Cos’è l’Ecotossicologia?

È lo studio degli effetti tossici degli inquinanti chimici sugli organismi viventi• Può essere studiata su diverse scale: organismi/popolazione/comunità• I concetti dell’Ecotossicologia sono alla base di qualsiasi valutazione del Rischio Ecologico

Biodisponibilità ed Esposizione

• Il composto chimico per rappresentare effettivamente un rischio per le forme viventi deve trovarsi in una forma “biodisponibile”• Il grado di “biodisponibilità” di uno stesso composto differisce per specie ed in funzione delle condizioni ambientali

Caratteristiche di nocività

• Tossicità per l’uomo• Zootossicità• Fitotossicità• Bioaccumulabilità• Mutagenicità• Teratogenicità• Cancerogenicità

NocivitàAmbientale

MobilitàDegradabilità

Persistenza

Sostanze inquinanti

1. Sostanze acutamente tossiche per l’uomo e per la flora e/o fauna acquatica (Pb, Hg, Cd, pesticidi);

2. Sostanze pericolose per l’uomo e per la flora e/o fauna acquatiche per danni cronici sul lungo termine (IPA, clorofenoli, trialometani);3. Sostanze in concentrazioni ridotte che non sono altamente tossiche ma che possono diventarlo in seguito a trasformazioni biochimiche nell’acqua (metilazione di Hg) o per bioconcentrazione (stagnotrifenile);4. Sostanze che aumentano il carico di BOD nell’acqua o nei sedimenti (scarichi depuratori etc.);5. Sostanze eutrofizzanti (nutrienti, effluenti zootecnia etc.);6. Sostante quali olii, solidi sospesi, tensioattivi;7. Sostanze che hanno un effetto inquinante solo a concentrazioni alte nell’acqua (es. NaCl e Sali minerali);8. Microorganismi patogeni per l’uomo (es. Salmonella. Cholera vibrio etc.).

Definizioni

• Tossicità– La proprietà di alcune sostanze di provocare effetti dannosi nei viventi• Hazard (Rischio)– La tossicità e la probabilità che un sostanza tossica penetri ed eserciti la propria tossicità sull’organismo in certe condizioni specifiche; in alcuni casi una sostanza molto tossica può risultare meno pericolosa di una sostanza meno tossica

Misura della Tossicità

La relazione Dose-Risposta è la misura di quanti individui all’interno di un gruppo relativamente numeroso mostrano di risentire di effetti tossici in corrispondenza di una determinata dose (es. concentrazione per unità di peso) di sostanza.

Tossicità acuta (studi su animali)

Il punto di partenza è la definizione della letalità o Dose Letale per il 50% degli individui (LD50)

• LD50: è la dose letale per il 50% degli animali dopo una determinata dose o una breve esposizione.• LC50: concentrazione (in aria) letale per il 50% degli animali dopo una breve esposizione per inalazione della sostanza particolare.• LD50: permette di mettere a confronto diversi chemicals attraverso la definizione di un unico endpoint (morte degli animali); non dice nulla rispetto agli effetti cronici

L'Artemia salina (Linnaeus, 1758), nota anche come scimmia di mare, è un piccolo crostaceo d'acqua salata. È una specie cosmopolita, che ha sviluppato adattamenti a condizioni di vita estreme che le consentono di colonizzare ambienti ostili quali le pozze delle saline, caratterizzate da alta salinità e da periodica evaporazione dell'acqua.L'essiccamento delle pozze in cui vive è superato grazie alla deposizione di uova durature (cisti), in grado di rimanere in uno stato di quiescenza (criptobiosi) per lunghi periodi - vari anni - fino a quando non si ripresentano condizioni favorevoli al loro sviluppo.

L'Artemia salina si riproduce, in condizioni normali, per via anfigonica, in acqua; quando la salinità dell'acqua supera una certa soglia (identificabile intorno al 4 per mille), la riproduzione avviene per via partenogenetica, con uova incistate criptobiotiche protette da un guscio isostatico rinforzato. Generalmente l'Artemia salina si nutre di fitoplancton e batteri, in pratica di ogni biotipo tra 1 e 50 micron.

