Questo lavoro di Tesi è stato svolto presso il Laboratorio di “Marine Molecular Microbiology & Biotechnology”, dell’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero di Messina, e riguarda lo studio e la caratterizzazione della comunità microbica in sedimenti marini anossici contaminati con particolare attenzione verso lo studio delle principali vie metaboliche associate alla degradazione di composti aromatici presenti in petrolio grezzo. In particolare focalizza l’attenzione sull’implementazione di biotecnologie per il recupero/risanamento di sedimenti marini anossici attraverso la stimolazione dei processi di biodegradazione in situ. Il problema del petrolio nell’ambiente marino rimane attuale a causa dei continui incidenti che si verificano durante le operazioni di estrazione, trasporto e raffinazione del greggio. Fatta salva la necessità di intensificare gli sforzi per prevenire l’inquinamento, rimane impellente l’esigenza di innovare tecnologie d’intervento e recupero di aree marine interessate da inquinamento da idrocarburi sia pregresso che recente. L’osservazione di aree marine inquinate da petrolio ha reso nota negli anni una straordinaria capacità del mare nell’attenuare gli effetti dannosi degli idrocarburi. Ciò avviene grazie ai processi di self-cleaning operati da microrganismi specializzati nel consumo di idrocarburi come fonte di carbonio ed energia ma l’efficienza di degradazione di questi microorganismi è strettamente dipendete da diversi fattori abiotici limitanti. In particolare, nei sedimenti marini la comunità microbica idrocarburo-degradante presenta una capacità catalitica molto lenta o addirittura assente. I principali fattori limitanti sono: ossigeno, temperatura e concentrazioni adeguate di nutrienti, prevalentemente azoto, fosforo e ferro. Lo scopo di questo studio è stato quello di esplorare soluzioni biotecnologiche per superare alcuni dei fattori limitanti la bioremediation in situ. Nella prima parte del lavoro viene descritto lo studio sull’evoluzione del petrolio nell’area costiera di Gela (Sicilia) a seguito di un reale incidente di sversamento di petrolio causato dalla rottura di una condotta del Polo Petrolchimico di Gela in Giugno 2013. Sulla base delle informazioni raccolte, nella seconda parte del lavoro sono descritti due differenti trattamenti ottimizzati per il recupero di sedimenti marini anossici contaminati da idrocarburi policiclici aromatici. Entrambi i trattamenti sono stati progettati per applicazione in situ. Il primo trattamento prevede l’applicazione della campana di biodegradazione (Brevetto PN2012A000012 B12-082IT) come sistema di confinamento e ossigenazione dei sedimenti. Tale tecnologia favorisce i naturali processi di biodegradazione del contaminante utilizzando un intervento meccanico che risospende i sedimenti ossigenandoli e rendendo disponibili i nutrienti in essi intrappolati. I risultati hanno dimostrato che nei sedimenti ossigenati veniva attivato un intenso ed efficace processo di degradazione che portava in 3 mesi l’abbattimento dell’80% della sostanza organica inquinante. Allo stesso tempo la struttura della comunità microbica si modificava significativamente mostrando come membri dominanti proprio i batteri idrocarburoclastici. Al contrario, fuori dal sistema, nei sedimenti non trattati, pur avendo selezionato batteri anaerobi coinvolti nella degradazione degli idrocarburi, il carico inquinante aveva subito il solo decremento del 15% nello stesso arco di tempo. Il secondo trattamento propone la bio-stimolazione della comunità microbica associata a sedimenti anossici contaminati da idrocarburi policiclici aromatici tramite sull’aggiunta di accettori di elettroni alternativi all’ossigeno in condizioni di anossia. I risultati ottenuti hanno mostrato la stimolazione e accelerazione del potenziale di biodegradazione nella comunità microbica anaerobica indigena attraverso la creazione di condizioni energeticamente favorevoli in sedimenti marini (aggiunta di ferro ferrico o fumarato) paragonati alla solfato riduzione che è nota per avere un basso potenziale.

studio sulla diversità e funzione di comunità batteriche associate a sedimenti marini contaminati da idrocarburi ed identificazione delle principali vie metaboliche relative alla degradazione dell'inquinante

