Il biomonitoraggio è un metodo di analisi che utilizza organismi viventi per la valutazione dello stato dell'ambiente. Lo scambio di energia e materia.

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2 Il biomonitoraggio è un metodo di analisi che utilizza organismi viventi per la valutazione dello stato dell'ambiente. Lo scambio di energia e materia che avviene tra un organismo e l'ambiente in cui vive è continuo e porta ad un equilibrio dinamico, che si mantiene fintanto che il rapporto tra queste due classi di soggetti non viene alterato oltre certi limiti. L'approccio biologico allo studio dell'inquinamento focalizza l'attenzione su effetti di tipo qualitativo e quantitativo, provocati da alterazioni ambientali su organismi particolarmente sensibili. bioindicatori nel caso di organismi che in presenza di determinate concentrazioni di inquinanti subiscono variazioni rilevabili del loro stato naturale (approccio indiretto: in base alla modificazione avvenuta deduco la presenza di una sostanza dannosa in atmosfera); bioaccumulatori nel caso in cui gli organismi considerati siano in grado di sopravvivere alla presenza di un determinato contaminante, accumulandolo e permettendo una qualificazione e una quantificazione, (approccio diretto: ottengo risposte quantitative oltre che qualitative).

3 Gli indicatori biologici Un organismo indicatore biologico (A) ha uno stretto range di tolleranza ristretto rispetto ai valori considerati ottimali per la specie. Normalmente gli organismi (B) hanno una maggior tolleranza alle variazioni ambientali e non si prestano ad essere usati come indicatori B A optimumminimo massimo individui fattore

4 Per i bioindicatori si possono individuare livelli soglia di concentrazione dell'inquinante superati i quali l'organismo muore, mentre in entrambi vengono presi in considerazione le modificazioni morfologiche, le variazioni della vitalit à e i danni genetici. Un buon indicatore deve essere ampiamente distribuito nell'area di studio e deve possedere un lungo ciclo vitale ed una scarsa mobilit à, ma se, da un lato, il bioindicatore in pi ù è caratterizzato da sensibilit à nota a certi inquinanti e uniformit à genetica,dall'altro, il bioaccumulatore presenta una grande capacit à di accumulare indefinitamente e un'alta tolleranza agli inquinanti che accumula. E' comunque sempre importante trovare una relazione quantitativa tra rispostabiologica e concentrazioni di un dato elemento inquinante. A seconda della situazione economico-territoriale che si presenta è possibile attuare un biomonitoraggio di tipo attivo o passivo. Nel primo caso bisogna trasportare o trapiantare il bioindicatore prelevato in aree incontaminate, nel sito d'interesse; nel secondo si utilizzano bioindicatori autoctoni.

5 I licheni I licheni sono il risultato dell'unione stabile tra due diversi organismi viventi: un fungo ed un'alga. Tale unione rappresenta una simbiosi ed è pertanto vantaggiosa per entrambi: l'alga produce tramite la fotosintesi carboidrati ed altre sostanze da cui il fungo trae nutrimento, mentre riceve in cambio dal fungo protezione contro l'essiccamento e contro radiazioni solari nocive. I funghi che partecipano alla simbiosi lichenica appartengono in massima parte agli Ascomiceti, mentre ve ne sono alcuni appartenenti ai Basidiomiceti ed ai Ficomiceti; le alghe coinvolte sono perlopi ù Alghe verdi unicellulari (Chlorophyceae) o cianobatteri (Cyanophyta). L'unione dei due partners porta alla formazione di un organismo, il lichene, con caratteristiche proprie; possiedono un proprio metabolismo che permette loro di produrre sostanze nuove che i due componenti isolati non saprebbero sintetizzare; la loro capacit à di passare rapidamente dallo stato idratato allo stato disidratato permette loro di ridurre fotosintesi e respirazione, raggiungendo una sorta di quiescenza che li rende in grado di sopravvivere anche in difficili condizioni ambientali e di colonizzare gli habitat pi ù diversi. I fatto di dipendere quasi esclusivamente dall'atmosfera per la loro nutrizione, fa dei licheni degli attivi bioindicatori dell'inquinamento atmosferico. Il corpo vegetativo di un lichene è detto tallo ed è costituito dall'intreccio delle ife del fungo al cui interno sono distribuite le cellule algali.

