Biomonitoraggio dell'aria e del suolo

Biomonitoraggio e bioindicatori della qualità dell'aria

Inquinamento atmosferico

La composizione dell’atmosfera alla temperatura di 0°C e pressione di 760 mmHg è riassunta nella tabella seguente. Essa dipende, oltre che dalla temperatura, da fattori quali quota, densità, composizione gassosa, stato di ionizzazione e contenuto di ozono.

L’inquinamento atmosferico si riferisce solitamente alla troposfera, lo strato di atmosfera con spessore che varia tra gli 8 km ai Poli e i 20 km all’Equatore, all’interno del quale è contenuta la maggior parte della massa gassosa che avvolge la Terra, rappresentata prevalentemente da azoto, ossigeno e argon (nelle percentuali riportate nei grafici). La composizione della troposfera è il risultato di un’interazione continua tra le componenti biotiche e abiotiche del pianeta Terra e, in particolare, dipende dal bilanciamento tra i processi di produzione di ossigeno fotosintetico e quelli che lo consumano (decomposizione). Gli altri elementi sono presenti in concentrazioni molto basse e variabili. I gas nobili non hanno ruolo biologico e sono di per sé innocui.

L’inquinamento atmosferico consiste nella presenza in atmosfera di sostanze che alterano la normale composizione chimica dell’aria, con conseguenze ed effetti misurabili sul comparto biotico (e in particolare sulla salute umana) e sull’ambiente. L’inquinamento atmosferico comporta una modifica dei parametri chimici e fisici, causata principalmente da:

• Variazione dei rapporti quantitativi di sostanze già presenti (es. anidride carbonica, metano, composti dell’azoto e ozono) fenomeno imputabile alla modificazione dei flussi di tali sostanze, in relazione al funzionamento ottimale o meno dei cicli biogeochimici. Talvolta determinate sostanze sono presenti laddove non dovrebbero: è il caso dell’ozono, che ha un ruolo fondamentale nell’ozonosfera (stratosfera) nella protezione dalle radiazioni UV, ma quando si accumula nella troposfera causa fenomeni di inquinamento;
• Introduzione di sostanze estranee alla composizione naturale dell’aria è il caso dei CFC e dei POPs (Persistent Organic Pollutants), sostanze persistenti che resistono non solo a fenomeni di idrolisi ma anche alla foto-ossidazione, e rimangono quindi inalterate nella troposfera, andando incontro a fenomeni di trasporto anche su lunghe distanze rispetto al punto di emissione.

L’inquinamento atmosferico interessa quindi diverse scale spazio-temporali, in quanto è condizionato dai seguenti fattori:

• Tipo di fonte e di carico inquinante;
• Orografia;
• Direzione dei venti;
• Condizioni meteo;
• Circolazione atmosferica.

Casi di inquinamento atmosferico noti

Attività metallurgiche a partire dall’età del bronzo e del ferro; estrazione del carbon-fossile a partire dalla rivoluzione industriale.

Eventi catastrofici

• Londra, Great Smog (1952): lo smog può essere dovuto a sostanze riducenti (come SO₂) o ossidanti (come NO_x). La causa di tale evento è stata l’alto consumo di carbone e l’inversione termica dovuta al freddo intenso, che ha provocato l’intrappolamento del carbone a bassa quota, con conseguenti concentrazioni elevatissime di fuliggine e anidride solforosa;
• Los Angeles, NO_x (1950): provocato da attività urbane e dall’effetto sandwich dovuto alla posizione geografica della città, per cui le sostanze si bloccano a bassa quota;
• Bhopal, metil-isocianato (1984);
• Chernobyl, fall out radioattivo (1986);
• Fukushima, fall out radioattivo (2011).

Gli inquinanti atmosferici possono avere sorgenti naturali (attività vulcanica, incendi forestali, sorgenti geotermali, polveri desertiche, processi biologici, ozono da scariche elettriche) o antropiche (traffico, riscaldamento domestico, industrie, attività artigianali, agricoltura, produzione di energia). Essi si distinguono in primari (emessi direttamente in atmosfera dalle sorgenti, senza subire ulteriori modifiche successive) e secondari (si formano in atmosfera in seguito a reazioni chimico-fisiche tra varie sostanze).

