tossicologia classica, ambientale ed
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1 TOSSICOLOGIA CLASSICA, AMBIENTALE ED ECOTOSSICOLOGIA: METODI, STRATEGIE, OBIETTIVI Eros Baccie Marco Vighi « Imagination is more important than knowledge, and there is no completely logical way to a new scientific idea» Albert Einstein INTRODUZIONE La conservazione della specie umana non può prescindere dalla conservazione dell'ambiente naturale La crescente attenzione verso i temi «ambientali» non è altro che una delle conseguenze della pro fonda crisi che sta attraversando il rapporto uomo ambiente. Se definiamo come «risorse» quelle com ponenti del sistema naturale, sia di natura biologica che abiotica, che sono normalmente sfruttate dagli organismi per la loro sopravvivenza e chiamiamo «condizioni» l'insieme dei fattori ambientali abio tici che non sono consumati dagli organismi viventi (come la temperatura, la trasparenza del mezzo, l'acidità negli ambienti acquatici), possiamo facil mente verificare come non solo vi siano problemi di conservazione delle risorse, ma le stesse condi zioni che permettono la vita sulla Terra stiano su bendo profonde modificazioni. La popolazione umana è, attualmente, oltre i 5 miliardi e mezzo di individui e le proiezioni indicano che, prima di arrestare la crescita, si po tranno raggiungere i 10-15 miliardi. Una delle prin cipali risorse, l'acqua dolce, in molte zone del pia neta viene sfruttata a velocità superiori a quelle di ricarica. In certi casi, come avviene in Arizona (USA), si sfruttano riserve di acqua dolce non rin novabili (acqua fossile), che sono tali perché so no molto profonde, nel sottosuolo, ed ormai han no perso ogni contatto con gli eventi meteorolo gici che si alternano in superficie. In altri casi, co me sta accadendo in Cina, si progettano dighe co lossali per cercare di trattenere l'acqua dei fiumi, in modo da aumentarne la disponibilità per gli usi umani. Un fatto estremamente grave è che alcune con dizioni stanno mutando in risorse: lo spazio a di sposizione di ciascuno di noi, nel senso della su perficie del pianeta disponibile ed accessibile alle attività dell'uomo, sta diventando una risorsa cri tica: l'attuale densità di popolazione, su base glo bale, è dell'ordine di lO individui per km 2 . Ovvero, ogni persona dispone, in media di lO ha, dei quali 1'80% sono acqua e dei 2 ha di terra, solo la metà è di buona qualità. Il problema deriva dal fatto che ogni individuo necessita, secondo gli standard dei paesi più sviluppati, di almeno 5 ha per trame le risorse necessarie alla sua sopravvivenza ed allo smaltimento dei rifiuti che produce. Pertanto se una persona su cinque si appropria dello spazio neces sario alla sua sopravvivenza, le altre quattro po tranno solo stare a guardare, relegate ad un livello di vita sottosviluppato. Questo quadro, molto drammatico, che vede una tipica condizione, lo spa zio, divenire risorsa critica, non è molto lontano dalla situazione attuale. Che dire di quello che suc cederà dopo un altro raddoppiamento della popo lazione mondiale? Così le terre, gli oceani e l'at mosfera devono sopportare, ogni anno, immissioni di milioni di tonnellate di sostanze chimiche pro dotte dalle attività umane, capaci di produrre al terazioni misurabili della composizione pristina di queste principali componenti della biosfera. Ad esempio, alcuni gas in traccia presenti nella tropo 4 sfera come i clorofluorocarburi (CFC), il metano e gli ossidi di azoto, sono in continuo aumento. Nonostante il «Protocollo di Montreal», i CFC, sino a tutto il 1996, sono aumentati del 6% all'anno, il metano cresce dell'1-2% e gli ossidi di azoto dello 0,2% all'anno. Da queste brevi considerazioni appare chiara mente quanto sia necessario mettere a punto nuove strategie per contrastare in maniera più efficace i problemi generati dalla sovrappopolazione, dalla scarsità delle risorse e dalla degradazione dell'am biente naturale. Gli approcci tradizionali, basati sulla protezione della salute umana, da tempo si sono dimostrati inadatti alla produzione di criteri per la conserva zione dei sistemi naturali e, in prospettiva, della sopravvivenza della nostra specie. L'Ecotossicolo gia, disciplina ambientale di origine recente, è nata come parola nel 1969, per iniziativa di Truhaut che dirigeva il Centro di Ricerche Tossicologiche