Prima parte

TOSSICOLOGIA
ANGELA SANTAGOSTINO
Dipartimento di scienze dell’Ambiente e del
Territorio piano 5° stanza 5054
Tel 0264462919 E-mail
[email protected]
Ricevimento studenti:
Martedì:11-12
Giovedì: 10.00-12
La tossicologia è la branca della scienza che
riguarda lo studio dei veleni.
Il veleno può essere definito come quella sostanza
che somministrata incidentalmente o volutamente
ad un organismo vivente produce effetti nocivi
nell’organismo stesso
La definizione data è estremamente riduttiva poiché di fatto
è necessario definire meglio che cosa veramente può
configurarsi come veleno per gli organismi viventi e cosa
significa valutare un effetto tossico
La tossicologia si interessa degli effetti nocivi di :
1°- Agenti chimici usati :
a) in medicina (farmaci)
b) nell’industria alimentare (additivi alimentari)
c) veterinaria (farmaci)
d) in agricoltura (pesticidi fetilizzanti)
e) nell’industria chimica
2° - Metalli
3° - Prodotti petroliferi
4° - Tossine naturali :
a) vegetali
b) animali
c) fungine
5°- Radiazioni eccitanti e ionizzanti
6° - Inquinanti
Vi sono anche più generiche definizioni per la tossicologia
che sono meramente descrittive di un mestiere:
“lo studio della detenzione, occorrenza, proprietà, effetti , e
regolamentazione delle sostanze tossiche “
Ci sono infatti vari campi della tossicologia:
•la tossicologia descrittiva che focalizza l’attenzione sulla
messa a punto di test tossicologici e sulla classificazione
delle sostanze chimiche in base alla tossicità /ecotossicità.
•la tossicologia meccanicistica (o ricerca di base) che studia
come sostanze chimiche o agenti fisici possano dar inizio a
modifiche biochimiche o fisiologhe che esitano in un evento
tossico.
•La tossicologia applicata che si occupa di tossicologia
clinica, tossicologia ambientale, tossicologia forense ecc. e
della valutazione del rischio
Lo studio della tossicologia ha importanza sociale
sotto vari altri aspetti non si limita alla protezione
dell’uomo e dell’ambiente come detto ma serve
anche per promuovere lo sviluppo di tossici più
selettivi da impiegare ad esempio come farmaci
anticancro, antibiotici o per sviluppare pesticidi e
fitofarmaci.
La tossicità raramente, se non sempre, può essere
definita come un singolo evento molecolare è
piuttosto una cascata di eventi che iniziano con
l’esposizione dell’organismo, proseguono con la
distribuzione del tossico
nell’organismo,
eventualmente con processi metabolici di
biotrasformazione e termina con il processo di
interazione con le macromolecole bersaglio che
danno origine all’espressione di un end point
tossico (sviluppo dell’evento nocivo). Questa
sequenza può essere mitigata da processi di
escrezione /eliminazione e di riparazione
AMBIENTE INQUINATO
esposizione
ASSORBIMENTO
ORGANISMI
distribuzione e
BIOTRASFORMAZIONE
INTERAZIONE CON LA STRUTTURA BERSAGLIO
EFFETTO MOLECOLARE
EFFETTO CELLULARE O TESSUTALE
EFFETTO SULLA POPOLAZIONE
EFFETTO SULLE POPOLAZIONI (DECLINO?)
EFFETTO SULLA BIOCENOSI
EFFETTO SULL’ECOSISTEMA
ECOTOSSICOLOGIA
EFFETTO SULL’ORGANISMO
TOSSICOLOGIA CLASSICA
TOSSICO
La Tossicologia è la scienza che studia la natura e il
meccanismo d’azione degli effetti nocivi indotti da
agenti chimici o fisici sugli organismi viventi e sui
sistemi biologici in genere. I tossicologi sono
impegnati anche a valutare in termini quantitativi la
probabilità di insorgenza e la gravità degli effetti
nocivi in relazione alle reali condizioni di esposizione.
