Monit or aggio chimico-biologico delle acque

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1 Monit or aggio chimico-biologico delle acque Anno scolastico 2005/06 I.T.I. Copernico-Carpeggiani Ferrara 1

2 PROGETTO: MONITORAGGIO CHIMICO-BIOLOGICO DELLE ACQUE NOME: Marcello COGNOME: Zanardi CLASSE: 3 B PRIMA PARTE : ECOTOSSICOLOGIA 1_ Trasferimenti in falde per la valutazione del rischio ambientale: L ecotossicologia è una disciplina relativamente recente, così chiamata nel 1969 da Truhaut (1977) e nata come filiazione della Tossicologia (in particolare della Tossicologia umana), dalla quale ha derivato principi, concetti e, almeno in una prima fase, metodi coniugati però con l Ecologia. Letteralmente la Tossicologia è la scienza dei veleni : L Ecotossicologia è dunque la scienza dei veleni per l ambiente e l ecotossicologia applicata descrive i metodi utilizzati per verificare se è quanto un determinato veleno può interferire con l ambiente, e quali sono le soluzioni per evitare, alleviare o porre rimedio agli eventuali danni arrecati. In una accezione più estesa, l Ecotossicologia può anche comprendere i fattori fisici (calore, radiazioni), chimici e biologici che sono potenzialmente fattori inquinanti estendendo il suo campo di applicazione dal singolo organismo all intero ecosistema. 2

3 Si definisce VELENO qualsiasi sostanza che, tramite interazioni chimico-fisiche con tessuti viventi, può causare danni e/o morte all organismo. Tutte le sostanze sono veleni potenziali, perché tutte possono produrre danni agli organismi in conseguenza di una esposizione eccessiva. Tutte le sostanze sono sicure, se l esposizione è contenuta entro limiti tollerabili. Va chiarito il concetto di ESPOSIZIONE che dice che essa è la funzione della quantità della sostanza, della sua forma, del tipo di somministrazione e del tempo di interazione con l organismo. 3

4 2_ Metodi ed obiettivi: METODI: Un test di tossicità è una procedura che implica l esposizione di organismi a campioni ambientali complessi (acqua,sedimento, o estratto di sedimento) in condizioni controllate per determinare se ci sono effetti avversi. I campioni test di solito contengono quantità sconosciute di miscele di contaminanti. Questa procedura è a volte riferita ad un saggio, ma test di tossicità è il termine più appropriato poiché un saggio è un test che determina la soglia di tossicità di una specifica sostanza, mentre questo test è utilizzato per determinare la tossicità di un intero campione, non dei suoi componenti chimici. I test di tossicità possono essere eseguiti in laboratorio 4

5 o in campo con organismi in gabbia; comunque, i protocolli per i test di tossicità in situ sono ancora in fase di sviluppo. Numerosi organismi, dai batteri ai mammiferi, sono stati utilizzati in tali test, e recentemente, sono stati sviluppati test di tossicità che utilizzano come indicatori colture cellulari e tipi di biomarker. Questi test misurano una varietà di risposte di organismi (endpoints) per determinare gli effetti di tossicità di sostanze su organismi biologici. Mentre l endpoint più comunemente misurato è la morte degli organismi, altri endpoints frequentemente misurati includono lo sviluppo di anormalità, cambiamenti di comportamento, cambiamenti nella riproduzione e alterazione della crescita. Benché alcuni programmi misurano anche il bioaccumulo di contaminanti alla fine di un test di tossicità. I test di tossicità stanno diventando enormemente importanti nella valutazione biologica, in parte, perché essi sono relativamente poco costosi e numerosi tests possono essere condotti velocemente. Benché la seguente discussione si riferisce ai test in generale, grande importanza assumono i test di tossicità sul sedimento da quando questi sono stati proposti per siti di rifiuto. OBIETTIVI: I tests di tossicità collocano i dati chimici nella prospettiva di agire come una misura della biodisponibilità. Essi possono essere utilizzati per documentare l estensione della contaminazione biodisponibile e per illustrare la potenziale contaminazione per effetti avversi di un sito di rifiuto. I risultati di un test di tossicità possono essere utilizzati principalmente nell indagine di un sito come strumento di screening per indicare se deve essere condotta un ulteriore valutazione biologica. 5

