Cenni di Ecotossicologia - Corso di Laurea in Scienze Biologiche (PDF)

Corso di Laurea in Scienze Biologiche Dipartimento di Scienze e Innovazione Tecnologica Università del Piemonte Orientale Corso di Ecologia Prof. Antonio Calisi [email protected]  Cenni di Ecotossicologia Dr. Antonio Calisi Nel 1...

Corso di Laurea in Scienze Biologiche Dipartimento di Scienze e Innovazione Tecnologica Università del Piemonte Orientale Corso di Ecologia Prof. Antonio Calisi [email protected]  Cenni di Ecotossicologia Dr. Antonio Calisi Nel 1978 un Comitato dello SCOPE (Scientific Committee on problems of the Environment) “L’Ecotossicologia riguarda gli effetti tossici degli agenti chimici e fisici sugli organismi viventi, su 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” Newman (1998) ha poi ridefinito l’ecotossicologia come “scienza dei contaminanti nella biosfera e i loro effetti sui costituenti della biosfera” (uomo incluso). SCIENZA CHE DEFINISCE GLI EFFETTI DELLE SOSTANZE TOSSICHE SUGLI ECOSISTEMI CON LO SCOPO DI PROTEGGERE L’INTERO ECOSISTEMA, E NON SOLO COMPONENTI ISOLATI. 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 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 : Tossicologia Ambientale è una branca della Tossicologia che studia effetti dei contaminanti sui sistemi naturali 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. 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 Modalità d’azione dei contaminanti chimici ambientali Schema generale del destino di un composto chimico in un sistema biologico  Assorbimento dei contaminanti Proprietà chimiche che facilitano il passaggio di un Tratto Apparato Tegumento inquinante attraverso gastrointestinale respiratorio le membrane cellulari Lipofilicità: facilita il passaggio attraverso Ambiente esterno la barriera lipidica Piccole dimensioni:consentono al composto contaminante d’insinuarsi tra le molecole Ambiente interno 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 Principali comparti di esposizione attraverso cui avviene l’assorbimento di contaminanti chimici ambientali nei diversi organismi viventi  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 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  Metabolismo 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.  Escrezione 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 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). Tali fenomeni di arricchimento possono essere distinti in: bioconcentrazione bioaccumulo biomagnificazione 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. 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. 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  Concentrazioni di PCB (ppb) (tratto terminale del Po) Uccello predatore 24500 Pesce pescivoro 4300 Pesce planctofago 1300 Plancton 1600 acqua 0.03  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.  Meccanismi di tossicità OMEOSTASI PATOLOGIA Meccanismi di detossificazione Contaminazione Risposte compensatorie Meccanismi di riparazione morte  La tossicità primaria di un contaminante si esercita ai bassi livelli di organizzazione biologica (alterazione a livello molecolare, cellulare, tissutale). Questa può modificare i processi fisiologici di un intero organismo con effetti che possono ripercuotersi con un meccanismo a cascata sui livelli di organizzazione biologica più elevati Gli effetti negativi esercitati a bassi livelli di organizzazione biologica si esercitano su scale temporali ristrette e vegono definiti “early adverse effects” (effetti negativi precoci). Tali effetti possono rappresentare un primo campanello d'allarme di situazioni che nel tempo potrebbero diventare a rischio ambientale. Secondo tale approccio, vengono impiegati criteri fisiologici e biochimici nella valutazione del rischio tossicologico al quale sono sottoposte le comunità degli ambienti sotto stress chimico. Curva di risposta alle sostanze tossiche. La condizione è letale soltanto ad elevate intensità. A concentrazione bassa o persino nulla l’organismo non viene influenzato; tuttavia esiste una soglia al di sopra della quale le prestazioni decrescono rapidamente: prima la riproduzione (R), poi l’accrescimento (G) ed, infine, la sopravvivenza (S).  