Ecologia - Definizione, Ecosistema e Struttura - PDF

LEZIONE 1 lunedì 30 settembre 2024 16:12 Ecologia = nome deriva dal greco "oikos" + "logos" --> discorso sulla casa - In questo senso l’ecologia si configura come lo studio del posto in cui viviamo. - Oggi c’è una parte dell’ecologia che tratta di come l’uomo ha degradato gli ecosistemi. - È u...

LEZIONE 1 lunedì 30 settembre 2024 16:12 Ecologia = nome deriva dal greco "oikos" + "logos" --> discorso sulla casa - In questo senso l’ecologia si configura come lo studio del posto in cui viviamo. - Oggi c’è una parte dell’ecologia che tratta di come l’uomo ha degradato gli ecosistemi. - È una scienza che tratta aspetti quantitativi e qualitativi di base legati a processi energetici principalmente che garantiscono la creazione di una popolazione, di una comunità biologica e il mantenimento di essa. ○ Garantiscono anche la ciclizzazione di elementi che sono fondamentali per le piante; ad esempio i concimi contengono solitamente azoto, fosforo, potassio → un sistema virtuoso e naturale trova i suoi meccanismi per autoconcimarsi § Per esempio l’azoto può essere ottenuto dalle piante tramite simbiosi con batteri come rizobatteri (batteri presenti nella radice di leguminose e molte altre piante). § L’azoto non solo fertilizza le piante ma permette anche l’esplosione di fitoplancton dell’oceano. - L'ecologia è dunque una scienza che studia in maniera qualitativa e quantitativa ○ Le interazioni che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi in un particolare ambiente. § Si ha anche una grande un’attenzione per la parte non vivente, che è fondamentale per garantire l’esistenza di una componente vivente. § L’ecologia potrebbe essere descritta come interazione tra la componente vivente e quella non vivente che sono presenti in un ecosistema. ○ Gli stati stazionari di processi e funzioni naturali che emergono da un Sistema Complesso di "items" animati (biota) e inanimati (habitat) § Questa definizione di sistema complesso deriva dalla fisica □ Un Sistema Complesso è un sistema multicomponente che come prerogativa ha quella di essere un sistema aperto = deve essere in grado di scambiare energia e materia con l'universo, cioè quello che si trova fuori dal sistema Gerarchie ed emergenza, i livello di organizzazione fisica - L’emergenza è un fenomeno tipico dei sistemi complessi --> per cui da una serie di elementi interagenti di un sottosistema, otteniamo un sovrasistema (otteniamo quindi un sistema nuovo con caratteristiche uniche che gli elementi del sottosistema non avevano). - L'interazione di ogni livello gerarchico con l'ambiente fisico (energia e materia) a ciascun livello, produce sistemi funzionali caratteristici ○ Introdotto quindi il concetto di complessità del sistema - Emergenza significa venire su ed è tipica dei sistemi gerarchici --> i sistemi biologici è la miglior rappresentazione di un sistema complesso, energetico e gerarchico. - Gerarchia = disposizione entro una serie ordinata ○ In una gerarchia si hanno diversi sottosistemi che evolvono --> si parla di sistema energetico § Si passa da un miscuglio di molecole contenute all'interno della membrana cellulare § Ad una successiva organizzazione di organelli § Ad una struttura più organizzata come la cellula § Ad un livello superiore chiamata tessuto, poi organi e l'insieme di organi forma un individuo § Ad una successiva struttura chiamata popolazione § Ad una successiva organizzazione chiamata comunità § All'ecosistema che è il punto di arrivo ○ La vita inizia con il primo ecosistema = un insieme di fosfolipidi che isolano ambiente interno da ambiente esterno § Prima non si poteva parlare di vita, perché non c'erano sistemi § Salti evolutivi = non tutti sono stati naturali, alcuni sono avvenuti per simbiosi (esempio del mitocondrio inglobato nella cellula) □ Simbiosi considerata il massimo dell'interazione possibile tra due organismi --> dogma dell'ecologia - Un sistema complesso consiste di componenti interdipendenti che regolarmente interagiscono e che formano un tutt'uno - Comunità biologica e ambiente fisico = SISTEMA ECOLOGICO o ECOSISTEMA - Probabilmente stiamo vivendo la sesta estinzione di massa senza saperlo in quanto il tasso di estinzione presente adesso è circa 100 volte superiore ai tassi di estinzione presenti nella media delle estinzioni di massa precedenti - I servizi ecosistemici sono quindi i prodotti degli ecosistemi e l’ecosistema fornisce la base della nostra vita (ma anche dal punto di vista economico). ○ La maggior parte degli ambienti, soprattutto gli ecosistemi mediterranei, che conosciamo oggi sono in realtà “artificiali” in quanto si sono formati dopo aver perso la fisiologia naturale iniziale § Es. La rivoluzione neolitica, 12500 anni fa, ha disboscato l’Europa in maniera scientifica e dal neolitico in avanti la fisionomia del mondo è stata cambiata perché sono stati cambiati gli ecosistemi primari. § Se le api smettessero di impollinare le piante per 4 anni ci sarebbe il collasso del sistema biologico→ l’impollinazione degli insetti è alla base della formazione degli ambienti naturali anche dal punto di vista di carattere produttivo. - I sistemi complessi sono sistemi aperti ○ I sistemi aperti: § Scambiano materia ed energia § Sono dei sistemi multicomponenti→ basterebbero anche 10-20 componenti per fare migliaia di interazioni (bisogna utilizzare la regola del n!) § Sono interagenti→ si possono avere interazioni biologiche, molecolari, ecc... § Sono sistemi biologici e sono quindi ecosistemi § I sistemi complessi sono auto-assemblanti (l’auto-assemblamento crea strutture coerenti ovvero che hanno senso). - Il sistema complesso è una struttura auto-assemblante ordinato e dissipativo→ molti sistemi dissipano l’entropia ovvero il disordine verso l’ambiente esterno, questa dissipazione permette al sistema di essere ordinato. - Quindi la dissipazione di entropia permette che gli elementi del sistema assumano stato emergente ovvero uno stato più ordinato (favorito dal principio