Daphnia è un genere di piccoli crostacei cladoceri planctonici. Sono noti comunemente col nome di pulci d'acqua, a causa del loro stile di nuoto. Sono lunghi da 0,2 a 5 mm e vivono all'interno di laghi, stagni, ruscelli e fiumi. Si riproducono per partenogenesi, di solito in primavera e fino alla fine dell'estate. Poche specie di Daphnia si cibano di piccoli crostacei e rotiferi, ma la maggior parte sono filtratrici e si cibano di alghe unicellulari, protozoi e batteri. Si nutrono anche di lievito ma ciò avviene soprattutto in laboratorio o in ambienti controllati.

Scale di tossicità (LD50)

• Estremamente tossiche 1 mg/kg o meno• Altamente tossiche 50 mg/kg• Moderatamente tossiche 50 - 500 mg/kg• Leggermente tossiche 0.5 - 5 gm/kg• Praticamente non-tossiche 5 - 15 gm/kg• Relativamente innocue > 15gm/kg

LD50 Acute (mg/kg) per alcune sostanze

• Ethyl alcohol 10,000• Sodium chloride 4,000• Ferrous Sulfate 1,500• Morphine sulfate 900• DDT 100• Strychnine sulfate 2• Nicotine 1• Tetrodotoxin 0.1• Dioxin 0.001• Botulinus toxin 0.00001

TOSSICITÀ SELETTIVA

Risposte multiple allo stesso composto tossico principalmente dovute a:

– Differenze nella superficie di esposizione– Differenze nell’accumulo– Tassi di trasformazione (“biotransformazione”)– Differenze nei percorsi biochimici

Tossicologia locale e sistemica

• Tossicità locale: sostanze chimiche irritanti (es. HCl, NH3) se inalate producono effetti tossici locali ai polmoni•Tossicità sistemica: molte sostanze tossiche esercitano i loro effetti negativi su organi lontani da quello attraverso il quale è avvenuta l’assimilazione. Solitamente una sostanza tossica è particolarmente nociva su alcuni organi in particolare, che per questo motivo sono detti “organi bersaglio”.

Tossicità immediata e ritardata

• Immediata - HCN, CO, H2S• Ritardata - phosgene (COCl2 dicloroformaldeide), tri-orthocresyl phosphate (TOCP, organofostato usato come pastificante)• Lunga Latenza – molti composti cancerogeni hanno molto spesso un periodo di latenza di 20-30 anni

Tossicità immediata e ritardata

ESPOSIZIONE ACUTA O CRONICAACUTA – una singola o parecchie esposizioni concentrate in un breve periodo di tempoCRONICA – ripetute o continue esposizioni su un lungo periodo di tempo

EFFETTI ACUTI E CRONICIGli effetti acuti sono generalmente indotti da alte elevate dell’agente tossico e solitamente sono diversi dagli effetti prodotti dall’esposizione cronica

Frequenza e Durata dell’Esposizione

• La frequenza e la durata dell’esposizione sono importanti per capire se dei fenomeni di detossificazione e/o di eliminazione sono in grado di avvenire nel periodo compreso tra due esposizioni• L’esposizione ad un chemical per due giornate lavorative di 12 ore non sono equivalenti a 3 esposizioni consecutive della durata di 8 ore

Esempi di Sostanze tossiche

1. Irritanti2. Asfissianti3. Narcotizzanti4. Epatotossici5. Nefrotossici6. Neurotossici7. Tossici ematopoietici8. Agenti Fibrogenici9. Agenti Sensibilizzanti10. Mutageni11. Cancerogeni12. Teratogeni

Vie di Assorbimento/Esposizione

Reagenti di un Laboratorio possono venire assorbiti:– attraverso le vie respiratorie (polmoni)– attraverso la pelle– attraverso il tratto gastrointestinale

