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Impiego della canapa nella fitodepurazione da metalli pesanti A. Ciurli, A. Alpi e P. Perata1 Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie - Università degli Studi di Pisa, Via Mariscoglio 34, 56124 Pisa 1 Dipartimento di Scienze Agrarie - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, Via Kennedy 17, 42100 Reggio Emilia RIASSUNTO È stata effettuata l’analisi di germinazione ed individuato il tempo medio di germinazione di semi di Cannabis sativa var. Fibranova. La percentuale di germinazione è stata studiata inoltre in presenza di sali di zinco: solfato di zinco, ZnSO 4 , nitrato di zinco, Zn (NO 3 ) 2 e cloruro di zinco, ZnCl 2 , usando concentrazioni 0 (controllo), 0.05, 0.1, 0.2, e 0.4 M, e per ogni sale, sia in presenza di luce sia al buio. È stato messo a punto un sistema di coltivazione della canapa in coltura idroponica, in condizioni di crescita controllate, dopo la sua germinazione nel terreno. La percentuale di germinazione dei semi è circa del 18%, a causa della presenza di numerosi semi malformati e morti. La pianta invece si adatta bene alla crescita in coltura idroponica e non presenta “shock” da trapianto dopo il trapianto dal terreno all’idroponica stessa. Per evidenziare una soglia di tossicità al metallo, quando le piante avevano raggiunto un’altezza di 30 cm, la soluzione nutritiva dell’idroponica veniva sostituita con una soluzione nutritiva contenente gli stessi sali di Zn delle prove di germinazione, rispettivamente alle concentrazioni 0.0 (controllo), 0.05, 0.1, 0.2 e 0.4 M. Sono stati evidenziati danni sulle piante alle diverse concentrazioni di sali di zinco ed individuata una soglia di tolleranza della canapa ai sali di zinco nel terreno. Parole chiave: canapa, metalli pesanti, fitodepurazione, coltura idroponica ABSTRACT Use of hemp for phytoremediation of soil metals Germination analyses were carried out for seeds of Cannabis sativa variety “Fibranova” and the relative average germination time was determined. Germination percentage was also studied in the presence of zinc salts such as zinc chloride (ZnCl 2 ) zinc sulphate (ZnSO 4 ), zinc nitrate (Zn(NO 3 ) 2 ) at the following concentrations: 0.0, (control), 0.05, 0.1, 0.2, 0.4 M, both in light and dark. We established a cultivation system in hydroponics culture for Cannabis plants in controlled growth chamber, after seed germination in soil. The aim of the present research was to evaluate the tolerance of Cannabis to zinc salts for restoration of soil metals. Although we observed a scarce adaptability of Cannabis to zinc salts in the hydroponics cultivation system, we chose this growth method because of the need to obtain a repeatable experiment, regardless of soil composition, intrinsically variable. Germination percentage of Cannabis sativa seeds was about 18%, because of the presence of several deformed, broken, empty and dead seeds. On the contrary, the plants adapted to hydroponics culture condition grew very well and did not present transplantation shock from soil to the hydroponics. When the plants reached a height of 30 cm, the nutritive solution was replaced with another containing zinc salts at: 0.0 M, (control), 0.05 M, 0.1 M, 0.2 M, 0.4 M. The toxic effects of the different salts were evaluated and a tolerance threshold for zinc toxicity plant growth was determined. The obtained results demonstrate a low tolerance of hemp to the presence of ZnCl 2 in hydroponics cultivation (< 0.1 M), whereas the same concentration appears to be well tolerated by Cannabis grown in soil. Key words: hemp, heavy metal, phytoremediation, hydroponics cultivation. INTRODUZIONE La tecnica che prevede l’utilizzazione di piante per il trattamento di suoli contaminati e acque reflue inquinate, nota con il termine di “fitodepurazione”, è un processo di recente sviluppo che si sta imponendo come Autore corrispondente: Perata P. - Dipartimento di Scienze Agrarie - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, Via Kennedy 17, 42100 Reggio Emilia, Italia - Tel. (0522) 383232 - Fax (0522) 304217 - E-mail: perata.pierdomenico@unimo.it. Lavoro svolto con finanziamento MiPAF nell’ambito del Progetto “Canapa per fibra tessile: dalla produzione alla utilizzazione”. 