6 I risultati dei test di tossicità possono fornire informazioni per indicare se occorre rimedio. I tests di tossicità possono essere di aiuto nel determinare i livelli target per il rimedio. I risultati dei tests di tossicità da soli non sono adeguati per prendere decisioni di rimedio; comunque, quando vengano combinati con analisi chimiche e altri risultati di valutazione biologica, essi risultano uno strumento utile. I test di tossicità possono anche essere utilizzati nel monitorare il successo del rimedio. 3_ Sostanze Tossiche: 1. Sostanze acutamente tossiche per l uomo l e per la flora e/o fauna acquatica ( Pb,, Hg, Cd, CN-,, pesticidi ) 2. Sostanze pericolose per l uomo l e per la flora e/o fauna acquatiche per danni cronici sul lungo termine ( IPA, clorofenoli, trialometani ); 3. Sostanze in concentrazioni ridotte che non sono altamente tossiche ma che possono diventarlo in seguito a trasformazioni biochimiche nell acqua ( metilazione di Hg) ) o per bioconcentrazione ( stagnotrifenile) ) 4. Sostanze che aumentano il carico di BOD nell acqua o nei sedimenti ( scarichi depuratori etc.) ) 5. Sostanze eutrofizzanti ( nutrienti, effluenti zootecnia etc..)) 6. Sostante che vanno detrimento dell estetica estetica ( olii,, solidi sospesi, tensioattivi ) 7. Sostanze che hanno un effetto inquinante solo a concentrazioni alte a nell acqua ( es. NaCl e Sali minerali) ) 8. Microorganismi patogeni per l uomo l ( es. Salmonella. Cholera vibrio etc.) ) DEFINIZIONE DI TOSSICO: Si definisce tossico un agente che sia in grado di produrre una risposta (effetto) in un determinato sistema biologico, danneggiandone seriamente la struttura o funzione, o provocandone la morte. 6

7 TOSSICITA DI UN AGENTE INQUINANTE, L EFFETTO SOGLIA: La tossicità di una sostanza nei confronti di un organismo vivente dipende sia dalla sua concentrazione che dalla durata del periodo d esposizione. Il contatto con un determinato sistema biologico può non produrre alcun effetto dannoso se la concentrazione della sostanza è al di sotto di un livello effettivo minimo, detto soglia. 4_ Effetti: Effetto Tossico TIPI DI EFFETTO: Il tipo di effetto dipende non solo dall esposizione, ma anche dal tipo di esposizione: questa può essere singola, ripetuta o cronica. Gli effetti di una sostanza possono anche non essere immediati, ma ritardati, reversibili od irreversibili. 7

8 In alcuni casi, l effetto può essere diverso durante una prima esposizione e nelle esposizioni successive dell organismo alla stessa sostanza. E quanto si verifica se l organismo è in grado di sviluppare meccanismi adattivi, oppure nei fenomeni di sensibilizzazione. Inoltre può comportare una differente risposta nel tempo nel caso induca lo sviluppo di adattamenti o sensibilizzazioni. L effetto cumulativo o l adattamento sono ovviamente più facilmente osservabili nel caso di una esposizione continua costante o di una esposizione discontinua o, meglio, continua ma variabile nella quale la concentrazione della sostanza variabile nella quale la concentrazione della sostanza varia da un minimo, tendente a zero, quando non avviene lo scarico, ad un massimo durante il picco di contaminazione. Un caso particolare è rappresentato dagli elementi essenziali: un elemento X è considerato essenziale se un organismo non può crescere o completare il suo ciclo vitale in sua assenza; non può essere sostituito da un altro elemento; ha un influenza diretta ed è coinvolto nel metabolismo dell organismo. In questo caso, si hanno effetti dannosi se l esposizione non raggiunge almeno un livello minimo, ma l organismo funziona normalmente per esposizioni superiori a questo minimo. In alcuni casi, tuttavia, superata una determinata esposizione massima tollerabile, si ripresentano effetti dannosi (eventualmente diversi da quelli in condizioni di carenza). Tra gli elementi essenziali si contano ovviamente C,H,N,O,P e S, costituenti fondamentali della materia viventi; inoltre, sono probabilmente essenziali per tutte le piante Ca, Cl, Co, Cu, Fe, K,Mg,Mn,Na,Se e Zn; per alcuni organismi, anche se non necessariamente per tutti: B,I,Si; ancora da verificare: As, Br, Cr, F, Ni, Sn, V. 8

9 Infine, bisogna tener conto del fatto che, solitamente, l esposizione avviene contemporaneamente per più sostanze diverse (non necessariamente tutte dannose) e quindi l effetto complessivo viene controllato dalle interazioni tra differenti prodotti chimici. L interpretazione dei risultati è quindi particolarmente complicata quando si ha un esposizione multipla, dando luogo ad interazioni di tipo additivo, sinergico, potenziale o antagonista. In pratica, l esposizione contemporanea a due o più sostanze produce un effetto complessivo pari, superiore, o inferiore alla somma degli effetti che produrrebbero indipendentemente le due o più sostanze. Il primo caso è quello dell effetto della sostanza A (pari a 1) che si somma all effetto della sostanza B (pari a 5), producendo un effetto complessivo pari a 6 (effetto additivo): pesticidi organofosfati. Altri casi possibili sono: 1+5=10 (effetto sinergico): fibre di asbesto + fumo di sigarette aumenta di 40 volte il rischio di cancro 0+5=20 (effetto di potenziamento): isopropanolo (a concentrazioni non dannose) aumenta i danni al fegato prodotti dal tetracloruro di carbonio 1+5=2 (effetto antagonista): il selenio aumenta la tolleranza al mercurio In sostanza, la manifestazione di un effetto dipende da un complesso bilancio tra l assorbimento ed escrezione, danno esercitato e eventuali processi metabolici di riparazione o alleviamento del danno. Per questo, non sempre da esperimenti semplici è possibile predire con certezza l effetto finale. 9

