Ecotossicologia

Ecotossicologia

Il termine “ecotossicologia” nasce nel 1969 come naturale espansione della tossicologia umana (farmatossicologia). È la branca della tossicologia che si occupa dello studio degli effetti tossici, causati da sostanze inquinanti naturali o sintetiche, sui costituenti degli ecosistemi: animali, vegetali e microrganismi in un contesto integrato. Nasce a causa della variazione delle concentrazioni di inquinanti nell’ambiente. È una scienza relativamente giovane e necessita di un approccio multidisciplinare in quanto serve per ottenere previsioni sulla distribuzione, il trasporto e gli effetti dei contaminanti ambientali. La maggior parte dei polmonati assume la maggior parte dei contaminanti attraverso il cibo mentre i branchiati attraverso la respirazione.

Inquinamento

L’inquinamento ambientale può essere definito come l’immissione, dovuta direttamente o indirettamente all’uomo, di energia o sostanze nell’aria, acqua o suolo, le cui conseguenze sono tali da mettere a rischio la salute dell’uomo, le risorse viventi e il sistema ecologico, tanto da comprometterne l’uso da parte dell’uomo stesso. Tutti gli inquinanti si accumulano risalendo nella rete trofica, al vertice della quale c’è l’uomo.

Classi di contaminanti ambientali

• Sostanze organiche e nutrienti, rappresentano una problematica molto ben conosciuta. Se sono presenti in quantità eccessiva provocano effetti negativi come l’eutrofizzazione. Si affronta questo problema con la costruzione di depuratori.
• Metalli pesanti che rappresentano una problematica discretamente conosciuta. Sono sostanze o elementi metallici normalmente presenti in natura in basse quantità; purtroppo un loro uso spropositato ed eccessivo li ha resi contaminanti ambientali.
• Composti di sintesi i quali rappresentano una problematica poco conosciuta.

Processo di eutrofizzazione

Nel sud Italia le temperature elevate fanno sì che nei laghi artificiali (nati solitamente per problemi di approvvigionamento idrico) si creino e prolifichino numerose alghe a causa di una grande quantità di materiale disciolto e acque ferme, si osservino i cosiddetti “Bloom algali”. Consideriamo il processo in un lago: il tempo di ricambio idrico dell’acqua è molto elevato (il lago di Como ha un tempo di ricambio di circa 30 anni) il che implica che anche gli inquinanti che vengono immessi nel lago impiegano molto tempo per uscire o almeno diluirsi. Nel lago entrano inoltre numerosi nutrienti come sodio e fosfato derivato principalmente da scarichi civili e di allevamento; questi nutrienti sono solitamente delle sostanze limitanti per la crescita algale il che vuol dire che in un ambiente in cui questi sono presenti in elevate concentrazioni le alghe possono proliferare in maniera incontrollata. In seguito alla morte algale si crea un’enorme quantità di sostanza organica che finisce sul fondo e che viene utilizzata e mineralizzata da un gran numero di batteri i quali, per eseguire la mineralizzazione, consumano grandi quantità di ossigeno. Una volta consumata la maggior parte se non tutto l’ossigeno presente sul fondo, il lago entra in uno stato di anossia. Il fondo del lago rappresenta un compartimento spesso isolato dalla superficie e quindi non riesce a scambiare ossigeno e non avviene un riciclo, una volta terminato l’ossigeno i batteri aerobici muoiono insieme a tutti gli organismi bentonici e vengono sostituiti da batteri anaerobi decompositori che producono dei composti dannosi per la biocenosi (H₂S, CO₂, CH₄, H₂). Questo problema può essere risolto tramite l’utilizzo di depuratori che diminuiscono la quantità di nutrienti; mentre nei paesi industrializzati questo problema si è più o meno risolto, in quelli poveri l’eutrofizzazione rimane ancora un grande problema. In un lago possiamo distinguere 3 situazioni in base alla quantità di nutrienti disciolti. Oligotrofia quando è presente poco P e troviamo pesci pregiati che necessitano grandi quantità di ossigeno come i salmonidi. Mesotrofia con maggiori quantità di P e minor ossigeno dove troviamo percidi. Infine abbiamo la situazione di eutrofia con P abbondante e poco ossigeno dove dominano ciprinidi come la carpa e la tinca. Riassumendo per l’eutrofizzazione sono 3 i composti implicati: eccesso di sostanze organiche, Sali di sodio e potassio.