6 Perché i licheni? I licheni possiedono alcune caratteristiche che li rendono adatti all’impiego come bioindicatori: i licheni assorbono gas e materiali vari, comprese le sostanze inquinanti; risultano particolarmente resistenti agli stress ambientali; sono diffusi ovunque, hanno un lento accrescimento e grande longevità. La presenza di sostanze inquinanti riduce il numero di specie nello spazio e nel tempo.

7 Cos’è l’IBL? L’IBL è un indice legato alla frequenza delle diverse specie di licheni presenti all’interno dei retini di campionamento. Per uno stesso punto cardinale si conta la frequenza per ogni singola specie di lichene; si sommano le diverse frequenze per tutte le specie di licheni trovate; si ripete l’operazione per i tre alberi in esame; si calcola la media delle frequenze per il singolo punto cardinale; si ripete il procedimento per gli altri tre punti cardinali e si sommano le frequenze medie così ottenute.

8 A cosa serve l’IBL? Questo indice può essere messo in relazione con il diverso grado di alterazione/natu- ralità dell’ambiente.

9 Valore di BLSGiudizioColore Maggiore di 50naturalit à molto altaBlu 50-41naturalit à altaVerde scuro 40-31naturalit à mediaVerde chiaro 30-21naturalit à bassa /alterazione bassa Giallo 20-11alterazione mediaArancione 10-01alterazione altaRosso 0alterazione molto altaCremisi I licheni epifiti come bioindicatori La metodologia per il rilevamento dell'inquinamento atmosferico con i licheni epifiti (cio è che vivono su tronchi d'albero) è basata su una misura della biodiversit à, ossia sull'abbondanza delle specie licheniche. I valori di biodiversit à vengono interpretati in termini di allontanamento rispetto alla naturalit à attesa. Tale allontanamento è causato dagli inquinanti (principalmente gas fitotossici: ossidi di zolfo e di azoto) che causano alle comunit à licheniche una diminuzione nel numero di specie e una diminuzione della loro copertura/frequenza. I licheni rispondono infatti con relativa velocit à alla diminuzione della qualit à dell'aria e possono ricolonizzare in pochi anni ambienti urbani e industriali qualora si verifichino dei miglioramenti delle condizioni ambientali, come evidenziato in molte parti d'Europa. La misura della Bioversit à Lichenica viene intesa come somma delle frequenze delle specie licheniche in un reticolo di rilevamento di dimensioni fisse. Negli ultimi decenni sono stati proposti molti metodi che, utilizzando opportune scale di interpretazione, valutano attraverso i licheni la qualit à dell'aria. Gli studi basati sui licheni epifiti hanno trovato in Italia larga diffusione a partire dagli anni 80 e numerose sono le indagini realizzate finora. Nel corso del 2000 è stato realizzato da ANPA e CTN-ACE un manuale che si propone di presentare una metodica riproducibile e oggettiva come strumento di valutazione della frequenza/copertura di specie licheniche su tronco d'albero. La metodologia presentata nel manuale cerca di eliminare gli elementi di soggettivit à esistenti nelle precedenti linee guida messe a punto in Italia e in Germania, attribuendo specifica attenzione alla selezione dei siti di campionamento, degli alberi su cui compiere il monitoraggio etc. Il manuale può essere scaricato o visualizato sul sito dell'ANPA. Per una pi ù facile interpretazione dei dati, a ciascun valore di Biodiversit à Lichenica è possibile associare il grado di deviazione da condizioni naturali tramite una scala; inoltre al fine di una migliore visualizzazione dei risultati può essere effettuata una elaborazione cartografica che mostri una suddivisione del territorio in esame in aree con biodiversit à lichenica diverse: ad ogni classe di naturalit à /alterazione viene associato un colore (vedi tabella).sito dell'ANPA La presente scala è tratta da "Linee guida per il biomonitoraggio con i licheni epifiti" (Nimis, 1999 in Atti del Workshop sulla qualit à dell'aria); per i mappaggi effettuati precedentemente, la misura della somma delle frequenze licheniche veniva indicata con lo IAP (Index of Atmosferic Puricity). Per tale motivo le mappe di qualit à dell'aria presentate riportano valori di IAP (invece che di BL); inoltre, non essendo ancora stata definita la scala sopra riportata con intervalli di valori associati ad un colore ben preciso, le legende delle mappe indicano i valori di IAP ed i vari colori con cui essi sono stati rappresentati.

