BIOTECNOLOGIE E AMBIENTE Una presentazione di... Andrea Di Mario, Raffaele Giordano, Giacomo Orlandini I colori delle biotecnologie • Red Biotechnology: processi • • • • farmaceutici e biomedici White Biotechnology: impiego di interesse industriale Green Biotechnology: applicata al settore agricolo Bioinformatica: approccio informatico alle biotecnologie Blue Biotechnology: applicazioni marine ed acquatiche Prevenzione dell’inquinamento • Molte imprese industriali sfruttano processi • biotecnologici a basso impatto ambientale sia in risposta agli appelli per uno sviluppo sostenibile sia per ricavare profitti dovuti all’aumento della produzione che risulta più veloce e necessita meno energia. Nei processi industriali si sfruttano maggiormente gli enzimi, che opportunamente modificati lavorano ad alte temperature, in ambienti non acquosi o persino solidi. Vantaggi nell’uso degli enzimi Processi industriali Reazioni Enzimatiche Reazioni Chimiche Substrato attaccato Gli enzimi attaccano solo un substrato specifico Le sostanze chimiche ordinarie possono attaccare diversi substrati Alla fine della reazione Gli enzimi non sono consumati (sono catalizzatori) Le sostanze chimiche sono consumate durante la reazione Dosaggi richiesti Per quanto riportato sopra, molto bassi Per quanto riportato sopra, tipicamente alti Impatto ambientale Molto basso (le quantità richieste nei processi industriali sono molto basse. Inoltre, gli enzimi sono prontamente degradati per via biologica) Può essere fortemente negativa (i dosaggi richiesti nei processi industriali possono essere molto alti, e molte sostanze chimiche sono potenzialmente dannose per l'ambiente se lavorate in maniera impropria) Utilizzo di enzimi nella produzione industriale Enzimi usati nella fabbricazione dei jeans • Amilasi: usate per la • • rimozione della bozzima amidacea Laccasi: riduce il tempo necessario per ottenere jeans “invecchiati” e elimina gli effetti negativi della deposizione dell’indaco Cellulasi: adoperate nella Biopolishing, nel Stone Washing e nel Biofinishing Rilevazione e monitoraggio degli inquinanti • È già in uso un’ampia gamma di metodi biologici per rilevare inquinamenti accidentali e per il monitoraggio continuo degli inquinanti • Le misure già consolidate comprendono la conta delle specie animali, vegetali e microbiche, e la conta degli individui di tali specie oppure l’analisi dei livelli di ossigeno, metano o altri composti nelle acque • Più recente è lo sviluppo di metodi biologici di rilevazione basati su biosensori ed immunosaggi, che stanno ora facendo il loro ingresso sul mercato. Immunosaggi e biosensori • Gli immunosaggi utilizzano anticorpi (proteine complesse prodotte nella risposta biologica ad agenti specifici) opportunamente marcati, di solito con enzimi, per misurare i livelli di inquinanti • La maggior parte dei biosensori consiste in una combinazione di meccanismi biologici ed elettronici, spesso innestati su un microchip Un’indagine “verde” • Lo scopo dell’indagine è stato quello di valutare l’impatto • ambientale della messa in funzione della centrale turbogas di Jesi attraverso un biomonitoraggio tramite licheni epifiti nel territorio interessato dalla centrale Si sono utilizzati i licheni in virtù di queste caratteristiche: - dipendenza metabolica essenzialmente dall’atmosfera - attività metabolica ininterrotta - impossibilità di liberarsi periodicamente delle parti vecchie e danneggiate - sensibilità specie-specifica alle sostanze inquinanti Licheni come bioaccumulatori e bioindicatori • Il metodo si basa sulla stima delle specie licheniche • (biodiversità) rilevate sugli alberi in esame (stazioni di campionamento) tramite un apposito reticolo di campionamento. Le informazioni alfanumeriche espresse come valore di indice di biodiversità lichenica risultano correlate al livello di gas inquinanti (es. SO2 e NOx) presenti nell’aria La capacità di assorbire sostanze dall’atmosfera da parte di talli lichenici di specie resistenti e la possibilità di misurarne la quantità accumulata dopo un certo periodo di esposizione, permettono una valutazione quantitativa tra la risposta biologica e la concentrazione di un determinato inquinante (metalli pesanti, radionuclidi, non metalli come zolfo e cloro, composti xenobiotici come idrocarburi clorurati) Bioremediation • La bioremediation è un insieme di tecniche • • che usano microrganismi, funghi, piante o enzimi per riportare un ambiente alterato alle sue condizioni originali Tipologie: in situ, ex situ, on site Fasi della bioremediation: – Definire lo stato dell'inquinamento, l'estensione, la pericolosità, il numero degli inquinanti; – Progettare un approccio microbiologico efficace per il trattamento degli inquinanti; – Isolare il ceppo o i ceppi che interessano in un ambiente fortemente selettivo fondato su quel tipo di inquinante; – Accrescere la coltura così creata nelle quantità desiderate oppure altrimenti fornire le condizioni che stimoleranno la loro crescita nell'ambiente inquinato. Biosorption e Fitodepurazione • La biosorption o bioassorbimento consiste nell’utilizzo di biomasse vive o morte o di loro derivati per assorbire ioni metallici a vari tipi di ligandi o gruppi funzionali localizzati sulla superficie esterna