Ecotossicologia - temi e strumenti attuali

Ecotossicologia

Introduzione

L’ecotossicologia è una scienza recente. Il termine ecotossicologia è stato introdotto nel 1969 da Truhaut, che ha fuso in un unico concetto i termini “ecologia” e “tossicologia”, formulandone la prima definizione: “branca della tossicologia che si occupa dello studio degli effetti tossici, causati da inquinanti naturali e sintetici, verso i costituenti degli ecosistemi, animali (inclusi gli umani), vegetali e microbici, in un contesto integrato”.

La tossicologia si occupa degli effetti prodotti dalle sostanze chimiche sugli organismi viventi. In particolare, si occupa di studiare i tipi di effetto generati (individuo, popolazione), i processi biochimici e fisiologici responsabili degli effetti osservati, la sensibilità di differenti tipi di organismi all’esposizione ad agenti chimici e fisici, la tossicità relativa di differenti sostanze e categorie di sostanze.

Per secoli la tossicologia è stata conosciuta come la scienza dei veleni, ossia la scienza che si occupa di studiare gli effetti che le sostanze chimiche possono generare sugli organismi viventi. Capire che tipo di effetto può generare una sostanza chimica, se l’effetto rilevato si mostrerà a livello di singolo individuo o di popolazione. Con l’evoluzione del sapere scientifico, la prima definizione di ecotossicologia si è evoluta, così come il contesto dove agisce tale scienza. Più di recente, lo studio dell’effetto tossico si è infatti basato su un maggior approfondimento dei processi biochimici e fisiologici responsabili dell’effetto stesso.

L’ecotossicologia mira anche a valutare la sensibilità relativa di organismi diversi alle varie tipologie di contaminanti, come le caratteristiche chimico-fisiche di una sostanza interagiscono con le caratteristiche biologiche degli organismi bersaglio per generare un effetto, e la classificazione delle sostanze più pericolose, che risultano in una maggiore tossicità per gli organismi viventi.

La velenosità non è una caratteristica intrinseca di una sostanza: qualsiasi sostanza può essere velenosa se la dose è sufficientemente alta; allo stesso modo, se la dose è sufficientemente bassa, nessuna sostanza risulta velenosa. Anche la tossicità dipende dalla dose, velenosità e tossicità dipendono dalla quantità di sostanza che entra in contatto con l’organismo e da come si manifesta l’interazione tra organismo e sostanza. È quindi importante ricordare che la parola tossico deve essere considerata in relazione alla concentrazione della sostanza e al tipo di interazione con l’organismo.

Contaminante e inquinante

Contaminante = sostanza che, nonostante possa essere naturalmente presente in ambiente, viene rilasciata da attività antropiche in concentrazioni anomale, superiori a quelle normali di background in un determinato luogo e tempo (quantità sbagliata nel posto sbagliato).

Inquinante = sostanza che si trova in ambiente come conseguenza (almeno in parte) delle attività antropiche e che genera effetti negativi sugli organismi. La differenza tra contaminante e inquinante è che per quest’ultimo è stato identificato come direttamente responsabile di effetti tossici, mentre per il contaminante o non è stata dimostrata, o deve ancora essere dimostrata l’azione tossica. Di solito contaminanti e inquinanti sono prodotti che hanno un’origine naturale ma provengono anche da input legati alle attività umane.

Xenobiotico = sostanza o materiale di sintesi, quindi di origine prettamente antropica e non naturalmente esistente in natura. Essendo composti nuovi, vengono considerati costituenti estranei rispetto ai sistemi biologici, ed è imprevedibile come gli strumenti di difesa degli organismi possano reagire alla loro presenza.