10 foto da Wirth V. - Die Flechten I licheni come bioaccumulatori I licheni hanno la capacit à di assorbire e accumulare i contaminanti presenti nell'atmosfera; sfruttando questa loro propriet à è possibile studiare il bioaccumulo di varie sostanze (metalli pesanti, idrocarburi clorurati, radionuclidi ecc.) all'interno dei talli lichenici per studiarne la concentrazione, il grado di diffusione e per studiare le sorgenti di inquinamento. Metodologia La metodologia si basa sulla raccolta di talli lichenici appartenenti alla stessa specie e sulla determinazione delle sostanze in esame attraverso le tecniche della gascromatografia, spettrofotometria, ecc. Viene normalmente impiegata la porzione esterna del tallo di un lichene folioso, Parmelia caperata. I campioni, dopo esser stati raccolti vengono essiccati, ripuliti, polverizzati, omogeneizzati e sottoposti a spettofotometria ad assorbimento atomico per determinare le concentrazioni dei vari metalli pesanti: Cadmio, Cromo, Rame, Nichel, Piombo e Zinco. Successivamente le concentrazioni dei vari metalli pesanti sono elaborate attraverso programmi di cartografia computerizzata al fine di ottenere la visualizzazione di zone a diversa concentrazione del metallo considerato.

11 0<IAP<12.5 - Colore rosso - Classe di qualit à V - Ambiente con forti alterazioni della qualit à dell ’ aria: ampie zone di deserto lichenico soprattutto nei pressi dei Viali di maggior scorrimento del traffico (Viale Lavagnini, Viale Strozzi, Viale Gramsci, P.za Savonarola,...). 12.5<IAP<25 - Colore arancione - Classe di qualit à IV - Ambiente con marcate alterazioni della qualit à dell ’ aria: in direzione NO abbiamo la zona di Rifredi (Giardino dell'orticoltura, Museo Stibbert, Santa Marta,...); ad O Via dell'Argin Grosso, Parco delle Cascine, Ponte a Greve, Via Pistoiese...; ad E Lungarno A. Moro, Via Aretina (Varlungo); a SE il Viale Galileo nei pressi del Piazzale Michelangelo. 25<IAP<37.5 - Colore giallo - Classe di qualit à III - Ambiente con alterazioni della qualit à dell ’ aria: a E Via S. Cristiani, San Salvi, Villa Favard; a S Piazza Tasso, Giardino dell'accademia; ad O Mantignano, Ugnano; a NE Rifredi (Via Giuliani, Le Panche), Via di Novoli. 37.5<IAP<50 - Colore verde - Classe di qualit à II - Ambiente con lievi alterazioni della qualit à dell ’ aria: a S abbiamo Galluzzo, Ponte a Ema, Arcetri; a NO Villa Reale, Villa Petraia; a O Quaracchi. IAP> 50 - Colore blu - Classe di qualit à I - Ambiente senza apprezzabili alterazioni della qualit à dell ’ aria: a E Settignano; a NE Pian di San Bartolo, Pian del Mugnone, Canonica di Cercina, Monterivecchi; a S S. Matteo in Arcetri.

12 Studio del bioaccumulo dei metalli pesanti con i licheni nel territorio attorno alla discarica del Cassero (Pistoia)

13 Gli indicatori biologici nelle acque dolci Per valutare la qualità dei corsi d'acqua, sono molto utilizzate le comunità di monere protisti e macroinvertebrati, comunemente presenti nelle acque e nei fondali di fiumi e torrenti ma anche di specchi d'acqua stagnante. In tali popolazioni, costituite da varie specie di batteri, alghe azzurre, protozoi, insetti, crostacei molluschi, nematodi, platelminti, anellidi si è evidenziata un'ampia gamma di risposte alla presenza di contaminanti o di alterazioni fisiche nell'ambiente di vita.

