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Marcatori biochimici per prevedere come l'inquinamento chimico mette a rischio la biodiversità
13 febbraio 2025 |
Si stima che nel mondo circolino regolarmente tra le 40.000 e le 60.000 sostanze chimiche. Mentre l'industria continua a espandersi, ogni anno vengono rilasciate negli ecosistemi enormi quantità di farmaci, detergenti, pesticidi e altri composti. Ciò riguarda anche la Svizzera, uno dei cinque principali esportatori di sostanze chimiche. È fondamentale poter valutare l'impatto ambientale di una sostanza prima che venga autorizzata per il mercato. Finora, tuttavia, è stato difficile prevedere gli effetti a lungo termine dell'inquinamento chimico sull'ambiente, in particolare quali specie animali e vegetali sono più a rischio a causa della sostanza chimica in questione.
In un recente studio pubblicato su Environmental International, i ricercatori dell'Eawag hanno adottato un nuovo approccio per migliorare tali previsioni. Hanno studiato il modo in cui le diverse specie ittiche degradano ed espellono naturalmente le sostanze chimiche, una capacità che potrebbe indicare quali specie hanno maggiori probabilità di sopravvivere in ambienti inquinati.
La biotrasformazione incontra la biodiversità
"Abbiamo studiato la biotrasformazione, un processo che gli organismi utilizzano per convertire le sostanze chimiche in prodotti che possono espellere", spiega Marco Franco, tossicologo ambientale e autore principale dello studio. In collaborazione con i colleghi dei dipartimenti di Ecologia ittica e Chimica ambientale dell'Eawag, si è concentrato sugli ecosistemi acquatici, che spesso diventano serbatoi di tossine ambientali. Il team ha studiato cinque specie di pesci provenienti da diverse regioni lungo il corso del fiume Aare. "Invece di utilizzare i metodi convenzionali di ricerca sulla conservazione, abbiamo studiato se i meccanismi cellulari condivisi da queste specie rivelano quali sono più sensibili all'inquinamento", dice Franco, spiegando l'approccio non convenzionale degli scienziati.
Tutte e cinque le specie ittiche, selezionate come rappresentanti tipici delle comunità acquatiche regionali, hanno lo stesso equipaggiamento molecolare per degradare le sostanze chimiche. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto differenze significative nell'efficienza con cui le specie le utilizzano. Con iniziale sorpresa, hanno riscontrato la massima attività nel pesce luna (Lepomis gibbosus), un pesce invasivo nei fiumi svizzeri. Questo lo rende il pesce più resistente tra quelli analizzati. "È stato un risultato inaspettato, ma ha senso", afferma Franco. "Le specie invasive devono sopravvivere in un habitat sconosciuto e già colonizzato. Una migliore capacità di affrontare composti potenzialmente tossici dà loro un vantaggio".
Le sostanze chimiche mettono a rischio soprattutto le specie con bassa capacità di biotrasformazione
I ricercatori ambientali hanno scoperto differenze ancora più evidenti a seconda delle regioni di provenienza dei pesci. Gli esemplari provenienti da aree fortemente coltivate o con industrie, generalmente più inquinate, hanno mostrato un'attività di degradazione chimica da due a undici volte superiore rispetto a quelli provenienti da aree meno inquinate.
"Questo indica che l'inquinamento può aumentare l'attività di biotrasformazione degli animali. Significa anche che quelli con un'attività naturalmente bassa sono esposti a uno stress maggiore, perché le sostanze chimiche si accumulano di più e gli animali devono spendere più energia per elaborarle. Questo li rende più vulnerabili ad altre minacce", spiega Franco. Negli ecosistemi composti da molte specie diverse, queste popolazioni sensibili sono a maggior rischio di declino. Riconoscerle tempestivamente aiuta a sviluppare strategie di protezione su misura.
Implicazioni per l'autorizzazione al mercato delle sostanze chimiche
Oltre alla conservazione della natura, i risultati dello studio aprono anche opportunità per migliorare la valutazione del rischio delle nuove sostanze chimiche nel processo di autorizzazione. Attualmente, le considerazioni sulla sicurezza si basano in larga misura su dati provenienti da animali da laboratorio, le "specie animali modello". Tuttavia, questi non riflettono necessariamente la sensibilità degli animali selvatici. "La domanda chiave è se gli animali e le piante che vogliamo proteggere siano effettivamente più o meno sensibili a una particolare sostanza chimica rispetto a tali specie modello", sottolinea Franco.
L'approccio che sta utilizzando offre una soluzione promettente. "Il nostro approccio combina dati biochimici con previsioni a livello di ecosistema. Ciò significa che, misurando l'attività di biotrasformazione di una specie selvatica e confrontandola con i dati modellati, possiamo determinare se una sostanza chimica è effettivamente più o meno dannosa per gli animali nel loro ambiente naturale". In questo modo è possibile incorporare informazioni ecologiche reali nelle decisioni normative.
Ridurre la sperimentazione animale nella ricerca ambientale
Il metodo su cui si basa lo studio riduce anche la necessità di sperimentare sugli animali nella ricerca ambientale. Invece di studi su larga scala che osservano molti animali per un lungo periodo di tempo, l'approccio biochimico utilizza i dati di un piccolo numero di individui per valutare la sensibilità delle specie all'inquinamento chimico. Questo è possibile perché le analisi si basano su marcatori cellulari, per cui i ricercatori possono ottenere dati significativi da piccoli campioni invece di affidarsi a studi su grandi popolazioni.
Tuttavia, gli scienziati sottolineano che la verifica in natura è essenziale. "In definitiva, dobbiamo osservare gli ecosistemi nel tempo per confermare le nostre previsioni e vedere come si evolvono le dinamiche di popolazione delle specie in un particolare habitat", conclude Franco. Tuttavia, il suo team è fiducioso che il suo approccio possa essere applicato in un'ampia gamma di aree geografiche per valutare meglio le minacce chimiche alla biodiversità.
Biotrasformazione - un macchinario cellulare per la degradazione chimica
La biotrasformazione è un processo in cui gli organismi viventi, come i pesci, convertono sostanze potenzialmente dannose in prodotti che possono essere espulsi dall'organismo. Questo processo avviene principalmente nelle cellule del fegato, delle branchie e del tratto gastrointestinale e comporta una serie di reazioni biochimiche. Nelle reazioni di "fase I", molecole specializzate chiamate enzimi modificano la sostanza chimica aggiungendo gruppi reattivi che la rendono più solubile in acqua. Ciò rende la sostanza più facile da gestire per l'organismo. Nelle reazioni di "fase II", molecole più grandi si attaccano al composto per prepararlo all'escrezione.
Questo processo è una parte importante del "sistema di difesa chimica" di un organismo - un insieme di meccanismi biologici per riconoscere, neutralizzare ed espellere le sostanze nocive, proteggendo così l'organismo dall'avvelenamento.
Immagine di copertina: il barbo (Barbus barbus) e il cavedano (Squalius cephalus) sono stati analizzati nello studio come specie rappresentative delle comunità ittiche nei fiumi svizzeri (Foto: M. Franco, Eawag).