INDICE
RIASSUNTO pag. 4
1.INTRODUZIONE pag. 7
1.1 Inquinamento pag. 8 1.2 Modalit€ con cui gli inquinanti entrano nell'ambiente pag. 9 1.2.1 Scarichi cloacali diretti pag. 11 1.2.2 Scarichi di rifiuti civili, industriali e agricoli pag. 12
1.2.3 Scarichi di oli combustibili pag. 15
1.3 Effetti generali degli inquinanti sugli organismi pag. 17 1.3.1 Genotossicita' pag. 17 1.3.2 Cancerogenicita' pag. 17 1.3.3 Neurotossicita' pag. 19 1.3.4 Disturbo nel trasferimento energetico pag. 20 1.4 Tipologie di inquinanti ed effetti sulla salute pag. 20
1.4.1 Inquinanti inorganici pag. 23 1.4.2 Inquinanti organici pag. 25 1.4.2.1 Effetti generali degli inquinanti organici pag. 26
1.4.2.2 Idrocarburi aromatici pag. 28
1.4.2.3 Composti organoclororati pag. 29 1.4.2.4 Ftalati pag. 30 1.4.2.5 Ammine aromatiche (aa) pag. 31 1.4.2.6 Composti organostannici pag. 32 1.5 Risposte degli organismi agli inquinanti pag. 34 1.6 Il biomonitoraggio tramite biomarker pag. 37 1.6.1 Definizione di biomarkers pag. 37 1.6.2 Biomarkers di tipo biochimico pag. 38
1.7 Enzimi come catalizzatori biologici pag. 42 1.7.1 Inibizione competitiva pag. 43 1.7.2 Inibizione acompetitiva pag. 44 1.7.3 Inibizione mista pag. 45 1.8 Enzimi come biomarkers ambientali pag. 46 1.9 Normativa di riferimento pag. 49
2. SCOPO DEL LAVORO pag. 53
3. MATERIALI E METODI pag. 55
3.1 Materiali pag. 56
3.2 Metodi pag. 57
3.2.1 Metodo spettrofotometrico per la determinazione dell’attivit€ della
Citrato Sintasi pag. 57 3.2.2 Metodo spettrofotometrico per la determinazione dell’attivit€
della Deoxyribonucleasi I pag. 58 3.2.3 Metodo spettrofotometrico per la determinazione dell’attivit€ della
Fosfatasi alcalina pag. 58 3.2.4 Metodo spettrofotometrico per la determinazione dell’attivit€ della
Adenosina deaminasi pag. 59
4. RISULTATI pag. 60
4.1 Condizioni di saggio pag. 61 4.2 Citrato Sintasi pag. 63 4.2.1 Velocit€ di reazione in funzione di [E] pag. 64 4.2.2 Velocit€ di reazione in funzione di [S] pag. 65 4.2.3 Effetto dei composti organici pag. 66 4.2.4 Effetto dei metalli pag. 69
4.3.1 Velocit€ di reazione in funzione di [E] pag. 73 4.3.2 Velocit€ di reazione in funzione di [S] pag. 74 4.3.3 Effetto dei composti organici pag. 74 4.3.4 Effetto dei metalli pag. 77 4.4 Fosfatasi Alcalina pag. 81 4.4.1 Velocit€ di reazione in funzione di [E] pag. 82 4.4.2 Velocit€ di reazione in funzione di [S] pag. 82 4.4.3 Effetto dei composti organici pag. 83 4.4.4 Effetto metalli pag. 86 4.5 Adenosina Deaminasi pag. 90 4.5.1 Velocit€ di reazione in funzione di [E] pag. 90 4.5.2 Velocit€ di reazione in funzione di [S] pag. 91 4.5.3 Effetto dei composti organici pag. 91 4.5.4 Effetto dei metalli pag. 95
5. DISCUSSIONE pag. 100
RINGRAZIAMENTI pag. 106
RIASSUNTO:
Attualmente il problema dell'inquinamento ha assunto proporzioni drammatiche, prima l'estensione delle zone contaminate era molto modesta rispetto alla superficie terrestre ora, invece, sta assumendo dimensioni sempre pi‚ grandi. L’introduzione nell’ambiente di energia o di sostanze contaminanti che sono nocive sia per la loro intrinseca tossicit€ sia perchƒ sono immesse in dosi eccedenti la normale capacit€ di autodepurazione dell’ecosistema, costituisce un problema sempre pi‚ pressante con effetti sullo stato di salute dell’ambiente, dell’uomo e della sua qualit€ di vita.
Le principali emissioni in termini di scarichi puntuali e diffusi, sversamenti, perdite, che determinano l'alterazione dello stato di qualit€ delle risorse idriche e gli impatti subiti dagli ecosistemi, sono prodotte dai settori industriale, agro-zootecnico, civile e turistico. I principali inquinanti derivati dagli insediamenti civili sono le sostanze organiche biodegradabili, il settore agro-zootecnico produce inquinamento da nutrienti, fertilizzanti e fitosanitari, mentre l'industria genera quello da composti organici e da metalli pesanti. Per quanto riguarda il settore industriale, nelle acque di scarico industriali sono presenti numerosi elementi potenzialmente tossici per gli esseri viventi, fra questi molto rappresentati sono ioni metallici quali rame, zinco, cadmio, piombo, mercurio, ferro ecc.. e composti organici come: benzofluorantene, benzene, toluene, formaldeide, metilammina ecc. Questi elementi possono invadere il terreno, le acque che alimentano le falde ed il mare. Il range di concentrazioni di tali elementi che pu„ rivelarsi tossico per gli esseri viventi non … semplicissimo da definire, infatti il valore ottenuto dipende dal modello utilizzato per misure di tossicit€, i tempi e le condizioni di esposizione. Uno dei problemi pi‚ importanti da affrontare nelle indagini ecotossicologiche riguarda la valutazione dell'esposizione e dell'effetto di composti inquinanti sugli organismi.
Lo studio e lo sviluppo di test biologici di tossicit€ sono in rapida espansione. Recentemente … stato sviluppato un metodo di indagine per valutare gli effetti dell’inquinamento sulla componente biologica dell’ecosistema il cui obiettivo … quello di 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 di opportuni indici, noti con il termine di “biomarkers”. Anche l’attivit€ enzimatica pu„ essere utilizzata come biomarker, infatti insetticidi, pesticidi e metalli possono causare inibizione enzimatica, di conseguenza la misura di specifiche attivit€ pu„ essere utilizzata per il monitoraggio ambientale. Le tecniche di monitoraggio basate sulla misura di attivit€ enzimatiche sono particolarmente convenienti in quanto danno risposte affidabili in tempi molto brevi e con costi decisamente contenuti. Lo scopo della mia tesi … quello di determinare l’effetto di dosi diverse degli elementi inizialmente citati sulla funzione di enzimi modello. Gli enzimi utilizzati nei saggi sono largamente distribuiti tra gli esseri viventi, svolgono funzioni essenziali ed hanno localizzazioni intracellulari diverse, infatti la Citrato Sintasi … un enzima mitocondriale, la Deoxyribonucleasi I … nucleare, la Fosfatasi Alcalina … un enzima ancorato alle membrane e l’Adenosina Deaminasi … citosolico.
Le dosi utilizzate degli elementi sono corrispondenti alle dosi limite di legge e dosi da quattro a dieci volte superiori. Vengono utilizzate due modalit€ di esposizione: un’ esposizione breve che indichi un eventuale effetto inibitorio dei composti sulla attivit€ enzimatica, ed una con preincubazione di 30 minuti alla temperatura di saggio, che dovrebbe mettere in evidenza eventuali danni mediati da modifiche chimiche esercitate dai composti sugli enzimi modello. I risultati ottenuti dovrebbero contribuire a creare presupposti migliori per la comprensione della
tossicit€ degli elementi indicati e contribuire ad individuare attivit€ enzimatiche utilizzabili come biomarkers.