14 Gli indicatori biologici nelle acque dolci Gli obiettivi che si possono raggiungere con l’analisi mediante gli Indicatori Biologici sono molteplici: a) fornire un giudizio sintetico sulla qualità complessiva dell’ambiente acquatico b) fornire un giudizio complementare al controllo chimico-fisico e microbiologico c) individuare e quantificare gli effetti di scarichi saltuari o accidentali d) classificare i corsi d'acqua in classi di qualità lungo il profilo longitudinale e) valutare le capacità autodepurative di un corso d’acqua f) definire i livelli di riferimento della qualità dell'ambiente su cui commisurare nel tempo l'efficacia degli interventi risanatori g) definire il valore naturale di un determinato ambiente per una politica di protezione e conservazione h) supportare la redazione delle carte ittiche

15 Gli indicatori biologici nelle acque dolci Vengono di seguito illustrati due tra i numerosi metodi di analisi ecologica delle acque mediante indicatori biologici: 1. Il Sistema delle Saprobie 2. L’Indice Biotico Esteso (IBE o EBI)

16 Il sistema delle saprobie Le saprobie sono organismi animali (saprozoi) e vegetali (saprofite) che vivono in ambienti ricchi di sostanza organica in decomposizione. Si tratta di organismi in genere microscopici e planctonici, (raramente di maggiori dimensioni o bentonici) appartenenti perlopiù ai regno delle Monere e dei Protisti Vengono distinti in quattro gruppi ciascuno caratterizzato da adattamenti a gradi diversi di inquinamento organico Ogni organismo di ciascun gruppo si comporta da indicatore biologico in quanto poco adatto a tollerare variazioni dei fattori biotici ed abiotici dell’ambiente in cui vive

17 Il sistema delle saprobie Il sistema si basa quindi sull’analisi della comunità planctonica (batteri, alghe azzurre, ciliati, flagellati, amebe ecc.) che si sviluppa a valle di un effluente organico biodegradabile Attraverso la caratterizzazione microbiologica (data dalla presenza di questi microrganismi indicatori del grado di inquinamento organico) si analizza e valuta la qualità dell’acqua flagellati amebe ciliati batteri

18 Il sistema delle saprobie Le acque vengono divise in 4 categorie Queste le classi di qualità utilizzate : I.Classe I : zona oligosaprobia inquinamento molto lieve (azzurro) II.Classe II : zona  -mesosaprobia inquinamento moderato (verde) III.Classe III : zona  -mesosaprobia inquinamento grave (giallo) IV.Classe IV : zona polisaprobia inquinamento molto grave (rosso) A lato una schematizzazione riferita ad generico corso d’acqua in condizioni di inquinamento organico Un corso d’acqua inquinato

19 Il sistema delle saprobie E’ la zona dove è avvenuta la completa mineralizzazione della sostanza organica (il processo di autopurificazione si è concluso). L’acqua è limpida, pura, ricca di O 2, fosfati, nitrati e altri sali. Vi è uno scarso contenuto di individui e di specie. La carica batterica non supera le 1000 UFC/ml. Classe I = zona oligosaprobia inquinamento assente o molto lieve (acque pure o poco inquinate) Esempio di organismo appartenente alla classe Acanthocystis turfacea

20 Il sistema delle saprobie E’ la zona in cui i processi di demolizione della sostanza organica sono in una fase molto avanzata, prossimi alla totale mineralizzazione. L’acqua è ricca di ammoniaca e composti ammonici, l’O 2 è discretamente abbondante, la carica batterica non supera le 100.000 UFC/ml. Classe II = zona  mesosaprobia inquinamento moderato (acque mediamente inquinate) Esempio di organismo appartenente alla classe Asterionella formosa

21 Il sistema delle saprobie E’ la zona in cui è presente una elevata quantità di sostanza organica e prevalgono i processi di ossidazione. Non c’è acido solfidrico, ne i solfuri ma i prodotti della loro ossidazione. L’acqua contiene abbastanza O 2 anche se consumato dalla elevata attività batterica. Batteri fino a 1.000.000 UFC/ml Classe III = zona  mesosaprobia inquinamento organico elevato (acque molto inquinate) Esempio di organismo appartenente alla classe Paramecium caudatum

