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L’analisi dei processi biologici di risanamento di acquiferi contaminati

Strumenti innovativi per la valutazione e la quantificazione dei processi di biodegradazione a supporto della progettazione e dell’esecuzione di interventi di bonifica

La degradazione biologica è oggi parte integrante  della maggior parte delle strategie di intervento per il risanamento di siti contaminati, anche quando la tecnica di bonifica individuata non è la bioremediation propriamente detta. Ad esempio, la Monitored Natural Attenuation (MNA) è spesso impiegata a valle di trattamenti come l’ossidazione o la riduzione chimica in situ. Quindi, anche nei casi in cui la bioremediation non risulta essere la tecnica di trattamento prescelta, l’interpretazione dei fenomeni microbiologici si rivela molto spesso un aspetto  di cruciale importanza nel processo di risanamento di un sito contaminato.

Microbial Insights, Inc. è una società americana di biotecnologia ambientale (rappresentata in italia da BAW s.r.l.) specializzata nello sviluppo e nell’applicazione di strumenti biologici molecolari all’avanguardia che permettono di quantificare le comunità batteriche e di valutare i processi biologici che avvengono in un sito contaminato; lo scopo principale di questi strumenti è ricavare dati utilizzabili per effettuare una valutazione più approfondita del sito ed ottenere una conoscenza più dettagliata di tali processi.

Tra i principali strumenti di indagine utilizzabili si individuano il QuantArray®, il Compound Specific Isotope Analysis (CSIA)® e i campionatori Bio-Trap® per l’esecuzione di studi di microcosmo in situ. In particolare, il QuantArray® consente di verificare e quantificare la presenza di fenomeni di degradazione biologica dei contaminanti in sito; permette inoltre di valutare la necessità di inoculare microorganismi non presenti nel suolo o di stimolare la crescita microbica attraverso l’aggiunta di nutrienti o accettori/donatori di elettroni, allo scopo di favorire i fenomeni biologici di degradazione. Lo strumento QuantArray®Chlorinated consente con una singola analisi di quantificare simultaneamente i microorganismi responsabili della declorazione riduttiva, del cometabolismo aerobico e dei processi concorrenti; allo stesso modo QuantArray®Petroleum rileva la presenza e la quantità di batteri operanti la biodegradazione aerobica e anaerobica degli idrocarburi del petrolio.

Figura 1. Concentrazioni batteriche prima (blu) e dopo (rosso) una singola iniezione di un donatore di elettroni in un sito contaminato da solventi clorurati; i microorganismi che operano la dealogenazione dei contaminanti (DHC, DHBt, DSM, ecc.) sono significativamente aumentati dopo l’iniezione. Il tratteggio in figura evidenzia la concentrazione batterica che permette una sufficiente degradazione dei contaminanti clorurati.

Il Compound Specific Isotope Analysis (CSIA)® è un metodo analitico che misura il rapporto tra isotopi stabili di un contaminante. Questa misura, effettuata spesso in riferimento al rapporto 13C/12C, può fornire una prova certa della capacità di degradazione di una sostanza contaminante ad opera dei batteri presenti nell’acquifero. In molti composti, tra cui i solventi clorurati, il rapporto tra isotopi stabili varia infatti in modo prevedibile nel tempo. Tale evidenza è spiegata dal fatto che i legami formati dagli atomi di carbonio 12 sono leggermente più deboli rispetto a quelli formati dagli atomi di carbonio 13, perciò, con l’avanzare del tempo i composti che stanno subendo una degradazione si arricchiranno percentualmente dell’isotopo del carbonio più pesante, vedendo aumentare il proprio rapporto 13C/12C.

Al contrario, i sottoprodotti che verranno a formarsi dai processi di degradazione avranno un rapporto 13C/12C molto basso, che aumenterà nel tempo qualora essi fossero oggetto di ulteriore degradazione.

Quindi, se il QuantArray® dimostra la presenza di comunità batteriche in grado di degradare i composti di interesse, il CSIA mostra come la degradazione dei contaminanti stia effettivamente avvenendo.

Un tool interessante da utilizzare in sito per monitorare i processi di bio-degradazione è costituito dai campionatori denominati Bio-Trap®. Si tratta di strumenti di campionamento passivi costituiti da una matrice composta da granuli di piccole dimensioni (2-3 mm) realizzati in un materiale composito di Nomex® (25%) e di carbone attivo in polvere (75%) posti in un contenitore plastico fessurato. Il campionatore, una volta condizionato con i contaminanti di interesse, viene collocato in un pozzo di monitoraggio, sospeso in acqua nella porzione fenestrata del piezometro. La matrice di cui è composto viene colonizzata ben presto dai microorganismi presenti in falda, diventando di fatto un microcosmo in situ caratterizzato da un’elevata superficie specifica (~600 m2/g). Dopo circa 30 – 60 giorni dal posizionamento, il campionatore passivo può essere recuperato e, attraverso analisi genetiche, è possibile analizzare le comunità microbiche che vi si sono instaurate e valutare, attraverso l’analisi CSIA, se esse sono in grado di degradare i contaminanti di interesse.

Figura 2. Rappresentazione di un campionatore passivo Bio-Trap® e della matrice di campionamento di cui è composto (Fonte: Microbial Insight, Inc.)