termodinamico). - Infine i sistemi biologici/complessi sono anisotropi ovvero direzionali. ○ Un esempio è l’instabilità di Benard di come l'instabilità di uno stato stazionario dia luogo a un fenomeno di auto-organizzazione spontanea § Le celle di Bénard sono strutture che si formano in uno strato sottile di un liquido quando da uno stato di riposo ed equilibrio termodinamico viene riscaldato dal basso con un flusso costante di calore. § Raggiunta una soglia critica di temperatura, alla conduzione del calore subentrano dei moti convettivi di molecole che si muovono coerentemente formando delle strutture a celle esagonali (ad “alveare”). Le proprietà emergenti e collettive - Nell'organizzazione gerarchica quando dei componenti o dei sub insiemi si combinano per produrre un più grande insieme funzionale, ne emergono nuove proprietà che non erano presenti al livello immediatamente precedente ○ Proprietà emergente non può essere prevista immediatamente dallo studio delle componenti del livello precedente che l'ha generata - Le proprietà emergenti sono quindi proprietà non riducibili --> le proprietà dell'insieme che non sono riconducibili alla somma delle proprietà delle singole parti - Si deve utilizzare sia un approccio olistico (che riguarda il tutto) ma anche una combinazione di approcci riduzionistici. - Le proprietà collettive invece possono desumere dallo studio dei singoli componenti e dalle loro interazioni quindi rappresentano la sommatoria degli effetti delle singole componenti. - Ci sono numerosi esempi di emergenza in natura (non solo biologici). ○ Un esempio è dato dalla formazione di uragano, esso è un sistema complesso formato da miliardi di molecole d’aria e acqua, che interagiscono tra di loro in un feedback positivo (ovvero che può aumentare l’energia potenziale) grazie al vento, umidità e forza di Coriolis. ○ Un ulteriore esempio di coerenza (in questo caso non ecologico ma biologico) è la funzione di una proteina § Ad esempio la funzione di un enzima è un lavoro che si ottiene dall’assemblaggio di una serie di molecole (amminoacidi) per ottenere una struttura termodinamicamente favorita. § Una ripetizione di aminoacidi costituisce, infatti, la struttura primaria di una proteina e conferisce proprietà di emergenza al sistema. § Le caratteristiche specifiche di un polipeptide (ad es. attività catalitica) non sono semplicemente dovute alla sommatoria di ogni caratteristica di un aminoacido, ma è una nuova proprietà coerente. Ecosistema - È un'unità che include: ○ Tutti gli organismi che vivono insieme in una data area, interagenti con l'ambiente fisico in modo tale che il flusso di energia che attraversa il sistema porti ad una struttura biotica definita ed una ciclizzazione dei materiali tra viventi e non viventi all'interno del biosistema e che permetta l'autosostentamento dell'ecosistema stesso - Il flusso di energia attraversa il sistema da una parte definita a un’altra, e questa energia dovrà avere una sorgente e una destinazione. - Gli elementi di un sistema: spazio, piante, confini (non sempre facili da identificare→ lo studio che si occupa di identificare i confini di un paesaggio è l’ecologia del paesaggio), animali. - Un ambiente non animato è importante tanto quanto uno animato→ sono le piante che definiscono un ecosistema e quasi mai gli animali. - Gli organismi viventi e il loro ambiente non vivente (abiotico) sono legati in modo inseparabile ed interagiscono reciprocamente. - Le piante sono quelle che definiscono l’ambiente --> un ambiente è sempre influenzato dagli organismi che lo occupano. - L’interazione tra specie viventi e ambiente è così connessa che c’è un continuo plasmarsi della fisionomia dell’ecosistema→ l’ecosistema si plasma grazie al rapporto tra il non vivente e il vivente che si forma su di esso. - L'’ecosistema è l’unità fondamentale dello studio dell’ecologia (alcuni autori partono dall’individuo o Smith ad esempio parte dalla popolazione). - Il confine può essere mobile e l’ecologia del paesaggio è infatti basata sulla transizione tra un ecosistema e l’altro. - Potremmo vedere tutti gli ecosistemi presenti sulla terra come un ecosistema unico→ in questo caso si parla di biosfera o ecosfera (sono tutti quegli ecosistemi o ambienti della terra dove è possibile la vita). - Questa affermazione della presenza di un ecosistema totale era sostenuta da James Lovelock che sviluppò “l’ipotesi GAIA” dove la terra è un sistema cibernetico che reagisce a certi stimoli. - Un’altra studiosa importante, soprattutto per la teoria dell’endosimbiosi, è Margulis. - Quindi, per riassumere, i componenti fondamentali di un ecosistema sono: ○ Lo spazio fisico→ il confine, include anche le condizioni atmosferiche e climatiche (anche se queste ultime sono il frutto di una interazione tra animato e inanimato come ad esempio gli scambi gassosi delle piante che influenzano l’atmosfera, fino al clima) ○ Il flusso di energia→ tipi di energia (come quella solare che è la più importante, produzione ecologica (trasferimenti di energia), Catene e Reti Trofiche, Popolazioni e comunità biologiche ○ I materiali→ ciclo dei nutrienti (O, N, P, S, ecc) - Definizione dei fratelli Odum ○ Introdotto il concetto di energia --> che permetta l'esistenza dell'ecosistema in modo che esso possa definirsi tramite il concetto di comunità biologica --> no comunità biologica no ecosistema ○ Uno dei processi che permetta autosostentamento del sistema è ciclizzazione dei materiali --> elementi specifici della tavola periodica (N, S, C, Fe) § Quelli che sono parte integrante della sostanza organica vivente § Non hanno l'aspetto della sostanza organica - Secondo Russell la vita è iniziata quando un'entità fisica è stata in grado di organificare la CO2 in formaldeide - Secondo Eric Smith invece esiste un unico grande organismo che è il nostro pianeta --> quindi i sistemi viventi e i sistemi che si collocano nella biosfera o ecosfera (dove la vita è possibile) altro non sono che dei residui di ferro che fuoriescono dal centro