Integrating statistical modelling and microbial bioremediation for sustainable polluted soil management: Pseudomonas-based strategies within a circular economy framework

This PhD research was developed within Mission 2, Component 1 (M2C1) of the Italian National Recovery and Resilience Plan (PNRR), focused on efficient waste management and the circular economy transition. The study was motivated by the increasing occurrence of illegally dumped urban and industrial waste in several areas of Southern Italy, particularly in the province of Foggia. Such uncontrolled disposal practices have led to the accumulation of heavy metals and other pollutants in soils, severely compromising soil quality, biodiversity, and ecological functions. These contaminated areas represent a tangible consequence of inefficient waste management and highlight the need for sustainable remediation strategies within a circular economy framework. The main objective of the work was to design a holistic model for the sustainable management and restoration of soils impacted by illegal waste dumping, integrating statistical modelling and microbial biotechnologies. The research includes four complementary studies that progressively connect ecotoxicological assessment, microbial characterization, and functional validation of bioremediation strategies. The first study consists of a systematic literature review (PRISMA 2020) focused on microbial heavy-metal bioremediation, especially by Pseudomonas spp. The analysis of 41 recent papers (2022–2025) revealed the lack of standardized methodologies and emphasized the need for quantitative models correlating metal contamination with microbial responses. Based on these findings, a new integrated statistical index (SPERI – Standardized Potential Ecological Risk Index) was developed to evaluate soil ecological risk by combining chemical and microbiological data. Applied to soils contaminated by illegally dumped waste in the Foggia area, SPERI provided a standardized classification framework and demonstrated strong correlations between heavy metal concentration and microbiota composition. Subsequently, one hundred indigenous Pseudomonas isolates were obtained from the same sites and screened for phenotypic, enzymatic, and tolerance traits under multiple chemical and environmental stresses. This analysis revealed a high degree of functional variability and the presence of strains naturally selected for multi-metal resistance. The most promising isolates were further tested for metal removal efficiency (Cu, Pb, Cr) and identified through 16S rRNA sequencing. Several strains achieved removal rates between 70 and 90%, confirming their potential use as biological agents in sustainable soil bioremediation. Taken together, these studies form a coherent and interconnected framework that translates theoretical evidence into applied outcomes. The result is a circular environmental management model that integrates risk assessment, microbial adaptation, and biotechnological application to foster the ecological regeneration of soils contaminated by illegal waste dumping, fully consistent with the sustainability goals and innovation principles of the PNRR M2C1.

Questo progetto di dottorato è stato sviluppato nell’ambito della Missione 2, Componente 1 (M2C1) del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR), dedicata alla gestione efficiente dei rifiuti e alla transizione verso un’economia circolare. Il lavoro nasce dalla crescente diffusione di abbandoni incontrollati di rifiuti urbani e industriali in diverse aree dell’Italia meridionale, in particolare nella provincia di Foggia. Queste pratiche illecite hanno determinato l’accumulo di metalli pesanti e altri contaminanti nei suoli, compromettendo in modo significativo la qualità del suolo, oltre che la sua biodiversità e le relative funzioni ecologiche. Le aree contaminate rappresentano una conseguenza concreta delle criticità nella gestione dei rifiuti e rendono evidente la necessità di strategie di risanamento sostenibili, in linea con i principi dell’economia circolare. L’obiettivo principale del lavoro è stato la definizione di un modello olistico per la gestione sostenibile e il ripristino dei suoli impattati dall’abbandono illecito di rifiuti, integrando modellazione matematica e tecniche statistiche multivariate con biotecnologie microbiche. La tesi è composta di quattro studi complementari che collegano progressivamente la valutazione ecotossicologica, la caratterizzazione microbica e la validazione funzionale di strategie di biorisanamento. Nel loro insieme, questi elementi concorrono a valorizzare i siti contaminati da rifiuti prescindendo dalla logica di considerarli semplici passività ambientali, usandoli, al contrario, come serbatoi di risorse biologiche utili alla loro stessa rigenerazione, in un’ottica di gestione e valorizzazione circolare del rifiuto. Il primo studio consiste in una revisione sistematica della letteratura secondo le linee guida PRISMA 2020, focalizzata sul biorisanamento microbico di metalli pesanti, con particolare attenzione al genere Pseudomonas. L’analisi di 41 articoli recenti (2022–2025) ha evidenziato la mancanza di metodologie standardizzate e la necessità di modelli quantitativi in grado di correlare i livelli di contaminazione metallica con le risposte microbiche. Sulla base di queste evidenze, è stato sviluppato un nuovo indice statistico integrato (SPERI – Standardized Potential Ecological Risk Index) per valutare il rischio ecologico dei suoli combinando dati chimici e microbiologici. Lo SPERI, applicato ai suoli contaminati da rifiuti abbandonati illegalmente nell’area di Foggia per una prima valutazione di efficacia, ha fornito una classificazione standardizzata e ha mostrato forti correlazioni tra concentrazioni di metalli pesanti e composizione del microbiota. Successivamente sono stati isolati cento ceppi autoctoni di Pseudomonas provenienti dagli stessi siti e sottoposti a screening fenotipico, enzimatico e di tolleranza in condizioni di stress chimico e ambientale. L’analisi ha evidenziato un’elevata variabilità funzionale e la presenza di ceppi naturalmente selezionati per la resistenza multi-metallo. I ceppi più promettenti sono stati poi testati per l’efficienza di rimozione di metalli (Cu, Pb, Cr) e identificati mediante sequenziamento del gene 16S rRNA. Diversi isolati hanno raggiunto percentuali di rimozione comprese tra il 70 e il 90%, confermandone il potenziale impiego come agenti biologici per il biorisanamento sostenibile dei suoli. Complessivamente, questi studi costituiscono un quadro coerente e integrato che traduce l’evidenza teorica in applicazioni pratiche. Il risultato è un modello di gestione ambientale circolare che unisce valutazione del rischio, adattamento microbico e applicazione biotecnologica per favorire la rigenerazione ecologica dei suoli contaminati da abbandono illecito di rifiuti, in linea con gli obiettivi di sostenibilità e con i principi di innovazione della M2C1 del PNRR.