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Molte sostanze chimiche diverse sono considerate inquinanti, da semplici ioni inorganici a complesse molecole organiche.
Gli inquinanti dell'acqua sono tutti suddivisi in varie classi. Ogni classe di inquinanti ha i suoi modi specifici di entrare nell'ambiente e i suoi pericoli specifici. Tutte le classi contengono importanti inquinanti che sono noti a molte persone, a causa dei vari effetti sulla salute.
Inquinanti organici
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I composti organici sono composti costituiti da lunghi legami, generalmente costituiti da carbon. Molti composti organici sono i tessuti di base degli organismi viventi. Molecole costituite da carbonio e da carbonio e hydrogen non sono polari e hanno poca o nessuna solubilità in acqua. Hanno poca o nessuna carica elettrica.
Il comportamento dei composti organici dipende dalla loro struttura molecolare, dimensione e forma e dalla presenza di gruppi funzionali che sono importanti determinanti della tossicità.
È importante conoscere la struttura dei composti organici, al fine di prevederne il destino negli organismi viventi e nell'ambiente. I composti organici pericolosi per l'ambiente sono tutti prodotti dall'uomo e sono esistiti solo nel secolo scorso.
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Organic pollutant: oil
(environmental disaster in Spain)
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Esistono molti tipi diversi di inquinanti organici, ad esempio:
- Idrocarburi. Questi sono legami carbonio-idrogeno. Possono essere suddivisi in due classi, la prima degli alcani a legame singolo, alcheni a doppio legame e alchini a triplo legame (gas o liquidi) e la seconda degli idrocarburi aromatici, che contengono strutture ad anello (liquidi o solidi). Gli idrocarburi aromatici come gli IPA sono molto più reattivi di qualsiasi altro tipo di idrocarburi di prima classe.
- I PCB sono fluidi stabili e non reattivi utilizzati come fluidi idraulici, fluidi refrigeranti/isolanti nei trasformatori e plastificanti nelle vernici. Ci sono molti PCB differenti. Nessuno di loro è solubile in acqua. In molti paesi i PCB sono soggetti a restrizioni.
- Gli insetticidi come il DDT sono molto pericolosi perché si accumulano nei tessuti adiposi degli animali inferiori per poi entrare nella catena alimentare. Sono stati limitati per decenni.
- Detergenti. Questi possono essere sia polari che non polari.
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Concimi inorganici
Alcuni inquinanti inorganici non sono particolarmente tossici, ma rappresentano comunque un pericolo per l'ambiente perché sono ampiamente utilizzati. Questi includono fertilizzanti, come nitrates e phosphates. Nitrati e fosfati causano fioriture algali nelle acque superficiali, che causano la oxygenlivello dell'acqua a diminuire. Ciò causa la carenza di ossigeno a causa dell'assorbimento di ossigeno da parte dei microrganismi che abbattono le alghe. Questa si chiama eutrofizzazione.
Metalli
La prima classe a cui faremo riferimento qui è quella dei metalli. I metalli sono buoni conduttori di elettricità e generalmente entrano nelle reazioni chimiche come ioni positivi, noti come cationi. I metalli sono sostanze naturali che si sono formate attraverso l'erosione dei giacimenti minerari, dove si sono depositati durante l'azione vulcanica. Possono essere trasferiti in situazioni in cui possono causare gravi danni ambientali. Esempi di metalli sono: lead, zinc, manganese, calcium e potassium. Si trovano nelle acque superficiali nelle loro forme ioniche stabili. I metalli non naturali possono essere molto pericolosi, perché spesso provengono da reazioni nucleari artificiali e possono essere fortemente radioattivi.
I metalli possono reagire a prodotti pericolosi con altri ioni. Sono spesso coinvolti nelle reazioni di trasferimento di elettroni che coinvolgono l'ossigeno. Questo può portare alla formazione di ossiradicali tossici.
