È un complesso fenomeno biochimico che comporta la

BIOTECNOLOGIE E AMBIENTE
Una presentazione di...
Andrea Di Mario, Raffaele Giordano, Giacomo Orlandini
I colori delle biotecnologie
• Red Biotechnology: processi
•
•
•
•
farmaceutici e biomedici
White Biotechnology:
impiego di interesse
industriale
Green Biotechnology:
applicata al settore agricolo
Bioinformatica: approccio
informatico alle
biotecnologie
Blue Biotechnology:
applicazioni marine ed
acquatiche
Prevenzione dell’inquinamento
• Molte imprese industriali sfruttano processi
•
biotecnologici a basso impatto ambientale sia in
risposta agli appelli per uno sviluppo sostenibile sia
per ricavare profitti dovuti all’aumento della
produzione che risulta più veloce e necessita meno
energia.
Nei processi industriali si sfruttano maggiormente gli
enzimi, che opportunamente modificati lavorano ad
alte temperature, in ambienti non acquosi o persino
solidi.
Vantaggi nell’uso degli enzimi
Processi industriali
Reazioni Enzimatiche
Reazioni Chimiche
Substrato attaccato
Gli enzimi attaccano
solo un substrato
specifico
Le sostanze chimiche
ordinarie possono attaccare
diversi substrati
Alla fine della
reazione
Gli enzimi non sono
consumati (sono
catalizzatori)
Le sostanze chimiche sono
consumate durante la
reazione
Dosaggi richiesti
Per quanto riportato
sopra, molto bassi
Per quanto riportato sopra,
tipicamente alti
Impatto ambientale
Molto basso (le
quantità richieste nei
processi industriali
sono molto basse.
Inoltre, gli enzimi
sono prontamente
degradati per via
biologica)
Può essere fortemente
negativa (i dosaggi richiesti
nei processi industriali
possono essere molto alti, e
molte sostanze chimiche sono
potenzialmente dannose per
l'ambiente se lavorate in
maniera impropria)
Utilizzo di enzimi nella produzione industriale
Enzimi usati nella fabbricazione dei jeans
• Amilasi: usate per la
•
•
rimozione della bozzima
amidacea
Laccasi: riduce il tempo
necessario per ottenere
jeans “invecchiati” e
elimina gli effetti
negativi della
deposizione dell’indaco
Cellulasi: adoperate
nella Biopolishing, nel
Stone Washing e nel
Biofinishing
Rilevazione e monitoraggio degli
inquinanti
• È già in uso un’ampia gamma di metodi biologici per
rilevare inquinamenti accidentali e per il
monitoraggio continuo degli inquinanti
• Le misure già consolidate comprendono la conta
delle specie animali, vegetali e microbiche, e la
conta degli individui di tali specie oppure l’analisi dei
livelli di ossigeno, metano o altri composti nelle
acque
• Più recente è lo sviluppo di metodi biologici di
rilevazione basati su biosensori ed immunosaggi,
che stanno ora facendo il loro ingresso sul mercato.
