Gli organismi viventi acquatici o terrestri sono raramente esposti ad una singola sostanza.

Al contrario, la tipica situazione che si ritrova nell’ ambiente è la presenza contemporanea di una moltitudine di sostanze eterogenee potenzialmente

tossiche, che agendo simultaneamente sulle popolazioni naturali possono creare un danno a livello di singolo individuo, di comunità o di ecosistema.

Ho l’impressione di non sentirmi tanto

bene

TOSSICITA’ DELLE MISCELE

I saggi di tossicità su singoli organismi, generalmente, sono effettuati per singole sostanze. Obiettivo: calcolo di un endpoint tossicologico (LD50, PNEC etc)

TOSSICITA’ DELLE MISCELE

Ma come valutare gli effetti tossici di una miscela?

Base di partenza: l’esposizione a miscele nell’ambiente sarà il risultato dell’integrazione di differenti partizioni ambientali, e processi degradativi di singole sostanze emesse nell’ambiente.

MISCELE DA SCARICHI URBANI (farmaci, sostanza organica, etc. principalmente in H20)

DEFINIZIONE ED ORIGINE DI UNA MISCELA

MISCELE DA SCARICHI INDUSTRIALI (es. industria petrolifera, emissione di by products principalmente in H20 e aria)

MISCELE DI ORIGINE AGRICOLA (aria e suolo)

MISCELE DA DISCARICHE E INCENERITORI (aria, suolo)

Una miscela può essere definita come qualsiasi combinazione di due o più sostanze chimiche che indipendentemente dalla loro origine spaziale o temporale possono

influenzare il livello di rischio a cui è soggetta una popolazione (EPA, 1986)

In alcuni casi miscele, di composti chimici a diversa concentrazione, sono prodotte durante un particolare processo, oppure sono intenzionalmente utilizzate e rilasciate

nell’ambiente (PCBs). Molto più frequente è il caso di miscele derivanti da composti non correlati tra di

loro dal punto di vista commerciale

LE QUATTRO POSSIBILI AZIONI DI UNA MISCELA

D. Dipendente(sinergia o

antagonismo)

C. Complesso(sinergia o

antagonismo)

Interazione

B. IndipendenteA. Semplice(additività)

Nessuna interazione

Meccanismo d’azione diverso

Meccanismo d’azione simile

Interazione = una sostanza influenza l’attività biologica delle altre

Meccanismo d’azione simile = stesso sito primario nell’espletarsi dell’azione tossicaSinergia = l’effetto tossico della miscela è maggiore della somma degli effetti che si avrebbe considerando le singole sostanze (difficile da prevedere)

Antagonismo = la tossicità osservata della miscela è minore della somma degli effetti che si avrebbe considerando le singole sostanze (difficile da prevedere)

Isobologramma: descrive tutte le possibili risposte tossicologiche ad una miscela binaria di composti chimici

TUi = Ci/ECi xTUA+yTUB= 1TU(AB)

1

2

3

4

TU (A)T

U (B

)

y

x

1 risposta additiva: x+y=12 meno che additiva: x +y>1 (x e y <1)

3 antagonismo: x+y>1 (x o y >1)4 sinergismo: x+y<1

Le quattro linee rappresentano tutti punti dove la risposta tossicologica alla miscela è pari a 1 TU

METODO EIFAC

x,y = frazioni di A e Bche producono 1 TU

Potenza di una miscela

SINERGISMONel caso degli insetticidi è sempre stato considerato il caso in cui il sinergizzante è inattivo alla dose impiegata, mentre la miscela è sensibilmente più attiva dell’altra

sostanza quando usata da sola

Importanza pratica del sinergismo per gli aspetti agricoli:a) Più efficienza nel controllo degli insetti (Synergistic ratio)b) Incremento dello spettro di attività di un insetticida (es. pidocchi e mosche col

carbaryl + piperonil butossido)c) evitare fenomeni di resistenza

Il sinergismo può dipendere da:a) Stabilizzazione della taglia delle goccioline di aerosolb) Incremento della penetrazione negli insettic) Formazione di complessi sinergizzante-principio attivod) Interferenza del sinergizzante nella detossificazione metabolica del principio

attivo (Es.piperonil butossido e piretroidi: inibizione del sistema citocromo P-450)

ANTAGONISMOCome per il sinergismo l’antagonismo è di difficile previsione

Esso può avvenire: All’esterno dell’organismo (assorbimento e biodisponibilità).Infatti, i solidi sospesi, ed il loro contenuto di c.o., o il pH possono diminuire la tossicità di una sostanza semplicemente riducendone l’esposizione o modificando il livello ad esempio di “speciazione”

All’interno dell’organismo:A. funzionale: due sostanze sollecitano due effetti fisiologici diversi

(bilanciamento)A. chimico: due tossici reagiscono a formare un prodotto meno tossico (es. cianuro e

metalli)A. di destino: riguarda le fasi di assorbimento, di movimento, di deposizione sul

sito bersaglio e di escrezione (es. etanolo aumenta l’eliminazione del mercurio nei mammiferi

