Biochar e Bentonite: La Coppia Vincente per Bloccare il Cadmio nel Suolo?

Ciao a tutti gli appassionati di scienza e ambiente! Oggi voglio parlarvi di un problema serio che affligge i nostri suoli agricoli: la contaminazione da elementi potenzialmente tossici (PTEs), e in particolare di uno dei più insidiosi, il cadmio (Cd). Immaginate questo metallo pesante, invisibile ma dannoso, che si accumula nel terreno a causa di attività industriali, traffico, e pratiche agricole non proprio sostenibili. Non solo riduce la fertilità del suolo e la produttività delle colture, ma può entrare nella catena alimentare, mettendo a rischio la nostra salute. Un bel grattacapo, vero?

Ma non temete, la scienza non sta a guardare! Esistono diverse tecniche per “ripulire” o, meglio, “mettere in sicurezza” i suoli contaminati. Una delle strategie più promettenti è la stabilizzazione chimica: in pratica, aggiungiamo al terreno delle sostanze capaci di “catturare” il cadmio, rendendolo meno mobile e quindi meno disponibile per le piante (e per noi!). Tra questi “supereroi” del suolo, due mi hanno sempre affascinato: il biochar e le argille minerali come la bentonite.

Il Biochar: Un Carbone Vegetale Pieno di Sorprese

Il biochar è fondamentalmente carbone vegetale ottenuto dalla pirolisi (cottura in assenza o quasi di ossigeno) di biomasse di scarto, come fondi di caffè o rifiuti solidi urbani. È un materiale fantastico: poroso, con un’ampia superficie, e ricco di gruppi funzionali che possono “aggrapparsi” ai metalli pesanti. Pensate a una spugna super-assorbente a livello microscopico!

Negli ultimi anni, si è pensato: e se potenziassimo ancora di più il biochar? Una tecnica comune è la modifica con acido fosforico (H3PO4). L’idea è di aumentare i siti di adsorbimento disponibili, modificare la carica superficiale e la porosità per renderlo ancora più efficace nel catturare metalli come il cadmio. Sembra logico, no? Più “braccia” ha il nostro biochar, più cadmio dovrebbe riuscire a trattenere. Ma sarà davvero così semplice?

La Bentonite: Un’Argilla Comune ma Potente

Accanto al biochar, abbiamo la bentonite. È un’argilla molto comune (in Iran, dove è stato condotto lo studio che vi racconto, è abbondante ed economica), nota per la sua capacità di scambiare cationi e adsorbire metalli grazie alle sue cariche superficiali permanenti. Un altro ottimo candidato per aiutarci nella nostra missione anti-cadmio.

L’Unione Fa la Forza? Biochar + Bentonite al Test

Qui arriva il bello. Molti studi hanno dimostrato che usare più “amendanti” (cioè queste sostanze che aggiungiamo al suolo) insieme può essere più efficace che usarli singolarmente. Ma cosa succede quando mettiamo insieme biochar (sia quello “normale” che quello modificato con acido fosforico) e bentonite in un suolo calcareo contaminato da cadmio? Questa era la domanda chiave di una ricerca specifica che ho seguito con grande interesse. C’era un vuoto di conoscenza proprio su questa combinazione, specialmente riguardo al biochar modificato e alla bentonite in terreni calcarei, che sono molto diffusi in diverse parti del mondo, Italia inclusa.

Abbiamo quindi preso un suolo calcareo tipico del sud dell’Iran, lo abbiamo contaminato artificialmente con una dose nota di cadmio (50 mg per kg di suolo – una quantità significativa) e poi abbiamo aggiunto diverse combinazioni:

• Controllo (solo suolo contaminato)
• Solo Bentonite a diverse dosi (1% e 2% in peso)
• Solo Biochar (2% in peso), sia da fondi di caffè (G) che da rifiuti solidi urbani (M)
• Solo Biochar modificato con H3PO4 (GH e MH, sempre al 2%)
• Combinazioni di Bentonite (1% o 2%) e ciascun tipo di Biochar (G, GH, M, MH)

Abbiamo lasciato “maturare” questi campioni per 90 giorni in condizioni controllate, simulando un po’ quello che succede in campo, e poi siamo andati a vedere cosa era successo al cadmio.

Risultati Sorprendenti: Non Sempre Modificato è Meglio!

E qui arriva la prima sorpresa. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, in questo specifico contesto (suolo calcareo!), i biochar non modificati (G e M) si sono rivelati generalmente più efficaci nel bloccare il cadmio rispetto a quelli modificati con acido fosforico (GH e MH). Perché? La spiegazione più probabile risiede nel pH del suolo. I biochar non modificati, specialmente quello da rifiuti urbani (M) che aveva un contenuto di ceneri molto alto, tendevano ad aumentare leggermente il pH del suolo. In un ambiente più alcalino, il cadmio tende a precipitare, formando composti insolubili e quindi meno mobili. I biochar modificati con acido, invece, erano più acidi e non riuscivano ad alzare il pH del suolo, anzi!

