Influenza della contaminazione dei corpi idrici sui servizi ecosistemici

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1 Influenza della contaminazione dei corpi idrici sui servizi ecosistemici Anna Barra Caracciolo, Paola Grenni Istituto di Ricerca sulle Acque (IRSA-CNR) SETAC Europe Council, SETAC Italian Branch Effetto dei microinquinanti sugli ecosistemi e sulla salute dell uomo ECOMONDO Rimini, 8 Novembre 2013

2 Ecosistemi e loro Valore Il termine Valore ECOSISTEMA Ambientale o (Tansley, Ecologico 1935) è stato coniato al fine di definire riconducibile l intera comunità alla molteplicità biotica presente delle funzioni ed il suo ecosistemiche specifico ambiente in un unico vocabolo. Valore Sociale o Socio-Culturale Il riconoscimento identifica funzioni dell importanza che apportano degli benefici ecosistemi nell ambito naturali sociale e delle loro molteplici funzioni, indispensabili per l uomo, ha dato origine agli studi Valore sull Economia Economico Ecologica, in cui i grandi temi dell ecologia e dell economia assegna un sono valore integrati monetario in un ai unico servizi approccio ecosistemici (Odum offerti H.T., 1974; Costanza et al., 1997).

3 Beni e Servizi ecosistemici appresentano benefici per le popolazioni umane derivanti, direttamente indirettamente, dalle funzioni ecosistemiche (Daily et al., 2000). Le funzioni ecosistemiche sono riconducibili a quattro categorie principali (de Groot et al., 2002): Funzioni di Regolazione Funzioni di Produzione Funzioni di Habitat Funzioni di Informazione

4 Principali Funzioni di Produzione (Costanza et al., 1997; de Groot et al., 2000) Funzioni di Produzione 1. Risorsa trofica ed energetica 2. Materiali grezzi 3. Risorse genetiche e medicinali 4. Risorse ornamentali Beni e Servizi Ecosistemici 1.1 Costruzione e produzione 1.2 Combustibile ed energia (legna da ardere, sostanza organica) 1.3 Foraggio e fertilizzante 2.1 Migliorare resistenza colture a patogeni e infestazioni 2.2 Altre applicazioni (es. prevenzione) 3.1 Droghe e farmaci 3.2 Modelli e applicazioni chimiche 3.3 Test e saggi sugli organismi 4. Risorse per la moda, artigianato, gioielli, animali domestici, culto, decori e souvenir

5 Principali Funzioni di Regolazione (Costanza et al., 1997; de Groot et al., 2000) Funzioni di Regolazione 1. Controllo gas Beni e Servizi Ecosistemici 1.1 Protezione da UVb tramite Ozono 1.2 Mantenimento qualità aria 1.3 Influenza sul clima 2. Regolazione clima 3. Controllo acqua 4. Conservazione suolo 5. Formazione suolo 6. Controllo nutrienti 7. Bio-rimozione di residui organici e xenobiotici 8. Impollinazione 9. Controllo biologico 2. Mantenimento clima favorevole per ambiente, salute umana e coltivazioni 3.1 Drenaggio e irrigazione naturale 3.2 Mezzo di trasporto 4.1 Mantenimento terreno coltivabile 4.2 Prevenzione danni di erosione e insabbiamento 5.1 Mantenimento produttività terreno coltivabile 5.2 Mantenimento produttività suolo naturale 6. Mantenimento salute suoli ed ecosistemi produttivi 7.1 Controllo inquinamento/detossificazione 7.2 Filtrazione del particolato 8.1 Impollinazione di specie di piante selvatiche 8.2 Impollinazione delle colture 9.1 Controllo specie infestanti e malattie 9.2 Riduzione degli erbivori (danni a coltivazioni)

6 Le comunità microbiche hanno un ruolo chiave nella rimozione degli xenobiotici e nel riciclo dei nutrienti mantenendo la qualità dell acqua Le comunità microbiche forniscono il servizio Ecosistemico di Regolazione nei confronti degli xenobiotici Comunità Microbiche Biodegradazione delle sostanze chimiche Il recupero dalla contaminazione è possibile solo se la tossicità del composto non ostacola l attività microbica. Le conoscenze sulla capacità di rimedio di una comunità microbica rendono possibile di valutare se e quanto di un contaminante può passare ai livelli superiori della catena trofica dell ecosistema.

