The potential of soil invertebrates for hydraulic characterization of low permeability media and optimization of soil and aquifer reclamation

Abstract

È ampiamente riconosciuto dalla Commissione Europea che le acque di falda non possono più essere considerate in maniera indipendente dall’ambiente sovrastante, bensì devono essere trattate attraverso un approccio interdisciplinare. Una misura che risulta necessaria per comprendere appieno gli effetti dei disturbi naturali ed antropici sulle falde acquifere e sulle dinamiche idrogeologiche, e che acquisisce ulteriore importanza quando si prendono in esame i mezzi a bassa permeabilità o gli acquiferi alluvionali. In questi contesti idrogeologici esiste un forte legame tra la qualità del suolo soprastante e le risorse idriche sotterranee, tanto che (i) l’identificazione di condizioni di disturbo nella componente insatura dell’acquifero e (ii) la messa a punto di sistemi atti al suo recupero rappresentano un fattore critico per il mantenimento e miglioramento della qualità degli acquiferi. Le alterazioni della qualità del suolo possono essere legate a fenomeni ambientali o causate da attività antropiche: i primi possono incidere su, o essere innescati da, infiltrazione e flussi delle acque di falda, mentre le seconde sono spesso associate al rilascio di contaminanti nel suolo, con la conseguente presa in carico di questi ultimi da parte delle acque di infiltrazione efficace e il loro trasporto lontano dalla sorgente di contaminazione. Per quanto riguarda l’identificazione di situazioni di disturbo, recentemente la fauna edafica è stata individuata come potenziale indicatore biologico delle proprietà geotecniche e idrogeologiche del suolo. Il suo utilizzo, tuttavia, non si limita a quello di bioindicatore. La fauna edafica è coinvolta nel mantenimento della qualità e della salute del suolo, partecipando a numerosi servizi ecosistemici come la traslocazione della sostanza organica, il ciclo dei nutrienti, la formazione della struttura del suolo e, di conseguenza, la regolazione del ciclo dell’acqua. Tutte queste caratteristiche la rendono oggetto di interesse per il suo potenziale utilizzo nei processi di biorimediazione. Tenendo conto di quanto sopra sintetizzato, durante i tre anni di dottorato il lavoro si è posto come obbiettivi: (i) l’identificazione di nuovi indicatori biologici in grado di fornire informazioni relative alle caratteristiche idrauliche ed al funzionamento idrogeologico di mezzi geologici a bassa permeabilità, specificatamente attraverso la caratterizzazione dell’evoluzione di frana e la determinazione di potenziali nessi tra caratteristiche idrogeologiche e fauna del suolo; e (ii) lo sviluppo di nuovi approcci alla biorimediazione della componente insatura di acquiferi contaminati attraverso l’utilizzo della fauna del suolo durante tutto il processo di biorimediazione (dalla biorimediazione vera e propria al monitoraggio ecotossicologico). Dagli studi effettuati è emerso che (i) l’abbondanza e la composizione della fauna del suolo (dipendendo dall’organismo considerato) possono essere ritenute indicatori di caratteristiche idrauliche in mezzi a bassa permeabilità e, inoltre, (ii) la fauna del suolo può contribuire alla valutazione della qualità del suolo allo scopo di supportare la rivalutazione di zone degradate da disturbi naturali. Per quanto riguarda i disturbi di tipo antropico, la fauna del suolo è stata utilizzata efficacemente in tutte le fasi di biorisanamento. La sua utilità come indicatore di contaminazione ambientale è stata verificata considerando diverse tipologie di contaminazione, traendone le seguenti conclusioni: (i) la necessità, nella valutazione del rischio, di integrare l’approccio chimico con quello ecotossicologico, dal momento che i bioindicatori possono fornire informazioni su composti non ricercati tramite le analisi chimiche; (ii) l’importanza di selezionare diversi organismi e considerare più end-points nel monitoraggio dell’ecotossicità del suolo, e (iii) ) l’efficacia di effettuare monitoraggi ecotossicologici non solo sulla fase solida, ma anche sull’elutriato. L’identificazione di gruppi resistenti, in grado di vivere in ambienti contaminati, e che possono quindi essere di interesse per successive ricerche sulla biorimediazione di idrocarburi, PCB e PCDD/DF, ha condotto alla selezione dei lombrichi come oggetto di ulteriore studio. Dai test di biorimediazione di PCB e PCDD/DF a scala di microcosmo è emerso che (i) i lombrichi possono essere uno strumento efficacie per ridurre l’ecotossicità di suoli contaminati da contaminanti organici persistenti, (ii) con buone prospettive anche per quanto riguarda la concentrazione chimica degli stessi; (iii) tuttavia, nonostante l’utilizzo dei lombrichi abbia mostrato di essere efficace nel suolo, il loro utilizzo deve essere attentamente monitorato, tenendo in considerazione le caratteristiche idrauliche del mezzo contaminato, data la possibilità che essi favoriscano la percolazione in falda sia dei contaminanti che di alcuni nutrienti. Queste limitazioni mettono in evidenza la necessità di un approccio multidisciplinare agli studi di biorimediazione.

