Nuove frontiere nella

Analisi delle Acque

16 Aprile – Roma, CNR Aula Convegni

Maurizio Pettine

Direttore IRSA-CNR

Overview su attività IRSA

Il contesto Europeo

Criticità ambientali e analitiche

Il ruolo IRSA nel settore

analitico

Outline

IRSA

Roma- Sede centrale - Chimica aquatica (trasporto e trasformazioni di

inquinanti)

- Trattamento di acque

naturali e di scarico

- Trattamento di fanghi e

rifiuti solidi

- Gestione delle risorse

idriche

- Bonifica di siti

contaminati

- Ecologia microbica

Unità di Bari - Trattamento di acque e acque

di scarico

- Gestione delle risorse idriche

- Modelli idrogeologici, interazioni

acque superficiali/acque sotterranee

- Effetti dei cambiamenti climatici

Unità di Brugherio

- Microinquinanti organici

- Effetti degli inquinanti

- Ecotossicologia

- Classificazione ecologica

- Aree remote, cambiamenti

climatici

B

A

R

I

M M

I I

L L

A A

N N

O O

Water and Wastewater Treatment

Natural waters

Municipal Wastewater

Industrial Wastewater

Develop new processes for treating:

MWWTP retrofitting for facing the

impact of growing population and

increasing loads, Minimizing sludge

production, Odor Removal, WW Reuse

pollutant sources, emerging pollutants

set up and validation of analytical methods

for water pollution control and ecological

classification of water bodies, environmental

quality standard

modes of transport of pollutants and their

circulation-transformation processes,

evaluation of pollutant trend,

effects of pollutants on the structural and

functional characteristics of the ecosystems

(e.g. endocrine disrupters), the role of

microbial ecology in the cycling of carbon

Water Quality

Improve knowledge on the functioning of ecosystems and possible effects

of anthropogenic pressures on surface and ground water. Major topics:

90% of barbel males in the Po

River shows more or less marked

female characteristics

Ct = 98,945e-0,0077t

R2 = 0,86, DT50 = 90 gg

Ct = 105,55e-0,0194t

R2 = 0,98, DT50 = 36 gg

Ct = 100,48e-0,0217t

R2 = 0,99, DT50 = 32 gg

0

20

40

60

80

100

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77

t (giorni)

% s

ima

zin

a

Sim Sim+Urea Sterile

Microbiology of environmental systems

Cycling of carbon in aqueous systems

Biological wastewater treatment

Soil and groundwater bioremediation

Investigate the structure and the role of microbial communities

in the frame of the following topics:

► sustainability of surface and groundwater resources

► development of tools for water resources planning and management

► groundwater quality management and protection

► water management in semiarid areas/ under droughts conditions

► modelling of contamination from non-point sources

Water Resources Management

General topics of interest:

The WFD requires the implementation of an integrated Programme

of measures that take into account many other related directives.

Management plans are based on a spatial unit – the River Basin

District – and require that the measures are integrated with other

policies and programmes, the most relevant being policies affecting

land use (agriculture, energy, transport)

Sludge and waste management

. Some topics of interest at IRSA:

Studies on innovative processes for sustaining sewage sludge use in

agriculture

Assessment of sludge disposal options with the aim to increase

energy recovery

Assessment of the best operating mode of waste incineration by lab

experiments

Definition of new approaches for waste classification with specific

regard to the attribution of hazard characteristics

IRSA activities and Relationships with European directives

AQUATIC

ECOSYSTEMS

Directives 2000/60/EC for IWRM of

freshwaters and coastal waters;

2008/56/EC for marine waters; 2008/105/EC

for priority pollutants

Directive 2006/118/EC GROUND

WATER

WASTE

MANAGEMENT Drective (2008/98/EC)

DRINKING

WATER Directive 83/1998

EVOLUZIONE DELLA POLITICA EUROPEA SULLE ACQUE

Prima fase (anni ’70-80): standard di qualità per specifiche destinazioni di uso

Seconda fase (anni 90): riduzione inquinamento da fonti specifiche di

particolare rilievo (nitrati da agricoltura, acque reflue urbane, IPPC)

Terza fase (da 2000 in poi): la Direttiva quadro sulle Acque (FWD

2000/60/CE) che trova una continuità logica nelle azioni in progress per l’uso

efficiente delle risorse idriche

La WFD richiede l’implementazione di un programma integrato di misure che

interagiscono direttamente o indirettamente con molte altre direttive e

regolamenti. I piani di gestione sono basati su una unità spaziale – il distretto

idrogeografico – e richiedono che le misure siano integrate con altre politiche

e programmi, i più rilevanti dei quali riguardanti le politiche che interessano

l’uso del suolo (agricultura, energia, trasporti).