Intercorrelabilità degli effetti degli inquinanti tra i vari livelli di organizzazione biologica La tossicità primaria di un contaminante si esercita, in linea generale, a livello biochimico e molecolare (es. alterazione delle caratteristiche strutturali e funzionali delle molecole biologiche quali proteine, lipidi e acidi nucleici). Se tali alterazioni non sono sufficientemente compensate dalle risposte difensive e riparatorie dell’organismo confluiscono in alterazioni integrate che finiscono per compromettere il funzionamento di organi e sistemi. Alterazioni fisiologiche a carico ad esempio del sistema nervoso possono provocare alterazioni dell’attività locomotoria, dell’orientamento dell’equilibrio e così via, funzioni che sono di rilevante importanza per l’integrità dell’organismo, e che si traducono in alterazioni del comportamento.  Intercorrelabilità degli effetti degli inquinanti tra i vari livelli di organizzazione biologica Alterazioni biochimiche, fisiologiche e comportamentali, se non compensate, possono tradursi in tempi più lunghi in profonde alterazioni del funzionamento dei meccanismi che consentono lo sviluppo e la crescita degli individui, il loro successo riproduttivo, il reclutamento di nuove classi d’età, ecc. La riduzione della velocità di crescita è una risposta generalizzata all’esposizione cronica a idrocarburi e metalli pesanti, osservabile sia nei vertebrati che negli invertebrati La riproduzione è un altro processo vulnerabile all’azione dei contaminanti chimici ambientali che possono agire a livello dei gameti, con danni istopatologici delle gonadi e alterazione dei gameti, alterazioni delle modalità d’azione degli ormoni sessuali, malformazioni degli embrioni.  Intercorrelabilità degli effetti degli inquinanti tra i vari livelli di organizzazione biologica Alterazioni nello sviluppo e nella riproduzione si riflettono a livello di popolazione che può essere alterata tanto nella struttura, per riduzione della densità, della distribuzione spaziale, del rapporto tra le classi d’età e tra i sessi, che nella sua dinamica, intesa come crescita nel tempo. Le alterazioni a livello di popolazione si riflettono in tempi ancora più lunghi a livello superiore di organizzazione biologica, sia con modificazioni nei rapporti tra le popolazioni che nella produttività, nella evoluzione temporale, nella distribuzione spaziale, ecc.  Misurare la tossicità di una sostanza significa trovare la massa minima di tale sostanza che produce un effetto dannoso a carico di un sistema biologico La misura della tossicità di una sostanza viene effettuata allestendo specifici test di tossicità nei quali un gruppo omogeneo di organismi appartenenti alla stessa specie viene esposto a all’azione della sostanza da testare per periodi generalmente variabili a seconda che si valuti la tossicità acuta o cronica. Al termine della fase di esposizione possono essere misurati svariati “end-points” biologici (es. la mortalità, l’immobilizzazione degli organismi impiegati nei saggi, ecc.) e confrontati con quelli di organismi della spessa specie non sottoposti all’azione della sostanza tossica e utilizzati come organismi di controllo Nel corso di un test di tossicità bisogna distinguere tra “effetto” e “risposta”: - effetto, che indica il tipo di danno, ovvero la funzione biologica compromessa (come la sopravvivenza, la motilità, la velocità di crescita, ecc) - risposta, che corrisponde alla quantificazione dell’effetto, e viene generalmente espressa come % di incidenza in una certa popolazione (ad esempio un certo numero di animali da esperimento). [In termini generali per incidenza si intende la proporzione di "nuovi eventi" che si verificano in una popolazione in un dato lasso di tempo dove per evento si intende la comparsa dell’effetto. Ad esempio nel caso in cui il test con una sostanza e con 20 trattati determina 5 morti, la percentuale di incidenza è del 25%. Se nel caso di un evento come la morte è facile quantificare l’evento in termini di incidenza, nel caso, invece, di risposte continue (es. variazioni di peso) bisogna effettuare una trasformazione quantale del dato (ossia di tipo “tutto o nulla”). In tal caso si individua un valore soglia (es. una variazione del 15%): al di sopra di tale variazione la risposta viene considerata come “tutto” e quindi l’evento viene conteggiato nel calcolo dell’incidenza; al di sotto di tale variazione la risposta viene considerata come “nulla”.]  