Integrazione di approcci di biologia sintetica e computazionale nell'ingegneria di processo per il biorisanamento

I contaminanti emergenti (ECs) sono una classe di nuove sostanze che negli ultimi anni stanno diventando sempre più preoccupanti, non solo per quanto riguarda l'impatto sugli ecosistemi e sull’ambiente, ma anche a causa degli effetti cancerogeni e del loro bioaccumulo negli animali e nell’uomo, che è spesso causa di disfunzioni a livello degli organi e della regolazione ormonale. In questa tesi sono studiate strategie di contrasto di due contaminanti: i PFAS, che sono sostanze inodori e incolori note per le loro caratteristiche antiaderenti; e il glifosato, che viene largamente utilizzato in campo agricolo come erbicida. Queste sostanze sono diventate due dei principali inquinanti delle acque reflue, e l’obiettivo del progetto in cui si inserisce questo lavoro di tesi è proprio quello di elaborare un sistema di scala industriale basato sul biorisanamento per depurarle. Il biorisanamento offre grandi vantaggi dal punto di vista economico e ha mostrato una grande efficienza in diversi studi recenti, soprattutto attraverso l’utilizzo di consorzi batterici e microalghe, che sono in grado di vivere in simbiosi e incrementare la reciproca crescita e capacità degradativa. Come in altri progetti di risanamento delle acque reflue, si utilizza una sostanza adsorbente come il carbone attivo per la cattura degli inquinanti dall’acqua, tuttavia lo studio pilota seguito in questa tesi prevede fasi successive di bioirisanamento, consistenti nel successivo lavaggio di questi filtri (riutilizzabili) con un solvente di deadsorbimento come il CaCl2 per concentrare i contaminanti in un volume minore e farli fluire in un bioreattore in continuo al cui interno il consorzio di microorganismi svolge la propria funzione degradativa. Questa tesi segue due percorsi paralleli, associati ai due differenti contaminanti ma anche al tipo di approccio. Per quanto riguarda i PFAS sono realizzate analisi in silico per l’identificazione di enzimi adatti alla loro degradazione, focalizzando su Laccasi e Dealogenasi per le specifiche capacità degradative. Sono stati selezionati gli enzimi degli organismi più promettenti e studiati a livello di sequenza e struttura effettuando anche analisi di docking; indagando le loro capacità di legare sostanze perifluoroalchiliche di diverse dimensioni. Infine, le sequenze candidate sono state ottimizzate e preparate per il clonaggio in Escherichia coli. Per quanto riguarda invece il glifosato si è seguito un approccio "wet lab" per validare su scala più ampia un sistema già identificato costituito da un consorzio misto di tre specie batteriche: Sinomonas atrocyanea, Pseudomonas stutzeri e Comamonas odontotermitis ed una microalga, confrontando in questo caso Chlorella protothecoides (la specie inizalmente utilizzata) con l'alternativa Scenedesmus obliquus. Sono state indagate le capacità di sopravvivenza delle specie in presenza di glifosato e del solvente di deadsorbimento (CaCl2). È stata valutata anche la capacità adsorbente del carbone attivo tramite la costruzione di isoterme, indispensabili per la valutazione della sua concentrazione ottimale e della concentrazione di glifosato in soluzione per ottenere l’efficienza di adsorbimento migliore. La tesi, perciò, illustra passaggi necessari per mettere a punto sistemi di biorisanamento su scala industriale, mostrando come una grande varietà di approcci e competenze differenti possano convergere in un unico progetto e rivelarsi indispensabile per la sua realizzazione. Entrambi i percorsi hanno restituito risultati promettenti, nonostante le naturali difficoltà incontrate, costituendo quindi dei buoni punti di partenza o di sviluppo per le future ricerche.