Sviluppo Moderno della Tossicologia
1) Determinazione dei limiti di sicurezza di esposizione
Identificazione :
a) della dose o concentrazione priva di effetti (NOEL o NOEC)
b) della dose giornaliera assumibile (Acceptable Daily Intake)
c) della concentrazione massima accettabile (Threshold Limit Value)
d) della dose virtualmente sicura (Virtual Safe Dose)
Valori limite
Determinazione dei criteri di Qualità (CQ)
Sviluppo Moderno della Tossicologia
2) Stima del rischio
Identificazione :
a) della dose o concentrazione priva di effetti (NOEL o NOEC)
b) della dose giornaliera assumibile (Acceptable Daily Intake)
c) della concentrazione massima accettabile (Threshold Limit Value)
d) della dose virtualmente sicura (Virtual Safe Dose)
Valori di riferimento
Valutazione dei livelli di Esposizione
Valutazione del rischio
potenziale
Quantificazione delle probabilità di
produrre danno in determinate specifiche
condizioni
In pratica in questo corso impareremo a
rispondere risponderemo alle domande:
•Perché certe sostanze chimiche o
agenti fisici con cui veniamo a contatto
causano il deterioramento dei sistemi
biologici a vari livelli di complessità?
• Come possiamo misurare la loro
pericolosità?
“Tossico” è un concetto quantitativo, praticamente
qualunque sostanza può divenire un tossico letale
a partire certe dosi/concentrazioni pur non
producendo alcun tipo di effetto al di sotto di
livelli decisamente più bassi. Tra questi due limiti
si producono una serie di possibili effetti che
vanno da
una lieve tossicità cronica da
esposizione per lunghi periodi ad immediata
letalità.
Tipologia degli effetti tossici prodotti da agenti chimici e fisici
• TOSSICITÀ ACUTA= Effetto/i nocivo/i derivato/i da
esposizione improvvisa unica o di breve durata a una
relativamente elevata quantità di agente tossico.
• TOSSICITÀ CRONICA= Effetto/i nocivo/i derivato/i
da esposizione ripetuta o molto prolungata nel tempo a
relativamente piccole quantità di agente tossico.
COMUNQUE L’EFFETTO TOSSICO (ET) DI UNA
MOLECOLA (o Fattore fisico) DIPENDE DA:
La sua concentrazione (o intensità-energia) (QT)
La durata d’esposizione (t)
ET = QT* t
Rapporto Salute / Inquinamento
SALUTE
Normalità
Omeostasi
Compensazione
Sbilanciamento
Patologia
Soglia di
RISCHIO
Rottura di
equilibrio
Morte
CONCENTRAZIONE INQUINANTE
Tutte le sostanze sono velenose, non vi è nulla
che non sia un veleno: è la giusta dose che
discrimina tra veleno e rimedio (PARACELSO
XVI SECOLO:)
TOSSICITÀ= ROTTURA DI EQUILIBRI BIOLOGICI
PER CAPIRE LA TOSSICITA DI UNA MOLECOLA O DI UN
ELEMENTO BISOGNA CONOSCERE :
1. LA REATTIVITÀ CON STRUTTURE E SISTEMI BIOLOGICI
2. SE TALE REATTIVITÀ SUPERA I MECCANISMI
OMEOSTATICI DEL SISTEMA O DELLA STRUTTURA
BIOLOGICA CON CUI VIENE A CONTATTO.
L’importanza della dose è ancor più evidente
se si considerano i metalli essenziali
(necessari alla salute) la cui carenza nella
nell’alimentazione produce patologia che
diventano però anche gravemente tossici ad
alti dosaggi (es. ferro, rame, magnesio,
cobalto e zinco)
La conoscenza della curva dose risposta è
fondamentale in tossicologia .
SALUTE
Elemento essenziale
Normalità
Patologia
Morte
Elemento
non essenziale
Range compatibile
con la salute
CONCENTRAZIONE INQUINANTE
Anche gli stessi farmaci che hanno un
range di dosi per cui producono effetti
biologici sfruttabili terapeuticamente da
milioni di persone ma a troppo alti
dosaggi (es. l’Aspirina)
Bisogna considerare inoltre che una sostanza
può divenire un tossico solo in certe
circostanze:
•Forma disponibile all’assorbimento
•Condizioni ambientali
•Presenza contemporanea di altre sostanze
•Tipo di organismo che subisce l’esposizione.
Un principio che regola lo studio tossicologico in
particolare quando si studiano sostanze presenti
nell’ambiente è che:
UNA SOSTANZA POTENZIALMENTE TOSSICA
PER UN ORGANISMO È INNOCUA SE NON È
DIPONIBILE PER L’ASSORBIMENTO!!!
