Massima attenzione sugli inquinanti emergenti

Inquinanti emergenti: cosa sono, come si comportano e perché ci riguardano tutti i giorni da vicino. Abbiamo chiesto a Roberta Pedrazzani, del Dimi – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale dell’Università degli studi di Brescia – di entrare nel vivo di questa problematica. La docente di Chimica ambientale ed Ecologia applicata, nonché responsabile del Laboratorio di Analisi Industriali e Ambientali, li sta studiando in prima persona da tempo

La locuzione inquinanti emergenti – Emerging Contaminants o Contaminants of Emerging Concern – comparve nella letteratura scientifica internazionale negli anni Novanta per indicare nuove sostanze chimiche, potenzialmente pericolose, immesse nell’ambiente.

Questo gruppo comprendeva a sua volta grandi categorie di sostanze, quali i Ppcp (Pharmaceuticals and Personal Care Products: farmaci e prodotti per la cura della persona e della casa), gli ignifughi polibromurati, le sostanze per-e polifluoroalchiliche, cui si sono aggiunti, nel corso degli anni, composti già noti, ma la cui pericolosità è emersa solo successivamente, oppure sostanze rilevate per la prima volta in matrici ambientali grazie al perfezionamento delle tecniche analitiche.

Il profilo tossicologico degli inquinanti emergenti è tale per cui, anche bassissime concentrazioni, come quelle generalmente rilevate nell’ambiente (salvo casi specifici di contaminazione), nell’ordine di nanogrammi e picogrammi per litro (o chilogrammo di sostanza secca nel caso di matrici solide come il terreno e i sedimenti) possono indurre effetti tossici, spesso nel lungo periodo e addirittura nei confronti della progenie.

La compresenza di più inquinanti, anche in concentrazioni irrisorie (spesso addirittura inferiori ai limiti di quantificazione e di rilevabilità strumentali) può dar luogo al cosiddetto effetto something from nothing, dovuto all’interazione tra essi.

Pur differendo dal punto di vista della struttura molecolare, gli inquinanti emergenti sono generalmente accomunati da una tendenza al bioaccumulo, dalla persistenza (dovuta a una scarsa tendenza alla degradabilità biotica, cioè a opera degli organismi viventi, e alla degradabilità abiotica, per esempio a seguito di reazioni di fotolisi), dalla pericolosità per la salute umana e degli ecosistemi.

La persistenza fa sì che tali sostanze possano diffondersi nell’ambiente e raggiungere anche le aree più remote del Pianeta.

L’approccio Effect-Based Method

La normativa ambientale prevede frequentemente, accanto alla misura di parametri chimici, l’esecuzione di saggi tossicologici per valutare la qualità di una matrice.

ll D. Lgs. 152/06 e s.m.i, per esempio, prescrive il test di tossicità acuta con il crostaceo cladocero Daphnia magna per la valutazione dell’accettabilità di uno scarico.

Un ulteriore esempio è dato dall’attribuzione della caratteristica di ecotossicità, Hp14, a un rifiuto, in base al Regolamento (Ue) 2017/997: il cosiddetto metodo delle sommatorie prevede la quantificazione delle sostanze pericolose per l’ambiente acquatico, la somma di tali concentrazioni in funzione dei rispettivi fattori di pericolo e il confronto con soglie specifiche.

Anche in questo caso è possibile avvalersi degli strumenti ecotossicologici, raccomandati nel caso vi sia incertezza sulla composizione chimica del rifiuto o per confermarne la classificazione.

L’esecuzione di saggi tossicologici sta assumendo crescente importanza nel panorama legislativo internazionale, in concomitanza con la trasformazione degli obiettivi delle norme di tutela ambientale, finalizzate non già alla difesa e alla protezione di un singolo comparto o di una specifica popolazione, ma alla preservazione (o al ripristino) di interi ecosistemi, con un approccio olistico che comprende la salute umana e l’integrità dell’ambiente.