L’Importanza delle Frazioni Chimiche del Cadmio

Per capire meglio, abbiamo analizzato come il cadmio si distribuiva in diverse “frazioni” chimiche nel suolo, dalla più mobile (solubile in acqua e scambiabile – WsEx, la più pericolosa perché subito disponibile per le piante) alla più stabile (legata agli ossidi di ferro-manganese – FeMnOx, o addirittura intrappolata nella struttura minerale – Res).
L’obiettivo è spostare il cadmio dalla frazione WsEx verso quelle più stabili.

Ebbene, il trattamento che ha funzionato meglio in assoluto è stata la combinazione di biochar da rifiuti urbani (M) con il 2% di bentonite (B2). Questo mix ha ridotto significativamente la frazione più mobile (WsEx) e ha spostato il cadmio verso le frazioni più stabili (FeMnOx e Res). L’aumento del pH e dei livelli di fosforo nel suolo grazie a questa combinazione sembra essere la chiave di questo successo. Probabilmente si sono formati composti insolubili di cadmio (precipitazione/sedimentazione).

Un Effetto Inatteso: Quando la Combinazione Non Funziona

Ma attenzione, non tutte le combinazioni sono state vincenti. Quando abbiamo usato il biochar da fondi di caffè (G) insieme alla bentonite (B1 o B2), abbiamo osservato un effetto quasi opposto! La concentrazione di cadmio nella frazione mobile (WsEx) è addirittura aumentata rispetto all’uso del solo biochar G. Un effetto antagonista inaspettato. Sembra che in questo caso, la bentonite possa aver rilasciato ioni (come il sodio) che hanno “scalzato” il cadmio adsorbito dal biochar G, rimettendolo in circolo. Questo ci insegna che non si può generalizzare: la sinergia tra materiali dipende molto dalle loro specifiche proprietà e da quelle del suolo.

La Prova del Nove: Quanto Cadmio Viene Rilasciato nel Tempo?

Per confermare i risultati, abbiamo fatto un ulteriore test: abbiamo provato a “estrarre” il cadmio dai campioni di suolo trattati usando una soluzione di EDTA (un agente che “acchiappa” i metalli) per 24 ore, misurando quanto ne veniva via a intervalli regolari. Questo simula una sorta di “stress” chimico e ci dice quanto tenacemente il cadmio è trattenuto.
Ancora una volta, la combinazione M + B2 è risultata la migliore: ha rilasciato la minor quantità di cadmio nel tempo e ha mostrato la velocità di rilascio iniziale più bassa. Analizzando le curve di rilascio (cinetiche di desorbimento), abbiamo visto che il modello matematico “power function” descriveva bene il processo, indicando che il rilascio avviene da siti con diverse energie di legame – prima viene via quello legato più debolmente, poi quello più tenace. Il trattamento M+B2 ha mostrato i parametri cinetici più favorevoli, indicando una immobilizzazione più forte e duratura.

Cosa ci Portiamo a Casa?

Quindi, cosa abbiamo imparato da questo affascinante esperimento?

• Non sempre modificare è meglio: In terreni calcarei, i biochar non modificati (soprattutto da rifiuti urbani, M) possono essere più efficaci di quelli modificati con H3PO4 per immobilizzare il cadmio, principalmente grazie alla loro capacità di aumentare il pH del suolo e favorire la precipitazione.
• La coppia M+B2 vince: La combinazione di biochar da rifiuti solidi urbani (M) al 2% e bentonite al 2% (B2) è risultata la strategia più efficace e stabile per ridurre la mobilità e il rilascio di cadmio in questo tipo di suolo. Il meccanismo principale sembra essere la precipitazione/sedimentazione favorita dall’aumento del pH.
• Attenzione alle interazioni: Non tutte le combinazioni funzionano. Il biochar da fondi di caffè (G) e la bentonite hanno mostrato un effetto antagonista, aumentando la mobilità del cadmio. La scelta dei materiali è cruciale!
• Meccanismi diversi: Mentre i biochar non modificati sembrano funzionare principalmente tramite precipitazione in ambiente alcalino, quelli modificati con acido fosforico probabilmente immobilizzano il cadmio più attraverso la formazione di complessi con i gruppi funzionali superficiali (come gruppi fosfato e carbossilici) e la formazione di compositi con gli ossidi di ferro-manganese del suolo.

Certo, questo è uno studio di laboratorio. Il prossimo passo fondamentale sarà verificare questi risultati sul campo, nel lungo periodo e con la presenza di piante, per vedere se l’effetto benefico si mantiene e se si traduce effettivamente in un minor assorbimento di cadmio da parte delle colture. Sarebbe anche interessante testare queste combinazioni su suoli non calcarei per vedere se i risultati cambiano.

La ricerca sulla bonifica dei suoli è in continua evoluzione, e ogni studio aggiunge un tassello importante. Trovare soluzioni sostenibili ed economiche come l’uso combinato di biochar da scarti e argille comuni come la bentonite è fondamentale per proteggere i nostri suoli e la nostra salute. Continuiamo a scavare (in senso buono!) per trovare le risposte!

Fonte: Springer