ANGELA SANTAGOSTINO

Dipartimento di scienze dell’Ambiente e del

Territorio piano 5° stanza 5054

Tel 0264462919 E-mail

angela.santagostino@unimib.it

Ricevimento studenti:

Martedì:11-12

Giovedì: 10.00-12

TOSSICOLOGIA

La tossicologia è la branca della scienza che

riguarda lo studio dei veleni.

Il veleno può essere definito come quella sostanza

che somministrata incidentalmente o volutamente

ad un organismo vivente produce effetti nocivi

nell’organismo stesso

La definizione data è estremamente riduttiva poiché di fatto

è necessario definire meglio che cosa veramente può

configurarsi come veleno per gli organismi viventi e cosa

significa valutare un effetto tossico

1°- Agenti chimici usati :

a) in medicina (farmaci)

b) nell’industria alimentare (additivi alimentari)

c) veterinaria (farmaci)

d) in agricoltura (pesticidi fetilizzanti)

e) nell’industria chimica

2° - Metalli

3° - Prodotti petroliferi

4° - Tossine naturali :

a) vegetali

b) animali

c) fungine

5°- Radiazioni eccitanti e ionizzanti

6° - Inquinanti

La tossicologia si interessa degli effetti nocivi di :

Vi sono anche più generiche definizioni per la tossicologia

che sono meramente descrittive di un mestiere:

“lo studio della detenzione, occorrenza, proprietà, effetti , e

regolamentazione delle sostanze tossiche “

Ci sono infatti vari campi della tossicologia:

•la tossicologia descrittiva che focalizza l’attenzione sulla

messa a punto di test tossicologici e sulla classificazione

delle sostanze chimiche in base alla tossicità /ecotossicità.

•la tossicologia meccanicistica (o ricerca di base) che studia

come sostanze chimiche o agenti fisici possano dar inizio a

modifiche biochimiche o fisiologhe che esitano in un evento

tossico.

•La tossicologia applicata che si occupa di tossicologia

clinica, tossicologia ambientale, tossicologia forense ecc. e

della valutazione del rischio

Lo studio della tossicologia ha importanza sociale

sotto vari altri aspetti non si limita alla protezione

dell’uomo e dell’ambiente come detto ma serve

anche per promuovere lo sviluppo di tossici più

selettivi da impiegare ad esempio come farmaci

anticancro, antibiotici o per sviluppare pesticidi e

fitofarmaci.

La tossicità raramente, se non sempre, può essere

definita come un singolo evento molecolare è

piuttosto una cascata di eventi che iniziano con

l’esposizione dell’organismo, proseguono con la

distribuzione del tossico nell’organismo,

eventualmente con processi metabolici di

biotrasformazione e termina con il processo di

interazione con le macromolecole bersaglio che

danno origine all’espressione di un end point

tossico (sviluppo dell’evento nocivo). Questa

sequenza può essere mitigata da processi di

escrezione /eliminazione e di riparazione

TOSSICO ORGANISMI ASSORBIMENTO

distribuzione e

BIOTRASFORMAZIONE

INTERAZIONE CON LA STRUTTURA BERSAGLIO

EFFETTO MOLECOLARE

EFFETTO CELLULARE O TESSUTALE

EFFETTO SULL’ORGANISMO

EFFETTO SULLA POPOLAZIONE

EFFETTO SULLE POPOLAZIONI (DECLINO?)

EFFETTO SULLA BIOCENOSI

EFFETTO SULL’ECOSISTEMA

TO

SS

ICO

LO

GIA

CL

AS

SIC

AE

CO

TO

SS

ICO

LO

GIA

esposizione

AMBIENTE INQUINATO

La Tossicologia è la scienza che studia la natura e il

meccanismo d’azione degli effetti nocivi indotti da

agenti chimici o fisici sugli organismi viventi e sui

sistemi biologici in genere. I tossicologi sono

impegnati anche a valutare in termini quantitativi la

probabilità di insorgenza e la gravità degli effetti

nocivi in relazione alle reali condizioni di esposizione.

