SPECIAZIONE
SPECIAZIONE
Chimica. - La s. in chimica può essere definita come lo studio delle differenti forme chimiche sotto le quali un elemento è distribuito in un dato sistema. A partire dalla fine degli anni Settanta si è registrato un interesse crescente, destinato ad aumentare ulteriormente in un prossimo futuro, verso studi di questo tipo. La ragione è che appare sempre più evidente come sia l'assimilabilità che la tossicità di un dato elemento dipendano strettamente dalla forma sotto la quale questo elemento si trova.
Riguardo all'assimilabilità dei metalli si riportano alcuni esempi che interessano l'uomo: la forma più assimilabile del ferro è l'eme, mentre i sali inorganici e i complessi organici semplici sono molto meno assimilabili; la sola forma del cobalto assimilabile è la cobalamina (vitamina B12); il gruppo dei complessi zinco-amminoacidi e cromo-amminoacidi sono molto più assimilabili dei rispettivi composti inorganici. La tab. 1 riporta i fattori che intervengono nell'interazione in acqua fra un metallo e gli organismi viventi. Riguardo alla tossicità dei metalli, è generalmente accettato il fatto che lo ione libero del metallo sia la forma più tossica per la vita acquatica, mentre le forme fortemente complessate o quelle associate con materiale colloidale siano molto meno tossiche. Risulta chiaro, pertanto, come per questo tipo di studi informazione necessaria, ma non più sufficiente, sia la conoscenza della concentrazione totale del metallo; essa da sola non fornisce alcun dato circa la bioassimilabilità e tossicità del metallo stesso. Schematicamente una prima distinzione tra le varie forme in cui un metallo è presente in acqua può essere fatta considerando la ripartizione del metallo tra stato solubile e stato particolato, intendendo per solubile tutto ciò che passa attraverso un filtro con pori di 0,45 μm. Tuttavia la s. dei metalli può essere studiata in base ad altri parametri, per es. la granulometria (tab. 2). Lo stato solubile è la fase attraverso cui e da cui avvengono prevalentemente il trasporto dei metalli pesanti nelle acque e le interazioni di questi con il materiale sospeso (sedimento e organismi).
La concentrazione totale di un metallo Me allo stato disciolto in un'acqua naturale è generalmente distribuita, in funzione dei tipi e delle concentrazioni dei ligandi presenti, fra specie complesse labili MeXj e specie complesse stabili e non labili (inerti) MeLm secondo i seguenti generali equilibri di complessazione:
Il problema della determinazione di queste varie forme è molto complesso. Spesso anche la sola conoscenza della concentrazione totale è di difficile accesso a causa delle basse concentrazioni a cui molti metalli si trovano presenti in un'acqua naturale. È chiaro come a questi livelli di concentrazione sia estremamente difficile determinare le singole forme che concorrono alla concentrazione totale del metallo. Inoltre, viste le premesse, un operatore dovrebbe in linea teorica effettuare le determinazioni senza perturbare il sistema, poiché ogni perturbazione potrebbe portare a un diverso equilibrio (rispetto al preesistente) tra le forme chimiche dell'elemento investigato.
È per questo motivo che da un lato i metodi di adsorbimento e di estrazione forniscono risultati che vanno interpretati e valutati con critica cautela, dall'altro i metodi fisici (elettroforesi in ambiente stabilizzato e s. basata sulla carica) vengono fatti oggetto di studio di perfezionamento e adattamento progressivi. Lo studio della s. di un metallo in acqua naturale, sia essa inquinata o no, dovrà essere supportato da conoscenze riguardanti diverse caratteristiche dell'acqua stessa: a) quantità totale di carbonio presente (fornisce informazioni sulla possibilità di complessazione del metallo da parte di sostanze organiche); b) pH: la maggior parte delle reazioni è influenzata dall'acidità dell'acqua; c) potenziale redox: indica la possibiltà di reazioni di ossidazione e riduzione nell'ambiente in esame; d) salinità, temperatura, ossigeno disciolto: sono parametri che influenzano direttamente gli equilibri speciativi del metallo; e) materiale sospeso: influenza gli equilibri in soluzione, adsorbendo le varie specie solubili del metallo.
Metodi specifici per studi di speciazione. - Dalla premessa si evince la necessità di ottenere, con metodologie diverse, un quadro in cui oltre alla concentrazione totale del metallo sia possibile conoscere il metallo adsorbito su solidi, il metallo complessato stabilmente, quello complessato in forma labile e infine il metallo libero. Per tali studi di s. sono richiesti metodi specifici di elevata sensibilità e accuratezza: per es. le tecniche voltammetriche, la potenziometria con elettrodi iono/selettivi, la spettrofotometria di assorbimento atomico.