10 5_ Vie di esposizione: Nel valutare gli effetti di una sostanza potenzialmente tossica, particolarmente importante risulta essere la via di esposizione, che dipende soprattutto dalla sua forma. Come è risaputo, possono causare danni i solidi, i liquidi, i gas. Ma la tossicologia si occupa solo di veleni : trascurando i casi di danneggiamento fisico, va ricordato allora che: una sostanza può causare danni solo se raggiunge una parte sensibile di un organismo con una concentrazione sufficientemente elevata e per un sufficiente tempo di esposizione Va chiarito il concetto di ESPOSIZIONE che dice che essa è la funzione della quantità della sostanza, della sua forma, del 10

11 tipo di somministrazione e del tempo di interazione con l organismo. Più precisamente, una esposizione eccessiva produce un effetto avverso, mentre una esposizione tollerabile non produce alcun effetto avverso. Tuttavia, per la stessa sostanza, e a parità di esposizione, l effetto può essere diverso per organismi diversi. In particolare, un effetto avverso è rappresentato da qualsiasi cambiamento anormale, indesiderabile, o dannoso, in un organismo esposto ad una sostanza potenzialmente tossica. L effetto avverso estremo comporta la morte dell organismo, mentre effetti avversi meno severi comprendono una alterazione del consumo di cibo, del peso corporeo o di alcuni organi, cambiamenti patologici visibili, o anche una alterazione dei livelli enzimatici. Un cambiamento statisticamente significativo dallo stato normale non configura però necessariamente un effetto avverso; per diventare tale, l effetto deve alterare una proprietà importante ed essere posto in relazione allo stato di salute complessivo dell organismo esposto. Si può dunque definire, più in generale, l effetto dannoso: Effetto dannoso: causa danni funzionali od anatomici, cambiamenti irreversibili dell omeostasi, o aumenta la suscettibilità ad altre sostanze o allo stress biologico, comprese malattie infettive (l entità del danno è influenzata dallo stato di salute dell organismo) 6_ Circolazione di tossici nell organismo: I veleni possono ancora essere distinti in liquidi, gas, vapori, aerosol, polveri, fumi,..., perché in ciascuna di queste forme può esistere un esposizione in grado di causare effetti avversi: _ per inalazione (vie respiratorie: gas, vapori, polveri, nell uomo tra 0,5-10 µm) 11

12 _ per ingestione (tratto gastro intestinale: solidi e liquidi) _ topica (superficie di contatto: anilina, HCN, steroidi, Hg organico, nitrobenzene, composti organici fosforiti, fenoli,...) Bisogna dunque distinguere tra effetti locali (dove vengono applicate le sostanze) ed effetti sistemici (l organo bersaglio, nel quale cioè si manifesta l effetto avverso, può essere diverso da quello di assorbimento): le sostanze corrosive, ad esempio, hanno sempre effetto locale; le sostanze irritanti hanno spesso effetto irritante, ma in qualche caso possono avere un effetto sistemico su organi o tessuti bersaglio diversi dal sito di assorbimento; altre sostanze, infine, come il Pb tetraetile, hanno sia un effetto locale (per contatto sulla pelle) che un effetto sul sistema nervoso centrale, dopo assorbimento e trasporto. Per alcune sostanze, per le quali l assorbimento supera l escrezione, si osserva un bioaccumulo, nell intero corpo o in particolari parti. Di per sé, questo non può essere considerato un effetto avverso: i tessuti adiposi possono accumulare grandi quantità di pesticidi organoclorurati, senza riceverne un danno. L effetto avverso si manifesta invece nel caso in cui l accumulo comporti il raggiungimento, in una determinata componente, di una concentrazione sufficientemente elevata da alterare una funzione essenziale di tale componente. Al contrario, gli effetti di una sostanza possono essere cumulativi, anche quando la sostanza stessa non viene accumulata. Poiché la forma di un veleno dipende dalle condizioni ambientali, in particolare temperatura e pressione, anche i suoi effetti tossici possono variare con le condizioni ambientali che devono quindi essere specificate quando si presentano dati di tossicità. Il tipo di esposizione condiziona in particolare il destino della sostanza nel corpo dell organismo esposto, perché diversi 12