I metalli possono formare metalloidi e quindi legarsi a composti organici per formare sostanze lipofile che sono spesso altamente tossiche e possono essere immagazzinate nella riserva di grasso di animali e umani. I metalli possono anche legarsi alle macromolecole cellulari nel corpo umano.
I metalli pesanti sono i metalli più pericolosi. Hanno una densità maggiore di 5 e sono quindi detti pesanti.
I metalli non possono essere scomposti in componenti meno dannosi, poiché non sono biodegradabili. L'unica possibilità che gli organismi hanno contro i metalli è di immagazzinarli nei tessuti del corpo dove non possono fare alcun danno.
Gli organismi hanno bisogno di metalli, poiché sono essenziali per la loro salute e sono solitamente componenti essenziali degli enzimi.
Isotopi radioattivi
Le emivite e le modalità di decadimento degli isotopi radioattivi determinano quanto siano pericolosi per l'uomo. Gli esseri umani creano tutti gli isotopi radioattivi nell'industria nucleare. Ci sono ancora dibattiti in corso sul fatto che i benefici dell'energia nucleare superino i pericoli delle radiazioni radioattive. Quando un atomo di una sostanza radioattiva decade, può produrre quattro tipi di particelle: alfa, beta, gamma e neutroni.
Le particelle alfa possono percorrere solo una breve distanza attraverso l'aria e i tessuti umani, ma possono essere molto dannose se si scontrano con le cellule a causa della loro grande massa. Sono caricati positivamente.
Le particelle beta sono più penetranti, ma fanno molto meno danno delle particelle alfa. Sono caricati negativamente.
I raggi gamma sono altamente penetranti. Il loro danno è simile a quello dei raggi beta.
I neutroni vengono liberati attraverso la radiazione e reagiscono con altri elementi attraverso la collisione. Sono la base per la fissione nucleare in un reattore.
La radioattività di una sostanza viene misurata in bequerel, ma questo non esprime la quantità di danno tissutale che le radiazioni provocano. Questo è il motivo per cui la quantità di radiazione che fa sì che 1 kg di tessuto assorba 1 joule di energia è ora espressa in grigi. Diversi tipi di radiazioni possono causare diversi tipi di danni, perché l'energia viene impartita ai tessuti in modi diversi. Questo è espresso in sievert. Una quantità di radiazioni alfa può fare venti volte il danno della stessa quantità di radiazioni beta. La materia radioattiva deve essere conservata in deposito per diversi periodi di tempo, al fine di eliminare il pericolo. Quanto tempo deve essere conservato dipende dall'emivita degli isotopi; il tempo impiegato per il decadimento della metà degli atomi di un isotopo radioattivo.
Lo scarico delle acque reflue rappresenta una delle principali fonti di inquinamento globale. I rifiuti domestici e industriali vengono scaricati nelle acque superficiali attraverso le reti fognarie. In alcuni casi i rifiuti industriali vengono rilasciati direttamente nelle acque superficiali. La qualità delle acque reflue che entrano nelle acque superficiali dipende dagli inquinanti che sono presenti nelle acque reflue e dalla misura in cui vengono trattate prima di essere portate a contatto con le acque superficiali.
Le acque reflue domestiche sono costituite principalmente da carta, sapone, urina, feci e detersivi. I rifiuti industriali sono vari e dipendono dai processi specifici degli impianti da cui provengono.
I metalli pesanti sono associati alle operazioni di estrazione e fusione, i clorofenoli e i fungicidi con le fabbriche di pasta di legno, gli insetticidi con le fabbriche di antitarme, diversi prodotti chimici organici con l'industria chimica e le sostanze radioattive con le centrali nucleari.
A terra i rilasci di rifiuti industriali sono strettamente controllati, ma l'estrazione offshore di petrolio e manganese porta allo scarico diretto di sostanze inquinanti nei mari. I rifiuti radioattivi vengono scaricati in mare in grandi barili di cemento a decadere, ma spesso i barili iniziano ad avere difetti dopo un po'. I rappresentanti delle fabbriche spesso spediscono rifiuti in mare per scaricarli illegalmente, perché è molto costoso purificare l'acqua.