64 Agroindustria / Aprile 2002 una soluzione efficace, a basso impatto ambientale ed applicabile ad una ampia gamma di situazioni dove i sistemi tradizionali appaiono onerosi e di difficile gestione. Questa nuova tecnologia risulta molto vantaggiosa anche per la notevole abilità delle piante ad estrarre sequestrare e/o detossificare inquinanti presenti nel terreno o nelle acque (Meagher, 2000). Sebbene il termine fitodepurazione attribuisca una funzione predominante all’azione delle piante, in realtà il processo è molto più complesso e si basa sull’azione svolta da alcune specie vegetali sul refluo da depurare in stretta connessione con i batteri presenti nella rizosfera e nel suolo (Salt et al., 1998). Sia negli Stati Uniti che in diversi Paesi Europei sono stati realizzati negli ultimi anni numerosi impianti per la fitodepurazione di reflui provenienti da un’ampia gamma di attività: trattamento secondario e terziario di reflui urbani, industriali, agricoli e zootecnici. Infine, da pochi anni, si stanno utilizzando organismi vegetali per la depurazione delle acque inquinate e/o eutrofiche tramite la ricostruzione di ecosistemi acquatici (constructed wetland), aventi la funzione di filtro biologico e di tampone delle acque scaricate dai processi civili, industriali ed agricoli (Mannini, 1997). La fitodepurazione si attua secondo diverse strategie di depurazione, infatti, la fitoestrazione (phytoextraction) prevede la estrazione dell’inquinante (ad esempio metalli pesanti) da parte della pianta, che tende ad accumulare l’inquinante stesso nei suoi tessuti. L’impiego di vegetali in grado di produrre una notevole biomassa è vantaggiosa in questo approccio. La fitoestrazione può essere ulteriormente suddivisa in “fitoestrazione indotta” e “fitoestrazione continua”: la distinzione è basata sulla necessità di aggiunta di un fattore chelante per indurre l’assorbimento del metallo pesante nel caso della fitoestrazione indotta, mentre la fitoestrazione continua si basa sull’impiego di piante tipiche di zone caratterizzate da terreni ricchi in metalli pesanti. Lo svantaggio di questo ultimo approccio è dato dal limitato tasso di crescita di tali piante, unita alla frequente incapacità di iperaccumulare metalli pesanti quali piombo, cadmio, arsenico ed uranio (Salt et al. 1998).Alla fitoestrazione si affiancano altri processi, come la capacità delle piante di “stabilizzare” un inquinante nel terreno (phytostabilization), di estrarlo e renderlo in seguito volatile (phytovolatilization), oltre alla capacità di alcune piante di degradare (phytodegradation) alcuni inquinanti (Pilon- Smits and Pilon, 2000; Salt et al., 1998).Inoltre, la pianta può, in particolari casi indurre la degradazione degli inquinanti da parte della microflora del terreno (phytostimulation). Attualmente la fitodepurazione di suoli contaminati da metalli pesanti rappresenta, tra i metodi di decontaminazione noti, quello a più basso costo. Tuttavia nella decontaminazione dei suoli da metalli, l’individuazione dei fenotipi naturali di piante iperaccumulatrici ha un ruolo fondamentale. La ipertolleranza ai metalli rappresenta la caratteristica vegetale chiave per ottenere
Tabella 1 - Nella tabella sono riportati gli effetti tossici rilevati sulle piante di Cannabis sativa cresciute in coltura idroponica, in condizioni di crescita controllate: ++++ essiccamento e morte della pianta tre giorni dopo l’inizio del trattamento +++ essiccamento e morte della pianta cinque giorni dopo ++ appassimento delle foglie, essiccamento e morte della pianta otto giorni dopo + appassimento e ripiegamento verso il basso delle foglie, essiccamento e morte della pianta dieci giorni dopo Table 1 - The toxic effects of different zinc salts were evaluated on Cannabis sativa growth in hydroponics culture in controlled growth chamber, as reported: ++++ plant drying up and death three days after the beginning of the treatment +++ plant drying up and death five days after the beginning of the treatment ++ leaves wilted, plant drying up and death eight days after the beginning of the treatment + leaves wilted and bending down, plant drying up and death ten days after the beginning of the treatment Concentrazione (M) Zn SO4 Zn(NO3)2 ZnCl2 0 0.05 0.1 0.2 0.4 0 + ++ +++ ++++ l’iperaccumulazione degli stessi e la compartimentalizzazione vacuolare rappresenta la spiegazione dell’iperaccumulazione. Sono noti dalla letteratura esempi di “phytovolatilization” di Se o Hg ed emendamenti per phytostabilization dovuti all’inattivazione nel suolo di Pb e Cr +6 . Ancora scarse sono tuttavia le conoscenze relative alle basi molecolari della phytoremediation, anche se recenti