Thesis title: Studio dei meccanismi di trasferimento e dei fattori che intervengono nell’assorbimento di elementi tossici o potenzialmente tossici dal suolo alla pianta: il caso studio del frumento duro e dell’olivo.
Riassunto
L’inquinamento da elementi tossici o potenzialmente tossici nel suolo è argomento di crescente interesse a causa della loro persistenza e tossicità e del potenziale rischio di contaminazione della catena alimentare. Nonostante l’introduzione di nuove normative e di nuovi limiti per i suoli ad uso agricolo, è stato evidenziato che l’approccio basato sulla valutazione del contenuto totale di elementi nel suolo non fornisce indicazioni circa la loro mobilità/biodisponibilà, che è a sua volta determinata da numerose variabili chimiche, fisiche e biologiche, non ultima dalla risposta specie/specifica della pianta stessa. L’utilizzo di tecniche di estrazione selettive sembra essere promettente per la determinazione della frazione biodisponibile di elementi nel suolo.
Questa ricerca si propone di studiare i meccanismi di trasferimento e i fattori che intervengono nell’assorbimento di elementi tossici o potenzialmente tossici dal suolo alla pianta, con specifico riferimento al frumento duro e alle olive. Queste due colture sono state scelte in considerazione della loro particolare rilevanza per il settore agroindustriale nazionale, per gli aspetti legati alla tipicità, e per il legame con la Dieta Mediterranea.
È stata quindi condotta una sperimentazione su 4 diverse aree aventi caratteristiche pedologiche diverse, ma omogenee per varietà/cultivar. In particolare, per il frumento duro la sperimentazione è stata condotta presso i campi sperimentali del CREA (Inviolatella e Montelibretti), mentre per l’olivo sono stati considerati la collezione ENEA Casaccia e 5 diversi siti produttivi nel comune di Allumiere.
Per quanto riguarda il grano, le cultivar di frumento duro sono state scelte in base al decennio di costituzione: Iride, Simeto (costituite negli anni 90), Achille, Antalis, Santograal (costituite dopo il 2010). Per quanto riguarda l’ulivo, le varietà sono state scelte in base alla loro diversa destinazione d’uso commerciale: cultivar da olio (Cipresso, Canino, Frantoio, Leccino, Maurino, Moraiolo, Pendolino), cultivar da tavola (Ascolana, Uovo di piccione), varietà a doppio scopo (Itrana e Ortice).
La messa a punto e l’applicazione di specifiche procedure di campionamento e pretrattamento dei campioni, nonché delle metodologie analitiche ottimizzate per ciascuna tipologia di matrice, hanno consentito di quantificare il contenuto totale di elementi nei suoli, nelle diverse parti della pianta (radice, parte aerea e cariossidi – per il frumento duro; drupe e foglie – per l’ulivo e drupe, parte aerea e radici per l’individuo suolo-piana di ulivo) e nelle deposizioni atmosferiche (umide, secche e totali), la frazione mobile (biodisponibile) di elementi nel suolo ed i principali parametri chimico-fisici del suolo che influenzano la biodisponibilità degli elementi. È stato possibile inoltre valutare il trasferimento degli elementi dal suolo alle radici e dalle radici alla parte aerea grazie all’utilizzo del coefficiente di assorbimento biologico (BAC) e il fattore di traslocazione (TF).
Inoltre, avendo a disposizione campi sperimentali omogenei per varietà/cultivar, è stato possibile effettuare sia il confronto tra differenti varietà/cultivar presenti nello stesso campo (che condividono quindi le stesse caratteristiche di suolo - anche in termini di biodisponibilità degli elementi - e condizioni pedoclimatiche), sia il confronto tra le stesse varietà/cultivar presenti in campi differenti (coltivate quindi su suoli differenti e in differenti condizioni pedoclimatiche).
La valutazione della frazione biodisponibile è stata effettuata tramite estrazioni selettive con EDTA (acido etilendiamminotetracetico) e low-molecular-weight-organic acids (LMWOAs), che hanno permesso di evidenziare la frazione mobile e potenzialmente assimilabile dal biota o lisciviabile, di grande interesse per gli studi di contaminazione dei suoli.
I risultati ottenuti confermano che il contenuto totale di elementi nel suolo non è predittivo della frazione di elementi che può essere effettivamente assorbita dalle piante.
L’approccio utilizzato si è quindi dimostrato adeguato ad indagare differenze nell’assorbimento tra le cultivar/varietà presenti nello stesso campo e in campi differenti, ma non è stato possibile dire con certezza quale dei due estraenti sia maggiormente predittivo della frazione mobile/biodisponibile degli elementi nel suolo (l’EDTA sembra consentire di stimare meglio il contenuto di Cu nell’intera pianta di frumento duro, mentre non sono state evidenziate correlazioni tra gli estratti e le parti della pianta - drupe e foglie di olivo).
Per il frumento duro, dalla valutazione delle differenze nel contenuto di elementi nelle diverse parti della pianta di ciascuna cultivar, non sono state evidenziate differenze significative tra le piante di una stessa cultivar presenti nello stesso campo, mentre sono emerse differenze tra le cultivar, quasi ad indicare il diverso comportamento di alcune cultivar rispetto ad altre pur condividendo lo stesso suolo (probabilmente per differenze genotipiche). Nello specifico, facendo riferimento alla parte edibile, sia per le cultivar presenti nel campo Inviolatella che per quelle di Montelibretti sono state evidenziate differenze significative rispetto al maggior contenuto di Cd nelle cariossidi di Simeto.
