Il gioco pericoloso della biomagnificazione

In ecotossicologia, il bioaccumulo è il processo attraverso cui elementi o molecole inorganiche e organiche si accumulano all'interno di un organismo, in concentrazioni superiori a quelle riscontrate nell'ambiente circostante. Questo accumulo può avvenire attraverso qualsiasi via espositiva, come l’assunzione di acqua, di cibo, la respirazione o per contatto diretto, a seconda delle caratteristiche delle sostanze. Questo processo riguarda il singolo organismo, isolato dal suo contesto ecologico. Stefano Polesello, dell’Istituto di ricerca sulle acque (Irsa) del Cnr, spiega da un punto di vista ecologico quali sono le principali differenze tra bioaccumulo e biomagnificazione e come si intrecciano questi fenomeni in una catena alimentare. 

“La biomagnificazione si definisce come un fenomeno di accumulo crescente di una sostanza lungo una catena trofica. Affinché si abbia biomagnificazione è necessario che la concentrazione della sostanza sia più alta nell'organismo predatore rispetto a quella rilevabile nelle prede in modo che l'accumulo di sostanze aumenti di concentrazione man mano che si sale al livello trofico successivo nella piramide alimentare, all'interno della cosiddetta rete trofica. È importante sottolineare che il bioaccumulo è una condizione necessaria per avere biomagnificazione, ma non tutte le sostanze che bioaccumulano necessariamente biomagnificano”, chiarisce il ricercatore. 

La ricerca ha documentato il bioaccumulo di numerosi inquinanti, come metalli pesanti e pesticidi, negli organismi acquatici. Vediamo allora quali sono i principali fattori che favoriscono questo processo. “Il potenziale di bioaccumulo di una sostanza dipende dalle sue caratteristiche chimico-fisiche intrinseche, dalla probabilità che un organismo sia esposto alla sostanza attraverso le diverse vie espositive e dalla capacità del singolo organismo di eliminare la sostanza per metabolismo o escrezione. Ad esempio, una sostanza molto labile o poco persistente difficilmente è bioaccumulabile, poiché ha bassi tempi di residenza in ambiente o tende a essere facilmente metabolizzata dagli organismi. Anche molecole o ioni persistenti, ma molto polari e solubili, sono difficilmente bioaccumulati  perché facilmente escreti. Al contrario, vi sono sostanze parzialmente persistenti o polialogenate, come le sostanze policlorurate, che si accumulano preferenzialmente nei grassi", continua Polesello. 

Ma in che modo l'ambiente circostante, come la qualità dell'acqua o la presenza di altre sostanze chimiche, può influenzare la velocità e l'intensità del bioaccumulo in una determinata specie? “Tutti i fattori esterni influenzano principalmente le vie espositive, ovvero la probabilità che un organismo sia esposto alla sostanza stessa. Per gli organismi immersi in acqua, le caratteristiche dell’acqua sono fondamentali in quanto interagiscono con i meccanismi di assorbimento/adsorbimento ed eliminazione, che sono specie-specifici (l’effetto di una sostanza in acqua non dipende solo dalla sostanza stessa, ma anche dalle caratteristiche dell’acqua e dall’organismo considerato). Quello che è facilmente assorbito (o eliminato) da una specie può non esserlo per un’altra, soprattutto se le condizioni dell’acqua cambiano. Per esempio, se una molecola è poco solubile in acqua e tende ad adsorbirsi sul particolato sospeso, la via di assunzione alimentare sarà preponderante rispetto all’assorbimento tramite la via respiratoria. Se l’acqua presenta un’alta percentuale di materia sospesa - magari dovuta a uno scarico di depurazione urbana -l’accumulo alimentare sarà maggiore”, risponde l’esperto. 

Ci sono degli effetti a lungo termine del bioaccumulo nelle specie marine e terrestri e si possono notare differenze significative tra i vari ecosistemi in termini di impatto. “Il bioaccumulo può agire in qualche caso come un sistema di inertizzazione delle sostanze. Nel caso delle molecole policlorurate, come Ddt, Pcb, Pbde e diossine, esse vengono accumulate e inertizzate nei tessuti adiposi. La loro mobilizzazione avviene solo in momenti critici, come la carestia o l’allattamento, comportando la rischiosa trasmissione alla prole in fase di sviluppo. In altri casi, l’accumulo di molecole in tessuti come il sangue e il fegato, come avviene per le molecole perfluoroalchiliche (Pfas), le rende pervasive nell’organismo e ne amplifica il potenziale di generare effetti indesiderati, tossici, cancerogeni o di interferenza endocrina. L’impatto è sempre specie-specifico, perché ciascuna specie possiede meccanismi propri di metabolizzazione e/o escrezione, oltre a una vulnerabilità propria in termini di effetti indesiderati”, afferma lo studioso. 

Vediamo invece come nel fenomeno della biomagnificazione si spiega l'aumento progressivo della concentrazione di inquinanti a livelli trofici più alti e qual è l'importanza di questo processo in una catena alimentare. “Il processo di biomagnificazione si basa sul principio della piramidalità della catena trofica. I livelli trofici più bassi, come le alghe e le piante (organismi autotrofi), hanno una biomassa totale molto più elevata dei livelli superiori. Man mano che gli organismi diventano più complessi, la biomassa totale relativa a quel livello trofico si riduce. Se una sostanza è bioaccumulabile anche ai livelli trofici inferiori e non vi sono meccanismi efficaci di eliminazione, gli organismi superiori che si nutrono di quelli inferiori assumono tutta la massa dell’inquinante, ma questa viene concentrata in una biomassa totale inferiore”, spiega Polesello. “Ripetendo questo processo per ogni livello trofico, i predatori terminali - mammiferi o uccelli nelle catene acquatiche, o anche l'uomo nelle catene terrestri - possono raggiungere concentrazioni molto elevate di inquinanti, rendendo talvolta possibile il raggiungimento di una concentrazione critica di effetto, tipica di ogni sostanza in un certo organismo. Per semplificare questo processo, si può immaginare un gioco: se ai produttori primari si assegna una pallina che rappresenta l’inquinante, e i predatori si ‘mangiano’ accumulando le palline, il predatore terminale avrà raccolto le palline di tutti e sarà ‘avvelenato’”. 