1.1 Inquinamento:
Uno degli aspetti pi‚ drammatici del tempo presente … il progressivo aggravarsi della crisi ambientale, intesa come alterazione, a volte irreversibile, dei sistemi naturali abiotici e biotici. Essa … in buona parte causata dall'azione dell'uomo sull'ambiente e il conseguente decadimento ambientale si manifesta ormai sia su scala locale che globale e i suoi effetti negativi mettono a rischio la sopravvivenza di molte specie inclusa quella umana. Per inquinamento s'intende la perturbazione degli equilibri di un ecosistema e si pu„ definire "inquinante" una qualunque sostanza, di origine naturale o antropica, che non rientra nella composizione (o presente in concentrazione nettamente superiore ai valori naturali) della matrice di interesse, e che abbia un effetto dannoso sull'ambiente. Sin dagli anni '70 l'inquinamento ambientale … stata una questione di grande interesse pubblico, in quanto in costante aumento nel corso degli ultimi decenni. Alle forme di inquinamento pi‚ note, chimico e biologico se ne sono aggiunte altre come l'inquinamento acustico, termico, elettromagnetico. La protezione dell'ambiente … quindi una delle maggiori sfide odierne, ma soprattutto del futuro. I rifiuti industriali e civili danno un significativo contributo all'inquinamento ambientale che minaccia sempre pi‚ la salute dell'uomo e dell'ecosistema; da qui scaturisce l'esigenza di una maggiore attenzione per la cultura del riciclo, del riuso, della materia prima seconda (scarti di una produzione che fungono da materia prima di un altro processo produttivo), per una cultura dell'economia, del bando agli sprechi, per un potenziamento di quelle branche della scienza sulle quali si basano le tecnologie pulite.
La tutela ambientale rappresenta una delle problematiche pi‚ importanti da risolvere, in quanto sono estremamente dannosi gli effetti procurati, alla salute umana ma non solo, da un ambiente alterato nelle sue componenti.
Il problema dell'inquinamento, in particolare dell'acqua potabile e dell'ambiente acquatico, suscita un interesse crescente in quanto la situazione peggiora di pari passo all’ espansione industriale. Vengono smaltite, infatti, elevatissime quantit€ di rifiuti contenenti sia sostanze di natura organica biodegradabili, che compromettono le capacit€ autodepurative delle acque, sia di natura organica e inorganica, non biodegradabili, estremamente dannosi per i cicli biologici, anche in piccole quantit€. L’utilizzo sempre pi‚ diffuso di sostanze artificiali in agricoltura aumenta la quantit€ degli inquinanti e la possibilit€ di contaminare le acque superficiali e profonde, inoltre, il prelievo eccessivo delle risorse idriche, riduce ancor di pi‚ la capacit€ stessa di autodepurazione.
1.2 Modalit€ con cui gli inquinanti entrano nell'ambiente:
A causa della sua estrema fluidit€ e della sua estensione nel globo, l'acqua costituisce, insieme all'atmosfera, uno dei veicoli pi‚ importanti dell'inquinamento ecologico. Nonostante l'imponente sviluppo delle reti stradali e il crescente utilizzo dei mezzi aerei, le vie d'acqua (soprattutto il mare ma anche le vie fluviali e lacustri) restano ancora quelle che assicurano i mezzi pi‚ economici e talora insostituibili per il trasporto delle merci. Oltre che come via di comunicazione, l’uomo ha sempre utilizzato il mare come un grande scarico naturale, ma per millenni ci„ non ha comportato danni molto gravi. Fino ad un centinaio di anni fa i fiumi, insieme ai materiali strappati alle rocce, immettevano in mare le sostanze organiche contenute nelle acque residuali urbane che contenevano sostanze organiche e batteri. Le sostanze organiche non erano troppo abbondanti e giunte al mare venivano
rapidamente riutilizzate come nutrimento dagli organismi del plancton. I batteri venivano diluiti e non riuscivano a sopravvivere a causa della salinit€ e della temperatura. I rifiuti industriali erano relativamente poco dannosi essendo costituiti quasi esclusivamente da sostanze biodegradabili e da pochi elementi metallici. La capacit€ depurativa del mare superava la capacit€ inquinante delle sostanze immesse.
Oggi la situazione … profondamente mutata: nell’ultimo secolo la popolazione mondiale … cresciuta enormemente e si … andata concentrando nelle aree urbane. Gli scarichi organici di produzione umana si sono notevolmente accresciuti. Gli stabilimenti industriali si sono moltiplicati e nell’elenco dei loro rifiuti sono entrate sostanze chimiche artificiali non trasformabili, derivate dalla lavorazione delle materie plastiche, delle fibre sintetiche, di detergenti, insetticidi e pesticidi. Ai metalli tradizionali se ne sono aggiunti altri spesso molto tossici come il mercurio, il cadmio, il nichel, lo zinco, il cromo, l’arsenico.
Anche l’agricoltura ha cominciato a dare il proprio contributo immettendo nei fiumi acque cariche di fosfati e nitrati e contaminate da insetticidi, pesticidi e diserbanti. Tutte queste sostanze contaminano sia le acque continentali che quelle marine, producendo effetti, anche a distanze notevoli dalle zone di scarico sulla flora e sulla fauna, con gravi pericoli anche per l’uomo.
Riepilogando, oggi l'inquinamento dell'acqua … dovuto a tre cause principali:
1) agli scarichi cloacali diretti (senza l'intervento di depuratori) nei fiumi, nei laghi e nel mare;
3) a scarichi di oli combustibili provenienti da raffinerie o da lavaggi di petroliere; cui vanno aggiunte perdite accidentali di idrocarburi.
1.2.1 Scarichi cloacali diretti:
Gli scarichi urbani costituiscono il 59,2 % delle fonti di inquinamento delle acque. Si pu„ affermare che gli scarichi urbani giungono quasi nella loro totalit€ al mare in condizioni organiche inalterate e spesso in condizioni di difficile trasformazione. Le acque di scarico non depurate contengono agenti patogeni (parassiti e batteri) e materiali organici che per decomporsi consumano una notevole quantit€ di ossigeno. Lo scarico incontrollato delle acque residuali trasforma le acque costiere in un ambiente favorevole alla sopravvivenza in concentrazioni massicce di batteri fecali e di numerosi germi patogeni che quasi sempre li accompagnano. I batteri aerobi consumano l’ossigeno disciolto nell’acqua per degradare il materiale organico inquinante ma in questo modo creano un ambiente diverso, pi‚ povero di ossigeno. Se il corpo idrico ricevente … poco profondo e sufficientemente movimentato, l’ossigeno atmosferico pu„ compensare quello consumato, e l’anidride carbonica prodotta dalla decomposizione pu„ disperdersi nell’atmosfera. Al contrario, se il corpo idrico ricevente … particolarmente calmo o addirittura stagnante, viene consumato pi‚ ossigeno di quanto se ne sciolga e si ha un incremento dell'anidride carbonica disciolta. Questa situazione causa la morte dei pesci e degli altri organismi che hanno bisogno di ossigeno per vivere, incrementando cosˆ la quantit€ di materia organica da degradare. L’elevata produzione di biomassa induce quindi un eccessivo consumo di ossigeno per la decomposizione aerobica, fino all’instaurarsi di condizioni anossiche; in ambiente anossico cambiano i prodotti del metabolismo degradativo: i batteri anaerobi utilizzano, per i loro processi di fermentazione e respirazione anaerobica, composti quali nitrati e solfati, liberando, tra gli altri, anche composti tossici quali
ammoniaca, idrogeno solforato e metano. Gli inerti e i rifiuti di plastica aggravano questa situazione. La presenza di microrganismi patogeni … anche indirettamente dannosa per la salute umana in quanto questi possono contaminare i prodotti della pesca che fanno parte della nostra alimentazione. I prodotti della pesca provenienti da zone inquinate spesso sono all'origine di epidemie di tifo, colera, salmonellosi e altre malattie infettive.