13 possono essere i meccanismi di assorbimento, distribuzione ed escrezione. Dopo l assorbimento, il metabolismo delle diverse sostanze dipende invece dalle loro proprietà chimicofisiche, ad esempio dal loro carattere idrofilo o polare: sostanze solubili in acqua, o dissociate in composti polari, entrano direttamente nella circolazione sanguigna e, se facilmente vaporizzabili, possono essere espirate attraverso i polmoni, oppure escrete nell urina o in altri fluidi. Le sostanze liofile e metabolicamente stabili, in genere tendono invece ad essere accumulate nel grasso corporeo:ma in condizioni di stress, possono essere rimesse in circolo e provocare intossicazioni acute e/o dar luogo, nel fegato e altri organi, a due tipi di reazioni: 1_ sono reazioni catalizzate dalla famiglia del citocromo P450 e da altri enzimi del reticolo endoplasmatico liscio (ossidazioni, riduzioni, idrolisi, dealchilazioni, deaminazioni, dealogenazioni, formazioni e rottura di anelli) 2_ reazioni di coniugazione-formazione di legami covalenti delle sostanze assorbite o dei loro prodotti nelle reazioni della fase 1 con composti quali glutatione, acido glucuronico o amminoacidi. I coniugati, solitamente più solubili in acqua delle sostanze di partenza, sono più facilmente escreti nella bile. Alcuni possono essere separati nei loro componenti dai batteri nell intestino ed essere riassorbiti. In alcuni casi, la biotrasformazione delle sostanze può ridurre la loro tossicità: un caso di detossificazione è rappresentato dal cadmio, che induce la sintesi di metallotioneine (proteine che legano i metalli), aumentando la tolleranza a questo tossico (ma, a lungo andare, l accumulo nei reni causa comunque una nefrotossicità). In altri casi la biotrasformazione puà invece portare ad alterazioni strutturali o delle proteine che aumentano la 13

14 tossicità, fino a vere e proprie biotossificazioni: gli idrocarburi policiclici aromatici vengono convertiti in derivanti ailanti, che interagiscono con DNA e proteine, causando mutazioni, cancro, tetratogenesi, sensibilizzazione del sistema immunitario, morte cellulare; le arilammine, trasformate in arilidrossilammine, convertono l emoglobina in metaemoglobina, incapace di trasportare l ossigeno; i nitrati, assunti tramite la dieta, nell intestino vengono ridotti (da batteri) in nitriti e in presenza di sostanze contenenti amminogruppi, in nitrossammine; gli stessi nitriti possono convertire l emoglobina in metaemoglobina. Un caso speciale è quello delle sintesi letali, esemplificato da un comune ratticida, l acido fluoroacetico: attraverso la trasformazione in acido fluorocitrico e all inibizione dell aconitasi, provoca il blocco della circolazione dell acido citrico, determinando la morte dei ratti. Riassumendo, la produzione di un effetto tossico passa attraverso tre fasi: una fase chimica o di esposizione; una fase tossicocinetica, di trasformazione, e una fase tossicodinamica. Nella fase tossicodinamica gli iniziatori della tossicità interagiscono in siti chiave e danno inizio ai processi che si manifestano con gli effetti tossici veri e propri. Se il sito chiave è: - un particolare organo, si può avere una alterazione delle funzionalità, potenzialmente culminante con la morte; - il DNA, una mutazione in una cellula somatica può degenerare in un tumore, in una cellula geminale produrre effetti tetratogeni; - il sistema immunitario, la riduzione delle difese può portare ad asma, riniti, congiuntiviti, anemia emolitica, dermatiti da contatto... 14

15 SECONDA PARTE : SAGGI ECOTOSSICOLOGICI 1 Obiettivi: I tests di tossicità collocano i dati chimici nella prospettiva di agire come una misura della biodisponibilità. Essi possono essere utilizzati per documentare l estensione della contaminazione biodisponibile e per illustrare la potenziale contaminazione per effetti avversi di un sito di rifiuto. I risultati di un test di tossicità possono essere utilizzati principalmente nell indagine di un sito come strumento di screening per indicare se deve essere condotta un ulteriore valutazione biologica. I risultati dei test di tossicità possono fornire informazioni per indicare se occorre rimedio. I tests di tossicità possono essere di aiuto nel determinare i livelli target per il rimedio. I risultati dei tests di tossicità da soli non sono adeguati per prendere decisioni di rimedio; comunque, quando vengano combinati con analisi chimiche e altri risultati di valutazione biologica, essi risultano uno strumento utile. I test di tossicità possono anche essere utilizzati nel monitorare il successo del rimedio. 2 Vantaggi e Svantaggi: Vantaggi: _ Forniscono informazioni quantificabili riguardo i potenziali effetti biologici in un sito; _ Sono indicatori indiretti di biodisponibilità di contaminanti; _ La risposta non è limitata da predeterminate liste di contaminanti; 15

16 _ Indicano effetti potenziali su specie sensibili o su specie di particolare interesse; _ Vengono condotti in condizioni controllate (es. minimizzano la variabilità naturale); _ Non dipendono dalla presenza di ogni particolare popolazione in situ; _ La risoluzione spaziale dei tests di tossicità risulta essere migliore rispetto a molti altri approcci di valutazione; _ Numerosi tests sono ben sviluppati e con protocolli ampiamente accettati; _ Essi sono veloci e relativamente poco costosi. Svantaggi: _ Non sono progettati per rappresentare esposizioni naturali, così può essere difficile metterli in relazione direttamente con risposte reali in un sito; _ La risposta non è necessariamente correlata direttamente a specifici contaminanti; _ Se gli organismi test non si trovano naturalmente nel sito, può essere difficile mettere in relazione gli effetti su tali organismi con quelli su organismi che si trovano naturalmente nel sito e che vengono testati; _ I tests sono difficili da effettuare direttamente; _ Non sono delegati per determinare cambiamenti nella popolazione; 16