WFD 2000/60/CE

Drinking

Water

directive

WFD-INTERRELATED EUROPEAN DIRECTIVES W

ate

r re

late

d

directives

Biodiversity related

directives

e ancora i regolamenti:

REACH, EMAS,

ECOLABEL etc

Individua tre motori di crescita e sette iniziative faro (flagship

initiatives) per rilanciare l’economia :

Crescita intelligente

- 1) Digital agenda for Europe; 2) Innovation Union; 3)Youth on the

move

Crescita sostenibile

- 4) Resource efficient Europe; 5) An industrial policy for the

globalisation era

Crescita inclusiva

- 6) An agenda for new skills and jobs; 7) European platform

against poverty

La strategia europea 2020

L’iniziativa Resource efficient Europe si propone un’economia

efficiente nell’uso delle risorse e a basse emissioni di carbonio che

assicuri una crescita sostenibile

Prevede un sostegno alle strategie in materia di cambiamenti

climatici, energia, trasporti, industria, materie prime, agricoltura,

pesca, biodiversità, protezione degli ecosistemi

Richiede azioni per il risparmio dei consumi idrici in ambito urbano,

Industriale e agricolo incentivando il riuso per l’aspetto quantitativo.

Richiede anche una riduzione delle emissioni inquinanti e delle

diverse pressioni antropiche ponendo attenzione verso quelle

«emergenti», cioè quelle tipologie di inquinanti sconosciuti o non

riconosciuti come tali, al momento non inseriti in normative

ambientali ma che possono esserlo in futuro in ragione dei risultati

di ricerche finalizzate alla verifica dei loro effetti sugli ecosistemi e

dei dati di monitoraggio riguardanti la loro presenza nell’ambiente

Problematiche emergenti

Endocrine Disrupting Compounds (EDCs)

• What are?

– Chemicals known or suspected to inhibit or disrupt the function of endocrine systems (development, growth, reproduction, metabolism, etc.) of humans & animals

– They can produce impacts at extremely low levels (many only recently detectable)

Detected in humans, animals &

environment - at increased levels

Potential Human Health Impacts:

– Behavioral changes, cancers, Type II diabetes, fertility declines, compromised immunity, neurological effects, etc.

– Intergenerational/heritable implications

– Developmental impacts greatest on vulnerable population groups

– Substances exhibit endocrine disrupting impacts well below toxic or neurological levels

• Known & Potential Environmental

Impacts:

– Abnormal sexual functions of fish,

frogs, mollusks (e.g., intersex fish,

decreased fertility, etc.)

– Fish lesions (perhaps due to

compromised immune systems)

EDCs Sources

Synthetic (man-made): – Pesticides & Herbicides & Insecticides

(commercial & home)

– PCBs & Dioxins, mercury, cadmium & lead

– Plastic Products

(e.g., electronics, food containers, toys, household products, packaging, etc.)

– Personal Care Products (PCPs)

(e.g., cosmetics, perfumes, shampoos, soap, detergents, insect repellants, anti-microbials)

– Pharmaceuticals (PhACs)

(e.g., antibiotics and hormones – for humans & animals; medicines – prescription, etc.)

– Others

(e.g., fire retardants, rocket fuel, diesel fuel,

animal feed additives)

Naturally occurring: human, animal, fungus & plant hormones

• Used in quantities similar to those of pesticides

• Ubiquitous compounds (water, soil, groundwater)

• More than 80 compounds, pharmaceuticals and several drug

metabolites, have been detected in the aquatic environment

• “Pseudo-persistent” owing to their chronic presence in the environment

• They are only recently considered in the laws currently in force

• Low environmental concentrations

• Very active molecules

Pharmaceuticals

Il 90% dei maschi di barbi adulti catturati nel fiume Po mostra una femminilizzazione più o meno estesa delle gonadi: dal 50% a più del 90% del testicolo è diventato ovario. Viganò et al. (2001) A questi sono seguiti altri riscontri su altre specie.

Quali le conseguenze a livello di popolazione e comunità?