della Facoltà di Scienze Farmaceutiche e Biologiche dell'Università «René Descartes» di Parigi. Secon do Truhaut, l'ecotossicologia dovrebbe essere una branca della tossicologia, derivante dall'incontro dell'ecologia con la tossicologia classica. Durante gli anni '70 ed '80 l'ecotossicologia è andata ac quisendo contorni sempre più definiti, anche per distinguersi dalla Tossicologia ambientale, che pro prio in quello stesso periodo stava assumendo una nuova connotazione. Se per quest'ultima vale la definizione di branca della tossicologia avente per oggetto lo studio degli effetti degli inquinanti sui sistemi naturali, per l'ecotossicologia si tende ad individuare un ruolo meno ristretto, avendo que st'ultima per obiettivo lo studio, con metodo scien tifico, del destino e degli effetti dei contaminanti nell'ambiente. Anche la tossicologia ambientale ha avuto i suoi problemi di definizione del campo di azione: per molto tempo, anche oltre i confini na zionali, la tossicologia ambientale è stata ridotta allo studio degli effetti dannosi degli inquinanti sul la salute umana, quando non addirittura ai soli effetti, sempre sull'uomo, di esposizioni a tossici nell'ambiente di lavoro. A queste visioni, di tipo essenzialmente igienico-sanitario, verso la seconda metà degli anni '60 se ne è affiancata una terza, con la quale la tossicologia ambientale diviene, più propriamente, lo studio dei danni prodotti dagli inquinanti su rappresentanti di altre specie, soprat tutto acquatiche (tossicologia acquatica). All'epoca, l'inquinamento era ancora diviso tra acqua, aria e suolo e quello dell'acqua oCcupava un ruolo pri mario. L'approccio impiegato era ancora quello del la tossicologia classica, nata per la conservazione della specie umana o di specie animali e, in minor IntroduzioRe misura, vegetali di particolare-interesse (animali do mestici, specie di interesse agricolo o zootecnico). Solo di recente ha iniziato a farsi strada una con cezione di tossicologia ambientale più aperta. a\'~ te per obiettivo la conservazione di sistemi natura1L Questi sono costituiti da numerosi individui appar tenenti a specie diverse, in relazione tra di loro_ Sono così emerse le limitazioni degli approcci più. datati, adatti per la protezione di individui. ma estremamente inadeguati alla conservazione di ec0 sistemi. In questi, oltre all'assortimento delle specie viventi, è importante il mantenimento delle prin cipali funzioni che governano i trasferimenti di ma teria e di energia. Si è anche constatato che sostanze tradizionalmente non tossiche, come i fertilizzanti o la materia organica, posseggono un enorme p0 tenziale modificante nei confronti dei sistemi na turali integri e possono portare a veri e propri scon volgimenti ambientali, più o meno estesi nel tempo e nello spazio, fino ad arrivare a livello di «cata strofe» ecologica. Basta osservare quanto sta suc cedendo nell'alto Adriatico per rendersi conto come un eccesso di nutrienti possa trasformare un mare (e non un piccolo ruscello od un laghetto) in qual cosa di assai diverso da quello che era solo 50 anni fa. Da queste brevi considerazioni può prendere avvio una più corretta visione della tossicologia am bientale, diversa per paradigma e tecniche di inter vento, che cerca di rispondere alla domanda «Che cosa succede ad un sistema naturale quando se ne alterano i normali flussi di materia e di energia?». ECOTOSSICOLOGIA E TOSSICOLOGIA AM BIENTALE: SINONIMI? Ancora oggi non vi è accordo su cosa siano l'ecotossicologia e la tossicologia ambientale Da un punto di vista puramente etimologico, po trebbe sembrare che non vi siano grandi differenze tra i due termini. È ancora ben radicata l'idea che l'ecotossicologia sia riconducibile allo studio degli effetti su organismi acquatici o terrestri, diversi da quelli utilizzati nei test di tossicologia classica (ro ditori; tipicamente: il ratto). Ma questa, come si è già accennato sopra, è una definizione che sta stretta anche alla tossicologia ambientale. Quest'ul tima, essendo più «tossicologia» che «ambientale», è opportuno che si occupi degli effetti sugli orga nismi, e non solo a livello di specie singola. Mentre la eco-tossicologia dovrebbe avere un respiro più ecologico che tossicologico. E questo può essere ottenuto intendendo per ecotossicologia quella di sciplina rivolta allo studio del destino