Visualizza wikitesto di Contaminazione di acque sotterranee da parte di farmaci

{{O|ecologia|arg2=farmacologia|agosto 2024}}
La '''contaminazione di acque sotterranee''' '''da parte di farmaci''', che sono inclusi nella categoria dei [[contaminanti emergenti]], è stata riconosciuta come un problema scientifico di rilevanza pubblica a partire dalla fine del ventesimo secolo ed è oggetto di studio in discipline quali l'[[ingegneria ambientale]], l'[[idrologia]] e la [[geochimica]].<ref>{{Cita libro|nome=Francisco G.|cognome=Calvo-Flores|nome2=José A.|cognome2=Dobado Jiménez|titolo=Emerging pollutants : origin, structure, and properties|url=https://www.worldcat.org/oclc/1010493637|accesso=17 giugno 2021|data=2018|oclc=1010493637|isbn=978-3-527-69123-4}}</ref>

La contaminazione di acque sotterranee e superficiali da parte di farmaci desta preoccupazione in termini di lungo scenario, in cui si sospetta che questi composti, a fronte di un continuo rilascio nell'ambiente, possano accumularsi nel sottosuolo e provocare danni sia agli ecosistemi acquatici che alla salute dell'uomo. La natura stessa di queste molecole, che sono [[Bioattività|bioattive]] e difficilmente [[Decomposizione (chimica)|degradabili]] nell'ambiente, le rende di fatto una minaccia nel lungo periodo, nonostante le concentrazioni a cui sono tipicamente rilevate nelle acque (sotterranee e non) siano estremamente contenute. A tal proposito, l'[[Agenzia europea del farmaco]] fornisce specifiche indicazioni per completare le procedure di [[valutazione del rischio ambientale]] necessarie per ottenere l'autorizzazione all'immissione sul mercato dei farmaci.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Ralf Arno|cognome=Wess|data=2021-03|titolo=Update of EMA’s Guideline on the Environmental Risk Assessment (ERA) of Medicinal Products for Human Use|rivista=Therapeutic Innovation & Regulatory Science|volume=55|numero=2|pp=309-323|lingua=en|accesso=17 giugno 2021|doi=10.1007/s43441-020-00216-1|url=http://link.springer.com/10.1007/s43441-020-00216-1}}</ref>

A partire dalla fine del ventesimo secolo la ricerca scientifica ha iniziato a concentrarsi sullo studio di questo fenomeno. Uno dei principali obbiettivi rimane quello di comprendere l'effetto che la struttura molecolare dei farmaci ha sull'evoluzione del sistema [[Falda acquifera|falda]], in termini di campi di concentrazione che vengono a delinearsi.<ref name=":2">{{Cita libro|autore=Frega Giuseppe|autore2=Macchione Francesco|titolo=Tecniche per la difesa del suolo e dall'inquinamento-Technologies for Integrated River Basin management. 41º corso.|dataoriginale=2020|pp=253-266|isbn=9788897181750}}</ref> Tra i principali meccanismi che governano questo fenomeno dal punto di vista idrologico vi sono i classici scambi di massa [[Avvezione|avvettivi]] e [[Dispersione idrodinamica|dispersivi]], mentre dal punto di vista geochimico bisogna tener conto dell'insieme dei processi chimici che influiscono sulla mobilizzazione dei soluti in falda. Tra questi ultimi, spiccano per importanza i processi di [[biotrasformazione]] e [[biodegradazione]], ma anche processi quali [[Precipitazione (chimica)|precipitazione]], [[adsorbimento]] e altri tipi di reazione possono giocare ruoli fondamentali.<ref name=":1">{{Cita libro|nome=C. A. J.|cognome=Appelo|titolo=Geochemistry, groundwater and pollution|url=https://www.worldcat.org/oclc/60649644|accesso=17 giugno 2021|edizione=2nd ed|data=2005|editore=Balkema|oclc=60649644|isbn=0-415-36421-3}}</ref>

[[File:Assorted pharmaceuticals by LadyofProcrastination.jpg|thumb|upright=1.3|Assortimento di farmaci.]]