1.2.2 Scarichi di rifiuti civili, industriali e agricoli:
Gli scarichi urbani ed extraurbani sono spesso saturi di sostanze tensioattive (detergenti) utilizzate sia per uso domestico sia industriale. Le sostanze tensioattive non sono biodegradabili e formano sulla superficie dell'acqua uno strato galleggiante che impedisce lo scambio di ossigeno con l'atmosfera e il passaggio in quest’ultima delle sostanze gassose (anidride carbonica, metano, acido solforico, ammoniaca) che si formano dalla decomposizione delle materie nell'acqua. Per questo motivo la legge impone che i detersivi siano biodegradabili almeno fino all’80%. In Italia il consumo dei detersivi si aggira sulle 500.000 tonnellate all'anno per il solo uso domestico. Ma i detersivi trovano impiego anche nell'industria tessile, nelle industrie alimentari, nelle birrerie, nelle lavanderie, nelle pelliccerie, nell'industria del cuoio, nelle industrie metallurgiche, ecc.
Gli scarichi industriali contengono una grande variet€ di inquinanti e la loro composizione varia a seconda del tipo di processo produttivo. Il loro impatto sull'ambiente … complesso: spesso le sostanze tossiche contenute in questi scarichi rinforzano reciprocamente i propri effetti dannosi e quindi il danno complessivo risulta maggiore della somma dei singoli effetti.
Tra i rifiuti industriali si possono indicare gli scarichi galvanici e, particolarmente nocivi, quelli provenienti da industrie che fabbricano prodotti a base di mercurio o
che utilizzano il mercurio nel ciclo di produzione. Il mercurio inorganico contenuto negli scarichi industriali, tende a depositarsi sul fondo di fiumi e laghi e nel mare. I batteri anaerobi lo convertono in metil mercurio (CH3)2Hg, il quale causa seri danni al sistema nervoso e al cervello degli animali e dell’uomo, e pu„ provocare anche delle mutazioni genetiche. Vi sono altresˆ i residui delle concerie, delle cartiere, delle industrie metallurgiche, delle fabbriche di coloranti e di caucci‚ sintetico, delle fabbriche di materie plastiche e di altre attivit€ industriali. La concentrazione di inquinanti pu„ essere ridotta limitandone la produzione all'origine, sottoponendo il materiale a trattamento preventivo prima di scaricarlo nella rete fognaria e recuperando le sostanze che possono essere reintrodotte nei processi produttivi. Le attivit€ agricole sono un'altra importante fonte d'inquinamento delle acque. Tale inquinamento … dovuto all'uso sempre pi‚ diffuso di insetticidi, erbicidi, fertilizzanti. I fertilizzanti e altre sostanze chimiche favoriscono una crescita eccessiva di alghe e piante acquatiche. Un'alta percentuale di fertilizzanti (tra il 20 e il 25 %) non viene assorbita dal ciclo produttivo e si immette direttamente, o per assorbimento attraverso i terreni, nei corsi d'acqua per poi scaricarsi nel mare. I fertilizzanti chimici usati in agricoltura e i liquami prodotti dagli allevamenti sono ricchi di sostanze organiche (contenenti soprattutto azoto e fosforo) che, dilavate dalla pioggia, vanno a riversarsi nelle falde acquifere o nei corpi idrici superficiali. A queste sostanze si aggiungono spesso detriti pi‚ o meno grossolani che si depositano sul fondo dei bacini. Il cadmio presente in certi fertilizzanti pu„ essere assorbito dalle colture e giungere all'uomo attraverso la catena alimentare. I liquami di origine animale vengono scaricati a volte direttamente sul terreno e da qui sono trasportati dall'acqua piovana nei fiumi, nei laghi e nelle falde sotterranee. Nei moderni depuratori i liquami passano attraverso tre fasi distinte di trattamento. La prima fase comprende una serie di processi fisici o meccanici di rimozione dei detriti pi‚ grossolani; durante questa fase vengono
anche fatti depositare i sedimenti in sospensione e si separano le sostanze oleose. Nella seconda fase si ossida la materia organica dispersa nei liquami per mezzo di fanghi attivi o filtri biologici. La terza fase ha lo scopo di rimuovere i fertilizzanti per mezzo di processi chimico-fisici, come l'assorbimento su carbone attivo. In ogni fase vengono prodotte notevoli quantit€ di fanghi, il cui trattamento e smaltimento assorbe il 25-50% dei costi di impianto e di esercizio di un comune depuratore.
Un esempio importante che riguarda l’inquinamento da eccessivo apporto di azoto e fosforo … il fenomeno dell’eutrofizzazione. Si definisce eutrofizzazione: “l’arricchimento delle acque in sali nutritivi che provoca cambiamenti tipici quali l’incremento della produzione delle alghe e di piante acquatiche, l’impoverimento delle risorse ittiche, la generale degradazione della qualit€ dell’acqua e altri effetti che ne riducono o precludono l’uso (OECD, 1982)”. L’eutrofizzazione … un fenomeno connesso all’eccessivo apporto di sostanze nutrienti in uno specchio d’acqua che provoca un’abnorme proliferazione di vegetazione sommersa. Le variazioni della quantit€ di organismi vegetali presenti in un ambiente acquatico sono determinate dalla disponibilit€ di elementi nutritivi (carbonio, fosforo, azoto, microelementi). Apporti elevati di azoto e fosforo, derivanti nella maggioranza dei casi dalle attivit€ umane, determinano la produzione di enormi quantit€ di vegetazione in laghi e in mari poco profondi (per esempio, l’Adriatico). La sedimentazione sul fondo e la decomposizione della massa vegetale esuberante innescano una serie di effetti negativi, quali la scomparsa dell’ossigeno disciolto nelle acque di fondo e la conseguente morte di organismi o lo sviluppo di gas tossici. In particolari condizioni stagionali (soprattutto in autunno e primavera), le acque di fondo prive di ossigeno possono mescolarsi con quelle superficiali ossigenate, creando una miscela il cui contenuto di ossigeno … cosˆ basso (2-3 mg/l)
da non essere compatibile con la vita dei pesci. Si verificano allora imponenti morie, soprattutto a carico delle specie che necessitano di pi‚ elevati apporti di ossigenazione. Per limitare gli effetti dell’eutrofizzazione … necessario diminuire gli apporti di azoto e fosforo alle acque superficiali. Tra gli interventi diretti, vi … la realizzazione di impianti di depurazione delle acque di scarico; tra gli indiretti, la limitazione al contenuto di fosfati nei detersivi per uso domestico.