Metalli pesanti

I metalli pesanti sono un grandissimo numero di molecole e sostanze prodotte dall’uomo. I composti di sintesi producono molti metaboliti. I metalli pesanti si trovano nella crosta terrestre, sono un prodotto naturale di cui però l’uomo ne ha abusato eccessivamente provocando la contaminazione di aria, acqua e suolo e organismi, uomo compreso. L’uomo si nutre di animali e piante contaminate contaminandosi a sua volta. Un esempio molto significativo dell’impatto antropico sulla distribuzione dei metalli pesanti la troviamo osservando i livelli di Pb nei ghiacci della Groenlandia; analizzando le carote di ghiaccio si è osservato come fino al ‘700 (prima rivoluzione industriale) non c’erano tracce di metalli pesanti, dalla rivoluzione in poi sono state osservate concentrazioni sempre crescenti di Pb. I metalli sono radioisotopi, sono radioattivi. Sono presenti numerosi tipi di metalli pesanti e ognuno ha un diverso impatto sull’ecosistema e sulla salute umana. Il rame (Cu) è il metallo pesante più tossico per l’uomo. I metalli pesanti sono eterogenei e agiscono su gruppi funzionali proteici diversi e di conseguenza hanno meccanismi di azione diversi, in ogni caso tutti inattivano le proteine. Alcuni metalli sono bioaccumulabili. L’eterogeneità riguarda anche il target, la maggior parte di questi metalli ha effetto sul sistema nervoso, respiratorio e gastrointestinale; solo alcuni sono specifici solo per determinati apparati. I metalli possono trovarsi sia in forma elementare sia in forma di Sali; in forma elementare non vengono assorbiti mentre vengono assorbiti se presenti sotto forma di Sali.

Categorie dei metalli pesanti

• Metalli essenziali (es. Fe, Cu, Mg, Zn): sono necessari all’organismo (cofattori enzimatici, costituenti del gruppo funzionale di una proteina). La condizione patologica si ha sia in eccesso che in carenza del metallo. Vengono assorbiti contro gradiente di concentrazione poiché essenziali per l’organismo e la loro [ ] deve rimanere entro un range ottimale, il cosiddetto optimum.
• Metalli a funzione simile (es. Cs, St, Pb): sostituiscono alcuni metalli essenziali, quali Ca e K e vengono co-regolati con essi. L’organismo li confonde per quelli essenziali e li assimila mediante gli stessi canali. Pb e St sono radioattivi e Ca e K sono co-regolati con essi.
• Metalli non essenziali (es. As, Cd, Hg): non hanno alcuna funzione fisiologica e non vengono regolati dall’organismo poiché esso non ne ha bisogno. Entrano nell’organismo attraverso trasporto passivo (secondo gradiente di [ ]) per cui se sono presenti nell’ambiente questi entrano nell’organismo mentre, se non sono presenti, non entrano.

Mercurio (Hg)

La fonte ambientale principale è rappresentata dalla degassificazione della crosta terrestre che libera circa 2700-6000 tonnellate l’anno. Le fonti antropiche producono circa 2000-3000 tonnellate l’anno e gli utilizzi sono: antimuffa in vernici, industria della plastica (catalizza la sintesi di poliuretani e cloruro di vinile) e processi di raffinazione dei prodotti petroliferi. Lo possiamo trovare in varie forme: mercurio elementare (Hg°), Hg inorganico (Hg²⁺) e Hg organico il quale si attacca alle sostanze organiche. Tutte queste forme convergono verso i Sali di Hg poiché le molecole organiche vengono utilizzate dai batteri i quali utilizzano la parte carboniosa rilasciando Sali di mercurio Hg²⁺, questi sali vengono successivamente metilati ottenendo metil-mercurio Ch₃Hg e dimetil-mercurio (Ch₃)₂Hg. Il metil e il dimetil mercurio rilasciato dai batteri viene successivamente assunto dall’uomo con la dieta.

Hinahata disease

Una ditta che scaricava in una baia Hg e acetaldeide in Giappone. Nella baia il mercurio si è legato alle molecole organiche che successivamente venivano incorporate nei sedimenti. I batteri metilavano il mercurio il quale successivamente si accumulava nei pesci tramite la rete trofica. Dato che la baia era molto importante per la pesca, gran parte del pesce inquinato finiva per essere mangiato. A causa di ciò sono morte 40 persone e oltre 1000 casi di disturbi neurologici. I mari giapponesi sono pesantemente inquinati con metalli pesanti, motivo per cui i tonni utilizzati vengono importati dall’Italia.