Tramite tecniche voltammetriche è possibile studiare molti metalli pesanti e anche i non metalli di più rilevante interesse ecotossicologico. Le informazioni accessibili sono molteplici: la misura a pH naturale delle specie disciolte corrisponde alla concentrazione totale dei complessi labili con gli anioni inorganici come cloruro e solfato e con qualche sostanza organica, come gli amminoacidi nel caso del cadmio; la misura a pH acido corrisponde alla quantità di metallo rilasciato dal materiale organico disciolto o da colloidi scambiatori; la determinazione dopo irradiazioni con luce ultravioletta fornisce dati sui complessi con specie organiche antropogeniche, che a causa della loro elevata stabilità vengono decomposte soltanto in queste drastiche condizioni; la titolazione con una soluzione di uno ione metallico facilmente complessabile fornisce indicazioni sulla capacità complessante di un'acqua.
Con questo tipo di metodologia sono stati svolti numerosi studi che, sia pure in fase sperimentale, hanno però chiarito lo stato di s. di numerosi metalli, e hanno consentito di trarre alcune considerazioni generali, due delle quali di particolare interesse per gli studi ambientali: lo scarso rilievo che ai fini della s. hanno amminoacidi e acidi umici (per questi ultimi fa eccezione il caso delle acque dolci) a causa del basso valore delle costanti di stabilità dei relativi complessi e del basso valore delle loro concentrazioni, e la dimostrazione che non solo le specie complesse labili possono essere adsorbite dal plancton, ma anche quelle stabili (con EDTA, NTA e altri complessanti).
La potenziometria con elettrodi iono/selettivi è una delle tecniche analitiche più semplici, rapide e poco costose. Tramite un'equazione del tipo di quella di Nernst è possibile, da una lettura di potenziale, risalire all'attività (alla concentrazione, se si lavora con un tampone di forza ionica) dello ione libero in soluzione. Caratteristica di questi elettrodi è la struttura a membrana che riduce le interferenze: il grande vantaggio di questa tecnica è il fatto che non è perturbativa del sistema preso in esame (molto spesso il tampone di forza ionica è già contenuto nel campione, come nel caso di misure in acqua di mare); inoltre la tecnica, in linea teorica, può essere applicata a qualsiasi matrice reale poiché il segnale è relativo solo allo ione verso cui l'elettrodo è selettivo.
Tuttavia questi elettrodi possono, in pratica, mostrare due tipi di interferenze: le interferenze del metodo e quelle dell'elettrodo. Le interferenze del metodo portano a errori in difetto, in quanto sottraggono lo ione d'interesse ai fini della determinazione; le interferenze dell'elettrodo invece portano a errori in eccesso poiché al segnale proveniente dallo ione primario si sommano i segnali provenienti da altri ioni interferenti, la cui intensità è funzione del rapporto di concentrazione tra ione primario e ioni interferenti e dei valori delle costanti di selettività, che definiscono in termini quantitativi il grado dell'interferenza (basso, medio, elevato). Questo secondo tipo di interferenze è grave proprio in studi di speciazione.
La spettrofotometria di assorbimento atomico è una delle tecniche analitiche più sensibili. Infatti essa utilizza per il segnale da rilevare gli atomi allo stato fondamentale e non quelli allo stato eccitato che costituiscono una piccola frazione. Schematicamente essa prevede l'aspirazione del campione in una cella di atomizzazione dove gli ioni metallici sono convertiti, tramite la temperatura, ad atomi allo stato vapore in grado di assorbire radiazioni di opportune lunghezze d'onda emesse da una lampada il cui catodo è costituito dallo stesso metallo che si vuole determinare. La quantità di radiazione assorbita è proporzionale alla concentrazione del metallo nel campione. Il fatto che ogni metallo assorbe solo radiazioni di una caratteristica lunghezza d'onda, rende questa tecnica molto selettiva e, in linea teorica, priva di interferenze, e tale da poter essere applicata quindi con successo alle analisi su matrici reali. In realtà, ultimamente, è stato messo in evidenza come anche questa tecnica sia affetta da interferenze di cui bisogna tener conto.
L'informazione ricavabile con questa tecnica è solo la concentrazione totale dell'elemento; questo perché l'atomizzazione coinvolge tutte le forme sotto le quali l'elemento si trova, impedendo quindi di discriminare tra esse. Una evoluzione di questa tecnica, l'assorbimento atomico con generazione di idruri, ha tuttavia permesso, per quei metalli ai quali può applicarsi, oltre che di ridurre le interferenze e portare il limite di rilevabilità a livelli di parti per miliardo (ppb), anche di discriminare tra le varie forme di alcuni elementi.
Ruolo della speciazione nelle interazioni metalli-organismi viventi. − Dalla s. di un metallo dipendono la sua tossicologia e le sue interazioni con gli organismi, in forma di ione sia libero che legato a molecole organiche. Le interazioni hanno luogo in differenti stadi: a) ingresso e assorbimento; b) trasporto, distribuzione, accumulo, biotrasformazione; c) escrezione.