1.2.3 Scarichi di oli combustibili:
La terza causa dell'inquinamento dell'acqua, quasi esclusivamente delle acque marine, … dovuta agli idrocarburi. L'inquinamento da idrocarburi pu„ avere sia cause permanenti, sia cause accidentali e dolose. I porti e i punti di scarico del petrolio grezzo o dei prodotti raffinati costituiscono una causa permanente di inquinamento, cui contribuiscono sensibilmente i cantieri di demolizioni navali. Petrolio ed altri idrocarburi vengono versati frequentemente in mare dalle raffinerie rivierasche, a causa di perdite incontenibili che sono molto piccole se considerate singolarmente ma diventano ingenti quando si protraggono nel tempo. Ed ancora pi‚ grave … lo scarico delle acque di lavaggio delle petroliere, eseguito deliberatamente e spesso a poca distanza dalle coste; peraltro queste navi subiscono talvolta incidenti che fanno riversare in zone ristrette quantitativi enormi di petrolio greggio. Si calcola che in tutto il mondo, lavorando e trasportando petrolio, ne finiscano in mare 1.500.000 tonnellate all'anno. Ma, mentre le cause permanenti di inquinamento in quanto previste e prevedibili, possono venir contenute, disciplinate e pi‚ facilmente perseguite, le cause accidentali costituiscono l'aspetto del fenomeno non solo pi‚ appariscente ma anche pi‚ pericoloso, perchƒ conseguenza di eventi improvvisi, non sempre tempestivamente accertabili nella localizzazione e nella dimensione. Nell'acqua gli idrocarburi formano ampie macchie galleggianti che possono essere attaccate lentamente da organismi microbici assai rari e da
processi fotochimici. Il risultato … comunque una sottrazione di ossigeno all’ambiente sia perchƒ il petrolio galleggiante impedisce all’ossigeno atmosferico di raggiungere le acque marine sottostanti, sia perchƒ i batteri per degradarlo consumano notevoli quantit€ di ossigeno.
Figura 1Impatto delle attivit€ umane sull'ambiente
Le attivit€ produttive introducono nell'ambiente agenti inquinanti di natura assai varia che contaminano l'atmosfera, le acque ed il suolo, persistendovi in taluni casi molto a lungo. Quindi, ne sono esempi: gli scarichi di liquami industriali nelle acque dei fiumi, le sostanze petrolifere riversate in mare, i rifiuti sia domestici che chimici, i gas ed i fumi prodotti dalle combustioni, i pesticidi ed i fertilizzanti utilizzati in agricoltura, le scorie di materiale radioattivo delle centrali termonucleari.
1.3 Effetti generali degli inquinanti sugli organismi:
Le sostanze inquinanti dell'acqua possono avere molti effetti diversi sugli organismi, sempre a seconda del tipo di inquinante e dell'organismo in questione. Qui di seguito vengono riportati gli effetti generali che pu„ provocare una sostanza inquinante:
1.3.1 Genotossicita':
Molti composti che entrano in contatto con organismi viventi danneggiano il DNA. Tali composti sono denominati genotossine, a causa del loro effetto genotossico. Solitamente quando gli inquinanti danneggiano il DNA un sistema di riparazione lo ripristina al proprio stato usuale, ma quando questo sistema non funziona per qualche motivo le cellule con DNA danneggiato possono dividersi. Le cellule mutanti vengono quindi prodotte ed il difetto pu„ essere trasmesso, provocando nella progenie dell'organismo in questione seri danni per la salute.
1.3.2 Cancerogenicita':
Parecchie sostanze inquinanti sono cancerogene, il che significa che possono indurre il cancro in esseri umani e negli animali. Le sostanze cancerogene possono essere sostanze inquinanti che agiscono in una o pi‚ fasi di sviluppo del cancro in un organismo.
L’organizzazione Mondiale della Sanit€ e le indagini di numerosi autori indicano che una forte percentuale di tumori umani (70-90%) sarebbe determinata da fattori ambientali; tali indicazioni si basano prevalentemente su indagini epidemiologiche eseguite su vaste comunit€ umane. Secondo la classificazione della IARC
(International Agency for Research on Cancer) le sostanze inquinanti si possono suddividere in 4 categorie:
Categoria 1 : cancerogena per l'uomo.
Categoria 2A : cancerogena probabile per l'uomo. Categoria 2B : cancerogena possibile per l'uomo.
Categoria 3 : classificazione impossibile riguardo all'azione cancerogena per
l'uomo.
Categoria 4 : probabilmente non cancerogena per l'uomo.
Al primo gruppo appartengono alcuni metalli pesanti come cromo, nichel, cadmio, responsabili del cancro al polmone; sempre appartenente alla prima categoria vi … il benzene, gli effetti a lungo termine dell’esposizione a questo contaminante sono quelli di indurre sindromi mielodisplastiche, ipoplasie midollari, leucemia acuta non-linfocitica.
Di seguito … riportata una tabella (tabella 1) riguardante i maggiori inquinanti del traffico veicolare, la classe IARC di appartenenza e i relativi effetti sull’organismo.
Tabella 1 IARC Monogragh, 2002.
ClasseI• IARC (cancerogeni
certi)
Effetto patologico
Classe2a IARC
(probabile cancerogeno)
benzene
Leucemie non linfocitiche, Mielodisplasie,
Linfoma Hodgking Benzo(a)antracene
Arsenico Cancro Polmone, Stomaco Benzo(a)pirene Asbesto Cancro Polmone, Pleura 1-3Butadiene
Cadmio Cancro Polmone, Rene Tolueni clorati
Cromo Leucemia, Linfoma non-Hodgking Dibenzoantracene Nichel Cancro Polmone, Rinofaringe Formaldeide Catrame Cancro Polmone, Vescica, Esofago,
Stomaco, Pelle, Rene, Leucemia
Stirene Radiazione
solare
Melanoma Scarichi di motori
Diesel
1.3.3 Neurotossicita':
Il sistema nervoso degli organismi … molto sensibile agli effetti tossici dei prodotti chimici, sia naturali che artificiali. I prodotti chimici che causano effetti neurologici sono detti neurotossine. Un esempio di neurotossine pericolose sono gli insetticidi. Tutte le neurotossine disturbano in qualche modo la normale trasmissione degli impulsi lungo i nervi o attraverso le sinapsi. Le conseguenze della neurotossicita' sono svariate. Possono verificarsi tremiti e convulsioni muscolari non coordinate, disfunzione dei nervi e delle trasmissioni, annebbiamento e depressione, o persino totale disfunzione di parti del corpo.
1.3.4 Disturbo nel trasferimento energetico:
La trasformazione energetica negli organismi avviene nei mitocondri, qui vengono prodotte molecole di ATP, che sono in grado di fornire l’energia necessaria allo svolgimento del lavoro cellulare. Quando la produzione di ATP viene disturbata le funzioni cellulari vengono compromesse.
Una propriet€ delle sostanze inquinanti che dovrebbe essere tenuta sempre presente … la loro possibilit€ di interagire tra loro. Le reazioni chimiche che causano la combinazione di sostanze inquinanti possono ridurre il loro effetto generale, ma possono anche aumentarlo, rendendo una sostanza inquinante ancor pi‚ pericolosa per gli organismi.
1.4 Tipologie di inquinanti ed effetti sulla salute:
In base a quanto detto fino ad ora, i diversi inquinanti, secondo la loro natura, possono produrre tre tipi di inquinamento idrico o l'insieme di questi:
• inquinamento chimico, in caso di immissione di sostanze chimiche organiche e inorganiche che modificano le caratteristiche chimiche dell'acqua;
• inquinamento fisico, in caso di notevoli variazioni di portata, di aggiunta o sottrazione di calore, di immissione di sostanze grossolane che modificano le propriet€ fisiche dell'acqua, quali colore, trasparenza, temperatura;
• inquinamento biologico, in caso di immissione di organismi patogeni come batteri, virus, parassiti.
