78446 - INQUINANTI NEL SISTEMA SUOLO - ACQUA - PIANTA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito le competenze per valutare, analizzare e, in linea teorica, prevedere i principali processi autodepurativi attuati dal sistema suolo-pianta nei confronti di inquinanti organici e inorganici tramite processi ritentivi e degradativi. In particolare, lo studente sarà in grado di: - correlare il comportamento degli inquinanti nel sistema suolo-pianta in funzione delle caratteristiche chimico-fisiche degli stessi e del terreno considerato; - relazionare su specifiche tematiche inerenti il comportamento di inquinanti nel sistema suolo-pianta; - effettuare una lettura critica di pubblicazioni scientifiche inerenti la valutazione e la previsione dei fenomeni di inquinamento del suolo e delle acque.

Contenuti

L'insegnamento si articola in 2 unità didattiche: didattica frontale e didattica integrativa.

La didattica frontale è finalizzata alla comprensione dei meccanismi chimico-fisici e biologici che influenzano la persistenza degli inquinanti organici e inorganici nel suolo, nelle acque e nella pianta e che ne fanno prevedere il loro destino nell’ambiente. Le conoscenze acquisite durante le ore di didattica frontale sono propedeutiche alle attività di didattica integrativa.

La didattica integrativa ha la funzione di consolidare le informazioni apprese durante le ore di didattica frontale, favorire i rapporti interpersonali tra gli studenti, migliorare la comunicazione in ambito tecnico-scientifico e aumentare la consapevolezza che le informazioni apprese possono essere messe al servizio della comunità. Lo studente viene invitato ad affrontare una problematica di inquinamento ambientale per la quale è chiamato ad organizzare e rielaborare le nozioni apprese durante le ore di didattica frontale per proporre soluzioni (approccio problem-solving) prima all’interno di gruppi di lavoro, poi come portavoce del gruppo.

1. Didattica Frontale (36 ore)

1.1. Adsorbimento di inquinanti sulle componenti del suolo (10 ore)

1.1.1 Caratteristiche del suolo e adsorbimento degli inquinanti. Introduzione al corso e alla verifica di apprendimento. Definizione di inquinante e principali inquinanti ambientali. Equilibri di ripartizione di inquinanti tra i principali comparti ambientali. Tessitura: struttura dei fillosilicati di tipo espandibile e non-espandibile e adsorbimento, caratteristiche nucleofile della cavità silossanica dei fillosilicati espandibili, sostituzioni isomorfe e stato di idratazione sull'adsorbimento di inquinanti organici e inorganici. Sostanza organica del terreno e adsorbimento. Adsorbimento su ossidi e idrossidi del suolo. Diagramma di stato di ematite e gibbsite. Adsorbimento degli inquinanti in funzione del pH del suolo.

1.1.2 Caratteristiche dell'inquinante e adsorbimento al suolo. Caratteristiche chimico-fisiche: Solubilità, tensione di vapore, costante di Henry, coefficiente di ripartizione n-ottanolo-acqua (Kow), coefficiente di ripartizione suolo-acqua (Kd), costante di dissociazione acida o basica, effetto della carica dell'inquinante sull'adsorbimento.

1.1.3. Effetti macroscopici dell'adsorbimento di inquinanti al suolo. Isoterme di adsorbimento e desorbimento: tecnica batch e su colonna. Reversibilità e irreversibilità dell'adsorbimento. Termodinamica dell'adsorbimento.

1.1.4. L'adsorbimento a livello molecolare. Meccanismi di adsorbimento: Interazioni di van der Waals, legame idrofobico. Adsorbimento come processo cooperativo. Legame a idrogeno. Protonazione. Scambio cationico. Ponte cationico, Ponte ad acqua. Scambio anionico. Scambio di legante.

1.2. Degradazione di inquinanti nel suolo e nelle acque (8 ore)

1.2.1. Degradazione abiotica. Energia potenziale dell'adsorbimento reversibile e irreversibile: adsorbimento e degradazione abiotica. Caratteristiche del suolo che influenzano la degradazione: complessi di adsorbimento a sfera esterna e interna. Sostituzioni isomorfe e degradazione. Degradazione idrolitica pH-catalizzata in fase eterogenea e omogenea. Processi fotolitici: fotolisi diretta e diagramma di Jablonsky, fotolisi indiretta. Degradazione catalizzata da biossido di titanio: la potabilizzazione dell'acqua.