Piombo (Pb)

In natura il piombo è piuttosto raro, si trova solitamente nei minerali insieme a zinco, argento e rame. Il minerale principale in cui lo troviamo è la galena (PbS). La produzione mondiale è di 6 milioni di ton/anno e viene impiegato nelle benzine, come colorante, nei proiettili, tubi di scarico e per acqua potabile, schermi per computer, televisori, saldature, cuscinetti a sfera, ecc. I limiti per il Pb nel sangue erano di 800 μg/L negli anni 70 ed oggi è sceso a 100 μg/L. Solo negli Stati Uniti ogni anno circa 90.000 bambini sono in cura per problemi riconducibili al piombo.

Dove finisce il Pb una volta nell’organismo?

L’organismo cerca di eliminarlo per cui circa l’80% del Pb presente nel sangue viene escreto, il 20% rimane nell’organismo e viene accumulato nei tessuti minerali (denti e ossa) e nei tessuti molli (reni, fegato, cervello e midollo osseo).

Meccanismo di azione

Sfrutta il Ca ed i suoi canali per entrare nelle cellule eritrociti: entra tramite la pompa Ca-ATPasica ed esce con lo scambiatore Cl^-/HCO₃^-. Una volta nelle cellule il Pb mima il Ca, per esempio si lega alla calmodulina e di conseguenza non avviene l’emissione di neurotrasmettitore e blocca di conseguenza l’impulso nervoso; un altro problema dovuto a questo metallo è la sua interferenza con le chinasi C che modula numerose funzioni fisiologiche.

Cromo (Cr)

I danni provocati all’uomo dal Cr(VI) sono:

• Eruzioni cutanee
• Ulcera
• Problemi respiratori
• Indebolimento del sistema immunitario
• Danni al fegato
• Alterazioni del materiale genetico
• Cancro ai polmoni
• Morte

Metallogenine

Rappresentano una super famiglia di piccole proteine citoplasmatiche ricche in cisteina. Sono in grado di legarsi ai metalli pesanti e la loro funzione è quella di “tampone-cellulare” dei metalli. La loro sintesi è regolata dalla presenza di metalli, quando la presenza di metalli essenziali nel citosol aumenta in modo eccessivo queste proteine si legano al metallo in eccesso e limitano gli effetti negativi. Una volta che il livello di metallo cala e ne è richiesta una certa quantità le metallogenine rilasciano i metalli a cui sono legati.

Trattamento delle intossicazioni da metalli

Per il trattamento delle intossicazioni da metalli si utilizzano sostanze chelanti. Le caratteristiche richieste sono: essere attivo per via orale, irreversibilità del legame col metallo, bassa azione chelante verso metalli essenziali (es. Na⁺, Ca²⁺) e una ridotta azione tossica. I principali composti chelanti sono la penicillamina e dimercaprolo.

Inquinamento da farmaci e droghe d’abuso

I composti farmaceutici e le droghe d’abuso sono dei nuovi contaminanti ambientali emergenti, vengono considerati tali solo da 10-15 anni, prima non venivano presi in considerazione come inquinanti. Comprendono migliaia di composti diversi tra cui farmaci ad uso umano e veterinario, droghe terapeutiche e usate illecitamente, profumi, cosmetici e detergenti. Il loro uso ed abuso è in continuo aumento nei paesi industrializzati. Sono nanoparticelle di tipo metallico. Le nanoparticelle entrano nelle cellule che presentano una carica e provocano vari effetti. Il problema dei contaminanti emergenti è che ancora non si conoscono gli effetti inquinanti sull’ambiente. Questi composti in inglese vengono definiti PPCP (Pharmaceuticals and Personal Care Product). Stando ai dati dedotti dalle prescrizioni mediche il consumo mondiale di PPCP è di centinaia di migliaia di tonnellate/anno e le stime potrebbero non essere precise proprio perché solo una parte del totale deriva dalle prescrizioni. I paesi del sud Europa tendono a consumare più farmaci, il consumo nei paesi dell’est e nord Europa è circa la metà di quello del sud. Per quanto riguarda l’Italia è in una via di mezzo, si stima un consumo di 27 dosi/giorno per 1000 abitanti. A livello mondiale 175-250 milioni di persone fanno uso di droghe illegali (cocaina, eroina, anfetamine, marijuana ecc.), probabilmente questa è una sottostima poiché si basa solo sugli arresti.

