Biomonitoraggio con muschi autoctoni: work in progress o lavoro inutile?

Biomonitoraggio con i muschi Specie cosmopolite Tolleranti agli inquinanti Assenza cere epicuticolari (ioni accesso diretto siti di scambio su parete cellulare) Assenza apparato radicale (nutrienti da precipitazioni e deposizioni secche) Superficie con molti siti di scambio cationico Struttura adatta all’intercettazione e accumulo particolato atmosferico Rapporto superficie/volume elevato Alcune specie indicate per individuare età dei segmenti dei caulidi (es. Hylocomium splendens) Bargagli R. (2006) Monitoraggio degli inquinanti atmosferici persistenti mediante i muschi e le piante superiori. Biologia ambientale, 20: 55-67.

Steinnes E. (1995) A critical evaluation of the use of naturally growing mosses to monitor the deposition of atmospheric metals. Science of the Total Environment 160/161: 243 – 249. Epigaeic mosses: muschi che crescono sul suolo (i muschi epifiti possono ricevere elementi in tracce modificati dal passaggio attraverso la matrice vegetale, ed elementi in tracce assorbiti dall’albero direttamente dal suolo). Due gruppi di muschi usati maggiormente: “Feather mosses” (Pleurozium schreberi , Hylocomium splendens) e gli sfagni (per es. Sphagnum fuscum). Pleurozium schreberi Sphagnum fuscum

Steinnes E. (1995) A critical evaluation of the use of naturally growing mosses to monitor the deposition of atmospheric metals. Science of the Total Environment 160/161: 243 – 249. Principali vantaggi: I metalli sono altamente concentrati nei muschi rispetto ai livelli normalmente rilevabili nelle precipitazioni (concentrazioni 100-1000x) Permettono di includere numerosi siti di campionamento, permettendo di ottenere pattern geografici di deposizione degli elementi su larga scala Opportune calibrazioni permettono di trasformare I valori di concentrazione misurati nei muschi in ratei di deposito a terra

Steinnes E. (1995) A critical evaluation of the use of naturally growing mosses to monitor the deposition of atmospheric metals. Science of the Total Environment 160/161: 243 – 249. Moss Bulk deposition Bulk deposition

Steinnes E. (1995) A critical evaluation of the use of naturally growing mosses to monitor the deposition of atmospheric metals. Science of the Total Environment 160/161: 243 – 249. Ma alcuni fattori possono influenzare i risultati: contribution to the elemental composition of the moss from sources other than air pollution, such as marine influence, windblown soil dust, and uptake from soil via higher plants and subsequent transfer to mosses.

Imponente attività di monitoraggio a livello di interi Paesi o sovra-nazionale 1968: «Moss technique»: proposta e messa a punto tecniche di biomonitoraggio di metalli pesanti con muschi autoctoni (Ruhling and Tyler, Lund University, Sweden) 1975: Primo survey nazionale in Svezia 1977: Primo survey nazionale in Norvegia 1985: Primo survey dei Paesi Nordici (Danimarca, Finlandia, Norvegia e Svezia) 1990: Joint Nordic/Baltic survey (aggiunta di Islanda, Estonia, Lettonia e Lituania) 1995: Primo survey Europeo, 28 paesi 2000: Secondo survey Europeo, 28 paesi 2005: Terzo survey Europeo, 28 paesi 2010: Quarto survey Europeo, 27 paesi 2015: in progress

Harmens et al. (2010) Mosses as biomonitors of atmospheric heavy metal deposition: Spatial patterns and temporal trends in Europe. Environmental Pollution 158: 3144 - 3156

Deposizione atmosferica da fonti naturali Input edafici Input vegetali Aboal J.R., Fernandez J.A., Boquete T. and Carballeira A. (2010) Is it possible to estimate atmospheric deposition of heavy metal by analysis of terrestrial mosses? Science of the Total Environment, 408: 6291 – 6297. 1. Altre fonti di input di elementi in tracce, rispetto alla deposizione atmosferica di inquinanti antropogenici: Deposizione atmosferica da fonti naturali Input edafici Input vegetali 2. Condizioni ambientali possono alterare l’equilibrio tra muschi e deposizioni atmosferiche 3. Processi biologici intrinseci nei muschi possono essere modificati dall’ambiente in cui vivono 4. Calibrazione «bulk deposition/moss concentration»: spesso impossibile predire le «bulk deposition» a causa del basso coefficiente di determinazione (r2). In statistica, il coefficiente di determinazione, (più comunemente R2), è una proporzione tra la variabilità dei dati e la correttezza del modello statistico utilizzato. Non esiste una definizione concordata di R2. Nelle regressioni lineari semplici esso è semplicemente il quadrato del coefficiente di correlazione:

Aboal J. R. , Fernandez J. A. , Boquete T. and Carballeira A Aboal J.R., Fernandez J.A., Boquete T. and Carballeira A. (2010) Is it possible to estimate atmospheric deposition of heavy metal by analysis of terrestrial mosses? Science of the Total Environment, 408: 6291 – 6297.  Conclusione generali: la deposizione atmosferica di metalli non può essere accuratamente stimata a partire dalle concentrazioni nei tessuti dei muschi

1) Input di elementi in tracce Amosfera: fonti antropogeniche; metalli e metalloidi quali Ag, As, Bi, Cd, Co, Cu, Ga, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Sn, Tl, V e Zn; fonti naturali (mare – Sali e biogenesi – incendi e emissioni vulcaniche). Suolo: particelle minerali; polveri trasportate dal vento o composti solubili disciolti nell’acqua e trasportati all’interno del muschio es. Al, Co, Cr, Fe and Mn Piante: trasferimento dalle piante ai muschi per dilavamento; soprattutto Mn e Zn, ma anche B, Ba, Ca, Cd, Cs, Cu, K,Mg, P, Rb and Sr Stime impossibili per elementi che possono derivare dal suolo o dalle piante (i.e. Al, Co, Cr, Fe,Mn and Zn). NB Importanza relative di ciascuna fonte: Pb  atmosfera Cr e Mn  minimo contributo atmosferico  assenza di correlazione tra concentrazione nei muschi e bulk deposition per questi due elementi.