del nostro pianeta (grazie a dei moti convettivi) fino a raggiungere la crosta terrestre per creare la vita ○ Gli ecosistemi dunque non sono altro che accettori di elettroni - Secondo questi scienziati quindi la vita è il risultato di diversi processi geochimici ○ Ogni cellula ha ereditato il gradiente elettrochimico da questi processi geochimici - Tutti gli ecosistemi convenzionalmente riconosciuti sono basati sull'energia solare in quanto alimentati da essa - Tuttavia esistono ecosistemi non alimentati dall'energia solare, che sono comunque complessi e ricchi in biomassa ○ Se si riesce a mantenere un flusso energetico capace di sostenere le funzioni dell'ecosistema, si riesce a mantenere l'ambiente biodiverso § Le funzioni fondamentali dell'ecosistema sono: 1. Produrre energia --> da parte di un gruppo di organismi che nell'ecosistema ha la stessa funzione (es: piante, alghe ecc) ® Questa forma di energia non sempre è la luce, che è un'energia fisica --> ma è energia chimica (es: idrogeno, prodotti dello zolfo, ammoniaca ecc) ® Ammoniaca e acido solfidrico hanno in comune il fatto di essere molto ridotti --> quindi sono ottime molecole per far funzionare i sistemi biologici sotto forma di energia (in questo caso diluita) che necessita di un accettore particolare, che la lavori e la distribuisca 2. Sostenere la sintesi della materia tramite l'energia = consumare energia --> grazie ad un gruppo di organismi che nell'ecosistema ha la stessa funzione (es. consumatori primari, secondari, ecc) 3. Riciclare energia e immetterla nuovamente nell'ecosistema --> grazie ad un gruppo di organismi che nell'ecosistema ha la stessa funzione (es. decompositori) LEZIONE 2 giovedì 3 ottobre 2024 16:00 Definizioni di ecologia - Ecologia = tutte le definizioni date in passato sono insufficienti ○ È lo studio della natura come sua struttura e funzionamento include: § Descrizione della distribuzione e dell'abbondanza degli organismi § Influenza esercitata su di essi da fattori biotici ed abiotici dell'ambiente § Spiegazione di come una popolazione cresce e interagisce nella comunità § Studio dei fenomeni di competizione, predazione, mutualismo e del trasferimento di nutrienti ed energia dell'attività umana nella biosfera ○ Coinvolge varie discipline con un background comune --> tra cui biologia molecolare (meccanismi elementari comuni a tutti gli esseri viventi) e la teoria evoluzionistica (tenta di spiegare la loro comune genesi) ○ Studia quindi le relazioni tra i vari organismi e l'ambiente ○ Ecologia di base = si occupa dello studio delle interazioni fra animali, piante e microrganismi ed il loro ambiente ○ Ecologia applicata = si serve dei principi e dei concetti dell'ecologia di base per prevedere e gestire i cambiamenti ambientali causati dall'impatto dell'uomo sugli ecosistemi naturali - Ambiente = ogni ambiente è caratterizzato da fattori fisico-chimici (abiotici) quali aria, suolo, acqua, temperatura, luce ecc e da fattori biologici (biotici) rappresentati dagli esservi viventi che popolano ed interagiscono con quell'ambiente - Fattori ecologici = ogni variabile fisica, chimica e biologica dell'ambiente in grado di influire sulla vita di organismo, almeno in una fase del suo ciclo vitale - Ogni organismo possiede nei confronti di ciascun fattore ecologico un ambito di tolleranza entro il quale può svolgere le proprie funzioni vitali ○ Legge del minimo = stabilisce che la crescita di una popolazione dipende dal fattore ecologico presente in quantità minore rispetto alla quantità necessaria per la crescita normale della popolazione stessa § Da questa legge deriva la definizione di fattore limitante, inteso come fattore ecologico che rallenta la crescita di una popolazione e ne condiziona sia la composizione che la dimensione § La legge del minimo è molto importante perché consente di determinare le condizioni ambientali migliori per lo sviluppo di una popolazione ○ A tale legge fa seguito la "legge della tolleranza" o di Shelford --> "ogni organismo di fronte ai fattori ambientali ha un intervallo di tolleranza compresi tra un minimo e un massimo entro cui si colloca il suo optimum ecologico" § Ogni specie infatti ha un intervallo ottimale di crescita se il fattore ecologico si presenta ai valori ottimali § Al di fuori di tali valori ottimali la specie ha ancora possibilità di crescita, ma ridotta. § Ogni specie presenta inoltre i propri limiti di tolleranza per ogni fattore ecologico, al di fuori dei quali la specie non può esistere in un certo ambiente - Ecosistema = un sistema ecologico, o ecosistema, è un insieme di componenti biotiche o abiotiche caratterizzato da flussi continui di energia e sostanze ○ Affinché un ecosistema funzioni, devono verificarsi tre condizioni: § Esistenza di una fonte di energia primaria (Sole) § Presenza di un flusso unidirezionale di energia § Realizzazione di cicli biogeochimici - Un sistema si dice in equilibrio quando il numero degli individui che formano le popolazioni rimane costante nel tempo - I sistemi viventi sono sistemi aperti ○ Input di materia ed energia dall'esterno quindi abbassa l'entropia che può mantenersi stazionaria lontana dall'equilibrio termodinamico - Successione ecologica ○ Gli ecosistemi non si mantengono stabili, ma subiscono variazioni come risultato dell'evoluzione delle interazioni tra i membri della comunità e quest'ultima ○ L'evoluzione dell'ecosistema si realizza attraverso una sequenza di comunità che partendo da una comunità pioniera si succedono fino ad una comunità che presenta caratteri di stabilità (climax) ○ La successione ecologica è il processo graduale e apparentemente orientato che trasforma la comunità biologica di un dato ecosistema nel tempo - Gerarchia ecologica ○ ○ Popolazioni e comunità § Gli organismi animali o vegetali appartenenti a una stessa specie che vivono contemporaneamente nella stessa regione geografica costituiscono le popolazioni. § Popolazioni diverse che abitano nello stesso ambiente interagendo tra loro costituiscono, invece, una