Immunosaggi e biosensori
• Gli immunosaggi utilizzano anticorpi (proteine
complesse prodotte nella risposta biologica ad
agenti specifici) opportunamente marcati, di
solito con enzimi, per misurare i livelli di
inquinanti
• La maggior parte dei biosensori consiste in una
combinazione di meccanismi biologici ed
elettronici, spesso innestati su un microchip
Un’indagine “verde”
• Lo scopo dell’indagine è stato quello di valutare l’impatto
•
ambientale della messa in funzione della centrale turbogas di
Jesi attraverso un biomonitoraggio tramite licheni epifiti nel
territorio interessato dalla centrale
Si sono utilizzati i licheni in virtù di queste caratteristiche:
- dipendenza metabolica essenzialmente dall’atmosfera
- attività metabolica ininterrotta
- impossibilità di liberarsi periodicamente delle parti vecchie e
danneggiate
- sensibilità specie-specifica alle sostanze inquinanti
Licheni come bioaccumulatori e
bioindicatori
• Il metodo si basa sulla stima delle specie licheniche
•
(biodiversità) rilevate sugli alberi in esame (stazioni di
campionamento) tramite un apposito reticolo di
campionamento. Le informazioni alfanumeriche espresse
come valore di indice di biodiversità lichenica risultano
correlate al livello di gas inquinanti (es. SO2 e NOx)
presenti nell’aria
La capacità di assorbire sostanze dall’atmosfera da parte
di talli lichenici di specie resistenti e la possibilità di
misurarne la quantità accumulata dopo un certo periodo
di esposizione, permettono una valutazione quantitativa
tra la risposta biologica e la concentrazione di un
determinato inquinante (metalli pesanti, radionuclidi, non
metalli come zolfo e cloro, composti xenobiotici come
idrocarburi clorurati)
Bioremediation
• La bioremediation è un insieme di tecniche
•
•
che usano microrganismi, funghi, piante o
enzimi per riportare un ambiente alterato alle
sue condizioni originali
Tipologie: in situ, ex situ, on site
Fasi della bioremediation:
– Definire lo stato dell'inquinamento, l'estensione, la pericolosità, il
numero degli inquinanti;
– Progettare un approccio microbiologico efficace per il
trattamento degli inquinanti;
– Isolare il ceppo o i ceppi che interessano in un ambiente
fortemente selettivo fondato su quel tipo di inquinante;
– Accrescere la coltura così creata nelle quantità desiderate oppure
altrimenti fornire le condizioni che stimoleranno la loro crescita
nell'ambiente inquinato.
Biosorption e Fitodepurazione
• La biosorption o
bioassorbimento consiste
nell’utilizzo di biomasse vive
o morte o di loro derivati per
assorbire ioni metallici a vari
tipi di ligandi o gruppi
funzionali localizzati sulla
superficie esterna delle
cellule microbiche
• La fitodepurazione, nota a
partire dagli anni ’90,
consiste nella crescita di
piante su terreni
contaminanti cosicché i
composti inquinati possano
percolare attraverso il
sistema radicale e
accumularsi in vari organi
della pianta
Bioventing e Biosparging
• Il bioventing impiega microorganismi residenti
•
per la degradazione di composti organici
assorbiti alle particelle del suolo nella zona di
non saturazione
Il biosparging impiega microorganismi naturali
per degradare contaminanti organici all’interno
della zona di saturazione ed è usata soprattutto
per il trattamento di acque di falda
Esempio di bioremediation
• In Germania, è stato sequenziato e definito geneticamente il
genoma del batterio Alcanivorax borkumensis, microrganismo
fondamentale per la degradazione del petrolio.
Gli studiosi Vitor A.P. Martins dos Santos e i colleghi del Centro di
Biologia ambientale della Società tedesca Helmholtz sono riusciti
ad individuare in esso delle serie di geni particolari, che gli
permettono di spezzare e frammentare gli alcani (idrocarburi
saturi) presenti nel petrolio. Il batterio “mangia petrolio”,
secondo Martins dos Santos, verrà utilizzato senza dubbio per
mitigare i danni ecologici conseguenza delle perdite di petrolio
nel sistema marino (dalle petroliere coinvolte in incidenti, dal
rilascio di piccole quantità di derivati dalle navi e dalle operazioni
di trivellazione nelle piattaforme petrolifere marine)
Trattamento delle scorie
• La necessità di trovare alternative allo smaltimento dei rifiuti nelle
•
•
discariche controllate, per la cui realizzazione i paesi più avanzati
pongono limitazioni sempre più severe, o in forni di termodistruzione, il
cui costo risulta molto elevato, ha fortemente incentivato la ricerca
biotecnologica.
Negli impianti di trattamento dei liquami, i microorganismi rimuovono
gli inquinanti più comuni dalle acque reflue prima di scaricarle nei fiumi
o in mare. I nuovi metodi comprendono processi aerobici e anaerobici,
che hanno luogo in bioreattori in cui materiali e microorganismi
vengono mantenuti in sospensione. Si definisce bioreattore ogni
dispositivo in grado di fornire un ambiente adeguato alla crescita di
organismi biologici; all'interno del bioreattore, i microrganismi si
sviluppano, eliminando gradualmente gli inquinanti.
I sistemi di smaltimento dei rifiuti industriali gassosi erano basati su
filtri poco costosi, riempiti di compost, per la rimozione dei cattivi odori.
