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Influenza delle diverse condizioni climatiche
sulla biodegradazione in ambiente acquatico
di microinquinanti
Paola Grenni, Anna Barra Caracciolo
[email protected]
Istituto di Ricerca sulle Acque (IRSA-CNR)
SETAC Europe Council, SETAC Italian Branch
Convegno - La gestione delle acque nel corso di particolari eventi naturali o
incidentali e interventi per contrastare e monitorare la diffusione della
contaminazione - ECOMONDO Rimini, 6 Novembre 2014
Le comunità microbiche forniscono importanti Servizi
Ecosistemici, attraverso il riciclo dei nutrienti e la
degradazione e rimozione degli xenobiotici
La Biodegradazione è
una Funzione
Ecosistemica che
assicura il
mantenimento della
Qualità dell’Acqua
Comunità
Microbiche
Biodegradano
Sostanze organiche
Naturali e Xenobiotiche
Biodegradazione: trasformazione di un composto chimico in un altro meno
tossico
Mineralizzazione: degradazione completa a CO2 + H2O
Processi
metabolici:
il composto
organico viene
comemicrobica
fonte di
Le
conoscenze
sulla capacità
di biodegradazione
di utilizzato
una comunità
carbonio
per la crescita
microbica
rendono
possibile
di valutare
se e quanto di un contaminante può passare ai
Processi
co-metabolici:
il composto
viene trasformato grazie ad enzimi
livelli
superiori
della catena trofica
dell’ecosistema.
presenti nella cellula per altri processi metabolici
Destino ambientale dei
contaminanti in un fiume
Una volta giunte in un corpo idrico, il comportamento, la distribuzione, il destino, la
degradazione delle sostanze chimiche nell’ambiente dipendono sia dalle loro
specifiche caratteristiche fisico-chimiche che da quelle del sistema acqua/sedimento
ricevente, che determineranno in ultimo le concentrazioni di sostanza cui i diversi
organismi saranno esposti, nochè dalla presenza di comunità microbiche con capacità
degradative nei confronti dei contaminanti.
Fattori abiotici che influenzano la biodegradazione di un contaminante
Caratteristiche intrinseche del composto
- solubilità
- capacità di adsorbimento
- Coefficiente ottanolo/acqua Kow
Coefficiente ottanolo/acqua
Kow = conc. in ottanolo
-------------------conc. in acqua
Parametri dell’ecosistema studiato:
- pH
- DOC
- temperatura
- O2
- concentrazione della sostanza tossica
- presenza di altri composti biodegradabili
Kow: è un descrittore della lipofilia,
(tendenza a ripartirsi nella fase lipidica)
da cui dipende la capacità delle sostanze
chimiche di attraversare le membrane
biologiche, produrre effetti sugli
organismi, dando luogo a fenomeni di
bioaccumulo e di magnificazione lungo
la catena alimentare. Valori di lipofilia
maggiori determinano un incremento
della propensione della sostanza al
bioaccumulo.
Microinquinanti emergenti di grande interesse: i farmaci
I farmaci comprendono diverse classi di molecole: antibiotici, antitumorali,
anti-infiammatori, regolatori lipidici, antivirali, ecc.
Sono designati per essere attivi nell’organismo ricevente a basse
concentrazioni e su recettori specifici, attraversando le membrane
biologiche.
Sono generalmente resistenti all’idrolisi chimica per evitare di essere
inattivati prima di aver esplicato il proprio effetto terapeutico.
Sebbene riscontrati nell’ambiente a basse concentrazioni (ng/L), la loro
reattività può avere effetti sugli ecosistemi.
Recentemente sono stati inseriti nella WFD in un primo elenco di controllo
il Diclofenac, 17-beta-estradiolo, e 17-alpha-ethinylestradiolo
Rimozione
15-98%
Contaminazione fluviale
Gli impianti di trattamento rappresentano importanti punti di controllo della
contaminazione da farmaci, ma attualmente non sono in grado di rimuovere tali
molecole in modo efficace.
Come può variare la biodegradazione dei contaminanti
nelle diverse condizioni climatiche?
In condizioni stagionali differenti le condizioni abiotiche del fiume
possono cambiare
Un evento di flooding può determinare un aumento del trasporto
solido con conseguente aumento dei carichi di solidi sospesi e dei
flussi di contaminanti associati all’erosione del terreno e al
trasporto dei sedimenti fini.
Lane, et al., 2007;
Leemans & Kleidon, 2002
Biodegradazione di due farmaci da parte della comunità
microbica di un ecosistema fluviale
analizzata in due diverse stagioni
Lo scopo era quello di verificare se le
condizioni stagionali potessero
influenzare la degradazione di 2 farmaci
ritrovati nel fiume
Il fiume Tevere è stato analizzato e studiato nel tratto a
maggiore impatto antropico nella città di Roma
Tevere
WWTP
(ng/L)
(ng/L)
Roma N
Roma S
Carbamazepine
63±7
75±12
Clofibric Acid
nd
nd
Ketoprofen
nd
150±6
Estradiol
nd
nd
Naproxen
264±5
200±9
Ethinylestradiol
nd
nd
Estrone
nd
nd
Fenoprofen
nd
nd
Diclofenac
nd
120±5
Ibuprofen
95±8
210±13
Gemfibrozil
nd
65±13
Fenofibrate
nd tra i farmaci
nd più
Naproxene
e Gemfibrozil sono anche
IN
OUT
115±4
78±9
nd
nd
250±7
175±7
nd
nd
1079±8
526±12
nd
nd
nd
nd
nd
nd
1020±3
507±5
6624±6
1003±9
578±10
242±6
nd
nd
comunemente
riscontrati
nel fiume
Tevere a conc. rispettivamente di 264±9 ng/L e 65±13 ng/L. La rimozione nell’impianto di
Roma sud è circa del 50%. (Patrolecco et al., 2013)
GEMFIBROZIL:
Categoria farmaceutica:
regolatore lipidico appartenente
alla classe dei fibrati.