Ecotossicologia e tossicologia ambientale

Nel dominio della tossicologia rientrano sia la tossicologia ambientale che l’ecotossicologia. La differenza tra le due è più filosofica che pratica. L’ecotossicologia è la branca della tossicologia che studia gli effetti tossici sugli ecosistemi; nasce quindi dall’integrazione dell’ecologia nella tossicologia e ha come focus gli effetti a livello di popolazione, comunità ed ecosistema, studio degli effetti a livello sovraindividuale. La tossicologia ambientale si occupa di livelli più bassi, esposizione individuale (anche negli esseri umani) e sub-individuale (biochimico, fisiologico, comportamentale). Gli effetti a livello basso di complessità hanno però delle ricadute anche sui livelli più alti. L’alterazione del metabolismo individuale può avere effetto anche sulla popolazione, quindi l’ambito della tossicologia ambientale si espande anche verso lo studio degli ecosistemi.

L’ecotossicologia dovrebbe dare la precedenza agli studi a livello ecosistemico (effetti a livello di rete trofica e sulla struttura delle comunità), senza trascurare però gli effetti a livello più basso. La tossicologia ambientale si basa più su studi sperimentali in ambiente controllato di laboratorio, finalizzati a identificare i meccanismi d’azione che stanno alla base dell’effetto tossico. Si focalizza sullo studio degli effetti di diverse sostanze su singole specie indicatrici, con procedure semplici che mirano ad evidenziare una relazione diretta tra la condizione di esposizione (contaminante aggiunto) e la risposta dell’indicatore.

L’obiettivo finale dell’ecotossicologia è studiare gli effetti sugli ecosistemi, quindi su più specie che interagiscono tra loro (es. interazioni preda-predatore). Il limite è che studiare popolazioni ed ecosistemi è complesso e non può essere fatto in laboratorio; è necessario lavorare in campo con procedure più complesse e tempi e spazi più ampi, e facendo i conti con la difficoltà di mantenere il controllo su tutti i parametri ambientali.

La tossicologia è una scienza di nicchia che coinvolge esperti tossicologici. In ambito ecotossicologico bisogna considerare le interazioni tra i parametri ambientali, l’organismo, il contaminante e le caratteristiche chimico-fisiche del contaminante. Le relazioni non sono dirette, non si presentano come rette concentrazione-effetto bensì sotto forma di dati complessi che necessitano di elevate competenze per l’interpretazione. L’ecotossicologia necessita conoscenze relative a diverse discipline tipiche delle scienze ambientali e il coinvolgimento di diverse figure professionali. L’ecotossicologia è quindi una scienza multidisciplinare:

• Conoscenze di chimica ambientale sono necessarie per comprendere le proprietà e il comportamento dei contaminanti, per valutare come essi interagiscono in ambiente e con i sistemi biologici e come variano le condizioni di biodisponibilità e bioaccessibilità.
• La statistica è fondamentale per analizzare i dati, le variabili e le interazioni tra le variabili attraverso metodi complessi che consentano di ottenere dei risultati solidi.
• La modellistica è necessaria per costruire modelli di distribuzione, bioaccumulo e trasferimento dei contaminanti (NB. I modelli non devono mai essere un sostituto della misura diretta).
• La biologia molecolare serve a comprendere le interazioni tra i contaminanti e i siti d’azione, valutare gli effetti a livello molecolare e quali reazioni biochimiche siano alterate dalla presenza dei contaminanti.
• La fisiologia permette di studiare le interazioni tra le sostanze tossiche e le funzioni degli organismi, e comprendere come il contaminante altera la fisiologia dell’organismo. È fondamentale per capire quali variazioni/risposte biochimiche siano normali e quali invece anomale e indotte dalla presenza dei contaminanti.
• La genetica consente di valutare eventuali danni al DNA e all’espressione di particolari proteine.

Lo sviluppo storico dell'ecotossicologia

La nascita dell’ecotossicologia a fine anni ’60 non è un evento casuale, ma la diretta conseguenza di cambiamenti nella percezione dell’inquinamento. Negli anni ’50, infatti, cambia la concezione dell’impatto delle attività umane sul pianeta: fino agli anni ’50 si riteneva che la capacità detossificante del pianeta fosse pressoché infinita (paradigma della diluizione: qualsiasi cosa venisse gettata in ambiente veniva “diluita” fino a concentrazioni di non effetto); successivamente si è compreso che ciò che viene liberato in ambiente prima o poi ha delle ricadute sulla salute o sullo stile di vita umani (paradigma del boomerang: ciò che viene gettato in ambiente può “ritornare” e danneggiare l’ecosistema e l’umanità).