Meccanismi di Tossicità

• Le sostanze chimiche assorbite possono agire sia come tossici di tipo sistemico per l’intero organismo, oppure possono attaccare organi (target) specifici.• Differenze nei meccanismi possono essere dovute a:1. Differenze nelle caratteristiche chimiche che ne condizionano la capacità di attraversare le membrane cellulari2. Solubilità differente nei diversi tessuti 3. Vie preferenziali sanguigne verso tessuti specifici4. Differenze nelle reattività chimiche

BIOTRANSFORMAZIONE

• Le trasformazioni chimiche che avvengono negli organismi possono dare origine a composti “figli” più o meno tossici

• alcol etilico viene detossificato dall’ossidazione a gruppo aceticilico che può essere “inserito” nel normale corso del metabolismo cellulare (ciclo dell’acido citrico)• l’alcol metilico (metanolo) ossidato dallo stesso enzima dà origine alla formaldeide che è più tossica dell’alcol di partenza.• la velocità di queste trasformazioni metaboliche cambia da individuo ad individuo e da specie a specie (Tossicità Selettiva).

Meccanismi di Escrezione

L’organismo può eliminare le sostanze chemiche per mezzo di:1. Aria espirata (polmoni)2. Urina (reni)3. Feci (escrezione biliare)4. Latte materno5. Capelli, unghie6. Sudore, saliva

Molte sostanze chimiche possono attraversare la parete della placenta ed “entrare” nella circolazione del feto

MISURE del Rischio da Tossicità (TOXIC HAZARD)

• La LD50 (Dose Letale per il 50% degli individui) non è molto utile nelquantificare il rischio determinato da un’esposizione cronica• Per misurare il rischio da esposizione associato a sostanze presenti nell’aria che respiriamo ci si basa sulle misure di concentrazione della sostanza nell’aria stessa

Tossicologia ed Ecotossicologia

THE AMERICAN CONFERENCE OF GOVERNMENTAL INDUSTRIAL HYGIENISTS (ACGIH)

Limiti di EsposizioneTLV (Threshold Limit Value)La concentrazione di un contaminante in aria alla quale la maggior parte dei lavoratori possono venire esposti per 8 ore al giorno senza presentare alcun segno significativo di effetti avversiTLV-TWA (Time Weighted Average) (Media oraria pesata)TLV-STEL (Short Term Exposure Limit) (Esposizione acuta)TLV-C (Threshold Limit Value - Ceiling) (Esposizione massima)

NOEC e NOAECNo Observed Effect e No Observed

Adverse Effect Concentrations

Sono gli endpoint corrispondenti alla concentrazione LC50 nel caso di tossicitàcronica.– Generalmente si prendono come riferimento dei parametri fisiologici e/o riproduttivi (es. vel. di nuoto, tasso respiratorio, parametri indicativi delmetabolismo) dell’organismo utilizzato nei test e se ne confrontano statisticamente i valori rispetto ad un gruppo di controllo.

Con il termine di Biomonitoraggio si intende il monitoraggio dell'inquinamento mediante organismi viventi.

Le principali tecniche di biomonitoraggio consistono nell'uso di organismi: Bioaccumulatori: organismi in grado di sopravvivere in presenza di inquinanti

che accumulano nei loro tessuti.

Bioindicatori: organismi che subiscono variazioni evidenti nella fisiologia, nella morfologia o nella distribuzione spaziale sotto l'influsso delle sostanze presenti nell'ambiente.

Il biomonitoraggio, rispetto alle tecniche analitiche tradizionali, ha il vantaggio di fornire stime degli effetti inquinanti sugli esseri viventi.

BIOMONITORAGGIO E MISURE STRUMENTALI

I bioindicatori possono mettere in evidenza alterazioni causate da diversi fattori: la risposta di un bioindicatore a una perturbazione deve essere quindi interpretata e valutata in quanto sintetizza l’azione sinergica di tutte le componenti ambientali. Tramite il biomonitoraggio è possibile quindi rilevare gli effetti di impatti non evidenti quali la presenza cronica di sostanze inquinanti non individuabili separatamente tramite le analisi strumentali. Il biomonitoraggio fornisce tuttavia stime indirette che hanno una minore oggettività delle misure strumentali: ad esempio, un bioindicatore può adattarsi all’inquinamento attivando meccanismi di espulsione rapida delle sostanze tossiche, falsando così il risultato dell’analisi. Le attività di monitoraggio devono quindi tener conto dell’eventuale dinamismo interno del bioindicatore, della sua velocità di risposta allo stimolo sotto monitoraggio e delle eventuali fluttuazioni nel tempo del fattore di stress. 

