Bioaccumulation and Acquatic System Simulator

1. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 Bioaccumulation and Acquatic System Simulator

2. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 Il bioaccumulation and Acquatic System Simulator, più brevemente definito BASS, viene utilizzato per modellizzare lo sviluppo delle popolazioni acquatiche, l’ accumulo di biomassa nei vari comparti (strutturati per taglia, età, specie) e gli effetti sulle popolazioni marine derivanti dalla presenza di sostanze inquinanti di vario tipo. Di particolare interesse è lo studio degli effetti di sostanze nocive all’interno della comunità, andando così ad osservare la concentrazione che si rileva nei tessuti degli organismi acquatici a seguito del’inquinamento in ambiente marino ed i relativi effetti sulla popolazione e sull’intera catena alimentare. Il BASS risulta utile anche per studiare la dinamica delle popolazioni acquatiche sottoposte ad altri tipi di problematiche, ad esempio alterazioni termiche del bacino acquifero (dovuto ad attività industriali e/o commerciali) o ad effetti legati alla pesca e all’introduzione di specie alloctone (determinando così squilibri all’interno della catena trofica, l’ introduzione di agenti patogeni cui le specie autoctone non sono predisposte, competizione interspecifica …) UN MODELLO DI QUESTO TIPO RISULTA QUINDI FONDAMENTALE NON SOLO PER VALUTARE IL RISCHIO CHE GLI INQUINANTI COMPORTANO ALLE POPOLAZIONI ACQUATICHE (INFLUENDO COSI’ INEVITABILMENTE SUL BENESSERE DELL’ECOSISTEMA A SCALA LOCALE), MA ANCHE PER PREVENIRE RISCHI PER LA SALUTE DELL’UOMO (AD ESEMPIO FENOMENI DI BIOMAGNIFICAZIONE) La struttura del BASS è abbastanza flessibile alle richieste dell’utente, che può basare la simulazione del modello non solo sull’età ma anche sulle dimensioni delle comunità o delle singole specie o ancora, specificandone la dieta. Non vi sono restrizioni né rispetto al numero di specie che è possibile introdurre nella simulazione nè al numero di sostanze tossiche (non solo composti chimici organici e non, ma anche metalli nocivi per la salute come mercurio, cadmio, zinco, nickel …) o al numero di coorti (raggruppamento di individui/organismi aventi la stessa età)

3. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 GLI ALGORITMI SI BASANO SU: Dati relativi all’inquinante, alla sua diffusione in acqua e alla sua concentrazione, alla diffusività, al n-ottanolo/coefficiente di partizione dell’acqua(Kow), … Caratteristiche biologiche come la morfometria delle branchie, il tipo di dieta, i tassi di crescita delle popolazioni, la composizione dei tessuti e i coefficienti di assorbimento dei vari composti, … Sulla base di questi dati, il modello simula la crescita dei pesci e delle varie comunità acquatiche con dei bilanci di massa e dei bilanci energetici, ad esempio: - - - = INGESTIONE RESPIRAZIONE ENERGIA ATTIVITA’ VITALI ESCREZIONE CRESCITA Questa semplice equazione, necessaria per il calcolo della biomassa, richiede uno studio approfondito per ognuna delle sue componenti, ad esempio: Per calcolare l’ingestione si usano i tassi di assimilazione delle varie specie, adattati alla reperibilità delle risorse nutritive necessarie all’interno della comunità (zooplankton, fitoplankton, alghe, benthos, insetti ed altri pesci a seconda della collocazione nella catena trofica), e così via per tutte le altre componenti facenti parte del bilancio; La dinamica globale della popolazione dipende però, anche da altre componenti, ad esempio dal tasso di mortalità da predazione, dal tasso di mortalità naturale, dalla longevità massima, dai responsi tossicologici all’esposizione a sostanze tossiche (valutazione LD, CD, LethalDose50 …) … Tuttavia non si tiene conto dei tassi di immigrazione ed emigrazione.

4. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 Queste sono alcune delle informazioni ricavabili dal BASS: -Previsioni qualitative e quantitative dello sviluppo delle comunità; -Elenchi di tutti i parametri e delle simulazioni svolte; -Tabelle riassuntive con cadenza annuale dei flussi di energia dei singoli individui raggruppati per specie o per coorte; -Tabelle riassuntive del bioaccumulo di sostanze chimico-tossiche da parte dei singoli pesci raggruppati per specie o coorte; -Grafici in funzione delle variabili del modello (tempo,età,dimensioni…) Il BASS è stato utilizzato per compiere numerose analisi e pubblicazioni in questi ultimi anni, ad esempio: - Analizzare il bioaccumulo di metile di mercurio nelle Everglades (regione paludosa subtropicale in Florida); - Analisi della sostenibilità ecologica nelle acque della penisola di Albemarle-Pamlico nel North Carolina; - Studio del livello di inquinamento dovuto ai PCB e il pericolo per i salmonidi nel lago Ontario in Canada;

5. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 Un esempio applicativo è proprio quello riferito ad un’indagine svolta negli anni 90 sugli effetti dei PCB sulla comunità dei salmonidi nel lago Ontario in Canada (Barber, M.C., L.A. Suárez, and R.R. Lassiter. Modelling bioaccumulation of organic pollutants in fish with an application to PCBs in Lake Ontario salmonids. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 48: 318-337.) I PCB (Policlorofenoli) sono una vasta gamma di composti organici(circa 200) considerati inquinanti persistenti e di tossicità talvolta paragonabile alla diossina. Sono sostanze molto stabili i cui legami possono essere spezzati solo con processi catalitici o di combustione. L’EPA e l’Agenzia Internazionale per la ricerca sul Cancro hanno stabilito che sono sostanze probabilmente cancerogene per l’uomo. I PCB entrano soprattutto nei sistemi acquosi, penetrano nel corpo degli animali ed essendo liposolubili, passano e si accumulano nei tessuti adiposi. La tossicità diretta non è quella più pericolosa, in quanto per uccidere un topo occorrono circa 5 grammi di PCB per ogni chilo corporeo, invece è la somministrazione prolungata e quindi l'accumulo che porta alla morte. I PCB penetrano e si diffondono nel fegato, nei tessuti nervosi e in tutti gli organi e tessuti ad alta componente lipidica . Si può quindi comprendere il rischio per l’uomo, attraverso fenomeni quali la biomagnificazione, in cui la concentrazione dell’inquinante aumenta man mano che si sale nella catena trofica. IL MODELLO RICHIEDE L’INTRODUZIONE DI DATI E LA STIMA DI PARAMETRI RELATIVI ALLE 3 PRINCIPALI COMPONENTI DEL PROBLEMA: IL LAGO I SALMONIDI I PCB

6. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 IL LAGO -Temperatura dell’acqua (comprensiva della temperatura dell’epilimnio, termoclinio ed ipolimnio); -Livello dell’acqua (anche spessore epilimio, termoclinio ed ipolimnio); -Tempo di simulazione; -Input e Output del lago (portata entrante degli immissari ed uscente degli emissari; -La concentrazione di biota nelle acque del lago; I SALMONIDI -Caratteristiche - vincoli affinché i pesci possano essere considerati parte attiva della popolazione (ad es. la lunghezza minima deve essere di 150 mm); -La dieta alimentare in base alle dimensioni (piscivori o dieta a base di zooplancton); -Tassi di crescita della popolazione; -Condizioni iniziali della comunità (età degli individui, dimensioni e peso); -Tassi di predazione, di mortalità naturale, di riproduzione, efficienza di assimilazione, …;

7. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 I PCB (POLICLOROFENOLI) Il modello proposto ha archiviato al suo interno una serie di dati relativi a tutti i composti facenti parte della famiglia dei PCB: -Peso molecole; -Volume molecolare; -Punto ; -Effetti dell’esposizione sulle diverse comunità; -Modalità e tassi che regolano l’assimilazione e l’accumulo all’interno dei tessuti; Per quanto riguarda lo studio degli effetti dei PCB sui salmonidi del lago Ontario, sono stati necessari quindi numerosi dati reperiti da ricerche e studi effettuati da diversi esperti, nel tentativo di migliorare il più possibile i risultati finali della simulazione.

8. Gallori Jacopo A.A. 2009/2010 L’utilizzo del modello BASS, seppur molto efficiente dal punto di vista dei risultati finali della simulazione, richiede una quantità davvero notevole di equazioni e parametri, alcuni dei quali particolarmente complessi da stimare. Proprio la difficoltà nel reperire dati e informazioni relativi non solo al bacino, ma anche alle specie che lì risiedono (per quanto riguarda la reperibilità dei dati sulle sostanza chimiche e/o metalliche non vi sono particolari problemi) è probabilmente l’ostacolo maggiore e che richiede un notevole dispendio di energie e risorse, in particolare facendo riferimento a specie poco conosciute o di difficile analisi. Presso il sito http://www.epa.gov/, sito dell’agenzia americana preposta alla salvaguardia dell’ambiente si può reperire nella sezione “food chain” il programma BASS. SPECIFICHE HARDWARE & SOFTWARE -Sistema operativo: Windows 98, NT, 2000 o xp; -Linguaggio: Fortran 95 -Versione corrente: BASS v2.2 -Dimensioni: 89,3 Mb (minimo) a 156,62 Mb (con componenti opzionali)