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Mechanistic Microscale Approach to the Microbial Degradation of Oil-Droplets in Subsea Crude Oil Releases

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Come dei microrganismi degradano le goccioline di petrolio nell’ambiente marino

Un gruppo di ricercatori dell’UE e degli Stati Uniti ha approfondito e visualizzato cosa accade su scala microscopica alle fuoriuscite di greggio che inquinano l’oceano.

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Sebbene il destino del greggio negli ecosistemi acquatici sia stato ampiamente studiato nel corso di vari decenni, la formazione e la rilevanza di nubi di goccioline sottomarine sono state scoperte solo a seguito dell’incidente della Deepwater Horizon nel 2010. Attualmente, non esiste un trattamento in situ basato sulle caratteristiche delle goccioline di petrolio nei pennacchi sottomarini. Il progetto OILY-MICROCOSM, finanziato dall’UE, ha affrontato tale lacuna di conoscenza, indagando i meccanismi fondamentali su micro scala che controllano la biodegradazione delle goccioline di greggio da parte dei microbi marini. «Ciò è stato possibile grazie a una combinazione creativa di microfluidica, di imaging avanzato e di modellizzazione computazionale», spiega il coordinatore del progetto, Nicolas Kalogerakis. Il borsista MSC George Kapellos ha collaborato con il Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti (il laboratorio del prof. Patrick Doyle), impiegando una scatola degli attrezzi composta da tecniche di microfabbricazione, che comprendono la litografia e la stampa 3D, per lo sviluppo di nuovi strumenti microfluidici. Tali strumenti hanno permesso agli scienziati di osservare sotto il microscopio come le goccioline di petrolio interagiscono con i microbi marini, nel corso di diverse settimane.

Il ruolo dei microrganismi

I partner del progetto hanno impiegato avanzati metodi di imaging, quali la microscopia confocale e a fluorescenza a sonda multipla, per esaminare la morfologia di goccioline di idrocarburi ricoperte da una biopellicola, postulando una nuova ipotesi sul meccanismo responsabile per la loro formazione. «La gocciolina di petrolio ricoperta dalla biopellicola si ingrandisce poiché microbi altamente attivi si accumulano vicino all’interfaccia tra il petrolio e la biopellicola. Moltiplicandosi e secernendo biopolimeri, essi spingono la biomassa circostante verso l’esterno», osserva Kalogerakis. Gli scienziati hanno osservato tale fenomeno per la prima volta, notando che una gocciolina di petrolio che si stava rimpicciolendo veniva consumata dai microbi che degradavano gli idrocarburi. «Abbiamo osservato che, in determinate condizioni, degli specifici microbi marini sono in grado di colonizzare la superficie delle goccioline di idrocarburi e di formare una spessa biopellicola increspata», rivela lo studioso. I ricercatori hanno scoperto, con loro grande sorpresa, che le biopellicole microbiche erano in grado di incapsulare persino delle grandi goccioline di un millimetro, un fatto mai registrato prima d’ora, né in sistemi naturali né in sistemi artificiali. Il gruppo del progetto OILY-MICROCOSM si propone ora di scoprire se queste enormi goccioline ricoperte di biopellicola sono presenti nelle acque marine naturali dopo una fuoriuscita di petrolio.

Risposte dai modelli

In aggiunta, il progetto ha sviluppato un nuovo modello matematico per predire il tasso di biodegradazione e il tempo di permanenza delle microgocce di petrolio in una colonna d’acqua. Il modello prende in considerazione gli effetti della velocità di deriva, la cinetica dei microbi e la disponibilità di ossigeno, minerali essenziali e molteplici componenti del petrolio. «Abbiamo scoperto che la carenza di ossigeno o di altri nutrienti derivanti dall’acqua, quali l’azoto e il fosforo, limita il tasso di biodegradazione delle goccioline, allontanando i microbi altamente attivi dalla superficie oleosa», evidenzia Kalogerakis. Inoltre, il modello matematico fornisce un prezioso strumento decisionale. Ad esempio, l’impiego di emulsionanti per la dispersione delle fuoriuscite di petrolio dovrebbe essere evitato in «zone morte» con una disponibilità di ossigeno molto bassa. OILY MICROCOSM ha inoltre aperto la strada per una migliore comprensione della biodegradazione degli idrocarburi a livello delle singole goccioline. In aggiunta, ha fornito un prezioso contributo all’analisi di dati grazie a esperimenti effettuati a pressioni molto elevate (> 250 bar), simili alle potenziali emissioni di idrocarburi nelle acque profonde del Mediterraneo orientale. Pertanto, il lavoro e i risultati del progetto apporteranno un significativo contributo alla nostra comprensione del processo di biodegradazione del petrolio e guideranno futuri sforzi di ricerca, tecnologie abilitanti fondamentali e strumenti decisionali per la mitigazione degli effetti negativi delle fuoriuscite di petrolio in ambienti marini. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie.

Parole chiave

OILY MICROCOSM, biodegradazione, fuoriuscita di petrolio, greggio, microbi marini, microfluidico, modello matematico, nube di goccioline, biopolimero, microgoccia

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