A. di competizione: due sostanze competono per lo stesso recettore ed una impedisce l’espressione della tossicità dell’altra

VALUTAZIONE DELLA TOSSICITA’ DI UNA MISCELA

1ECx, i

Cin

1i=�

=

IL MODELLO DI ADDITIVITA’ DI LÖEWE

(addizione di concentrazione)

APPLICABILE A SOSTANZE CON UGUALE MECCANISMO DI AZIONE TOSSICOLOGICA CHE ESPLICANO LO STESSO EFFETTO E POSSONO ESSERE CONSIDERATE NEI RIGUARDI DEL SITO RECETTORE COME UNA SOSTANZA SINGOLA

+ECX, A

CAECX, B

CB

Concentrazioni o dosi di due sostanze A e B in una miscela che produce una risposta X ad un determinato effetto (es.il 50% di mortalità)

ECX, A

CA

ECX, B

CB

Concentrazioni di ciascuna delle due sostanze considerate singolarmente che producono la stessa risposta (es.EC50)

Dove:

fAB = fA + fB - fAfB

f = frazione della totale possibile risposta relativamente ad un certo effetto esplicate rispettivamente da una certa combinazione di due sostanze (A e B) e dalla loro combinazione)

IL MODELLO DI INDIPENDENZA DIAZIONE (BLISS)

(combinazione di risposte)

APPLICABILE A SOSTANZE CON DIVERSO MECCANISMO DI AZIONE TOSSICOLOGICA

VALUTAZIONE DELLA TOSSICITA’ DI UNA MISCELA

Es: se [A] produce 30% (fA = 0.3) e[B] produce 50% (fA = 0.5)

allorafA,fB = 0.15 (fAB = 0.65)

più recentemente:

University of Milano Bicocca: definizione degli scenari di esposizione per l’identificazione di unalista di miscele “prioritarie” attraverso approcci modellistici applicati a diverse tipologie di inquinanti(agricole, urbane, industriali)

University of Bremen: coordinatore progetto BEAM e saggi algali su miscele

UFZ of Leipzig: saggi algali su miscele, analisi matematico-statistiche

University of Goteborg: saggi su comunità

University of Insubria: studi QSAR

0 0.001 0.01 0.1 1

Total Concentration (µmol/L)

0

20

40

60

80

100

%In

hibi

tion

B

33 controls

cmix = ΣΣΣΣ EC1i

Observed and predicted algal toxicity of mixtures of 18 s-triazines. Components mixed in the ratio of their individual EC1 values.(••••) experimentally observed toxicity; (οοοο) controls; (-----) prediction according to Concentration Addition; (——) prediction according to Independent Action

Ametryn

Atraton

Atrazin

e

Cyanazin

e

Desmetryn

Dimethametry

n

Dipropetry

n

Methoprotry

ne

Prometon

Prometry

n

Propazin

Sebuthylazine

Secbumeton

Simazin

e

Simetry

n

Terbumeton

Terbuthyla

zine

Terbutry

n

observed

0

20

40

60

80

100

%In

hibi

tion

1.0

16.6

43.747.1

IACA

B

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Effects of the individual mixture components Effect ofthe mixture

predicted

1.0 1.0

Comparison of the total effects of s-triazine mixtures with the single effects of all 18 mixture components. Concentrations of individual mixture components equal individual EC1 values.CA, IA - predictions of the total effect according to Concentration Addition and

Independent Action, respectively.

0 1 1 0 1 0 0

T o t a l C o n c e n t r a t i o n ( µ m o l / L )

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

% In

hibi

tion

B

3 6 c o n t r o l s

c m i x = ΣΣΣΣ E C 1 i

Observed and predicted algal toxicity of mixtures of 16 structurally and toxicologically different components mixed in the ratio of their individual EC1 values.(••••) experimentally observed toxicity; (οοοο) controls; (-----) prediction according to Concentration Addition; (——) prediction according to Independent Action

Aclonifen

8-Azaguan

ine

Azaserin

eCCCP

DTMAC

Chloramphenicol

Fenfuram

Kresoxim-m

ethyl

Metalaxyl

Metazac

hlor

Metsulfu

ron-m

ethyl

Nalidixic

acid

Norflurazon

Paraquat dichlorid

e

Terbuthyla

zine

Triadim

enol

observed

0

20

40

60

80

100

% In

hibi

tion

1.0

14.9

75.0

18.4

CAIA

B

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Effects of the individual mixture components Effect ofthe mixture

predicted

1.01.01.0 1.0 1.0 1.0 1.01.0

Comparison of the total effects of mixture of heterogeneous chemicals with the single effects of all 16 components. Concentrations of individual mixture components equal individual EC1 values.CA, IA - predictions of the total effect according to Concentration Addition and

Independent Action, respectively.

Two Stage Calculation

Receptor 1

Receptor 2

Receptor 3

Receptor 4

Growthinhibition

IA

S1

S2

Sn

CA

Stage 1 Stage 2

S1

S2

Sn

CA

S1

S2

Sn

CA

S1

S2

Sn

CA

Results of two stage prediction