delle cellule microbiche • La fitodepurazione, nota a partire dagli anni ’90, consiste nella crescita di piante su terreni contaminanti cosicché i composti inquinati possano percolare attraverso il sistema radicale e accumularsi in vari organi della pianta Bioventing e Biosparging • Il bioventing impiega microorganismi residenti • per la degradazione di composti organici assorbiti alle particelle del suolo nella zona di non saturazione Il biosparging impiega microorganismi naturali per degradare contaminanti organici all’interno della zona di saturazione ed è usata soprattutto per il trattamento di acque di falda Esempio di bioremediation • In Germania, è stato sequenziato e definito geneticamente il genoma del batterio Alcanivorax borkumensis, microrganismo fondamentale per la degradazione del petrolio. Gli studiosi Vitor A.P. Martins dos Santos e i colleghi del Centro di Biologia ambientale della Società tedesca Helmholtz sono riusciti ad individuare in esso delle serie di geni particolari, che gli permettono di spezzare e frammentare gli alcani (idrocarburi saturi) presenti nel petrolio. Il batterio “mangia petrolio”, secondo Martins dos Santos, verrà utilizzato senza dubbio per mitigare i danni ecologici conseguenza delle perdite di petrolio nel sistema marino (dalle petroliere coinvolte in incidenti, dal rilascio di piccole quantità di derivati dalle navi e dalle operazioni di trivellazione nelle piattaforme petrolifere marine) Trattamento delle scorie • La necessità di trovare alternative allo smaltimento dei rifiuti nelle • • discariche controllate, per la cui realizzazione i paesi più avanzati pongono limitazioni sempre più severe, o in forni di termodistruzione, il cui costo risulta molto elevato, ha fortemente incentivato la ricerca biotecnologica. Negli impianti di trattamento dei liquami, i microorganismi rimuovono gli inquinanti più comuni dalle acque reflue prima di scaricarle nei fiumi o in mare. I nuovi metodi comprendono processi aerobici e anaerobici, che hanno luogo in bioreattori in cui materiali e microorganismi vengono mantenuti in sospensione. Si definisce bioreattore ogni dispositivo in grado di fornire un ambiente adeguato alla crescita di organismi biologici; all'interno del bioreattore, i microrganismi si sviluppano, eliminando gradualmente gli inquinanti. I sistemi di smaltimento dei rifiuti industriali gassosi erano basati su filtri poco costosi, riempiti di compost, per la rimozione dei cattivi odori. Questi sistemi vengono tuttora utilizzati, tuttavia la lentezza del procedimento e la breve durata di tali filtri ha spinto alla ricerca di metodi migliori, quali i bioscrubbers, che comportano l’asportazione degli inquinanti per lavaggio mediante l’uso di sospensioni cellulari, oppure i filtri a gocciolamento, in cui gli inquinanti vengono degradati da microorganismi immobilizzati su una matrice inerte, cui viene fornito il nutrimento mediante un film acquoso che sgocciola attraverso la matrice di supporto Decomposizione aerobica • Il processo consiste nella metabolizzazione delle sostanze organiche per opera di micro-organismi, il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno. Questi batteri convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO² e H²O e producendo un elevato riscaldamento del substrato, proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore prodotto può essere così trasferito all’esterno, mediante scambiatori a fluido Decomposizione anaerobica • I materiali rimasti dalla fase aerobica vengono demoliti, ad opera di micro-organismi e si produce un gas (biogas) costituito per il 50÷70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO² ed avente un potere calorifico medio dell'ordine di 23.000 kJ/Nm3. Il biogas così prodotto viene raccolto, essiccato, compresso ed immagazzinato e può essere utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas per produrre calore o motori a combustione interna (adattati allo scopo a partire da motori navali a basso numero di giri) per produrre energia elettrica Produzione di energia dalle biomasse • Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di materiali, di • • • natura estremamente eterogenea. In forma generale, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice organica, con esclusione delle plastiche e dei materiali fossili La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili ovvero trasformati in altre sostanze (solide, liquide o gassose) di più facile utilizzo negli impianti di conversione Altre forme di biomassa possono, inoltre, essere costituite dai residui delle coltivazioni destinate all’alimentazione umana o animale (paglia) o piante espressamente coltivate per scopi energetici. Le più importanti tipologie di biomassa sono residui forestali, scarti dell’industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.) scarti delle aziende zootecniche, gli scarti di mercato, ed i rifiuti solidi urbani La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale, pulita e rinnovabile. L’utilizzazione delle biomasse per fini energetici non contribuisce all’effetto serra, poiché la quantità di anidride carbonica rilasciata durante la decomposizione, sia che essa avvenga naturalmente, sia per effetto della conversione energetica, è equivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa Stato del settore • Oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo; l’utilizzo di tale fonte mostra, però, un forte grado di disomogeneità fra i vari Paesi. I Paesi in Via di Sviluppo, nel complesso, ricavano mediamente il 38% della propria energia dalle biomasse, ma in molti di essi tale risorsa soddisfa fino al 90% del fabbisogno energetico totale • Le tecnologie di conversione energetica delle biomasse attualmente disponibili sono: – combustione diretta – carbonizzazione – pirolisi – gassificazione – decomposizione anaerobica – decomposizione aerobica – fermentazione alcolica – estrazione di oli e produzione di biodiesel La fermentazione alcolica • È un complesso fenomeno • biochimico che comporta la trasformazione degli zuccheri (glucosio e fruttosio) in etanolo, anidride carbonica e numerosi prodotti secondari ETBE (EtilTertioButilEtere), ottenuto combinando un idrocarburo petrolifero (l’isobutene) e l’etanolo risulta un prodotto utilizzabile nei motori, con un buon compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni Pirolisi • È un processo di • decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l’applicazione di calore, a temperature comprese tra 400 e 800°C, in completa assenza di un agente ossidante I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione Combustione diretta • Si tratta del metodo più semplice ed antico di produzione di energia grazie alle biomasse. I corpi vengono generalmente combustiti in caldaie e i prodotti utilizzabili a tale scopo sono i seguenti: – legname in tutte le sue forme – paglie di cereali – residui di raccolta di legumi secchi – residui di piante oleaginose (ricino, catrame, ecc.) – residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, ecc.) – residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali – residui dell’industria agro – alimentare. Normative in vigore • Le normative volte a garantire l’impiego nell’ambiente di microrganismi nuovi o modificati in condizioni di sicurezza sono molto importanti, anche dal punto di vista del mantenimento della fiducia da parte dell’opinione pubblica. L’Unione Europea si è dotata di due Direttive, concernenti l’uso confinato di microorganismi (90/219/CEE) ed il rilascio deliberato nell’ambiente di organismi geneticamente modificati (90/220/CEE), che sono state recepite nella legislazione nazionale di quasi tutti gli Stati membri dell’UE. Tra le disposizioni vi è l’approvazione da parte delle autorità competenti designate di un dettagliato protocollo sperimentale, che comprenda una valutazione dei potenziali rischi, quale prerequisito per ogni rilascio ambientale di un organismo geneticamente modificato. In alcuni Stati membri viene richiesta la pubblicazione sulla stampa locale della natura del rilascio e, talvolta, perfino dell’ubicazione del sito. Dopo diversi anni di esperienza nell’applicazione delle Direttive, le procedure previste vanno riviste anche alla luce di un adeguamento al progresso tecnico: mentre è tuttora in corso - a livello dell’UE - la revisione della Direttiva sul rilascio deliberato, quella della Direttiva sull’uso confinato è giunta a compimento nel dicembre 1998, con l’adozione di una nuova Direttiva (98/81/CE, che di fatto sostituisce la 90/219/CEE). L’obiettivo della Commissione Europea è il mantenimento della competitività globale dell’UE, sia nella ricerca sia nelle applicazioni commerciali, senza che ciò vada a scapito della sicurezza. vantaggi/svantaggi nell’uso delle biomasse VANTAGGI SVANTAGGI Basso impatto ambientale Costi spesso elevati Effetti positivi sull'ambiente Complessità delle tecniche Alta specificità delle tecniche Necessità di personale altamente specializzato Materiali necessari facilmente reperibili Strumentazione complessa e difficilmente reperibile Conclusioni • Le biotecnologie ambientali vantano una “carriera” che data fin dal secolo scorso. Man mano che viene meglio apprezzata l’esigenza di passare a modelli di attività economica meno distruttivi, pur mantenendo il miglioramento delle condizioni sociali nonostante la crescita della popolazione, cresce il ruolo delle biotecnologie come strumenti di bonifica e di produzione industriale sostenibile • Vi sono delle preoccupazioni, come in tutte le situazioni in cui si ha l’introduzione nell’ambiente di una nuova tecnologia. Le biotecnologie rappresentano comunque un rilevante potenziale per la protezione e la bonifica dell’ambiente, e sono perciò compatibili con un’esigenze di sviluppo sostenibile, che diventa di importanza sempre più vitale a causa della continua crescita di popolazione, urbanizzazione ed industrializzazione. Dizionario’s Time • Bozzima: sostanza, generalmente a base di fecola di patate, che lubrifica le fibre tessili conferendo ad esse una particolare elasticità e scorrevolezza Tallo: è il corpo degli organismi vegetali formati da cellule che non si differenziano in organi separati e ben distinti Etanolo: è un alcol a corta catena, noto anche come alcol etilico o spirito di vino, a temperatura ambiente si presenta come un liquido incolore dall'odore caratteristico. È tendenzialmente volatile, estremamente infiammabile e tossico back • back • back FINE PRESENTAZIONE Ci sono domande?