17 _ Non sono appropriati per contaminanti che causano effetti subletali su lunghi periodi, o per quelli che determinano bioaccumulo; _ Si può osservare tossicità in luoghi inaspettati (siti puliti ) dovuta a fattori sconosciuti e non quantificati. 3 Selezione: Prima di selezionare un test di tossicità per l applicazione ad un sito di rifiuto, le domande cui il test deve rispondere devono essere chiaramente definite. Se deve essere formulata una specifica ipotesi, la selezione dei test e l interpretazione diventa molto più facile. L identificazione di turbamenti specifici in un sito aiuterà a definire i parametri per il test. Questi parametri includono: la matrice campione (suolo, sedimento, acqua); le specie test e, se appropriato, lo stadio vitale; e la misura degli endpoints (es.morte, crescita, riproduzione). Il carattere ambientale (zone paludose, acque dolci, di estuario), i recettori del turbamento, un idea dei contaminanti presenti nel sito, e le vie di esposizione conosciute contribuiscono alla selezione dei test appropriati. 4 Risposte: L endpoint di un test di tossicità è la risposta degli organismi che viene utilizzata come misura della tossicità. Gli endpoint possono essere classificati come letali o subletali. L unico endpoint letale è la morte dell organismo test ed è espresso o come percentuale di sopravvivenza o percentuale di mortalità. Gli endpoint subletali non considerano la morte dell organismo test, ma sono risposte che possono riguardare la sopravvivenza delle popolazioni in situ. Gli endpoint subletali includono: anormalità nello sviluppo, variazioni di comportamento, variazioni nel comportamento, 17

18 variazioni nel successo riproduttivo, e risposte fisiologiche che riflettono cambiamenti nell attività enzimatica e nel tasso di crescità. Mentre i test di tossicità acuta hanno come endpoint la letalità, essi possono anche utilizzare endpoint subletali. Al contrario, i test cronici spesso sono progettati per misurare endpoint subletali, ma la letalità potrebbe essere uno dei risultati osservati. Perciò è necessario ricordare che i termini acuto e cronico non sono interscambiabili con i termini letale e subletale. Gli organismi possono rispondere in modo diverso ai materiali tossici. Nel selezionare la risposta da utilizzare come endpoint di un test di tossicità, bisogna prestare molta attenzione alla facilità con la quale è quantificabile (conta, misura) e se realmente riflette un impatto avverso sull organismo. L utilizzo di una risposta continua come endpoint può aumentare il potere discriminatorio di un test. Un range di risposte allora permette di classificare i campioni secondo la loro tossicità relativa. 18

19 L interpretazione dei risultati dei test di tossicità può essere difficoltosa. Una risposta tossica osservata potrebbe essere non correlata con le concentrazioni chimiche misurate. Se la tossicità non concorda con la contaminazione misurata, questo non significa necessariamente che i risultati della tossicità non sono corretti. I contaminanti presenti nel campione potrebbero non essere biodisponibili. Inoltre, una risposta può essere causata da contaminanti non misurati nelle analisi chimiche. Anche fattori naturali come l ammoniaca o i solfuri possono produrre una risposta tossica in alcuni organismi. Quando vengono effettuati due o più differenti test di tossicità, i risultati potrebbero non concordare. Questo potrebbe essere dovuto alla differenza nella sensibilità tra le specie alla miscela di sotanze chimiche presente nel campione. Comunque, i campioni maggiormente tossici sono quelli in cui tutti i test e gli endpoint evidenziano effetti significativi. 19

20 L interpretazione dei risultati dei test di tossicità è incentrata sull individuazione statistica delle differenze tra le risposte dovute ai materiali test e ai controlli negativi. Il controllo negativo è un campione che si sa non essere tossico agli organismi test e nel quale essi possono comportarsi normalmente. I controlli negativi sono importanti fattori critici negli studi sui test di tossicità. I controlli negativi non devono essere confusi con i campioni di riferimento. I campioni di riferimento sono campioni generalmente raccolti dallo stesso sistema (es. fiume, lago, estuario) dei campioni test, ma da un area non contaminata dal pericoloso sito di rifiuto. I controlli negativi sono utilizzati per valutare la salute e la vitalità degli organismi test, gli effetti da vaneggiamento degli organismi nell ambiente di laboratorio e l appropriato procedimento dei test di tossicità. Perciò, essi non devono causare una risposta significativa negli organismi test (ad esempio, la morte può avvenire in meno del 10% degli organismi controllo). Nei test di tossicità sull acqua si può utilizzare acqua di mare distillata o pulita come campione controllo negativo. La scelta di un sito incontaminato che possa fornire un sedimento o un suolo controllo accettabile è critica e spesso difficile. Se gli organismi test sono selvatici, cioè non provenienti da una coltura di laboratorio, allora i sedimenti provenienti dal loro luogo di campionamento può essere utilizzato come un controllo negativo. Gli organismi test sono di solito esposti anche a controlli positivi. I controlli positivi consistono in una serie di diluizioni dell acqua contenente il composto tossico che produce una risposta (l endpoint) nelle specie utilizzate per il test. I campioni di controllo positivi aiutano a stabilire una relazione dose risposta per le specie test. Questi test dimostrano la risposta degli organismi test per l endpoint del test. 20