D’altro canto, la visione One Health [1] dell’Unione europea, riconosciuta ufficialmente dal Ministero della Salute, prevede un modello sanitario basato sull’integrazione di discipline diverse e si fonda sul riconoscimento che la salute umana, la salute animale e la salute dell’ecosistema siano legate indissolubilmente.

Il biomonitoraggio può essere condotto in situ e/o tramite analisi di laboratorio e avere come oggetto organuli cellulari, cellule, tessuti, organi, apparati, organismi (e loro progenie), popolazioni, comunità (di popolazioni differenti).

Esso può focalizzarsi su organismi con diversi ruoli nella rete trofica (produttori, consumatori, decompositori) e avere come obiettivo lo studio di effetti avversi che comprendono, come estremo, la morte [2].

Il biomonitoraggio consente di acquisire dati in merito alla vitalità dei sistemi biologici oggetto di studio e di determinare (qualitativamente e/o quantitativamente) eventuali effetti avversi indotti dalle condizioni ambientali (parametri fisici, chimici, biologici).

Esso, a differenza del monitoraggio chimico e fisico, che considera necessariamente gli specifici parametri di volta in volta misurati, restituisce la risposta del sistema biologico a seguito dell’esposizione a matrici complesse, includendo, intrinsecamente, gli eventuali effetti combinati (additivi, antagonisti, sinergici, di potenziamento) esercitati da miscele di più sostanze.

Un esempio storico del ruolo insostituibile dei saggi biologici è dato dal caso dei composti organostannici (impiegati come biocidi nelle vernici antivegetative per le imbarcazioni, ora sostanzialmente banditi), i cui effetti negativi sugli organismi acquatici erano stati rilevati un decennio prima di individuare le sostanze che li avevano causati.

Un opinion paper a cura della scrivente e del gruppo di ricercatori internazionali pubblicato nel 2019 a conclusione dei lavori di un Cost Action [3] e finalizzato a chiarire il ruolo e l’importanza dell’impiego dei saggi biologici nell’ambito della gestione delle acque reflue (tali e quali e depurate) delinea possibili strategie per la valutazione della qualità degli effluenti, considerandoli come miscele di sostanze chimiche in grado di esercitare una molteplicità di effetti differenti sui vari sistemi biologici (dagli organuli intracellulari all’intera biocenosi).

Oltre ai sistemi oggetto di studio vengono esaminate i meccanismi di azione di volta in volta investigabili (sopravvivenza/morte, danni al materiale genetico, stress ossidativo…), nonché il ruolo dell’esposizione e la tipologia di effetti (figura 1).

Nel documento si propone una strategia che contempli differenti meccanismi di azione (Mode of Action, MoA), basata su organismi a diversa complessità biologica e ruolo trofico, al fine di evidenziare gli effetti potenzialmente causabili da parte di un campione ambientale.

La tabella 1 elenca, dettagliandole, le tre categorie di MoA tuttora adottate dalla comunità scientifica, pur con una serie di modifiche, a partire dall’introduzione da parte di Verhaar et al. (1992) [4].

L’interferenza endocrina è tra i fenomeni più studiati per quanto attiene alle acque destinate al consumo umano, agli alimenti, a una molteplicità di prodotti per uso personale (per esempio i biberon) e, più recentemente, alle acque reflue.

Gli interferenti endocrini sono sostanze in grado di alterare il sistema endocrino, influenzando funzioni vitali (sviluppo, crescita, riproduzione, comportamento) con differenti modalità di azione, tra cui si annoverano:

• la simulazione dell’attività degli ormoni naturali
• il blocco dei recettori ormonali
• l’interferenza sulla sintesi, sul trasporto, sul metabolismo e sull’escrezione degli ormoni naturali

Le patologie (nell’uomo) causate dagli interferenti endocrini comprendono diminuzione/perdita della fertilità, abortività, endometriosi, tumori, obesità, diabete, malattie cardiovascolari, ritardi cognitivi, disturbi comportamentali nell’infanzia.

L’esposizione umana agli interferenti endocrini (di origine naturale e antropica) avviene attraverso molteplici vie (ambiente, alimenti, cosmetici, indumenti, biancheria…).

