Cenni di ecotossicologia: effetti agenti chimici su organismi viventi

Corso di Laurea in Scienze Biologiche

Dipartimento di Scienze e Innovazione Tecnologica

Università del Piemonte Orientale Corso di Ecologia, sede di Vercelli Cenni di ecotossicologia Prof. Antonio Calisi

L'ecotossicologia

L'ecotossicologia è la "scienza che studia gli effetti degli agenti fisici e chimici sugli organismi viventi, in particolare sulle popolazioni e comunità all'interno di definiti ecosistemi; essa comprende anche lo studio delle modalità di diffusione di questi agenti e le loro interazioni con l'ambiente". L'ecotossicologia quindi, utilizzando metodi e concetti propri della tossicologia applica i principi dell'ecologia e della chimica ambientale allo studio degli effetti delle sostanze tossiche sugli ecosistemi.

L'ecotossicologia si configura quindi come una scienza multidisciplinare, che si basa sui concetti della Tossicologia classica (valutazione degli effetti sull'uomo) della Chimica ambientale, (destino delle sostanze nell'ambiente) e dell'Ecologia (che fornisce indicazioni sui processi che regolano la struttura e funzione degli ecosistemi e le interazioni tra la componente biotica e abiotica) per produrre informazioni adeguate per gestire sostanze potenzialmente pericolose.

Ecotossicologia e Tossicologia Ambientale

L'Ecotossicologia è da non confondere con Tossicologia Ambientale In Tossicologia Ambientale non solo le sostanze propriamente tossiche vengono considerate, ma anche tutte quelle che possono provocare squilibri trofici o alterare la composizione di un ecosistema, come i nutrienti o la materia organica; pertanto, importanti sono i processi di interrelazione tra le componenti di un sistema, come gli scambi di materia ed energia Quindi la Tossicologia Ambientale è una branca della Tossicologia che studia effetti dei contaminanti sui sistemi naturali.

L'Ecotossicologia è lo studio del destino e degli effetti dei contaminanti nell'ambiente con metodo scientifico, ovvero non limitandosi all'osservazione ed alla descrizione dei fenomeni, ma elaborando anche previsioni. Infatti, nelle procedure di valutazione del rischio di Sostanze chimiche si distinguono gli studi ecotossicologici da quelli tossicologici.

L'ecotossicologia è la scienza che, utilizzando metodi e concetti propri della tossicologia, applica i principi dell'ecologia e della chimica ambientale allo studio degli effetti delle sostanze tossiche sugli organismi viventi, sulle popolazioni e comunità all'interno di definiti ecosistemi. L'ecotossicologia si può pertanto definire come quella scienza il cui fine è la stima del rischio tossicologico per l'ambiente attraverso lo studio degli effetti esercitati da contaminanti chimici sui sistemi biologici esposti.

Scopo dell'ecotossicologia

Lo scopo dell'ecotossicologia è quindi quello di:

• Identificazione e catalogazione delle sostanze inquinanti
• Monitoraggio e previsione della distribuzione degli inquinanti nell' ambiente
• Valutazione degli effetti (impatto) degli inquinanti sulla componente biotica
• Individuazione delle procedure di risanamento e gestione dell'ambiente
• Generare informazioni che possano essere utilizzate a supporto decisionale nell'ambito della stima del rischio e del management ambientale
• Fornire supporto al mondo legale e giurisdizionale che regola lo sviluppo la produzione e il commercio di sostanze chimiche
• Sviluppare principi empirici e teorici per la comprensione del comportamento e degli effetti delle sostanze chimiche negli ambienti naturali

Concetto di tossicità

Il termine tossicità può essere definito come la compromissione di una o più funzioni di un dato sistema biologico (sopravvivenza, crescita, motilità, riproduzione, fotosintesi, ecc.) esposto ad una determinata sostanza.

Affinché l'effetto tossico si manifesti, la sostanza, o un suo metabolita, deve raggiungere il sito di azione, ossia quella parte del sistema biologico dove esercita la sua azione tossica, ad una concentrazione e per un tempo ben determinati. Tali fattori dipendono da una complessa serie di processi interagenti quali:

• ingresso
• distribuzione
• accumulo
• metabolismo
• escrezione

Destino di un composto chimico in un sistema biologico

Assorbimento dei contaminanti

I contaminanti vengono assorbiti, sostanzialmente attraverso tre apparati:

• Apparato respiratorio
• Tegumento
• Apparato gastrointestinale

Le proprietà chimiche che facilitano il passaggio di un inquinante attraverso le membrane cellulari sono:

• Lipofilicità: facilita il passaggio attraverso la barriera lipidica
• Piccole dimensioni: consentono al composto contaminante d'insinuarsi tra le molecole che costituiscono le membrane
• Neutralità di carica consente alla sostanza tossica di evitare le interazioni con gruppi dotati di carica elettrica presenti in alcune molecole che compongono la membrana

Traslocazione e distribuzione

Dopo l'assorbimento una sostanza tossica è disponibile per essere traslocata attraverso l'organismo. La via di trasferimento è rappresentata dal sangue o dall'emolinfa.

Composti dotati di sufficiente idrosolubilità vengono trasportati quali soluti nella porzione acquosa del sangue o dell'emolinfa, mentre sostanze lipofile possono associarsi alle lipoproteine e alle membrane delle componenti cellulari presenti nel sangue.