Il petrolio viene rilasciato in mare attraverso petroliere e naufragi e pesticidi vengono applicati all'acqua per controllare i parassiti acquatici. Le vernici sulle barche decadranno durante i lunghi viaggi sull'oceano e alla fine finiranno nell'acqua.
Durante il periodo di crescita delle colture nitrati e fosfati vengono assorbiti dalle piante, ma quando le piante muoiono vengono rilasciate dal materiale vegetale morto nel terreno e spesso finiscono nelle acque superficiali.
Fatta eccezione per le cause deliberate di inquinamento delle acque superficiali, gli inquinanti possono anche entrare accidentalmente nell'ambiente idrico, ad esempio per deposizione atmosferica. I pesticidi possono entrare facilmente nelle acque superficiali in questo modo, perché vengono applicati sotto forma di goccioline o spruzzi. Gli inquinanti presenti sul suolo possono entrare nelle acque superficiali attraverso forti piogge o infiltrarsi nel suolo ed entrare nelle acque superficiali attraverso le acque sotterranee.
Gli effetti degli inquinanti si notano soprattutto nei piccoli mari interni e nei laghi. Questo perché gli oceani hanno un sistema di diluizione naturale per gli inquinanti in entrata, mentre i laghi non hanno uno sbocco efficace. A causa di ciò, molto dipende dal tasso di degradazione e dalle precipitazioni che rimuoveranno gli inquinanti dall'acqua.
Gli inquinanti possono esistere nell'acqua in diversi stati. Possono essere disciolti o possono essere in sospensione, il che significa che esistono sotto forma di goccioline o particelle. Gli inquinanti possono anche essere disciolti in goccioline o assorbiti da particelle. Tutti gli stati di inquinamento possono percorrere grandi distanze attraverso l'acqua in molti modi diversi.
Il particolato può cadere sul fondo di torrenti e laghi o risalire in superficie, a seconda della sua densità. Ciò significa che rimane per lo più nella stessa posizione quando l'acqua non scorre molto velocemente. Nei fiumi, gli inquinanti di solito percorrono grandi distanze. La distanza percorsa dipende dalla stabilità e dallo stato fisico dell'inquinante e dalla velocità di scorrimento del fiume. Gli inquinanti possono viaggiare più lontano quando sono in soluzione in un fiume che scorre veloce. Le concentrazioni su un sito sono quindi generalmente basse, ma l'inquinante può essere rilevato in molti più siti rispetto a quando non sarebbe stato trasportato così facilmente.
Nei laghi e negli oceani gli inquinanti vengono trasportati dalle correnti. Ci sono molte correnti negli oceani, che sono guidate dal vento. Ciò consente a un inquinante di viaggiare da un continente all'altro.
Solitamente contiamo sulla capacità degli oceani di ridurre la concentrazione di inquinanti, la cosiddetta 'capacità autopulente' degli oceani. Ma questo non sempre funziona, perché il movimento delle correnti negli oceani non è uniforme. Ciò fa sì che le acque costiere abbiano spesso livelli di inquinamento sostanzialmente più elevati rispetto al mare aperto.
Quando gli inquinanti persistenti si accumulano nei pesci o negli uccelli marini, non solo diventano un pericolo tossico per le catene alimentari acquatiche, ma possono anche percorrere grandi distanze all'interno di questi animali e finire nelle catene alimentari di aree non inquinate.
I processi fisici determinano il movimento delle sostanze chimiche all'interno dell'acqua; il movimento dipende dalle proprietà delle sostanze chimiche stesse e dalle proprietà dell'acqua. Questi processi saranno descritti qui.