== Problema generale ==

I farmaci rappresentano una particolare minaccia per le falde acquifere in virtù della natura bioattiva che li contraddistingue rispetto ad altre classi di composti chimici. Questa caratteristica permette loro di interagire con i tessuti dei [[Microrganismo|microrganismi]] che popolano il sottosuolo e li rende responsabili di fenomeni di [[bioaccumulo]] e [[Biomagnificazione|bioamplificazione]].<ref name="Lapworth">{{Cita pubblicazione|cognome1=Lapworth|nome1=D.J.|cognome2=Baran|nome2=N.|cognome3=Stuart|nome3=M.E.|cognome4=Ward|nome4=R.S.|titolo=Emerging organic contaminants in groundwater: A review of sources, fate and occurrence|rivista=Environmental Pollution|data=aprile 2012|volume=163|pp=287-303|doi=10.1016/j.envpol.2011.12.034}}</ref><ref name="Jurado">{{Cita pubblicazione|cognome1=Jurado|cognome6=Barceló|pp=82-94|volume=440|data=dicembre 2012|rivista=Science of The Total Environment|titolo=Emerging organic contaminants in groundwater in Spain: A review of sources, recent occurrence and fate in a European context|nome6=Damià|nome5=Estanislao|nome1=Anna|cognome5=Pujades|nome4=Miren|cognome4=López de Alda|nome3=Jesus|cognome3=Carrera|nome2=Enric|cognome2=Vàzquez-Suñé|doi=10.1016/j.scitotenv.2012.08.029}}</ref> La loro presenza nelle acque sotterranee può determinare l'insorgenza di fenomeni di [[Resistenza agli antibiotici|resistenza batterica agli antibiotici]] o causare [[alterazioni nel sistema endocrino]] di specie animali che vivono nelle acque superficiali.<ref name="Wu">{{Cita pubblicazione|cognome1=Wu|cognome7=Yang|cognome2=Zhang|nome2=Min|cognome3=He|nome3=Lu-Xi|cognome4=Zou|nome4=Hai-Yan|cognome5=Liu|nome5=You-Sheng|cognome6=Li|nome6=Bei-Bei|nome1=Dai-Ling|cognome8=Liu|nome7=Yuan-Yuan|nome8=Chongxuan|cognome9=He|nome9=Liang-Ying|cognome10=Ying|nome10=Guang-Guo|titolo=Contamination profile of antibiotic resistance genes in ground water in comparison with surface water|rivista=Science of The Total Environment|data=maggio 2020|volume=715|p=136975|doi=10.1016/j.scitotenv.2020.136975}}</ref><ref name="Andrade">{{Cita pubblicazione|cognome1=Andrade|cognome5=Majury|cognome2=Kelly|nome2=Madeleine|cognome3=Hynds|nome3=Paul|cognome4=Weatherill|nome4=John|nome1=Luisa|cognome6=O’Dwyer|nome5=Anna|nome6=Jean|titolo=Groundwater resources as a global reservoir for antimicrobial-resistant bacteria|rivista=Water Research|data=marzo 2020|volume=170|p=115360|doi=10.1016/j.watres.2019.115360}}</ref><ref name="Jobling">{{Cita pubblicazione|cognome1=Jobling|cognome8=van Aerle|pp=32-39|numero=Suppl 1|volume=114|data=aprile 2006|rivista=Environmental Health Perspectives|titolo=Predicted Exposures to Steroid Estrogens in U.K. Rivers Correlate with Widespread Sexual Disruption in Wild Fish Populations|nome10=Geoff|cognome10=Brighty|nome9=Eduarda|cognome9=Santos|nome8=Ronny|nome7=Charles R.|nome1=Susan|cognome7=Tyler|nome6=Monique|cognome6=Nolan|nome5=Melanie|cognome5=Gross-Sorokin|nome4=Ayesha|cognome4=Taylor|nome3=Andrew|cognome3=Johnson|nome2=Richard|cognome2=Williams|doi=10.1289/ehp.8050}}</ref><ref name="Lambert">{{Cita pubblicazione|cognome1=Lambert|nome5=David K.|pp=11881-11886|numero=38|volume=112|data=22 settembre 2015|rivista=Proceedings of the National Academy of Sciences|titolo=Suburbanization, estrogen contamination, and sex ratio in wild amphibian populations|cognome5=Skelly|nome1=Max R.|nome4=Kevin C.|cognome4=Fitzgerald|nome3=Larry B.|cognome3=Barber|nome2=Geoffrey S. J.|cognome2=Giller|doi=10.1073/pnas.1501065112}}</ref><ref name="Chiang">{{Cita pubblicazione|cognome1=Chiang|nome5=Chang‐Ping|pp=926-949|numero=4|volume=13|data=luglio 2020|rivista=Microbial Biotechnology|titolo=Microbial degradation of steroid sex hormones: implications for environmental and ecological studies|cognome5=Yu|nome1=Yin‐Ru|nome4=Pei‐Hsun|cognome4=Wu|nome3=Po‐Hsiang|cognome3=Wang|nome2=Sean Ting‐Shyang|cognome2=Wei|doi=10.1111/1751-7915.13504}}</ref> Come principale fonte di acqua potabile, gli acquiferi devono essere preservati nella loro integrità, pena la minaccia stessa alla salute dell'uomo.