Poiché questi composti sono presenti in numerosissimi prodotti industriali e di largo consumo, inclusi plastica, pesticidi e farmaci, l’Unione europea ha legiferato al fine di controllare e mitigare l’impatto degli Ie.

Il quadro normativo europeo è fondato in prima istanza sul Regolamento Reach (Registrazione, Valutazione, Autorizzazione e Restrizione delle Sostanze Chimiche – Ce n. 1907/2006), che mira a garantire un elevato livello di protezione per la salute umana e l’ambiente dai rischi posti dalle sostanze chimiche.

Il Reach include disposizioni per l’identificazione e la valutazione degli Ie e può portare a restrizioni o divieti per le sostanze considerate pericolose. Inoltre, direttive e regolamenti specifici, come il Regolamento sui Prodotti Fitosanitari (Ce n. 1107/2009) [8] e il Regolamento sui Biocidi (Ue n. 528/2012) [9], indicano criteri per identificare e valutare gli Ie nei rispettivi ambiti di applicazione.

Sono stati inoltre messi in atto il bando o la restrizione di specifiche sostanze la cui azione di interferenza endocrina sia stata dimostrata (i composti organostannici summenzionati, gli ftalati, il bisfenolo A, i polibromodifenileteri…).

Il Regolamento Ue n. 10/2011 [10] disciplina i materiali e gli articoli destinati a venire a contatto con gli alimenti e limita l’uso del bisfenolo A, al fine di garantire che la quantità di esso che migra negli alimenti sia al di sotto dei livelli considerati dannosi per la salute umana.

La Direttiva 2005/84/Ce [11] restringe specificamente l’uso di alcuni ftalati in giocattoli e articoli per l’infanzia. Molecole quali il Dehp, Dbp e Bbp sono vietate in tutti i giocattoli e gli articoli per l’infanzia, mentre altri composti della medesima famiglia sono limitati in determinate condizioni.

Il bisfenolo A compare nell’Allegato I (articolo 3) Parte B del D. Lgs 18/2023, con un limite di 2,5 µg/L per le acque destinate al consumo umano. Il medesimo decreto legislativo riporta che, con Decreto del Ministro della Salute, di concerto con il Ministro dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, verranno recepiti, ove necessario, gli atti di esecuzione che la Commissione europea adotterà per stabilire e aggiornare un elenco di controllo riguardante sostanze o composti che destino preoccupazioni per la salute presso l’opinione pubblica o la comunità scientifica, quali, per esempio, i composti interferenti endocrini (nella fattispecie, 17-b-estradiolo e nonilfenolo).

Le summenzionate sostanze esercitano un’azione estrogeno-simile, ossia si comportano come un estrogeno naturale). L’estrogenicità è, del resto, il primo meccanismo di interferenza endocrina che sia stato storicamente individuato e studiato.

Accanto alle molecole di sintesi, un’importante azione estrogenica è svolta dagli ormoni naturali (secreti dall’uomo e dagli altri mammiferi); i liquami zootecnici, tra i vari rifiuti biogenici, presentano elevate concentrazioni di essi.

Per quanto attiene ai composti ad azione androgenica, oltre agli ormoni naturali (analogamente agli estrogeni) sono state evidenziate alcune sostanze antagoniste del recettore degli androgeni, tra cui alcuni insetticidi piretroidi.

Analoghe considerazioni valgono per i composti ad azione progestinica (progesterone, naturale e progestine di sintesi) rinvenibili in tracce anche nelle acque dolci superficiali [12].

Molecole ad azione glucocorticoide [13] (tra cui il cortisone e il cortisolo, endogeni, e il prednisone, il prednisolone, sintetici) e molecole ad azione mineralcorticoide (tra cui l’aldosterone) sono parimenti correntemente rilevate nelle matrici ambientali e nelle acque reflue [14].