L'ampiezza e la velocità di distribuzione dipendono dalla via di trasporto considerata e dai relativi flussi: in un sistema circolatorio chiuso il trasporto di una sostanza tossica a tutti i tessuti dell'organismo è più veloce rispetto ad un sistema circolatorio aperto

Accumulo dei contaminanti

Alcuni contaminanti a seconda delle loro caratteristiche fisico-chimiche possono accumularsi in specifici comparti dell'organismo, diversi dal sito d'azione. Tale processo è nella maggior parte dei casi reversibile.

Le principali strutture dove avviene l'accumulo sono:

• Tessuto adiposo
• Scheletro o strutture calcaree come la valva dei molluschi

Biotrasformazione ed escrezione

Gli organismi possono reagire all'attacco dei contaminanti chimici attraverso una serie di processi biochimici capaci di modificare la natura chimica della molecola al fine di ridurne le proprietà tossiche. Tale processo è definito biotrasformazione e interessa contaminanti chimici organici lipofili.

L'escrezione rappresenta il meccanismo attraverso cui un contaminante viene eliminato dall'organismo. Nei vertebrati le principali vie di escrezione sono rappresentate da:

• Bile
• Urina

Arricchimento di contaminanti

Gli organismi, durante i processi di scambio di materia con l'ambiente circostante possono dare luogo a fenomeni di arricchimento di contaminanti chimici. Tali fenomeni dipendono da vari fattori quali:

• caratteristiche fisico-chimiche della sostanza
• capacità degli organismi di accumulare nei loro tessuti la sostanza in questione
• livello di esposizione
• tempo di esposizione (organismi a vita breve come le alghe monocellulari e i batteri sono meno soggetti ai fenomeni di arricchimento rispetto ad organismi superiori a vita lunga).

I fenomeni di arricchimento possono essere distinti in:

• Bioconetrazione
• Bioaccumulo
• Biomagnificazione

Bioconcentrazione

Con il termine di bioconcentrazione si intendono i fenomeni di arricchimento attraverso le superfici respiratorie. Questo fenomeno interessa in particolar modo gli organismi acquatici per i quali prevalgono i fenomeni partitivi nell'arricchimento di sostanze inquinati da mezzo ambientale.

Infatti, per gli organismi acquatici nel caso di molecole xenobiotiche, la bioconcentrazione può essere assimilata ad un processo di ripartizione tra il mezzo ambientale acquatico e le riserve lipidiche dell'organismo, quindi strettamente dipendente dalla lipofilicità della sostanza.

Bioaccumulo

Con il termine di bioaccumulo si intende l'arricchimento di una sostanza negli organismi viventi per qualunque via (respirazione, ingestione di cibo, contatto). Nel caso, infatti, degli organismi terrestri l'arricchimento all'interno dell'organismo di contaminanti chimici non è riconducibile a fenomeni partitivi come per gli organismi acquatici, ma avviene prevalentemente attraverso la via alimentare.

I mammiferi e gli uccelli che si nutrono di pesci manifestano comunemente livelli di contaminazione di gran lunga superiori a quelli delle loro prede.

Biomagnificazione

Per biomagnificazione si intende il processo di trasferimento degli inquinanti attraverso le reti trofiche, con incremento della concentrazione di inquinanti all'interno dell'organismi passando da un livello trofico a quello successivo. Il concetto di biomagnificazione nei sistemi acquatici è stato introdotto per la prima volta nel 1967 in uno studio in cui si rilevava che la concentrazione di un insetticida della famiglia del DDT aumentasse nel passaggio dall'acqua agli organismi acquatici e in questi crescesse da preda a predatore per raggiungere concentrazioni molto elevate nel top predator di quella rete alimentare (uccello pescivoro).

La biomagnificazione avviene sostanzialmente a causa di:

• Alta efficienza di trasferimento dei contaminanti dal cibo al consumatore
• Assenza di perdite significative dall'organismo

Poiché ad ogni passaggio della catena alimentare la biomassa complessiva del livello trofico considerato diminuisce, le sostanze si concentrano progressivamente passando da un livello trofico al livello trofico successivo.

Effetto degli inquinanti chimici sulle funzioni dell'organismo

L'entità degli effetti di una sostanza tossica sugli organismi (ossia l'ampiezza delle conseguenze negative della presenza del tossico sulle funzioni vitali di un organismo) dipende:

• dalla natura della sostanza tossica
• dall'efficienza dei meccanismi di detossificazione e di riparazione dell'organismo
• dall'intensità dello stress chimico, ossia dal rapporto concentrazione / tempo di esposizione

Perché l'azione della sostanza tossica comprometta importanti aspetti della fisiologia dell'organismo è necessario che l'intensità dell'insulto chimico prevarichi le strategie di difesa e i meccanismi di riparazione del danno che si attivano a livello cellulare. In tal modo il danno molecolare, non compensato, si traduce in alterazioni del funzionamento di organi e apparati.

Un contaminante chimico diventa nocivo per l'organismo nel momento in cui compromette i processi fisiologici che consentono di mantenere costanti le caratteristiche chimico-fisiche dell'organismo, cioè l'omeostasi dell'organismo stesso.

La progressione lungo il continuum dallo stato di omeostasi allo stato di patologia è determinata dal definitivo sbilanciamento tra i meccanismi di protezione e l'azione dell'inquinante. Gli effetti nocivi