comunità ○ Comunità biologica § In tutti gli ambienti gli Organismi non vivono isolati, ma a contatto con altri esseri della stessa specie e di altre specie § Comunità = insieme di popolazioni di specie diverse, che coesistono in un luogo di dimensioni tali da consentire le interazioni fra di loro - La nicchia ecologica = la nicchia non è un luogo, bensì un concetto. ○ È lʼinsieme dei campi di variazione dei fattori ecologici (abiotici e biotici) al cui interno lʼorganismo o la specie persiste, il sommario delle sue tolleranze e delle sue esigenze, la gamma completa di condizioni e risorse che consentono la sua sopravvivenza e riproduzione ○ Nel 1957 Hutchinson definì formalmente il concetto di nicchia: § Si potrebbe idealmente descrivere la gamma di attività di ciascuna specie lungo le varie dimensioni dell’ambiente, comprendenti fattori chimici e fisici (temperatura, umidità, salinità, O2) e fattori biologici (ad esempio: presenza di predatori e/o di competitori). § Ciascuno di questi parametri si può considerare come una dimensione nello spazio e se le dimensioni fossero n la nicchia verrebbe descritta in uno spazio n-dimensionale. ○ Il termine nicchia deriva da nicher, francese antico per ‘nido’ ○ Secondo la definizione di Hutchinson (1957) la nicchia ecologica è un ipervolume n-dimenionale in uno spazio multidimensionale di fattori ambientali che regolano il benessere (sopravvivenza, accrescimento e fertilità) di una specie. ○ E’ difficile da definire nella realtà in quanto: 1) definire una nicchia può essere una procedura molto soggettiva 2) alcuni aspetti e dimensioni della nicchia possono essere poco noti 3) la nicchia può cambiare durante il ciclo vitale 4) La nicchia può cambiare cambiando la localizzazione geografica ○ Caratterizzata da: § Iperspazio § Ipervolume § N dimensioni ○ La nicchia ecologica è un concetto multidimensionale (ipervolume) che comprende: § Spazio (habitat) § Ambito ottimale in termini di condizioni § Ruolo trofico e optimum in termini di risorse § Optimum riproduttivo § Aspetti comportamentali La specie può essere caratterizzata dalla sua posizione lungo una serie di dimensioni riferite a variabili ambientali come spazio, cibo, e tempo. La nicchia, dunque, racchiude l’insieme delle interrelazioni tra la specie ed il suo ambiente e ○ ne comprende gli intervalli di sopravvivenza rispetto a ciascuna dimensione considerata ○ Luogo con caratteristiche biotiche ed abiotiche che permettono lo sviluppo di varie popolazioni (comunità) ○ Ambiente che circonda una popolazione ○ Condizioni fisiche che caratterizzano un raduno di specie o comunità (condivisione dell’habitat) ○ Habitat: il particolare tipo di ambiente naturale in cui vive una data specie animale o vegetale. § Per cui in base al tipo di professione che svolge ed in base al tipo di alimento che è specializzato a mangiare ogni specie occupa uno spazio ben preciso: la Nicchia Ecologica. § In ogni Habitat esistono numerose nicchie Ecologiche in questo modo tutte le risorse alimentari sono sfruttate al massimo LEZIONE 3 lunedì 14 ottobre 2024 16:04 Cenni di ecotossicologia - Ecotossicologia = studia gli effetti che i contaminanti, uno stress o agenti tossici possono portare in un ecosistema, alterandolo ○ Scienza che definisce effetti delle sostanze tossiche sugli ecosistemi con lo scopo di proteggere l'intero ecosistema e non solo i componenti isolati (produttori, consumatori e le loro interazioni) ○ Nasce come una branca dell'ecologia che usa altre discipline come genetica, biologia molecolare, chimica, ecologia, fisiologia e tossicologia ○ Individua anche il destino delle sostanze tossiche - Non è da confondere con Tossicologia Ambientala ○ Nella tossicologia ambientale vengono considerate tossiche non solo le sostanze ritenute tali di default, ma anche quelle sostanze che portano ad un'alterazione della composizione dell'ecosistema o ad uno squilibrio trofico ○ Può essere definita come una branca della tossicologia --> quindi studia gli effetti contaminanti sui sistemi naturali - Ecotossicologia è lo studio del destino e degli effetti dei contaminanti ambientali con metodo scientifico --> non si limita ad osservare e a descrivere fenomeni, ma elabora previsioni --> procede dunque nella valutazione del rischio ○ Es. VIA --> valutazione impatto ambientale ○ Es. VAS --> valutazione ambientale strategica - 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, ecc - Prende in considerazione 3 campi di applicazione: ○ Fonti § Ci danno indicazioni sulle norme riguardo le emissioni ○ Diffusioni nell'ambiente § Ci danno indicazioni sulle norme di protezione ambientale ○ Effetti a tutti i livelli § Ci danno indicazioni sulle norme per le esposizioni Concetto di tossicità - Compromissione di una o più funzioni in un sistema biologico esposto ad una determinata sostanza - Affinché si manifesti questo effetto tossico, deve seguire processi integrati: ○ Via di ingresso --> ingresso ○ Come viene distribuita --> distribuzione ○ Come e dove viene accumulata --> accumulo ○ Se viene trasformata --> metabolismo ○ Come viene eliminata e se ci sono passaggi intermedi --> escrezione Destino di un composto chimico in un sistema biologico - 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 - Dopo l’assorbimento una sostanza tossica è disponibile per essere traslocata attraverso l’organismo tramite sangue o emolinfa - 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 - 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 - 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 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: ○ Bioconcentrazione --> solitamente tramite vie 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. ○ Bioaccumulo --> tramite qualunque altra 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 molto superiori a quelli delle loro prede. ○ Biomagnificazione --> biotrasferimento di inquinanti tramite una catena trofica § Si ha incremento della concentrazione di inquinanti all’interno dell’organismi passando da un