1.2.2. Degradazione biotica. Definizione e caratteristiche. Proprietà chimico-fisiche dell'interfaccia suolo-radice: Gradienti rizosferici: pH, nutrienti, potenziale redox, essudati, attività microbica, attività enzimatiche. Influenza della rizosfera sulla struttura minerale del suolo. Caratteristiche del suolo che influenzano la degradazione biotica. Degradazione microbica: tipo diretto e tipo indiretto. Reazioni di ossidazioni, idrolisi e riduzione. Letti biologici.

1.3. Metalli pesanti ed Elementi Potenzialmente Tossici (8 ore)

1.3.1. I metalli nel sistema suolo-acqua-pianta. Metalli e metalli pesanti. Speciazione dei metalli nel suolo. Metalli nella soluzione circolante del suolo (ioni liberi, paia ioniche, complessi metallorganici). Disponibilità dei metalli in funzione del pH. Effetto della sostanza organica disciolta sul trasporto dei metalli a distanza e nei corpi idrici. Metalli e potenziale redox. Fitoestrazione in presenza di chelanti. Tossicità dei metalli pesanti: rame, zinco, arsenico, cadmio, nichel, piombo.

1.3.2. Piogge acide. Formazione, evoluzione ed effetti sul sistema suolo-pianta. Acidificazione e potere tampone del suolo (fasi carbonatiche, sostanza organica, le basi di scambio). Alluminio mobile: condizioni di formazione ed effetti sull’apoplasto.

1.4. Inquinamento del sistema suolo-acqua e contaminazione vegetale (10 ore)

1.4.1. Generalità sull'inquinamento. Indice GUS (Groundwater Ubiquity Score). Misure di contenimento dell'inquinamento dei suoli e corpi idrici. Normative vigenti in materia di inquinamento di suoli e acque. Tecniche di decontaminazione a basso impatto ambientale: Tecniche chimico-fisiche, scambio cationico, compostaggio, fitorimedio.

1.4.2. Assorbimento vegetale di inquinanti organici. Ingresso dei contaminanti nella pianta: Modelli previsionali di uptake. Fitostabilizzazione: Fattore di concentrazione alla radice e Kow dell'inquinante. Fitodegradazione: fattore di concentrazione nel flusso traspiratorio e Kow dell'inquinante. Traslocazione di contaminanti acidi nella pianta: Teoria della trappola ionica. Fitotrasformazione enzimatica: Fase I (ossidazioni, idrolisi, riduzioni), Fase II (coniugazione con biomolecole a basso peso molecolare), Fase III (coniugazione con biomolecole ad alto peso molecolare). Fitovolatilizzazione.

1.4.3. Le plastiche nel sistema suolo-acqua-pianta. Produzione. Destino ambientale. Effetto sulle caratteristiche del suolo (umidità, contenuto di sostanza organica, carica microbica). Interazione tra microplastiche e altri inquinanti nel suolo e nelle acque. Le plastiche nella pianta.

2. Didattica integrativa (24 ore)

L’attività didattica integrativa affronterà i seguenti casi studio:

• 2.1. Distribuzione delle deiezioni zootecniche sui suoli agricoli: antibiotici, antibiotico resistenze, nitrati ed emissioni maleodoranti. Possibili interventi per minimizzare i problemi ambientali e sociali associati a queste pratiche ammendanti.
• 2.2. Le zone umide per la raccolta e depurazione di acque reflue provenienti da aziende agrarie. Funzioni e operatività. Abbattimento di pesticidi, azoto e fosforo. Modellizzazione del processo di abbattimento con validità predittiva.
• 2.3. Plastiche, bioplastiche, micro e nano-plastiche nei suoli agrari. Chi sono, come si producono, come analizzarle e quantificarle. Possibili interventi per minimizzare i problemi ambientali e di minore produzione derivanti dalla presenza delle plastiche nei suoli.

