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Biomonitoring of Environmental Quality - Prof. S. Giordano

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Monitoraggio della qualità dell’aria con le
moss-bags: stato dell’arte ed applicazioni biotecnologiche
per standardizzare il metodo
Simonetta Giordano
Dipartimento di Biologia – UniNA Federico II
CIRAM Summer school - 10 luglio 2014
Life Ecoremed “La bonifica ecocompatibile dei suoli contaminati: metodologie e tecniche di monitoraggio”
Bioindicatori e metodi indiretti
•I bioindicatori sono organismi viventi
integratori di dati ambientali, sensibili agli
inquinanti (SO2, Nox, O3, IPA, Metalli pesanti,
Radionuclidi,...) che mostrano una
correlazione lineare tra sintomo ed emissioni
di inquinanti nell’ambiente.
•Attraverso determinate alterazioni osservabili
a livello cellulare, di organismo o di comunità
indicano alterazioni di parametri ambientali
Bioaccumulatori e metodi diretti
• Sono organismi viventi che tollerano e
accumulano elevate concentrazioni di
inquinanti (specialmente metalli e
metalloidi, IPA, radionuclidi)
• L’analisi chimica del contenuto di inquinanti
nei tessuti del bioaccumulatore, riferito a
condizioni normali di controllo, può fornire
utili indicazioni, spaziali e temporali, sulle
deposizioni di inquinanti
Biomonitoraggio…come?
•con organismi nativi
Utilizzando organismi vegetali che crescono
naturalmente sul territorio in esame durante
tutto l’anno
•con organismi trapiantati
Facendo ricorso a organismi vegetali
selezionati che vengono trapiantati nell’area
che si vuole studiare ed esposti per un
periodo di tempo definito
tallofite
licheni – muschi
I muschi hanno un elevato rapporto
superficie/massa
Le specie più utilizzate
Sphagnum sp.
Pseudoscleropodium purum
Hypnum cupressiforme
Hylocomium splendens
Sphagnum sp.
H. cupressiforme
P. schreberi
P. purum
H. splendens
Caratteristiche della parete dei muschi
I muschi hanno proprietà anfotere che dipendono dalla
dissociazione acido/base delle frazioni organiche protonate della
parete
Correlate a gruppi funzionali quali:
•carbossilici
•fosforici
•amminici
•polifenolici.
E’ importante notare che molti muschi, e Sphagnum in
particolare, hanno una prevalenza di questi gruppi funzionali
rispetto a tutte le altre superfici biologiche studiate.
Hypnum cupressiforme
Sphagnum capillifolium
…trapiantato in bags
RETE MONITORAGGIO DI NAPOLI - ARPA CAMAPANIA
8
N
Eastern
district
1
7
6
2
5
Central
district
railway
station
9
3
oil refineries,
combustible
deposits
Western
district
Tram-way
Underground
train-line
4
NA1
NA2
NA3
NA4
NA5
Osservatorio Santobono I Policlinico Sc.Silio Italico Sc. Vanvitelli
NA6
Museo
NA7
Ferrovie
Monitoraggio strumentale:
cosa si misura? quanti punti misura a Napoli?
NO2
CO
PM10
SI quantità
NO composizione PM2.5
O3
Benzene
9/9
4/9
9/9
1/9
8/9
3/9
PM aderente alla
superficie di un
muschio
GESSO
SILICATI
Feldspati
Phyllipsite
HALITE
PM directly collected from engine exhausts
Iron particles (agglomerates)
Fattori di accumulo e tendenze temporali
 A Napoli i siti posizionati lungo la costa o su strade
ad elevato traffico veicolare sono quelli più inquinati
Vari fattori concorrono:
•Venti prevalenti (SW, SE)
•Aerosol marini
•Traffico veicolare
•Attività del porto
•Ri-sospensione di particelle del suolo
•Presenza di street canyon
Nel periodo 1999-2006 c’è stata una generale
diminuzione degli elementi in traccia aerodiffusi
specialmente Cd, Fe, Pb, Ni, V
E’ importante la vitalità?
• Muschi e licheni esposti:
•
•
•
•
dopo lavaggio in H2O (vivi)
dopo devitalizzazione con calore (morti)
Confronti con materiali sintetici
Confronti in diverse condizioni
metereologiche
• Muschi morti > licheni vivi > filtri
Creating and testing a new biotechnological tool for
controlling the air quality based on: use of a devitalized moss
clone as passive contaminant sensor
Kick-off Meeting
10th and 11th of May (2012)
Santiago de Compostela
www.mossclone.eu
Obiettivi del progetto Mossclone
• 1) selection and culture of a moss clone;
• 2) characterization -molecular, physical, physical-chemical and
multi-elemental- of the cultivated clone;
• 3) large-scale production of moss-bags for transplants;
• 4) to do a methodological standardization to develop a
protocol for using moss-bags;
• 5) comparison between the data collected using moss-bags
and traditional techniques (i.e. bulk deposition collectors,
particles samplers and gaseous samplers) to allow tool
validation;
• 6) to develop a method for identification of pollution focus.
