Una ricerca italiana

La posidonia spiaggiata come bioassorbente low-cost di metalli pesanti

[31 Ottobre 2013]

Tre ricercatrici italiane, Chiara Pennesi, Cecilia Totti e Francesca Beolchini, del dipartimento della vita e scienze ambientali dell’università politecnica delle Marche, hanno pubblicato su PlosOne un interessate studio (Removal of Vanadium (III) and Molybdenum (V) from Wastewater Using Posidonia oceanica (Tracheophyta) Biomass) che potrebbe consentire un altro utilizzo della posidonia oceanica spiaggiata.

La Posidonia oceanica è la pianta marina più importante e abbondante ed è endemica del Mediterraneo, forma grandi praterie sottomarine dalla superficie alla profondità di 40 m, ma in condizioni di luce e trasparenza ottimali raggiunge anche i 50 m,  che sono una parte essenziale dell’ecosistema. «La Posidonia – ricordano le ricercatrici marchigiane – ha un ruolo ecologico importante, in quanto può formare strutture note come “matte”, che sono costruzioni monumentali che derivano dalla crescita orizzontale e verticale dei rizomi con le loro radici aggrovigliate e dal sedimento intrappolato . Questa pianta marina è molto sensibile al disturbo umano, come ad esempio lo sviluppo costiero, l’inquinamento, la pesca a strascico e l’elevata torbidità acqua. Infatti, nel 2000, posidonia oceanica è stata selezionata come un elemento di qualità biologica nell’ambito della direttiva quadro sulle acque, come rappresentante delle angiosperme acquatiche mediterranee, per l’utilizzo nel monitoraggio dello stato ecologico delle acque costiere. In Italia  P. oceanica è presente soprattutto lungo le coste tirreniche e ioniche, dove viene distrutta principalmente dalla pesca a strascico e dall’elevata torbidità acqua. Le attività umane e le mareggiate provocano l’accumulo delle foglie di questa pianta sulle spiagge, e il loro smaltimento rappresenta un significativo problema ambientale. Ciò può tuttavia può essere evitato se questo materiale di scarto può essere trasformato in una risorsa».

Il vanadio e il molibdeno sono contaminanti ambientali persistenti  che vengono sversati nell’ambiente da diverse industrie che lavorano alla realizzazione di leghe di acciaio. A causa della loro tossicità e del  loro accumulo lungo tutta la catena alimentare, rappresentano un grosso problema, con effetti ecologici e sulla salute umana, quindi bisogna eliminare questi metalli pesanti dai reflui industriali, magari utilizzando  materiale economico come le macrofite marine.

Il bioassorbimento comporta rimozione di metalli pesanti da una soluzione acquosa, legandoli in maniera passiva alla biomassa non vivente. Le biomasse marine rappresentano una risorsa importante per sperimentare il bioassorbimento di metalli pesanti provenienti dalle acque reflue industriali. Alghe e Piante marine morte possono essere utilizzate come economici assorbenti alternativi alle costose resine sintetiche. Altri studi hanno investigato sul bioassorbimento di metalli pesanti come rame, piombo e cromo, e la rimozione di coloranti da acque tessili utilizzando biomassa di Posidonia oceanica. Pennesi, Totti e Beolchini sono partite proprio da qui per studiare l’utilizzo della biomassa secca e reidratato della Posidonia oceanica  come alternativa e biomateriale low-cost per la rimozione del vanadio e del molibdeno dalle  acque reflue.