BIOMONITORAGGIO DELLA QUALITÀ DELL’ARIA

Il biomonitoraggio della qualità dell'aria si basa sulla valutazione degli effetti prodotti dall'inquinamento atmosferico sugli organismi e sulle loro comunità . Gli organismi possono essere impiegati nel monitoraggio della qualità dell'aria sia come bioindicatori (piante vascolari, muschi e pollini), sia come bioaccumulatori (piante vascolari, licheni, muschi e pollini). Le tecniche di misura basate sulle categorie di organismi comunemente utilizzati sono:

Piante vascolari Muschi Licheni Aeroplancton ed altri organismi

INQUINAMENTO ATMOSFERICO

Con il termine generico di inquinamento atmosferico si indica il degrado dell’aria causato dall’immissione di sostanze che ne alterano le naturali caratteristiche chimico-fisiche. Queste sostanza producono effetti sull’essere umano, sulla vegetazione o sui diversi materiali e di solito non sono presenti nella normale composizione dell’aria, oppure lo sono ad un livello di concentrazione inferiore.

Gli inquinanti vengono generalmente distinti in due gruppi principali:

ANTROPICI cioè prodotti dall’uomo.

NATURALI

CONTAMINANTI ATMOSFERICI

I contaminanti atmosferici possono anche essere classificati in primari, cioè liberati direttamente nell’ambiente, e secondari, che si formano successivamente in atmosfera attraverso delle reazioni chimico-fisiche.

I principali inquinanti primari sono quelli emessi da processi di combustione di qualsiasi natura, ovvero il monossido di carbonio, il biossido di carbonio, gli ossidi d’azoto, le polveri e gli idrocarburi incombusti. Tali inquinanti sono soggetti a fenomeni di diffusione e trasporto e subiscono trasformazioni chimico-fisiche; di queste ultime particolarmente importante è la serie di reazioni che avvengono fra gli ossidi di azoto (NOx) e gli idrocarburi in presenza di luce solare. Questa catena di reazioni, infatti, porta alla produzione di ozono (O3) e di altre specie chimiche anche in fase particellare.

L’insieme dei prodotti di tali reazioni è una delle forme di inquinamento più dannose per l’ecosistema ed è nota come smog fotochimico o smog estivo. 

FONTI DI INQUINAMENTO

L’inquinamento atmosferico maggiore è quello che l’uomo produce per soddisfare le proprie necessità civili ed industriali.

Anche se è l’inquinamento originato dall’uomo è quello che risulta più imputato nel peggioramento della qualità dell’aria, non bisogna dimenticare l’importanza dell’inquinamento di origine naturale.

INQUINANTI DELL’ ARIA Gli inquinanti naturali dell’aria sono sempre stati parte della

storia dell’uomo.

Le polveri e i vari gas emessi dai vulcani, dagli incendi delle foreste e dalla decomposizione dei composti organici entrano in atmosfera ad intervalli più o meno regolari e in qualche caso a livelli che possono causare degli effetti negativi a carico del clima.

In ogni caso bisogna sottolineare che gli inquinanti naturali non rappresentano necessariamente un serio problema come possono esserlo gli inquinanti generati dalle attività umane perché risultano spesso notevolmente meno pericolosi dei composti prodotti dall’uomo e non si concentrano mai sulle grandi città.

PRINCIPALI INQUINANTI ATMOSFERICI

I composti chimici che causano l’inquinamento dell’aria sono numerosi e con effetti diversificati sulla salute dell’uomo e sull’ambiente urbano. Tra questi i principali sono: il biossido di zolfo (SO2), gli ossidi di azoto (NOx), il monossido di carbonio (CO), l'ozono, il benzene, gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), le polveri, il piombo e altri metalli pesanti.