In alcune regioni del mondo, i predatori apicali come orche, aquile e altri grandi carnivori mostrano livelli elevatissimi di inquinanti. Questi animali, che occupano il vertice della catena alimentare, risentono della biomagnificazione, sia in termini di salute individuale che a livello di popolazione. “I predatori terminali, che siano mammiferi o uccelli nel caso delle catene acquatiche o terrestri (uomo incluso), possono raggiungere concentrazioni di inquinanti molto elevate nel loro organismo. Questo accumulo può portare al raggiungimento di una concentrazione critica di effetto, tipica di ogni sostanza in quel particolare organismo; è importante specificare che i metalli pesanti generalmente bioaccumulano ma non biomagnificano, a eccezione del mercurio nella sua forma metilata. Il mercurio viene metabolizzato dagli organismi inferiori, a partire dalla comunità microbica, e trasformato in un metabolita metilato organico (una sostanza organica prodotta dal metabolismo, alla quale è stato aggiunto un gruppo metile, modificandone le proprietà chimiche e biologiche). In questa forma, è meglio assimilato e può 'biomagnificare' negli organismi superiori. È per questo motivo che è potenzialmente pericoloso mangiare pesci di grossa taglia come tonni, pesci spada e squali, in quanto occupano i piani alti della piramide alimentare e possono accumulare grandi quantità di metilmercurio, una sostanza molto tossica”, evidenzia il ricercatore del Cnr-Irsa. 

Gli Pfas sono diventati un argomento di grande preoccupazione per la comunità scientifica negli ultimi anni. Queste sostanze chimiche si accumulano negli organismi viventi e giuocano un ruolo significativo nel fenomeno del bioaccumulo. “I Pfas hanno due caratteristiche fondamentali: sono utilizzati in molteplici campi delle attività umane, con conseguenti fonti di contaminazione diffuse ovunque, e alcuni di essi, in particolare le sostanze di complemento perfluorurate (composti organici di fluoruri alchilici dotati di proprietà tensioattive, in particolare idrorepellenti e oleorepellenti), sono estremamente persistenti e mobili. La combinazione di queste caratteristiche implica che tutti gli organismi, uomo incluso, sono esposti costantemente a queste sostanze. Tuttavia, non tutti i Pfas sono bioaccumulabili. I Pfas hanno catene lipofile unite a una testa polare, il che li rende potenzialmente dei tensioattivi. Quanto più è lunga la catena perfluorurata, tanto più le molecole sono bioaccumulabili; quando hanno catene corte (meno di 6 atomi di carbonio), prevale la testa polare e divengono più solubili e meno accumulabili. A differenza delle sostanze policlorurate, i Pfas non si accumulano nei tessuti adiposi, ma hanno maggiore affinità per proteine come l’albumina del sangue. Perciò, i comparti di accumulo preferenziali sono il sangue e il fegato. Essendo nel tessuto sanguigno, i Pfas tendono a irrorare tutti gli organi, inclusi quelli che superano la barriera ematoencefalica, aumentando la probabilità di indurre effetti indesiderati sui vari organi”, avverte lo studioso. 

Gli Pfas sono noti per la loro "persistenza ambientale", ovvero per la capacità di rimanere nell'ambiente e nel corpo umano per periodi di tempo molto lunghi. Di conseguenza sono particolarmente difficili da eliminare rispetto ad altri inquinanti. “Uno dei punti critici per l’accumulo è avere un basso tasso di eliminazione. Nel caso degli organismi acquatici superiori come i pesci, l’eliminazione attraverso le branchie è abbastanza efficace per i Pfas più corti, ma non per quelli a catena più lunga, in particolare il Pfos (Acido perfluoroottansolfonico). Questa molecola è il Pfas più accumulato in tutti gli organismi viventi ed è onnipresente, anche a causa della sua massiccia produzione e utilizzo per 60 anni. Nel caso degli esseri umani, il processo di eliminazione è molto lento. Per i principali Pfas a cui siamo esposti (Pfos e Pfoa-Acido erfluoroottanoico), i tempi di dimezzamento sono dell’ordine di alcuni anni. Questa lentezza è dovuta alla presenza di particolari proteine a livello renale che facilitano il riassorbimento dei Pfas. Tali proteine sono specie-specifiche; ad esempio, le scimmie non riassorbono i Pfas e quindi non li accumulano come l’uomo. Poiché l’escrezione attraverso il sistema respiratorio è efficace negli organismi acquatici come i pesci, la biomagnificazione dei Pfas è molto bassa in questi habitat, e predatori terminali come gli squali non presentano livelli particolarmente elevati di Pfas. Tuttavia, i predatori terminali della catena acquatica che respirano aria, come mammiferi marini, orsi polari e uccelli acquatici, mostrano un’elevata biomagnificazione. I loro sistemi di respirazione a scambio di aria gassosa sono inefficaci nell’eliminazione dei Pfas, portandoli ad accumulare livelli molto significativi anche in aree remote", conclude Polesello. 

Fonte: Stefano Polesello, Istituto di ricerca sulle acque, stefano.polesello@cnr.it