Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento si propone di fornire conoscenze approfondite sulle capacità degradative dei microrganismi, con particolare attenzione per gli idrocarburi e gli xenobiotici, e sulle possibili applicazioni delle stesse in processi di bonifica biologica di matrici ambientali contaminate.
1. Conoscenza e capacità di comprensione. Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere: le principali vie cataboliche utilizzate dai microrganismi nella degradazione di idrocarburi e xenobiotici; le più diffuse tecnologie di biorisanamento di acque e suoli contaminati; i principali metodi di compostaggio; i metodi di caratterizzazione e monitoraggio dei siti contaminati; i metodi di caratterizzazione e monitoraggio delle comunità microbiche.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel corso a casi reali di bonifica o trattamento biologico di matrici contaminate, mettendo in evidenza vantaggi e svantaggi di ogni possibile alternativa proposta.
3. Autonomia di giudizio. Lo studente dovrà essere in grado di progettare le fasi principali di un intervento biologico su diverse matrici da trattare.
4. Abilità comunicative. Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà descrivere in modo appropriato le tematiche studiate utilizzando il corretto lessico specifico.
5. Capacità di apprendimento. Alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di consultare la letteratura sugli argomenti trattati e integrare
Contenuti sintetici
1. Processi e microrganismi coinvolti nelle trasformazioni degli elementi
2. Metabolismo microbico e condizioni redox
3. Processi e microrganismi coinvolti nella degradazione di idrocarburi
4. Caratterizzazione e monitoraggio delle comunità microbiche
5. Caratterizzazione e trattamento biologico di siti contaminati da idrocarburi
6. Visita impianti di trattamento biologico
7. Lavori di gruppo
Programma esteso
1. Processi e microrganismi coinvolti nelle trasformazioni degli elementi
Il ciclo biologico del carbonio: fototrofia/chemiotrofia; autotrofia/eterotrofia. Il ciclo biologico dell’azoto; processi di nitrificazione e denitrificazione.
Il ciclo biologico dello zolfo.
Riduzione e ossidazione microbiche del ferro.
2. Metabolismo microbico e condizioni redox
Accettori di elettroni principali nel metabolismo microbico.
Dipendenza del metabolismo microbico dal potenziale redox.
Determinazione delle condizioni redox e della disponibilità di accettori di elettroni in un acquifero.
3. Processi e microrganismi coinvolti nella degradazione di idrocarburi
Principali pathways di degradazione aerobica di idrocarburi alifatici, mono- e poliaromatici ed enzimi coinvolti. Principali pathways di degradazione anaerobica di idrocarburi alifatici, mono- e poliaromatici ed enzimi coinvolti. Processi di degradazione e di cometabolismo di composti organici alogenati.
4. Caratterizzazione e monitoraggio delle comunità batteriche
Metodi di quantificazione. Tecniche di coltivazione ed isolamento di ceppi microbici. Tecniche classiche di identificazione degli isolati. Tassonomia microbica. Tecniche molecolari di identificazione degli isolati. Tecniche molecolari di caratterizzazione e monitoraggio di comunità: fingerprinting; sequenziamenti high-throughput; metodi in situ. Metodi di valutazione dell’attività microbica in situ.
5. Caratterizzazione e trattamento biologico di siti contaminati da idrocarburi
Procedure operative per la caratterizzazione di siti contaminati; analisi di rischio. Approcci biologici al trattamento di matrici contaminate: biostimolazione e bioaugmentation; prove di screening e di fattibilità. Tecnologie di biorisanamento di suolo e zona insatura (landfarming, biopile, bioreattori, bioventing). Tecnologie di biorisanamento della zona satura (biosparging, biobarriere). Tecnologie innovative di biorisanamento: sistemi bioelettrochimici. Attenuazione Naturale Monitorata.
Prerequisiti
Concetti di base della Microbiologia generale
Modalità didattica
Lezioni frontali e analisi di casi pratici in aula supportate da presentazioni PowerPoint (40 h). Una visita didattica ad un impianto ex-situ di trattamento biologico (mezza giornata). Verrà inotre proposta una attività di lavoro a gruppi di progettazione di un intervento di monitoraggio e bonifica biologica.
Materiale didattico
Slides. Reperibili sulla piattafroma e-learning dell'insegnamento.
Libro di testo.
Microbiologia ambientale ed elementi di ecologia microbica; Barbieri, Bestetti, Galli, Zannoni – CEA, 2008 (disponibile in biblioteca).
Libri di consultazione.
Brock biologia dei microrganismi: microbiologia generale, ambientale e industriale; Madigan, Martinko et al. – Pearson, 2016 (disponibile in biblioteca).
Ground-water microbiology and geochemistry; Chapelle – John Wiley & sons, 2001 (disponibile presso il docente).
Bonifica di siti contaminati; Bonomo – McGraw-Hill, 2005 (disponibile presso il docente).