L'acqua è un liquido polare. Ciò significa che l'atomo di ossigeno in una molecola d'acqua attira gli elettroni degli atomi di idrogeno, in modo che questi sviluppino cariche positive parziali. L'atomo di ossigeno riceve una parziale carica negativa, attraverso la quale può attrarre atomi di altre molecole d'acqua per formare legami idrogeno. Nei composti non polari, come gli idrocarburi, non c'è quasi nessuna separazione di carica e di conseguenza non si dissolvono in acqua.
L'acqua tende a formare aggregati in cui altre quattro molecole circondano ciascuna molecola d'acqua. I cationi e gli anioni hanno un'affinità per le parti dell'acqua che portano una carica opposta, così che gli aggregati d'acqua vengono disgregati e gli ioni si dissolvono. Molti sali organici e composti organici polari sono solubili in acqua, ma i liquidi organici non polari non lo sono.
Da ciò possiamo concludere che le molecole che possono eseguire la separazione di carica possono dissolversi facilmente in acqua, mentre le molecole che non hanno cariche sono poco solubili in acqua.
Una conseguenza della polarità è l'effetto idrofobico. Nel processo di formazione di aggregati con molecole cariche, l'acqua esclude attivamente le sostanze non polari. Ciò porta alla formazione di doppi strati fosfolipidici, che contribuiscono al movimento degli inquinanti idrofobici attraverso le membrane.
Il livello di idrofobicità è determinato dal coefficiente di ripartizione acqua/ottanolo. La concentrazione di un composto in ottanolo si divide per la concentrazione in acqua. Più alto è il numero che risulta da questo calcolo, più idrofobo è il composto in questione.
Se un composto rimane nell'acqua è anche determinato dalla sua pressione di vapore. Per pressione di vapore si intende la tendenza di un liquido o di un solido a volatilizzarsi. La pressione del vapore aumenta all'aumentare della temperatura, poiché le molecole di superficie aumentano di energia cinetica. Quindi più molecole in una soluzione acquosa hanno la tendenza a vaporizzare, il che significa che non sono più in soluzione.
La ripartizione della sostanza chimica tra i diversi comparti ambientali aria, acqua e suolo è un altro fattore importante. La tendenza alla fuga o 'fugacità' di una sostanza determina il movimento da un compartimento all'altro.
La stabilità molecolare è un fattore che determina il tempo di permanenza di una sostanza chimica nell'ambiente e le distanze che può percorrere. Nell'ambiente i processi chimici e biochimici, come l'idrolisi e l'ossidazione, degradano le sostanze chimiche. La degradazione non è determinata solo dalla stabilità della sostanza chimica, ma anche dai fattori ambientali temperatura, livello di radiazione solare, pH e natura della superficie assorbente. Ad esempio, il pH dell'acqua determina l'idrosolubilità dei metalli. A volte la biotrasformazione di un composto nell'ambiente durante la decomposizione non è molto positiva, perché può portare ad un aumento della tossicità di una sostanza chimica.
Quando l'inquinamento entra nel corpo di un organismo provoca una serie di cambiamenti. Questi cambiamenti possono servire o meno per proteggere l'organismo dagli effetti nocivi.
La prima risposta di un organismo agli inquinanti è di mettere in atto un meccanismo protettivo. Nella maggior parte dei casi questi meccanismi mantengono la detossificazione degli inquinanti, ma in alcuni casi producono sostanze attive che possono causare più danni alla cellula rispetto all'inquinante originario.
Un'altra risposta è ridurre la disponibilità di inquinanti legandoli a un'altra molecola, per espellerli o immagazzinarli.
Accanto ai meccanismi protettivi un organismo può anche mettere in azione un meccanismo che ripara i danni causati dagli inquinanti.
Risponde alla tossicità e l'assorbimento degli inquinanti non dipende solo dall'inquinante che entra nel corpo dell'organismo, ma anche dal tipo di organismo in questione.
Gli inquinanti dell'acqua possono avere molti effetti diversi sugli organismi, sempre a seconda dell'inquinante e dell'organismo in questione. Qui vengono discussi gli effetti generali che un inquinante può avere.
genotossicità
Molti composti che entrano nel corpo di un organismo sono noti per causare danni al DNA. Questi composti sono chiamati genotossine, a causa del loro effetto genotossico.