Non siamo in grado di predire gli effetti a lungo termine, né siamo in grado, esaminando i cambiamenti di una comunità, di indicare le cause responsabili

Il problema degli alteratori endocrini

Tossicogenomica e Tossicoproteomica si vanno configurando come nuove discipline in grado di produrre gli strumenti interpretativi (biomarkers) per l’indagine ambientale.

Nanoparticles (NPs)

Definition: NPs are particles smaller

than 100 nm. These materials are

increasingly being used for

commercial purpose

(nanotechnology) such as filler,

opacifiers, catalysts, semiconductors,

cosmetics, microelectronics, drug

carriers etc.

Some NPs are: Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2,

TiO2, ZnO.

the increased ratio of surface area to

volume present in nanoscale

materials opens new possibilities in

surface-based science materials

Potential health risks: NPs are

suspected to enter the human cells

more easily than microsized particles;

have a high biological activity and

several types of NPs have shown toxic

effects

There are limited knowledge of the risks

associated with exposure to and

release into the environment

The fate, transport and adverse impact

of anthropogenic nanomaterials (e.g.

carbon nanotubes, molecular wires,

quantum dots, etc.) on water quality will

determine to a large extent their

regulatory and public acceptance.

Cyanobacteria bloom is one of the emerging problem affecting lake

ecosystems. This phenomena seems to be connected with climate

change due to the elevated capacity to adapt by the cyanobacteria,

although driving factors are still under investigation

Some species of cyanobacteria produce toxins that affect animals and

humans. People may be exposed to cyanobacterial toxins by drinking

or bathing in contaminated water. The most frequent and serious health

effects are caused by drinking water containing the toxins or by ingestion

during recreational water contact

In spite of their aquatic origin, most of the cyanotoxins that have been

identified appear to be more hazardous to terrestrial mammals than

to aquatic biota

The cyclic peptide toxins (microcystins and nodularins) which primarily

cause liver injury are very widespread and they are very likely to occur

if certain taxa of cyanobacteria (for example Planchtroxix, Oscillatoria,

Anabaena) are present

Il problema delle cianoficee

Classi di composti Esempi

Farmaceutici

Antibiotici ad uso umano o veterinario

Trimethoprim, erytromicine, lincomycin, sulfamethaxozole

Analgesici ed anti-infiammatori Ibuprofene, acetaminophen, acido acetilsalicilico, diclofenac, fenoprofen

Psicofarmaci Diazepam

Regolatori lipidici Bezafibrato, acido clofibrico, acido fenofibrico

-bloccanti Metoprolol, propanolol, timolol

Droghe e metaboliti Cocaina, anfetamina, benzoilecgonina

Steroidi ed ormoni Estradiolo, estrone, estriolo, dietilstilbestrolo

Antisettici Triclosan, clorofene

Composti perfluorurati Acido pefluoroottanoico, perfluoroottansolfonato

Ritardanti di fiamma Tetrabromo bisfenolo A,

tris(2-cloroetil)fosfato

Additivi delle benzine Eteri dialchilici, metil-t-butiletere

GLI INQUINANTI EMERGENTI

DIRETTIVA SOSTANZE PRIORITARIE Nuova Proposta (2011/0429 COD)

Sostanza prioritaria AA-EQS

Acque dolci (g/L)

AA-EQS

Acque di mare (g/L)

Dicofol 1,3x10-3 3,2x10-5

PFOS 6,5x10-4 1,3x10-4

Quinoxyfen 1,5x10-1 1,5x10-2

Aclonifen 1,2x10-1 1,2x10-2

Bifenox 1,2x10-2 1,2x10-3

Cybutrine 2,5x10-3 2,5x10-3

Cypermethrin 8x10-5 8x10-6

Dichlorvos 6x10-4 6x10-5

Hexabromocyclododecane 1,6x10-3 8x10-4

Heptachlor e heptachlor epoxide

2x10-7 1x10-8

Terbutryn 6,5x10-2 6,5x10-3

17-ethinylestradiol 3,5x10-5 7x10-6

17--estradiol 4x10-4 8x10-5

Diclofenac 1x10-1 1x10-2

AA-EQS previsti da Direttiva 2008/105/EC e da

proposta di nuova direttiva (2011/0429 COD)

Sostanza prioritaria

2008/105/EC Acque

2011/0429 COD acque

EQS2008/105/EC R = ___________

EQS2011 COD

dolci (g/L)

di mare (g/L)

dolci (g/L)

di mare (g/L)

Difenileteri bromurati 5x10-4 2x10-4 4,9x10-8 2,4x10-9 10204 (83333)

Fluorantene 1x10-1

1x10-1 6,3x10-3 6,3x10-3 16

Naftalene 2,4 1,2 2 2 1,2 (0,6)

benzo(a)pirene 5x10-2 5x10-2 1,7x10-4

1,7x10-4

294

benzo(b)fluorantene = 3x10-2

= 3x10-2

176

benzo(k)fluorantene 176

benzo(g,h,i)-perilene = 2x10-3

= 2x10-3

12

Indeno(1,2,3-cd)-pirene

12

Gli effetti visibili

ma spesso assistiamo a fenomenologie difficili da spiegare ??

