Mobilità e biodisponibilità di metalli pesanti nei suoli dell

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SIENA
Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente
Mobilità e biodisponibilità di metalli pesanti
nei suoli dell’area urbana di Siena:
valutazione mediante metodi chimici e biologici
Francesco Nannoni & Giuseppe Protano
()
[email protected]
()
[email protected]
ENEA - Salone Centrale, Via Giulio Romano 41 - Roma, 11 Maggio 2016
Scopo della ricerca
Definire il frazionamento chimico di
metalli pesanti nei suoli dell’area urbana
di Siena tramite estrazioni sequenziali e
la loro biodisponibilità attraverso il
bioaccumulo nei lombrichi
Definizione di Biodisponibilità
“quella frazione del totale di una sostanza chimica
presente in uno specifico comparto ambientale che, in un
dato lasso di tempo, è disponibile o può essere resa
disponibile per l’assorbimento da parte degli organismi,
attraverso l’ambiente che li circonda o l’assunzione di
cibo” (Peijnenburg et al., 2007)
Biodisponibilità
La biodisponibilità degli elementi chimici nel suolo può
essere valutata attraverso 2 metodi complementari:
Chimico 
estrazioni selettive e/o
sequenziali: valutare la
mobilità e la distribuzione
di un elemento nelle
frazioni
del
suolo
(frazionamento)
Biologico 
misura del bioaccumulo:
determinare i contenuti
degli elementi nei tessuti
di organismi sentinella
(bioindicatori)
Disponibilità ambientale
(environmental availability)
BIOdisponibilità ambientale
(environmental bioavailability)
Biodisponibilità
La biodisponibilità degli elementi nel suolo dipende da:
fattori abiotici
• caratteristiche pedologiche (i.e., pH, CSC, tessitura)
• processi fisico-chimici (scambio ionico, dissoluzione
acida, reazioni redox)
• elemento chimico
• frazionamento chimico
fattori biologici
• caratteristiche ecologiche dell’organismo (i.e., habitat,
abitudini alimentari)
• caratteristiche fisiologiche (modalità di assorbimento
degli elementi, meccanismi di regolazione ed escrezione)
Metodo chimico: estrazioni sequenziali (schema BCR)
Solubile in acqua
Estraibile
Contenuto
totale
(scambiabile + associata ai carbonati)
Riducibile
(associata agli ossidrossidi di Fe e Mn)
Ossidabile
(associata alla sostanza organica)
Residuale
(associata ai minerali residuali e neoformazione)
INFORMAZIONI RIGUARDO
ALLA MOBILITÀ DEGLI ELEMENTI CHIMICI
Metodo biologico: perché i lombrichi?
I lombrichi, importanti membri della comunità del suolo
sensibili alla presenza di metalli pesanti, sono spesso utilizzati
come efficaci bioindicatori della qualità del suolo
L’assorbimento dei metalli da parte dei lombrichi dipende non
tanto dal contenuto totale nel suolo ma piuttosto dalla loro
frazione biologicamente disponibile
Area di
studio
Suolo superficiale (0-20 cm)
30 siti di campionamento a
diversa intensità di traffico
veicolare
Siti extra-urbani: in terreni incolti di zone rurali distanti dal
centro urbano e dalle arterie viarie  fondo naturale
Siti verdi cittadini: in aree verdi pubbliche all’interno o a ridosso
del centro storico della città
Siti peri-urbani: in prossimità delle principali strade peri-urbane