livello trofico a quello successivo § Nei sistemi acquatici è stato introdotto per la prima volta nel 1967 § 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. ® Man mano che salgo nella catena trofica le dimensioni aumentano --> a parità di massa le concentrazioni sono più alte ® Il plankton ha più biomassa rispetto al top predator --> tuttavia salendo la biomassa diminuisce e la sostanza tossica si concentra Effetto degli inquinanti chimici sulle funzioni dell’organismo - L’entità degli effetti di una sostanza tossica sugli organismi 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. - Quando un organismo in condizioni d’equilibrio omeostatico è esposto ad un contaminante chimico con un’intensità che supera una certa soglia, allora l’omeostasi viene alterata e il contaminante diviene uno stressor. - Parallelamente all’impatto negativo del tossico, si sviluppano delle risposte adattative e compensatorie specifiche ed aspecifiche, in risposta allo stress chimico che tendono a riportare il sistema ad uno stato d’omeostasi, collettivamente chiamate risposta integrata allo stress. - Nel momento in cui però le risposte non sono sufficienti a bilanciare l’azione del tossico, tali risposte vengono soverchiate. - Se l’esposizione persiste, sempre maggiore energia viene impiegata per le risposte compensatorie e riparatorie e sempre minore risulta quella disponibile per le altre funzioni dell’organismo. - Il potenziale di sopravvivenza comincia a diminuire poiché la capacità di fronteggiare ulteriori cambiamenti ambientali è compromessa. - La tossicità primaria di un contaminante si esercita, in linea generale, a livello biochimico e molecolare (modificazioni di attività enzimatiche, alterazioni a livello del DNA, alterazioni dei prodotti metabolici, ecc.), e solo successivamente gli effetti si possono riscontrare, con un meccanismo a cascata, ai livelli successivi dell'organizzazione gerarchica. - Gli effetti negativi esercitati a bassi livelli di organizzazione biologica si esercitano su scale temporali ristrette e vengono definiti “early adverse effects” (effetti negativi precoci). - E’ in questa fase che si possono sviluppare risposte di tipo comportamentale che si riflettono sui rapporti tra gli individui. - Le interferenze successivamente si possono ripercuotere a livello di popolazione con alterazione tanto della sua struttura quanto della sua dinamica. - Infine, le alterazioni delle popolazioni si possono riflettere, in tempi più lunghi, a livello di comunità con modifiche nella produttività, nella distribuzione spaziale, ecc. Intercorrelabilità degli effetti - La tossicità primaria di un contaminante si esercita, in linea generale, a livello biochimico e molecolare - 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, ecc ○ 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, 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, ecc Saggi tossicologici - 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 all’azione della sostanza 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) e confrontati con quelli di organismi della stessa 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 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”. - Le variabili indipendenti da cui dipende la risposta biologica sono: ○ Il livello di esposizione ○ Il tempo di esposizione - L’obiettivo a cui si tende è l'individuazione della concentrazione (quantità biodisponibile) o della dose (quantità che penetra nell'organismo), alle quali il composto tossico è capace di produrre uno o più effetti su organismi tenuti in condizioni controllate - Gli individui differiscono significativamente tra loro per ciò che attiene alla suscettibilità nei confronti di una data sostanza chimica (alcuni rispondono a dosi molto basse, altri a dosi elevate). - Per tale motivo sono state create delle relazioni dose-risposta per le sostanze tossiche, inclusi gli agenti ambientali: ○ La LC50, (concentrazione letale mediana) che corrisponde alla concentrazione che provoca la morte del 50% degli organismi utilizzati in prova dopo periodi di tempo specifici (es.,48, 96 ore). ○ L’EC50 (50% di concentrazione efficace), diversa dall’ LC50 in quanto l’effetto misurato potrebbe non essere la morte. ○ 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 ○ 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). Soglie di tossicità - 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 osservato alcun effetto, deve sempre essere riferito alle specifiche condizioni sperimentali e non rappresenta un effettivo livello di sicurezza ○ LOEL (Lowest Observed Effect Level): rappresenta il più basso livello (concentrazione o dose) al quale si è osservato un effetto, come il NOEL, deve sempre essere riferito alle specifiche condizioni sperimentali. - 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. - L’utilizzo della relazione dose – risposta che si ottiene in laboratorio su organismi viventi negli ambienti naturali, può essere applicato solo con una certa cautela per svariati motivi: ○ Le popolazioni naturali di solito non sono esposte ad un singolo contaminante chimico, ma piuttosto ad un cocktail di essi ○ Le popolazioni naturali sono soggette ad un insieme di fattori di stress che normalmente non possono essere riprodotti in laboratorio nelle stesse condizioni in cui si possono ritrovare in campo ○ Le popolazioni in condizioni naturali possono rispondere in maniera differente ad una esposizione a contaminanti a seconda dello stato fisiologico (nutrizione, riproduzione, genetico) in cui si trovano i propri individui. § Interazione di questi fattori può influenzare le relazione dose-risposta - Un altro paradigma concettuale è quello della risposta multipla. ○ In un ambiente naturale un organismo in condizioni fisiologiche mantiene l’omeostasi. ○ Se l’organismo è esposto ad una contaminazione esso attiva delle risposte compensatorie in cui si può verificare un incremento o un decremento di uno o più processi o funzioni fisiologiche e / o cambiamenti