Il caso studio sull’olivo ha evidenziato invece che per questa tipologia di pianta non è tanto la varietà a determinare un differente contenuto di elementi nelle diverse parti della pianta, quanto piuttosto il contenuto totale del suolo e la biodisponibilità degli elementi; questo a conferma del fatto che l’ulivo è considerato appunto un buon indicatore di inquinamento ambientale. Questo aspetto è particolarmente evidente e problematico proprio se si considera la drupa, ossia la parte edibile della pianta, nella quale l’accumulo di elementi tossici potrebbe causare un problema dal punto di vista della sicurezza alimentare.
Abstract
Soil contamination from toxic and potentially toxic elements is a global environmental concern, which is receiving increasing attention due to the element persistence and toxicity in the ecosystem, and for the potential risk of contamination of the food chain.
For this reason, in Italy new regulations and new maximum concentration limits for agricultural soils have been recently introduced. Nevertheless, these regulations were defined mostly on the basis of the elemental total content in soils. It is widely recognized that the evaluation of the potential risk and toxicity of elements in soils requires an assessment of their bioavailable fraction, along with the amount of elements potentially available for plant uptake. This fraction is in turn influenced by chemical and physiochemical characteristics of soil (e.g. pH, pE, organic matter, cation exchange capacity, clay minerals, and oxides), as well as from the species/specific response of the plant itself. Single extraction methods have been extensively applied to assess the availability of toxic and potentially toxic elements in soils.
The aim of the present research is to study the translocation mechanisms and factors affecting the absorption of toxic or potentially toxic elements in the soil-plant system, with specific reference to durum wheat and olives. These two crops were chosen in consideration of their particular relevance for the agro-industrial sector – particularly in Italy - and their key role in the Mediterranean Diet.
In field studies were carried out on 4 different areas, with different pedological characteristics, but homogeneous for cultivars. In particular, studies on durum wheat were performed at the experimental fields of CREA (Inviolatella and Montelibretti), while for the olive tree the ENEA Casaccia collection and 5 different production sites in the municipality of Allumiere were considered.
Durum wheat cultivars were chosen based on the decade of establishment: Iride, Simeto (established in the 90s), Achille, Antalis, Santograal (established after 2010).
For olive tree, the varieties were chosen based on their different commercial use: oil cultivars (Cipresso, Canino, Frantoio, Leccino, Maurino, Moraiolo, Pendolino), table cultivars (Ascolana, Uovo di pigeon), dual-purpose cultivar (Itrana and Ortice).
The development and application of specific sampling and sample pretreatment procedures and the analytical methodologies optimized for each type of matrix, made it possible to quantify: elemental total content in soils, elemental total content in the different plant parts (root, aerial part and kernels for durum wheat; drupes and leaves for olive trees; and drupes, aerial part and roots for the olive tree individual soil-plant), elemental total content in atmospheric depositions (wet, dry and total), the mobile fraction (bioavailable) of elements in soils, and the main chemical-physical characteristics of the soil influencing elemental bioavailability.
It was also possible to evaluate the element translocation from soil to roots, and from the roots to the aerial part; it was expressed as Biological Absorption Coefficient (BAC) and Translocation Factor (TF).
Moreover, having experimental fields homogeneous for cultivars, it was possible to perform both comparisons between different cultivars in the same field (thus sharing the same soil characteristics - also in terms of elemental bioavailability - and the same pedoclimatic conditions), and comparisons between same cultivars in different fields (thus grown on different soils and under different pedoclimatic conditions).
The evaluation of the bioavailable fraction was carried out by applying single extractions methods with two different chemical extractants: EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and low-molecular-weight-organic acids (LMWOAs), which allowed to highlight the mobile and potentially available fraction for plant absorption.
The obtained results confirm that the elemental total content in soil is not predictive of the elemental fraction that can be potentially absorbed by the plants.
The approach applied in this study was therefore proved suitable to investigate differences in absorption between cultivars present in the same field and in different fields. Nevertheless, it wasn’t possible to certainly define the extractant more predictive of the elemental mobile/bioavailable fraction in the soils (EDTA seems to allow better estimate Cu total content in the entire plant of durum wheat, while no correlations have been highlighted between the content of the elements extracted from the soil and the olive tree parts).
For durum wheat, no significant differences were highlighted between the plants of the same cultivar in the same field, while differences between cultivars were shown, thus indicating a different behavior of some cultivars compared to others in the same soil (probably due to genotypic differences). Specifically, with reference to the edible part, significant differences were highlighted for both the cultivars present in the Inviolatella field and those of Montelibretti in terms of higher content of Cd in Simeto kernels.
The case study on olive tree highlighted that, for this plant, it is not the variety that determines a different content of elements in the different plant parts, but rather the elemental total content in soil and their bioavailability. It confirms that olive tree can be considered a good indicator of environmental pollution. This is particularly evident and problematic if we consider olive fruits, representing the edible part, in which the accumulation of toxic elements could determine food safety issues.