ad intenso traffico (< 2 m dal bordo strada)
Siti urbani: vicino alle principali strade urbane all’esterno del
centro storico (< 2 m dal bordo strada)
Lombrichi:
15 siti di raccolta
150 esemplari adulti
(10 esemplari x sito)
Nicodrilus caliginosus
Fasi della ricerca
• Contenuto totale di metalli pesanti (Cd, Co, Cr, Cu, Ni,
Pb, Sb, U e Zn) nel suolo
• Il frazionamento chimico nel suolo
• L’influenza del traffico veicolare sul frazionamento
• L’accumulo nei tessuti dei lombrichi
• Il ruolo delle frazioni nell’assorbimento da parte dei
lombrichi
Contenuto totale e
frazionamento
dei metalli pesanti
nel suolo
Contenuto totale dei metalli pesanti influenzati dal traffico veicolare
(Pb, Sb, Cd, Cu e Zn)
mg/kg
120
100
FA = 2.2
80
81.89
FA = 1.4
60
54.18
40
20
23.01
FA = 2.8
6
104.51
5
mg/kg
Piombo
FA = 1.8
3
2.41
2
FA = 2.3
3.05
0.99
0
Extra-urbane
Verdi cittadine
FA = 3.9
5.15
4
1
0
Antimonio
Peri-urbane
Urbane
Metalli pesanti maggiormente arricchiti nei suoli urbani
Contenuto totale dei metalli pesanti influenzati dal traffico veicolare
(Pb, Sb, Cd, Cu e Zn)
Cadmio
FA = 1.3
mg/kg
0.25
0.20
FA = 0.9
0.15
0.16
0.15
FA = 1.5
0.27
120
0.22
0.10
Zinco
140
FA = 1.0
100
mg/kg
0.30
Rame
80
60
77.6
90.7
FA = 1.3
FA = 1.1
96.8
40
0.05
20
0.00
0
Extra-urbane
Verdi cittadine
Peri-urbane
Urbane
Metalli pesanti debolmente arricchiti nei suoli urbani
121.6
Contenuto totale dei metalli pesanti non influenzati dal traffico veicolare
(Co, Cr, Ni e U)
Cobalto
15
9
12.5
60
50
11.7
8.2
6
8.4
mg/kg
mg/kg
12
Nickel
40
30
20
3
45.3
43.6
41.0
28.4
10
0
0
Extra-urbane
Verdi cittadine
Peri-urbane
Urbane
Concentrazioni di Co, Cr, Ni e U sono omogenee in tutta l’area di studio
ed all’interno del rispettivo fondo naturale  geogenici
Piombo
Frazionamento dei metalli pesanti nel suolo
0.1%
42.8%
Frid > Fres >> Foss > Fest > Fsol
0.7%
48.5%
8.1%
solubile
estraibile
riducibile
ossidabile
residuale
Piombo
Frazionamento dei metalli pesanti nel suolo
0.7%
0.1%
42.8%
solubile
estraibile
riducibile
ossidabile
residuale
48.5%
Frid > Fres >> Foss > Fest > Fsol
8.1%
Ripartizione del Pb nel suolo in funzione dell’intensità del traffico
Suoli extra-urbani
Suoli urbani s.l.
(non contaminati)
(contaminati, Pbtot> fondo naturale)
0.6%
0.04%
45%
49%
37%
0.1%
1%
52%
5%
Extra-urbani
11%
Urbani s.l.
Suoli extra-urbani
0.1%
10%
Cadmio
+ mobile
58%
13%
Extra-urbani
1%
9%
Rame
0.1%
7%
8%
19%
0.3%
25%
61%
Urbani s.l.
0.2%
8%
1%
10%
21%
Extra-urbani
82%
0.1%
Zinco
2%
9%
68%
Urbani s.l.
0.04%
4%
4%
20%
10%
84%
solubile
Suoli urbani s.l.
estraibile
Extra-urbani
riducibile
66%
ossidabile
Urbani s.l.
residuale
Frazionamento dei metalli pesanti nel suolo
Geogenici: non sono state riscontrate differenze significative nel
frazionamento tra suoli extra-urbani ed urbani s.l.
Co
Cobalto
Suoli extra-urbani
0.01%
51%
0.01%
0.2%
Extra-urbani
3%
12%
0.02%
12%
28%
53%
27%
7%
Cr
Co
15%
Suoli urbani s.l.
Solubile
Cr
Estraibile
0.01%
7%
Riducibile
Urbani s.l.
Ossidabile
3%
0.1%
Residuale
11%
Cromo
85%
solubile
estraibile
Extra-urbani
riducibile
Solubile
86%
Estraibile
ossidabile
Riducibile
Urbani s.l.
