Ecotossicologia

VALUTAZIONE DELLA

DEGRADABILITÁ DI UNA SOSTANZA:

metodo AFNOR, metodo della bottiglia

chiusa, metodo STRUM e MITI test (respirometro).

Metodo AFNOR. Durata 28-30 giorni, va bene a scopo di ricerca, non se c’è un allarme ambientale. Viene

utilizzato per le sostanze volatili e poco tossiche. Per la misura del TOC (Total Organic Carbon) metto

acqua distillata, Sali nutritivi, immetto la sostanza di cui voglio testare la degradabilità con [40] mg/L e metto

l’inoculo batterico. Per misurare il TOC ci sono 2 metodi: combustione termica e ossidazione a umido. Nella

combustione termica separo i 2 campioni in 2 aliquote. Acidifico la prima (per esempio con acido fosforico)

₃ ⁺ ₂ ₂

in modo che l’acido carbonifica il carbonio inorganico: CO ²ˉ + 2H  CO + H O (misuro la CO2 uscente).

La seconda aliquota viene iniettata nella camera di combustione (600-700°C) in modo da bruciare tutta la

₂ ₂

sostanza organica e inorganica. Il carbonio organico e inorganico viene ossidato. C + O  CO (misuro la

CO2).

TOC= C tot- C inorganico. Dopo 28-30 giorni viene misurato ancora il TOC. Se il TOC finale ≈ TOC iniziale

 la sostanza non è degradabile; se TOC finale < TOC iniziale  la sostanza è degradabile. TOC finale/ TOC

iniziale *100= % di degradazione. Per convenzione una sostanza si considera mineralizzabile se dopo 30

giorni ne scompare almeno il 70%. Perché 70%? Se in 30 giorni è arrivato al 70%, allora in ambiente in 3-4

mesi si degrada al 100%

METODO DELLA BOTTIGIA CHIUSA

₂

BOD  quantità di O necessaria ai batteri per degradare la sostanza organica. Ogni sostanza organica è

degradata nel tempo secondo una cinetica di ordine zero (andamento lineare inverso). Ma dato che in

ambiente c’è una miscela di sostanza organiche e non una sola, la curva che raccoglie tutte le curve

cinetiche di ordine zero dei diversi composti è iperbolica ed è detta cinetica di PSEUDO-PRIM’ORDINE. Il

BOD nel tempo aumenta perché i batteri continuano a lavorare e il BOD si accumula. Il BOD (che è quanto

ossigeno hanno consumato i batteri) arriva all’asintoto perché poi non viene più consumato poiché finisce

₅

la sostanza organica da degradare. Nel grafico si è considerato il BOD perché nel fiume inglese ci mette

più di 5 giorni ad arrivare al mare.

Com’è misurato il BOD? Si va sul campo e si prende un campione dal fiume, successivamente ossigeno il

campione o con aria normale o con ossigeno puro e porto i livelli di ossigeno alla saturazione. A 20°C la [ ]

₂

di saturazione di O è di 9 mg/l. il resto del campione lo aliquoto in diverse bottiglie scure (almeno 3), la

bottiglia scura serve perché se non campione sono presenti alghe queste non possono produrre ossigeno.

Bisogna tenere il campione sotto lenta agitazione in modo da mantenere il particolato sospeso poiché, se si

formasse uno strato di fondo, i batteri potrebbero portare alla formazione di uno strato anossico facendo

cessare la biodegradazione. Le bottiglie scure vengono tenute per 5 giorni e ogni giorno viene misurata la

₂

[O ]. E se la concentrazione ci ossigeno dopo 3 giorni è zero o va sotto 1,5 mg/L? A quel punto prendo nota

₃

di BOD . (…. ???). Non è un sistema preciso perché se mi accorgo un po’ dopo che la concentrazione di

₂ ₅

ossigeno è circa 1,5 mg/L o sotto, non farò BOD ma BOD , poiché la [ ] è scesa prima, cioè dopo 2,5

₂ ₂

giorni e non dopo 3. Cosa posso fare per evitare che l’O sia limitante? I batteri usano O ma lo usano

perché c’è tanta materia organica, in questo caso si può diluire il campione. … il risultato lo devo

₅ ₂ ₂

moltiplicare per il fattore di diluizione. Dopo 5 giorni  BOD = [O ]iniziale – [O ]finale.

Fonti di errore del BOD.

• Cattiva miscelazione del campione

• pH del campione (i batteri vivono a 6,5< pH <8.5), se il range è diverso intervengo con acidi e basi.

• Inoculo batterico che deve essere dei batteri giusti

• Non biodegradabilità di alcune sostanze (es. cellulosa). Queste sostanze non riescono ad essere

misurate poiché non vengono degradate dai batteri; in questo caso posso dare il TOC.

• Tossicità del campione. Nelle faglie (???) ci arrivano tante cose. Devo vedere se nel campione ci

sono sostanze tossiche per i batteri. Come posso ovviare a questo problema? Un campione è

tossico se raggiunge una certa [ ], in questo caso diluisco. Esempio: nel Lambro mi aspetto che

abbia una BOD alta poiché è molto inquinato ma, in realtà, abbiamo uno BOD basso forse poiché

non ci sono batteri dato che sono morti.

METODO STURH ₂

Metodo per la misura della CO . Inucolo batterico + acqua distillata + minerali + sostanze (20 mg/L). Si

₂ ₂

insuffla (si soffia dentro) O in modo da non farlo diventare limitante, cosi facendo la CO esce e va in

₂

un'altra scatola con aria e viene pressata in un altro recipiente con Ba(HO) (idrossido di bario) che attiva la

₂ ₂ ₂

CO e la trasforma. Conosco le moli iniziali di Ba(HO) e posso calcolare le moli di CO tramite una

₂ ₂

reazione stechiometrica. Sapendo poi il numero di moli di CO posso calcolare le moli di O poiché per

degradazione di sostanza organica utilizzo 1 mole di ossigeno per ottenere una mole di anidride carbonica.