Questi sistemi vengono tuttora utilizzati, tuttavia la lentezza del
procedimento e la breve durata di tali filtri ha spinto alla ricerca di
metodi migliori, quali i bioscrubbers, che comportano l’asportazione
degli inquinanti per lavaggio mediante l’uso di sospensioni cellulari,
oppure i filtri a gocciolamento, in cui gli inquinanti vengono degradati
da microorganismi immobilizzati su una matrice inerte, cui viene fornito
il nutrimento mediante un film acquoso che sgocciola attraverso la
matrice di supporto
Decomposizione aerobica
• Il processo consiste nella
metabolizzazione delle
sostanze organiche per opera
di micro-organismi, il cui
sviluppo è condizionato dalla
presenza di ossigeno. Questi
batteri convertono sostanze
complesse in altre più
semplici, liberando CO² e
H²O e producendo un elevato
riscaldamento del substrato,
proporzionale alla loro attività
metabolica. Il calore prodotto
può essere così trasferito
all’esterno, mediante
scambiatori a fluido
Decomposizione anaerobica
• I materiali rimasti dalla fase
aerobica vengono demoliti, ad
opera di micro-organismi e si
produce un gas (biogas) costituito
per il 50÷70% da metano e per la
restante parte soprattutto da CO²
ed avente un potere calorifico
medio dell'ordine di 23.000
kJ/Nm3. Il biogas così prodotto
viene raccolto, essiccato,
compresso ed immagazzinato e
può essere utilizzato come
combustibile per alimentare
caldaie a gas per produrre calore
o motori a combustione interna
(adattati allo scopo a partire da
motori navali a basso numero di
giri) per produrre energia elettrica
Produzione di energia dalle
biomasse
• Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di materiali, di
•
•
•
natura estremamente eterogenea. In forma generale, si può dire che è
biomassa tutto ciò che ha matrice organica, con esclusione delle
plastiche e dei materiali fossili
La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali
organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili
ovvero trasformati in altre sostanze (solide, liquide o gassose) di più
facile utilizzo negli impianti di conversione
Altre forme di biomassa possono, inoltre, essere costituite dai residui
delle coltivazioni destinate all’alimentazione umana o animale (paglia) o
piante espressamente coltivate per scopi energetici. Le più importanti
tipologie di biomassa sono residui forestali, scarti dell’industria di
trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.) scarti delle aziende
zootecniche, gli scarti di mercato, ed i rifiuti solidi urbani
La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una
risorsa locale, pulita e rinnovabile. L’utilizzazione delle biomasse per fini
energetici non contribuisce all’effetto serra, poiché la quantità di
anidride carbonica rilasciata durante la decomposizione, sia che essa
avvenga naturalmente, sia per effetto della conversione energetica, è
equivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa
Stato del settore
• Oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari
nel mondo; l’utilizzo di tale fonte mostra, però, un forte grado di
disomogeneità fra i vari Paesi. I Paesi in Via di Sviluppo, nel
complesso, ricavano mediamente il 38% della propria energia dalle
biomasse, ma in molti di essi tale risorsa soddisfa fino al 90% del
fabbisogno energetico totale
• Le tecnologie di conversione energetica delle biomasse attualmente
disponibili sono:
– combustione diretta
– carbonizzazione
– pirolisi
– gassificazione
– decomposizione anaerobica
– decomposizione aerobica
– fermentazione alcolica
– estrazione di oli e produzione di biodiesel
La fermentazione alcolica
• È un complesso fenomeno
•
biochimico che comporta la
trasformazione degli zuccheri
(glucosio e fruttosio) in etanolo,
anidride carbonica e numerosi
prodotti secondari
ETBE (EtilTertioButilEtere),
ottenuto combinando un
idrocarburo petrolifero
(l’isobutene) e l’etanolo risulta un
prodotto utilizzabile nei motori,
con un buon compromesso tra
prezzo, disponibilità e prestazioni
Pirolisi
• È un processo di
•
decomposizione
termochimica di materiali
organici, ottenuto mediante
l’applicazione di calore, a
temperature comprese tra
400 e 800°C, in completa
assenza di un agente
ossidante
I prodotti della pirolisi sono
sia gassosi, sia liquidi, sia
solidi, in proporzioni che
dipendono dai metodi di
pirolisi (pirolisi veloce, lenta,
o convenzionale) e dai
parametri di reazione
Combustione diretta
• Si tratta del metodo più semplice ed antico
di produzione di energia grazie alle
biomasse. I corpi vengono generalmente
combustiti in caldaie e i prodotti utilizzabili a
tale scopo sono i seguenti:
– legname in tutte le sue forme
– paglie di cereali
– residui di raccolta di legumi secchi
– residui di piante oleaginose (ricino,
catrame, ecc.)