== Classi di farmaci comunemente rilevate ==

Le classi di farmaci più comunemente rilevate nelle falde acquifere sono elencate a seguire.<ref name="Calvo-Flores">{{Cita libro|cognome1=Calvo-Flores|nome1=Francisco G.|titolo=Emerging pollutants : origin, structure, and properties|data=2018|città=Weinheim, Germany|isbn=9783527338764}}</ref>

* [[Antibiotico|Antibiotici]]
* [[Estrogeno|Estrogeni]] e [[Ormone|ormoni]]
* [[Antinfiammatorio|Antinfiammatori]] e [[analgesici]]
* [[Anticonvulsivante|Antiepilettici]]
* Regolatori lipidici
* Antipertensivi
* [[Mezzo di contrasto|Mezzi di contrasto]]
* [[Antidepressivo|Antidepressivi]]
* [[Antistaminico|Antistaminici]]

{|class="wikitable" style="margin-left: auto; margin-right: auto; border: none;"
  |-
  ! classi di farmaci !! farmaci
  |-
  | antibiotici|| [[sulfametossazolo]], [[triclosano]], [[lincomicina]]
  |-
  | estrogeni e ormoni || 17-β [[estradiolo]], [[estrone]]
  |-
  | antinfiammatori ed analgesici|| [[diclofenac]], [[paracetamolo]], [[ibuprofene]]
  |-
  | antiepilettici|| [[carbamazepina]]
  |-
  | regolatori lipidici || [[acido clofibrico]]
  |-
  | antipertensivi|| [[atenololo]]
  |- 
  | antidepressivi|| [[benzodiazepina]]
  |- 
  | mezzi di contrasto || [[iopamidolo]]
  |-
|+ Esempi di farmaci rilevati frequentemente nelle falde acquifere.<ref name=":0">{{Cita libro|cognome1=Fetter |nome1=C. W. |titolo=Contaminant hydrogeology |anno=1999 |url=https://archive.org/details/contaminanthydro0000fett_a8t7 |data=1999 |editore=Prentice Hall |città=Upper Saddle River, NJ |isbn=9780137512157 |p=[https://archive.org/details/contaminanthydro0000fett_a8t7/page/n426 411] |edizione=2nd}}</ref>
|}

== Proprietà chimiche di maggior rilevanza ==

La [[Molecola|struttura molecolare]] dei farmaci ha un impatto rilevante sui tipi di processi idrologici e geochimici che ne determinano la mobilizzazione nel sistema falda acquifera.<ref name="Calvo-Flores"/><ref name="Frega-Macchione"/><ref name="Appelo" /> Le [[Proprietà chimica|proprietà chimiche]] di maggior interesse in questo contesto, che dipendono a loro volta dalla struttura stessa della molecola, sono elencate a seguire:
* [[Solubilità]] in fase acquosa 
Al crescere del [[prodotto di solubilità]] <math>K_S</math> del composto chimico, aumenta la capacità dello stesso di dissolversi in fase acquosa. Per tale ragione le sostanze [[Polarità|polari]], che possono tipicamente dissolversi in acqua, sono dette [[Idrofilia|idrofile]] e risentono dell'effetto di reazioni di dissoluzione e precipitazione.<ref name="Appelo" />
* [[Lipofilia]], frequentemente misurata in termini del [[coefficiente di ripartizione ottanolo - acqua|coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua]] <math>K_{OW}</math>
Al crescere di <math>K_{OW}</math>(ovvero per molecole progressivamente più apolari), la sostanza tende a preferire le fasi organiche a quella acquosa. In questo caso, il farmaco risulta essere una maggior minaccia per i terreni piuttosto che per la falda acquifera in sé, dalla quale tende ad essere adsorbito. D'altra parte, aumentano i rischi di bioaccumulo e biomagnificazione perché il farmaco avrà una maggior affinità all'interazione con i tessuti (organici) degli organismi viventi. Composti altamente apolari, infatti, non risultano soggetti a processi di dissoluzione o precipitazione in fase acquosa.<ref name="Appelo" />