È quindi di fondamentale importanza in tossicologia
non solo conoscere cosa succede quando una sostanza
entra nell’organismo, ma anche conoscere come si
comporta in ambiente o nel mezzo di
somministrazione, qual è la sua forma chimico fisica,
quali sono i sistemi biologici con cui può venire a
contatto e da cui può essere assorbita.
Questo è materia dello studio della FASE DI
ESPOSIZIONE
Fase di
esposizione
Disponibilità
all’assorbimento
Assorbimento e
distribuzione
Biotrasformazione
Fase
Tossicicinetica
Escrezione
Biodisponibilità*
Interazione con le
strutture bersaglio
Fase
Tossicodinamica
EFFETTO
* Biodisponibilità= concentrazione in forma attiva in grado
di interagire con le strutture bersaglio
UNA SOSTANZA TOSSICA PER UN ORGANISMO È INNOCUA SE NON
È DIPONIBILE PER L’ASSORBIMENTO!!!
Fase di Esposizione
Disponibilità e potenzialità d’assorbimento
La disponibilità all’assorbimento di una sostanza dipende da:
• La sua forma chimico-fisica
• Le caratteristiche della matrice in cui si trova dispersa
La potenzialità d’assorbimento dipende anche da:
• Le caratteristiche fisiologiche, morfologiche e patologiche
dell’organismo con cui viene a contatto
• Le condizioni ambientali
EVAPORAZIONE
DEPOSIZIONI PIOGGIE
ARIA
ACQUA
(Fotolisi, ossidazioni,
riduzioni,
dealogenazioni)
(ossidazioni, riduzioni,
idrolisi
ASSORBIMENTO
ASSORBIMENTO
ESCREZIONE
ESCREZIONE
ORGANISMI
PIOGGIE
DEPOSIZIONI
(Biodegradazione, ossidazioni, riduzioni, idrolisi)
ASSORBIMENTO
VOLATILIZZAZIONE
EVAPORAZIONE
SEDIMENTAZI0NE
ESCREZIONE DEPOSITO
ADBORBI_
MENTO
SUOLO E
SEDIMENTI
(ossidazioni, riduzioni,
reattività chimica)
EROSIONE
LISCIVAZIONE
DRENAGGIO
DISTRIBUZIONE DI ALCUNE SOSTANZE
ORGANICHE NELLE FASI ACQUOSE E LIPIDICHE E
INFLUENZA DEL pH
Solubilità dei gas in liquidi acquosi
VGas
PGas

 VLiquido
760
α è caratteristico del Gas e dipende dalla natura
del liquido (es:
ecc.)
contenuto di sali, di proteine
Equazione di Henderson Hasselbalch
Per molecole acide:
HA  H   A
e

A
pH  pK a  log
HA
Per molecole basiche:
BH   B  H 
e
BH
pK a  pH  log
B

Affinità delle sostanze organiche per le differenti matrici ambientali
Affinità
Molto alta
Alta
Media
Acqua
Sol.
g/l
Aria
Suolo
Log KAW Log
KOC
Biomassa
Animale
Log KOW
Biomassa
Vegetale
Log KOA
>1
>-2
>5
>8
1÷
10-2
10-2 ÷ 10-3
÷
10-3 ÷ 10-5
-2 ÷ -4 5 ÷ 4 5 ÷ 3,5
8÷7
-4 ÷ -5 4 ÷ 2 3,5 ÷ 3
7÷5
-5 ÷ -7 2 ÷ 1 3 ÷ 1
5÷4
<7
<4
Bassa
Molto bassa > 10-5
>5
<1
<1
KAW= coefficiente di ripartizione Aria /Acqua; KOC=costante di assorbimento
al suolo (Carbonio organico/Acqua); KOW= coefficiente di ripartizione
Ottanolo /Acqua; KOA = coefficiente di ripartizione Ottanolo/Aria
La fugacità è analoga a un potenziale chimico e rappresenta la tendenza di una
molecola a sfuggire da un comparto ambientale ed è espressa in Pascal (Pa)
Diagramma concettuale del modello di Fugacità di McKey e Peterson (1981-82), è il modello
semplificato basato sulla unità di mondo con sei comparti. delle seguenti dimensioni : Aria =10 10 m3,
Acqua=7.106 m3, Suolo =9.103m3, Biomassa =3,5 m3, Solidi sospesi=35m3, Sedimento =21.103m3.
f=C/Z; dove C= concentrazione (mol/m3), Z= capacità di fugacità (mol/m3/Pa). Quando le fasi sono in
equilibrio le fugacità sono eguali
DATI DI IMPUT
PM= peso molecolare
S=solubilità in acqua
P=tensione di vapore
Fattore di bioaccumulo (BF)
BF=Concentrazione organismo/concentrazione ambiente.