7 Influenza della contaminazione sulle comunità microbiche degli ecosistemi acquatici Effetto negativo (scomparsa od inibizione) di popolazioni microbiche che forniscono funzioni ecosistemi essenziali (es. Riciclo dei nutrienti, decomposizione sostanza organica, ecc.) = perdita di servizi ecosistemici. Un contaminante può agire come forza selettiva allo sviluppo di popolazioni batteriche che si adattano al contaminate e/o lo rimuovono attraverso processi metabolici. Quest ultima possibilità riflette le capacità omeostatiche delle comunità microbiche naturali e la loro Funzione di Regolazione della qualità dell acqua.

8 Esempio di studio: Valutazione della capacità naturale di degradazione di due farmaci da parte della comunità microbica naturale di un ecosistema fluviale Il fiume Tevere è stato analizzato e studiato nel tratto a maggiore impatto antropico nella città di Roma

9 Rimozione 15-98% Contaminazione fluviale Solo Gli impianti il metabolismo di trattamento microbico rappresentano importanti è in grado punti di controllo rimuovere della completamente contaminazione da i farmaci, contaminanti ma attualmente dagli non sono ecosistemi in grado di rimuovere del suolo tali e molecole dall acqua in modo efficace.

10 Farmaci comunemente ritrovati nelle acque di fiume ed impianti di trattamento europei Farmaci Fiumi Europei Impianti di trattamento (Loos et al., 2009) (Fent et al., 2006) Composto attivo Concentrazione Concentrazione Conc. Max Rimozione Influente Effluente (ng/l) Max. % (ng/l) (ng/l) Carbamazepina antiepiletico % acido clofibrico regolatore lipidico Ketoprofen Naproxene Etinilestradiol Diclofenac Ibuprofen Anti-infiammatorio non steroideo Anti-infiammatorio non steroideo analgesico e Antiinfiammatorio Anti-infiammatorio non steroideo analgesico e Antiinfiammatorio Gemfibrozil regolatore lipidico Naproxene e Gemfibrozil sono anche tra i farmaci più comunemente riscontrati nel fiume Tevere a conc. rispettivamente di 264±9 ng/l e 65±13 ng/l. La rimozione nell impianto di Roma sud è circa del 50%. (Patrolecco et al., 2013)

11 Esperimenti di degradazione dei due farmaci Gemfibrozil e Naproxene ad opera della comunità microbica autoctona dell ecosistema fluviale Tevere Gemfibrozil e Naproxene classificati come farmaci ad elevata priorità in base a diversi criteri (consumo, presenza nell ambiente, persistenza, tossicità, caratteristiche chimico-fisiche, ecc.), (de Voogt et al., 2009). GEMFIBROZIL: NAPROXENE: Sito di campionamento selezionato per contaminazione residuale da tali farmaci (Gemfibrozil = 65±13 ng/l, Naproxene =264±9 ng/l, Grenni et al., 2010; Patrolecco et al., 2010) sopra il limite suggerito da EMEA di 10 ng/l. Categoria farmaceutica: regolatore lipidico appartenente alla classe dei fibrati. Categoria farmaceutica: antiinfiammatorio non steroideo, analgesico, antipiretico.

12 20 C, Dark, 100 µg/l ESPERIMENTI DI DEGRADAZIONE IN MICROCOSMI I Set sperimentale (Spring) Gemfibrozil ph,o2 ConA ConB ConA ConB ConA ConB ConA ConB ConAConB ConA ConB Controlli Microbiologici SA SB A B SA SB A B SA SB A B SA SB A B SA SB A B SA SB A B Sterile Naproxen Microbiogically Active Water II Set Sperimentale (Autumn) - Microcosmi aggiuntivi co-presenza 20 C, Dark, 100 µg/l ph,o2 ph,o2 ph,o2 ph,o2 ph,o2 ConAConB ConAConB ConAConB ph,o2 ConA ConB ConA ConB ConA ConB SA SB SA SB SA SB SA SB SA Controlli microbiologici SB SA A A SB Sterile B B A B A A B B A Naproxen B Gemfibrozil Gemfibrozil + Naproxen Microbiogically Active Water

13 Analisi chimiche Campionamenti (giorni) - Gemfibrozil 0, 7, 14, 28, 49, 70, 101, 144; - Naproxene 0, 3, 10, 20, 43 Analisi microbiologiche Bacterial abundance Gemfibrozil Naproxene DAPI stain Bacterial community Structure (FISH) Target: 16S rrna HPLC/MS Bacterial abundance according to Barra Caracciolo et al., Pest Management Science 61: Cell viability according to Amalfitano et al., Microbial Ecology 55: FISH Method according to Barra Caracciolo et al., FEMS Microbiology Letters 253:

14 I SET Sperimentale- (Spring) Acqua fiume trattata con Naproxene vs Sterile (acqua di fiume sterilizzata) NAPROXENE DT50 circa 27 giorni, mentre nella condizione sterile non si osserva degradazione Ruolo della comunità microbica naturale nella degradazione! GEMFIBROZIL: DT50 > 70 giorni, mentre nella condizione sterile non si osserva degradazione.