* Affinità all'adsorbimento

Questa caratteristica è tipicamente misurata tramite il [[coefficiente di ripartizione carbonio organico-acqua]] <math>K_{OC}</math>, che rappresenta una caratteristica intrinseca della molecola e risulta correlato al [[coefficiente di ripartizione ottanolo - acqua|coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua]] <math>K_{OW}</math> attraverso una relazione di proporzionalità.<ref name="Appelo" />
* Proprietà acide
In funzione del valore delle [[Costante di dissociazione acida|costanti di dissociazione acida]], comunemente misurate in termini di <math>Pk_a</math>, si può prevedere l'esito finale di reazioni acido-base e di [[ionizzazione]] all'equilibrio termochimico.<ref name="Stumm">{{Cita libro|cognome1=Stumm|nome1=Werner|titolo=Aquatic chemistry : chemical equilibria and rates in natural waters|data=1996|editore=Wiley|isbn=978-0-471-51185-4|edizione=3rd|città=New York}}</ref>
* Affinità a partecipare a reazioni di [[ossidoriduzione]], anche nel contesto in cui queste siano mediate da meccanismi di metabolismo cellulare.
La struttura molecolare dei farmaci determina la loro propensione a reagire, in condizioni opportune, con altri composti. Le reazioni chimiche dei composti organici avvengono tipicamente per [[Reazione di addizione|addizione]], [[Reazione di sostituzione|sostituzione]] o [[Reazione di eliminazione|eliminazione]] di particolari [[Gruppo funzionale|gruppi funzionali]].<ref name=":1" /> Spesso, inoltre, avvengono in modo tale che il substrato organico sia soggetto ad un cambiamento nel proprio [[Stato di ossidazione|stato ossidativo]].<ref name="Stumm" /><ref name="Smith">{{Cita libro|cognome1=Smith |nome1=Michael, October 17- |titolo=March's advanced organic chemistry : reactions, mechanisms, and structure. |data=2007 |editore=Wiley-Interscience |città=Hoboken, N.J. |isbn=9780470084960 |edizione=6th}}</ref> Questi processi possono essere sia [[Biotico|biotici]] che [[Abiotico|abiotici]], a seconda che siano mediati o meno da processi di metabolismo cellulare da parte di microrganismi.<ref name="Appelo" /> Nel primo caso si parla di reazioni di biodegradazione o biotrasformazione, mentre nel secondo si parla di trasformazione in senso più generale.<ref name="Appelo" /><ref name="Crawford">{{Cita pubblicazione|cognome1=Crawford |nome1=R.L. |titolo=Biodegradation: Principles, Scope, and Technologies |data=1º gennaio 2011 |pp=3-13 |doi=10.1016/B978-0-08-088504-9.00368-8}}</ref><ref>{{Cita libro|nome=R.L.|cognome=Crawford|titolo=Comprehensive Biotechnology|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780080885049003688|accesso=18 giugno 2021|data=2011|editore=Elsevier|lingua=en|pp=3-13|isbn=978-0-08-088504-9|doi=10.1016/b978-0-08-088504-9.00368-8}}</ref>