In mancanza di BF determinato per via sperimentale si può ricorrere alla
valutazione del coefficiente di ripartizione OTTANOLO/ACQUA (Kow)
LOG BF
Poiché per sostanze organiche appartenenti alla
chimica vale la relazione schematizzata qui sotto:
LOG [ ]ottanolo/[ ] H2O
medesima classe
Adsorbimento ad argille
CLASSE
FORMA MOLECOLARE
pH basso
pH alto
EFFETTO DEL pH
ed entità di
adsorbimento
ACIDO FORTE
Anione
Anione
Scarso
ACIDO DEBOLE
Acido libero
Anione
Forte con pH ÷pKa
BASE FORTE
Catione
Catione
Forte ma
diminuisce a valori
di pH molto bassi
BASE DEBOLE
Catione
Base libera
Forte
L’adsobimento è
crescente fino a che
il pH è simile al pKa,
poi diminuisce
MOLECOLE
POLARI
Non ionizzato
Non ionizzato
Scarso
MOLECOLE
NEUTRE
Non ionizzato
Non ionizzato
Nullo
A parità di concentrazione nell'ambiente la
disponibilità all'assorbimento nei vari
organismi può essere diversa!
• Esiste il fenomeno della magnificazione delle
concentrazioni nella catene trofiche determinato da
BF elevati e scarsa degradabilità!!
• Le degradazioni biotiche e abiotiche determinano:
1. i tempi di permanenza nell’ambiente,
2. la forma chimico-fisica e quindi anche
3. la reattività con le componenti ambientali e
4. i fenomeni di biomagnificazione
Concentrazione di DDT+ DDE in ppm
nella Biomassa dei vari livelli trofici
Esempio di BIOMAGNIFICAZIONE delle concentrazioni nelle catene trofiche. I dati si riferiscono al
DDT e al suo metabolita DDE e la figura è tratta da Woodwell G.M., Sci. Amer.216, 24 (1967)
Degradabilità BIOTICA di sostanze organiche
Ossidazioni riduzioni idrolisi, formazione di
radicali ad opera di:
•Microrganismi (terreni, acqua, sedimenti)
anche fino alla completa degradazione a
sostanza inorganica
•Vegetali
•Animali . Soprattutto ad opera di invertebrati
edafici
Degradabilità ABIOTICA di sostanze
organiche
Ossidazioni riduzioni idrolisi,
formazione di radicali in aria (UV),
acqua, terreni (reazioni catalizzate
principalmente da argille)
Da Environmental Science & Tecnology 1997 vol 31,581
I modelli di distribuzione dei metalli sono modelli di
BILANCIO DI MASSA
I metalli essendo elementi non possono essere
distrutti, ma subiscono in ambiente trasformazioni
sia biotiche che abiotiche hanno un ciclo biogeologico ove si possono presentare sia in forma
inorganica che organicata
Processi complessi determinano la disponibilità dei metalli per
l'assorbimento negli organismi viventi:
a) capacità (anche reciproca di spiazzamento) dai legami alle
componenti del suolo
b) legame dei cationi bivalenti alla frazione ad alto contenuto di
zolfo nel suolo e nei sedimenti
COMPLESSI
ORGANICI LABILI
COMPLESSI
ORGANICI NON
LABILI
METALLO
IONI
MATERIALE
PARTICOLATO
COMPLESSI
INORGANICI
COLLOIDI
RELAZIONE TRA LE PRINCIPALI FORME DI
CONVERSIONE DI TRACCE DI METALLI IN ACQUE
NATURALI
Particelle del suolo
Soluzione del suolo
Superficie argillosa
CO2
?
Aria
Tratto da S.E. Jorgensen, Modelling in Ecotoxicology ,Elsevier
Science Publishers B.V.,1990