Dynamic models for the prediction of chemical fate in aquatic ecosystems.

La contaminazione degli ecosistemi acquatici legata al crescente uso di prodotti chimici di origine sintetica o naturale è uno tra i problemi di maggiore interesse legati al degrado ambientale. Tra queste sostanze chimiche vengono annoverate i biocidi (DDTs, atrazina, ecc,), i prodotti di origine industriale (PCBs, PBDE, ecc), i prodotti di consumo (antibiotici, detergenti), ma anche i loro prodotti di trasformazione (metabolici). Fra gli approcci disponibili per lo studio della distribuzione ed il bioaccumulo delle sostanze chimiche vi sono i modelli previsionali. Tra i modelli ambientali, quelli inizialmente sviluppati furono pensati per offrire una descrizione dello scenario ambientale “steady-state” (a stato stazionario), considerando come dati iniziali le proprietà chimico-fisiche della molecola, le caratteristiche ambientali specifiche della regione che si vuole studiare (idrologia, meteorologia, temperatura, ecc.), gli scenari di esposizione e le caratteristiche fisiologiche degli organismi (dimensioni, frazione lipidica, velocità degli scambi respiratori, composizione della dieta ecc.) che rimangono costanti nel tempo. Questi strumenti permettono di ottenere oltre al bilancio di massa, le concentrazioni per i diversi comparti considerati, i tempi di residenza in essi in condizione di stato stazionario e i tassi di trasferimento della molecola tra i diversi comparto. Tali modelli pur contribuendo alla comprensione dei fenomeni e pur offrendo risultati in termini di concentrazione confrontabili nell’ordine di grandezza con i dati osservati, sono inadeguati quando si desidera descrivere uno scenario ambientale che varia nel tempo. Il presente studio si propone di sviluppare modelli dinamici per lo studio della complessa dinamica di esposizione di ecosistemi acquatici, al fine di ottenere uno strumento che tenga conto della variazione temporale dei fattori biotici ed abiotici. I risultati ottenuti mostrano la calibrazione e l’analisi di sensibilità di un modello acqua – sedimento (DynA model) selezionando una risaia come scenario di applicazione, che può essere considerato un mesocosmo ideale per studiare l’influenza di processi dinamici (ad es. acqua in entrata e in uscita, variazione altezza acqua, variazione della temperatura, velocità di degradazione ecc.) sul destino ambientale di prodotti fitosanitari (Capitolo 1). Il modello DynA è stato utilizzato per approfondire lo studio della contaminazione da DDT del Lago Maggiore, al fine di identificare i processi che maggiormente influenzano la distribuzione della molecola e stimare le emissioni che giustificano le concentrazioni di DDT misurate in acqua e sedimento (Capitolo 2). In seguito è stato sviluppato e verificato un modello di bioaccumulo per organismi acquatici (Single Organism model (SOM)), che considera la variazione temporale di alcuni parametri biologici (composizione della dieta, frazione lipidica, velocità di crescita). Il modello SOM è stato calibrato su dati sperimentali di pesci pelagici (coregoni) di diversa età campionati nel Lago Maggiore. Durante la calibrazione sono state effettuate delle verifiche di sensibilità su alcuni parametri biologici (peso e frazione lipidica), per valutare l’influenza della loro variazione sulla dinamica di bioaccumulo e verificare la relazione tra l’età degli individui e l’accumulo di sostanze organiche persistenti. I risultati del modello SOM sono stati confrontati con dati di letteratura riguardanti le concentrazioni di DDT osservate in coregoni lavarello, campionati in diverse campagne di monitoraggio del Lago Maggiore. (Capitolo 3). L’integrazione dei modelli SOM e DynA ha permesso di ottenere un modello dinamico acqua-bioaccumulo (Bio - DynA) che tenga in considerazione le variazioni temporali delle emissioni di contaminanti e delle risultanti concentrazioni nei diversi comparti ambientali (acqua, sedimento, articolato sospeso e organismi acquatici). Una prima illustrazione del modello Bio-DynA è stata effettuata usando come scenario di studio un torrente alpino, al fine di stimare il bioaccumulo di POPs in organismi macrobentonici selezionati (Capitolo 4). Questo lavoro di tesi raccoglie anche i risultati di altri studi effettuati sulla definizione del comparto vegetazione, nell’ambito dello sviluppo di modelli multicompartimentali. In particolare, attraverso risultati analitici, è stato possibile valutare nel contesto della modellizzazione l’effetto delle fasce vegetazionali (buffer strips) sul movimento degli erbicidi (Capitolo 5) e le dinamiche di accumulo di POPs nella vegetazione (Capitolo 6). Infine, nell’ambito dello studio di uno dei parametri chiave dei modelli ambientali per la valutazione del destino ambientale, la velocità di degradazione di contaminanti organici in diversi comparti, sono stati effettuati esperimenti in ambiente controllato per studiare la degradazione di alcuni metaboliti dei PCB (Capitolo 7).