Alcuni inquinanti primari

• Composti del carbonio: monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO₂);
• Composti dell’azoto: NO, NO₂, N₂O, NO₃, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅, HNO₃, NH₂, NH₃;
• Composti dello zolfo: biossido di zolfo (SO₂), solfuro di carbonile (COS), solfuro di carbonio (CS₂), solfuro di idrogeno (H₂S), dimetilsolfato ((CH₃)₂SO₄);
• Idrocarburi: benzene, toluene, xilene, IPA (tra questi il benzo-a-pirene);
• POPs e altri xenobiotici;
• Composti alogenati: HCl, HF, HBr.

Alcuni inquinanti secondari

• Deposizioni acide di biossido di azoto (NO₂) e biossido di zolfo (SO₂), come HNO₃ e HSO₄;
• Ozono.

Conseguenze dell'inquinamento atmosferico

• Buco dell’ozono;
• Incremento dell’effetto serra;
• Piogge acide;
• Deterioramento dei materiali;
• Danni a organismi animali e vegetali;
• Patologie mediche.

Principali inquinanti atmosferici di interesse per il biomonitoraggio

• Anidride solforosa: uno dei più diffusi ed aggressivi inquinanti atmosferici, tanto da essere universalmente considerato tra le cause principali dei danni all’uomo e all’ambiente. Le principali emissioni di anidride solforosa derivano dalle centrali termoelettriche, dagli impianti di riscaldamento domestico e da alcune produzioni industriali (raffinerie, fonderie, cementifici). L’anidride solforosa produce effetti irritanti agli occhi e sul tratto superiore dell’apparato respiratorio ed è inoltre uno degli inquinanti responsabili delle piogge acide;
• Ossidi di azoto: si formano in qualsiasi processo di combustione in cui viene impiegata aria come comburente (centrali termoelettriche, riscaldamenti domestici, autoveicoli sia a benzina che diesel). Il biossido di azoto è un gas tossico e irritante per le mucose ed è responsabile di specifiche patologie a carico dell’apparato respiratorio, con diminuzione delle difese polmonari (bronchiti, allergie, irritazioni). Gli ossidi di azoto contribuiscono alla formazione delle piogge acide e favoriscono l’accumulo di nitrati al suolo, che possono provocare un’alterazione degli equilibri ecologici aventi come conseguenza l’acidificazione ed eutrofizzazione del suolo, che a loro volta provocano alterazioni marcate anche nella biofauna;
• Ozono: fa parte del cosiddetto “smog fotochimico”, è un inquinante secondario e quindi non direttamente riconducibile a specifiche fonti di emissione. L’ozono che si forma al suolo (dannoso) è il risultato di una combinazione chimica tra gli ossidi di azoto prodotti dai tubi di scappamento dei veicoli e l’ossigeno atmosferico, reazione che viene favorita dalla radiazione ultravioletta solare, e che di conseguenza lo rende un fenomeno tipico dei mesi primaverili ed estivi. Esso raggiunge le maggiori concentrazioni alla periferia delle aree inquinate urbane: qui infatti le molecole di O₃, prodotte durante le ore di sole in ambienti urbani inquinati e trasportate dalle brezze locali, incontrano aria più pura e possono accumularsi, in quanto nessun agente inquinante reagisce con esse distruggendole. Risulta molto dannoso per gli apparati respiratorio e cardiovascolare;
• Metalli: i metalli presenti nel particolato aerodisperso hanno una pericolosa azione tossica e cancerogena e provengono da diverse fonti: Cd e Zn da impianti industriali, Cu e Ni da processi di combustione, Fe da erosione dei suoli, utilizzo dei combustibili fossili e produzione di leghe ferrose, Pb dalle emissioni dei veicoli a benzina;
• Particelle totali sospese: particelle solide o liquide disperse in aria e trasportate dal vento, la cui natura può essere molto varia: polveri sospese, pollini e frammenti di piante, materiale inorganico prodotto da agenti naturali (vento e pioggia) o dall’erosione di suolo e manufatti (frazione più grossolana), materiale proveniente da sorgenti antropiche (attività industriali quali fonderie, cementifici, cantieri edili, miniere), processi di combustione relativi a centrali termoelettriche, inceneritori, riscaldamento e traffico veicolare. La frazione PM₁₀ è la frazione delle particelle sospese con diametro nominale inferiore a 10µm, che è inalabile; al suo interno la frazione con diametro <2.5µm (PM_2.5) viene anche denominata “frazione respirabile”, in quanto le particelle possono raggiungere bronchioli ed alveoli polmonari provocando o accentuando malattie dell’apparato respiratorio. Le particelle aerodisperse contengono solfati, nitrati ed elementi potenzialmente tossici come As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb, V, Zn, ai quali si sono aggiunti più recentemente elementi come Pt, Pd ed Rh prodotti dal deterioramento delle marmitte catalitiche. La respirazione del particolato ultrafine costituisce anche una delle principali vie di assunzione di composti organici cancerogeni come gli IPA.