La Pennesi ed altri ricercatori avevano già studiato  per la prima volta la performance di bioassorbimento di Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson e Zostera marina per la rimozione del piombo e arsenico da una soluzione acquosa, dimostrando che «Il bioassorbimento ottimale di metallo pesante si verifica grazie alla composizione chimica della cuticola sottile ,che è lo strato esterno che comprende le foglie. La cutina è un polimero ceroso che è il componente principale della cuticola della  pianta, e consiste di acidi omega idrossiacidi e loro derivati, che sono interconnessi attraverso legami di estere, per formare un polimero poliestere di grandezza indeterminata. Questa sostanza è probabilmente responsabile per il legame chimico e fisico con i metalli pesanti, attraverso i gruppi carbossilici». La Posidonia oceanica contiene non solo cutina, ma è anche un materiale altamente fibroso che è composto per circa il 60 – 75%  di cellulosa ed emicellulosa e per il 25 – 30% di lignina, più una percentuale rilevante di ceneri che contengono essenzialmente silicio e tracce di alcuni metalli pesanti. «Inoltre – spiegano le ricercatrici dell’università politecnica delle Marche-  contiene due tipi di metallotioneine (MTS) che sono un gruppo di proteine ricche di cisteina. Queste proteine hanno la capacità di legare metalli pesanti attraverso i gruppi tiolici, che sono noti anche come gruppi sulfidrilici (R-SH), e gruppi amminici (R-NH ₂ ) di residui di cisteina».

In questo studio la biomassa di Posidonia utilizzata consisteva in foglie secche prelevate da una spiaggia che sono state usate per la prima volta come bioassorbente a basso costo per  rimuovere  vanadio e molibdeno dalla soluzione acquosa. «Gli obiettivi di questo studio – sottolineano le ricercatrici – erano quelli di  valutare le prestazioni della biomassa non vivente di P. oceanica  nei sistemi ideali a metallo singolo (sia con il vanadio o con il molibdeno) in diverse condizioni di pH (per determinare le condizioni ottimali di funzionamento), per determinare eventuali fenomeni di concorrenza nei sistemi più reali che sono caratterizzati da una elevata forza ionica o dalla presenza sia di vanadio che di molibdeno, e di definire un modello di equilibrio per prevedere le prestazioni bioassorbimento in queste condizioni più reali».

Lo smaltimento delle biomasse di Posidonia oceanica accumulate sulle spiagge rappresenta un grosso problema ambientale che potrebbe essere evitato se la Posidonia spiaggiata venisse trasformata in una risorsa. Il suo utilizzo come bioassorbente è dimostrato per l’uranio 5,67 mg/g), il cromo (14,48 mg/g) e il piombo (140 mg/g) questa biomassa riesce anche per adsorbire materiali come il fosfato (7,45 mg/g).

«Questo lavoro  – dicono le ricercatrici italiane – dimostra l’idoneità di tale biomassa anche come assorbente di vanadio e molibdeno, con una capacità massima di assorbimento stimata rispettivamente in  16 e 18 mg/g. L’assorbimento di vanadio e molibdeno è spiegato dall’interazione chimico-fisico (principalmente basata su scambio ionico) con gruppi carbossilici e amminici  che sono presenti in molte macromolecole sulla cuticola della pianta (es. cutina, metallotioneina). La simulazione del sistema reale può escludere eventuali fenomeni di concorrenza ioni – nitrati e di un metallo con l’altro, per  la diversa  speciazione di vanadio e molibdeno nella soluzione acquosa (catione vs anione). Questa evidenza ha permesso di sviluppare un nuovo “multi-metal sorption equilibrium model” che è in grado di prendere in considerazione l’effetto sinergico sulle performance di bioassorbimento multi-metallo, che era evidente quando erano presenti entrambi i metalli. La disponibilità di uno strumento matematico che può prevedere le prestazioni di bioassorbimento in tali sistemi multi-metallo è considerata molto importante  e c’è una reale necessità che nuova letteratura scientifica va oltre il ben noti modelli di assorbimento Langmuir/Freundlich,, rappresentativi dei sistemi metallici unico ideali».

Le ricercatrici concludono: «Il lavoro futuro sarà indirizzato da un lato a sistemi reali provenienti dai processi refinery catalysts recycling, dall’altro all’affinamento del processo bioassorbimento, al fine di trovare una configurazione del procedimento adatta per l’applicazione della biomassa di Posidonia oceanica su scala industriale».