21 5 Parametri di misura ecotest: Concentrazione di effetto50 e concentrazione letale50: I tossicologi spesso riportano spesso la tossicità di una sostanza o come un valore di EC50 è la concentrazione di una particolare sostanza chimica associata con una risposta subletale nel 50% degli organismi test; EC sta per concentrazione di effetto. LC50 è la concentrazione associata con la morte del 50% degli organismi test; LC sta per concentrazione letale. I risultati dei test di tossicità su campioni ambientali sono raramente riportati come valori di EC50 o LC50, facendo riferimento alla diluizione del campione e non alle concentrazioni delle sostanze chimiche presenti nel campione. Per esempio, se il 21

22 test di tossicità viene effettuato con una serie di diluizioni di un campione d acqua contaminato e il 50% degli organismi test muoiono nella soluzione contenente il 40% del campione test, l LC50 è 40%. 22

23 TERZA PARTE : SONDE MULTIPARAMETRICHE 1 Condizioni fondamentali per il monitoraggio: Monitoraggio Ambientale CONOSCENZA DELLO STATO ECOLOGICO DI UN AMBIENTE CONOSCENZA DELLA COMPOSIZIONE FLORO FAUNISTICA DI UN ECOSISTEMA VALUTAZIONE DEI PARAMETRI CHIMICO FISICI VALUTAZIONE DEI PARAMETRI METEREOLOGICI VALUTAZIONE DELLA COMPONENTE TROFICO SEDIMENTARIA VALUTAZIONE DELLO STATO ECOTOSSICOLOGICO 2 Azioni per il monitoraggio: Monitoraggio Ambientale CAMPAGNE DI SOPRALLUOGO CENSIMENTO FLORO FAUNISTICO DELLE SPECIE PRESENTI MAPPATURA E RICOSTRUZIONE G.I.S. UTILIZZO DI SONDE MULTIPARAMETRICHE UTILIZZO DI SISTEMI BEWS UTILIZZO DI TEST ECOTOSSICOLOGICI 23

24 Monitoraggio Ambientale PROGRAMMA DI CAMPIONAMENTO Sono necessarie più campagne di campionamento per avere dati sicuri SCELTA DEI PARAMETRI A seconda dello scopo dell analisi da effettuare ANALISI STRUMENTALE E DI LABORATORIO DEI PARAMETRI E importante conoscere le metodiche laboratoristiche di analisi per riuscire a tarare correttamente gli strumenti INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI DIFFICILE RILEVAMENTO DELLE SOSTANZE TOSSICHE RILEVABILI PER CONCENTRAZIONI ELEVATE 3 Sonde parametriche, loro utilizzo e finalità: Sonda multiparametrica Strumento che si utilizza per la misura dei principali parametri fisicochimici (temperatura, salinità, clorofilla e ph) Azionata manualmente o con un verricello Calata lungo la verticale dalla superficie al fondo I dati acquisiti ad ogni metro di profondità sono trasmessi via cavo ad un computer situato a bordo e memorizzati 24

25 Schema di una Sonda Multiparametrica Parametri Chimico-Fisici misurati dalla sonda PROFONDITA TEMPERATURA OSSIGENO DISCIOLTO ph SALINITA PERCENTUALE DI SATURAZIONE DELL OSSIGENO CONDUCIBILITA POTENZIALE ELETTRICO CLOROFILLA-a 25

26 Parametri chimico-fisici medi set-05 9-set set set set set set set set set set set set set set set set set set set set set set-05 1-ott-05 2-ott-05 3-ott-05 4-ott-05 5-ott-05 6-ott-05 7-ott-05 8-ott-05 9-ott ott ott ott ott ott ott ott ott ott ott-05 Eh O2% Cond Sal Temp ph O2ppm Posizionamento delle Sonde 26

27 Possibilità di Collegamento 4 Parametri chimico-fisici: Temperatura La temperatura dell acqua rappresenta un parametro molto importante per caratterizzare lo stato idrologico delle acque Parametro capace di condizionare la vita e le reazioni chimiche che avvengono nell ecosistema L acqua mantiene il proprio stato termico a lungo rilasciando lentamente il calore accumulato (elevata inerzia termica) Negli ambienti acquatici le variazioni di temperatura sia giornaliere che stagionali sono limitate 27

28 La Temperatura Ossigeno disciolto Nell ambiente acquatico proviene sia dagli scambi con l atmosfera sia dai processi fotosintetici La sua concentrazione varia continuamente a causa dei processi biologici, fisici e chimici continuamente in atto nell ambiente IPOSSIA ANOSSIA L ossigeno disciolto è un forte indicatore di produttività biotica ed è correlato con la biomassa fitoplanctonica L ossigenazione dell acqua è molto importante a livello della filtrazione 28

