La chimica per l’ambiente: dalla
caratterizzazione analitica alla
valutazione della qualità ambientale
R. Pastres [email protected]
Negli ultimi trent’anni, è costantemente
crescita l’attenzione dei ricercatori chimici
verso:
 lo studio dei cicli degli elementi chimici (C,
N, P, S ecc..) e dei processi chimici che
hanno luogo nelle diverse matrici
ambientali;
 la determinazione della dinamica degli
inquinanti e dei loro potenziali effetti tossici
 la messa a punto di processi per la
mitigazione dell’inquinamento, la
depurazione delle acqua, la bonifica di siti
contaminati, ecc…
Microinquinanti (metalli in tracce, POP )
Struttura chimica
Proprietà chimicofisiche
Reattività chimica
Interazioni con i comparti “abiotici”
delle matrici ambientali
Biodisponibilità
Interazioni con l’ecosistema
IMMISSIONI DI MATERIA
ED ENERGIA SOLARE
Produzione
primaria
e secondaria
P
N
Interferenza dei
contaminanti
METABOLISMO
LAGUNARE
C
Degradazione
della biomassa
Emissioni
(energia termica, composti recalcitranti)
Fisica dei processi
trasporto
Microbiologia
Chimica
Ecologia
Ecotossicologia
L’interazione tra esperti delle diverse
discipline consente di formulare modelli
concettuali ….
Radiazione
luminosa
Scambio
termico
Energia eolica
Comunità
fitoplanctonica
Input di
NeP
Temperatura
dell'acqua
NH4+
NO3-
PO43Energia
mareale
Rilasci dal
sedimento
Detrito
N,P,C
N2 
sedimentazione
CO2 
Comunità
fitobentonica
Degradazione aerobica
Materia organica
+
Denitrificazione
Materia organica
+
NO3-
Solforiduzione
Materia organica
+
SO42-
Sepellimento
O2
NH3
HS-
Che possono poi essere “tradotti” in linguaggio
matematico.
Verifica della correttezza del modello
concettuale;
Valorizzazione dei dati sperimentali in chiave
predittiva;
Sviluppo di strumenti di valutazione (ad es. analisi
di rischio ecologico) e gestione (DSS).
Stima di indici e indicatori di qualità ambientale
MASTER
Master Universitario di I livello in
REACH: Registration, Evaluation, Authorisation and
Restriction of Chemical substances
(EC 1907/2006).
Segreteria:
Tel. 041/2348973
e-mail [email protected]
Il progetto è stato co-finanziato nell’ambito del Programma Operativo
Regionale FSE Ob. CRO Asse IV 2007-2013 con Decreto Dirigenziale 87 del
16/09/2008
La nostra Facoltà ha una “lunga” tradizione nel
campo della ricerca “chimica” applicata a
problematiche ambientali.
Determinazione di
microinquinanti
(POP, metalli,
“endocrine
disruptor”,
nanoparticelle)
in diverse
matrici
ambientali
Sviluppo di modelli
Studio dei
biogeochimici, di
modelli “fate
and transport”di
microinquinanti,
analisi di
rischio, DSS
cambiamenti
climatici
Prof. Cescon
Prof. Marcomini
Prof. Pastres
Prof. Cescon
Prof. Marcomini
Prof. Marcomini
Prof. Pastres
Prof. Pavoni
La
determinazione
sperimentale
della
concentrazione dei microcontaminanti nelle
diverse
matrici
ambientali
è
il
primo,
fondamentale, passo verso la comprensione della
loro dinamica.
Problematiche legate a:
 concentrazioni di analiti molto basse;
 eterogeneità delle matrici ambientali
 variabilità spazio temporale delle concentrazioni
 Metodologie analitiche molto avanzate
 strategie di campionamento articolate e
mirate
Determinazione di microcontaminanti
organici in matrici naturali
e studio dei livelli di contaminazione in aree a
diverse tipologie di impatto antropico
(R. Piazza, I. Moret, A. Gambaro, G. Capodaglio, M. Vecchiato)
• Obbiettivi:
• -Valutare lo stato di contaminazione di aree del pianeta a
potenziale rischio.
• -Valutare la distribuzione dei contaminanti nei differenti comparti
ambientali (Aria, microlayer, acqua, particellato, sedimento), e
definizione di possibili meccanismi di diffusione e di trasporto
degli inquinanti in ambiente; stima di flussi di contaminanti.