CALOGERO, Rosario
2017-01-23

Abstract

Questo lavoro di Tesi è stato svolto presso il Laboratorio di “Marine Molecular Microbiology & Biotechnology”, dell’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero di Messina, e riguarda lo studio e la caratterizzazione della comunità microbica in sedimenti marini anossici contaminati con particolare attenzione verso lo studio delle principali vie metaboliche associate alla degradazione di composti aromatici presenti in petrolio grezzo. In particolare focalizza l’attenzione sull’implementazione di biotecnologie per il recupero/risanamento di sedimenti marini anossici attraverso la stimolazione dei processi di biodegradazione in situ. Il problema del petrolio nell’ambiente marino rimane attuale a causa dei continui incidenti che si verificano durante le operazioni di estrazione, trasporto e raffinazione del greggio. Fatta salva la necessità di intensificare gli sforzi per prevenire l’inquinamento, rimane impellente l’esigenza di innovare tecnologie d’intervento e recupero di aree marine interessate da inquinamento da idrocarburi sia pregresso che recente. L’osservazione di aree marine inquinate da petrolio ha reso nota negli anni una straordinaria capacità del mare nell’attenuare gli effetti dannosi degli idrocarburi. Ciò avviene grazie ai processi di self-cleaning operati da microrganismi specializzati nel consumo di idrocarburi come fonte di carbonio ed energia ma l’efficienza di degradazione di questi microorganismi è strettamente dipendete da diversi fattori abiotici limitanti. In particolare, nei sedimenti marini la comunità microbica idrocarburo-degradante presenta una capacità catalitica molto lenta o addirittura assente. I principali fattori limitanti sono: ossigeno, temperatura e concentrazioni adeguate di nutrienti, prevalentemente azoto, fosforo e ferro. Lo scopo di questo studio è stato quello di esplorare soluzioni biotecnologiche per superare alcuni dei fattori limitanti la bioremediation in situ. Nella prima parte del lavoro viene descritto lo studio sull’evoluzione del petrolio nell’area costiera di Gela (Sicilia) a seguito di un reale incidente di sversamento di petrolio causato dalla rottura di una condotta del Polo Petrolchimico di Gela in Giugno 2013. Sulla base delle informazioni raccolte, nella seconda parte del lavoro sono descritti due differenti trattamenti ottimizzati per il recupero di sedimenti marini anossici contaminati da idrocarburi policiclici aromatici. Entrambi i trattamenti sono stati progettati per applicazione in situ. Il primo trattamento prevede l’applicazione della campana di biodegradazione (Brevetto PN2012A000012 B12-082IT) come sistema di confinamento e ossigenazione dei sedimenti. Tale tecnologia favorisce i naturali processi di biodegradazione del contaminante utilizzando un intervento meccanico che risospende i sedimenti ossigenandoli e rendendo disponibili i nutrienti in essi intrappolati. I risultati hanno dimostrato che nei sedimenti ossigenati veniva attivato un intenso ed efficace processo di degradazione che portava in 3 mesi l’abbattimento dell’80% della sostanza organica inquinante. Allo stesso tempo la struttura della comunità microbica si modificava significativamente mostrando come membri dominanti proprio i batteri idrocarburoclastici. Al contrario, fuori dal sistema, nei sedimenti non trattati, pur avendo selezionato batteri anaerobi coinvolti nella degradazione degli idrocarburi, il carico inquinante aveva subito il solo decremento del 15% nello stesso arco di tempo. Il secondo trattamento propone la bio-stimolazione della comunità microbica associata a sedimenti anossici contaminati da idrocarburi policiclici aromatici tramite sull’aggiunta di accettori di elettroni alternativi all’ossigeno in condizioni di anossia. I risultati ottenuti hanno mostrato la stimolazione e accelerazione del potenziale di biodegradazione nella comunità microbica anaerobica indigena attraverso la creazione di condizioni energeticamente favorevoli in sedimenti marini (aggiunta di ferro ferrico o fumarato) paragonati alla solfato riduzione che è nota per avere un basso potenziale.
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