strutturali. ○ Se l’esposizione perdura per periodi lunghi o incrementano i livelli di stressor, i meccanismi compensatori risultano insufficienti per cui si verifica un danneggiamento a livello cellulare che mette in moto meccanismi fisiologici riparatori. ○ Con l’aumentare dell’esposizione si possono verificare delle risposte disfunzionali quali riduzione del peso corporeo, alterazione del comportamento, che aumentano la probabilità dell’organismo di incorrere in patologie e / o a morte. ○ Infatti in tali condizioni l’organismo impiega sempre più energia per tentare di ristabilire l’omeostasi, energia che viene sottratta alle normali funzioni dell’organismo. - Le metodiche tossicologiche sono utilizzate per la determinazione e la valutazione degli effetti tossici acuti e cronici esercitati da matrici ambientali contaminate, su organismi o gruppi ad esse esposte. - L’effetto tossico acuto si evidenzia in un lasso di tempo breve e, comunque, inferiore al tempo di generazione dell’organismo in esame, e prevede la valutazione di endpoints facilmente evidenziabili quali, ad esempio, l’immobilizzazione o la morte degli organismi impiegati nei saggi. - L’effetto tossico cronico si sviluppa, viceversa, in un periodo di tempo più elevato, può coinvolgere più generazioni di individui esposti e produce risposte che non compromettono la sopravvivenza degli organismi. Biodisponibilità - La frazione di tossico biodisponibile è di solito quella disciolta nella fase acquosa, della colonna o interstiziale del sedimento, o quella presente all'interno dell'organismo, mentre quella legata al particolato è considerata non disponibile. - 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 disfunzioni nel sistema dipenderà dalla sua tossicità intrinseca (o dei suoi metaboliti) dalla potenzialità di alterare gli equilibri del sistema. - Importante è anche 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: ○ 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) - La frazione biodisponibile sarà quella: ○ assorbita dagli organismi per ingestione di particelle solide e detriti organici, attraverso la respirazione nell'acqua interstiziale, per assorbimento della superficie corporea ○ rilasciata dai sedimenti nella colonna d'acqua ○ disponibile per trasferimento lungo la catena alimentare ○ per intossicazione secondaria di organismi predatori che si cibano dr prede che hanno accumulato il contaminante. Biomonitoraggio - 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. - I primi programmi di monitoraggio dell’inquinamento chimico ambientale erano sostanzialmente basati sull’analisi dei principali contaminanti presenti nelle matrici ambientali. - Nonostante tale approccio continui ad essere molto diffuso sono evidenti i limiti che esso presenta se non integrato con altri metodi di indagine: ○ Spesso la scelta dei contaminanti da analizzare non tiene strettamente conto delle specifiche realtà territoriali. ○ Non sono fornite indicazioni su molecole non analizzate che potrebbero comunque trovarsi nell’ambiente. ○ L’analisi chimica non tiene conto dei processi di trasformazione a cui molte sostanze possono andare incontro per fattori sia fisici che biologici. - Più in generale poi, le diverse forme chimiche con cui questi contaminanti si ritrovano nell’ambiente influenzano fortemente sia le cinetiche di accumulo, che la loro potenziale pericolosità. - Risulta pertanto necessario ricorrere a strumenti biologici ed ecotossicologici per una valutazione complessiva. - I vantaggi del biomonitoraggio sono: ○ costi contenuti e tempi di ricerca brevi ○ possibilità di realizzare reti di monitoraggio su aree vaste, basate su un elevata densità di punti di campionamento ○ possibilità di ottenere dati distinti e/o integrati su una vasta gamma di contaminanti ○ possibilità di evidenziare gli effetti sinergici indotti da diversi contaminanti sull’ambiente ○ ottimizzazione delle strategie di monitoraggio di tipo strumentale (es. localizzazione di centraline) - Il biomonitoraggio, pertanto, è una valutazione dello stato di alterazione dell’ambiente tramite organismi viventi, o meglio, viene definito come: “analisi di componenti degli ecosistemi reattivi all’inquinamento, per la stima di deviazioni da situazioni normali”. - Esso comprende l’insieme delle metodologie che permettono di valutare lo stato di salute dell’ambiente sulla base degli effetti esercitati dai contaminanti chimici su organismi sensibili. - Gli effetti biologici degli inquinanti possono essere misurati ai vari livelli di organizzazione biologica, dal livello cellulare a quello ecosistemico. - Inoltre, salendo lungo la scala di organizzazione biologica, aumenta la complessità del sistema e di conseguenza il numero di fattori e variabili che possono interagire ed il cui effetto deve essere attentamente considerato. - L’effetto biologico dei contaminanti è legato alla loro frazione biodisponibile che, dipende dal tipo di sostanze chimiche presenti e dalle differenti condizioni ambientali. Triad Approach. - Il metodo Triad è composto dallo sviluppo simultaneo di tre tipi indipendenti di analisi (detti pillars o linee di evidenza): ○ “caratterizzazione chimica” ○ “caratterizzazione tossicologica” ○ “ecologica (ecological surveys)” - Si fonda sul presupposto che la valutazione data dall’integrazione di queste ricerche dia un risultato meno incerto su cui basare la decisione finale in merito ad un eventuale intervento di bonifica sul sito contaminato. ○ La caratterizzazione chimica, serve per determinare quali sostanze siano presenti nel suolo a livelli elevati e per stimare l’impatto di tali sostanze sull’ecosistema in base alle proprietà tossicologiche delle sostanze stesse. ○ La caratterizzazione tossicologica ossia nell’analisi degli effetti tossici delle sostanze effettuata attraverso l’utilizzo di test ecotossicologici (bioassays). § Si consigliano test semplici e standardizzati, ma non vengono fornite prescrizioni di dettaglio. ○ Nell'analisi “ecologica” si valuta direttamente in campo