La biotecnologia ambientale

La biotecnologia ambientale

Di pari passo con l'intensificarsi dei processi di inurbamento e di industrializzazione presso tutte le società, cresce nel mondo intero l'interesse per le condizioni in cui oggi versa l'ambiente, e per la qualità di ciò che lasceremo in eredità alle generazioni future. La produzione di rifiuti tende ad aumentare al crescere dello sviluppo economico, pertanto la massiccia immissione di sostanze chimiche tossiche nell'aria, è una delle principali conseguenze dell'inquinamento ambientale.

Le comunità microbiche influiscono sulla nostra esistenza quotidiana in molti modi, ma il più importante è sicuramente la depurazione dei rifiuti solidi, delle acque e del suolo. Il flusso regolare di sostanze ed energia in tutti gli ecosistemi della Terra, dipende, infatti, in larga misura, proprio dalle immense e molteplici capacità metaboliche con cui la vastissima gamma delle specie microbiche trasforma le sostanze organiche ed inorganiche (biodegradazione).   Spesso si attribuisce al termine "biodegradabile" il significato di "innocuo per l'ambiente", ma questo non è sempre vero; il più delle volte, in effetti, le prove di biodegradabilità vengono condotte in condizioni che favoriscono l'attività microbica, condizioni che in natura non si verificano facilmente.

Nelle comunità rurali il riciclaggio dei rifiuti umani, animali e vegetali, è una pratica antichissima che spesso ha prodotto ottimi concimi o combustibili. Sono stati, oggi, messi a punto, molti sistemi che vanno dai pozzi neri, le fosse settiche e i depuratori, agli impianti a letto di ghiaia, i filtri a percolazione, o i fanghi attivi, associati a processi di digestione anaerobica. Gli scopi principali di questi sistemi (o bioreattori), sono la riduzione dei rischi per la salute pubblica e l'abbattimento dei composti organici ossidabili tramite processi biologici, con produzione finale di un effluente, o scarico, che può essere immesso nell'ambiente senza effetti nocivi. Naturalmente l'efficienza dei bioreattori dipende dalla versatilità metabolica di popolazioni microbiche miste (presenti al loro interno).   Per quanto riguarda i rifiuti solidi, uno dei sistemi di trattamento più diffusi è la discarica controllata, una tecnica di interramento a fermentazione anaerobica che comporta bassi costi. I rifiuti solidi vengono stoccati in avvallamenti situati in terreni di scarso valore. I materiali scaricati ogni giorno, vengono compressi e ricoperti da uno strato di terra. Se gestite in modo improprio, queste discariche possono causare gravi forme di inquinamento da metalli pesanti, da inquinanti altamente tossici e da prodotti della decomposizione anaerobica, i quali, filtrando dalla discarica nelle acque sotterranee, possono arrivare a inquinare le falde idriche che forniscono acqua alla città. Il prodotto che si ottiene è il metano.

IL COMPOST Trattasi di un processo di fermentazione aerobico, che converte i rifiuti solidi organici in un materiale stabile, igienicamente sicuro e simile all'humus, la cui massa ha subito una notevole riduzione, e può essere nuovamente immessa nell'ambiente in tutta sicurezza. Il compostaggio è un processo di fermentazione che avviene su substrato solido. Di questi, i più utilizzati sono: i chicchi di cereali, semi di legumi, crusca di grano, materiali lignocellulosici come la paglia, la segatura e i trucioli di legno. Nelle fermentazioni in questione, la componente microbica può consistere in monocolture pure, in colture miste di vari microrganismi noti, o in colture miste composte da comunità microbiche indigene (Agaricus in primis, ma anche Lactobacilli, Aspergillus e Penicillium). Il compostaggio avviene in un letto compatto di particelle solide nel quale crescono e si riproducono i microrganismi in esso già presenti. La libera circolazione dell'aria è un requisito essenziale per il processo. I substrati di partenza vengono accatastati in pile statiche o aerate, in tunnel coperti o in bioreattori rotanti (a tamburo o a cilindro). A volte può essere necessario un qualche tipo di pre-trattamento, come la triturazione e lo sminuzzamento dei materiali, per ridurre le dimensioni delle particelle.

La reazione biologica fondamentale del compostaggio consiste nell'ossidazione dei composti organici mediante l'ossigeno, così da ottenere CO₂, acqua e altri sottoprodotti organici.

Il livello di umidità deve essere compreso fra il 45% e il 60%, altrimenti l'ambiente diventa sfavorevole alla colonizzazione microbica. I materiali organici solidi sono solubilizzati lentamente dagli enzimi esogeni secreti dagli agenti della fermentazione; questa reazione viene perciò considerata un fattore limitante la produttività. La cellulosa e la lignina sono abbondantemente presenti nella maggioranza dei rifiuti solidi; un elevato contenuto di lignina ostacola la biodegradazione, la lignina è particolarmente resistente alla decomposizione, perciò viene degradata solo parzialmente, e in molti casi può impedire la demolizione di altre sostanze che altrimenti verrebbero facilmente decomposte.

L'applicazione della biotecnologia al campo della gestione di questi rifiuti, o inquinanti rischiosi, ha portato allo sviluppo di sistemi fondati su biocatalizzatori per degradare, detossificare o accumulare le sostanze contaminanti. L'utilizzo di agenti biologici, in particolare microrganismi, nel trattamento degli inquinanti, si è concretizzato soprattutto in interventi di risanamento ambientale. Il biorisanamento si fonda su un principio di ottimizzazione delle condizioni ambientali, in modo che i processi naturali di degradazione microbica possano avvenire con la massima rapidità e la massima efficienza possibili. Il biorisanamento è basato sulla stimolazione della crescita microbica in situ, mediante l'addizione di sostanze nutritive; oppure nel prelievo di campioni di microrganismi dal sito inquinato, arricchendo la miscela microbica; o ancora, modificando con l'ingegneria genetica ceppi di microrganismi, dotandoli della capacità di degradare inquinanti organici che allo stato naturale non sono in grado di attaccare.