Analiti studiati: (POP’s):Policlorobifenili (PCB),
Policlorodibenzodiossine (PCDD),Policlorodibenzofurani
(PCDF),Idrocarburi Policiclici Aromatici (PAH)
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
11
Aree indagate:
-1
PCB homologue composition (ng g )
20
1-CB
2-CB
3-CB
4-CB
5-CB
6-CB
35
18
Laguna di Venezia
Lagune ed aree costiere del Vietnam
Aree costiere del Marocco
Aree costiere del Messico
16
14
12
10
8
11
6
9
4
6
3
2
0
1A
2A
1-CB
2-CB
3-CB
4A
4-CB
5-CB
6A
6-CB
621
-1
PCB homologue composition (ng g )
350
3A
Site
300
200
150
253
156
100
50
64
5A
5B
5C
5D
Site
1-CB
2-CB
3-CB
4-CB
20
-1
Sample
Location
Anthropogenic sources
1a
2a
3a
4a
5a
5b
5c
5d
6a
7a
7b
7c
Laguna Verde, Ver.
Gulf of Mexico
Gulf of Tehuantepec
Culiacan River
Chalco Lake (Pozo)
Texcoco Lake
Chalco lake (San Martin)
Espejo de los Lirios Lake
Mazatlán sewage outfall
Yavaros Lagoon
Santa Maria Lagoon
Mazatlán port
7d
Navachiste Lagoon
Nuclear power plant
Oil and natural gas distribution
Oil and natural gas distribution
Municipal untreated wastes
Garbage deposit and sanitary land fill
Highways
Clay bricks production
Industrial area
Primary treatment plant
Fisheries, meal factories, agriculture
Fisheries, shrimp farming, agriculture
Untreated sewage, fish and shrimp
factory, shrimp farming, shipyards
Fisheries, shrimp farming, agriculture
250
0
PCB homologue composition (ng g )
Table 1. Sample location, possible PCB sources and PCB concentrations (ng g-1).
5-CB
6-CB
42
18
16
14
12
10
8
13
6
4
7
6
2
0
7A
7B
7C
7D
Site
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
Total Normalised
PCBs PCBs*
11.1
5.72
35.5
9.34
621
63.7
156
253
3.18
7.13
5.97
NA
NA
NA
170**
636
69.3
298
257
74.6**
520**
161**
12.9
17.5
42.0
50.6
*Normalised concentrations represent PCB content of fines, assuming no sorption capacity of sands
and gravels. **Concentration increments higher than one order of magnitude. NA = not available.
12
0.4
20
0.2
10
0
0.0
0
10
20
30
Distance, km
Cd
Water
conc. µg/L
Sediment
conc. µg/g
0.01-0.12
0.02-0.46
Cd Concentration, µg/g
(G. Capodaglio,
C.Turetta, E. Morabito, P.
Cescon)
30
Conductivity, mS
Determinazione di metalli
pesanti in sedimenti
provenienti dalla laguna
Tam Giang-Cau Hai
Lagoon (Vietnam).
Microcontaminanti organici nelle deposizioni e
nell’aerosol atmosferico, nelle nevi e nei ghiacci polari
(A. Gambaro, P. Cescon, C. Barbante, R. Zangrando, A.
Stortini, A. Benitez Macias, S. De Pieri, M. Radaelli, E.
Zuccon, V. Zampieri)
• Obbiettivi:
• Studio del ruolo dell’aerosol nel trasporto di
microinquinanti organici in aree sottoposte a diverso
grado di antropizzazione.
• Messa a punto di metodologie analitiche per la
determinazione di composti organici indicatori di
emissioni in atmosfera.