29 Ossigeno disciolto Percentuale di saturazione dell ossigeno Valore di ossigeno dell acqua come rapporto tra il valore teorico di solubilità per una data temperatura e salinità (si calcola strumentalmente attraverso tabelle di conversione) Valore espresso in percentuale In natura valori superiori al 100% si riscontrano durante importanti bloom fitoplanctonici Esistono apposite tabelle di conversione per definire la percentuale di saturazione a partire dalla temperatura, salinità e ossigeno disciolto L andamento dei valori segue oscillazioni soprattutto legate alla stagionalità e alla richiesta di consumo dell osssigeno per reazioni chimiche e/o biologiche 29

30 ph Regola molti processi chimici e biologici in acqua La maggior parte degli organismi vivono in un range compreso tra 6.5 e 8.5 Bassi valori di ph (acidità) possono liberare sostanze ad esempio dal sedimento e renderle disponibili e solubili causando TOSSICITA In acqua di mare c è un effetto tampone dovuto alla salinità e quindi le variazioni sono meno intense e frequenti, legate agli eventuali bloom fitoplanctonici Viene determinato strumentalmente con phametri che devono essere tarati regolarmente Salinità Rappresenta la concentrazione dei Sali minerali disciolti nell acqua di mare in un volume noto Si esprime generalmente come g/l oppure g/mille o psu (parti di unità saline) E possibile determinarla a partire dalla clorosità o dalla conducibilità E un fattore importante per la regolazione della solubilità dell ossigeno nelle acque A parità di temperatura l acqua dolce contiene più ossigeno di quella salata Cloruro di sodio - Cloruro di magnesio - Solfato di magnesio - Solfato di calcio - Solfato di potassio Carbonato di calcio - Bromuro di magnesio 30

31 Clorofilla -a I caratteristici pigmenti algali sono la clorofilla, xantofilla e carotenoidi La clorofilla costituisce il 1-2% del peso secco del materiale organico delle alghe planctoniche Determinare al clorofilla significa stimare la biomassa algale nella Clorofilla -a Nutrienti AMMONIACA AMMONIO NITRATO NITRITO FOSFATO SILICATO 31

32 Le 3 forme dell azoto L azoto totale, invece, è la somma di azoto ammoniacale, nitroso, nitrico e di quello organico costituito essenzialmente da amminoacidi e proteine Il carico di nutrienti rappresenta la causa fondamentale che determina l intensità e la distribuzione della biomassa microalgale Il nitrato, che in ambiente marino costituisce la componente di gran lunga principale della frazione dell azoto inorganico disciolto, gioca in ogni caso un ruolo importantissimo nel processo di eutrofizzazione Gli effetti tossici dell ammoniaca si verificano in correlazione con il ph e alte temperature I nitriti (azoto nitroso) sono naturalmente presenti per i processi di nitrificazione (ossidazione) dell ammoniaca e di denitrificazione (riduzione) dei nitrati I nitrati sono il prodotto terminale dell ossidazione dell ammoniaca e indicano efficienza del ciclo ossidativo e sono la forma di azoto più presente nelle acque Nitrato 32

33 Fosforo ortofosfato Insieme all azoto è un nutriente essenziale per piante e animali I fosforo è scarsamente presente e viene definito LIMITANTE Un suo anche modesto incremento può scatenare fenomeni di EUTROFIZZAZIONE La principale fonte di fosforo è da attribuire agli scarichi dei depuratori, dai fertilizzanti e detersivi, dagli scarichi degli allevamenti intensivi Il fosforo totale è la somma delle forme organiche e non, disciolte e particellate (ovvero legate a particelle come detrito, alghe ecc), importante indicatore di inquinamento di tipo civile e agricolo (rispettivamente: scarichi e fertilizzanti). QUARTA PARTE : PREPARAZIONE E CONDIZIONAMENTO DI ACQUARI PER L ALLEVAMENTO DI ORGANISMI TEST 1 Preparazione dell acquario: 33

34 L acquario inizialmente si presentava così: 14 l di acqua con salinità 25 30, uno speciale filtro installato per eliminare le scorie e depurare l ambiente, ed infine un ossigenatore installato al fine di mantenere sempre una certa percentuale d ossigeno nell ambiente acquatico. Periodicamente si sono effettuati lavaggi del filtro per evitare che si intasasse. 34

35 E stata effettuata una pesata di 250g di sale Istant Ocean da disciogliere in 14 l di acqua per ottenere una salinità attorno al all interno dell ambiente acquatico. A distanza di 8 settimane dall installazione l acquario si presentava come raffigurato in foto, l acqua era vistosamente torbida dimostrando che il lavoro effettuato era arrivato a compimento e ora l ambiente acquatico era veramente nelle condizioni ottimali per la crescita di microrganismi. 35