Di solito, quando gli inquinanti danneggiano il DNA, un sistema di riparazione naturale in un organismo lo riporta al suo stato normale, ma quando questo va storto per qualsiasi motivo particolare le cellule con DNA danneggiato possono dividersi. Le cellule mutanti vengono quindi prodotte e il difetto può diffondersi, portando la prole dell'organismo in questione ad avere gravi difetti che spesso sono molto dannosi per la loro salute.
Esempi di genotossine sono gli IPA, l'aflatossina e il cloruro di vinile.
In tutte queste genotossine non è il composto originale che reagisce con il DNA, perché questo è relativamente stabile. I prodotti di breve durata altamente reattivi prodotti dal composto originale dagli enzimi di solito causano le reazioni.
Cancerogenicità
Diversi inquinanti sono cancerogeni, il che significa che possono indurre il cancro nel corpo di esseri umani e animali. Gli inquinanti cancerogeni sono inquinanti che svolgono un ruolo in una o più fasi dello sviluppo del cancro in un organismo.
Gli inquinanti possono essere induttori; ciò significa che introducono proprietà cancerogene nelle cellule di un organismo. Possono anche essere promotori, il che significa che promuovono la crescita di cellule che hanno proprietà cancerogene. Infine, possono essere progressori, il che significa che stimolano la divisione sfrenata e la diffusione delle cellule tumorali. Quando una di queste sostanze è assente, il cancro non può essere indotto.
Quando le cellule cancerose sono maligne, possono diffondersi rapidamente nel corpo umano, causando difetti alle cellule sane e ai meccanismi immunitari. Distruggeranno le normali cellule del corpo e causeranno il cancro in organi e sistemi.
neurotossicità
Il sistema nervoso degli organismi è molto sensibile agli effetti tossici delle sostanze chimiche, sia naturali che artificiali. Le sostanze chimiche che causano effetti neurologici sono chiamate neurotossine. Esempi di neurotossine pericolose sono gli insetticidi.
Le neurotossine disturbano in qualche modo la normale trasmissione degli impulsi lungo i nervi o attraverso le sinapsi.
Le conseguenze della neurotossicità sono molteplici. Possono essere tremori e convulsioni muscolari scoordinate, malfunzionamento dei nervi e delle trasmissioni, vertigini e depressione, o anche malfunzionamento totale di parti del corpo. La neurotossicità può essere così grave che le sinapsi vengono bloccate. Il blocco sinaptico provoca la morte a causa della paralisi dei muscoli del diaframma e dell'insufficienza respiratoria.
Disturbo del trasferimento di energia
La trasformazione dell'energia negli organismi avviene attraverso i sistemi mitocondriali nelle cellule. Sul mitocondrio vengono prodotte molecole di ATP, che trasferiscono energia attraverso il corpo di un organismo. Quando la produzione di ATP viene disturbata, il trasferimento di energia cesserà. Questo renderà un organismo stanco e senza vita e incapace di funzionare normalmente.
Insufficienza riproduttiva
Gli inquinanti che causano il fallimento riproduttivo a causa di danni agli organi riproduttivi sono chiamati interferenti endocrini. Esistono diversi modi in cui un inquinante può agire come interferente endocrino.
Il primo è una sostanza chimica estrogenica. Questa è una sostanza chimica che può imitare un estrogeno legandosi al recettore degli estrogeni. Ciò si traduce nell'induzione di processi estrogenici, causando in un organismo l'insufficienza riproduttiva a causa di un disturbo nel sistema riproduttivo.
Una sostanza chimica estrogenica può anche bloccare gli effetti degli estrogeni endogeni legandosi al recettore estrogenico. Ciò provoca la mascolizzazione degli organismi femminili.
