Recentemente … stato sviluppato un nuovo metodo di indagine per valutare gli effetti dell’inquinamento sulla componente biologica dell’ecosistema il cui obiettivo … valutare lo stato fisiologico degli organismi che lo popolano.
In ecosistemi inquinati le sostanze tossiche alterano lo stato di salute degli organismi provocando una “sindrome da stress”, cio… un’ alterazione misurabile dello stato fisiologico indotta da un cambiamento ambientale.
La sindrome da stress pu„ essere opportunamente quantificata mediante l’utilizzo d’opportuni indici, noti con il termine di “biomarker”.
1.6.1 Definizione di biomarkers:
Viene convenzionalmente definito come biomarker “la variazione di una risposta biologica (biochimica, molecolare, cellulare, fisiologica o comportamentale) che pu‡ essere correlata all’esposizione e/o all’effetto tossico di composti inquinanti”. (Peakall et al., 1994).
L’impiego di biomarkers che forniscono misure degli effetti tossici delle sostanze chimiche su organismi-chiave riveste un particolare interesse in ecotossicologia e nelle valutazioni del rischio ambientale.
Le risposte dei biomarkers sono, in generale, di due tipi: alcune misurano solo l’esposizione ad un inquinante, mentre altre misurano sia l’esposizione che l’effetto tossico. Queste ultime sono particolarmente valide poichˆ possono fornire una stima del danno causato da una sostanza chimica. In quest’ultimo gruppo prevalgono i saggi che misurano le interazioni molecolari responsabili della tossicit•. Essi rappresentano il primo evento nella sequenza temporale dei
cambiamenti che stanno alla base della tossicit€ e determinano disturbi a livello cellulare e dell’ intero organismo.
I biomarkers che misurano le modificazioni a livello tossicocinetico (es. induzione o inibizione di enzimi che metabolizzano gli xenobiotici) possono monitorare gli eventi che precedono l’interazione di una sostanza chimica con il suo sito d’azione. Essi possono dare una indicazione precoce d’esposizione, ma possono non essere chiaramente correlati alle manifestazioni tossiche successive. Al contrario, i saggi che misurano il grado con cui una molecola tossica interagisce con il suo sito d’azione (es. l’inibizione dell’attivit€ di enzimi) possono essere correlati alla manifestazione della tossicit€ stessa. Essi sono particolarmente validi nel rilevare e quantificare la tossicit€ nei casi in cui gli organismi siano esposti a miscele di sostanze e nell’individuare i casi di potenziamento degli effetti tossici.
1.6.2 Biomarkers di tipo biochimico:
I biomarkers di tipo biochimico sono particolarmente utili perch… sono in grado di rilevare precocemente l'insorgenza di effetti sugli organismi prima che questi possano riflettersi macroscopicamente a livello di comunit€. Lo studio dei biomarkers consente di verificare l'eventuale attivazione di specifici sistemi di detossificazione e/o metabolizzazione che possono essere indotti in condizioni di stress, conseguenza dell’accumulo negli organismi di sostanze tossiche correlabile all’esposizione/effetto di uno o pi‚ inquinanti chimici (Depledge, 1989).
Questo … uno strumento molto importante per rapportare il bioaccumulo delle sostanze allo stato di salute degli organismi.
Esistono alcuni requisiti considerati indispensabili affinchƒ una specie possa essere utilizzata come bioindicatore. Tra questi la sessilit€, le abitudini alimentari preferibilmente di tipo filtratorio, la facilit€ di raccolta, l’ampia diffusione
geografica ed infine, ma non per questo meno importante, la conoscenza del ciclo biologico (ANPA, 2001). Per questo motivo il monitoraggio della contaminazione chimica delle acque avviene attraverso l'impiego di molluschi bivalvi trapiantati, da decenni adoperati sia negli Stati Uniti che in numerosi paesi europei nei programmi internazionali di Mussel Watch (Cicero AM & Di Girolamo I (Ed.), 2001).
