Environmental remediation and ecotoxicological assessments of xenobiotics

In the thesis, soil pollution is addressed at different levels to prevent, understand, or resolve specific contamination events. The study focused on two main classes of xenobiotics: potentially toxic elements and pesticides. Seven research projects were discussed to investigate three main issues: i) Application of bioremediation techniques against Ni contamination in a disused quarry (Chapters 1 and 2), ii) Kinetics and ecotoxicity of pesticides in different substrates (Chapters 3, 4 and 5), iii) Monitoring and ecotoxicity of copper in vineyard soils (Chapters 6 and 7). In the first case (i), the novelty lies in applying eco-sustainable techniques to solve a real pollution case; the main results show that minerals such as bentonite and zeolite and phytoremediation immobilize the metal, thus containing the drift. Regarding pesticides (ii), after reviewing the impact of sub-lethal doses of pesticides on agricultural soil biota, two studies were conducted to evaluate the adsorption and degradation of three pesticides and the ecotoxicological effects of two insecticides, natural and one synthetic, on earthworms and soil microorganisms. The study suggests different dynamics depending on the formulations and the substrate and can contribute to the sustainable management of chemicals in the environment: the supply of cheap organic waste to the soil reduces the impact of pesticides on the ecosystem. Earthworms aid in the degradation of the bioinsecticide, and the microbial community can adapt and change over time and based on the presence of Eisenia fetida. The effects of chlorpyrifos on earthworms manifest early at the genotoxic level and on their growth. In the long term, it affects reproductive activity. Finally, the issue of copper (iii) was initially addressed by monitoring two organically run vineyards. Then ecotoxicological tests were conducted on earthworms. Early damage to their DNA was evaluated with sub-lethal doses on natural soil. The original experimental design was re-proposed to detect bacterial community changes in earthworm soil and gut. In addition, breeding and avoidance tests were conducted. The results showed a high ability of earthworms to avoid copper-contaminated soil already at low concentrations and showed dose-dependent adverse effects on reproductive outputs. Despite this, these annelids seem to recover the genotoxic damage at intermediate concentrations of copper in the soil, do not bioaccumulate the metal and report irreversible damage beyond a certain threshold. To date, analyses of changes in the intestinal microbiome of the earthworm and soil are underway.

Nella tesi l'inquinamento del suolo viene affrontato a diversi livelli, con l'obiettivo di prevenire, comprendere o risolvere specifici eventi di contaminazione. Lo studio si è concentrato su due classi principali di xenobiotici: elementi potenzialmente tossici e pesticidi. Sono stati discussi sette progetti di ricerca per indagare tre questioni principali: i) Applicazione di tecniche di biorisanamento contro la contaminazione da Ni in una cava in disuso (Capitoli 1 e 2), ii) Cinetica ed ecotossicità dei pesticidi in diversi substrati (Capitoli 3, 4 e 5), iii) Monitoraggio ed ecotossicità del rame in suoli di vigneti (Capitoli 6 e 7). Nel primo caso (i), la novità sta nell'applicare tecniche ecosostenibili per risolvere un reale caso di inquinamento; i principali risultati mostrano che minerali come bentonite e zeolite ed il fitorisanamento immobilizzano il metallo, contenendo così la deriva. Per quanto riguarda i pesticidi (ii), dopo una review riguardo l'impatto di dosi sub-letali di agrofarmaci sul biota del suolo agricolo, sono stati condotti due studi per valutare l'adsorbimento e la degradazione di tre pesticidi e gli effetti ecotossicologici di due insetticidi, uno naturale e uno sintetico, sui lombrichi e sui microorganismi del suolo. Lo studio suggerisce dinamiche diverse a seconda dei formulati e del substrato e può contribuire alla gestione sostenibile delle sostanze chimiche nell'ambiente: l'apporto al suolo di rifiuti organici economici riduce l'impatto dei pesticidi nell'ecosistema. I lombrichi aiutano la degradazione del bioinsetticida e la comunità microbica può adattarsi e cambiare in funzione del tempo e in base alla presenza di Eisenia fetida. Gli effetti del chlorpyrifos sui lombrichi si manifestano precocemente a livello genotossico e sulla loro crescita e a lungo termine, anche sull'attività riproduttiva. Infine, il tema del rame (iii) è stato affrontato inizialmente, monitorando due vigneti a conduzione biologica. Quindi sono stati condotti test ecotossicologici sui lombrichi. I danni precoci al loro DNA sono stati valutati con dosi sub-letali su suolo naturale. Il progetto sperimentale originale è stato ri-proposto per rilevare i cambiamenti della comunità batterica nel suolo e nell'intestino del lombrico. Inoltre, sono stati condotti test di riproduzione e di evitamento. I risultati hanno mostrato un'elevata capacità dei lombrichi di evitare il suolo contaminato dal rame già a basse concentrazioni e hanno mostrato effetti negativi dose-dipendenti sugli output riproduttivi. Nonostante ciò, questi anellidi sembrano recuperare il danno genotossico a concentrazioni intermedie di rame nel suolo, non bioaccumulano il metallo e riportano danni irreversibili oltre una certa soglia. Ad oggi sono in corso le analisi delle modifiche al microbioma intestinale del lombrico e del suolo.