Bioaccumulo e biomagnificazione

“I gabbiani impazziti nel mar di Barents”

attribuita a PCB accumulati nei tessuti grassi

(0.00005 ng/L in acqua; 5 ng/g nello zooplankton;

20 ng/g nei pesci; 3600 ng/g nei gabbiani). I PCB

accumulati nel grasso dei volatili vengono poi

assunti quando i grassi sono utilizzati come riserve

energetiche, diffondendosi nel loro organismo e

concentrandosi nel cervello e nel fegato.

Lo spiaggiamento di capodogli

nel Gargano (11 dicembre 2009) in Nuova Zelanda (29 dicembre

2009; 24 gennaio 2010)

Quali le cause: inquinamento acustico, chimico, elettromagnetico, virus ??

e per la moria delle api ??, di uccelli ??

episodi recenti

Il ruolo IRSA nel settore analitico

1972 Quaderno IRSA n. 11 (3 volumi)

Le metodiche analitiche e di campionamento da impiegarsi nella

determinazione dei parametri sono quelle descritte nei volumi

“Metodi analitici per le acque” pubblicati dall’IRSA-CNR, Roma e

successivi aggiornamenti (Legge 319/76)

1978-1988 Quaderno IRSA n. 11, Quaderno 59,

Quaderno 64 (schede mobili)

1994 Quaderno IRSA n. 100 (Istituto Poligrafico e

Zecca dello Stato)

1981-1993 Metodi Analitici per le Acque-Notiziario

1994 - ad oggi Notiziario dei Metodi Analitici

Il ruolo IRSA-APAT nel settore analitico

2003 Manuale APAT-IRSA n. 29/2003

Le metodiche di campionamento ed analisi saranno

aggiornate dall’ANPA (APAT) (Limiti di emissione

scarichi, All. 5, D. Lgs. 152/99 e D. Lgs. 152/06)

• Per i metodi di campionamento ed analisi degli elementi di

qualità biologica si fa riferimento…… quaderni e Notiziari IRSA

per le acque dolci…es. Il sistema di classificazione

MacrOper

• I metodi per i parametri chimici sono riportati nei Manuali e

Linee Guida APAT/CNR-IRSA n. 29/2003 e successivi

aggiornamenti…

• ..

• Per le sostanze dell’elenco di priorità per le acque superficiali

interne, nelle more della pubblicazione dell’aggiornamento dei

quaderni APAT/CNR-IRSA si fa riferimento per i metodi analitici

a metodiche EN ISO, ISO, APAT-IRSA, ISTISAN

Classificazione dello stato dei corpi idrici

Decreto MATTM 260/10

• E’ necessario aumentare la collaborazione tra enti di ricerca/università e

industria per indirizzare gli sforzi di ricerca verso i settori più carenti e

sviluppare strumenti di indagini che consentano di affrontare e

approfondire le complesse fenomenologie ambientali, la cui comprensione

è alla base della protezione degli ecosistemi e della salute dell’uomo.

• Gli EQS, con l’aumento delle conoscenze, tendono a divenire sempre più

bassi e richiedono la definizione di protocolli analitici sempre più affidabili in

grado di determinare taluni contaminanti a livelli di ultratracce (<pg/L)

• I metodi di analisi da utilizzare nel monitoraggio dello stato di qualità dei

corpi idrici debbono avere requisiti minimi di prestazione piuttosto severi

(LOQ 1/3 EQS; incertezza di misura 50%)

• Le difficoltà di raggiungimento delle sensibilità richieste per i contaminanti

idrofobici suggeriscono di prendere in considerazione altre matrici

(sedimenti, organismi) o il ricorso ad approcci non tradizionali (es.

campionatori passivi)

• E’ necessario sviluppare metodi di preconcentrazione, separazione e

riconoscimento estremamente sofisticati per l’identificazione e il

monitoraggio di contaminanti emergenti

CONCLUSIONI