Sviluppo Moderno della Tossicologia

Identificazione :

a) della dose o concentrazione priva di effetti (NOEL o NOEC)

b) della dose giornaliera assumibile (Acceptable Daily Intake)

c) della concentrazione massima accettabile (Threshold Limit Value)

d) della dose virtualmente sicura (Virtual Safe Dose)

Valori limite

Determinazione dei criteri di Qualità (CQ)

1) Determinazione dei limiti di sicurezza di esposizione

Sviluppo Moderno della Tossicologia

2) Stima del rischio

Valori di riferimento

Quantificazione delle probabilità di

produrre danno in determinate specifiche

condizioni

Identificazione :

a) della dose o concentrazione priva di effetti (NOEL o NOEC)

b) della dose giornaliera assumibile (Acceptable Daily Intake)

c) della concentrazione massima accettabile (Threshold Limit Value)

d) della dose virtualmente sicura (Virtual Safe Dose)

Valutazione dei livelli di Esposizione

Valutazione del rischio

potenziale

In pratica in questo corso impareremo a

rispondere risponderemo alle domande:

•Perché certe sostanze chimiche o

agenti fisici con cui veniamo a contatto

causano il deterioramento dei sistemi

biologici a vari livelli di complessità?

• Come possiamo misurare la loro

pericolosità?

“Tossico” è un concetto quantitativo, praticamente

qualunque sostanza può divenire un tossico letale

a partire certe dosi/concentrazioni pur non

producendo alcun tipo di effetto al di sotto di

livelli decisamente più bassi. Tra questi due limiti

si producono una serie di possibili effetti che

vanno da una lieve tossicità cronica da

esposizione per lunghi periodi ad immediata

letalità.

Tipologia degli effetti tossici prodotti da agenti chimici e fisici

• TOSSICITÀ ACUTA= Effetto/i nocivo/i derivato/i da

esposizione improvvisa unica o di breve durata a una

relativamente elevata quantità di agente tossico.

• TOSSICITÀ CRONICA= Effetto/i nocivo/i derivato/i

da esposizione ripetuta o molto prolungata nel tempo a

relativamente piccole quantità di agente tossico.

COMUNQUE L’EFFETTO TOSSICO (ET) DI UNA

MOLECOLA (o Fattore fisico) DIPENDE DA:

La sua concentrazione (o intensità-energia) (QT)

La durata d’esposizione (t)

ET = QT* t

Rapporto Salute / Inquinamento

Normalità

Patologia

Morte

Omeostasi

CompensazioneSbilanci-

amento

Rottura di

equilibrio

SALUTE

CONCENTRAZIONE INQUINANTE

Soglia di

RISCHIO

TOSSICITÀ= ROTTURA DI EQUILIBRI BIOLOGICI

PER CAPIRE LA TOSSICITA DI UNA MOLECOLA O DI UN

ELEMENTO BISOGNA CONOSCERE :

1. LA REATTIVITÀ CON STRUTTURE E SISTEMI BIOLOGICI

2. SE TALE REATTIVITÀ SUPERA I MECCANISMI

OMEOSTATICI DEL SISTEMA O DELLA STRUTTURA

BIOLOGICA CON CUI VIENE A CONTATTO.

Tutte le sostanze sono velenose, non vi è nulla

che non sia un veleno: è la giusta dose che

discrimina tra veleno e rimedio (PARACELSO

XVI SECOLO:)

L’importanza della dose è ancor più evidente

se si considerano i metalli essenziali

(necessari alla salute) la cui carenza nella

nell’alimentazione produce patologia che

diventano però anche gravemente tossici ad

alti dosaggi (es. ferro, rame, magnesio,

cobalto e zinco)

La conoscenza della curva dose risposta è

fondamentale in tossicologia .

Normalità

Pato

log

ia

Morte

SALUTE

CONCENTRAZIONE INQUINANTE

Elemento essenziale

Elemento

non essenziale

Range compatibile

con la salute

Anche gli stessi farmaci che hanno un

range di dosi per cui producono effetti

biologici sfruttabili terapeuticamente da

milioni di persone ma a troppo alti

dosaggi (es. l’Aspirina)

Bisogna considerare inoltre che una sostanza

può divenire un tossico solo in certe

circostanze:

•Forma disponibile all’assorbimento

•Condizioni ambientali

•Presenza contemporanea di altre sostanze

•Tipo di organismo che subisce l’esposizione.

Un principio che regola lo studio tossicologico in

particolare quando si studiano sostanze presenti

nell’ambiente è che:

UNA SOSTANZA POTENZIALMENTE TOSSICA

PER UN ORGANISMO È INNOCUA SE NON È

DIPONIBILE PER L’ASSORBIMENTO!!!

