Presso il Plant, Soil and Nutrition Laboratory di Ithaca, New York, lavora il fisiologo vegetale Leon Kochian, esperto a livello internazionale di phytoremediation. I suoi studi hanno consentito di ottenere nuove importanti conoscenze sull’impiego delle piante per il risanamento di suoli contaminati da metalli pesanti e da radioisotopi ed hanno contribuito a far luce su di un importante problema nutrizionale: come poter prevenire l’ingresso dei metalli tossici nella catena alimentare. Infatti, una delle principali vie attraverso cui i metalli pesanti tossici, come ad esempio il cadmio, contaminano il cibo, è l’assorbimento a livello radicale ed il conseguente deposito nelle porzioni commestibili delle piante.
I suoli e le acque contaminate costituiscono un enorme problema per l’ambiente, l’agricoltura e la salute dell’uomo in tutto il mondo. Tale problema può essere in parte risolto con la phytoremediation, una nuova tecnologia emergente.

"Green" technology: concetto semplice, costi ridotti. Con il termine phytoremediation si intende l’uso di piante verdi per rimuovere gli inquinanti dall’ambiente o per renderli non nocivi.
Le tecniche ingegneristiche usate correntemente per tali scopi sono molto costose ed inoltre causano seri danni al paesaggio.
La "tecnologia verde" di Kochian prevede l’impiego di particolari piante le cui radici assorbono i metalli pesanti presenti nel suolo. Alcune specie, infatti, note come iperaccumulatori di metalli, hanno la capacità di estrarre gli elementi dal suolo e di concentrarli nei fusti, nelle foglie e nei germogli. Questi tessuti possono essere facilmente raccolti e stoccati per procedere successivamente all’estrazione dei metalli in essi contenuti.
Queste piante sono in grado di sopravvivere in suoli con alti livelli di metalli pesanti come cadmio, zinco e nichel.

Thlaspi caerulescens, o erba storna alpina, della famiglia di cavoli e broccoli, è una pianta di piccole dimensioni che prospera in suoli con elevati livelli di zinco e cadmio.
Il laboratorio di Kochian sta’ lavorando su questa pianta per studiare i meccanismi che le consentono di accumulare notevoli quantità di metalli pesanti. Infatti, mentre una pianta "normale" può accumulare nei germogli circa 100 ppm di zinco e 1 ppm di cadmio, Thlaspi può raggiungere livelli di 30.000 ppm di zinco e 1.500 ppm di cadmio a livello dei germogli senza manifestare evidenti segni di sofferenza per tossicità.

Come "lavora" la pianta. Thlaspi costituisce un modello eccellente per lo studio dei meccanismi fondamentali del processo di iperaccumulo dei metalli e dei relativi geni. Questa pianta possiede dei geni che regolano la quantità di metalli che sono assorbiti dal suolo dall’apparato radicale e che vengono in seguito depositati in altri distretti della pianta.
Vi sono numerosi siti nella pianta, controllati da diversi geni, coinvolti nel processo di iperaccumulo. Questi governano infatti il processo che aumenta la solubilità dei metalli nel suolo che circonda le radici oltre alle proteine di trasporto che favoriscono l’ingresso dei metalli nelle cellule delle radici.

Per studiare il meccanismo che stimola alcuni siti chiave del trasporto dello zinco, Kochian ha clonato un gene coinvolto in questo processo. Questo ha consentito al suo gruppo di scoprire che il trasporto dello zinco è diverso nelle piante "normali" rispetto a quelle con iperaccumulo. In queste ultime, l’attività dei geni per il trasporto dello zinco è regolata dai livelli di zinco nella pianta. In Thlaspi questi geni sono sempre massimamente attivi, indipendentemente dal livello di zinco nella pianta, finché nei tessuti non vengono raggiunte concentrazioni estremamente elevate.

Per suoli contaminati da uranio, Kochian ha scoperto che l’aggiunta di acido citrico al terreno aumenta grandemente sia la solubilità dell’uranio, che la sua biodisponibilità per l’assorbimento e la traslocazione.
Il citrato agisce legandosi all’uranio insolubile presente nel suolo.
Con il trattamento a base di citrato, i germogli delle piante testate hanno aumentato la concentrazione di uranio fino ad oltre 2.000 ppm, 100 volte di più rispetto alle piante di controllo. Questo dimostra la possibilità di usare il citrato, un rimedio poco costoso, per aiutare le piante a ridurre la contaminazione da uranio dei suoli.