e degli effetti Tossicologia classica, ambientale ed ecotossicologia: metodi, strategie, obiettivi dei contaminanti nell'ambiente, con metodo scien tifico, ovvero non limitandosi all'osservazione ed alla descrizione dei fenomeni, ma elaborando anche previsioni. L'inclusione della «previsione» in ecotossicologia è essenziale per elevare il rango della disciplina a li vello di Scienza. Il destino dei contaminanti nell'am biente è campo della Chimica Ambientale. Pertanto l'ecotossicologia dovrebbe essere una disciplina tra sversale, che si avvale, in maniera integrata, della chimica ambientale, della tossicologia e dell'ecologia. La prima per studiare il movimento, il trasporto e le trasformazioni delle sostanze chimiche nell'am biente, con approcci che non si limitino a prendere in considerazione separatamente i diversi comparti (come l'aria, l'acqua, gli organismi, i suoli ed i se dimenti), ma cerchino di avere una visione di sistema, tendenzialmente previsionale. La tossicologia am bientale dovrebbe fornire gli strumenti per la valu tazione del danno non solo a livello di singoli or \ , r li .~ I t ~ e .r ~ ~ i 11I; l :I l " - e Ù e [ ti Fig. 1.1. Ecotossicologia, Tossicologia ambientale: loro collocazione in una moderna strategia per affrontare i pro blemi derivanti dalia contaminazione e dall'inquinamento. 5 ganismi e di specie, ma anche su sistemi biologici complessi (come le comunità, ovvero le associazioni di specie e popolazioni diverse), mentre l'ecologia dovrebbe indicare quali sono i processi chiave che caratterizzano i diversi sistemi e le relazioni che in tercorrono tra gli organismi ed il supporto non vi vente che li ospita. Il tutto al fine di produrre dei criteri (scientifici) ecotossicologici concepiti per sta bilire fino a che punto certe modificazioni del siste ma, come l'immissione di nutrienti o di sostanze tossiche, siano inefficaci o siano efficaci in maniera accettabile. Il criterio ecotossicologico dovrà essere combinato con altre valutazioni di tipo tecnologico, economico, sociale ... da parte di Organi di Governo sia a livello nazionale che sovranazionale, al fine di produrre una regolamentazione adeguata (i limiti di legge, standard per gli anglosassoni). Questa sarà il punto di riferimento per gli operatori degli organi di controllo. Uno schema sintetico di questi concetti è riportato in figura 1.1. 6 IL CAMPO DELLA TOSSICOLOGIA AMBIEN TALE /I danno a carico degli organismi viventi pro dotto dall'inquinamento, la sua misura e la sua prevenzione costituiscono il campo della Tos sicologia Ambientale Se ritorniamo sul concetto di condizione ambien tale e di risorsa sopra ricordati, possiamo definire la contaminazione ambien tale come «la conseguen za di una azione umana capace di modificare le pro prietà delle condizioni o la disponibilità e la qualità delle risorse in un determinato intervallo di spazio e di tempo». La contaminazione ambientale non comporta necessariamente il manifestarsi di danni misura bi li a carico di organismi viventi. Se si ac coglie questa visione della contaminazione come prodotto delle attività umane, le deviazioni naturali dalla norma, come quelle che si osservano in cor rispondenza di aree particolarmente ricche di certi elementi, non sono più da considerarsi fenomeni di contaminazione, ma semplicemente delle anoma lie geochimiche. Quando si ha un danno misurabile a carico di un sistema biologico, sia esso a carico di un processo biochimico, cellulare o tissutale di un organismo, a carico di una popolazione o di una comunità biologica, allora la contaminazione ambientale di viene inquinamento. La Tossicologia Ambientale riguarda l'identificazione e la quantificazione del danno sugli organismi, a diversi livelli di organiz zazione, dovuto a fenomeni di inquinamento am bientale, avvalendosi anche di metodi predittivi. Le radici della disciplina affondano nella Tossi cologia Classica: non vi sono sostanziali differenze nell'approccio, eccetto la natura dell'agente tossi co, quando si tratta di comprendere i meccanismi di azione a livello biochimico, fisiologico e bio logico (inteso come riferito a livello dell'organismo singolo). Anche nella quantificazione delle risposte agli inquinanti vi sono molte similarità: i metodi cor renti della tossicologia classica sono applicati allo studio del potenziale tossico degli