La risposta biologica ad una sostanza tossica viene espressa come percentuale di incidenza. Le variabili indipendenti da cui dipende la risposta biologica sono: - il livello di esposizione - il tempo di esposizione Esprimendo in grafico tridimensionale i dati ottenuti dagli esperimenti di tossicità si ottiene la cosiddetta superficie risposta/concentrazione/durata Se si mantiene costante il tempo di esposizione si ottiene la classica curva di tossicità. % incidenza In Fig. è indicato L’EC50, che rappresenta la concentrazione efficace per il 50% dei trattati Ciascun punto della curva di tossicità corrisponde a replicati dell’esperimento di esposizione concentrazione con diverse concentrazioni della sostanza tossica, si tiene costante il tempo di esposizione e si osserva, allo scadere del tempo stabilito, la risposta biologica in relazione alla concentrazione del tossico. Nel corso dell’esperimento di tossicità vengono testate concentrazioni crescenti della sostanza da testare, scelte in progressione geometrica. Alcuni tra i parametri più comunemente utilizzati per la misura della tossicità sono: LD50 (Lethal Dose 50; dose letale mediana): rappresenta la dose di una sostanza chimica che determina la morte del 50% degli individui in saggi di tossicità acuta per somministrazione diretta ad esempio orale o intraperitoneale). Viene normalmente espressa in termini ponderali per unità di peso corporeo. LC50 (Lethal Concentration 50; concentrazione letale mediana): rappresenta la concentrazione di una sostanza che determina la morte del 50% degli individui nei saggi di tossicità acuta per esposizione ambientale (es. per un organismo acquatico la sostanza viene disciolta nel mezzo acquatico in cui l’organismo si trova durante l’esecuzione del test) EC50 (Effective concentration 50; concentrazione efficace mediana): rappresenta la concentrazione che produce nel 50% degli individui saggiati un effetto negativo diverso dalla morte (immobilizzazione, arresto della crescita, ecc) LT50 (Lethal Time 50; tempo letale mediano): rappresenta il tempo necessario a determinare la morte del 50% degli individui esposti ad una concentrazione determinata di una sostanza (curva di tossicità: % di incidenza in funzione del tempo). Soglia di tossicità: dose o concentrazione al disotto della quale non si manifesta un danno misurabile dopo un determinato tempo prestabilito Tale concetto è di difficile applicabilità alle sostanze mutagene e cancerogene. NOEL (No-Observed-Effect level): rappresenta il più alto livello (concentrazione o dose) al quale non si è manifestato alcun effetto. Può essere riferito a saggi di tossicità acuta ma, di norma, si riferisce a saggi cronici a lungo termine. LOEL (Lowest-Observed-Effect Level): rappresenta il più basso livello al quale è stato possibile evidenziare un effetto. Per definizione la soglia di tossicità si colloca tra NOEL e LOEL La conoscenza del NOEL per gli organismi più sensibili di una comunità consente di ricavare criteri di protezione accettabili. Per tossicità acuta si intende l’insorgenza dell’effetto, dopo l’esposizione di un organismo a concentrazioni elevate in un breve lasso di tempo. L’obiettivo dei test di tossicità acuta è quello di misurare l’effetto dovuto all’esposizione a sostanze pure o miscele di sostanze inquinanti, esposizione la cui durata sia compresa di norma tra i 15 minuti e le 96 ore, a seconda dell’organismo test utilizzato. Le misure di tossicità ottenute vengono impiegate per la valutazione di effetti tossici dovuti a fenomeni di contaminazione temporanei e nelle classificazioni di tossicità. I saggi di tossicità cronica evidenziano effetti tossici che si sviluppano, viceversa, a lungo termine. Per la realizzazione di test di tossicità cronica, una volta acquisiti dati sulla tossicità acuta, si scelgono livelli di esposizione più contenuti in modo da non compromettere la funzionalità degli organismi per tempi di trattamento più lunghi, che, per molti organismi, corrispondono a uno o più cicli riproduttivi. L’effetto prescelto è generalmente la velocità di crescita, alterazioni della capacità riproduttiva, modificazioni enzimatiche, alterazioni del comportamento. Nel corso dei test di tossicità cronica si misurano il NOEL e il LOWEL. La durata dei trattamenti è legata alla specie: per la pulce d’acqua, Daphnia magna, 21 giorni sono sufficienti per osservare gli effetti su più generazioni, mentre nel caso di vertebrati i test devono essere di durata maggiore in modo da poter osservare la crescita degli organismi, lo sviluppo e la produzione almeno della prima generazione I risultati ottenuti nei test di tossicità sono il