È quindi di fondamentale importanza in tossicologia

non solo conoscere cosa succede quando una sostanza

entra nell’organismo, ma anche conoscere come si

comporta in ambiente o nel mezzo di

somministrazione, qual è la sua forma chimico fisica,

quali sono i sistemi biologici con cui può venire a

contatto e da cui può essere assorbita.

Questo è materia dello studio della FASE DI

ESPOSIZIONE

Disponibilità

all’assorbimento

Assorbimento e

distribuzione

Biotrasformazione

Fase di

esposizione

Escrezione

Biodisponibilità*

Interazione con le

strutture bersaglio

EFFETTO

* Biodisponibilità= concentrazione in forma attiva in grado

di interagire con le strutture bersaglio

Fase

Tossicodinamica

Fase

Tossicicinetica

Fase di EsposizioneDisponibilità e potenzialità d’assorbimento

La disponibilità all’assorbimento di una sostanza dipende da:

• La sua forma chimico-fisica

• Le caratteristiche della matrice in cui si trova dispersa

La potenzialità d’assorbimento dipende anche da:

• Le caratteristiche fisiologiche, morfologiche e patologiche dell’organismo con cui viene a contatto

• Le condizioni ambientali

UNA SOSTANZA TOSSICA PER UN ORGANISMO È INNOCUA SE NON

È DIPONIBILE PER L’ASSORBIMENTO!!!

ARIA(Fotolisi, ossidazioni,

riduzioni,

dealogenazioni)

ASSORBIMENTO

ACQUA(ossidazioni, riduzioni,

idrolisi

ASSORBIMENTO ESCREZIONE

SUOLO E

SEDIMENTI(ossidazioni, riduzioni,

reattività chimica)

ESCREZIONE ESCREZIONE

ORGANISMI(Biodegradazione, ossida-

zioni, riduzioni, idrolisi)

DEPOSIZIONI PIOGGIE

EVAPORAZIONE

ASSORBIMENTO

PIOGGIE

DEPOSIZIONI

VOLATILIZZAZIONE

EVAPORAZIONE EROSIONE

LISCIVAZIONE

DRENAGGIO

SEDIMENTA-

ZI0NE

DEPOSITO

ADBORBI_

MENTO

DISTRIBUZIONE DI ALCUNE SOSTANZE

ORGANICHE NELLE FASI ACQUOSE E LIPIDICHE E

INFLUENZA DEL pH

Solubilità dei gas in liquidi acquosi

LiquidoGas

Gas VP

V 760

α è caratteristico del Gas e dipende dalla natura

del liquido (es: contenuto di sali, di proteine

ecc.)

Equazione di Henderson Hasselbalch

Per molecole acide:

AHHAe

HA

ApKpH a

log

Per molecole basiche:

HBBH

B

BHpHpKa

log

e

Affinità Acqua

Sol.

g/l

Aria

Log KAW

Suolo

Log

KOC

Biomassa

Animale

Log KOW

Biomassa

Vegetale

Log KOA

Molto alta >1 >-2 >5 >5 >8

Alta 1 ÷

10-2

-2 ÷ -4 5 ÷ 4 5 ÷ 3,5 8 ÷ 7

Media 10-2 ÷ 10-3

÷

-4 ÷ -5 4 ÷ 2 3,5 ÷ 3 7 ÷ 5

Bassa 10-3 ÷ 10-5 -5 ÷ -7 2 ÷ 1 3 ÷ 1 5 ÷ 4

Molto bassa > 10-5 <7 <1 <1 <4

Affinità delle sostanze organiche per le differenti matrici ambientali

KAW= coefficiente di ripartizione Aria /Acqua; KOC=costante di assorbimento

al suolo (Carbonio organico/Acqua); KOW= coefficiente di ripartizione

Ottanolo /Acqua; KOA = coefficiente di ripartizione Ottanolo/Aria

Diagramma concettuale del modello di Fugacità di McKey e Peterson (1981-82), è il modello

semplificato basato sulla unità di mondo con sei comparti. delle seguenti dimensioni : Aria =1010 m3,

Acqua=7.106 m3, Suolo =9.103m3, Biomassa =3,5 m3, Solidi sospesi=35m3, Sedimento =21.103m3.

f=C/Z; dove C= concentrazione (mol/m3), Z= capacità di fugacità (mol/m3/Pa). Quando le fasi sono in

equilibrio le fugacità sono eguali

La fugacità è analoga a un potenziale chimico e rappresenta la tendenza di una

molecola a sfuggire da un comparto ambientale ed è espressa in Pascal (Pa)

DATI DI IMPUT

PM= peso molecolare

S=solubilità in acqua

P=tensione di vapore

Fattore di bioaccumulo (BF)

BF=Concentrazione organismo/concentrazione ambiente.