== Processi di trasporto e attenuazione ==
L'evoluzione del sistema falda in condizioni di contaminazione da parte di farmaci dipende da diversi processi. Il quadro teorico di riferimento è quello del [[trasporto reattivo]] di soluti nel mezzo poroso alla scala del [[Continuo di Cauchy|continuo]] ed è matematicamente descritto dalla classica equazione di avvezione-dispersione-reazione (ADRE):<ref name="Frega-Macchione">{{Cita libro|cognome1=Frega|nome1=Giuseppe|cognome2=Macchione|nome2=Francesco|titolo=Tecniche per la difesa del suolo e dall'inquinamento-Technologies for Integrated River Basin management. 41º corso|data=2020|isbn=9788897181750|pp=253-266}}</ref><ref name="ADRE">{{cita web|titolo=Advection-Dispersion-Reaction Equation for Solute Transport - Enviro Wiki|url=https://www.enviro.wiki/index.php?title=Advection-Dispersion-Reaction_Equation_for_Solute_Transport#The_ADR_Equation|lingua=en}}</ref>

<math>\frac{\partial}{\partial t}(\phi C_W(\boldsymbol {x},t))=
- \underbrace {\nabla (\phi C_W(\boldsymbol {x},t)\boldsymbol v (\boldsymbol{x},t))}_{\text{avvezione}}+
\underbrace{\nabla (\phi \boldsymbol D(\boldsymbol {x},t) \nabla C_W(\boldsymbol {x},t))}_{\text{dispersione idrodinamica}}
+\underbrace{R}_{\text{accumulo}}</math>

Dove <math>\phi</math> rappresenta la [[porosità]] del mezzo e <math>\boldsymbol {x}</math> e <math>t</math> rappresentano, rispettivamente, le coordinate spaziale e temporale. <math>\nabla </math> rappresenta l'operatore [[Operatore di Laplace|divergenza]] (o [[Gradiente (funzione)|gradiente]] quando è applicato a <math>C_W</math>). <math>C_W(\boldsymbol {x},t)</math>denota invece la concentrazione del contaminante in fase acquosa, mentre <math>\boldsymbol{v}(\boldsymbol{x},t)</math> e <math>D(\boldsymbol {x},t)</math> rappresentano rispettivamente il campo di velocità e il tensore di dispersione idrodinamica. Quest'ultimo è solitamente funzione della sola coordinata spaziale. Infine, il termine di accumulo o consumo <math>R</math> è attribuibile all'insieme dei processi reattivi che hanno luogo nel sistema, fra cui adsorbimento, precipitazione, dissociazione acida e altre reazioni di trasformazione come quelle di biodegradazione.<ref name="Frega-Macchione" />
[[File:Transport and Fate 2.jpg|thumb|upright=1|Esempi di processi inclusi nei modelli idro-geochimici di trasporto reattivo in falda.]]
I processi che governano il trasporto nel mezzo poroso sono imputabili alle classiche avvezione e dispersione, mentre i processi geochimici più influenti (afferenti al termine <math>R</math> nell'ADRE) possono essere raggruppati come segue:<ref name="Appelo">{{Cita libro|cognome1=Appelo|nome1=C. A. J.|titolo=Geochemistry, groundwater and pollution|data=2005|editore=Balkema|città=Leiden|isbn=9780415364218|edizione=2nd}}</ref><ref name=":0" />