Ossidabile
residuale
Residuale
Contenuto
dei metalli pesanti
nei lombrichi
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi
70
60
mg/kg
50
40
30
20
10
0
Cd
Lombrichi raccolti in suoli:
Cu
Pb
Non contaminati
Sb
Contaminati
Zn
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi
Piombo
4
3.09
mg/kg
3
2
1.43
1.36
1.16
1
0
Extra-urbane
Verdi cittadine
Peri-urbane
Pb lombrichi (mg/kg)
6
5
4
3
2
1
0
0
40
80
120
Pb[Pb]
(mg/kg)
tot Suolo
suolo
160
200
Urbane
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi
Cadmio
mg/kg
3
1.91
1.98
2.65
5
2.95
4
Cd lombrichi
4
2
1
0.5
Sb (mg/kg)
1
0.4
0.24
0.3
0.13
0.17
0.0
0.2
0.3
0.4
3
6
9
12
0.5
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1
Extra-urbane
0.1
1.0
0.52
Sb lombrichi
Antimonio
0.6
0.0
2
0
0
0.2
3
Verdi cittadine
0
Peri-urbane
Urbane
15
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi
Rame
30
25
Cu lombrichi
25
Cu (mg/kg)
30
20
15
10
15
10
5
5
0
1000
800
600
400
200
0
Zinco
0
15
30
45
60
75
90
1200
1000
Zn lombrichi
0
Zn (mg/kg)
20
800
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
I contenuti tissutali di Cu e Zn, seppur contaminanti, non mostrano significative
correlazioni con il contenuto totale nel suolo  regolazione fisiologica
Contenuto dei metalli pesanti nei lombrichi
6.53
2.5
5.56
6
mg/kg
3.0
4.10
4
2.65
mg/kg
8
Cobalto
1.83
2.18
1.93
2.0
1.5
0.5
0
0.0
Nickel
8
5.99
6.64
5.41
4
2
Uranio
0.15
5.88
0.12
mg/kg
mg/kg
2.25
1.0
2
6
Cromo
0.09
0.10
0.10
0.07
0.07
0.06
0.03
0.00
0
Extra-urbane
Verdi cittadine
Peri-urbane
Urbane
Le concentrazioni degli elementi geogenici nei lombrichi non mostrano
significative differenze in relazione al settore di campionamento
Ruolo delle frazioni
nell’assorbimento
dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Esiste una relazione tra la disponibilità dei metalli
stimata tramite il frazionamento chimico ed il
bioaccumulo nei lombrichi?
Sono state definite le correlazioni tra i contenuti dei
metalli nei tessuti dei lombrichi e quelli nelle singole
frazioni (solubile, estraibile, riducibile ed ossidabile)
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Elemento
Cd
Co
Cr
Cu
Ni
Pb
Sb
U
Zn
Solubile
0.683 **
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
0.614 *
Estraibile
0.606 *
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
0.518 *
0.765 **
n.s.
0.736 **
Riducibile
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
0.516 *
0.807 **
n.s.
0.761 **
Ossidabile
n.s.
n.s.
n.s.
0.839 **
n.s.
0.514 *
0.750 **
n.s.
0.796 **
• Cd nei lombrichi è correlato con il contenuto nelle f. solubile ed estraibile
(elemento più mobile nel suolo)
• Pb, Sb e Zn nei lombrichi sono correlati con i rispettivi contenuti nelle f.