In mancanza di BF determinato per via sperimentale si può ricorrere alla

valutazione del coefficiente di ripartizione OTTANOLO/ACQUA (Kow)

Poiché per sostanze organiche appartenenti alla medesima classe

chimica vale la relazione schematizzata qui sotto:

LO

G B

F

LOG [ ]ottanolo/[ ] H2O

CLASSE FORMA MOLECOLARE

pH basso pH alto

EFFETTO DEL pH

ed entità di

adsorbimento

ACIDO FORTE Anione Anione Scarso

ACIDO DEBOLE Acido libero Anione Forte con pH ÷pKa

BASE FORTE Catione Catione Forte ma

diminuisce a valori

di pH molto bassi

BASE DEBOLE Catione Base libera Forte

L’adsobimento è

crescente fino a che

il pH è simile al pKa,

poi diminuisce

MOLECOLE

POLARI

Non ionizzato Non ionizzato Scarso

MOLECOLE

NEUTRE

Non ionizzato Non ionizzato Nullo

Adsorbimento ad argille

A parità di concentrazione nell'ambiente la

disponibilità all'assorbimento nei vari

organismi può essere diversa!

• Esiste il fenomeno della magnificazione delle

concentrazioni nella catene trofiche determinato da

BF elevati e scarsa degradabilità!!

• Le degradazioni biotiche e abiotiche determinano:

1. i tempi di permanenza nell’ambiente,

2. la forma chimico-fisica e quindi anche

3. la reattività con le componenti ambientali e

4. i fenomeni di biomagnificazione

Esempio di BIOMAGNIFICAZIONE delle concentrazioni nelle catene trofiche. I dati si riferiscono al

DDT e al suo metabolita DDE e la figura è tratta da Woodwell G.M., Sci. Amer.216, 24 (1967)

Concentrazione di DDT+ DDE in ppm

nella Biomassa dei vari livelli trofici

Degradabilità BIOTICA di sostanze organiche

Ossidazioni riduzioni idrolisi, formazione di

radicali ad opera di:

•Microrganismi (terreni, acqua, sedimenti)

anche fino alla completa degradazione a

sostanza inorganica

•Vegetali

•Animali . Soprattutto ad opera di invertebrati

edafici

Degradabilità ABIOTICA di sostanze

organiche

Ossidazioni riduzioni idrolisi,

formazione di radicali in aria (UV),

acqua, terreni (reazioni catalizzate

principalmente da argille)

Da Environmental Science & Tecnology 1997 vol 31,581

Processi complessi determinano la disponibilità dei metalli per

l'assorbimento negli organismi viventi:

a) capacità (anche reciproca di spiazzamento) dai legami alle

componenti del suolo

b) legame dei cationi bivalenti alla frazione ad alto contenuto di

zolfo nel suolo e nei sedimenti

I modelli di distribuzione dei metalli sono modelli di

BILANCIO DI MASSA

I metalli essendo elementi non possono essere

distrutti, ma subiscono in ambiente trasformazioni

sia biotiche che abiotiche hanno un ciclo bio-

geologico ove si possono presentare sia in forma

inorganica che organicata

RELAZIONE TRA LE PRINCIPALI FORME DI

CONVERSIONE DI TRACCE DI METALLI IN ACQUE

NATURALI

METALLO

IONIMATERIALE

PARTICOLATO

COLLOIDI

COMPLESSI

ORGANICI NON

LABILI

COMPLESSI

ORGANICI LABILI

COMPLESSI

INORGANICI

Particelle del suolo Soluzione del suolo Aria

?

CO2

Su

perficie arg

illosa

Tratto da S.E. Jorgensen, Modelling in Ecotoxicology ,Elsevier

Science Publishers B.V.,1990