È anche possibile che le sostanze chimiche riproduttive femminili si trovino negli organismi maschili. Questo causa ermafroditi. Imposex è stato ampiamente riportato negli organismi marini, ad esempio con buccini di cane da tributilstagno.
Un'altra serie di problemi si verifica quando le sostanze chimiche bloccano i siti dei recettori ormonali. In questo caso, la normale azione dell'ormone è inibita, poiché non può reagire con il recettore. Ciò può causare infertilità quando si verifica per un periodo di tempo più lungo.
Effetti comportamentali
Tutti i comportamenti sono vulnerabili all'alterazione da parte degli inquinanti. I livelli di foraggiamento possono esaurirsi, con conseguente riduzione della produzione. La vulnerabilità ai predatori può aumentare, a causa di un esaurimento della vigilanza. In questo modo, gli effetti degli inquinanti sul comportamento si traducono in una produzione ridotta e tassi di mortalità più elevati.
Un risultato comune dell'inquinamento è una perdita di appetito e quindi un minore assorbimento di cibo. Anche la ricerca di prede può essere influenzata, a causa degli effetti degli inquinanti sull'apprendimento, sulla strategia di ricerca e sui sistemi sensoriali.
Questi effetti comportamentali causano minori possibilità di sopravvivenza degli organismi, principalmente animali.
Una proprietà degli inquinanti da tenere sempre presente è la loro possibilità di interagire tra loro. Le reazioni chimiche che causano la combinazione degli inquinanti possono ridurre il loro effetto chimico complessivo, ma possono anche aumentarlo, rendendo un inquinante ancora più pericoloso per gli organismi.
La tossicità delle sostanze chimiche nell'acqua può essere testata con animali acquatici come indicatori. I test di tossicità con animali acquatici riguardano principalmente l'assorbimento diretto dall'acqua. Le sostanze chimiche possono essere in soluzione, in sospensione o entrambe.
Per determinare i valori delle concentrazioni letali gli organismi sono esposti a diverse concentrazioni. Quando si verifica un effetto, si nota la concentrazione dell'effetto della sostanza chimica. Quando l'animale da esperimento muore viene rilevata la concentrazione letale. In questo modo la tossicità di una sostanza chimica è determinata in a laboratory. Quando molti degli animali da esperimento muoiono a basse concentrazioni di una sostanza chimica, significa che la sostanza chimica in questione è molto tossica. Quando sappiamo quanto è tossica una sostanza chimica, conosciamo anche gli effetti di questa sostanza chimica quando è presente una certa concentrazione in un luogo.
La tossicità di una sostanza chimica per alcuni organismi acquatici dipende dalla concentrazione attuale della sostanza chimica e dal tempo di esposizione alla sostanza chimica. Il tempo di esposizione a una sostanza chimica durante un test di tossicità dipende dagli animali di prova che vengono utilizzati. Le dafnie sono spesso utilizzate per alcuni test di tossicità. Questi test richiedono comunemente solo 24-48 ore. Al contrario, i test di tossicità sui pesci richiedono più tempo, di solito da quattro giorni a una settimana.
I dati di tali test di tossicità chimica non solo mostrano quanto sia tossica una determinata sostanza chimica, ma danno anche un'indicazione della tossicità di una sostanza chimica in relazione ad altre sostanze chimiche. Non tutti i test di tossicità funzionano fino a endpoint letali; a volte un cambiamento nel comportamento di un animale acquatico è l'indicatore della tossicità di una determinata sostanza chimica.
I test di tossicità sono influenzati sia dalle proprietà della sostanza chimica che dalle proprietà dell'organismo in esame. La disponibilità della sostanza chimica per l'organismo di prova è sempre un fattore importante, perché la tossicità di una sostanza chimica diminuisce quando non è prontamente disponibile per un organismo di prova.
I laboratori possono anche eseguire test di tossicità per le sostanze chimiche presenti oggigiorno nei sedimenti d'acqua.
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Un sistema di test sulla tossicità dei pesci
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ioni tossici pericolo dell'acqua di irrigazione
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