Pericolosità ambientale

Per quanto riguarda la pericolosità ambientale, sia i farmaci che le droghe sono prodotte per essere attive anche a basse [ ], sono in grado di attraversare le membrane plasmatiche facilmente e inoltre sono relativamente persistenti nell’organismo (sono idrofile ossia solubili in acqua per cui persistono abbastanza a lungo nell’organismo). Il compartimento ambientale più a rischio è quello delle acque superficiali poiché in questo compartimento vengono rilasciati scarichi ospedalieri, domestici e industriali a cui si aggiungono le immissioni dovute ad acquacoltura, allevamenti, impianti di depurazione (questi raccolgono le acque da un’ampia superficie e le convogliano in un unico corpo idrico perciò se sono presenti sostanze dannose che non vengono depurate, queste si concentrano e vengono liberate nell’ambiente. I principali composti farmaceutici rilevati nelle acque di scarico in Italia sono l’Ofloxacina e l’Amoxicillina (trovata a concentrazioni relativamente basse anche se è un farmaco ad ampio spettro poiché viene degradata bene dai batteri dato che assomiglia ad un composto organico).

Problematiche legate alla contaminazione

• Per prima cosa sono presenti poche informazioni sulle proprietà chimico-fisiche di queste sostanze e di conseguenza si hanno scarse indicazioni sul comportamento ambientale.
• Le classi di sostanze sono molto eterogenee e di conseguenza abbiamo un imprevedibile comportamento ambientale.
• L’introduzione di tali sostanze è continua e costante, il che provoca una esposizione multipla e prolungata.
• Ci sono scarsissime informazioni ecotossicologiche e di conseguenza nessuna ERA possibile.
• I classici saggi ecotossicologici non sono adatti per le loro [ ] dato che sono molto più basse rispetto a quelle necessarie per i test canonici; non si riesce a valutarne a pieno l’effetto. Per ovviare a questo problema si utilizzano i “biomarkers” e i relativi studi sulla proteomica e genomica (osservo se un contaminante spegne/accende un gene).

Composti organici di sintesi

La sintesi degli inquinanti organici persistenti, o POP (acronimo inglese di Persistent Organic Pollutants) è iniziata alla fine dell’800, il picco maggiore di incremento della sintesi è avvenuto negli anni ’50 a causa dell’enorme crescita della chimica di sintesi; da quel momento è iniziato un uso sproporzionato e un rilascio indiscriminato nell’ambiente durato oltre un ventennio. Dal secondo dopo guerra ad oggi sono state introdotte circa 4.000.000 di nuove molecole che servono all’uomo. Le ditte producevano giorno dopo giorno nuovi composti con nuove e diverse proprietà ma nessuno si era mai posto il problema sul possibile effetto di questi prodotti una volta scartati ed entrati nell’ambiente poiché ancora non esistevano leggi a riguardo. Solo negli anni 70 si sono iniziati a vedere i primi effetti di tutte queste molecole sull’ambiente; venne scoperto che molte molecole avevano proprietà tossiche e cancerogene e iniziarono le prime limitazioni riguardanti la produzione e lo scarico di queste sostanze per poi passare al divieto nell’uso e nella produzione per alcune di esse. Iniziano i primi divieti e le prime leggi, la 1° legge è stata emanata negli USA e poi in Canada, nacque il movimento ambientalista. Molti di questi composti di sintesi sono interferenti endocrini ossia sostanze che diminuiscono la fitness delle popolazioni di animali.

Principali problemi causati dai composti organici persistenti

• Elevato numero di molecole differenti
• Ingenti quantità immesse nell’ambiente
• Elevata persistenza e bassa degradabilità
• Bioaccumulabili nei tessuti lipidici perché sono lipofili, si accumulano e restano nei lipidi di riserva
• Metaboliti più stabili e tossici: molte di queste sostanze vengono parzialmente degradate, il problema è che la molecola che rimane è quella tossica. Si formano così metaboliti a volte più problematici e tossici dei composti di partenza (Es. il benzopirene non è cancerogeno ma lo è il suo metabolita diolo).
• Causano gravi problemi alle diverse biocenosi e all’uomo (bassa tossicità acuta, elevata tossicità cronica, sostanze mutagene, cancerogene e teratogene, interferenti endocrini)
• Sono dei contaminanti globali

Principali classi di composti organici di sintesi

• Solventi
• Detergenti
• Pesticidi (fungicidi, erbicidi, insetticidi)
• Prodotti industriali (PCDD, PCDF, PCB, IPA, PBDE)

PBDE: ritardanti di fiamma utilizzati nei locali pubblici per ritardare il fuoco. Se vengono svuotati male finiscono facilmente nell’ambiente poiché sono mescolati ai materiali. Nei paesi in via di sviluppo, per ottenere un po’ di valuta forte, accettano in cambio di denaro tutti i materiali pericolosi.