22 Il sistema delle saprobie E’ la zona in cui è presente una grande quantità di sostanza organica, intensi sono i fenomeni di decomposizione; Vi è assenza di O2, è maleodorante e sul fondo si deposita fango putrido. La carica batterica è maggiore di 1.000.000 UFC/ml Classe IV = zona polisaprobia inquinamento organico molto elevato (acque fortemente inquinate) Esempio di organismo appartenente alla classe Euglena viridis

23 Il sistema delle saprobie Corrispondenza trofica delle varie classi: Classe I acque pure Classe IIacque oligotrofiche Classe IIIacque eutrofiche Classe IVacque politrofiche

24 Il sistema delle saprobie L’indice si calcola applicando la seguente formula 4 (IV) +3 (III) +2 (II) +1 (I) S = __________________________ (IV)+ (III)+ (II)+ (I) ( * ) tra parentesi il numero di organismi individuati per ciascuna classe

25 Il sistema delle saprobie indice (S)grado di inquinamento zona saprobiacolore di riferimento classe 1.00 - 1.50 molto lieveoligosaprobia I 1.51 - 1.80 lieve oligo /  -mesosaprobia I/II 1.81 - 2.30 moderato  -mesosaprobia II 2.31 - 2.70 discreto  /  -mesosaprobia II/III 2.11 - 3.20 grave  -mesosaprobia III 3.21 - 3.50 piuttosto grave  --meso/polisaprobia III/IV 3.51 - 4.00 molto gravepolisaprobia IV Tabella riassuntiva per la valutazione finale

26 L’Indice Biotico Esteso IBE (o EBI: Extended Biotic Index) Il metodo serve a determinare la qualità biologica di un tratto di un corso d’acqua mediante il campionamento dei macroinvertebrati presenti I macroinvertebrati (invertebrati visibili ad occhio nudo) utilizzati appartengono a diverse categorie sistematiche e principalmente: Artropodi Insetti Plecotteri Tricotteri, Efemerotteri, Coleotteri, Odonati, Ditteri, Eterotteri Crostacei Asellidi Gammaridi Anellidi Oligocheti Irudinei Molluschi Bivalvi Gasteropodi Platelminti Turbellari Tricladi

27 L’Indice Biotico Esteso (gli organismi considerati) Artropodi –Insetti Plecotteri Tricotteri Efemerotteri Coleotteri Odonati Ditteri Eterotteri –Crostacei Asellidi Gammaridi

28 L’Indice Biotico Esteso (gli organismi considerati) Anellidi –Oligocheti –Irudinei Nematodi Platelminti Turbellari –Tricladi Molluschi –Bivalvi –Gasteropodi

29 L’Indice Biotico Esteso Questi organismi vengono ritenuti, per vari motivi, più adatti per indicare le alterazioni indotte dall'inquinamento in un corso d'acqua Si tratta infatti di organismi bentonici, e quindi generalmente stabili sul fondo, con un ciclo vitale piuttosto lungo Inoltre sono più facilmente campionabili (le dimensioni sono generalmente superiori a 1 mm) e classificabili (in quanto il metodo richiede una determinazione sistematica superiore al livello di specie -di solito genere o famiglia-) Infine presentano un ampio spettro di specie con diverse sensibilità agli agenti inquinanti e più in generale alle alterazioni dell’ecosistema

30 L’Indice Biotico Esteso Dopo l’identificazione sistematica definitiva, si passa al calcolo dell‘ EBI utilizzando una tabella a due entrate –in ordinata sono riportati alcuni gruppi di macroinvertebrati in ordine di sensibilità crescente dal basso verso l'alto agli inquinanti –in ascissa (che appare in alto) sono riportati gli intervalli numerici relativi al numero totale di US ritrovate nella stazione di prelievo Dall‘ intersezione delle due entrate si individua il valore numerico dell‘ EBI e quindi il giudizio di qualità.

31 L’Indice Biotico Esteso I valori di EBI, per convenzione internazionale, sono stati raggruppati in 5 classi di qualità Ciascuna classe è rappresentabile con un diverso colore che viene utilizzato nella realizzazione di carte di qualità del reticolo idrografico di un determinato territorio Questa mappatura è particolarmente utile per descrivere le condizioni del corso d’acqua, per la progettazione di eventuali soluzioni di risanamento e per un successivo giudizio sulla loro efficacia.

