Metalli in acqua dolce

Cosa avviene negli ecosistemi di acqua dolce in caso di eccesso di metalli

Tre paesi - Stati Uniti, Germania, Russia - aventi soltanto l'8% della popolazione mondiale consumano circa il 75% dei metalli piu' usati del mondo. Gli Stai Uniti, con il 4.5% della popolazione mondiale, usano circa il 20% dei metalli e il 25% dei combustibili fossili prodotti ogni anno nel mondo.

Come i metalli entrano nell'acqua dolce
I metalli sono introdotti nei sistemi acquatici come conseguenza dell'erosione di terreni e roccie, dalle eruzioni vulcaniche, e da diverse attività umane che coinvolgono estrazione mineraria, trattamento, o uso di metalli e/o sostanze che contengono metalli inquinanti. Gli inquinanti più comuni formati da metalli pesanti sono arsenico, cadmio, cromo, rame, nichel, piombo e mercurio. Esistono diversi tipi di sorgenti di sostanze inquinanti: sorgenti puntuali(inquinamento localizzato), in cui le sostanze inquinanti provengono da un singolo punto identificabile. Il secondo tipo di sorgenti di sostanze inquinanti sono le sorgenti non puntuali, in cui le sostanze inquinanti provengono da sorgenti disperse (e spesso difficili identificare). Esistono soltanto alcuni esempi di inquinamento localizzato di metalli, come l'erosione naturale di masse minerali e le poche particelle del metallo che provengono da impianti di combustione del carbone tramite le ciminiere in aria, acqua e terreni intorno alla fabbrica. L'inquinamento metallico più comune in d'acqua dolce viene dalle aziende di estrazione mineraria. Esse usano solitamente una rete di drenaggio per minerali acidi per liberare i metalli pesanti dai minerali, perché i metalli sono molto solubili in una soluzione acida. Dopo il processo di drenaggio, disperdono la soluzione acida nell'acqua freatica, che contiene quindi livelli elevati di metalli. Veda anche acidi & alcali.

Il termine 'metallo pesante' è piuttosto impreciso, ma include la maggior parte dei metalli con un numero atomico superiore a 20, ed esclude i metalli alcali, terre alcaline, lantanidi ed antinidi.

Cosa succede quando dei metalli in eccesso entrano negli ecosistemi di acqua dolce?
Quando il pH dell'acqua diminuisce, solubilità del metallo aumenta e le particelle del metallo diventano più mobili. Ecco perchè i metalli sono più tossici in acque dolci. Essi possono fissarsi a sedimenti sul fondo, dove rimangono per molti anni. I corsi d'acqua provenienti da zone estrattive sono spesso molto silicei e contengono elevate concentrazioni di metalli dissolti con poca vita acquatica. L'inquinamento da parte di metalli sia localizzato che disperso causa danni ambiantali perché i metalli non sono biodegradabili. A differenza di alcuni antiparassitari organici, i metalli non possono scindersi in componenti meno nocive per l'ambiente.
Campbell e Stokes (1985) descrissero due contrastanti risposte degli organismi ai metalli tossici con
la diminuzione del pH:
- se la specializzazione e' ridotta e i legami metallici sono deboli sulla superfice biologica, una diminuzione del pH porta ad una diminuzione della cometizione per i siti di legame da parte degli ioni idrogeno
- se la specializzazione e' elevata e i legami metallici sono forti sulla superfice biologica, il principale effetto della diminuzione del pH e' una diminuzione della disponbilita' del metallo.
La forma ionica di un metallo è generalmente più tossica, perché può formare composti tossici con altri ioni. Le reazioni di trasferimento elettronico che sono legate all'ossigeno possono portare alla produzione dei ossidoradicali tossici, meccanismo di tossicità ora noto per essere imporante sia per gli animali che per le piante. Alcuni osidoradicali, quali l'anione superossido (O2 -) ed il radicale dell'idrossile (OH -), possono causare seri danni cellulari.

Alcune sostanze inquinanti inorganiche sono assimilate dagli organismi in misura maggiore di altre. Ciò è riflesso nel fattore di bioconcentrazione (BCF), che può essere espresso come segue:
BCF = concentrazione del prodotto chimico nell'organismo / concentrazione del prodotto chimico nell'ambiente esterno.