Alcuni esempi di boomerang ecologici includono:

• Effetti acuti di intossicazione da metalli che hanno colpito la popolazione umana a seguito del consumo di cibo contaminato da metilmercurio (Sindrome di Minamata) e Cd (Sindrome di Itai-Itai).
• Inquinamento radioattivo legato ai bombardamenti di Nagasaki e Hiroshima e al fiorire di test nucleari, che hanno favorito la diffusione di radionuclidi in tutto il globo. Ad esempio, l’incremento di Ce in campioni di tessuti umani provenienti da tutto il mondo è stato messo in relazione all’aumento degli esperimenti nucleari, nonostante questi avvenissero in aree circoscritte raggiungimento di una distribuzione ubiquitaria nonostante la sorgente fosse puntiforme.
• Problematiche su organismi animali, soprattutto vertebrati. Un esempio è il grave declino di popolazioni di uccelli rapaci e piscivori, con estinzioni a livello locale anche di specie di interesse di conservazione. Questo fenomeno è stato correlato all’uso di pesticidi organoclorurati, che porta all’accumulo di DDT e del suo metabolita DDE nei tessuti animali (Silent Spring). In questo caso gli individui adulti non muoiono ma il loro successo riproduttivo si azzera: i contaminanti non colpiscono necessariamente la salute dell’adulto, ma possono comprometterne drasticamente e irreversibilmente la capacità produttiva. Nel caso del DDE, esso provoca l’assottigliamento del guscio delle uova, che si rompono o scambiano troppo ossigeno con l’atmosfera, portando alla morte dell’embrione, la popolazione non cresce e declina.

Definizioni moderne di ecotossicologia

L’evoluzione del pensiero scientifico dagli anni ’60 ad oggi ha portato alla revisione della definizione di ecotossicologia. Ora si usano tre definizioni:

• “Scienza dei contaminanti presenti nella biosfera e dei loro effetti sulle componenti della biosfera, inclusi gli esseri umani” (Newman 2010).
• “Studio degli effetti nocivi dei prodotti chimici sugli ecosistemi, ed include gli effetti a livello di individuo e i conseguenti effetti a livello di popolazione e superiori” (Walker et al. 2012).
• “Studio dell’ecologia in presenza di contaminanti” (Chapman 2005).

L’ecotossicologia studia come un contaminante va ad alterare l’ecosistema e tutte le relazioni che lo caratterizzano, anche tra componente biotica e abiotica. L’ecotossicologia deve studiare gli effetti dei contaminanti a diversi livelli di complessità (biochimico, comunità, ecosistema), ma i processi ad un determinato livello hanno origine dai livelli inferiori e mostrano le loro conseguenze ai livelli successivi. È impossibile studiare gli uni senza gli altri.

Gli effetti a livello di individuo e popolazione non possono essere compresi se non si conoscono i meccanismi biochimici e fisiologici, e non ci si può occupare di un contaminante o inquinante solo quando si vede un cambiamento a livello di popolazione o comunità, perché l’effetto a tali livelli viene osservato solo dopo anni o addirittura decenni da quando il contaminante è entrato in ambiente e ha nel frattempo determinato cambiamenti fisiologici e biologici a livello individuale. Gli effetti si manifestano a scale temporali e spaziali differenti.

A livello biochimico si hanno risposte in pochi minuti, che non necessariamente si traducono però in una risposta ecosistemica, in quanto la fisiologia e il comportamento degli organismi sono dotati di un certo grado di adattamento che può controbilanciare lo scompenso chimico. Più è complesso il sistema, maggiore è la rilevanza ecologica e l’importanza dell’effetto manifestatosi.