l’esistenza di effetti osservabili sugli ecosistemi. § Si raccomanda di includere monitoraggi di piante o semplici determinazioni dell’abbondanza e composizione della comunità biologica o delle popolazioni, in relazione a un sito scelto come controllo. Organismi Bioindicatori - Nei programmi di biomonitoraggio ambientale le risposte biologiche a stress chimico vengono misurate in organismi bioindicatori. - 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. ○ Indicatore ecologico è un parametro che descrive struttura, composizione e funzionamento di comunità ed ecosistemi in risposta a situazioni di stress e che, pertanto, fornisce informazioni sulla qualità dell’ambiente (o di una parte di esso). ○ Indicatori ecologici a livello di comunità sono, ad esempio, l’aumento dell’abbondanza di specie opportuniste, la riduzione della taglia media degli individui, la diminuzione della varietà di specie –biodiversità. ○ Indicatori a livello d’ecosistema sono, ad esempio, gli indicatori di stato trofico - Bioaccumulation markers, sono gli organismi bioaccumulatori, distinti dagli organismi bioindicatori in quanto non forniscono indicazioni su deviazioni dallo stato di salute degli organismi che vivono in un dato ambiente. ○ Infatti, la determinazione dei livelli di residui chimici nei tessuti di un organismo consente lo screening di una vasta gamma di contaminanti, ma questo approccio non fornisce alcuna indicazione circa il loro significato biologico e circa eventuali effetti sul biota. - Un organismo può quindi essere considerato un buon bioindicatore qualora manifesti reazioni identificabili a differenti concentrazioni di dati inquinanti. - In linea generale una specie, per essere scelta come bioindicatrice in uno studio di biomonitoraggio ambientale, deve avere alcune caratteristiche fondamentali quali: ○ sensibilità agli inquinanti ○ ampia distribuzione nell’area di indagine ○ scarsa mobilità ○ lungo ciclo vitale ○ uniformità genetica. ○ facile identificazione sistematica ○ deve essere disponibile in letteratura un’approfondita conoscenza delle loro caratteristiche fisiologiche ed ecologiche - Specie bioindicatrici devono essere abbastanza stanziali per essere indicativi dell’area da monitorare --> devono essere abbondanti e facili da campionare. - Per valutare la presenza e gli effetti degli inquinanti derivanti da sorgenti puntiformi in un ambito locale si impone la scelta di specie a ristretta mobilità - Mentre l’impatto complessivo di tutte le attività di un grande bacino deve essere monitorato attraverso l’uso di specie ad ampia mobilità, con preferenza appartenenti ad un livello trofico elevato e quindi capaci di una buona integrazione. - Per un corretto utilizzo delle specie bioindicatrici si deve avere una buona conoscenza della variabilità naturale dei parametri scelti come biomarkers, per poter apprezzare correttamente le variazioni dovute alla contaminazione chimica. ○ Il biomarker quindi è la risposta al bioindicatore - Questo insieme di caratteristiche va ad identificare la cosiddetta “nicchia trofica” che varia in funzione delle specie presenti nello stesso ambiente e che possono presentare diversi modi e diversi livelli di esposizione ai contaminanti chimici. - L’entità delle variazioni mostrate dai vari biomarker in risposta allo stress chimico ambientale può variare molto in diverse specie a seconda della estrema sensibilità o resistenza che certi organismi esibiscono nei confronti di varie classi di contaminanti o in specifiche fasi del loro ciclo vitale - Un altro aspetto da considerare è la scelta tra popolazioni naturali ed il ricorso a tecniche di traslocazione. ○ L’utilizzo di popolazioni naturali ha maggiore rilevanza da un punto di vista ecologico e permette di evidenziare l’insorgenza di condizioni di stress in organismi rappresentativi dell’area ○ Tuttavia con questo tipo di approccio quando si vogliono confrontare popolazioni di una stessa specie ma geograficamente distanti può risultare difficoltoso operare il confronto in condizioni assolutamente simili. - Esempio di bioindicatore: mitili ○ Nell’ambito del biomonitoraggio marino costiero i molluschi bivalvi vengono riconosciuti come ottimi bioindicatori di contaminazione costiera ed estuarina e tra questi i 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. ○ La capacità di accumulare contaminanti, la facilità di raccolta, ampia distribuzione geografica, estrema tolleranza a condizioni sfavorevoli, facilità di adattamento, sono le caratteristiche che hanno permesso ai mitili di diventare la specie più studiata nel biomonitoraggio - Esempio di bioindicatore: lombrichi ○ Tra i rappresentanti più importanti della catena del detrito del suolo, troviamo gli anellidi oligocheti. ○ Essi sono abbondanti e fondamentali per la formazione del suolo e della materia organica. ○ In molti ecosistemi sono responsabili del movimento di grosse quantità di terreno dagli orizzonti più profondi alla superficie. ○ Inoltre, sono sensibili ai contaminanti chimici, sono facili da mantenere in condizioni controllate di laboratorio ○ Inoltre, possiedono molte delle caratteristiche che, in linea generale, sono richieste ad un organismo bioindicatore: § Ampia distribuzione geografica (presenti in ambienti terrestri ed anche in ecosistemi acquatici, ad eccezione delle aree caratterizzate da un'eccessiva e permanente disidratazione o da temperature estremamente rigide per la maggior parte dell'anno) § Semplice reperibilità stagionale § Semplicità di campionamento § Omogeneità genetica e lungo ciclo vitale § Semplicità di identificazione sistematica § Approfondita conoscenza dei suoi vari aspetti fisiologici ed ecologici ○ Dal punto di vista ecotossicologico i lombrichi sono, in genere, efficienti accumulatori di metalli pesanti, anche se presentano limiti di tolleranza diversi a seconda del tipo di elemento --> per questo usati come bioindicatori per valutazione della presenza di metalli pesanti biodisponibili nel suolo. ○ Tuttavia, a concentrazioni elevate i