Nel primo stadio, le proprietà chimico-fisiche delle molecole contenenti i metalli giocano un importante ruolo in relazione alla previsione della loro tossicità: la natura organica o inorganica dei composti ha conseguenze rilevanti sui modi di assorbimento influenzando direttamente la solubilità in ambienti idrofili o idrofobi e successivamente il trasporto, la distribuzione, l'accumulo e quindi l'effetto finale che ne risulta. Lo stato fisico del composto, gassoso, disciolto o adsorbito su particelle solide, è inoltre critico per l'assorbimento attraverso i diversi tessuti: la grandezza delle particelle è importante per l'assorbimento attraverso il tessuto bronchiale o gastrointestinale; la forma solubile è ideale per l'assorbimento cutaneo, mentre la gassosa lo è per l'assorbimento polmonare. Ai fini di una previsione o assegnazione di tossicità, la fase d'ingresso e assorbimento è quella più critica. Una volta assorbito, il metallo viene trasformato ai fini del trasporto e dell'accumulo; potrà subire reazioni di ossido-riduzione e complessazione con sostanze proteiche, acidi nucleici, amminoacidi semplici, ecc. È noto da alcuni anni che il trasporto dei metalli attraverso la membrana cellulare avviene secondo diversi meccanismi, ed è altresì noto che i metalli vi penetrano sotto varie forme. È per questi motivi e per gli altri sopra citati che le ricerche più recenti sono indirizzate proprio alla definizione delle specie chimico-fisiche sotto cui sono presenti gli elementi nei diversi sistemi: aria, acqua, suolo, cibo, ecc. Le maggiori ricerche si svolgono per ora negli studi dei sistemi acquatici e dell'ecotossicità dei metalli, ma la problematica si presta a essere estesa anche al campo della tossicologia umana.
Da un punto di vista biologico, è stato riconosciuto da molto tempo il ruolo fondamentale che i metalli svolgono nei metabolismi cellulari, non solo limitatamente ai metalli di basso peso atomico e di notevole abbondanza naturale come calcio, sodio o potassio, ma anche a quelli di alto peso atomico e di scarsa abbondanza come i metalli pesanti e di transizione: molibdeno, manganese, ferro, cobalto, rame, zinco, ecc. Di questi ultimi è nota la presenza, in quantità determinate, negli organismi viventi, come cofattori enzimatici o gruppi prostetici di proteine. Tuttavia, nonostante il ruolo essenziale svolto, per alcuni metalli la concentrazione rimane un fattore affinché non s'instaurino fenomeni di tossicità. La fig. mostra che per i metalli essenziali esiste un intervallo ottimale di concentrazione al di sotto del quale esistono fenomeni di carenza e al di sopra del quale si producono effetti di tossicità e letalità. Per i metalli non essenziali esiste, invece, un limite di tolleranza oltre il quale si riscontrano gli stessi fenomeni di tossicità.
Conclusioni. − La determinazione delle specie chimiche, conosciuta come analisi di s., è oggi eseguita in molti laboratori per il controllo della qualità dell'ambiente, del cibo, della salute. Anche l'Unione Europea indica queste attività fra quelle da privilegiare nella prospettiva di una ricerca finalizzata all'acquisizione di dati di particolare rilievo e importanza, ma finora spesso sottovalutati e comunque poco rilevati, anteponendo a essi quelli assai più comuni della concentrazione totale. A dimostrazione di ciò, a livello di Unione Europea sono state organizzate serie di prove interlaboratorio, ivi inclusa la preparazione di materiali certificati di riferimento, necessari ai fini di migliorare l'affidabilità delle determinazioni. Alcuni aspetti della problematica quali il campionamento, il pretrattamento, la conservazione del campione e la stessa classificazione non sono stati ancora adeguatamente approfonditi o risolti, ma c'è da credere che lo saranno nei prossimi anni, anche in relazione alle correlazioni della s. chimica non soltanto con vitali questioni ambientali, ma anche con i processi di recupero e riciclo di risorse materiali da rifiuti, in relazione della stretta dipendenza che la fattibilità economica di tali processi ha con la s. nelle matrici da trattare.
Bibl.: R. Jasinski, I. Trachtenberg, D. Andrychuk, Potentiometric measurement of copper in sea-water with ion selective electrodes, in Analytical chemistry, 46 (1974), pp. 364-67; T.M. Florence, G.E. Batley, Chemical speciation in natural waters, in Critical review in analytical chemistry, 1980, pp. 219-96; D.R. Turner, M. Whitfield, A.F. Dickson, The equilibrium speciation of dissolved components in freshwater and seawater at 25 °C and 1 atm pressure, in Geochimica et Cosmochimica Acta, 45 (1981), pp. 855-81; H.W. Nurnberg, Voltammetric trace analysis in ecological chemistry of toxic metals, in Pure and applied chemistry, 65 (1982), pp. 853-78; U. Forstner, G.T.W. Wittman, Metal pollution in the aquatic environment, Berlino, New York 1983; H.W. Nurnberg, The voltammetric approaches in trace metal chemistry of natural waters and atmospherical precipitation, in Analytica Chimica Acta, 164 (1984), pp. 1-21; Ch. Labar, Speciation of heavy metals, in Environmental Studies, Electrochim. Acta, 38 (1993), pp. 807-13; J.P. Vernet, Environmental contamination, Amsterdam 1993, pp. 187 ss., 422 ss.