SOS ambiente: la natura risponde, Università degli Studi di Milano

SOS ambiente: la natura risponde

Utilizzo di piante di Arabidopsis thaliana per la rilevazione di metalli pesanti nel suolo

SPERIMENTA IL BIOLAB Centro Università degli Studi di Milano - Scuola per la diffusione delle BioscienzeINTRODUZIONE TEORICA: LE PIANTE COME BIOINDICATORI PER IL MONITORAGGIO AMBIENTALE

SCOPO DELL'ATTIVITÀ'

Lo scopo dell'attività è quello di rivelare la presenza di cadmio, un metallo pesante particolarmente tossico, nel suolo. Per fare questo utilizzeremo un approccio molecolare e la pianta Arabidopsis Thaliana come bioindicatore.

1 - Bioindicatori e bioaccumulatori

Un indicatore biologico, o bioindicatore, è un organismo (o un sistema biologico) che possiamo utilizzare per valutare una modificazione della qualità dell'ambiente. I bioindicatori, in presenza di uno stress naturale o antropico (ad esempio la presenza di un contaminante nel suolo), subiscono variazioni facilmente rilevabili del proprio stato naturale. Queste variazioni possono riguardare diversi livelli di organizzazione biologica: si va dai danni al patrimonio genetico, a modificazioni morfologiche e della vitalità, fino a variazioni nella struttura della comunità. Ad esempio: la qualità delle acque dolci può essere monitorata studiando la composizione delle comunità di invertebrati. La diminuzione della fertilità e del numero di specie di licheni (organismi simbionti formati da un'alga ed un fungo) è invece indice di inquinamento atmosferico. Altre variazioni possono essere di tipo morfologico e funzionale. Ad esempio, sempre nei licheni, l'inquinamento atmosferico ne causa lo scolorimento e\o la riduzione del "corpo".

Fig.1: Usnea (barbe di bosco): lichene particolarmente sensibile alle alte concentrazioni di azoto

Fig.2: Xanthoria parietina: lichene amante dei composti azotati, per esempio quelli contenuti nel guano degli uccelli

Alcuni di questi organismi bioindicatori, però, non sopportano bene il cambiamento delle condizioni ambientali e quindi, una volta modificate le proprie caratteristiche, periscono. Altri bioindicatori, invece, hanno la capacità di resistere al cambiamento e sono anzi in grado disopravvivere alla presenza di un contaminante assimilato e di concentrarlo al proprio interno: si parla in questo caso di bioaccumulatori.

Le piante sono ottimi bioindicatori e bioaccumulatori, soprattutto per quanto riguarda la qualità del suolo e delle acque. L'utilizzo delle piante come bioindicatori presenta alcuni vantaggi, legati principalmente alla loro natura di organismi sessili, naturalmente adatti alla crescita sul suolo e la cui coltivazione è relativamente facile e poco costosa. Inoltre, le piante rappresentano il principale punto di ingresso degli inquinanti e dei composti tossici all'interno della catena alimentare umana e animale.

Avendo la capacità di accumulare al loro interno gli inquinanti, le piante sono anche gli organismi perfetti per il biorisanamento, più specificamente il fitorisanamento, di ambienti contaminati (vedi appendice alla fine della dispensa).

2 - La tossicità dei metalli pesanti

Tra i contaminanti più abbondanti e pericolosi presenti nell'acqua e nel suolo troviamo i metalli pesanti. Alcuni di essi, come il rame (Cu) e lo zinco (Zn), sono in realtà elementi essenziali per il funzionamento degli organismi, e diventano diventano tossici solo ad alte concentrazioni. Ad esempio, il Rame svolge un ruolo fondamentale per la costituzione del complesso enzimatico della citocromo ossidasi necessario alla respirazione cellulare.

Altri metalli invece, come il Cadmio (Cd), il Mercurio (Hg) e il Piombo (Pb), non rientrano nel gruppo dei micronutrienti e non esplicano nessuna funzione biologica. Molti di essi sono tossici anche a concentrazioni molto basse e hanno effetti negativi sullo sviluppo e sulla crescita degli organismi.

80 82 48 Pb As Cd cadmium 112.411 lead 207.2 Hg mercury 200.59 arsenic 51

La tossicità dei metalli pesanti si deve alla loro capacità di interagire nei meccanismi biologici a livello cellulare e molecolare. I metalli pesanti possono entrare all'interno delle cellule attraverso gli stessi sistemi di trasporto usati dai metalli essenziali. Una volta dentro la cellula, essi possono legarsi ai gruppi solfidrici delle proteine ed ai siti attivi degli enzimi che contengono ossigeno, zolfo o azoto in forma di gruppi -OH, -COO-, -SH, -NH2 inibendo la loro attività biologica o modificandone la struttura. Altri danni dovuti ai metalli pesanti sono di natura genotossica, causando l'alterazione dell'integrità strutturale e funzionale del DNA attraverso la modificazione delle basi azotate, la rottura della doppia elica e riarrangiamenti della molecola. Questi danni sono conseguenza dell'azione ossidante sul DNA esercitata dall'ossigeno attivo e da altri radicali liberi prodotti in reazioni redox catalizzate dai metalli.L'effetto globale di questi meccanismi si manifesta in genere con un'alterazione delle funzioni della pianta come la fotosintesi, la respirazione, l'assorbimento di nutrienti minerali, o con alterazioni nella struttura della membrana e nell'espressione genica.