– residui di piante da fibra tessile (cotone,
canapa, ecc.)
– residui legnosi di potatura di piante da
frutto e di piante forestali
– residui dell’industria agro – alimentare.
Normative in vigore
• Le normative volte a garantire l’impiego nell’ambiente di microrganismi
nuovi o modificati in condizioni di sicurezza sono molto importanti,
anche dal punto di vista del mantenimento della fiducia da parte
dell’opinione pubblica. L’Unione Europea si è dotata di due Direttive,
concernenti l’uso confinato di microorganismi (90/219/CEE) ed il rilascio
deliberato nell’ambiente di organismi geneticamente modificati
(90/220/CEE), che sono state recepite nella legislazione nazionale di
quasi tutti gli Stati membri dell’UE. Tra le disposizioni vi è l’approvazione
da parte delle autorità competenti designate di un dettagliato protocollo
sperimentale, che comprenda una valutazione dei potenziali rischi,
quale prerequisito per ogni rilascio ambientale di un organismo
geneticamente modificato. In alcuni Stati membri viene richiesta la
pubblicazione sulla stampa locale della natura del rilascio e, talvolta,
perfino dell’ubicazione del sito. Dopo diversi anni di esperienza
nell’applicazione delle Direttive, le procedure previste vanno riviste
anche alla luce di un adeguamento al progresso tecnico: mentre è
tuttora in corso - a livello dell’UE - la revisione della Direttiva sul rilascio
deliberato, quella della Direttiva sull’uso confinato è giunta a
compimento nel dicembre 1998, con l’adozione di una nuova Direttiva
(98/81/CE, che di fatto sostituisce la 90/219/CEE). L’obiettivo della
Commissione Europea è il mantenimento della competitività globale
dell’UE, sia nella ricerca sia nelle applicazioni commerciali, senza che ciò
vada a scapito della sicurezza.
vantaggi/svantaggi nell’uso delle
biomasse
VANTAGGI
SVANTAGGI
Basso impatto
ambientale
Costi spesso elevati
Effetti positivi
sull'ambiente
Complessità delle tecniche
Alta specificità delle
tecniche
Necessità di personale
altamente specializzato
Materiali necessari
facilmente reperibili
Strumentazione complessa e
difficilmente reperibile
Conclusioni
• Le biotecnologie ambientali vantano una “carriera” che
data fin dal secolo scorso. Man mano che viene meglio
apprezzata l’esigenza di passare a modelli di attività
economica meno distruttivi, pur mantenendo il
miglioramento delle condizioni sociali nonostante la
crescita della popolazione, cresce il ruolo delle
biotecnologie come strumenti di bonifica e di produzione
industriale sostenibile
• Vi sono delle preoccupazioni, come in tutte le situazioni
in cui si ha l’introduzione nell’ambiente di una nuova
tecnologia. Le biotecnologie rappresentano comunque un
rilevante potenziale per la protezione e la bonifica
dell’ambiente, e sono perciò compatibili con un’esigenze
di sviluppo sostenibile, che diventa di importanza sempre
più vitale a causa della continua crescita di popolazione,
urbanizzazione ed industrializzazione.
Dizionario’s Time
• Bozzima: sostanza, generalmente a base di fecola di
patate, che lubrifica le fibre tessili conferendo ad esse
una particolare elasticità e scorrevolezza
Tallo: è il corpo degli organismi vegetali formati da
cellule che non si differenziano in organi separati e ben
distinti
Etanolo: è un alcol a corta catena, noto anche come
alcol etilico o spirito di vino, a temperatura ambiente si
presenta come un liquido incolore dall'odore
caratteristico. È tendenzialmente volatile, estremamente
infiammabile e tossico
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FINE PRESENTAZIONE
Ci sono
domande?