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale: prevede domande di carattere generale sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali. Lo studente dovrà dimostrare di saper esporre con chiarezza le conoscenze acquisite, dimostrando la loro completa comprensione e proprietà di linguaggio. Il voto è espresso in trentesimi.
Orario di ricevimento
Su appuntamento per e-mail
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide in-depth knowledge on the degradative abilities of microorganisms, with particular attention to hydrocarbons and xenobiotics, and to their possible applications in processes of bioremediation of contaminated environmental matrices.
1. Knowledge and understanding. At the end of the course the student must know: the main microbial catabolic pathways for the degradation of hydrocarbons and xenobiotics; the most common bioremediation technologies for contaminated waters and soils; the main methods of composting; the characterization and monitoring methods of contaminated sites; the characterization and monitoring methods of microbial communities.
2. Applying knowledge and understanding. At the end of the course the student must be able to apply the knowledge acquired during the course to real cases of remediation or biological treatment of contaminated matrices, highlighting the advantages and disadvantages of every possible alternative proposed.
3. Making judgments. The student must be able to design the main phases of a biological intervention on different matrices to be treated.
4. Communication skills. At the end of the course the student will be able to describe appropriately the topics studied using the correct specific vocabulary.
5. Learning skills. At the end of the course the student will be able to consult the literature on the topics covered and autonomously integrate the knowledge acquired with others related to the sector of remediation and treatment of contaminated matrices, also with a multidisciplinary approach.
Contents
1. Processes and microorganisms involved in the transformations of elements
2. Microbial metabolism and redox conditions
3. Processes and microorganisms involved in the degradation of hydrocarbons
4. Characterization and monitoring of bacterial communities
5. Characterization and biological treatment of sites contaminated by hydrocarbons
6. Technical visits to biological treatment plant
7. Teamwork
Detailed program
1. Processes and microorganisms involved in the transformations of elements
The biological cycle of carbon: phototrophy / chemotrophy; autotrophy / heterotrophy. The biological cycle of nitrogen; nitrification and denitrification processes. The biological cycle of sulfur. Microbial reduction and oxidation of iron.
2. Microbial metabolism and redox conditions
Main electron acceptors in microbial metabolism. Dependence of microbial metabolism on the redox potential. Determination of redox conditions and availability of electron acceptors in an aquifer.
3. Processes and microorganisms involved in the degradation of hydrocarbons
Main pathways of aerobic degradation of aliphatic, mono- and polyaromatic hydrocarbons and enzymes involved. Main pathways of anaerobic degradation of aliphatic, mono- and polyaromatic hydrocarbons and enzymes involved. Degradation and cometabolism processes of halogenated organic compounds.
4. Characterization and monitoring of bacterial communities
Quantification methods. Cultivation techniques and isolation of microbial strains. Classical techniques for strain identification. Microbial taxonomy. Molecular techniques for identification of isolates. Community characterization and monitoring molecular techniques: fingerprinting; high-throughput sequencing; in situ methods. Evaluation methods of in situ microbial activity.
5. Characterization and biological treatment of sites contaminated by hydrocarbons
Operating procedures for the characterization of contaminated sites; risk analysis. Biological approaches to the treatment of contaminated matrices: biostimulation and bioaugmentation; screening and feasibility tests. Bioremediation technologies for soil and unsaturated zone (landfarming, biopiles, bioreactors, bioventing). Bioremediation technologies of the saturated zone (biosparging, biobarriers). Innovative bioremediation technologies: bioelectrochemical systems. Monitored Natural Attenuation.
Prerequisites
Basic knowledge of Microbiology
Teaching form
Classroom lectures and practical cases supported by PowerPoint presentations (40 h). Visit to an ex-situ biological treatment plant (half day). Teaching material will be made available to students through e-learning. A teamwork activity will also be proposed for designing a monitoring plan and a biological remediation intervention.
Textbook and teaching resource
Slides available at the e-learning platform of the course.
Textbook.
Microbiologia ambientale ed elementi di ecologia microbica; Barbieri, Bestetti, Galli, Zannoni – CEA, 2008 (available in the library).
Reference books:
Brock biologia dei microrganismi: microbiologia generale, ambientale e industriale; Madigan, Martinko et al. – Pearson, 2016 (available in the library).
Ground-water microbiology and geochemistry; Chapelle – John Wiley & sons, 2001 (available from the teacher).
Bonifica di siti contaminati; Bonomo – McGraw-Hill, 2005 (available from the teacher).
Wastewater engineering. Treatment and reuse; Metcalf & Eddy – McGraw-Hill, 2004 (available from the teacher).
Compost ed energia da biorifiuti; Vismara, Grosso, Centemero – Dario Flaccovio Editore, 2009 (available from the teacher).
Semester
First semester
Assessment method
Oral examination: general questions on the topics covered during the lectures. The students must demonstrate to be able to clearly expose the acquired knowledge, demonstrating their complete understanding and language properties.
Office hours
By e-mail appointment