Molte sostanze inquinanti che si riversano nelle acque sono in grado di accumularsi negli organismi perchƒ sono prevalentemente idrofobiche e attraverso la catena trofica vengono trasferite da un organismo ad un altro subendo un progressivo aumento di concentrazione mediante il processo di “amplificazione biologica” di
una sostanza tossica, che, inizialmente presente nel terreno o nelle acque, si accumula prima nelle piante, successivamente negli erbivori, che se ne nutrono e pi‚ tardi nei carnivori. L’accumulo si sostanze inquinanti, che prende il nome di bioaccumulo, pu„ avvenire attraverso due differenti meccanismi:
la bioconcentrazione e la biomagnificazione, la prima consiste nella captazione diretta degli xenobiotici, mentre la seconda riguarda l’accumulo crescente di inquinanti, attraverso l’ingestione di cibo contaminato, che raggiunge in un organismo quantit€ pi‚ elevate rispetto agli organismi che lo precedono nella catena alimentare.
Una sostanza tossica … capace di produrre delle risposte dannose in un sistema biologico, alterandone seriamente le funzioni o producendone la morte.
Virtualmente ogni sostanza chimica pu„ produrre un danno o la morte se presente in concentrazioni sufficientemente elevate; tutte le sostanze sono perci„ potenzialmente tossiche, la dose … un fattore discriminante per determinare quando una sostanza produce effetti indesiderati, danni severi o la morte.
Per produrre una manifestazione tossica, un agente chimico o un suo metabolita deve poter interagire con specifici siti dell’organismo ed essere presente in un’appropriata concentrazione per un periodo sufficientemente lungo: perci„ l’eventuale manifestazione tossica dipende dalle propriet€ chimico-fisiche dell’agente chimico, dall’esposizione e dalla sensibilit€ del sistema biologico.
Molti degli inquinanti presenti nelle acque marine, hanno attivit€ mutagena: inducono cio… mutazioni genetiche in piante e in animali. Si pu„ cosˆ determinare un effetto cancerogeno, dovuto a mutazioni di cellule somatiche. L’uomo pu„ essere colpito sia attraverso il consumo di animali che hanno accumulato queste sostanze, sia per quanto riguarda le popolazioni costiere, attraverso l’aerosol marino. Tra i pi‚ frequenti agenti mutageni presenti in mare, sono da segnalare
oltre gli idrocarburi policiclici e le ammine aromatiche, i vari metalli pesanti come cromo, mercurio, piombo ecc. insieme ai pesticidi, con particolare riferimento ai composti organo-clorurati.
Tabella 2 : inquinanti delle acque e loro caratteristiche principali
Inquinanti delle acque Caratteristiche
Metalloidi (es. As, Se) Tossici, effetti sulla salute Metalli pasanti (es. Cd, Pb, Hg) Dannosi, elementi inquinanti,
tossici
Radionuclidi Tossici, effetti sulla salute e ambiente
Specie inorganiche (es. H2S, CN-) Velenose, se presenti in elevate
dosi
Asbesto Nocivo per inalazione Nutrienti per alghe eutrofizzazione
Acidit€, alcalinit€, salinit€ Effetti sulla vita acquatica Policlorobifenili Possibili effetti biologici Pesticidi (erbicidi, fungicidi ecc.) Tossici, effetti su flora e fauna Rifiuti del petrolio Effetti sulla vita selvatica Acqua di scarico, rifiuti umani e
animali
Qualit€ acqua, livelli di ossigeno Agenti patogeni Effetti sulla salute
Detersivi Eutrofizzazione Composti chimici cancerogeni Incidenza sul cancro
Sedimenti Effetti sulla qualit€ dell’acqua
Restringendo all'inquinamento chimico, le specie chimiche inquinanti si suddividono in:
- inorganiche - organiche
1.4.1 Inquinanti inorganici:
Gli inquinanti inorganici pi‚ pericolosi sono rappresentati dai metalli pesanti, con questo termine si intendono gli elementi di transizione della tavola periodica, pi‚ piombo e stagno, con densit€ maggiore di 5 gr/cm3 , questi, in particolari condizioni ambientali, possono variare le loro caratteristiche chimiche generando specie tossiche in soluzione.
I metalli pesanti, come del resto molti altri elementi chimici, possono esistere allo stato elementare (o metallico) o come ioni liberi, o come parte di molecole pi‚ complesse. E' importante non fare confusione tra questi tre stati, perchƒ i loro effetti sull'ambiente sono profondamente diversi. Allo stato elementare, o metallico di norma nessun metallo … tossico. Non bisogna per„ dimenticare che numerosi processi chimici e biochimici sono in grado di trasformare un elemento in ioni, che invece hanno attivit€ biologiche.
I metalli pesanti possono essere distinti qualitativamente in essenziali e non: i primi comprendono Fe, Cu, Zn, Cr, Mn e Co, sono richiesti dall’organismo in quantit€ minime, e sono coinvolti in molteplici funzioni biologiche come costituenti indispensabili di molti enzimi (De Vivo B. et al., 2004). Esistono dei valori di concentrazione intracellulare ottimali, al di sotto dei quali, l’organismo entra in sofferenza; tuttavia una concentrazione eccessiva di tali ioni … decisamente tossica. Elementi come Hg, Cd, Ni e Pb, non presentano alcuna funzione biologica finora conosciuta, e vengono quindi definiti non essenziali, essi possono essere tollerati dall’organismo entro determinate concentrazioni, al di sopra delle quali diventano tossici (De Vivo B. et al., 2004) .
I metalli pesanti, tra i vari inquinanti, sono i pi‚ tossici per l'uomo; si accumulano nell’organismo determinando effetti nocivi a breve e lungo termine, diversi a seconda del metallo.
Possono causare danni ai reni, al sistema nervoso e al sistema immunitario, e in certi casi avere effetti cancerogeni.
I sintomi pi‚ classici di intossicazione da metalli pesanti sono irritabilit€ e instabilit€ dell’umore, depressione, cefalee, tremori, perdita di memoria, ridotte capacit€ visive.
In particolare, l’eccesso di mercurio negli organismi provoca gravi intossicazioni, la cui sintomatologia … principalmente a carico del sistema nervoso centrale, ed include parestesie, ansia, perdita di memoria, depressione, perdita di peso, tremori, allucinazioni, ridotta funzionalit€ renale, debolezza muscolare, disturbi della parola e coordinazione, alterazione della funzione motoria (Sanfeliu et al., 2003).
Per quanto riguarda gli effetti tossici sull’uomo questi sono noti per episodi passati avvenuti in Giappone a Minamata (1953 - 1961) ed a Piagata (1964 - 1965). Gli scarichi industriali riversarono nella baia antistante la citt€ tonnellate di mercurio, che inquinarono il mare, il pesce, e di conseguenza intossicarono gli abitanti della citt€, causando centinaia di vittime.
Il cadmio, invece, … ritenuto il responsabile dell’insorgere di disfunzioni renali, ipertensione, disturbi gastrointestinali e dell’apparato riproduttivo, forme di arteriosclerosi, epatopatie, osteoporosi, insufficenza polmonare, anemia, coliche renali, e diverse forme tumorali. Il cadmio pu„ anche causare problemi alle ossa (osteomalacia, osteoporosi) (Waalkes, 2003).