presupposto per stabilire dei “criteri di qualità” , da cui si parte per l’adozione di “Standard di qualità” ambientale quali sono i limiti di accettabilità dei contaminanti stabiliti per legge. Negli Usa, l’Environmental Protection Agency (EPA) ha standardizzato tali fattori di sicurezza: se si dispone di dati di tossicità cronica per un solo gruppo di organismi (ad esempio pesci) si deve applicare un fattore di sicurezza 1000, ossia si riduce il NOEL ottenuto in laboratorio ad 1/1000 del suo valore se si dispone di dati di tossicità cronica relativi ai tre gruppi tassonomici caratteristici dei principali livelli trofici della catena alimentare acquatica (alghe, crostacei e pesci), il fattore di sicurezza è pari a 100; se si dispone di dati di NOEL derivanti da saggi di tossicità cronica su specie sensibili il fattore di sicurezza è pari a 10. Condizione necessaria affinchè si possano produrre effetti tossici sul biota è che la sostanza risulti biodisponibile, cioè presente in uno stato in cui può essere assorbita dall’organismo. La capacità di una sostanza di creare disfunsioni nel sistema dipenderà dalla sua tossicità intrinseca (o dei suoi metaboliti) o dalla potenzialità di alterare gli equilibri del sistema. Le caratteristiche chimico-fisiche della matrice ricevente, acqua o sedimenti, gioca un ruolo molto importante nella speciazione di una sostanza, la sua presenza in una matrice piuttosto che in altra (si parla della frazione disciolta in acqua o adsorbita ai solidi), la sua biodisponibilità verso gli organismi. Importante è quindi il livello di concentrazione di una sostanza a cui un organismo è effettivamente esposto. PER MATRICI SOLIDE LA BIODISPONIBILITÀ E LA TOSSICITÀ DEI CONTAMINANTI AD ESSI ASSOCIATI PUÒ ESSERE INFLUENZATA DA DIVERSI FATTORI FISICI, CHIMICI E BIOLOGICI: Biodisponibilità  Sedimentazione, risospensione e diffusione;  Caratteristiche chimico-fisiche della colonna d’acqua, acqua interstiziale, particolato ( T, pH, durezza, alcalinità, contenuto di carbonio organico e materia organica,composizione dei sedimenti;  Presenza di solfuri acidi volatili, metalli competitori, agenti chelanti  Tipo di organismo, dimensioni, comportamento alimentare;  Vie di esposizione (alimentazione, respirazione, contatto) Con il termine di monitoraggio si intende una serie di rilevamenti, di determinate variabili ambientali che siano indicative dello stato di salute degli ecosistemi, effettuati con una data frequenza in stazioni prestabilite, al fine di individuarne i cambiamenti e, in prospettiva, di effettuare previsioni di condizioni alterate. Il monitoraggio ambientale nasce e si sviluppa inizialmente sulla base dell’utilizzo di metodologie fisico-chimiche di rilevamento al fine di raccogliere informazioni periodiche su alcuni parametri “di base” di un ecosistema per aggiornare continuamente la conoscenza sullo stato e la dinamica evolutiva di un dato ambiente.  Chemical analysis does not provide information on pollutants that are not included in the tables reporting guideline values allow to evaluate the enviromental damage deriving from the presence of different pollutants at the same time Biomonitoring→ ecotoxycological assay evaluating the activity of a pollutant as negative effect on a test specie. It does not provide a direct measure of pollutant concentration, but allows to evaluate quantitatively the damages induced by the pollutant on an organism. Bioindicators→ organisms allowing to monitor the pollution degree in a specific site, relying on the detection of changes induced by the pollution on the same organisms. Bioindicators:  detect pollution events preceding the sampling time  allow to perform a high number of analysis in the space (low cost)  detect effects induced by the combination of different pollutants ……. Methods are difficult to standardize: living organisms are affected by a number of environmental factors and often the answers to increasing level of pollution are not linear Biological techniques are not alternative but COMPLEMENTARY to the chemical ones!!!!!! Polyphasic approach  TRIAD APPROACH ECOLOGY Risk effect CHEMISTRY TOXICOLOGY  BIOINDICAZIONE Selezione degli organismi oggetto d’indagine, poiché la loro scelta potrebbe determinare risultati assai differenti  Bioindicazione Bioindicatori Bioaccumulatori organismi in grado di relazione sopravvivere alla presenza quantitativa tra la di un contaminante, risposta biologica e assimilato dalle matrici le concentrazioni ambientali accumulandolo di esposizione a un e permettendone una inquinante qualificazione e una quantificazione Bioindicatore è definito quell’organismo capace di dare informazioni sulle condizioni ambientali del suo habitat mediante la sua presenza o assenza o mediante risposte biochimiche, fisiologiche o comportamentali. In definitiva il biomarker sta al bioindicatore come la risposta sta all’organismo.  