A partire dal 20 aprile 2023 [15], sulla base di un documento pubblicato dalla Commissione europea a integrazione del Regolamento Clp, in materia di etichettatura e imballaggio di sostanze e miscele, sono state introdotte due nuove classi di pericolo: Ed Hh (endocrine disruption for human health) ed Ed Env (endocrine disruption for the environment).

Relativamente ai meccanismi di tossicità esercitati dalle sostanze reattive di cui alla tabella 1 (derivanti da loro reazioni con molecole endogene) la mutagenicità è un fenomeno avverso contemplato da decenni nei protocolli di ricerca e di monitoraggio, nonché disciplinato da metodi standardizzati [16] [17] [18] [19].

Le linee guida per la valutazione di impatto sanitario [20] di recente pubblicazione suggeriscono il rilevamento di effetti mutageni, tra l’altro, nelle acque superficiali.

Il Joint Research Center sta approfondendo l’opportunità di applicare, secondo il sopra descritto approccio Effect-Based Method, saggi di mutagenicità, nell’ambito dello studio della qualità delle acque superficiali, anche in ragione del fatto che la lista delle sostanze prioritarie include due sostanze mutagene (benzene e benzo(a)pirene), tre sospetti mutageni (cadmio, cloruro di tributilstagno, tricloroetilene) e un candidato sospetto mutageno (crisene).

Il gruppo di lavoro cui afferisce la scrivente sta discutendo, a partire dal mese di gennaio 2024, gli aspetti teorici e applicativi inerenti a questa opportunità. La sottoscritta e il suo gruppo di ricerca applicano questo approccio di indagine dai primi anni Duemila su diverse matrici, con particolare attenzione all’acqua.

Interpretazione e utilizzo dei risultati dei saggi tossicologici

I saggi tradizionali come quelli condotti su Daphnia magna sono tipicamente associati a valori soglia definiti di volta in volta da normative e linee guida e rappresentano uno strumento consolidato per la valutazione della tossicità acuta sugli invertebrati acquatici.

Tuttavia, essi da soli non sono in grado di rilevare tutti i potenziali effetti (come quelli endocrini, mutageni o sub-letali), il che rende imprescindibile l’integrazione con metodi alternativi e complementari.

In quest’ottica, è fondamentale prevedere una batteria di saggi basati su organismi biologicamente differenti, al fine di coprire i principali livelli trofici e i diversi meccanismi d’azione potenzialmente coinvolti. Solo l’utilizzo integrato di diversi saggi può garantire una rappresentazione affidabile del rischio ecotossicologico complessivo di una matrice.

L’interpretazione e l’utilizzo dei risultati dei saggi biologici eseguiti sulle matrici ambientali intese come miscele di innumerevoli sostanze chimiche (ciò che consente di valutare possibili effetti combinati derivanti da un’esposizione multipla) è oggetto di studio da parte della comunità scientifica internazionale [21].

Nell’Unione europea, per esempio, nell’ambito della Common Implementation Strategy (Cis) della Direttiva Quadro sull’Acqua (Water Framework Directive, Wfd) si sta lavorando a un documento di riferimento che consenta l’applicazione del cosiddetto Effect-Based Monitoring (Ebm) [22], cioè il monitoraggio basato sull’effetto (biologico), fondato sul criterio olistico sopra descritto.

L’obiettivo della Cis è quello di rendere applicabile l’approccio Ebm, ciò che necessita, tuttavia, di valori di riferimento (i cosiddetti Effect Based Trigger values) che consentano di definire un livello di accettabilità sulla base dell’attività biologica indesiderata o di un rischio indotti dall’esposizione a un campione.

Il suddetto passaggio è cruciale per poter interpretare e adottare proficuamente i saggi biologici: è necessario, infatti comprendere il significato del segnale rilevato in un saggio in laboratorio e trasporlo correttamente nello scenario reale ambientale.

Questo principio deve a maggior ragione essere seguito nel momento in cui si vadano a modellizzare situazioni reali, al fine di considerare le concentrazioni di miscele di sostanze misurate (o ipotizzate) nelle varie matrici ambientali, la loro biodisponibilità e il rischio associato all’esposizione.