Il piombo pu„ essere responsabile di un’intossicazione acuta o cronica nota come saturnismo. Il metallo produce i suoi effetti negativi sia sulle ossa, dove si accumula, riconosciuto dai meccanismi di trasporto transmembrana come ione calcio, sia a livello di processi chimici dell’organismo umano, poichƒ … ritenuto
inibitore della produzione di numerosi enzimi. Inoltre al piombo si fa risalire l’insorgenza di disturbi cerebrali e del sistema nervoso: encefalopatie, perdita di memoria, insonnia, paralisi periferiche, algie muscolari, ipertensione, ridotta funzionalit€ renale e surrenalica, infertilit€, coliche intestinali, anemia (Barciszewska et al., 2004).
1.4.2 Inquinanti organici:
Tra gli inquinanti organici sono da segnalare gli idrocarburi, i pesticidi, gli insetticidi, i composti cloro e nitro derivati, i farmaci e tutti quei composti di sintesi che hanno una spiccata tendenza all'accumulo biologico e che siano difficilmente biodegradabili. Gli idrocarburi sono composti organici contenenti legami carbonio-idrogeno e carbonio-carbonio, gli atomi di carbonio sono legati tra loro a formare lo scheletro della molecola, mentre gli idrogeni sporgono da questo scheletro; una distinzione pu„ essere fatta in base alle caratteristiche chimiche, ottenendo tre classi principali:
Idrocarburi aromatici, anelli con struttura planare e con legami tutti uguali tra
loro, di lunghezza intermadia tra un legame singolo e uno doppio, caratteristiche che li rendono particolarmente stabili.
Idrocarburi saturi o alcani, con soli legami C-C, CnH2n+2
Idrocarburi insaturi e tra questi:
o alcheni, con almeno un legame C=C, CnH2n
1.4.2.1 Effetti generali degli inquinanti organici:
Questi composti quando entrano in contatto con gli organismi possono avere differenti effetti e provocare loro diverse conseguenze, tra cui:
Tossicit€ sul sistema riproduttivo: il contatto con l’inquinante pu„ determinare il danneggiamento dei gameti (cellule germinali maschili e femminili) ed indurre disturbi nello sviluppo del feto;
Alterazioni nel sistema endocrino: (che si ripercuotono sullo sviluppo di organi e tessuti), un composto chimico pu„ disturbare questo sistema attraverso differenti vie: mimare l’ormone naturale (agendo da agonista), bloccare la sua azione (in qualit€ di antagonista), cambiare la concentrazione dell’ormone naturale o dei siti di ricezione cellulare ;
Disturbi al sistema immunitario: (fondamentale nell’elaborazione di una risposta difensiva dell’organismo), il sistema pu„ essere sovrastimolato causando una ipersensibilit€ e quindi risposte allergiche aumentate o addirittura pu„ essere soppresso da composti quali diossine e PCB (policlorobifenili), mentre il mercurio e il cloruro di vinile (CVM) possono causare malattie autoimmuni, come sclerosi multipla, artriti reumatoidi, diabeti insulina dipendenti;
Patologie tumorali: E’ ormai certo che il cloruro di vinile (CVM), composto di partenza per la produzione della plastica in PVC, … un iniziatore del cancro al fegato (si dice iniziatore perchƒ produce una mutazione genetica in questo organo), mentre la diossina 2,3,7,8-TCDD … un promotore di patologie tumorali, ma non agisce su un particolare organo bersaglio. L’effetto cancerogeno … stato ampiamente documentato negli animali da laboratorio in tutta la sua complessit€ (Maronpot et al., 1993) anche se la diossina non pu„
essere considerata un cancerogeno completo. Infatti la diossina ed i suoi congeneri esplicano sicuramente un’ attivit€ di promotori, tramite l’induzione della moltiplicazione cellulare e l’inibizione dell’apoptosi (effetti mediati dall’interazione con il recettore endocellulare AHR (Aryl Hydrocarbon Receptor)): tuttavia, non sembrano in grado di esplicare di per se una completa azione cancerogena. Sicuramente … accertato che l’esposizione alla diossina predispone fortemente le cellule alla trasformazione neoplastica. Nell’uomo, diversi studi epidemiologici hanno evidenziato una correlazione significativa tra l’esposizione alle diossine e l’incremento di determinati tipi di tumore, come sarcoma dei tessuti molli, linfoma Hodgkin, tumori tiroidei e polmonari, mesoteliomi (Fingerhut et al., 1991; Bertazzi et al., 1989; Flesch-Janis et al., 1995; Hardell et al., 1981; Coggon et al., 2003)
1.4.2.2 Idrocarburi aromatici:
Gli idrocarburi aromatici sono i pi‚ reattivi ed il benzene, il pi‚ importante, … un solvente impiegato in ambito lavorativo petrolchimico oltre che in quello farmaceutico ed … in grado di provocare la leucemia. Il benzene, contenuto nelle benzine in percentuali variabili tra l’0,5% e il 3,4% in peso (Avella F., Casalini A., Rolla A., 1995) … un agente cancerogeno per l’uomo; l’esposizione a questo composto comporta il rischio di sviluppare leucemie, in particolare leucemie mieloidi acute. Tali patologie sono state per la prima volta segnalate negli anni ‘70 in lavoratori chimici addetti alla produzione di pellicola di gomma ( Pliofilm ) ed esposti a concentrazioni di benzene dell’ordine di centinaia di ppm (Infante P.F. et al., 1977). Per questo, il benzene … allocato nel gruppo 1 (agenti cancerogeni per l’uomo) dall’Agenzia Internazionale per le ricerche sul cancro (IARC) . I vapori di benzina ed i gas di scarico di motori a benzina vengono considerati dalla IARC come possibili cancerogeni per l’uomo (Gruppo 2B) mentre le emissioni di veicoli Diesel sono classificate nel gruppo (Gruppo 2A) dei cancerogeni probabili. L’esposizione prolungata ad alte dosi di benzene pu„ inoltre provocare anemia aplastica, leucopenia, piastrinopenia ed effetti neurotossici (Seniori Costantini A. ,Borgia P., Lagorio S., Vineis P., 1995; International Agency for Research on Cancer : Occupational exposures in petroleum refinig:crude oil and major petroleum fuels . Lyon: IARC 1989 ). La cancerogenicit€ per l’uomo in conseguenza di esposizione ad alte dosi … dimostrata con certezza: infatti gli studi che hanno evidenziato un’associazione epidemiologica tra leucemia ed esposizione a benzene fanno riferimento a lavoratori esposti a dosi elevate di benzene, mentre restano molti dubbi sul rischio di leucemia per bassi livelli di esposizione.
1.4.2.3 Composti organoclorurati:
L’impiego del cloro nei processi produttivi determina la formazione di intermedi di lavorazione e di prodotti finali, i composti organoclorurati (composti organici contenenti cloro), fra cui le diossine. In natura sono stati individuati circa 2000 composti organoalogenati (che contengono carbonio legato ad elementi quali cloro, bromo, iodio e fluoro), la maggior parte prodotti da alghe, batteri, funghi ed in minor misura da invertebrati marini (coralli, spugne e molluschi), insetti e piante superiori. Oltre a questi processi biologici esistono altri processi naturali non biologici che determinano la produzione di tali sostanze, fra i quali l’attivit• vulcanica e gli incendi. E’ certo che la produzione naturale di questi composti ‚ molto ridotta se comparata a quella derivante dalle attivit• industriali; il clorometano ‚ l’unico composto organico del cloro che ‚ generato in natura in quantit• comparabile a quella delle produzioni industriali.