L'entità degli effetti tossici esercitati dai metalli dipendono da molteplici fattori quali: le concentrazioni raggiunte nei tessuti, i legami e le interazioni che si stabiliscono tra il metallo e i componenti cellulari, lo stato di ossidazione e la forma chimica in cui il metallo è assorbito o viene a contatto nei tessuti con le strutture che sono il bersaglio dell'azione.

3 - Il destino dei contaminanti ambientali nella catena alimentare

Molti inquinanti arrivano alle piante come conseguenza delle intense attività dell'uomo. Le sorgenti predominanti di origine antropica di metalli pesanti sono la combustione e i processi industriali, in particolare l'attività mineraria, le fonderie e le raffinerie, la produzione energetica e l'incenerimento dei rifiuti.

Attraverso le radici le piante assorbono ioni e composti chimici presenti nel terreno, che si diffondono poi all'intero corpo della pianta, incluse le parti eduli. Gli organismi autotrofi sono il punto di partenza delle catene alimentari da cui dipende l'esistenza degli organismi eterotrofi (consumatori). Per questo, i metalli pesanti non sono pericolosi solo per le piante o altri organismi che li assorbono direttamente dall'acqua e dal terreno, ma anche per tutti i consumatori più in alto nella catena alimentare.

5 Fig.3: La catena alimentare rappresenta il flusso di energia e nutrienti attraverso diverse specie in un ecosistema. Il primo anello è rappresentato dai produttori primari, come le piante, o le alghe, che utilizzano l'energia solare per produrre cibo tramite la fotosintesi. Seguono i consumatori primari, come gli erbivori, che si nutrono dei produttori. I consumatori secondari, come i carnivori, si alimentano degli erbivori, e così via, fino ai decompositori, come funghi e batteri, che scompongono la materia organica e restituiscono i nutrienti al suolo.

Le sostanze tossiche che entrano nella catena alimentare, se non sono metabolizzate dagli organismi, come i metalli pesanti, si accumulano passando da un livello trofico all'altro (consumatori primari, secondari, terziari ... ). Tale processo di accumulo è detto biomagnificazione.Ne consegue che i consumatori quaternari, come l'uomo, sono gli organismi maggiormente esposti a sostanze tossiche persistenti.

Un esempio noto è l'accumulo di DDT che negli anni '50-'60 ha determinato il declino in popolazioni di aquile e di altri rapaci, poiché causava un'eccessiva fragilità del guscio delle loro uova.

4 - Il caso del Cadmio

Tra i metalli non essenziali, il Cadmio è uno di quelli di maggior impatto rispetto sia all'esposizione delle piante sia all'accumulo nella catena alimentare. La sua rilevanza come contaminante ambientale e la sua mobilità relativamente alta nel sistema suolo-pianta hanno reso questo metallo tossico il più studiato nelle piante. Il Cadmio è un'impurità contenuta nei fertilizzanti a base di fosfati. Le quantità possono essere molto piccole, però il suo accumulo è costante e progressivo.

Il Cadmio è un elemento biopersistente: una volta assorbito da un organismo, rimane in esso per molti anni (dell'ordine di decine per gli uomini) prima di venire smaltito. Alcune proprietà tossicologiche del Cadmio derivano dalla sua somiglianza chimica con lo zinco, un micronutriente essenziale per piante, animali ed esseri umani.

WANTED By the Electronics Community for crimes against Planet Earth and its inhabitants. Cadmium A.K.A .: Cd Atomic Weight: 112.411g Usually Found In: Solder, Alloys, Ni-cd Batteries, TV Tubes, Semiconductors Remarks: Cadmium can disguise itself in many forms including foil, granules, pellets, wire and powder CAUTION: Cadmium is Highly Toxic Semiconductor Store.com Leading the "Lead-Free" Revolution Lead Free

Negli organismi vegetali, l'esposizione ad elevate concentrazioni di Cd2+ comporta l'inibizione della crescita, sia delle radici che della parte aerea della pianta, la comparsa di decolorazione delle foglie (clorosi fogliare), l'alterazione del bilancio idrico, l'inibizione dell'apertura stomatica ed una diminuzione della biosintesi della clorofilla. La tossicità del Cadmio potrebbe essere legata a interferenze con numerosi processi come il metabolismo dei carboidrati, l'assorbimento e la riduzione del nitrato, la catalisi enzimatica, il bilanciamento idrico e la fotosintesi. Si pensa che la maggior parte di questi effetti sia legata all'estrema capacità del Cadmio di legare i gruppi sulfidrilici delle proteine, portando all'inattivazione enzimatica. Inoltre, l'accumulo di Cadmio induce stress ossidativo, come evidenziato dalla formazione di specie reattive dell'ossigeno, quali l'anione superossido e il perossido d'idrogeno.

L'assorbimento di cadmio da parte degli esseri umani avviene principalmente attraverso il cibo. Alimenti ricchi di Cadmio (fegato, funghi, crostacei, mitili, polvere di cacao ed alghe secche) possono notevolmente aumentarne la concentrazione nel corpo umano.