Test di ecotossicit con le macrofite Luciana Migliore

Test di ecotossicità con le macrofite Luciana Migliore Dipartimento di Biologia, Università “Tor Vergata”, Roma 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002

L’ecotossicologia è la scienza che studia gli effetti di agenti potenzialmente tossici sugli ecosistemi naturali e sulle specie non target, con lo scopo di proteggere l’intero sistema e non le sue singole componenti isolate. (Hoffman, 1995) 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 2

La stima del rischio connesso all’uso di sostanze xenobiotiche è difficile e complessa ma è necessaria gli effetti biologici si manifestano dopo che le componenti più sensibili del sistema sono state esposte agli agenti 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 3

L’esposizione dipende da: üTasso di introduzione nell’ambiente üVelocità di trasformazione e/o degradazione Gli effetti possono essere rilevati in tutti i comparti ambientali (aria, acqua, suolo) 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 4

le problematiche connesse ai tre comparti sono completamente differenti ¬ l’aria tende a cedere rapidamente le sostanze agli altri comparti ¬ l’acqua permette una mobilità relativamente elevata alle sostanze immesse ma con limitata possibilità di dispersione e fenomeni di bioaccumulo ¬ il suolo ha scarsa possibilità di circolazione e elevata capacità di immobilizzazione 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 5

Danni evidenti agli ecosistemi acquatici hanno permesso lo sviluppo e l’applicazione di sofisticate tecniche ecotossicologiche … … ormai standardizzate 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 6

poco invece è stato fatto sugli ecosistemi terrestri per… • L’eterogeneità del mezzo • La difficoltà di riprodurre le condizioni del suolo • La difficoltà di reperire specie effettivamente rappresentative • La difficoltà di determinare i contaminanti in matrici complesse e non convenzionali come gli stessi suoli e i vegetali • La mancanza di normativa specifica 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 7

Approccio ecotossicologico classico Saggi monospecifici in laboratorio 13/11/2002 Effetti in natura Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 8

Effetti in natura a livello di… • popolazione, come numero di individui, rapporto sessi, efficienza riproduttiva, ecc. • comunità, come variazione della diversità di specie • analisi quantitativa di contaminanti nelle varie matrici ambientali o negli organismi 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 9

ma non fornisce indicazioni su … • biodisponibilità dei contaminanti e loro possibili percorsi, dunque sui possibili effetti sul sistema. • rapporti tra concentrazioni di contaminante e effetti su organismi, popolazioni e comunità, visto il numero elevatissimo di variabili ambientali coinvolte in tali processi. 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 10

saggi monospecifici • fanno uso di popolazioni naturali o ceppi di laboratorio • sono già accettati e standardizzati 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 11

Costituiscono un approccio riduzionistico al problema, ma danno indicazioni su … relazioni dose/effetto, potenzialità tossiche, mutagene, cancerogene, ecc. effetti subletali e alterazioni di tipo comportamentale quale attività locomotoria, fototassi, geotassi, ecc. 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 12

e inoltre funzionano anche … per la valutazione della tossicità di campioni provenienti dalla natura, di composizione in sostanze tossiche non nota 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 13

Su questa base sono stati messi a punto saggi con macrofite terrestri e acquatiche i sistemi di crescita sono standardizzabili Gli effetti si possono valutare in termini di accrescimento postgerminativo e di accumulo di contaminanti nelle matrici biologiche 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 14

I sistemi messi a punto sono: • su terreno solido (Murashige & Skoog agarizzato) per le piante terrestri • su terreno liquido (Hoagland) per le piante acquatiche 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 15

I composti saggiati per valutarne la fitotossicità sono antibiotici • Sulfadimetossina (Sulfamidico) • Flumequina (Chinolonico) 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 16

Su terreno solido la fitotossicità di antibiotici è stata saggiata su: ² Piante da raccolto orzo Hordeum distichum, mais Zea mays, miglio Panicum miliaceum, piselli Pisum sativum ² Piante infestanti Amaranthus retroflexus Plantago major Rumex acetosella Lythrum salicaria 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 17

La fitotossicità su terreno solido è stata valutata in termini di … • Lunghezza (radice primaria, ipocotile, cotiledoni, foglie) • Numero (radici secondarie, foglie) • Peso (pianta intera, radici, fogliame) • Bioaccumulo di contaminante 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 18

Fitotossicità sulle piante da raccolto (mais, miglio, piselli) La sulfadimetossina (300 mg/l) determina la riduzione delle dimensioni di radici e fusto e del numero di foglie … 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 19

Hordeum (orzo) Fitotossicità sulle piante da raccolto La sulfadimetossina (300 mg/l) determina la riduzione delle dimensioni di radici e non dell’epicotile … 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 20

Hordeum (orzo) Struttura Produzione (%) controllo trattato 100 Radici 98 92 1 a foglia 94 85 2 a foglia 85 48 3 a foglia 85 8 4 a foglia 31 4 5 a foglia 2 0 6 a foglia 2 0 Epicotile 13/11/2002 … inibisce la produzione delle strutture della pianta (radici e foglie) e … Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 21