progressi sono stati raggiunti nella caratterizzazione dell’assorbimento di Fe, Cd e Zn in Arabidopsis. Inoltre mutanti di lievito indicano probabili strategie per la costituzione di cultivar transgeniche per la fitodepurazione (Chaney R. L. et al., 1997). Il presente lavoro affronta una tematica particolarmente innovativa in quanto tratta 0 + ++ +++ ++++ 0 + ++ +++ ++++ la possibile applicazione di tecniche di fitodepurazione impiegando una pianta ad elevata biomassa quale la Canapa, (Cannabis sativa L.), una pianta annuale, a sessi separati (dioica) che appartiene alla famiglia delle Cannabinacee (Small and Conquist, 1976). Studi di tipo ecologico e fitogeografico, condotti su ampie collezioni, hanno permesso di separare dalla Cannabis sativa, comprendente le varietà coltivate per la produzione di fibra, la Cannabis indica, cui afferiscono i tipi caratterizzati da un maggior contenuto di cannabinoidi, in particolare di d9-tetraidrocannabinolo (THC), principale agente psicotropico della canapa (Schultes, 1973; Ranalli e Mastromei, 2000). La canapa ha avuto in passato una grande tradizione di coltivazione nel nostro Paese; negli anni ’30 Figura 1 - La figura mostra le piante di Cannabis nel sistema di coltura idroponica allestito: vasi con particolari fenditure contenenti argilla espansa vengono immersi per pochi cm nella soluzione nutritiva contenente i metalli pesanti, in condizioni di crescita controllata. Figure 1 - Drawing showing Cannabis plants in hydroponics culture: pots containing expanded clay plunged in nutritive solution with heavy metals in controlled growth chamber. era coltivata su una superficie di oltre 100.000 ha e produceva una fibra di eccellente qualità. Successivamente la coltura andò in declino fino ad annullarsi agli inizi degli anni ’60, sia per la gravosità degli interventi manuali necessari per la coltura che si scontravano con le esigenze di un’agricoltura che diventava sempre più di scala, sia per la diffusione dell’impiego, come stupefacenti, dei derivati della canapa (hashish e marijuana). Questi fatti portarono al bando della coltivazione della canapa indiana e di riflesso anche della canapa comune. Infatti, l’art. 26 del D.P.R. n° 309 del 1990, sancisce il divieto della coltivazione di canapa indiana nel territorio dello Stato e poiché dal punto di vista botanico non esistono differenze univoche e riproducibili tra canapa da droga e da fibra, a parte il differente contenuto di THC, di conseguenza la coltivazione di canapa da fibra ha generato equivoci negli organi preposti alla repressione dell’uso degli stupefacenti; infatti, scambiando la canapa comune per canapa indiana si sono attivate spesso istruttorie con sequestro della coltura e sanzioni per l’agricoltore (Ranalli, 1998). Negli ultimi anni si è assistito comunque ad un rinnovato interesse per la canapicoltura giustificato da fattori agronomici e dai molteplici impieghi della pianta e dei suoi derivati. Infatti, da un punto di vista agronomico, la canapa ha la proprietà di migliorare la fertilità del terreno, di sopprimere le erbe infestanti (evitando l’uso di erbicidi) e di tollerare molte fitopatie (riducendo l’uso di pesticidi e di disinfettanti del suolo). Per queste caratteristiche la canapa rientra perfettamente nelle attuali esigenze di coltura eco-compatibile, a ridotto impatto ambientale (Ranalli et al., 1999). Accanto all’uso tradizionale nell’industria tessile e cartaria, la canapa, infatti, sta ritornando oggi sul mercato da protagonista nel settore dell’abbigliamento; inoltre si assiste ad un impiego crescente dei derivati della canapa nei prodotti geotessili per contenere l’erosione dei terreni, nella bioedilizia come materiale isolante e per alleggerire i conglomerati cementizi, nell’industria automobilistica come materiale fonoassorbente e in vari composti dell’industria chimico-farmaceutica. Il ruolo della canapa appare pertanto particolarmente rilevante e rafforzato dal possibile utilizzo nella fitodepurazione di terreni inquinati da metalli pesanti. MATERIALI E METODI Materiale vegetale. Sono stati utilizzati semi di Cannabis sativa L. varietà Fibranova. Prodotti. Sali di zinco: ZnSO 4 al 99%, Zn(NO 3 ) 2 al 98%, ZnCl 2 , al 97% (Sigma). Soluzione nutritiva Hoagland’s (Sigma). Germinazione in piastra. L’analisi di germinazione è stata effettuata in cella climatizzata ad una temperatura di 22° C, Agroindustria / Aprile 2002 65
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