La scrivente ha partecipato al First Interlaboratory exercise for the estrogenicity assays, nell’ambito del Piano di Azione Strategico Effect-based Method (Ebm) Trigger Values for Chemical Status Organised by European Commission, Joint Research Centre (Jrc) finalizzato a valutare l’idoneità dei valori di Ebt proposti, per comparare saggi biologici utilizzando campioni provenienti da siti caratterizzati chimicamente.

L’obiettivo ultimo è il confronto dei risultati delle analisi con l’Ebt selezionato e ottimizzare quindi la valutazione del rischio.

Il fine del Piano di Azione Strategico è fornire le basi per stabilire un Ebt per i saggi che investigano gli effetti estrogenici e verificare la comparabilità dei risultati ottenuti con diversi metodi in vitro e in vivo a supporto del monitoraggio di cui alla Direttiva Quadro sulle Acque (Wfd, 2000/60/Ce).

Un’ulteriore possibile applicazione dei risultati dei saggi ecotossicologici, proposta dal gruppo di ricerca della scrivente consiste nel loro utilizzo come input data nei protocolli per la valutazione di una prestazione ambientale, quali il Pef/Oef (Product Environmental Footprint) e l’Oef (Organisation Environmental Footprint).

Tali metodologie, basate sull’analisi del ciclo di vita, sono state introdotte con la Raccomandazione 2013/179/Ue e considerano un insieme armonizzato di indicatori ambientali (emissioni di gas serra, consumo di risorse, uso del suolo, acidificazione, eutrofizzazione, tossicità per gli ecosistemi d’acqua dolce…) consentendo di misurare, quantificare e comunicare gli impatti ambientali potenziali associati rispettivamente a prodotti (beni o servizi) e organizzazioni.

In particolare, considerando per l’appunto la categoria d’impatto tossicità per gli ecosistemi d’acqua dolce, il gruppo della scrivente ha proposto di eseguire una batteria di saggi tossicologici e di utilizzarne i risultati (sotto forma di equivalenti biologici) per la determinazione dell’impronta ambientale di una matrice complessa (per esempio un’acqua reflua) mediante l’impiego di sostanze di riferimento i cui effetti biologici siano noti e ben caratterizzati.

articolo redatto da Roberta Pedrazzani, professore associato docente di Chimica ambientale ed Ecologia applicata, responsabile del Laboratorio di Analisi Industriali e Ambientali Dimi – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale dell’Università degli Studi di Brescia