* Adsorbimento su fase solida
[[File:Mechanism of microbial biodegradation.png|thumb|upright=1|Esempio illustrativo di un potenziale meccanismo di biodegradazione mediata da microrganismi.]]
Il termine adsorbimento identifica quella reazione eterogenea per cui parte del soluto disciolto in fase acquosa va ad aderire alla fase solida del mezzo, venendo così rimosso dalla fase liquida. Nel caso di farmaci questo fenomeno è tipicamente modellizzato con [[isoterme lineari di adsorbimento]], che risultano particolarmente opportune quando le concentrazioni di soluto sono sufficientemente basse. Per contaminanti organici l'adsorbimento risulta correlato sia al coefficiente di ripartizione carbonio organico - acqua <math>K_{OC}</math> della molecola, sia al contenuto di carbonio organico <math>f_{OC}</math> nell'assorbente solido. L'effetto prodotto è quello di introdurre un ritardo nella mobilizzazione del soluto rispetto al caso in cui questo processo sia assente.<ref name=":1" /> Questa reazione avviene solitamente in maniera tale che la condizione di equilibrio termochimico sia raggiunta istantaneamente.
* Dissoluzione e precipitazione
Il termine [[Precipitazione (chimica)|precipitazione]] ([[dissoluzione (chimica)|dissoluzione]] è la sua reazione inversa) identifica la reazione eterogenea per cui un minerale o un sale viene trasferito dalla [[fase solida]] alla fase acquosa, in cui giunge sotto forma sia anionica che cationica, secondo un rapporto determinato sia dai coefficienti della formula molecolare che dal prodotto di solubilità. Questa reazione può avvenire in maniera istantanea (all'equilibrio), oppure può essere governate dalle leggi della [[cinetica chimica]].
* Dissociazione acida
La dissociazione acida o ionizzazione è una reazione omogenea per cui un soluto disciolto in fase acquosa si scinde in un anione e uno o più protoni (ancora in fase acquosa), a seconda della [[Acido forte|forza dell'acido]] in questione. Per i farmaci, che sono molecole organiche, le costanti di dissociazione acida sono solitamente elevate.<ref>{{Cita libro|nome=William Henry|cognome=Brown|nome2=Eric V.|cognome2=Anslyn|nome3=Christopher S.|cognome3=Foote|titolo=Organic chemistry|url=https://www.worldcat.org/oclc/974377227|accesso=18 giugno 2021|edizione=Eighth edition|data=2018|oclc=974377227|isbn=978-1-305-58035-0}}</ref> Si parla pertanto di acidi deboli, che tenderanno a rimanere principalmente in soluzione in forma neutra.<ref name=":1" />
* Biodegradazione, biotrasformazione e altre reazioni di trasformazione
Con il termine biodegradazione si identifica l'insieme di tutti quei processi chimici mediati da microrganismi che, durante il loro naturale percorso di crescita, determinano un consumo diretto o indiretto del substrato (ad esempio il farmaco). Questi processi sono tipicamente portati avanti tramite reazioni di [[ossidoriduzione]] e attraverso meccanismi di eliminazione, sostituzione o addizione di [[Gruppo funzionale|gruppi funzionali]]. Si tratta spesso di [[reazioni multistadio]], in cui uno o più stadi possono rivelarsi lenti, ovvero determinare la velocità di avanzamento della reazione.<ref>{{Cita libro|nome=Michael, October 17-|cognome=Smith|titolo=March's advanced organic chemistry : reactions, mechanisms, and structure.|url=https://www.worldcat.org/oclc/708034394|accesso=18 giugno 2021|edizione=6th ed.|data=2007|editore=Wiley-Interscience|oclc=708034394|isbn=978-1-61583-842-4}}</ref> Con il termine biotrasformazione si indicano invece quelle reazioni chimiche che, al contrario di quelle biodegradative, non conducono ad un'effettiva [[mineralizzazione]] del composto organico iniziale in specie chimiche nel loro massimo [[Stato di ossidazione|stato d'ossidazione]] ([[acqua]] ed [[anidride carbonica]]).<ref name=":1" /> Questo tipo di processo risulta fondamentale per modellare correttamente l'evoluzione del sistema da un punto di vista idrologico e geochimico. Pur essendo solitamente descritto dal punto di vista matematico da reazioni cinetiche lineari, esistono evidenze scientifiche che suggeriscono che tale interpretazione sia eccessivamente semplificativa e impedisca dunque una corretta previsione dell'evoluzione del sistema.<ref name=":2" /><ref>{{Cita pubblicazione|nome=Paula|cognome=Rodríguez-Escales|nome2=Xavier|cognome2=Sanchez-Vila|data=2016-11|titolo=Fate of sulfamethoxazole in groundwater: Conceptualizing and modeling metabolite formation under different redox conditions|rivista=Water Research|volume=105|pp=540-550|lingua=en|accesso=18 giugno 2021|doi=10.1016/j.watres.2016.09.034|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0043135416307114}}</ref>

== Note ==
<references/>

== Voci correlate ==

* [[Inquinamento idrico]]
{{Portale|ecologia e ambiente}}

[[Categoria:Inquinamento idrico]]
[[Categoria:Inquinanti]]
[[Categoria:Geochimica]]
[[Categoria:Ingegneria ambientale]]
[[Categoria:Chimica ambientale]]
[[Categoria:Idrologia]]
[[Categoria:Farmaci]]