Mosses in axenic in vitro culture
• Pleurocarpous species:
–
–
–
–
–
Rhynchostegium murale
Brachythecium rutabulum
Hylocomium splendens
Pseudoscleropodium purum
Hypnum cupressiforme*
• Sphagnum palustre*
Mechanical disruption of S. palustre
• S. palustre protonemata
transferred to liquid culture
• Cultivation for three weeks
• Mechanical disruption via
Ultraturrax
day 0
day 10
s c e l to p e r e s s e r e c o l t i v a to s u l a r g a s c a l a
The clone of S. palustre by ESEM
Leaf: abaxial surface
Average weight :
3.5 mg
Leaf: adaxial surface
Native S. palustre by ESEM
Leaf: abaxial surface
Average weight :
14 mg
Leaf: adaxial surface
hyalocyst
chlorocyst
Field leaf section:
Hy Thickness µ 30-50
Ch Thickness µ 19-30
Wideness ratio Hy/Ch= ≥5
Clone leaf section:
Hy Thickness µ 25-30
Ch Thickness µ 12-18
Wideness ratio Hy/Ch= ~2
Cucullate leaf in native S. palustre
Not cucullate leaf in S. palustre clone
TEM
Standardization assay
Ba
Ball
Sphere
Shape effect
(3 replicates each shape x 3
weeks)
2 mm mesh
30 mg/cm2 = 11,40g
Weight effect (3 weeks exposure)
Mesh effect
( 3 replicates each tipe x 3 weeks)
15 mg/cm2 = 5,70 g (3 replicates)
30 mg/cm2 = 11,40 g (3 replicates)
45 mg/cm2 = 17,11 g (3 replicates)
4 mm
Height effect ( 3 weeks exposure)
H1  4 m (3 replicates)
H2  7 m (3 replicates)
H3  10 m (3 replicates)
2 mm
Exposure Time effect
3 weeks (3 replicates every 3 weeks x 4 times)
6 weeks (3 replicates every 6 weeks x 2 times)
12 weeks (3 replicates for 12 weeks x 1 time )
1 mm
Action C2a
Standardization assay conclusions
•
•
•
•
•
•
MESH, 1, 2, 4 mm = NO significant differences
HEIGHT, 4, 7, 10 m = NO significant differences
TIME, 3, 6, 12 w = 6 best
SHAPE : B>S=F
WEIGHT, 15, 30, 45 mg/cm2 = 15
Conclusion: sphere, mesh 2mm, filled with 15
mg/cm2 Sphagnum palustre clone, 6 weeks,
4m height.
LIFE11/ENV/IT/275
Implementation of eco-compatible protocols for agricultural soil
remediation in litorale Domizio-Agro Aversano NIPS
AZIONE C2a
Biomonitoraggio dell'inquinamento
atmosferico mediante trapianti di
muschio
 Il 3 marzo 2014 ha avuto inizio la campagna di
biomonitoraggio della qualità dell’aria mediante
impiego del muschio Hypnum cupressiforme Hedw.
trapiantato in bags (Figura 1).
 La campagna di biomonitoraggio interessa 5 comuni del
SIR “Litorale Domitio Agro Aversano”: Acerra, Casal Di
Principe, Giugliano, Maddaloni e Teverola (Figura 2).
 In ciascun comune i muschi sono stati esposti
contemporaneamente in aree agricole e urbane, ad
un’altezza dal suolo di circa 4 m (Figura 3 a-b).
 La campagna di biomonitoraggio ha avuto una durata di
6 settimane.
 A fine esposizione nei muschi sarà determinato
l’accumulo di metalli e metalloidi e di idrocarburi
policiclici aromatici (IPA).
“minibag”
mg muschio /cm2 superficie bag = ~10 mg/ cm2
Figura 1. Moss bags
12.1km
Teverola
Maddaloni
Casal di Principe
Acerra
Giugliano
Figura 2. Siti di esposizione
dei muschi nei comuni del
Area di studio
Figura 3b. Moss bags impiegate
per il monitoraggio
degli IPA
Bags per monitoraggio
IPA
Espositore
sito agricolo
Esempio di esposizione:
sito in
Agricolo
1 di Acerra
Oven drying: 50°C/24 h
Mill: Retsch PM100 – planetry mill, jar and
balls of zirconium oxide
Program used: 600 rpm/12’ (turn changing
after 8’ )
Storage: PVP Falcon flask 50 ml
CHEMICAL ANALYSES FOR METALS AND
METALLOIDS: IN PROGRESS!
conclusioni
• La standardizzazione del metodo delle moss bags
consentirà di confrontare direttamente gli
accumuli in siti diversi e quindi di valutare
situazioni di sospetta alterazione ambientale
anche dove non è presente una rete di
monitoraggio fisico-chimica
• Standardizzazione di:
 Matrice muscinale (clone di Sphagnum paluste)
 Metodo di esposizione (“mossphere”,4 m, 6 wk)
 Analisi chimiche
 Analisi e rappresentazione dei dati
Grazie !
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