Uno dei problemi pi‚ importanti da affrontare nelle indagini ecotossicologiche riguarda la valutazione dell'esposizione e dell'effetto di composti inquinanti sulle comunit€ naturali. La moderna tossicologia ambientale, per affrontare queste problematiche, ha gradualmente affiancato alle indagini di biomonitoraggio, basate sulla stima dei livelli di residui negli organismi bioindicatori, un nuovo approccio metodologico basato sulla valutazione delle risposte che un organismo, una popolazione o una comunit€ naturale pu„ generare, nei confronti di uno stress chimico ambientale. Ciascuna di queste risposte, comunemente definite appunto come biomarkers, rappresenta un segnale integrato del livello di contaminazione di una determinata area e, di conseguenza, costituisce un indicatore del livello di rischio tossicologico a cui una determinata popolazione naturale pu„ essere sottoposta (Bayne et al., 1985; McCarthy e Shugart, 1990, Depledge e Fossi, 1994). Data la definizione convenzionale di biomarker, tale variazione pu„ fornire informazioni sia qualitative che semiquantitative sulla natura dell'inquinamento chimico, sia sulla connessione consequenziale fra effetti biologici e livelli di contaminazione ambientale. Uno dei concetti fondamentali su cui si basa questo approccio metodologico riguarda l'intercorrelabilita' degli effetti di un contaminante ai vari livelli di organizzazione strutturale (Bayne et al., 1985). La tossicit€ primaria di un contaminante si esercita, in linea generale, a livello biochimico e molecolare (modificazioni di attivit€ enzimatiche, alterazioni a livello del DNA, ecc.), e solo successivamente gli effetti si possono riscontrare, con un meccanismo a cascata, ai livelli successivi dell'organizzazione gerarchica,
organello, cellula, tessuto, organismo, fino a giungere a livello di popolazione. Le diverse risposte omeostatiche e non che l'organismo genera nei confronti dell'inquinamento chimico rappresentano quindi potenziali biomarkers utilizzabili in indagini ecotossicologiche (McCarthy e Shugart, 1990, Depledge e Fossi, 1994). I vantaggi ed i limiti dell'utilizzo di biomarkers vengono riportati di seguito:
i biomarkers forniscono una risposta integrata dell'esposizione
complessiva della specie bioindicatrice, considerando sia la sommatoria delle diverse vie di assunzione che dell'esposizione nel tempo entro un determinato range spaziale; in pi‚ forniscono una risposta integrata anche dell'insieme delle interazioni tossicologiche e farmacologiche della miscela di composti a cui e' sottoposto l'organismo bioindicatore;
i biomarkers permettono di rilevare precocemente l'esposizione al
tossico.
una delle attuali limitazioni dei biomarkers, riguarda l'individuazione
delle relazioni esistenti fra le risposte a livello dell'individuo e gli effetti a livello ecologico;
certe reazioni multienzimatiche (sistema MFO), subiscono
modificazioni in funzione dello stato ormonale, dell'et€ e del sesso dell'organismo. La conoscenza dei cicli riproduttivi dell'organismo bioindicatore, delle sue caratteristiche fisiologiche, della variabilit€ tra individui, permette di valutare con maggior correttezza l’informazione fornita dal bioindicatore.
In tabella 3 vengono riportati alcuni dei principali biomarkers utilizzati in indagini ecotossicologiche in relazione a due delle principali classi di contaminanti
ambientali quali i metalli pesanti ed i composti organici. Tali biomarkers possono fornire tre tipi di informazioni: il segnale di un problema potenziale, la presenza di una specifica classe di contaminanti ed infine un' indicazione su un possibile effetto ecologico a lungo termine a livello di popolazione e comunit€.
Tabella 3: biomarkers e loro significati interpretativo.
CONTAMINANTE BIOMARKER SEGNALE *
Metalli Pesanti
Cu, Hg, Ag, Zn, Cd, Pb Alterazioni del DNA S Metallotioneine S D Porfiria S D P Risposte Immunitarie S MFO S Composti Organici
1.PAHs Alterazioni DNA SDP
MFO SD Risposte immunitarie S 2.PCBs, DDT,HCB,TCDD MFO S Porfiria S Risposte immunitarie S Alterazioni DNA SD 3. ORGANOFOSFORICI. Esterasi ematiche SD CARBAMMATI. Esterasi cerebrali SDP
S: Segnale di un problema potenziale; D: Definitivo indicatore di una classe di contaminanti.; P :Indicatore Predittivo di un effetto negativo a lungo termine