L'ambiente esterno per gli organismi acquatici e' solitamente acqua o sedimenti. Per i prodotti chimici inorganici, il limite di bioaccumulazione di lunga durata dipende dal tasso di escrezione. I prodotti chimici tossici possono essere immagazzinati nei tessuti delle specie, particolarmente nei tessuti grassi. La bioaccumulazione del cadmio negli animali è alta se confrontata con la maggior parte degli altri metalli; cosi' come è assimilato velocemente, è anche espulso lentamente. Inoltre la sensibilità degli individui di una particolare specie ad una sostanza inquinante può essere influenzata dai fattori quali sesso, età, o dimensioni. In generale le concentrazioni dei metalli negli invertebrati è inversamente collegata alla massa del loro corpo. Nei pesci,le fasi embrionale e larvale sono solitamente più sensibili alle sostanze inquinanti. Gli organismi bentonici sono probabili essere il più direttamente influenzati dalla concentrazione di metallo nei sedimenti, poiché il fondo marino è l'ultimo deposito dei materiali polverizzati che sono lavati nei sistemi acquatici.

Some inorganic pollutants are assimilated by organisms to a greater extent than others. This is reflected in the Bioconcentration Factor (BCF), which can be expressed as follows:
BCF = concentration of the chemical in the organism / concentration of the chemical in the ambient environment.

Tolleranza al metallo
Alcuni metalli, come manganese, ferro, rame, e zinco sono micronutrienti essenziali: sono essenziali per le vita nelle giuste concentrazioni, ma se in eccesso questi prodotti chimici possono essere tossici. Allo stesso tempo, basse esposizioni croniche ai metalli pesanti possono avere seri effetti sulla salute a lungo termine.
Tolleranza ai metalli è stata inoltre registrata in invertebrati ed in pesci. Dopo l'esposizione per 24 ore ad una concentrazione di rame di 0.55 mg/l, la trota iridea ha mostrato un'inibizione del 55 % all'assorbimento del sodio e una riduzione del 4 % dell'affinità al sodio, che ha provocato una diminuzione generale nella concentrazione totale di sodio della proteina ricca di solfidrilico (Lauren e McDonald 1987a,b). La proteina è stata considerata come un metallotionein. Tali proteine a basso peso molecolare contengono molti amminoacidi ricchi in zolfo che legano e disintossicano alcuni
metalli. Il pretrattamento di un organismo con basse dosi di un metallo può stimolare la sintesi del metallotionein e aiutare la tolleranza durante l'esposizione successiva (Pascoe e Beattie, 1979).
Molti fiumi sono inquinati da metalli pesanti provenienti dai vecchi cantieri ed alcune specie di alghe diventano molto tolleranti a condizioni inquinate. Un'indagine su 47 luoghi con diverse concentrazioni di zinco hanno dimostrato che l'alga verde filamentosa 'Hormidium rivulare' e' presente ovunque, dal momento che tollarra concentrazioni di zinco di 30.2 mg/l.

Tossicita' dei metalli
Per la salvaguardia della salute umana le concentrazione massime ammesse per i metalli nelle acque naturali racommandata dall'EPA (agenzia per la protezione ambiantale) sono elencate qui sotto:

Concentrazione massima ammessa (MPC) per diversi metalli nell'acqua naturale per la salvaguardia della salute umana

Metal	Chemical Symbol	mg m^-3
Mercurio	Hg	0.144
Piombo	Pb	5
Cadmio	Cd	10
Selenio	Se	10
Tallio	Tl	13
Nickel	Ni	13.4
Argento	Ag	50
Manganese	Mn	50
Cromo	Cr	50
Ferro	Fe	300
Bario	Ba	1000

Source: EPA (1987); Federal Register 56 (110): 26460-26564 (1991).

Questa tavola dà un'idea della tossicità relativa di vari metalli. Il mercurio, il piombo ed il cadmio non sono richiesti da nessun organismo, neppure in piccole quantita'.
Poiché i metalli sono piuttosto insolubili a pH neutro o basico, i pH di 7 o superiori danno un'immagine altamente ingannevole del grado di inquinamento da parte di metalli. Così in alcuni casi puo' succedere di sottovalutare significativamente la concentrazioni totali dei metalli in acque naturali.