Analiti studiati:
Policlorobifenili (PCB), Polibromodifenileteri (PBDE),
Policloronaftaleni (PCN),Idrocarburi Policiclici Aromatici
(PAH)
Levoglucosan, Mannosan, Galactosan (indicatori di
emissioni da combustione di biomassa)
Aree indagate:
Lagune di Venezia, Grado e Marano
Aree urbane: Milano, Belgrado, Sarajevo
Aree remote: Antartide, Groenlandia, Himalaya
Stima del flusso medio istantaneo entrante nella
Laguna di venezia
stazione
marina
industriale
rurale
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
flusso istantaneo orizzontale medio, ng m -2 s-1
Il flusso orizzontale di PCB entrante dal mare è
circa 1/4 di quello entrante dall’entroterra
Laboratorio di Chimica dell’Ambiente
Responsabile: Prof. Bruno Pavoni
Collaboratori: Marco Bernardello, Elena Centanni, Sonia Ceoldo,
Marco Girardini, Seta Noventa, Nadejda Zharova
1. Inquinamento dell’ambiente marino:
CASO DI STUDIO
Fenomeno di Imposex
Imposex: comparsa di caratteri sessuali
maschili in femmine di molluschi gasteropodi
in presenza di inquinamento da composti
organostannici
rilasciati
dalle
vernici
antivegetative
applicate
agli
scafi
di
imbarcazioni
Indagini epidemiologiche sulla diffusione del
fenomeno in laguna di Venezia, in aree marine
protette (Porto Cesareo), lungo le coste slovena e
croata
Valutazione del contributo di composti organici
persistenti (PCB, IPA, Pesticidi clorurati)
nell’induzione del fenomeno di imposex
CASO DI STUDIO
Studio degli effetti indotti dall’insieme degli
inquinanti presenti in aree costiere degradate
su specie comuni di gasteropodi
Utilizzo di un set di biomarkers per il rilevamento
del danno genotossico (Comet assay),
citotossico (Neutral Red Retention assay),
ossidativo (FRAP assay), e del disturbo
endocrino (intersex/Imposex) al fine di cercare
delle relazioni con il bioaccumulo di inquinanti
organici nei tessuti
SEDIMENTI
Studio delle variazioni spazio-temporali delle concentrazioni di composti organici (PCB, IPA, Pesticidi
clorurati) e metallorganici (composti organostannici) in sedimenti marini
CASI DI STUDIO
Laguna di Venezia, costa slovena, Mar Baltico
3. Inquinamento atmosferico
CASO DI STUDIO: Campionamento di materiale
particolato e di inquinanti gassosi in diverse
stazioni dell’area Veneziana (vedi figura)
Campionamento
di
materiale
particolato
con
diametro
aerodinamico inferiore a 2.5 mm (PM2.5); determinazione
gravimetrica della massa raccolta e quantificazione delle
concentrazioni di Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA), di Carbonio
Organico e Carbonio Elementare nel PM2.5
Campionamento e determinazione analitica di
composti organici volatili (VOC). Uso di schiume
adsorbenti di poliuretano (polyurethane foam
adsorbent, PUF) e quantificazione con GC-MS di
benzene, toluene, xileni, etilbenzene e IPA più
leggeri.
Dipartimento di Scienze Ambientali
Gruppo di ricerca
Prof. A. Marcomini
Tematiche di ricerca e attività del gruppo
([email protected])
INDIRIZZI DI RICERCA
Le tematiche di ricerca del gruppo sono finalizzate alla valutazione degli
impatti e dei rischi associati alla presenza e circolazione di
contaminanti/inquinanti nell’ambiente
• Modelli fate&transport per i
contaminanti nell’ambiente
• Modelli di bioaccumulo
• Identificazione e studio
del comportamento
ambientale di nuovi
contaminanti in acqua,
suolo e organismi
• Caratterizzazione e
studio del
comportamento
ambientale di
nanoparticelle
ingegnerizzate
• Sviluppo e
applicazione di
procedure di analisi di
rischio ecologico e per
la salute umana
Modellistica
ambientale e
di rischio
Chimica
ambientale
• Applicazione di
tecniche statistiche di
analisi spaziale dei dati
ambientali
Valutazione
e gestione
del rischio
ambientale
• Indici ed indicatori di
qualità ambientale
• Sviluppo di sistemi
esperti (supporto alle
decisioni) su base GIS
Valutazione della pericolosità e del comportamento ambientale di
nanoparticelle ingegnerizzate
(A. Marcomini. Responsabili:- Giulio Pojana, [email protected] Stefano Zuin, [email protected]
Obiettivi
• Identificazione di proprietà chimico-fisiche di
nanoparticelle e nanomateriali di rilevanza
tossicologica e ambientale
• Modellazione del comportamento ambientale
• Stima dei potenziali effetti di nanoparticelle e
nanomateriali sull’uomo e sull’ambiente
• Analisi di rischio per la salute umana e per
l’ambiente
Approccio metodologico
• Caratterizzazione e determinazione di
nanoparticelle e nanomateriali e loro
composti correlati in matrici biologiche e
ambientali
• Studio del comportamento tossicologico e
ambientale di nanoparticelle e nanomateriali
• Definizione degli scenari di esposizione e
stima dei potenziali rilasci
• Analisi del Ciclo di Vita dei nanomateriali
• Sviluppo di metodologie di rischio per la
salute umana
DESYRE (DEcision Support sYstem for the
REhabilitation of contaminated sites)
(A. Marcomini. Responsabile: Lisa Pizzol,
[email protected])
 Permette una valutazione e gestione integrata di una grande quantità di
dati anche georeferenziati.