36 Attorno al mese di maggio 2006, si sono finalmente introdotti organismi test nel nostro ambiente acquatico precedentemente condizionato. Nel primo acquario abbiamo introdotto uova di artemie saline, mentre nel secondo abbiamo introdotto cozze. Organismi test impiegati: Mytilus galloprovincialis Classe: Bivalvia Ordine: Mytiloida Famiglia: Mytilidae Genere: Mytilus Specie: Mytilus galloprovincialis (Lamarck) Il Mytilus galloprovincialis è uno dei più comuni molluschi del Mar Mediterraneo. In Italia è ampiamente diffuso in banchi naturali e in impianti di allevamento. La principale produzione origina nel Mare Adriatico. La classificazione scientifica delle cozze impiegate per l allevamento. Artemia salina Piccolo crostaceo che vive nelle saline e nei laghi salati di tutto il mondo (ad esempio nelle sorgenti salate di Odessa o nel Grande Lago Salato dello Utah), nei quali in genere riescono a sopravvivere poche altre forme di vita. Quando è completamente sviluppata, Artemia salina è lunga circa 10 mm, ha arti piatti a forma di foglia e una lunga "coda" costituita dagli ultimi otto segmenti del corpo; non ha carapace ed è trasparente. Classificazione scientifica: Artemia salina appartiene all'ordine degli anostraci, sottoclasse dei branchiopodi. 36

37 Le uova di artemia salina prima della schiusa fotografate al microscopio (ingrandimento di circa 100volte): Le artemie dopo la schiusa delle uova: 37

38 2 Parametri di controllo, loro misura, illustrazione della strumentazione e dei protocolli di analisi: Parametri di controllo I principali parametri misurati dalla classe sono i seguenti: _ Temperatura _ ph _ Potenziale _ Conducibilità _ Ossigeno disciolto _ Ossigeno % _ Densità _ Clorosità _ Clorinità 38

39 _ Salinità Misura dei parametri di controllo, Illustrazione dei protocolli di analisi Temperatura La temperatura si misura indirettamente tramite l ossimetro tra i vari parametri che è in grado di misurare vi è anche la temperatura in C. ph 39

40 Il ph si misura mediante un ph-metro, va considerato che se il ph si presenta con un valore < di 7 è acido, > di 7 è basico, se il valore è = a 7 il ph è neutro Potenziale, Conducibilità Il potenziale elettrico e la conducibilità elettrica si misurano tramite un conduttimetro/conducimetro ed il risultato si ha rispettivamente in mv ed in ms/cm Ossigeno disciolto, Ossigeno % 40

41 L ossigeno si misura direttamente tramite l ossimetro che è in grado di fornirci il risultato sia in percentuale sia in ppm. Clorosità, Clorinità Clorosità e clorinità si misurano attraverso una titolazione argentometrica secondo Mohr che ci riesce a fornire la quantità di Cl - presenti all interno dell ambiente acquatico. Densità, Salinità 41

42 Densità e Salinità si determinano tramite un salinometro ottico in grado di darci i duoi valori contemporaneamente su due scale adiacenti tra loro. 3 Elaborazione e presentazione dei dati in Excel: I valori del nostro ambiente acquatico sono stati periodicamente controllati nel corso dei mesi di febbraio/aprile 2006 e ed elaborati nei mesi di maggio e settembre I risultati si allegano alla relazione. Per ogni giorno di analisi sull acquario i valori venivano controllati da 4 gruppi di 5/6 alunni nella classe e per ogni giornata veniva effettuata la media dei valori. 4 Conclusioni: In conclusione del primo anno di progetto possiamo affermare che gli alunni hanno raggiunto gli obiettivi che all inizio dell anno scolastico erano stati stabiliti e che ora hanno acquisito le competenze per: 42

43 _La misura dei vari parametri necessari al condizionamento dell ambiente acquatico _L utilizzo delle varie strumentazioni, la lettura dei valori corretti, la manutenzione e la taratura dei macchinari _ L elaborazione dei dati raccolti attraverso excel, i grafici relativi ai valori ed infine la trattazione media statistica di questi ultimi _L apprendimento del nuovo protocollo d analisi (TITOLAZIONE ARGENTOMETRICA SECONDO MOHR) che ci ha permesso di controllare il valore di clorosità e clorinità del nostro ambiente acquatico DESCRIZIONE DEL PROTOCOLLO D ANALISI TITOLAZIONE ARGENTOMETRICA SECONDO MOHR: E un metodo che viene utilizzato in particolare nella titolazione di bromuri e cloruri in soluzioni neutre. Sfrutta come indicatore lo ione cromato (CrO4 2- ) che forma con lo ione argento (Ag + ) (titolante) un composto poco solubile Ag2CrO4 di colore rosso mattone. Il principio è quello della precipitazione frazionata: gli alogenuri d argento sono meno solubili del cromato, e quindi precipitano prima. In corrispondenza del punto di equivalenza, quando la concentrazione di alogenuro è praticamente nulla, comincia a formarsi il cromato d argento, la cui presenza è segnalata dalla colorazione caratteristica. 43

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