Il metano ‚ il gas serra che ha il secondo effetto piƒ grande sul clima, dopo l'anidride carbonica. La concentrazione di metano nell'atmosfera si ‚ quasi triplicata durante gli ultimi 150 anni, questo incremento ‚ legato all'aumento delle cosiddette fonti “biogeniche”, per esempio, le reazioni chimiche di particolari batteri trovati nelle risaie, o anche i processi di digestione dei ruminanti domestici, che sono conseguentemente connessi con l’ aumento della popolazione nel mondo. Queste fonti compongono i due terzi dei 600 milioni di tonnellate di produzione mondiale annuale di metano.
Sotto l’azione di luce ultravioletta o ad alte temperature (250-400†) CH4 e Cl2, reagiscono violentemente a dare clorometano.
La pericolosit• dei composti organici del cloro ‚ legata alla loro stessa natura; essi, infatti, sono:
resistenti alla degradazione naturale – non sono decomposti da organismi e/o processi naturali e quindi si accumulano progressivamente nell’ambiente. In alcuni casi la loro decomposizione … solo parziale ed introduce nell’ambiente altri composti che hanno vita ancora pi‚ lunga dei composti di partenza, come il pesticida DDT che si decompone in DDE, un composto pi‚ persistente e bioaccumulante di quello di partenza;
bioaccumulabili - si accumulano nei tessuti adiposi degli organismi viventi e quindi arrivano all’uomo lungo la catena alimentare. Indagini sperimentali ne hanno riscontrato concentrazioni elevate nel sangue umano, nel latte materno e nel tessuto adiposo;
La natura dei composti organoclorurati facilita la loro dispersione in tutti gli ambienti della Terra ed inoltre determina un impatto ambientale nelle fasi di produzione, di impiego e di smaltimento finale. In conclusione i composti organici del cloro sono, fra le sostanze sintetizzate dall’uomo, quelle pi‚ pericolose sia per la salute pubblica che per l’ambiente. Le informazioni sulla tossicit€ della maggior parte di questi composti sono piuttosto scarse, in particolare se riferite all’uomo. Gli esperimenti di laboratorio in genere vengono effettuati su un piccolo numero di cavie, a dosi elevate e valutando la tossicit€ a breve e medio termine. E’ quindi difficile prevedere l’impatto che queste sostanze avranno fra mezzo secolo ed oltre.
1.4.2.4 Ftalati:
Gli ftalati sono esteri dell'acido ftalico. Sono una famiglia di composti chimici usati nell'industria delle materie plastiche come agenti plastificanti, ovvero come sostanze aggiunte al polimero per migliorarne la flessibilit€ e la modellabilit€. Il PVC … la principale materia plastica (in termini di volume di produzione) in cui vengono impiegati. Addizionato ad esso, lo ftalato consente alle molecole del
polimero di scorrere le une sulle altre rendendo il materiale morbido e modellabile anche a basse temperature. Gli ftalati di alcoli leggeri (dimetilftalato, dietilftalato) sono usati come solventi nei profumi e nei pesticidi e trovano inoltre uso frequente in smalti per unghie, adesivi e vernici. Gli ftalati sono oggetto di controversia dal 2003; alcuni studi sembrano mostrare che siano in grado di produrre effetti analoghi a quelli degli ormoni estrogeni, causando una femminilizzazione dei neonati maschi e disturbi nello sviluppo dei genitali e nella maturazione dei testicoli. Studi sui roditori mostrano che un'elevata esposizione agli ftalati provoca danni al fegato, ai reni, ai polmoni ed allo sviluppo dei testicoli, tuttavia, un analogo studio condotto da ricercatori giapponesi su una specie di primati non ha evidenziato effetti a carico dei testicoli (Tomonari et al, The Toxicologist, 2003).
1.4.2.5 Ammine aromatiche (aa):
Alle ammine aromatiche (aa) appartengono i prodotti derivanti dall’ammoniaca di cui almeno un atomo di idrogeno ‚ sostituito da un radicale aromatico (es. Benzene, Naftalene, Difenile). Si tratta quindi di una vastissima famiglia di composti il cui capostipite ‚ rappresentato dall’anilina. Le ammine aromatiche si dividono in primarie, secondarie, terziarie in base al numero di atomi di idrogeno che sono sostituiti sul radicale -NH2. Dal punto di vista chimico-fisico le aa sono caratterizzate da un’ elevata reattivit• con conseguente capacit• di formare molecole complesse, da propriet• catalizzanti ed ossidanti, caratteristiche sfruttate in campo industriale soprattutto nei settori della produzione di coloranti, dell’industria della gomma, delle materie plastiche, della petrolchimica, della
farmaceutica e dei laboratori chimici. In base alla C.M. n. 46/79 le aa sono
-Gruppo 1: aa che hanno dimostrato attivit€ cancerogena; serie 1: accertata capacit€ di aumentare significativamente nell’uomo il rischio di cancerogenesi; serie 2: evidenza di cancerogenicit€ in pi‚ specie di mammiferi;
-Gruppo 2: aa in cui … stata testata la cancerogenicit€ con i seguenti risultati; serie 1: sostanze dimostratesi cancerogene in una sola specie animale d’esperimento; serie 2: sostanze testate, ma con risultati non chiaramente valutabili;
- Gruppo 3: aa rimanenti non elencate negli altri gruppi.
1.4.2.6 Composti organostannici:
I composti organostannici sono tossici a livelli relativamente bassi d’esposizione non solo per gli organismi invertebrati marini, ma anche per i mammiferi. Il TBT (tributilstagno) risulta generalmente piƒ tossico del DBT (dibutilstagno). La piƒ nota applicazione del tributilstagno ‚ nelle vernici antivegetative utilizzate per le navi e per le barche, ma pu‡ anche essere presente come agente antimicotico in alcuni prodotti di consumo, inclusi tappeti, materiali tessili e pavimentazioni in PVC . I gasteropodi prosobranchi Nocella Lapillus, Nassarius reticulatus e Ilianassa obsoleta sono estremamente sensibili alla presenza di stagno nelle acque contaminate da vernici antifouling a base di stagno tributile. Infatti questo composto si accumula nei loro tessuti determinando nelle femmine la comparsa di un pene piƒ o meno sviluppato. In casi di grave inquinamento anche il pene del maschio risulta variamente deforme (Bryan et al., 1989). Il DBT ‚ utilizzato come stabilizzatore termico nei prodotti in PVC rigido (tubi, pannelli) e soffice (tappezzerie, arredi, pavimentazioni, giocattoli) ed in alcuni rivestimenti per il vetro.
A livello generale si pu„, quindi, affermare che i tumori hanno mostrato l’incremento percentuale pi‚ alto in corrispondenza del periodo caratterizzato da un uso illimitato ed indiscriminato, quasi un abuso, di pesticidi, diserbanti, concimi, conservanti, solventi, etc., che ha immesso nell’ambiente enormi quantit€ di sostanze chimiche che possono essere assorbite dall’organismo umano o direttamente o attraverso la catena alimentare. La concomitanza temporale tra l’aumento delle neoplasie ed il massiccio inquinamento ambientale ha indotto la conferma di uno stretto rapporto tra questi due fenomeni come da tempo riportato in letteratura. Infatti … ormai ampiamente accettato che:
1. le neoplasie siano affezioni di natura genetica sostenute da mutazioni verificatesi nel genoma per errori nei processi di replicazione e riparazione conseguenti a modificazioni delle attivit€ degli enzimi ad esse preposti;
2. i fattori ambientali sono ritenuti responsabili per almeno l’80% dell’ incidenza delle neoplasie, essendo in grado di provocare una serie di alterazioni genetiche, cause principali dell’insorgenza e della progressione del processo neoplastico;
3. tra le cause di inquinamento ambientale, un ruolo importante … attribuito ai metalli come Cd (inserito da alcuni anni nella 1• classe di sostanze cancerogene, indiziato nelle genesi dei tumori renali, IARC Monograph, 2002), Pb, V, Hg etc., sia per la loro progressiva diffusione nell’ambiente, sia per la forte azione competitiva che alcuni di essi esercitano nei confronti di metalli essenziali, in particolare Cd e Pb verso lo Zn, il quale costituisce una componente indispensabile nell’attivit€ dei numerosi enzimi coinvolti nei processi di replicazione quali DNA e RNA polimerasi, RNA sintetasi etc.
