Analisi della concentrazione di metalli pesanti in piante agrarie cresciute su suoli contaminati e valutazione dell'innesto come biotecnologia sostenibile per la riduzione dell’assorbimento e la mitigazione del rischi per la salute umana

The release of heavy metals into the environment caused by many production activities, a generic term for transition and internal transition elements, poses a threat to living organisms ecosystems and human health. Heavy metals can lead to toxicity because some elements are required in very low concentrations for the proper functioning of cell metabolism, while others are not essential for any known metabolic process. In the soil/vegetation system, the danger of heavy metals to plants is due to their interaction with organic and inorganic colloids: while adsorption mechanisms cause heavy metals to persist and accumulate for long periods in the soil, it is known that these mechanisms are reversible by ion exchange, chelation and solvation that release the elements into phytodisposable forms. In the agrarian environment, these mechanisms control the uptake of heavy metals by cultivated plants, thus their translocation and accumulation in the edible parts, with consequent risks to human health. In my thesis, I assessed the level of heavy metal uptake in several tomato plants grafted onto soil from the Baccatoio stream valley in the municipality of Valdicastello Carducci (Lu), an area heavily contaminated by thallium and several other heavy metals. Through experimentation conducted ex situ in a protected environment, I evaluated the potential of grafting as a sustainable biotechnology for mitigating the uptake of heavy metals, using rootstocks that could reduce the uptake of metals, also as a result of the formation of new vascular tissue in the stem area where the grafting is carried out. The experiment involved the breeding of grafted plants on 3 different rootstocks, self-grafted plants and ungrafted plants. An in situ experiment on the same soil was conducted in parallel, growing radicchio and black cabbage in order to evaluate the effect of organic fertilisation as a possible practice to reduce the uptake of heavy metals compared to mineral fertilisation by means of. The importance of this experiment lies in the fact that it reflects domestic horticulture commonly practised in the area from which the soil studied originates, and grafting is an agricultural biotechnology used today to improve horticultural production under conditions of biotic and abiotic stress, while its potential to mitigate the risks of farming in contaminated areas is unknown. My results have shown that the soil used is heavily polluted with many heavy metals, including thallium and also barium. Despite the high level of pollutants in the soil, the tomato, radicchio and kale plants studied grew. Tomato plants (Solanaceae) did not accumulate heavy metals in the fruits, radicchio (Asteraceae) accumulated Ba at high concentrations, while black cabbage (Brassicaceae) accumulated both Tl and Ba at high concentrations. Grafted tomato plants showed more growth and productivity than ungrafted ones. In general, the more vigorous plants absorbed higher amounts of elements, although in the fruits the concentrations of potentially toxic elements were not high and the Tl concentration was below the limit of quantification. Grafting biotechnology proved to be ineffective in reducing the uptake of heavy metals, moreover, although widespread, this biotechnology is still poorly characterised from a biochemical and physiological point of view.

Il rilascio nell’ambiente di metalli pesanti causato da molte attività produttive, termine generico per indicare elementi di transizione e di transizione interna, rappresenta una minaccia per gli organismi viventi, ecosistemi e la salute umana. I metalli pesanti possono determinare fenomeni di tossicità perché alcuni elementi sono richiesti in bassissima concentrazione per il corretto funzionamento del metabolismo cellulare, mentre altri non sono essenziali per alcun processo metabolico conosciuto. Nel sistema suolo/vegetazione, la pericolosità dei metalli pesanti per le piante è data dalla loro interazione con i colloidi organici ed inorganici: se i meccanismi di adsorbimento fanno sì che i metalli pesanti persistano e si accumulino per periodi lunghi nel suolo, è noto che questi meccanismi sono reversibili per scambio ionico, chelazione e solvatazione, che rilasciano gli elementi in forme fitodisponibili. Nell’ambiente agrario, questi meccanismi controllano l’assorbimento di metalli pesanti da parte delle piante coltivate, quindi la loro traslocazione e accumulo nelle parti eduli, con conseguenti rischi per la salute umana. Nella mia tesi di laurea ho valutato il livello di assorbimento di metalli pesanti in diverse piante di pomodoro innestato su un suolo proveniente dalla valle del torrente Baccatoio nel comune di Valdicastello Carducci (Lu), un’area pesantemente contaminata da Tallio e diversi altri metalli pesanti. Mediante la sperimentazione condotta ex situ in ambiente protetto, ho valutato la potenzialità dell’innesto, come biotecnologia sostenibile per la mitigazione dell’assorbimento di metalli pesanti, utilizzando portainnesti che potrebbero ridurre l’assorbimento di metalli, anche in seguito a formazione di un nuovo tessuto vascolare nella zona del fusto dov’è effettuato l’innesto. La sperimentazione ha previsto l’allevamento di piante innestate su 3 diversi portainnesti, di piante autoinnestate e di piante non innestate. Una sperimentazione in situ sullo stesso suolo è stata condotta in parallelo, coltivando radicchio e cavolo nero, per valutare l’effetto della concimazione organica come possibile pratica per ridurre l’assorbimento di metalli pesanti rispetto alla concimazione minerale mediante. L’importanza di questa sperimentazione risiede nel fatto che essa riflette un’orticoltura domestica comunemente praticata nella zona da cui proviene il suolo studiato e l’innesto è una biotecnologia agraria oggi utilizzata per migliorare le produzioni orticole in condizioni di stress biotico e abiotico, mentre la sua potenzialità per mitigare i rischi derivanti dall’agricoltura praticata in aree contaminate non è nota. I risultati da me ottenuti hanno dimostrato che il suolo utilizzato è pesantemente inquinato da molti metalli pesanti, tra cui il tallio e anche da bario. Nonostante l’elevato livello di inquinanti nel suolo le piante di pomodoro, radicchio e cavolo nero studiate sono cresciute. Le piante di pomodoro (Solanaceae) non hanno accumulato metalli pesanti nei frutti, il radicchio (Asteraceae) ha accumulato Ba a concentrazioni elevate mentre il cavolo nero (Brassicaceae) ha accumulato sia Tl che Ba a concentrazioni elevate. Le piante di pomodoro innestate hanno mostrato maggiore crescita e produttività rispetto a quelle non innestate. In generale le piante più vigorose hanno assorbito maggiori quantità di elementi, anche se nei frutti le concentrazioni degli elementi potenzialmente tossici non era elevata e la concentrazione del Tl era inferiore al limite di quantificazione. La biotecnologia dell’innesto si è dimostrata non efficace nel ridurre l’assorbimento di metalli pesanti, inoltre, sebbene molto diffusa, questa biotecnologia è ancora poco ben caratterizzata dal punto di vista biochimico e fisiologico.