The European Commission recognizes that groundwater cannot be considered independently from the surrounding environment, thus necessitating an interdisciplinary approach. Such an approach is needed to understand the consequences of natural and anthropic disturbance on groundwater and hydrogeologic dynamics, which become even more important when low permeability media, or alluvial aquifers, are considered. In these hydrogeological contexts, a close link between soil quality and water resources in proximity exists, in such a way that to improve and sustain water quality it becomes critical (i) to identify the consequences of disturbances on the unsaturated zone in the aquifer and (ii) to restore the quality of the water. Soil disturbances can be related to natural hazards or can be caused by anthropogenic activities: the former can either be triggered by, or can affect, infiltration and groundwater flow, while the latter is often linked to the release of contaminants into the terrestrial environment with associated leaching into groundwater, which are then transported far from their sources. Concerning the identification of the consequences of soil disturbances, recently edaphic fauna has been identified as a potential biological indicator of soil geotechnical and hydrogeological properties. Its use, however, should not be limited only to bioindication. Edaphic fauna plays an important role in maintaining soil quality and health and in providing ecosystem services, as it is involved in the translocation, breaking and decomposition of organic matter, nutrient cycling, soil structure formation and, consequently, water regulation. All these characteristics make edaphic fauna important for its potential application in bioremediation processes. In the light of these considerations, research for the PhD had the following aims: (i) to identify new biological indicators of hydrogeological characteristics and dynamics in low permeability media, specifically to characterize landslide evolution and assess potential relationships between its hydrogeological features and soil fauna; and (ii) to develop a new approach for the bioremediation of the unsaturated zone of contaminated aquifers using soil fauna in all the bioremediation processes involved (from bioremediation to ecotoxicity monitoring). From the investigations it emerged that (i) soil fauna abundance and composition (depending on the organisms considered) could be an indicator of hydraulic features in a low-permeability system and, in addition, (ii) soil fauna could contribute to the evaluation of soil quality to support the recovery of areas impacted by natural disturbances. As far as anthropic disturbances are concerned, soil fauna was efficiently involved in all bioremediation phases. Its use as an indicator of environmental contamination was thoroughly assessed considering different types of contamination, allowing the following conclusions to be drawn: (i) the need for toxicity-based approaches to supplement a chemical-based approach when running risk assessment, since bioindicators can provide information on compounds not looked for in chemical analyses; (ii) the importance of selecting different target organisms and end-points in soil-ecotoxicity monitoring, and (iii) the role of elutriation in ecotoxicity tests with soil fauna as a complement of the solid phase. The identification of resistant groups, able to survive in contaminated environments and, therefore, suitable for further investigation in the bioremediation of hydrocarbons, PCBs and PCDD/Fs, was successfully carried out and earthworms were selected as potential organisms of interest. From PCBs and PCDD/Fs bioremediation tests at microcosm scale it emerged that (i) earthworms could be an effective tool to reduce ecotoxicity of organically contaminated soils, (ii) with good possibilities for organic contaminants concentration reduction; (iii) although earthworms offer good possibilities as organic contaminant concentration reduction, their application should be carefully monitored, with the hydraulic characteristics of the contaminated media taken into consideration, since there is a chance that these organisms could enhance the percolation of contaminants and nutrients into groundwater. Such limitations further highlight the need for a multidisciplinary approach in bioremediation studies.