32 L’Indice Biotico Esteso Tabella riassuntiva per la valutazione finale classi di qualitàvalore IBE giudizio di qualitàcolore di riferimento Classe I10,11,12, … Ambiente non inquinato o comunque non alterato in modo sensibile Classe II8,9 Ambiente con moderati sintomi di inquinamento o di alterazione Classe II6,7 Ambiente inquinato o comunque alterato Classe IV4,5 Ambiente molto inquinato o comunque molto alterato Classe V1,2,3 Ambiente eccezionalmente inquinato o alterato

33 Macroinvertebrate Index of Biotic Integrity (IBI) for the Wadeable Streams of North Dakota

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35 Le briofite sono ottimi accumulatori passivi di metalli, possono dar vita a tappeti muscinali anche molto estesi e, in alcuni casi, vivono in ambienti in cui la copertura di vegetazione vascolare, sia legnosa che erbacea, è scarsa. Queste caratteristiche permettono di utilizzare efficacemente le briofite per il monitoraggio di metalli in traccia deposti in un arco di tempo variabile da alcune settimane ad alcuni anni e garantiscono una serie di vantaggi nell ’ uso di questa tecnica: a) effettuando il campionamento su muschi del suolo in aree non direttamente coperte da chiome di alberi o da vegetazione erbacea, viene monitorato esclusivamente l ’ apporto diretto di metalli in traccia ad opera della precipitazione atmosferica, annullando il disturbo dovuto a percolazione delle chiome; b) rispetto a tecniche di bioaccumulo basate sull ’ uso di foglie di alberi o di licheni epifiti è possibile effettuare il monitoraggio basato su muschi anche in aree del tutto prive di vegetazione arborea; c) è talora possibile effettuare il monitoraggio anche in aree soggette a marcato inquinamento utilizzando specie muscinali tossi-tolleranti; d) la concentrazione dei metalli in traccia nei tessuti di muschio è correlata con il tasso di apporto atmosferico dei medesimi.

36 Hypnum cupressiforme: Crescita a quote superiori a 200 m Almeno 200 m da strade trafficate e 50 m da abitazioni

37 1) I campioni sono stati rimossi dai contenitori, posti ad asciugare all ’ aria per 3-4 giorni e trasferiti in sacchetti di carta custoditi in ambiente asciutto. 2) In laboratorio i campioni sono stati disposti su un piano di ceramica e ripuliti dalle impurit à servendosi di aria cromatografica. 3) Sono stati selezionati i tessuti pi ù recenti, costituiti dalla parte apicale verde e i tessuti immediatamente sottostanti non ancora soggetti a decomposizione, strappanli con le mani. Il campione cos ì selezionato corrisponde ai tessuti formatisi nei 3-4 anni precedenti il campionamento. A seconda dell ’ habitat e del grado di idratazione questi possono corrispondere a un segmento di lunghezza molto variabile (da 2 a 10 cm). In fig.2.4 è possibile osservare le dimensioni dei fusticini di Hypnum cupressiforme autoctono di Langhirano e il colore e la forma dei fusticini in seguito ad ingrandimento (fig. 2.5). 4) Tutte le fasi del campionamento e della preparazione dei campioni sono state effettuate proteggendo le mani con guanti in lattice per evitare contaminazioni del materiale trattato.

38 I macroinvertebrati bentonici: l ’ indice E.B.I. Fra i metodi messi a punto per il mappaggio biologico dei corsi d ’ acqua, quello di gran lunga pi ù utilizzato negli ultimi anni è l ’ E.B.I. (Extended Biotic Index), che si è dimostrato il pi ù idoneo alle diverse realt à ambientali italiane. Il metodo si basa sullo studio dei popolamenti di invertebrati, di dimensioni superiori ad 1 mm., che abitano i corsi d ’ acqua e che comprendono, tra i principali gruppi, gli insetti (generalmente allo stadio larvale), i molluschi, i crostacei, gli oligocheti. Tutti questi organismi (chiamati nel complesso macroinvertebrati bentonici) variano, in numero di individui ed in qualit à delle specie, a seguito di minimi cambiamenti a carico della qualit à delle acque.