estraibile, riducibile ed ossidabile
• Cu nei lombrichi è correlato con il contenuto nella f. ossidabile (elemento
maggiormente associato alla sostanza organica)
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
LE CORRELAZIONI SIGNIFICATIVE RIGUARDANO
SOLO I METALLI CONTAMINANTI DEL SUOLO
(Cd, Cu, Pb, Sb, Zn)
IL MODELLO DI FRAZIONAMENTO DEI METALLI
NEL SUOLO INFLUENZA L’ASSORBIMENTO
DA PARTE DEI LOMBRICHI
I CONTENUTI CORPOREI DEI METALLI NON
DIPENDONO DA UNA SINGOLA FRAZIONE
MA DAL CONTRIBUTO DI PIÙ FRAZIONI
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Sono state valutate le correlazioni tra i contenuti corporei dei
metalli e quelli in specifici pool disponibili:
• effettivamente disponibile
frazioni più mobili: S f. solubile + estraibile
• potenzialmente disponibile
frazioni potenzialmente mobilizzabili per variazioni delle
condizioni redox: S f. riducibile + ossidabile
• bioaccessibile
frazione di un elemento presente nel cibo o nel suolo ingerito e
che viene resa disponibile per l’assorbimento nel tratto gastrointestinale degli organismi: S f. solubile + estraibile +
riducibile + ossidabile
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Modello
2
R
Pool effettivamente disponibile
(F. solubile + estraibile)
Modello
2
R
Pool potenzialmente disponibile
(F. riducibile + ossidabile)
Modello
2
R
Pool bioaccessibile
(F. solubile + estraibile + riducibile + ossidabile)
[Cd]Ew = 8.01 [Cd]S sol+ext + 1.37
0.82
[Cd]Ew = 14.83 [Cd]S red+oxi + 1.5 0.53
[Cd]Ew = 6.21 [Cd]S sol+ext+red+oxi + 1.36
0.58
[Pb]Ew = 1.53 [Pb]S sol+ext + 0.93
0.64
[Pb]Ew = 0.02 [Pb]S red+oxi + 0.89
0.81
[Pb]Ew = 0.02 [Pb]S sol+ext+red+oxi + 0.77
0.90
[Sb]Ew = 1.16 [Sb]S sol+ext + 0.12
0.61
[Sb]Ew = 0.61 [Sb]S red+oxi + 0.15
0.79
[Sb]Ew = 0.37 [Sb]S sol+ext+red+oxi + 0.13
0.86
[Cu]Ew = 8.82 [Cu]S sol+ext + 13.73
0.22
[Cu]Ew = 0.46 [Cu]S red+oxi + 12.1 0.50
[Cu]Ew = 0.45 [Cu]S sol+ext+red+oxi + 12.1
0.52
[Zn]Ew = 36.9 [Zn]S sol+ext + 486
0.47
[Zn]Ew = 5.57 [Zn]S red+oxi + 479
[Zn]Ew = 5.3 [Zn]S sol+ext+red+oxi + 467
0.55
0.51
Per gli elementi geogenici non sono state trovate correlazioni in quanto i
loro contenuti nel suolo sono in un ristretto intervallo di valori
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Per i lombrichi, la f. biodisponibile varia in funzione del metallo
 Cadmio: è rappresentata dal pool effettivamente disponibile
(S f. sol + f. est)
 Piombo e Antimonio: è rappresentata dal pool bioaccessibile
(S f. sol + f. est + f. rid + f. oxi)
Per questi metalli la biodisponibilità “biologica” è confrontabile
con la disponibilità “chimica”
I contenuti corporei di Cd, Pb e Sb nei lombrichi sono efficaci
per stimare la loro biodisponibilità nel suolo
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
 Rame e Zinco: la biodisponibilità “biologica” non concorda
con la disponibilità “chimica”  non è possibile stabilire quale
pool rappresenta la f. biodisponibile per i lombrichi
I contenuti corporei di Cu e Zn non sono idonei per stimare
la loro biodisponibilità nel suolo
Regolazione fisiologica
Considerazioni
conclusive
Considerazioni conclusive
La valutazione del pool biodisponibile degli elementi chimici
nel suolo è un argomento importante ma complesso, in quanto
influenzato da numerosi fattori, sia abiotici che biologici
I lombrichi possono essere utilizzati come bioindicatori per
stimare la biodisponibilità di alcuni metalli pesanti nel suolo
(Cd, Pb e Sb), mentre i meccanismi fisiologici che regolano i
contenuti corporei di Cu e Zn, non permettono la valutazione
del loro pool biodisponibile
Considerazioni conclusive
La disponibilità stimata con metodo chimico (frazionamento) non
sempre concorda con la biodisponibilità valutata con metodo
biologico (bioaccumulo), ed entrambi i metodi mostrano vantaggi
e svantaggi
Il metodo chimico risulta appropriato per valutare la mobilità ed
il frazionamento degli elementi nel suolo, tuttavia è limitato sia
perché le frazioni sono definite in modo operativo piuttosto che
funzionale  strettamente dipendente dal protocollo utilizzato,
sia a causa delle complesse interazioni tra suolo, metalli e biota
Il metodo biologico è utile a stimare il pool biodisponibile di un
elemento indipendentemente dal frazionamento, ma può essere
influenzato dalle caratteristiche eco-fisiologiche dell’organismo 
non è possibile valutare la biodisponibilità di tutti i metalli nel
suolo utilizzando un’unica specie target
Considerazioni conclusive
Allo scopo di ottenere risultati confrontabili nonché una migliore
comprensione degli effetti dei contaminanti sulla fauna del suolo,
sarebbe necessario:
• una maggiore unificazione e standardizzazione delle varie
procedure di estrazione chimica
• definire linee guida per valutare la frazione biodisponibile dei
diversi contaminanti nel suolo utilizzando specifiche specie
bersaglio
Traffico veicolare e metalli pesanti
In molte aree urbane il traffico veicolare rappresenta una delle
principali fonti di immissione di metalli pesanti nell’ambiente.