1.5 Risposte degli organismi agli inquinanti:
Quando le sostanze inquinanti entrano in contatto con organismi viventi provocano in essi diverse reazioni. Inizialmente l’organismo cerca di proteggersi tramite meccanismi di disintossicazione, in alcuni casi, per„, tali meccanismi molecolari possono generare sostanze ancora pi‚ dannose dei composti tossici originali. I principali meccanismi protettivi consistono nel convertire le sostanze nocive, di solito poco solubili in forme maggiormente idrosolubili in modo da poterle facilmente espellere mediante urina o sudore, oppure tali sostanze possono essere immagazzinate in alcuni tessuti, oppure entrare a far parte di complessi con alcune proteine. A fianco dei meccanismi protettivi un organismo pu„ anche mettere in azione sistemi di riparo dei danni causati dalle sostanze inquinanti. Gli eventi molecolari generati dell'assorbimento di sostanze inquinanti dipendono in definitiva, non soltanto dalla sostanza inquinante, ma anche dal tipo di organismo in questione. Negli ultimi decenni, la possibilit€ che sostanze tossiche di diversa natura possano entrare nella catena alimentare ha raggiunto livelli elevati soprattutto a causa della loro aumentata immissione nella biosfera. Tale problema … stato affrontato in diversi modi tra cui, a monte, il contenimento della diffusione di sostanze tossiche nell’ambiente e, a valle, il tentativo di sviluppo di tecnologie per la decontaminazione.
Risulta sempre pi‚ impellente, quindi, la necessit€ di monitorare l’introduzione di sostanze inquinanti organiche e inorganiche nell’ambiente, in particolare quando il processo … nelle sue fasi iniziali.
Solo recentemente si … valutata la possibilit€ di utilizzare sistemi biologici per il monitoraggio (biomonitoraggio) ambientale.
La correlazione stretta che esiste tra gli organismi e l’ambiente in cui vivono fa del materiale biologico un descrittore dell’ambiente stesso.
Negli ultimi decenni, la definizione di indicatore biologico, o bioindicatore, … riferita soprattutto alle strutture biologiche in grado di indicare, attraverso correlazioni di causa-effetto tra risposte del bioindicatore e variazioni ambientali, un’alterazione della situazione ambientale, riconducibile a una probabile attivit€ antropica.
Si pu„ cosˆ paragonare il bioindicatore a una sorta di raffinato e complesso strumento in grado di evidenziare le variazioni ambientali.
Secondo Iserentant e De Sloover (1976), si definisce bioindicatore: “un organismo o sistema biologico usato per valutare una modificazione – generalmente degenerativa – della qualit€ dell’ambiente, qualunque sia il suo livello di organizzazione e l’uso che se ne fa. Secondo i casi il bioindicatore sar€ una comunit€, un gruppo di specie con comportamento analogo (gruppo ecologico), una specie particolarmente sensibile (specie indicatrice), oppure una porzione di organismo, come organi tessuti cellule o anche molecole.
I requisiti di un buon bioindicatore variano con la natura dello stesso, con il tipo di risposta che … in grado di esprimere, con il tipo e la durata dell’alterazione ambientale che si intende rilevare.
Comunque sia, un parametro irrinunciabile … l’accertata sensibilit€ nei confronti di un’ azione perturbatrice, chiaramente identificata rispetto a tutta una serie di stress ai quali l’indicatore … costantemente sottoposto; sensibilit€ che pu„ esprimersi con un’ampia gamma di risposte: alterazione biochimica e fisiologica, disturbo dei bioritmi, modificazione anatomico-morfologica, variazione della composizione della biocenosi per la morte degli individui e delle specie sensibili, fino alle
trasformazioni territoriali che hanno diretti effetti sul paesaggio, sulle sue forme e sul suo funzionamento.
Rispetto ai metodi tradizionali, l’utilizzo di un sistema biologico ha l’enorme vantaggio di essere in grado di valutare l’effettiva tossicit€ dell’inquinante su un organismo vivente anche in matrici molto complesse e quindi di essere un buon indice della reale possibilit€ che una sostanza inquinante diventi pericolosa per la salute dell’uomo (Decaprio, 1997). Infatti, il bioindicatore rileva l’effettiva disponibilit€ della sostanza tossica nel suo ambiente naturale cio… in presenza di sostanze che possono aumentarne o diminuirne l’attivit€ e inoltre … in grado di evidenziare eventuali sinergie tra pi‚ sostanze tossiche.
I bioindicatori biochimici e fisiologici per monitorare l’inquinamento di acqua, aria e suolo presentano numerose potenzialit€ e rappresentano un metodo alternativo alla misura diretta di un inquinante. Il metodo consiste nel trovare un’ elevata correlazione tra i livelli noti di sostanza tossica e le variazioni (aumento, diminuzione) di un parametro biochimico o fisiologico. L’utilizzo di parametri biochimici e fisiologici come bioindicatori pu„ rappresentare un metodo a elevata sensibilit€ e quindi uno strumento molto utile per l’individuazione precoce di situazioni di inquinamento, pu„ ridurre o eliminare completamente il complesso problema della messa a punto del metodo di estrazione dell’inquinante dalla matrice in cui … contenuto che in certi casi … molto complessa ed inoltre pu„ consentire di monitorare in modo continuo l’evoluzione di condizioni di degrado ambientale e di valutare la possibilit€ reale di recupero di siti gi€ fortemente contaminati.
1.6 Il biomonitoraggio tramite biomarker:
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
1.7 Enzimi come catalizzatori biologici:
Gli enzimi sono molecole proteiche con il compito di catalizzare le reazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi. Essi svolgono il loro ruolo con modalit€ differenti da reazione a reazione, ma in tutti i casi la catalisi procede attraverso la formazione di complessi tra l'enzima e i reagenti. La pi‚ semplice reazione catalizzata da un enzima pu„ essere cosˆ rappresenta da:
E + S <====>ES <====>EP <====> E + P
L'enzima si combina con il substrato, S, per formare un complesso enzima-substrato, ES. ES … poi trasformato in EP che si scinde in prodotto P ed enzima libero, che … nuovamente disponibile per reagire con un'altra molecola di substrato. La maggior parte delle reazioni enzimatiche utilizza substrati che sono di piccole dimensioni se comparati alla molecola enzimatica. Di conseguenza solo una piccola parte della proteina enzimatica si trova a diretto contatto con la molecola del substrato a formare il complesso ES. Le porzioni di enzima a contatto con il substrato che giocano un ruolo diretto nel processo catalitico costituiscono il cosidetto sito attivo o catalitico. L’esistenza di un sito attivo dove si lega il substrato e dove avviene la sua trasformazione in prodotto determina alcune propriet€ comuni a tutti gli enzimi: specificit€, saturabilit€, inibibilit€.
Specificit€: ogni enzima riconosce specificamente il/i substrato/i e non altre
molecole, anche chimicamente simili a S.
Saturabilit€: quando il substrato … presente in concentrazioni di almeno 10 volte
