinanti su lunghi periodi)
Un accumulo di sostanze inquinanti risulta in uno
sbilanciamento del rapporto tra elementi nutrizionali che
va ristabilito (es.: eccesso di C da inquinamento di
idrocarburi va controbilanciato da aggiunta di N e P
nell’ambiente)= fertilizzazione.
Bioaugmentation
Trattamento di sostanze inquinanti “in situ” con ceppi non indigeni
(es. overproduttori di vie degradative):
Sebbene questo approccio sia stato promettente in laboratorio, non ha
sempre dato buoni risultati “sul campo”.
Impossibilità di controllare:
Temperatura (variazioni stagionali e di zona climatica: nel terreno da <0° a
>45°)
Terreno di coltura: quasi esclusivamente oligotrofico
Predazione: batteriofagi/batteri in rapporto 10:1 nelle acque marine;
presenza di protozoi, nematodi, competizione da batteri “indigeni”
Capacità di aderire al substrato: la formazione di biofilm consente una
stabilità delle colonie batteriche ed una prolungata azione di
biorisanamento
BIODEGRADAZIONE AEROBICA DEGLI IDROCARBURI
BIODEGRADAZIONE AEROBICA DEGLI IDROCARBURI
• Gli alcani a corta catena (<C6) sono
tossici per la maggior parte dei
microrganismi (effetto solvente)
• Gli alcani (C6-C24)
mineralizzati rapidamente
vengono
• Gli alcani a lunga catena (C>30)
diventano sempre più recalcitranti
alla biodegradazione
• Gli
alcani
ramificati
sono
maggiormente recalcitranti di quelli
lineari
BIODEGRADAZIONE AEROBICA DEGLI IDROCARBURI
• Le vie degradative degli idrocarburi
aromatici convergono, attraverso le
cosiddette vie periferiche o “upper
pathways”, ad un intermedio costituito da
un singolo anello aromatico recante, due
gruppi ossidrilici.
• I sostituenti ossidrilici destabilizzano la
molecola per la successiva reaazione di
diossigenazione che porta all’apertura
dell’anello
BIODEGRADAZIONE AEROBICA DEGLI IDROCARBURI
• Le degradazione microbica degli idrocarburi può avvenire sia ambiente
aerobico che in ambiente anaerobico
• gli idrocarburi vengono incanalati in vie degradative che convergono verso il
ciclo degli acidi tricarbossilici e portano alla completa ossidazione del substrato
con formazione di CO2 e NADH.
• L’O2 è sia un reagente necessario all’attivazione delle molecole, sia l’accettore
finale della catena di trasporto degli elettroni, il cui elevato potenziale di
ossidoriduzione (+0,82 mV) permette una resa energetica elevata
• L’ossigeno che deriva dall’ O2 viene introdotto sugli idrocarburi sotto forma di
gruppo ossidrilico.
• La reazione di ossigenazione è catalizzata dalle ossigenasi
• Le monossigenasi introducono un atomo di ossigeno, le diossigenasi
introducono due atomi di ossigeno
METABOLISMO MICROBICO E CONDIZIONI REDOX
IDENTIFICARE GLI ACCETTORI DI ELETTRONI
CONDIZIONI REDOX
ACCETTORE
ELETTRONI
PRODOTTO FINALE
RIDOTTO
Denitrificanti
NO3-
N2
Fe(III) riduttori
Fe(III)
Fe(II)
Solfato riduttori
SO42-
H2S
metanogeni
CO2
CH4
BIODEGRADAZIONE ANAEROBICA DEGLI IDROCARBURI
LA VIA DEGRADATIVA CENTRALE DEL BENZOATO – L’ATTIVAZIONE
• La
degradazione
del
benzoato
inizia
conl’attivazione a benzoil-CoA attraverso una
CoA ligasi ATP dipendente
• Considerato i limiti energetici elevati è
sorprendente che tale enzima sia presente
anche in anaerobi stretti quali ferro riduttori,
solfato riduttori e fermentanti
BIODEGRADAZIONE ANAEROBICA DEGLI IDROCARBURI
LA VIA DEGRADATIVA CENTRALE DEL BENZOATO – LA DEAROMATIZZAZIONE
Dearomatization.
• Reazione
chiave
degradazione
della
• Avviane grazie all’enzima
benzoil-CoA reduttasi (BCR),
• La BCR è l’unico enzima
sensibile all’ossigeno della via
degradativa
• La riduzione del benzoil-CoA è energicamente dipendiosa
• Gli anaerobi obbligati usano enzimi differenti
BIODEGRADAZIONE ANAEROBICA DEGLI IDROCARBURI
LA VIA DEGRADATIVA CENTRALE DEL BENZOATO – LA BETA OSSIDAZIONE MODIFICATA
• Beta ossidazione modificata:
• Aggiunta di acqua al doppio legame tramite idratasi
• Deidrogenazione con formazione di un gruppo chetone tramite una
deidrogenasi
• Apertura dell’anello tramite una idrolasi
BIODEGRADAZIONE DEI COMPOSTI ALOGENATI
DEALOGENAZIONE IDROLITICA
• La maggior parte delle dealogenasi descritte sono dealogenasi idrolitiche.
• La trasformazione del 4 Cl benzoato è attuata da numerosi batteri (Pseudomonas,
Arthrobacter, Acinetobacter, Alcaligenes, Nocardia, and Corynebacterium)
• I 4-cloro-benzoato CoA ligasi, II 4-clorobenzoil-CoA dealogenasi, III 4-idrossibenzoil CoA-CoA
tioesterasi
Un caso di inquinamento ambientale affrontato sperimentalmente:
rilascio accidentale nell’ambiente di atrazina (un pesticida)
Il primo passaggio della via metabolica consente
un’immediata detossificazione del prodotto
Problematica di utilizzo di organismi geneticamente modificati
in processi di bioaugmentazione
•
Capacità dei microrganismi di sopravvivere
nell’ambiente e di portare a termine la loro funzione
•
•
Stabilità del materiale genetico
Potenziale per il trasferimento di geni di resistenza
agli antibiotici e/o di degradazione dell’atrazina
Contenimento della dispersione di organismi
•
geneticamente modificati nell’ambiente o loro
distruzione
Bioaugmentation: arricchimento dell’ambiente da
decontaminare con ceppi batterici con capacità degradativa
1. Arricchimento in laboratorio su terreni addizionati della sostanza inquinante di interesse
Prelievo da sito contaminato
Re-inoculo del sito da risanare
Crescita in terreno
supplementato con atrazina
2. Identificazione delle speci in grado di crescere in presenza di sostanze
inquinanti e di promuoverne la degradazione (in laboratorio o in situ)