2) Condizioni ambientali possono alterare l’equilibrio tra muschi e deposizioni atmosferiche La quantità di precipitazioni può modificare la solubilità delle particelle e lavarne via alcune La composizione chimica delle precipitazioni influenza la solubilizzazione delle particelle e il «displacing» di elementi attraverso competizione intercationica e complessazione anionica, impedendo «uptake» di metalli cationici pH delle piogge: ion exchange con H+ Distanza dal mare: modifica contenuto cationico

3) Processi biologici Arricchimento in elementi vitali Uptake non sempre proporzionale solo all’esposizione: processi attivi durante la formazione di tessuti che aumentano la capacità di bioconcentrazione (massimizzare cattura dei costituenti) Cambiamenti nelle condizioni climatiche (stagioni ecc) possono modificare le strategie di crescita e modificare le concentrazioni finali Età dei tessuti Meccanismi adattativi all’inquinamento possono ridurre le concentrazioni di alcuni metalli in muschi che crescono in aree inquinate.

Aboal J. R. , Fernandez J. A. , Boquete T. and Carballeira A Aboal J.R., Fernandez J.A., Boquete T. and Carballeira A. (2010) Is it possible to estimate atmospheric deposition of heavy metal by analysis of terrestrial mosses? Science of the Total Environment, 408: 6291 – 6297. Conclusioni “All the biological processes described above appear to be greatly affected by the characteristics of the environment where the moss grows. Differences in these characteristics in different zones, although all exposed to the same bulk deposition (amount and feature), will modify the final concentrations of elements in mosses, thus hindering estimation of the concentrations from moss data.”

 Steinnes E. e Berg T. (2011) – 24° TFM ICP Vegetation, Rapperswil, Switzewrland, 31.1 – 3-2 2011 «We strongly disagree» «Basandosi su calibrazioni appropriate, la concentrazioni di elementi di interesse all’interno dei muschi può essere trasformata in modo preciso in valori di concentrazioni atmosferiche, in una determinata regione, escludendo influenze da eventuali altre fonti locali.»

Fernández J.A., Boquete M.T., Carballeira A. And Aboal J.R. (2015) A critical review of protocols for moss biomonitoring of atmospheric deposition: Sampling and sample preparation. Science of the Total Environment. 517: 132 – 150. Per ottenere informazioni affidabili, comparabili e utili  Protocolli dettagliati, rigorosi dal pdv scientifico e armonizzati: sampling design, sampling processing, final storage. 2015, «Heavy metals, nitrogen and POPs in European mosses: 2015 survey» pubblicato dalla UNECE ICP Vegetation (ICP-V manual). (ICP-V - The International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops) Frontasyeva, M., Harmens, H., the participants of the ICP Vegetation (2014) Heavy metals, nitrogen and POPs in European mosses: 2015 survey. Monitoring Manual.

Review basata su 369 articoli Fattori analizzati: Fernández J.A., Boquete M.T., Carballeira A. And Aboal J.R. (2015) A critical review of protocols for moss biomonitoring of atmospheric deposition: Sampling and sample preparation. Science of the Total Environment. 517: 132 – 150. Review basata su 369 articoli Fattori analizzati: pre-campionamento (numero di «sampling sites» SS, disegno sperimentale, frequenza dei survey, specie utilizzata); campionamento (distanza tra SS e vegetazione, distanza tra SS e fonti di inquinamento, altezza, distanza tra SS e costa, rappresentatività SS, area occupata da SS, numero di sottocampioni, quantità di campione raccolto, periodo di campionamento); pulizia e conservazione (trattamento campione, selezione materiale, pulizia, disseccamento, omogenizzazione, conservazione).

Fattori che influenzano maggiormente i dati: Specie Fernández J.A., Boquete M.T., Carballeira A. And Aboal J.R. (2015) A critical review of protocols for moss biomonitoring of atmospheric deposition: Sampling and sample preparation. Science of the Total Environment. 517: 132 – 150. Fattori che influenzano maggiormente i dati: Specie Distanza tra SS e vegetazione Distanza tra SS e fonte di inquinamento Due problemi principali riscontrati all’interno del manuale: Alcune raccomandazioni sulle metodologie di applicazione della tecnica di biomonitoraggio con muschi non basate su criteri scientifici Alcune raccomandazioni troppo vaghe (es. scelta della parte del fusticino da analizzare; periodo di campionamento) e alcuni aspetti ignorati (altezza e distanza dalla costa).

Fernández J.A., Boquete M.T., Carballeira A. And Aboal J.R. (2015) A critical review of protocols for moss biomonitoring of atmospheric deposition: Sampling and sample preparation. Science of the Total Environment. 517: 132 – 150. Conseguenze: uso del protocollo variabile: molti lo adattano a condizioni specifiche dell’area di studio senza considerare l’incertezza che si introduce nei risultati Molti studi non includono informazioni esaustive riguardo l’applicazione della tecnica Conclusioni limitate anche dopo 40 anni di applicazione: la tecnica di biomonitoraggio con i muschi è spesso considerata inaffidabile nella gestione ambientale e non considerata nel «policy making».