SORGENTI DI INQUINAMENTO

Le sorgenti naturali di biossido di zolfo comprendono i vulcani, le decomposizioni organiche e gli incendi delle foreste. Le sorgenti naturali di ossidi di azoto includono i vulcani, gli oceani, le decomposizioni organiche e l’azione dei fulmini.

L’inquinamento dell’aria di origine antropogenica si sprigiona dalle grandi sorgenti fisse (industrie, impianti per la produzione di energia elettrica ed inceneritori); da piccole sorgenti fisse (impianti per il riscaldamento domestico) e da sorgenti mobili (il traffico veicolare). Molte di queste sorgenti sono strettamente legate alla produzione e dal consumo di energia, specialmente combustibili fossili.

BIOSSIDI DI ZOLFOLe principali sorgenti di biossidi di zolfo (SOx) sono gli impianti di produzione di energia, gli impianti termici di riscaldamento, alcuni processi industriali e in minor misura, il traffico veicolare, con particolare riferimento ai motori diesel. C’è anche una fonte naturale di emissione: i vulcani.

Gli SOx possono essere considerati uno dei principali agenti del processo di acidificazione dell’atmosfera, con effetti negativi sia sull’ecosistema sia sui monumenti e i manufatti.

OSSIDI DI AZOTO Gli ossidi di azoto (NOx) si formano

principalmente dai processi di combustione che avvengono ad alta temperatura. Le principali sorgenti di ossidi d’azoto (NOx, NO2) sono gli impianti di riscaldamento civile e industriale, il traffico autoveicolare, le centrali di produzione di energia ed un ampio raggio di processi industriali. Gli ossidi di azoto contribuiscono ai fenomeni di eutrofizzazione, allo smog fotochimico e sono composti che causano la formazione di inquinanti secondari come ozono e particolato fine secondario e alle piogge acide.

MONOSSIDO DI CARBONIO La principale sorgente di CO è

rappresentata dai gas di scarico dei veicoli a benzina. Altre sorgenti sono la combustione in impianti di riscaldamento alimentati con combustibili solidi, liquidi e gassosi ed i processi industriali come la produzione dell’acciaio, della ghisa e la raffinazione del petrolio. Il monossido di carbonio può provocare insufficienza respiratoria. I soggetti più a rischio sono i bambini perché il CO tende a depositarsi a livello del terreno.

OZONO

L’ozono è di origine sia antropica che naturale ed è un inquinante secondario cioè si produce per effetto della radiazione solare in presenza di inquinanti primari quali gli ossidi d’azoto (NOx) e i composti organici volatili (COV).

Il complesso dei fenomeni che porta a elevate concentrazioni di ozono viene denominato 'smog fotochimico'.

PM10 E BENZENE Con il termine PM10 si indica una frazione delle

polveri sottili. Particelle così piccole sono capaci di entrare

nell’apparato respiratorio, neutralizzando tutte le difese e i tentativi del corpo umano di farle uscire. Una volta entrate nei polmoni possono quindi arrivare, e stazionare a tempo indeterminato, fino al livello degli alveoli polmonari, dove avviene lo scambio di ossigeno e anidride carbonica nel sangue. In questa posizione possono provocare il cancro.

Le emissioni di benzene derivano principalmente dall’uso della benzina nei trasporti, sia come prodotto di combustione sia di evaporazione, in secondo luogo da alcuni processi produttivi e dai sistemi di stoccaggio e distribuzione dei carburanti. L’alto indice di motorizzazione dei centri urbani e la accertata cancerogenicita' fa del benzene uno dei più importanti inquinanti nelle aree metropolitane.

BIOMONITORAGGIO MEDIANTE L’UTILIZZO DI LICHENI

I licheni sono organismi simbionti composti da un fungo ascomicete, e da un’alga verde e/o un cianobatterio. La simbiosi tra alga e fungo risulta vantaggiosa per entrambi gli organismi: il fungo usufruisce delle sostanze organiche prodotte dalla fotosintesi dell’alga che riceve dal fungo protezione, acqua e sali minerali.

