tossicologia classica, ambientale ed

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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
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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
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Fig. 1.1. Ecotossicologia, Tossicologia
ambientale: loro collocazione in una
moderna strategia per affrontare i pro­
blemi derivanti dalia contaminazione
e dall'inquinamento.
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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.
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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.
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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.