Hordeum (orzo) … inoltre determina la riduzione delle dimensioni delle foglie … 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 22

… e riduzione del peso delle piante. Pianta H. districum Pianta intera Radici Z. mays Foglie 13/11/2002 Peso (mg) controllo 242, 81 trattato 116, 31 controllo 368, 43 trattato 204, 62 controllo 382, 71 trattato 178, 85 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 23

La causa di tali riduzioni è l’accumulo di sulfamidico Accumulo (mg/g) Hordeum disticum Panicum miliaceum Pisum sativum Zea mays 13/11/2002 totale x giorno radici 1. 234 53, 65 foglie 1. 063 46, 62 radici 2. 070 254 foglie 110 13 radici 178 9, 7 foglie 60 3, 2 radici 268 31, 42 foglie 12, 5 1, 46 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 24

Fitotossicità sulle piante infestanti amaranto La sulfadimetossina (300 mg/l) determina la riduzione delle dimensioni di radici e foglie piantaggine acetosella 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 25

La causa di tale riduzione è l’accumulo di sulfamidico mg/g 13/11/2002 Amaranthus Plantago Rumex 2. 314 6. 065 981 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 26

Anche la Flumequina mostra effetti fitotossici in saggi su terreno solido Lythrum salicaria L. 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 27

Lythrum (salcerella) I test di laboratorio con 100 mg/l di Flumechina mostrano riduzione delle dimensioni delle radici primarie, dell’ipocotile e dei cotiledoni e del numero delle radici secondarie. . . 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 28

Lythrum . . . mostrano anche riduzione del numero e delle dimensioni delle foglie 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 29

Anche in questo caso causa della fitotossicità è l’accumulo di farmaco Il contenuto di Flumequina nelle piante è • 64, 9 mg/g peso secco (ppm) dopo 10 giorni di esposizione • 31, 6 ppm dopo 20 giorni • 15, 7 ppm dopo 30 giorni 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 30

… invece a concentrazioni più basse la risposta è l’ormesi (sensu Stebbings, 1993) 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 31

Di nuovo causa della fitotossicità è l’accumulo di farmaco dopo 35 giorni il contenuto di Flumechina delle piante è • 13, 3 mg/g peso secco (ppm) a 5000 mg/l • 8, 7 ppm at 1000 mg/l • 0, 7 ppm at 500 mg/l • 0, 3 ppm 100 mg/l • 0, 2 ppm at 50 mg/l 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 32

Su terreno liquido la fitotossicità di antibiotici è stata saggiata su: ² Piante acquatiche Azolla filiculoides Lemna minor 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 33

La fitotossicità viene valutata in termini di … • Biomassa prodotta (pianta intera) • Quantità di clorofilla (a/b) • Bioaccumulo di contaminante 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 34

Fitotossicità sulle piante acquatiche (Azolla, Lemna) Azolla La sulfadimetossina (300 mg/l) determina una consistente riduzione dell’accrescimento in Azolla, e non altrettanto in Lemna … Lemna 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 35

La causa di tali alterazioni è l’accumulo di sulfamidico mg/l nel mezzo Azolla filiculoides T 50 Lemna minor 13/11/2002 mg/g nella pianta 1, 33 T 150 3, 18 T 300 19, 58 T 450 45 T 50 5, 11 T 100 14, 51 T 500 53, 47 T 1000 94, 38 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 36

I saggi di ecotossicità effettuati sulle macrofite ci permettono di concludere che i test possono essere 0 standardizzati utilizzando terreni sintetici che aggirano la difficoltà di riprodurre le condizioni del suolo 0 effettuati su numerose specie perché le piante rispondono bene ai contaminanti (almeno agli antibiotici!) 0 validati su numerosi parametri demografici e biochimici 0 utili per quantificare i contaminanti nei vegetali e quindi prevedere i rischi per la comunità (trasferimento lungo le reti trofiche …) 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 37

. . . inoltre con questi sistemi • è possibile ridurre la concentrazione di farmaci quali sulfamidici e chinoloni in acque reflue contaminate • è possibile selezionare specie utilizzabili nella bioremediation di siti contaminati 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 38

Esempio di bioremediation Azolla filiculoides assorbe e degrada la Sulfadimetossina in proporzione alla dose Ripartizione della Sulfadimetossina (T 50 = 50 mg/l; T 150 = 150 mg/l; T 300 = 300 mg/l; T 450 = 450 mg/l) 13/11/2002 Degradata dalla pianta Degradata dall’ambiente Bioccumulata Residua nel mezzo Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 39

. . . quindi i modelli di ecotossicità rappresentano anche un consistente punto di partenza per la bioremediation, in particolare, l’uso di colture miste (Azolla, Lemna, Lythrum) potrebbe ottimizzare la rimozione 13/11/2002 Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 40

E H T 13/11/2002 D N E Corso di formazione "Le acque superficiali e i sedimenti" Roma - 2002 41