NAPROXENE:
Categoria farmaceutica: antiinfiammatorio non steroideo,
analgesico, antipiretico.
ALLESTIMENTO DI 2 SET SPERIMENTALI IN MICROCOSMI: 1 IN PRIMAVERA ED UNO IN AUTUNNO
20°C, al buio, concentrazione di ogni farmaco=100 µg/L
pH, [O2]
ConA ConB
Controllo
microbiologicamente
attivo
SA
SB
Sterile
A
B
Trattato
microbiologicamente
attivo
ANALISI EFFETTUATE
Analisi chimiche:
Abbondanza
microbica
Vitalita cellulare: SYBR
Colorante GREEN +iodio propidio
Dapi
Microscopio
epifluorescenza
Analisi dei principali gruppi batterici :FISH Fluorescent In Situ Hybridization
Parametri fisico-chimici e microbiologici del Fiume Tevere nel punto di
campionamento nelle 2 stagioni studiate
Temperatura (°C)
pH
DO (mg/L)
DOC (mg/L)
Naproxen e(ng/L)
Gemfibrozil (ng/L)
Primavera
12.9
7.7
11.4
2.0 ±0.050
240±9
50±7
Total microbial number (No. cell/mL)
Cell viability (%)
Live cell number (No. Live cell/mL)
Bacteria No. Positive cells vs DAPI
1.31*106 ± 1.3*105
27 ±5.3
3.54 *105 ± 1.1*104
8.07*105 ± 1.2*104
Archaea No. Positive cells vs DAPI
1.44*104 ± 1.0*103
Autunno
18
7.8
7.5
3.5 ±0.035
270±12
78±13
3.16*106 ±
1.1*105
75.36 ± 2.6
2.36*106 ±1.0*105
2.36*106 ±1.3*105
1.90*104 ±
1.4*103
La differenza più evidente nei campioni di acqua, campionata nello stesso punto ma in 2
stagioni diverse, è il DOC
La comunità microbica, in termini di % dei diversi gruppi
batterici analizzati, è molto simile nelle 2 stagioni
DEGRADAZIONE NAPROXENE
Acqua fiume trattata con Naproxene vs Sterile (acqua di fiume sterilizzata)
PRIMAVERA
DT50 circa 27 giorni, mentre nella
condizione sterile non si osserva
degradazione
AUTUNNO
La DT50 di Naproxene
è
comparabile
a
quella
dell'esperimento di primavera
DEGRADAZIONE GEMFIBROZIL
Acqua fiume trattata con Gemfibrozil vs Sterile (acqua di fiume sterilizzata)
PRIMAVERA
AUTUNNO
GEMFIBROZIL IN PRIMAVERA:
DT50 > 70 giorni, mentre nella condizione sterile non si osserva degradazione.
In autunno:
La degradazione non è comparabile a quella del primo esperimento
Dopo 105 giorni il 64% della concentrazione iniziale ancora persiste
Tale risultato potrebbe essere ascrivibile al > DOC (3.5%) presente nel campione
autunnale rispetto all’esperimento effettuato in primavera (DOC 2%) e alla sua
maggiore idrofobicità (Gem, Kow 4.77; Nap, Kow 3.18).
Considerazioni conclusive
Le comunità microbiche degli ecosistemi acquatici si confermano essenziali
nella bio-rimuozione dei 2 farmaci Naproxene e Gemfibrozil
Gemfibrozil risulta piuttosto persistente e poco biodegradabile con
degradazioni che possono essere fortemente influenzate da caratteristiche
fisico-chimiche di contorno
Fattori che possono influenzare il contenuto di DOC (> concentrazioni
durante i periodi di flusso maggiore e durante i periodi di flooding, associati
ad intensa precipitazione) possono influenzare la degradazione di quelle
molecole, come il Gemfibrozil, che possiedono un Kow (tendenza ad essere
assorbiti) maggiore
Vi aspettiamo al SETAC Europe Annual Meeting
che si terrà dal
3 al 7 maggio 2015 a Barcellona
SETAC: Society of Environmental Toxicology and Chemistry
Environmental protection in a multi-stressed world: challenges
for science, industry and regulators
http://barcelona.setac.eu/
Scientific programme:
Aquatic and terrestrial ecotoxicology
Ecosystem responses and services under multi-stress conditions
Analysis, fate and behaviour of contaminants
Identification and prioritization of emerging contaminants
Characterization, fate and effects of nanomaterials
Exposure and effect modeling & predictive toxicology (environment & human)
Life Cycle Assessment and sustainability
Risk assessment, regulation and public perception
Pollution prevention and remediation
Special sessions
http://www.setac.org/ILB/
Grazie per la vostra attenzione!
Gruppo di lavoro che ha partecipato allo studio e alla
presentazione:
Anna Barra Caracciolo
Paola Grenni
Luisa Patrolecco
Nicoletta Ademollo
Martina Di Lenola
Antonella Tolomei
Emnuele Romano
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