Svantaggi dei metodi di degradazione:

• Nell’ambiente i composti organici persistenti generalmente non passano in un impianto di

depurazione.

• Si possono formare dei metaboliti stabili, anziché andare incontro ad una mineralizzazione

completa.

• Non considerano le miscele di sostanze.

DISTRIBUZIONE DEI CONTAMINANTI NELL’AMBIENTE

Spesso una sostanza inquinante non rimane dove viene immessa inizialmente (es. gli erbicidi evaporano o

entrano in soluzioni acquose poiché sono idrofili). Le sostanze inquinanti in un corpo idrico possono

rientrare in varie categorie: se idrofoba va nel particolato sospeso o nei sedimenti; se l’inquinante è idrofilo

solitamente finisce nella matrice acquosa. Se invece la sostanza è lipofila può accumularsi.

Caratteristiche chimico-fisiche necessarie per la valutazione della distribuzione:

• Peso molecolare

• Densità

• Punto di ebollizione

• Solubilità in acqua (o in altri solventi)

• Tensione di vapore

• Coefficiente di ripartizione (contatto di due compartimenti ambientali diversi)

In un compartimento bifasico (acqua e sedimento) lo studio della distribuzione di un contaminante prevede:

₁ ₂ ₁ ₂

un aspetto cinetico (V ≠V ) e una situazione di equilibrio (V =V ); nella situazione di equilibrio abbiamo un

equilibrio dinamico poiché uguali moli di inquinanti vanno da un compartimento all’altro e viceversa, dato

che le velocità sono uguali la [ ] non cambia. I coefficienti di ripartizione bifasici permettono di avere un’idea

immediata della tendenza di una sostanza a migrare da una fase all’altra.

Usare la Kow è scomodo poiché si

ottiene un valore troppo grande,

spesso si utilizza il logaritmo

(logKow).

Si possono trovare diversi valori di

logKow in letteratura.

Metto in un contenitore acqua e n-

ottanolo a successivamente aggiungo

la sostanza di interesse a [ ] nota.

Agito fortemente per circa 20/30

minuti. Metto poi l’imbuto a riposo per

una decina di minuti e aspetto che le

due fasi si separino. Con l’agitazione

ho messo in stretto contatto le 3 fasi e

ho dato la possibilità alla sostanza di

interesse di scegliere la fase che

preferisce (o acqua o n-ottanolo). La

sostanza non si sposta tutta in una

fase poiché si trova in condizione di

equilibrio. L’acqua si trova nello strato

inferiore e sopra di essa l’n-ottanolo.

Successivamente faccio uscire

l’acqua in modo da vedere bene la

distinzione delle due fasi. Nell’imbuto rimane solo l’n-ottanolo. Per evitare che ci sia acqua residua

aggiungo una sostanza che raccoglie l’acqua residua. Prendo poi una parte dell’n-ottanolo e lo analizzo

con una gas-cromatografia e analizzo la sua nuova [ ]  C iniziale – C finale= C acqua. Se lamaggior parte

della sostanza si trova in n-ottanolo utilizzo un gas cromatografo. Se la sostanza è in acqua uso HPLC

(cromatografia liquida ad alta prestazione, in inglese High Performance Liquid Chromatography). I

problemi/svantaggi del metodo shake-flask sono: tempi di esecuzione piuttosto lunghi, grosse quantità di

composto puro e formazione di emulsioni tra le due fasi  si formano delle bolle che rischiano di farmi avere

una sottostima o un riscontro sbagliato. Per ovviare a questo problema posso raffreddare il campione e

questo diminuisce la formazione di emulsione; in alternativa posso aggiungere dei Sali ma questa

procedura non è consigliata poiché è meglio non aggiungere qualcosa alla soluzione; come terza

alternativa posso utilizzare il metodo SSM che prevede di agitare lentamente con un agitatore magnetico.

La cromatografia liquida ad alta prestazione (in inglese High Performance Liquid Chromatography), più

semplicemente nota con l'acronimo inglese HPLC è un tipo di cromatografia liquida che rappresenta

l'evoluzione strumentale della cromatografia in fase liquida su colonna classica. Si tratta di una tecnica

cromatografica che permette di separare due o più composti presenti in un solvente sfruttando l'equilibrio di

affinità tra una "fase stazionaria" posta all'interno della colonna cromatografica e una "fase mobile" che

fluisce attraverso essa. Una sostanza più affine alla fase stazionaria rispetto alla fase mobile impiega un

tempo maggiore a percorrere la colonna cromatografica (tempo di ritenzione), rispetto ad una sostanza con

bassa affinità per la fase stazionaria ed alta per la fase mobile. Il campione da analizzare è iniettato

all'inizio della colonna cromatografica dove è "spinto" attraverso la fase stazionaria dalla fase mobile

applicando pressioni dell'ordine delle centinaia di atmosfere. Per ottenere un'elevata efficienza nella

separazione è necessario che le dimensioni delle particelle del riempimento siano molto ridotte (di solito

hanno diametri compresi da 3 a 10 µm), per questo motivo è indispensabile applicare un'elevata pressione

se si vuole mantenere una ragionevole velocità di flusso dell'eluente e quindi un tempo di analisi adeguato.

Alla fine della colonna è applicato un rilevatore (IR, UV-VIS, spettrofluorimetrico, spettrometro di massa) e

un calcolatore che permettono una analisi in continuo dell'uscita della colonna e quindi di poter