Le piante: un chimico “verde” al servizio dell’ambiente

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex presidente SCI

Lo studio dell’impatto sull’ecosistema dell’immissione di sostanze inquinanti ha incrementato l’interesse per la realizzazione di metodi analitici affidabili, sensibili, accurati, economici, possibilmente automatici e continui, utilizzabili anche per misure in situ, per la determinazione di queste sostanze. L’applicazione al campo ambientale ha determinato l’utilizzazione di bioindicatori costituiti di sistemi biologici vegetali capaci di fornire informazioni sulla concentrazione nell’ambiente di inquinanti, attraverso modificazioni di caratteristiche fisiologiche come: la velocità di crescita, la capacità respiratoria e fotosintetica, la variazione del metabolismo e dell’attività enzimatica.

Le piante offrono notevoli possibilità come bioindicatori, perché hanno notevoli scambi gassosi con l’ambiente. Inoltre, avendo una minore complessità di sistemi di difesa, presentano una sensibilità maggiore nei confronti di molte sostanze inquinanti. I bioindicatori vegetali sono sufficientemente affidabili ed economici, permettono quindi l’allestimento di reti di biomonitoraggio capillari e consentono un’adeguata mappatura del territorio relativamente alle specie chimiche tossiche, inoltre forniscono informazioni sulla biodisponibilità dell’inquinante: ad esempio l’Egeria densa propagandosi rapidamente nel territorio, si rileva particolarmente adatta a questo fine.

egeria_densa_icelandFra le classi di inquinanti più ubiquitari e concentrati di certo ci sono i metalli pesanti. Per “metalli pesanti” di intendono gli elementi di transizione caratterizzati da una densità maggiore di 7,0 g/cm3. Per quanto concerne la provenienza dei metalli pesanti essa può essere esogena, causata da attività umane, o endogena, quando i metalli sono rilasciati dal substrato pedogenetico, in quest’ultimo caso i metalli sono denominati: “inquinanti geochimici”. La contaminazione esogena è dovuta a processi industriali come la vulcanizzazione, la concia, la galvanizzazione, la fusione di metalli, i quali producono fumi e scorie contenenti Zn, Cu, Pb, Cr, Ni, Cd, Hg. I metalli si accumulano nel suolo, ad elevate concentrazioni, in pochi anni, Attività civili come: impianti di riscaldamento, inceneritori, traffico motorizzato (combustione di carburanti, consumo di lubrificanti e pneumatici), liberano nell’ambiente Pb, Cd, Zn. L’agricoltura, mediante l’uso di antiparassitari, incrementa l’inquinamento da Cu, Hg, Mn, Pb, Zn; inoltre i processi industriali per la sintesi di fertilizzanti come i perfosfati, liberano nel suolo: Cd, Co Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn. La reattività di questi metalli, il potere inquinante e la tossicità per gli organismi sono determinate dalle seguenti proprietà:

  • la possibilità di assumere diversi stati di ossidazione e di conseguenza di formare composti intermedi;
  • le proprietà catalitiche;
  • la capacità di formare complessi utilizzando gli orbitali d incompleti;
  • la tendenza a dar origine a composti non stechiometrici con i solidi ionici;
  • l’elevata affinità per il gruppo SH (reazione acido-base di Lewis).

Le costanti di instabilità dei complessi formati dal metallo sono correlate al suo grado di tossicità: i metalli che hanno una tendenza maggiore a formare complessi con molecole organiche, hanno una capacità più elevata nel danneggiare le membrane biologiche. All’interno della cellula, tali metalli, inibiscono l’attività di alcuni enzimi, legandosi ai gruppi tiolici, carbossilici e amminici degli amminoacidi; in presenza di gruppi tiolici e di ossigeno, Cu, Co, Mn, Ni, inducono la formazione di radicali liberi e di ioni superossido, che producono dannose perossidazioni. Inoltre, il DNA risulta essere un bersaglio primario per i numerosi siti di interazione che presenta: infatti sono stati riscontrati, tra gli effetti biologici indotti dai metalli, l’azione mutagena, rilevabile attraverso anomalie cromosomiche e l’attività cancerogena.