sensibilità agli inquinanti;  ampia distribuzione nell’area di indagine;  scarsa mobilità (sessili o stanziali)  lungo ciclo vitale e uniformità genetica  facile reperibilità stagionale e campionabilità  facile identificazione sistematica  deve essere disponibile in letteratura un’approfondita conoscenza delle loro caratteristiche fisiologiche ed ecologiche  WHY INVERTEBRATES? Show cumulative effects of present and past conditions Low mobility Relatively long life cycle Ecological relationship well understood Sampling procedure relatively well developed Considerable number of species per sampling Taxonomy is better known Relatively easy to identify and classify Folsomia candida Heterocypris incongruens Apis mellifera Paracentrotus lividus Caenorhabditis elegans  Unio pictorum Cyprinus carpio Daphnia magna Helix pomatia Crassostrea gigas  Mullus barbatus Mytilus galloprovincialis Gallotia gallotii Callinectes sapidus Lumbricus terrestris  COASTAL ENVIRONMENTS: SEARCHING FOR SENTINEL ORGANISMS M ytilus galloprovincialis Chamelea gallina Tapes philippinarum water column bottom bottom good survival problems of survival good survival high sensitivity good sensitivity low sensitivity appreciable responses appreciable responses few appreciable responses repetitive responses repetitive responses few repetitive responses Nell’ambito del biomonitoraggio marino costiero i molluschi bivalvi vengono riconosciuti come ottimi bioindicatori di contaminazione costiera ed estuarina e tra questii mitili (Mytilus spp) sono sicuramente le specie più ampiamente utilizzate. Grazie alla loro abitudine filtratoria e alla condizione di sessilità riescono ad accumulare i contaminanti chimici ambientali a livelli ben superiori rispetto a quelli delle matrici ambientali, e quindi, sviluppare risposte di detossificazione prima di altri organismi. Per quanto riguarda i vertebrati, nel monitoraggio marino costiero sono ampiamente utilizzate, come bioindicatori, specie di pesci come il Mullus barbatus che presentano scarsa mobilità Mullus barbatus e stretto rapporto con i sedimenti (comparto di accumulo di contaminanti chimici ambientali)  numerosi ampia distribuzione in natura ANELLIDI OLIGOCHETI  facili da mantenere in laboratorio temperatura 16 + 2°C ciclo luce/buio (16 h on: 8 h off ) umidità 25%- 65% sensibili ai contaminanti chimici Efficienti accumulatori di metalli pesanti Fortemente sensibili all'azione dei pesticidi end-points standardizzati: rapporto tra mortalità e riproduzione (OECD guidelines, 1984;2001) Biomarker is defined as: “…..variation, induced by a pollutant, at the level of molecular, cellular or biochemical components of a process, a structure or a function, which can be measured in a biological system…….” In short, the biomarker is the answers of bioindicator to the stress. Advantages:  early response  detect synergic pollutant effect  detect pollution also when the cause has disappeared  HIERARCHY OF THE RESPONSE damage DNA adduct inhibition PROTEINS induction Lysosome st. HISTOPATHOLOGY lipids lipofuscine IMMUNE SYSTEM DEATH  BIOMARKERS the objective of the use of biomarkers is to highlight the early onset of conditions of environmental disturbance before they can be transmitted to subsequent levels of biological organization and, therefore, avoid negative consequences to the ecological level. generic BIOMARKER specific Cellular : lysosomal membrane Molecular : genotoxicity, stability, immune activity, ecotoxicogenomics, reduction in the number and proteomics morphology of celomociti / haemocytes Physiological: metallothioneins, haemoglobin, stress proteins, acetylcholinesterase, antioxidant, cytochrome P450 Lysosomal mebrane stability Generic biomarkers Metallothionein Specific biomarkers Acetylcholinesterase Specific biomarkers CHEMICAL ANALYSIS End points ecologici biomarker  Integrated biomarker analysis Calisi et al, 2013 New frontier biomarkers Per eventuali comunicazioni e/o richieste di chiarimenti: Antonio Calisi DISIT [email protected]