inquinanti, tra mite studi su singola specie con diverse scale tem porali, per la simulazione di esposizioni acute e croniche. Le ragioni di un differenziamento dalla disciplina madre sono da ricondurre alle seguenti necessità: a) di dover procedere ad una individuazione delle traiettorie ambientali dei diversi inquinanti, in mo do da poter identificare i bersagli biologici; b) di dover procedere ad una caratterizzazione e quantificazione della «dose» di inquinante in gra- Introduzione do di raggiungere i diversi bersagli biologici, tramite informazioni sulla distribuzione e destino ambien tali della sostanza (o della miscela di sostanze) in esame; c) di studiare gli inquinanti «in miscela», e non solo singolarmente, in quanto in questa forma si rinvengono di norma nei sistemi naturali; d) di studiare la tossicità su molte specie diverse dall'uomo (tutti gli organismi viventi possono en trare in contatto con inquinanti) sia attraverso meccanismi d'azione diretti, che indiretti (come, ad esempio, l'eliminazione di parassiti o di pre datori); e) di valutare la tossicità a livello di comunità biologica e di ecosistema, su appropriate scale spa zio-temporali. Altra differenza importante, e spesso sottovalu tata, è da ricercarsi nel fatto che, in Tossicologia Ambientale, non solo le sostanze propriamente tos siche devono essere considerate. ma anche tutte quelle sostanze in grado di produrre squilibri trofici, come i nutrienti o la materia organica, che possono alterare la composizione degli ecosistemi in maniera più o meno stabile. Come si vedrà nei capitoli se guenti, una delle difficoltà della disciplina, solo in minima parte sino ad oggi affrontate e che, per tanto, offrono grandi prospettive di sviluppo per il prossimo futuro, è quella dello studio della ri sposta a livello di comunità biologica e di ecosi stema. Questo non significa assolutamente che tutto ciò che appartiene alla tossicologia classica, come la misura della tossicità su singola specie non sia utile in ecotossicologia: come ha affermato John Cairns jr.: «/ saggi di tossicità su singola specie continue ranno ad essere l'asse portante dei nostri sforzi per determinare la probabilità di un danno su sistemi più complessi». La protezione di specie a rischio potrà essere im postata con metodiche di Tossicologia Classica: in questi casi, anche la vita di un singolo individuo può essere estremamente importante, analogamente a quanto succede per la specie umana. Tuttavia, quando l'obiettivo diviene la conservazione (o più semplicemente, il rispetto) dell'integrità di sistemi naturali, o di loro parti, la strategia dovrà cambiare: non si tratta più in questi casi di proteggere singoli individui o popolazioni (specie), ma comunità bio logiche ed ecosistemi. A questo livello di organizzazione gli individui non sono cosÌ «importanti», mentre essenziale di viene la conservazione dei processi di interrelazione tra le componenti del sistema, come gli scambi di materia ed energia. Tossico/ogia classica, ambientale ed ecotossico/ogia: metodi, strategie, obiettivi Anche le scale di spazio e tempo divengono di verse da quelle da applicare negli approcci classici. Ed essenziale diviene il ruolo ecologico di eventuali bio indicatori o biomarcatori. Ma questo è ancora frontiera, per una disciplina nuova come l'Ecotos sicologia. Nei capitoli che seguono si cercherà di dare un quadro delle acquisizioni in materia di studio del destino dei contaminanti nell'ambiente, studio degli effetti degli inquinanti a diverso livello di organiz zazione, il tutto anche con strumenti predittivi, in dicando le più promettenti linee di sviluppo della disciplina. 7 Letture consigliate BACCI E., Ecotoxico!ogy of Organic Contaminants, Boca Raton (FL), Lewis Publishers, 1994, 176. BEGON M., HARPERJ.L., TOWNsEND C.R., (eds.), Ecologia. Individui, popolazioni, comunità, Bologna, Zanichelli, 1989, 854. MILLER G.T. JR., Living in the Environment. Principles, Connections, and Solutions, Eighth edition, Belmont (CA), Wadsworth Publishing Company, 1994, 70l. PETERS R.H., A Critique jor Eco{ogy, Cambridge (UK), Cambridge University Press, 1991, 366. TRuHAuT R., Ecotoxicology - A new branch oj (oxicology: a generai survey ojits aims, methods, andprospects, in: McIN TYRE A.D., M1LLS C.F., (eds.), Ecological Toxicology Re search, New Y ork, Plenum Press, 1975, 3-23.