Recentemente Kochian ed i suoi colleghi hanno identificato specifiche pratiche agronomiche e particolari specie vegetali per risanare suoli contaminati da cesio radioattivo (cesio 137).
Sebbene la causa della contaminazione da cesio 137 sia tata ridotta – test nucleari in superficie – estese aree risultano ancora inquinate dal radiocesio. Il cesio è un radioisotopo a vita lunga, con un periodo di dimezzamento di 32,2 anni. Contamina i suoli di numerosi siti del DOE (Department of Energy) degli Stati Uniti ed i costi preventivati per la bonifica di questi terreni sono molto alti, più di 300 miliardi di dollari.
La phytoremediation è un’allettante alternativa ai metodi usati attualmente per le bonifiche che richiedono molta energia e sono molto costosi.
Negli studi iniziali in laboratorio ed in serra Kochian ha mostrato che il limite principale alla rimozione del cesio con le piante è dato dalla sua biodisponibilità. La forma stessa dell’elemento lo rende non disponibile all’assorbimento da parte delle piante. Il gruppo di Kochian ha trovato nello ione ammonio il più efficace sistema per solubilizzare il cesio. Questo trattamento ha aumentato la disponibilità del cesio 137 per l’assorbimento radicale ed ha stimolato significativamente l’accumulo del cesio radioattivo nei germogli della pianta.
In seguito Kochian ha eseguito degli studi in campo con sei differenti specie di piante collaborando con Mark Fuhrmann, scienziato del DOE. Sono state rilevate significative differenze tra le diverse specie per quanto riguarda la loro efficienza in suoli contaminati. Amaranthus retroflexus si è dimostrato 40 volte più efficiente rispetto ad altre specie nella rimozione del cesio. E’ stato possibile rimuovere il 3% del quantitativo totale in un periodo di soli tre mesi.
Alla luce di questa scoperta, il DOE sta’ organizzando studi pilota per l’impiego di questa tecnologia.

Il problema dell’alluminio. Nel laboratorio di Kochian si sta’ anche studiando la possibilità di coltivare aree marginali come ad esempio i suoli acidi in cui i livelli tossici di alluminio limitano la crescita delle piante.
A pH alcalini o neutri, l’alluminio non costituisce un problema per le piante. Tuttavia, in suoli a pH acido, una forma di alluminio, Al ³⁺, è solubile nel suolo ed è piuttosto tossica per le radici. In tal modo, quando un suolo diviene acido, l’alluminio danneggia l’apparato radicale della pianta riducendo enormemente la resa dei raccolti.
Kochian ha collaborato con un biologo molecolare dell’ARS (Agricultural Research Service) per tentare un approccio interdisciplinare in una ricerca a livello sia molecolare che genetico che fisiologico, per approfondire il modo in cui particolari tipi genetici di alcune specie vegetali, tra cui grano, mais e sorgo, possono tollerare elevati livelli di alluminio nel suolo acido.
Il danno a livello radicale si manifesta con l’inibizione della crescita radicale con conseguente ridotto apporto d’acqua e di nutrienti alla pianta che cresce in modo stentato e non produttivo.
L’alluminio provoca il rilascio da parte degli apici radiali nel terreno circostante, di acidi protettivi. Questi si complessano con l’alluminio tossico prevenendone l’ingresso nella radice: con tale meccanismo di esclusione dalla radice stessa mais e grano tollerano la presenza di alluminio.

Kochian sta conducendo anche una ricerca con un biologo molecolare del Boyce Thompson Insitutte (Cornell) su Arabidopsis thaliana di cui ha trovato dei mutanti alluminio – tolleranti. Per identificare le basi molecolari di tale fenomeno, Kochian sta studiando le differenze tra i mutanti ed il tipo selvatico.
L’obiettivo finale di questo lavoro è identificare i geni che conferiscono l’alluminio – tolleranza sia per migliorare la tolleranza di colture relativamente sensibili all’alluminio (come l’orzo) sia per migliorare l’alluminio tolleranza del germoplasma esistente.
Dice Kochian: "Le ricerche mirano alla produzione di genotipi che tollerino le condizioni sub ottimali dei terreni marginali per aumentare in modo significativo la produzione di cibo a livello mondiale. Riuscire a produrre una più ampia varietà di colture con una miglior tolleranza all’alluminio costituirà il maggior contributo alla risoluzione del problema dei terreni marginali".

Gli studi di Kochian sulla phytoremediation, oltre che aiutare gli agricoltori a coltivare i terreni acidi, sono importanti anche per gli scienziati di ambito accademico e governativo e per gruppi ambientalisti, attenti e sensibili al problema dei suoli contaminati.
Per questo suo lavoro, che costituisce una pietra miliare per quanto riguarda la phytoremediation, Kochian ha ricevuto due premi: nel 1999, l’USDA’s Secretary Honor Award for Environmental Protection ed un premio come ARS 1999 Outstanding Senior Scintist dell’anno.

@ Leon V. Kochian, tel.: (607) 255 2454; Fax: (607) 255 2459;
e-mail: lvvkl@cornell.edu.