I meccanismi con cui le piante captano i metalli pesanti sono: mediante secrezione radicale dei fitosiderofori e di metalloriduttasi e mediante estrusione di protoni. Il metallo, legato a peptidi e acidi, entra nella corrente xilematica e floematica. Nel citosol i metalli, inducono sintesi di fitochelatine, di metallotineine, di proteine ad alto peso molecolare da stress del tipo delle heat shock proteins. Le simbiosi batteriche e micorriziche incrementano questi processi. Le piante metallofite si distinguono in: “indicatrici”, nel caso in cui si riscontra un’uguale concentrazione di metallo nel suolo e nella pianta; “escluditrici” quando il metallo è  più concentrato nelle radici rispetto al suolo; “accumulatrici” quando il metallo è più concentrato nelle parti aeree rispetto alle radici e al suolo.

piante

Le ipotesi che possono derivare per un meccanismo di detossificazione sono per i metalli, una possibile compartimentalizzazione nel vacuolo in forma di complessi con acidi organici come malato, citrato o con peptidi ricchi di gruppi tiolici (glutamil-cisteinil-glicine o fitochelatine).

Nel caso invece di inquinamenti organici la captazione da parte delle piante è in relazione con il loro coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua: composti con logKow>1,8, più idrofobiche, attraversano le membrane lipidiche radicali, ma alcune sostanze eccessivamente idrofobiche non entrano nello xilema. Le sostanze meno idrofobiche, logKow<1,8, non penetrano nelle radici. Un modello concettuale di detossificazione, per composti aromatici come l’acido 2,4-diclorofenossiacetico acido_24-diclorofenossiacetico_struttura-svge il pentaclorofenolo, 240px-pentachlorophenol-svg

prevede la captazione per traspirazione dello xenobiotico, reazioni di ossidazione, riduzione, idrolisi, la coniugazione con composti come il D-glucosio, il glutatione, aminoacidi o acido malonico. Infine l’inquinante viene compartimentalizzato nel vacuolo, o incluso nel materiale che costituisce la parete cellulare o nella lignina.

Captando questi inquinanti le piante finiscono per “sentirli” reagendo ad essi e su questo, come si diceva all’inizio, si basano i processi di bioindicazione. Dai bioindicatori la tecnologia ha derivato i biosensori con esiti e finalità più quantitativi rispetto a quelli più qualitativi dei bioindicatori.

I biosensori sono dispositivi costituiti di un trasduttore associato ad un catalizzatore biologico. Originariamente si tendeva ad usare un enzima purificato, recentemente si cercano nuovi materiali biocatalitici da associare a elettrodi ionoselettivi e a diffusione gassosa: piante, microrganismi, tessuti animali o vegetali. I vantaggi principali sono tempi di vita maggiori, bassi costi, una maggiore attività catalitica. Il regno vegetale è una fonte particolarmente ricca e varia di eventuale materiale biocatalitico, non solo per la varietà delle specie, ma anche perché le strutture specializzate per la crescita, la riproduzione, il deposito di nutrienti, recano un’attività biocatalitica altamente selettiva, concentrata e stabile. Durante la messa a punto del biosensore è necessario verificare se i processi metabolici siano rapidi, sensibili, selettivi.

fitodepurazione2Un ulteriore impiego dei vegetali quasi un’applicazione virtuosa dell’interazione “viziosa” fra sistemi vegetali e inquinanti, è costituito dal recupero ambientale di ecosistemi inquinati, secondo il concetto di phytoremediation, la cui applicazione si sta notevolmente diffondendo per la maggiore economicità, efficacia, la versatilità dovuta alla capacità di differenti specie di accumulare vari inquinanti anche presenti contemporaneamente, con un positivo impatto ambientale; le piante sono comunque indispensabili per la produzione   di biomassa ed energia. Quest’ultimo impiego, proposto da Cunningham nel 1995, può essere esteso alla decontaminazione di acque di scarico industriali.

La phytoremediation presenta diversi vantaggi: il basso costo, almeno il 25% in meno rispetto alla rimozione del terreno contaminato ed al suo stoccaggio in apposite discariche, la versatilità dovuta alla disponibilità di diverse specie vegetali accumulatrici di diversi inquinanti anche contemporaneamente presenti, il positivo impatto ambientale dato dal recupero paesaggistico del sito decontaminato.

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