15 Identificazione gruppi batterici (Fluorescence In Situ Hybridization) Naproxene Al giorno 20 in corrispondenza della DT50, si osserva un incremento degli Alpha- e Gamma- Proteobacteria Gemfibrozil Al giorno 70, vicino al DT50 di Gemfibrozil, si osserva un incrementi dei Gamma- Proteobacteria

16 II SET SPERIMENTALE- (Autumn) - NAPROXENE La DT50 di Naproxene è comparabile a quella del I esperimento sia in presenza che in assenza di Gemfibrozil. L incremento degli Alpha- e Gamma-Proteobacteria è nuovamente osservato.

17 II SET SPERIMENTALE- (Autumn) - GEMFIBROZIL La degradazione non è comparabile a quella del primo esperimento e in presenza di Naproxene rallenta ulteriormente. Dopo 105 giorni il 64% della concentrazione iniziale ancora persiste quando Gemfibrozil è da solo e più del 75% in co-presenza del Naproxene. Tale risultato potrebbe essere ascrivibile al > DOC (3.5%) presente nel campione autunnale rispetto all esperimento effettuato in primavera (DOC 2%) e alla sua minore idrofilicità (Gem, Kow 4.77; Nap, Kow 3.18). Grenni et al Degradation of Gemfibrozil and Naproxen in a river water ecosystem. Microchemical Journal 107: Patrolecco et al Simultaneous determination of human pharmaceuticals in water samples by solid phase extraction and HPLC with UVfluorescence detection. Microchemical Journal 107:

18 Conclusioni La comunità microbica dell ecosistema studiato è potenzialmente in grado di bio-rimuovere completamente Naproxene e parzialmente Gemfibrozil La comunità microbica mostra che la capacità di fornire il Servizio Ecosistemico di Regolazione varia in funzione di ogni specifico composto e della presenza simultanea di più contaminanti Gemfibrozil risulta piuttosto persistente e poco biodegradabile Il fatto che Naproxene si ritrovi sempre a concentrazioni maggiori di Gemfibrozil nei campioni di fiume non è perciò dovuto alla sua persistenza intrinseca, ma alla cosiddetta pseudo-persistenza legata al suo più diffuso utilizzo tra la popolazione umana. Lo studio delle comunità microbiche e di specifiche popolazioni coinvolte nella rimozione dei contaminanti può darci utili indicazioni su nuove strategie di studio e conservazione degli ecosistemi. Lo studio delle comunità microbiche naturali consente di individuare e valutare Servizi Ecosistemici che possono essere presi in considerazione non solo per il loro valore ecologico, ma anche sociale ed economico.

19 La definizione, valutazione e stima dei Servizi Ecosistemici è come questi possano essere compromessi dalla presenza di sostanze chimiche nell ambiente è uno dei topic affrontati dalla SETAC (Society Environmental Chemistry and Toxicology) Vi aspettiamo al SETAC Europe Annual Meeting che si terrà dal 11 al 15 maggio 2014 a Basilea The scientific programme consists of 74 sessions amongst 10 main tracks. Aquatic and terrestrial ecotoxicology Landscape ecotoxicology and management, ecosystem services Environmental and analytical chemistry Emerging contaminants and effects Fate and effects of nanomaterials Exposure, bioavailability and bioaccumulation Effect modelling and predictive toxicology Life cycle analysis and sustainability Risk assessment, regulation and public perception Special sessions

20 Grazie per la vostra attenzione! C MON,GET WITH IT, SHERMAN! IF YOU ARE NOT CHARGING FOR YOUR ECOSYSTEM SERVICES,YOU ARE NOBODY! MY ECOSYSTEM SERVICES HMMMM YEAH. WHAT DO YOU DO BESIDES SIT THERE ALL DAY? AND MAKE LITTLE METHANE BUBBLES RENOVABLE ENERGY

21 Considerazioni conclusive Lo studio delle comunità microbiche naturali consente di individuare e valutare Servizi Ecosistemici che possono essere presi in considerazione non solo per il loro valore Sociale Ecologico Economico Il Servizio ecosistemico di bio-rimozione dei farmaci riflette la loro capacità nel degradare contaminanti e quindi ne enfatizza un loro possibile utilizzo in eventuali processi di biorecupero ambientale.