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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