Molte sostanze inquinanti dell’atmosfera sono monitorate da centraline di rilevamento, che considerano parametri chimico-fisici. Sono definite delle concentrazioni limite che non devono essere superate, o concentrazioni che possono essere superate solo in un certo periodo di tempo. I limiti di questo sistema di monitoraggio sono i seguenti:

• Rilevazione di un numero esiguo di sostanze (ad esempio il PM₁ non viene rilevato dalla centraline tradizionali);
• Non coprono tutto il territorio;
• Costi elevati che limitano le misure nello spazio e nel tempo si limita l’impiego in punti strategici;
• Errata ubicazione spesso sono i bioindicatori ad indicare i punti ottimali per un’adeguata collocazione delle centraline;
• Non sono in grado di riprodurre i processi naturali di intercettazione e uptake delle sostanze sulle superfici naturali esposte (ad esempio faticano a prendere in considerazione il fenomeno di adsorbimento);
• Non identificano i danni agli organismi;
• Impossibilità di stimare gli effetti combinati delle sostanze considerate (sinergismi, miscele).

Limiti del monitoraggio chimico-fisico

• Molti composti chimici possono produrre effetti nocivi sugli organismi anche a concentrazioni inferiori ai limiti di rilevabilità strumentale;
• Presenza di miscele complesse il cui impatto biologico non può essere stimato adeguatamente (interazioni additive, sinergiche o antagonistiche);
• Le caratteristiche climatiche e ambientali influenzano l’intensità degli effetti degli inquinanti.

Principi di biomonitoraggio

Il biomonitoraggio della qualità dell’aria parte dal presupposto che qualsiasi fattore di disturbo delle condizioni atmosferiche produce degli effetti sugli organismi viventi. Quando questi effetti legati ad una combinazione di inquinanti si manifestano, possono essere usati per rilevare le deviazioni dalle condizioni normali di naturalità dell’ecosistema e delle sue componenti utili a stimare gli effetti combinati di più inquinanti (capire quanto ci si allontana dalle condizioni di naturalità).

Il biomonitoraggio si basa sulle variazioni fisiologiche ed ecologiche indotte dalle perturbazioni antropiche sugli organismi viventi. Queste variazioni si manifestano generalmente a tre livelli diversi:

1. Modificazioni nella composizione delle comunità vegetali e animali (si utilizzano prevalentemente tecniche di monitoraggio basate sulle comunità vegetali, mentre quelle basate sugli animali non sono ancora ad uno stadio abbastanza standardizzato da poter essere impiegate);
2. Modificazioni morfologiche, strutturali o fisiologiche degli organismi, variazioni a livello di singola specie;
3. Accumulazione di sostanze negli organismi particolarmente resistenti.

Tecniche di bioindicazione

Basate su reazioni di sensibilità, su risposte di organismi bioindicatori. Sono misure biologiche che richiedono l’impiego di organismi con i seguenti requisiti:

• Elevata sensibilità agli inquinanti in esame;
• Uniformità genetica (soprattutto per le tecniche di biomonitoraggio di tipo attivo, per rendere più interpretabili i risultati e ridurre la variabilità);
• Ampia diffusione nell’area in esame;
• Scarsa mobilità;
• Lungo ciclo vitale.

Si avvalgono di parametri che descrivono la biodiversità; in particolare, si indagano le modificazioni nella composizione di comunità animali e vegetali. La perturbazione determina una variazione di composizione specifica nelle comunità di organismi viventi, ovvero una modificazione della biodiversità: perturbazioni di elevata entità determinano la scomparsa delle specie più sensibili (riduzione della biodiversità in risposta al gradiente di pressione ambientale), mentre la diminuzione delle perturbazioni determina la comparsa di nuove specie (aumento di biodiversità). La bioindicazione considera anche modificazioni morfologiche, strutturali o fisiologiche degli organismi. Ad esempio, la perturbazione può determinare la comparsa di clorosi e necrosi fogliari, la diminuzione delle dimensioni di alcuni apparati (es. microfillia riduzione dell’apparato fotosintetizzante), la diminuzione della biomassa o fenomeni di filloptosi (caduta improvvisa e anomala delle foglie).