Ogni caso studio si compone delle seguenti attività:

(1) Seminario introduttivo alla problematica. Il seminario può essere tenuto dalla docente, da suoi collaboratori alla ricerca o da esperti/tecnici del settore.

(2) Gli studenti verranno invitati a formare due gruppi. Ogni gruppo consulterà 1 report scientifico (review) relativo alla problematica considerata e un portavoce per gruppo dovrà informare la classe sul contenuto del report e sulle osservazioni nate all’interno del gruppo.

(3) Presentazione di possibili soluzioni fornite dalla letteratura e da risultati ottenuti dalla docente all’interno di progetti dedicati ai casi studio sopra menzionati. Discussione aperta agli studenti.

(4) Attività di laboratorio mirate alla estrazione e quantificazioni di inquinanti di interesse ambientale da suolo, acqua e pianta.

Testi/Bibliografia

Tavola periodica degli elementi.

Le slide proiettate durante il Corso sono disponibili.

Si consiglia di prendere visione dei seguenti testi:
Agrofarmaci - Conoscenze per un uso sostenibile, Gruppo Perdisa Editore, II Parte (pg. 151-377). Il testo è messo a disposizione dalla docente.

Marschner H., Mineral Nutrition of Higher Plants. Academic Press, London, 1995. Chapter 15: The soil/root interface.

Metodi didattici

Didattica frontale:

Attraverso la somministrazione delle unità didattiche in aula lo studente acquisisce le conoscenze dei principali meccanismi di inquinamento e autodepurazione del sistema suolo-acqua-pianta, delle principali misure per la tutela della qualità dei terreni e corpi idrici e possibili tecniche di mitigazione dell'inquinamento. L'acquisizione delle conoscenze e la capacità di comprensione saranno costantemente monitorate, durante lo svolgimento delle lezioni frontali, attraverso una continua interazione tra docente e studenti che li vede coinvolti in attività di problem solving inerenti alla disciplina insegnata. L'interazione docente-studenti avrà anche lo scopo di promuovere lo sviluppo di autonomia di giudizio e migliorare le abilità comunicative.

Esercitazioni di laboratorio:

La preparazione dell'esercitazione di laboratorio prevede diverse fasi quali: la razionalizzazione di quella che è la finalità dell'esperimento; la conoscenza delle tecniche adottate per la sua conduzione; la manipolazione e il trattamento dei campioni da analizzare; la raccolta e l'elaborazione dei dati ottenuti; l'interpretazione dei dati finali alla luce delle conoscenze acquisite durante le lezioni frontali. Durante le esercitazioni saranno proposti alcuni scenari applicativi, all'interno dei quali lo studente (da solo o in gruppo) dovrà scegliere un programma di lavoro che seguirà lungo l'intera durata delle esercitazioni, e al termine delle quali dovrà produrre una relazione tecnica e una breve esposizione orale relative al lavoro svolto.

“In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede lo svolgimento di tutti gli studenti dei moduli 1 e 2 in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-e-tirocinio] e la partecipazione al modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.”

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento dell'insegnamento avviene attraverso la valutazione della relazione prodotta al termine delle esercitazioni di laboratorio e sarà completata con l'esposizione orale del lavoro svolto. In quella sede saranno anche poste alcune domande (esame orale) tese a verificare il livello di preparazione sulla parte teorica dell'insegnamento. Il voto finale deriverà dall'integrazione delle votazioni meritate nei due moduli che compongono il C.I. Qualità Chimica e Biochimica del Suolo. La verifica dell'apprendimento dovrà essere superata in modo globale ed è necessario che il candidato raggiunga la votazione di almeno 18/30 in ognuno dei due moduli (27561 e 27562). La valutazione finale sarà una media dei punteggi raggiunti in ciascuna delle 2 aree disciplinari.

Strumenti a supporto della didattica

Per la didattica frontale si utilizzeranno lavagna luminosa, PC, videoproiettore, lavagna e tavola periodica degli elementi.

Le esercitazioni di laboratorio avranno luogo nel laboratorio didattico di Chimica, Biochimica Agraria e Tecnologie Alimentari (Lab CBA) del Dipartimento di Scienze Agrarie (Università di Bologna).

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Ilaria Braschi