In particolare Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb e Zn, provengono
essenzialmente da:
• Gas di scarico dei veicoli
• Deterioramento e consumo delle
componenti dei veicoli (pneumatici,
olio, freni, frizioni, carrozzeria)
• Abrasione del manto stradale
Contenuto totale degli elementi nel suolo
Negli studi geochimico-ambientali il contenuto totale
degli elementi chimici nel suolo:
definisce il livello
della contaminazione
non permette di valutare il
comportamento geochimico
ed il rischio ambientale
Per ovviare a questa lacuna è utile valutare mobilità e
biodisponibilità degli elementi nel suolo
Materiali & metodi
In laboratorio i campioni di suolo e gli esemplari di lombrico
sono stati preparati seguendo protocolli standard
Campioni di suolo: essiccati in stufa a 30°C, setacciati a 2 mm,
polverizzati e solubilizzati mediante attacco acido (0.2 g di suolo
con HNO3, HCl, HF e HClO4)
Determinazione
dei
contenuti
dei
metalli
pesanti:
spettrometria di massa accoppiata al plasma induttivo (ICP-MS)
Step
Frazione
Reagente/i
A
SOLUBILE in acqua
5 g suolo : 10 mL Acqua ultrapura
B
C
D
E
ESTRAIBILE
(assorbita ai mineralli argillosi)
RIDUCIBILE
(associata agli ossidrossidi di Fe e Mn)
OSSIDABILE
(associata alla sostanza organica)
RESIDUALE
(nella struttura dei minerali)
1 g suolo : 40 mL Acido acetico 0.11M
40 mL Idrossilammina cloroidrata 0.5M
20 mL Perossido di idrogeno 8.8M
+ 50 mL Acetato di ammonio 1M
HNO3 + HCl + HF + HClO4
Condizioni operative
Agitazione per 1 h a
temperatura ambiente
Agitazione per 16 h a
temperatura ambiente
Agitazione per 16 h a
temperatura ambiente
Riscaldamento a +85°C per 2 h
Agitazione per 16h
Solubilizzazione in
digestore a microonde
Materiali & metodi
I lombrichi appartengono alla specie Nicodrilus caliginosus
(Savigny), una delle più diffuse nell’area di studio
Vivono in pascoli, boschi ed in ambienti modificati
dall’intervento umano, in gallerie orizzontali scavate nei primi
20-25 cm del suolo
In laboratorio: sciacquati con acqua
deionizzata, spurgati per 96 h, congelati a
-80°C, liofilizzati e solubilizzati tramite
attacco acido con HNO3 e H2O2
Livello e distribuzione degli elementi in traccia nel suolo
Al fine di quantificare il livello di contaminazione di ciascun
elemento nel suolo:
1. è stato determinato il background locale (intervallo di
variabilità naturale) utilizzando i valori min e max del
contenuto totale dei suoli extra-urbani
2. è stato usato il Fattore di Arricchimento (FA) come indice
dell’apporto antropico
FA =
contenuto totale nel suolo
valore max del background
In base al valore del Fattore di Arricchimento gli elementi sono
stati suddivisi in contaminanti e non contaminanti
Ruolo delle frazioni del suolo nell’assorbimento dei metalli pesanti
da parte dei lombrichi
Contenuto
corporeo nei
lombrichi
Pb
Frazione
(bio)disponibile
nel suolo
Pool biaccessibile
(S f. sol + f. est +
f. rid + f. oxi)