Tecniche di bioaccumulo

Basate sulla resistenza all’inquinamento, su risposte di organismi bioaccumulatori. Sono analisi chimiche che prevedono i seguenti requisiti:

• Elevata tolleranza agli inquinanti in esame;
• Notevoli capacità di accumulo nei tessuti;
• Ampia diffusione nell’area in esame;
• Scarsa mobilità;
• Lungo ciclo vitale;
• Relazioni quantitative (lineari) tra risposta biologica e concentrazione dell’inquinante nel mezzo.

Le tecniche di bioaccumulo misurano le concentrazioni di determinate sostanze negli organismi bioaccumulatori. Consistono in tecniche analitiche che comprendono anche l’adeguata preparazione del tessuto vegetale deputato all’accumulo nel tempo (la matrice deve inizialmente essere digerita e poi analizzata).

Sulla base di questi principi è possibile utilizzare alcuni organismi viventi (vegetali o animali), o le loro comunità, come sensori per il monitoraggio delle perturbazioni antropiche della componente aria biosensori. I requisiti dei biosensori sono:

• Ampia distribuzione ed optimum ecologico nell’area di studio;
• Facilità di identificazione della specie;
• Buona conoscenza di anatomia, fisiologia ed autoecologia;
• Scarsa mobilità e facile reperibilità in tutte le stazioni;
• Biomassa adeguata.

Nel biomonitoraggio è necessario discriminare se la risposta è da imputare ad un’origine antropica della perturbazione, o se ha origine naturale. Il bioindicatore deve quindi riflettere solo il grado di inquinamento dell’aria e il tempo di esposizione ad esso (non deve rispondere a altri fattori).

Classificazione dei bioindicatori

Dal punto di vista applicativo, i bioindicatori sono classificabili in:

• Passivi: organismi viventi indigeni, presenti spontaneamente nel territorio interessato. La bioindicazione passiva segue un approccio basato su osservazioni e analisi di organismi residenti e prende in considerazione parametri di tipo fisiologico, chimico o di bioaccumulo. Deve essere identificato un sito di riferimento che definisca le condizioni di naturalità rispetto alle quali confrontare il sito potenzialmente impattato che si va ad investigare;
• Attivi: organismi trapiantati, introdotti appositamente nel territorio interessato. Il biomonitoraggio attivo richiede che si prelevino degli organismi da una popolazione con stato ottimale (basso livello di contaminazione) e li si caratterizzi prima dell’esposizione, rilevando i parametri di interesse al tempo zero. Questi organismi vengono poi traslocati in un ambiente presumibilmente inquinato, inducendo la risposta nella popolazione non residente e ripetendo l’analisi al tempo t. Un esempio di parametri considerati sono le cinetiche di assunzione di determinate sostanze nel tempo (curve di uptake).

Un terzo tipo di monitoraggio si serve di organismi allevati come modelli biologici per studiare l’effetto da singole sostanze o da miscele di sostanze in condizioni controllate di laboratorio test ecotossicologici in matrici acquose, di suolo e di aria (esperimenti di fumigazione).

Vantaggi e limiti del biomonitoraggio

Vantaggi:

• Possibilità di ottenere rapidamente, a bassi costi e con alta densità di campionamento una stima degli effetti biologici di un insieme di inquinanti a diverse scale territoriali;
• Individuazione di aree a rischio di superamento delle soglie limite per inquinanti primari e localizzazione ottimale degli strumenti di misura;
• Individuazione di patterns di trasporto a lunga distanza e di deposizione, verifica dell’affidabilità dei modelli diffusionali;
• Valutazione sul lungo periodo dell’efficacia delle misure di riduzione delle emissioni.

Limiti:

• Inapplicabilità di alcune tecniche (biomonitor autoctoni);
• Non c’è sempre una relazione univoca tra la risposta e la concentrazione di specifici inquinanti (effetti sinergici o altri fattori ecologici);
• Difficoltà di elaborare un’unica scala di interpretazione valida su tutto il territorio nazionale, in quanto le condizioni di riferimento di partenza possono essere diverse a seconda di clima, altitudine ecc;