I licheni sono in grado di colonizzare gli ambienti molto diversi anche in condizioni di vita estreme, dove, da soli, fungo e alga non potrebbero sopravvivere. Attualmente, l’utilizzo dei licheni come biomonitor è molto diffuso sia come bioindicatori come bioaccumulatori sfruttando la loro capacità di accumulare inquinanti aerodispersi.

I LICHENI COME BIOINDICATORI

I licheni possiedono caratteristiche peculiari che li rendono adatti all'impiego come bioindicatori:

sensibilità agli agenti inquinanti (mancando di una cuticola superficiale e di aperture stomatiche, gli scambi con l'atmosfera interessano tutta la superficie);resistenza agli stress ambientali ( variazioni di temperatura, mancanza di acqua);ubiquitarietà riuscendo a crescere ovunque salvo condizioni di inquinamento che ne impediscano lo sviluppo;accrescimento lento e grande longevità

La presenza di sostanze inquinanti nell'aria provoca effetti dannosi sui licheni, ed in particolare col tempo diminuisce il numero di specie. Questa caratteristica è utilizzata per stabilire un indice di qualità dell'aria.

I LICHENI COME BIOACCUMULATORI

La capacità di assorbire e accumulare sostanze inquinanti può essere sfruttata per il monitoraggio dei contaminanti persistenti presenti in atmosfera in bassissime concentrazioni.

Inquinanti come i metalli pesanti, i fluoruri, gli idrocarburi clorurati sono difficilmente rilevabili nell'aria in concentrazioni apprezzabili tramite gli strumenti di analisi e risulta molto difficile studiarne i meccanismi di diffusione nel territorio. Il lichene, funzionando da bioaccumulatore, consente di misurare l'abbondanza relativa di questi inquinanti spesso molto pericolosi e di individuare le aree di maggior deposito al suolo.

Le proprietà che fanno di un lichene un buon bioaccumulatore sono le seguenti:elevata tolleranza alla sostanza in esame.capacità di accumulare la sostanza esaminata in misura indefinita possibilità di definire l'età del tallo lichenico esaminato ( le parti del tallo più vecchie tenderanno ad avere concentrazioni di inquinante più elevate rispetto alle parti più giovani,per cui è opportuno raffrontare porzioni di tallo della stessa età.presenza di molti esemplari di lichene nell'area di studio.

I LICHENI NELLA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DELL’ARIA

I licheni epifiti ( licheni che crescono sulla corteccia degli alberi) rappresentano i biondicatori più utilizzati nella valutazione della qualità dell'aria; questi pur non essendo capaci di discriminare tra i diversi tipi di inquinanti, sono in grado di stimare la qualità complessiva dell'aria risultando sensibili all'effetto di tutti gli inquinanti contemporaneamente, oltre a quelli derivanti dall'accumulo di sostanze non facilmente rilevabili con normali mezzi di analisi chimica. I licheni possono essere utilizzati per la valutazione della qualità dell'aria secondo due tipi di approcci diversi: l'approccio indiretto (licheni come bioindicatori) e l'approccio diretto (licheni come bioaccumulatori).

BIOMONITORAGGIO DELLA QUALITÀ DELL’ARIA MEDIANTE MUSCHI

Il termine “muschio” è il nome comune di un gruppo di piante di piccole dimensioni appartenenti al phylum delle Briofite.

Gli studi di bioaccumulo mediante muschi sono effettuati con specie con un’alta tolleranza alle sostanze tossiche aerodisperse che permettono di rilevare picchi elevati di concentrazione di inquinanti. I muschi possiedono inoltre la capacità di accumulare le sostanze esaminate in misura indefinita: in effetti, la piantina accumula le sostanze in maniera proporzionale sia alla concentrazione di inquinanti in ambiente sia al tempo di esposizione; di conseguenza, a parità di concentrazione di inquinante, la contaminazione risulta essere più alta nel tallo più vecchio.

In particolare, i muschi sono efficienti accumulatori passivi di metalli pesanti (piombo, cadmio, rame, zinco ecc.) grazie all’elevata capacità di scambio cationico della loro parete cellulare.