metalli pesanti sono in grado di indurre alterazioni funzionali in questi organismi a causa della loro capacità di catalizzare reazioni radicaliche (reazione di Fenton). ○ I lombrichi, inoltre, sono molto sensibili al trattamento dei suoli con pesticidi e sono sensibili, ancora, a pesanti interventi di fertilizzazione minerale del terreno che possono provocare in essi fenomeni di stress osmotico. Biomarker - I biomarker rappresentano strumenti particolarmente utili nel biomonitoraggio ambientale. - Essi non forniscono una valutazione quantitativa dei livelli di contaminanti cui l’organismo è sottoposto, piuttosto consentono di valutare il livello di salute in cui la popolazione si trova nel suo passaggio dallo stato di omeostasi alla malattia. - La moderna ecotossicologia si è indirizzata all’analisi dello “stato di salute” di un ecosistema e delle sue componenti individuando, grazie allo studio dei biomarker in organismi nel loro ambiente naturale, gli early adverse effects (effetti negativi precoci) che rappresentano un primo campanello d’allarme di situazioni che nel tempo potrebbero diventare a rischio ambientale. - In base al tipo di risposta biologica i biomarker vengono distinti in biomarker di esposizione, effetto, sensibilità: ○ Esposizione: rivelano una situazione di esposizione a varie classi di contaminanti ma non riflettono necessariamente una compromissione dello stato di salute dell’organismo. § Sono rappresentati da: livelli tissutali di metallotioneine (un aumento indica un’esposizione ad una contaminazione da metalli pesanti), heat shock protein (un aumento è indice generico di stress chimico), enzimi antiossidanti (un aumento indica fenomeni di stress ossidativi), attività del citocromo P450 (un aumento è indice di esposizione ad inquinanti xenobiotici lipofili). ○ Effetto: evidenziano l’insorgenza di effetti negativi e tossici indotti dall’esposizione a queste sostanze ed hanno implicazioni dirette sullo stato di salute dell’organismo § Sono rappresentati da: stabilità lisosomiale (la destabilizzazione della membrana lisosomiale è uno degli effetti nocivi provocati da contaminanti chimici), acetilcolinesterasi (un’inibizione indica esposizione a pesticidi, organofosfati e carbammati --> una volta inibita l'acetilcolinesterasi continua ad essere prodotta acetilcolina --> porta ad es. a tetania o a blocco respiratorio ), danni al DNA (esposizione a contaminanti chimici). ○ Sensibilità: danno informazioni sulla capacità intrinseca, o acquisita dell’organismo stesso, di rispondere a variazioni dei livelli d’esposizione. § La sensibilità individuale nei confronti dell’esposizione può infatti variare in funzione, ad esempio, di fattori genetici. § Pertanto, i biomarker di sensibilità aiutano a chiarire la variabilità delle risposte ad agenti tossici che si può osservare tra differenti individui - I biomarker possono ancora essere distinti in “specifici” o “generali” a seconda che siano in grado di dare o meno informazioni sulla specifica classe di contaminanti chimici che ha indotto l’alterazione misurata. ○ biomarker specifici: rivelano un’esposizione ad una classe specifica di contaminanti --> es. proteine metallotoneine (sono proteine inducibili --> più metalli pesanti ci sono più proteine vengono prodotte) che indicano contaminazione da metalli pesanti) ○ biomarker generici: segnalano senza fornire delle indicazione precise sul tipo di contaminante una condizione generale di stress --> es. aumento della T § I lisosomi sono i primi target di alcuni contaminanti --> biomarker di tipo generico - La tossicità primaria di un inquinante si esercita, in tempi relativamente brevi (ore o giorni), a livello biochimico e molecolare. ○ Le alterazioni ai livelli elevati avvengono in tempi piuttosto lunghi e spesso il loro studio non fornisce precise indicazioni fino a quando non siano avvenute sostanziali modifiche ambientali ○ E’ per questo che diventa importante lo studio delle alterazioni a bassi livelli, che si esercitano su scale temporali abbastanza ristrette e che possono rappresentare un “campanello d’allarme” di situazioni che potrebbero diventare a rischio ambientale con il passare del tempo. - Viene definito biomarkers la “variazione indotta da un contaminante, a livello delle componenti biochimiche o cellulari di un processo, di una struttura o di una funzione, che può essere misurata in un sistema biologico”. ○ Confrontare biomarker misurati in organismi bioindicatori in una o più aree sospette di contaminazione con organismi che provengono da un’area di controllo permette di valutare il pericolo potenziale della o delle comunità oggetto di studio. ○ Successivamente è stato inteso come qualsiasi misurazione che riflettesse il rischio (che può essere chimico, fisico o biologico) cui un sistema biologico è sottoposto. ○ In termini ecotossicologici i biomarker hanno una valenza tanto maggiore quanto più possono essere correlati ad effetti negativi sia a livello d’individuo sia a livello di popolazione - I vantaggi offerti dall’utilizzo di biomarker in indagini di tipo ecotossicologico siano innumerevoli in quanto: ○ forniscono una risposta integrata all’insieme delle interazioni tossicologiche nella miscela di agenti tossici cui è sottoposto l’organismo sentinella ○ attraverso lo studio di risposte in organismi sentinella stanziali, possono fornire informazioni riguardo precedenti esposizioni a contaminanti chimici mentre, attraverso lo studio di risposte in organismi sentinella sessili, possono rivelare l’esistenza di gradienti di distribuzione degli inquinanti ○ grazie alle loro immediatezza ed economicità, possono essere usati per screening preliminari ad eventuali approfondimenti d’indagine ○ come già detto più volte, consentendo previsioni di conseguenze negative a lungo termine, rappresentano un precoce campanello d’allarme ○ individuando classi specifiche di contaminanti cui gli organismi sono esposti, indirizzano e circoscrivono le indagini chimiche ottimizzandone i tempi e riducendone i costi