SOLUZIONI INNOVATIVE E SOSTENIBILI PER LA GESTIONE DEL SUOLO NELLE AREE MARGINALI

The intensification of agricultural and agro industrial activities has led to a growing accumulation of organic contaminants in soils and water bodies, creating an urgent need for sustainable strategies to mitigate their presence particularly in marginal areas. In this context, this PhD thesis investigates the potential of several biosorbents derived from residual biomasses, including digestate from olive pomace (DG), gasification biochar (BC) and untreated agro-industrial wastes as orange peels (OP), olive stones (OS), pistachio shells (PS), spent Pleurotus eryngii substrate (SPS) and wheat straw for the removal of CECs from aqueous matrices and soil. These materials, when applied to the soil, can counteract the ongoing decline of organic matter and improve the physical, chemical and biological fertility of the soil. Due to their properties such as the high carbon content, the porosity and presence of active surface functional group these materials have also the ability to modulate the bioavailability of both nutrients and xenobiotic chemical compounds in the soil. DG obtained exclusively from olive pomace exhibited a remarkable capacity to adsorb the pesticides boscalid and oxyfluorfen, significantly enhancing soil retention and modulating the growth of phytopathogenic fungi such as Armillaria Mellea, Fusarium culmorum and Verticilium dahliae, with species dependent effects. OP, OS and PS showed high efficiency in removing herbicides, insecticides, and bisphenol A, with adsorption kinetics best described by Pseudo-second order model that indicate a chemisorption and isotherms best represented by the Freundlich model that indicate an adsorption on a heterogeneous surface. High temperature gasification BC, demonstrated excellent performance in adsorbing boscalid, reducing its leaching in soil columns and stimulating early root growth in horticultural species. SPS outperformed WS in the removal of metalaxyl M and cycloxydim, owing to fungal induced modifications of the lignocellulosic matrix. Finally, BC applied to different wastewater matrices (municipal, agro industrial, and dairy) enabled the removal of over 90% of CECs, produced dose dependent reductions in PFAS, and markedly decreased phytotoxicity, significantly improving seed germination and seedling development. Overall, the findings demonstrate that biosorbents derived from agricultural residues are effective, versatile, and low cost tools for the mitigation of organic contaminants, while simultaneously promoting circular economy approaches. Their application can substantially contribute to water protection, soil health, and the transition toward more sustainable agro-environmental systems.

L’intensificazione delle attività agricole e agro-industriali ha determinato un crescente accumulo di contaminanti organici nei suoli e nei corpi idrici, creando un’urgente necessità di strategie sostenibili per mitigarne la presenza, in particolar modo nelle aree marginali. In questo contesto, la presente tesi di dottorato ha investigato il potenziale di diversi bioadsorbenti derivati da biomasse residuali, tra cui digestato da sansa di oliva (DG), biochar da gassificazione (BC) e residui agro-industriali non trattati quali bucce d’arancia (OP), noccioli di oliva (OS), gusci di pistacchio (PS), substrato esausto di Pleurotus eryngii (SPS) e paglia di grano, per la rimozione di contaminanti emergenti (CECs) da matrici acquose e suolo. Questi materiali, quando applicati al suolo, possono contrastare il progressivo declino della sostanza organica e migliorare la fertilità fisica, chimica e biologica del terreno. Grazie alle loro proprietà, quali l’elevato contenuto di carbonio, la porosità e la presenza di gruppi funzionali attivi sulla superficie, tali materiali sono inoltre in grado di modulare la biodisponibilità sia dei nutrienti sia dei composti xenobiotici nel suolo. Il digestato (DG) ottenuto esclusivamente da sansa di oliva ha mostrato una notevole capacità di adsorbire i pesticidi boscalid e oxyfluorfen, incrementandone significativamente la ritenzione nel suolo e modulando la crescita di funghi fitopatogeni quali Armillaria mellea, Fusarium culmorum e Verticillium dahliae, con effetti dipendenti dalla specie. Le bucce d’arancia (OP), i noccioli di oliva (OS) e i gusci di pistacchio (PS) hanno evidenziato un’elevata efficienza nella rimozione di erbicidi, insetticidi e bisfenolo A; la cinetica di adsorbimento è risultata meglio descritta dal modello di pseudo-secondo ordine, indicativo di un processo di chemisorbimento, mentre le isoterme sono state meglio rappresentate dal modello di Freundlich, suggerendo un’adsorbimento su superfici eterogenee. Il biochar (BC) prodotto a elevate temperature di gassificazione ha dimostrato eccellenti prestazioni nell’adsorbimento del boscalid, riducendone la lisciviazione in colonne di suolo e stimolando la crescita radicale precoce in specie orticole. Il substrato esausto di Pleurotus eryngii (SPS) ha superato la paglia di frumento (WS) nella rimozione di metalaxyl-M e cycloxydim, grazie alle modificazioni della matrice lignocellulosica indotte dall’attività fungina. Infine, l’applicazione del biochar a diverse matrici di refluo (civili, agro-industriali e caseari) ha consentito la rimozione di oltre il 90% dei contaminanti emergenti, ha prodotto riduzioni dose-dipendenti dei PFAS e ha ridotto in modo marcato la fitotossicità, migliorando significativamente la germinazione dei semi e lo sviluppo dei germinelli. Nel complesso, i risultati dimostrano che i bioadsorbenti derivati da residui agricoli rappresentano strumenti efficaci, versatili e a basso costo per la mitigazione dei contaminanti organici, promuovendo al contempo approcci di economia circolare. La loro applicazione può contribuire in modo sostanziale alla tutela delle risorse idriche, alla salute del suolo e alla transizione verso sistemi agro-ambientali più sostenibili.