I punti cardine della tecnologia sono sicuramente la sua praticità, il costo contenuto e l’adattabilità a differenti casi di studio. Infatti, i campionatori Bio-Trap® sono disponibili in una varietà di configurazioni diverse per rispondere a esigenze di progetto sito-specifiche. I campionatori più comuni vengono definiti Standard Bio-Trap® e costituiscono semplici alternative agli approcci convenzionali per la raccolta di campioni di acqua di falda per analisi micro-biologiche. La maggior parte dei microorganismi infatti preferisce stare adesa ad una superficie, piuttosto che dispersa in acqua: le Standard Bio-Trap® forniscono un’elevata superficie specifica adatta ad essere presto colonizzata dai microorganismi. Si è dimostrato che i risultati ottenuti con questo approccio consentono di minimizzare la variabilità dei dati ricavati rispetto ai tradizionali metodi di campionamento; inoltre i bio-film che si formano nelle Bio-Traps riflettono le variazioni spaziali e temporali della distribuzione microbica presente nell’acquifero, cosa che non può essere determinata con un’analisi biologica standard dell’acqua di falda.

Figura 3. Posizionamento di un campionatore Bio-Trap® in un piezometro di monitoraggio. Il dispositivo viene collocato in posizione sospesa e rimane tipicamente in posto per 30 – 60 giorni
(Fonte: Microbial Insight, Inc.)

Le Standard Bio-Trap® vengono principalmente utilizzati nelle fasi di caratterizzazione del sito, per ottenere utili indicazioni progettuali, e di monitoraggio in corso d’opera, per valutare l’efficacia del processo di bonifica intrapreso. Attraverso le Standard Bio-Trap®  è possibile infatti:

  • quantificare la presenza di specifici microorganismi in grado di degradare i contaminanti di interesse;
  • valutare la Monitored Natural Attenuation (MNA) in atto in sito;
  • confrontare le popolazioni microbiche esistenti in punti di campionamento differenti;
  • monitorare le variazioni delle comunità microbiche a seguito di interventi di biostimulation.

Le Bio-Trap® possono essere anche opportunamente allestite per rispondere a esigenze particolari di studio, quali la valutazione dell’efficacia di trattamenti di bio-stimulation: si tratta delle Specialty Bio-Trap®, condizionate ad hoc con gli ammendanti, previsti dal progettista, prima di essere utilizzate. L’utilizzo di questi campionatori, per la verifica preliminare dell’applicabilità di una bio-stimulation, costituisce di fatto un approccio intermedio fra l’esecuzione di uno studio di microcosmo in laboratorio e un test pilota in campo. Le Bio-Trap® hanno però il vantaggio di mitigare le principali criticità di questi due approcci: gli studi di microcosmo in laboratorio presentano spesso la problematica di non essere del tutto rappresentativi delle condizioni reali del sito, mentre i test pilota hanno spesso costi elevati. Le Specialty Bio-Trap® sono concepite per creare specifici microcosmi in situ che consentono di:

  • valutare la Monitored Natural Attenuation (MNA) in atto in sito rispetto ad una bio-stimulation;
  • confrontare l’efficacia di differenti ammendanti (lattato di sodio, melassa, reagenti commerciali, ecc.);
  • stimare i tassi relativi di degradazione per uno specifico contaminante in differenti condizioni di bio-stimolazione;
  • rispondere a domande specifiche come:
    • E’ in atto una degradazione del contaminante di interesse nel sito in esame?
    • L’aggiunta di nitrati/solfati come ammendanti stimolerà la bioremediation?
    • L’aggiunta di un determinato reagente incrementerà la popolazione di batteri che operano la bioremediation?

Questi studi, che potremmo definire di “microcosmo in sito”, possono essere progettati per verificare un ampio spettro di approcci di risanamento, tuttavia, viene spesso utilizzata una configurazione che prevede l’utilizzo di tre unità Bio-Trap® nello stesso piezometro, corrispondenti alle più comuni opzioni di bonifica:

1) Unità MNA. L’unità MNA si configura come un’unità di controllo, non contiene accettori/donatori di elettroni o ammendanti, e permette di verificare la Monitored Natural Attenuation; serve come termine di paragone per le altre unità;
2) Unità BioStimulated. L’unità BioStim contiene specifici donatori/accettori di elettroni o altri ammendanti per verificare l’efficacia della bio-stimulation;
3) Unità BioAugmented. L’unità BioAug viene commercializzata con specifiche colture batteriche e ammendanti per verificare la degradazione biologica che avviene a seguito di un processo di bio-augmentation.

Figura 4. Esempio di studio di microcosmo in campo con l’utilizzo dei campionatori Bio-Trap®. Tre unità di campionatori valutano in modo indipendente l’efficacia della Monitored Natural Attenuation, della biostimulation e della bioaugmentation (Fonte: Microbial Insight, Inc.)

Il confronto dei risultati ottenuti consentirà di scegliere la migliore strategia di intervento per il sito in esame. In conclusione, gli strumenti sviluppati da Microbial Insights, Inc. possono costituire un importante supporto decisionale per valutare l’applicabilità e l’efficacia delle tecniche di bonifica che prevedono, anche marginalmente, processi di bio-risanamento. Attraverso una più approfondita conoscenza dei fenomeni biologici in atto nei siti contaminati è possibile migliorare gli interventi di bonifica  scegliendo le tecnologie più efficaci e ridurre quindi complessivamente i costi del risanamento. In alcuni casi poi, attraverso questi strumenti, è possibile dimostrare come i fenomeni di attenuazione naturale stiano già operando in modo efficace nella rimozione della contaminazione e non vi sia la necessità di intervenire in modo diverso.

di Claudio Sandrone e Andrea Campi, BAW s.r.l.

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