Crediti immagine: Depositphotos

Approfondimenti

• [1] One Health European Joint Programme, https://onehealthejp.eu/
• [2] Pedrazzani, R., Bertanza, G., Brnardić, I., Cetecioglu, Z., Dries, J., Dvarionienė, J., … & Vogelsang, C. (2019). Opinion paper about organic trace pollutants in wastewater: Toxicity assessment in a European perspective. Science of the total environment, 651, 3202-3221
• [3] Cost-European Cooperation in Science and Technology, to the Cost Action ES1202 Conceiving Wastewater Treatment in 2020-Energetic, Environmental and Economic Challenges (Water_2020)
• [4] Verhaar Hjm, van Leeuwen Cj and Hermens Jlm (1992) Classifying environmental pollutants. 1. Structure-activity relationships for prediction of aquatic toxicity. Chemosphere 25, 471-491
• [5] Neale, P., Leusch, F., & Escher, B. (2021). Bioanalytical tools in water quality assessment. IWA publishing
• [6] Interferenti endocrini: valutazione e prevenzione dei possibili rischi per la salute umana. A cura di Gemma Calamandrei, Cinzia La Rocca, Aldina Venerosi Pesciolini e Alberto Mantovani 2009, vi, 95 p. Rapporti Istisan 09/18
• [7] Interferenti endocrini nelle acque da destinare al consumo umano in Italia: strumenti metodologici per un’indagine conoscitiva estesa a diversi sistemi idrici. A cura di Laura Achene, Sara Bogialli, Luca Lucentini, Paola Pettine e Massimo Ottaviani. 2011, iii, 84 p. Rapporti Istisan 11/18
• [8] Regolamento (Ce) N. 1107/2009 del Parlamento Europeo e del Consiglio del 21 ottobre 2009 relativo all’immissione sul mercato dei prodotti fitosanitari e che abroga le direttive del Consiglio 79/117/Cee e 91/414/Cee
• [9] Regolamento (Ue) n. 528/2012 del Parlamento Europeo e del Consiglio del 22 maggio 2012 relativo alla messa a disposizione sul mercato e all’uso dei biocidi
• [10] Regolamento (Ue) N. 10/2011 della Commissione del 14 gennaio 2011 riguardante i materiali e gli oggetti di materia plastica destinati a venire a contatto con i prodotti alimentari
• [11] Direttiva 2005/84/Ce del Parlamento Europeo e del Consiglio del 14 dicembre 2005 che modifica per la ventiduesima volta la direttiva 76/769/Cee del Consiglio concernente il ravvicinamento delle disposizioni legislative, regolamentari e amministrative degli Stati membri relative alle restrizioni in materia di immissione sul mercato e di uso di talune sostanze e preparati pericolosi (ftalati nei giocattoli e negli articoli di puericultura)
• [12] Shen, X., Chang, H., Sun, D., Wang, L., & Wu, F. (2018). Trace analysis of 61 natural and synthetic progestins in river water and sewage effluents by ultra-high performance liquid chromatography–tandem mass spectrometry. Water research, 133, 142-152
• [13] Yun, Z. H. A. N. G., Shu, S. H. U., Xin, L. U. O., Qin, Z. H. O. N. G., & Hua, Z. O. U. (2022). Fate and Ecological Risks of Glucocorticoids in Aquatic Environment: A Review. Ecology and Environment, 31(2), 400
• [14] Gong, J., Lin, C., Xiong, X., Chen, D., Chen, Y., Zhou, Y., … & Du, Y. (2019). Occurrence, distribution, and potential risks of environmental corticosteroids in surface waters from the Pearl River Delta, South China. Environmental pollution, 251, 102-109
• [15] Regolamento delegato (Ue) 2023/707 della Commissione del 19 dicembre 2022 che modifica il regolamento (Ce) n. 1272/2008 per quanto riguarda i criteri e le classi di pericolo per la classificazione, l’etichettatura e l’imballaggio delle sostanze e delle miscele
• [16] Standard Methods Committee of the American Public Health Association, American Water Works Association, and Water Environment Federation. 8030 mutagenesis In: Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater. 24th Edition, 2023. Lipps WC, Baxter TE, Braun-Howland E, editors. Washington DC: Apha Press
• [17] Iso 11350:2012(en) Water quality – Determination of the genotoxicity of water and waste water – Salmonella/microsome fluctuation test (Ames fluctuation test)
• [18] Iso 16240:2005 Water quality Determination of the genotoxicity of water and waste water Salmonella/microsome test (Ames test)
• [19] Oecd (2020), Test No. 471: Bacterial Reverse Mutation Test, Oecd Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4, Oecd Publishing, Paris, https://doi.org/10.1787/9789264071247-en
• [20] Linee guida per la valutazione di impatto sanitario: approfondimento tecnico-scientifico. A cura di Maria Eleonora Soggiu, Martina Menichino 2022, x, 198 p. Rapporti Istisan 22/35
• [21] Dingemans, M. M., Baken, K. A., van Der Oost, R., Schriks, M., & van Wezel, A. P. (2019). Risk‐based approach in the revised European Union drinking water legislation: Opportunities for bioanalytical tools. Integrated environmental assessment and management, 15(1), 126-134
• [22] Technical Proposal for Effect-Based Monitoring and Assessment under the Water Framework Directive, https://www.normandata.eu/sites/default/files/files/Highlights/211013_EBM%20report_FINAL_WG_Chem_Oct_2021%20%281%29.pdf

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