 Supporta gli esperti nella valutazione dei risultati del processo di
bonifica.
 Supporta i decisori e gli stakeholder nella comparazione di scenari
alternativi di bonifica
 Copre tutti i diversi aspetti del processo di bonifica permettendo lo
sviluppo di un processo decisionale trasparente.
 È un valido strumento per definire le opzioni di gestione di vasti e
complessi siti contaminati come per esempio quello di Porto Marghera.
DESYRE è stato sviluppato dal Consorzio Venezia Ricerche in collaborazione con l’Università
Ca’ Foscari di Venezia, Thetis spa, CNR-ISE e INSIEL spa attraverso un progetto triennale cofinanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR)
Dipartimento di Chimica Fisica
Gruppo di ricerca
Prof. R. Pastres
[email protected]
 Modellazione dei cicli biogeochimici e delle reti
trofiche in aree costiere;
 Modelli integrati per la gestione sostenibile delle
attività di maricoltura;
 Simulazione del bioaccumulo di microinquinanti
organici.
 Studio degli effetti dei cambiamenti climatici
sulla dinamica degli ecosistemi marini.
Modellazione degli impatti della maricoltura sugli
ecosistemi costieri
(R. Pastres, Daniele Brigolin, Tomas Lovato [email protected])
Tramite un modello integrato è possibile
valutare:
La capacità portante
di una certa area
Gli effetti sui cicli
biogeochimici di
C,N e P
Modello “biogeochimico” 2D della Laguna di Venezia
(R. Pastres, D. Brigolin, T. Lovato, A. Rubino, lovato@unive,it)
Il modello consente di
simulare
l’evoluzione spaziotemporale a scala
annuale di:
biomasse di F, Z,
Macrofitobentos
N a P inorganici
disciolti
Modellazione della rete trofica lagunare
veneziana e del bioaccumulo di POP
(R.Pastres, Stefano Ciavatta, Daniele Brigolin, [email protected] )
Valutazione della
Value
Plotter I/O
2.00000e-10
potenziale
1.50000e-10
contaminazione
1.00000e-10
in organismi
5.00000e-11
0
0
Mi pcb 77
Black
90
180
Time
Red
270
Green
360
oggetto di pesca
Ricostruzioni paleoclimatiche ed
ambientali nel corso dell’ultimo milione di
anni
(C. Barbante, P. Cescon, G. Cozzi, C.Turetta, V. Gaspari, P.
Vallelonga, J. Gabrieli)
Aree studiate:
Antartide
Groenlandia
Alpi
Himalaya
Ande
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
Colle Gnifetti, 4450 m
27
800.000 anni di
ricostruzioni climatica
Dome C (Antartide Orientale)
75°06´S 123°23´E
Altitudine: 3233 m
Temp. media annua = –
55°C
Dalla carota di ghiaccio lunga
3260 m è stato ottenuto un
record climatico ed ambientale
che copre gli ultimi 800.000
anni
Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
28
Obiettivi
Valutazione dell’effetto dei cambiamenti climatici sul comportamento
ambientale dei contaminanti organici persistenti (POP)
(A. Marcomini. Responsabile: L. Lamon, [email protected])
Determinazione della concentrazione di POPs*
(in particolare di PCBs) in atmosfera prendendo
in considerazione il cambiamento climatico;
Identificazione di una tendenza regionale ad
essere
sorgente
o
deposito
per
tali
contaminanti
in
una
prospettiva
di
cambiamento climatico
Approccio metodologico
Due scenari climatici sono stati definiti a partire dall’IPCC
(Intergovernmental Panel on Climate Change) ed un modello globale è stato
parametrizzato con i dati estrapolati dal database IPCC
* la contaminazione ambientale causata dai POPs è un problema
globale. Sono definiti contaminanti prioritari dalla Convenzione di
Stoccolma (2001) a causa della loro persistenza e tossicità.
Modellazione della speciazione di DIC e stima
dei flussi di CO2. in corpi idrici costieri
(R. Pastres. Responsabile: S. Ciavatta)