Esempi storici e declino delle popolazioni

Nella Baia di Minamata (Giappone, 1945) si produceva acido acetico tramite l’ossidazione dell’acetaldeide. Per catalizzare la reazione si impiegava un catalizzatore a base di solfato di mercurio (HgSO₄), che veniva scaricato in mare dove si formava solfuro di mercurio insolubile (HgS). In condizioni anaerobiche alcuni batteri producono un metilante in grado di solubilizzare il mercurio sotto forma di monometilmercurio (CH₃Hg⁺, un catione estremamente mobile) e dimetilmercurio ((CH₃)₂Hg, liposolubile), due specie metallo-organiche. Essendo liposolubile, il dimetilmercurio si accumula negli organismi e causa un incremento delle concentrazioni di Hg nella catena alimentare (chi si nutriva di pesce contaminato, veniva contaminato a sua volta).

Giappone, 1912. Gli scarichi provenienti da attività minerarie causarono l’arricchimento di Cd nelle acque fluviali usate per inondare le risaie, determinando l’inserimento del Cd nella rete trofica e la sua biomagnificazione fino ai livelli superiori. Nell’uomo si registrarono numerosi casi di dolore, malformazioni alle ossa e mortalità elevata.

Quando ci si trova di fronte ad un declino delle popolazioni o al degrado dell’ecosistema, sono necessari anni di studio per capirne le cause, in quanto possono essere stati generati da uno svariato numero di contaminanti. Ad esempio, il declino della popolazione può essere dovuto all’aumento della mortalità o al declino del tasso di natalità, e potenzialmente più di un contaminante può interferire con questi aspetti. Una volta individuato l’effetto a livello di popolazione bisogna risalirne alla causa.

Concetto di ecotossicità

Tutti gli effetti tossici sono rilevanti per l’ecosistema e contribuiscono a identificare il concetto di ecotossicità = insieme degli effetti tossici rilevanti per l’ecotossicologia, dal livello biochimico a quello di popolazione. Gli effetti rilevanti possono essere letali e sub-letali, misurabili con test di laboratorio a breve termine (acuti, tipici della tossicologia), rilevabili solo tramite studi a lungo termine (cronici) in quanto si manifestano in seguito all’esposizione prolungata a basse concentrazioni, o indiretti quando non sono rilevabili con procedure di laboratorio perché emergono a livelli superiori.

Il concetto di ecotossicità pone l’attenzione sul fatto che sostanze a bassa o nulla tossicità a breve termine per una specie possono provocarne comunque la scomparsa in un dato ambiente, direttamente o indirettamente, in quanto possono generare scompensi significativi a lungo termine. L’ecotossicologia dovrebbe occuparsi soprattutto degli effetti cronici.

Alcuni esempi di effetti cronici e indiretti, non quantificabili a breve termine ma critici a lungo termine:

• Riduzione della capacità riproduttiva: diminuzione della fecondità o del tasso di sopravvivenza, danni alla progenie.
• Effetti comportamentali: es. l’alterazione dell’equilibrio numerico e delle relazioni tra preda e predatore porta a scompensi nell’ecosistema.
• Effetti mutageni: la perdita della colorazione mimetica o modificazioni di organi funzionali per il movimento o l’alimentazione possono causare la perdita della capacità di adattamento ambientale.
• Effetti sulla fonte di alimento: se le prede muoiono, una specie può scomparire nonostante abbia un corredo enzimatico che consente di detossificare il contaminante.
• NB. Nel caso delle sostanze cancerogene e mutagene, la tossicità è intrinseca alla sostanza: una sostanza è cancerogena indipendentemente dalla concentrazione con cui si trova in ambiente e con cui viene a contatto con l’organismo.

Tra le popolazioni che coesistono nello stesso ecosistema esistono relazioni complesse, e gli effetti negativi su una popolazione possono impattare sulle altre. Tuttavia, effetti a livello individuale non necessariamente comportano conseguenze ai livelli più alti di organizzazione. Distinguere quali effetti a livello individuale e sub-individuale possono trasmettersi ai livelli più alti rappresenta uno dei dilemmi fondamentali dell’ecotossicologia (estrapolazione degli effetti), e può rappresentare un problema in quanto è facile studiare gli effetti a livello biochimico e fisiologico, ma è più difficile capire come questi si traducono in una risposta ambientale.