La contaminazione da selenio degli ecosistemi di acqua dolce è un problema di salute ambientale in corso in tutto il mondo. Un oligoelemento naturale, i livelli di selenio sono alti in alcune formazioni geologiche come gli scisti sedimentari che formano gran parte del substrato roccioso negli Stati Uniti occidentali. Suoli derivati ​​da questo substrato roccioso, e l'erosione degli affioramenti di scisto, può contribuire ad alti livelli di selenio nei bacini idrografici circostanti.

Nuova ricerca in uscita questa settimana in Scienze e tecnologie ambientali di UConn Assistant Professor of Natural Resources and the Environment Jessica Brandt con Travis Schmidt e colleghi dell'United States Geological Survey (USGS) indaga su alcune delle complessità del selenio e su come si muove attraverso l'ecosistema durante gli eventi di ruscellamento e come risultato dell'irrigazione stagionale di suoli arricchiti di selenio.

La ricerca si è concentrata sul bacino del fiume Gunnison inferiore in Colorado, un'area interessata da un substrato roccioso arricchito di selenio noto come l'argillite di Mancos del Cretaco superiore, e l'habitat critico designato per il pollone razorback in via di estinzione (Xyrauchen texanus) e il pikeminnow del Colorado (Ptychocheilus lucius). Tra giugno 2015 e ottobre 2016, il team di ricerca ha campionato acqua e fauna selvatica in sei viaggi di campionamento e lungo 60 miglia fluviali tra Austin e Grand Junction, CO.

Brandt spiega che il focus dello studio era sui tempi del movimento del selenio attraverso la rete alimentare fluviale. Il particolato, comprese le alghe, assorbono il selenio dall'acqua alla base della rete trofica. Gli invertebrati e alcuni piccoli pesci si nutrono direttamente del materiale particolato, e i pesci più grandi poi mangiano gli invertebrati e i pesci più piccoli.

"Il selenio è un micronutriente essenziale acquisito attraverso la dieta, ma l'eccessiva esposizione minaccia la salute degli animali che depongono le uova, compresi pesci e uccelli acquatici. Oltre a ciò, la tempistica dell'esposizione è importante. Ad esempio, troppo selenio come embrione è particolarmente preoccupante perché compromette lo sviluppo e riduce le possibilità di schiusa e sopravvivenza alle fasi della vita adulta. Volevamo sapere quando, nel corso dell'anno, i pesci sono esposti alle più alte concentrazioni di selenio nella catena alimentare? Quei periodi coincidono con le finestre della riproduzione e dello sviluppo della prima infanzia? Sono allineati con periodi di maggiore mobilitazione del selenio nel fiume?"

Per la maggior parte, le risposte a quelle domande erano sì. Le concentrazioni di selenio hanno raggiunto le loro più alte concentrazioni nelle prede dei pesci in aprile e agosto 2016, quando il selenio viene immesso nel fiume dallo scioglimento della neve e durante l'irrigazione dei campi agricoli. Modellando le concentrazioni di pesce dai livelli di selenio più bassi nella catena alimentare, Brandt e collaboratori hanno predetto che i livelli di selenio in tutto il corpo erano più alti durante la primavera e l'estate. Durante questi periodi, le uova maturano nei pesci adulti prima della deposizione delle uova e i pesci giovani dell'anno stanno attraversando fasi di sviluppo che sono suscettibili a elevate esposizioni al selenio.

Brandt spiega che lo studio è importante perché si concentra su un sistema idrico a flusso rapido. La maggior parte dei casi di studio di corpi idrici contaminati da selenio riguardano laghi e bacini idrici in cui il selenio raggiunge alte concentrazioni nei pesci e negli uccelli dopo essersi mossi attraverso il percorso sedimento-detrito. Poiché l'acqua si muove più lentamente in questi sistemi, il selenio ha maggiori possibilità di accumularsi alla base della rete alimentare. Nei fiumi, d'altra parte, si pensa che la maggior parte del selenio mobilitato durante i periodi di alto flusso sarà scaricato a valle prima che possa accumularsi localmente,

"Abbiamo osservato che le alghe verdi possono assorbire il selenio abbastanza rapidamente durante i periodi di elevata mobilitazione, probabilmente dalla colonna d'acqua direttamente. Un'ipotesi futura è che i percorsi di assorbimento algale per l'ingresso del selenio nelle reti trofiche acquatiche, piuttosto che le vie sedimentarie detritiche, potrebbe dominare in fiumi e torrenti. Questo studio indica che dobbiamo dedicare più tempo a pensare ai rischi del selenio nei fiumi".

Brandt afferma che questa ricerca ha implicazioni per la gestione del campionamento del selenio nei fiumi. Per esempio, il campionamento dei pesci avviene tipicamente in autunno, quando i risultati di questo studio suggeriscono che le concentrazioni di selenio nei pesci potrebbero essere al minimo. Anche ancora, le concentrazioni misurate erano alte,

"Abbiamo provato il dace macchiato e il cavedano a coda tonda nell'ottobre 2015 e nel 2016, "dice Brandt, "Le concentrazioni di selenio nell'intero corpo in oltre il 90% di questi pesci erano ben al di sopra di quattro parti per milione, che è una soglia supportata dalla ricerca che mostra effetti negativi sulla salute come la riduzione della crescita e della sopravvivenza. Poiché il fiume è l'habitat di specie autoctone in via di estinzione, mantenere la salute dei pesci è una priorità".

I livelli di selenio nel bacino del fiume Gunnison inferiore sono una preoccupazione da diversi decenni e Brandt spiega che gli sforzi di risanamento in corso nel Gunnison hanno ridotto i livelli del 43% dal 1986. Ma forse si può fare di più per rafforzare ulteriormente questi sforzi

"Dobbiamo avvicinarci alle valutazioni del selenio nei fiumi danneggiati in un modo diverso? Bene, vediamo da questo lavoro che le concentrazioni di selenio nella rete alimentare sono elevate anche con cali nelle concentrazioni di acqua negli ultimi trent'anni e più. Ciò evidenzia che la rete alimentare è il principale motore dell'esposizione al selenio e del potenziale rischio di tossicità. Un monitoraggio più frequente del selenio della rete alimentare in questo sistema ci fornirà le migliori informazioni su come gestire il selenio al fine di raggiungere gli obiettivi di conservazione dei pesci".

Il problema del selenio nelle uova

Brandt spiega che l'intero meccanismo della tossicità del selenio non è ancora completamente compreso e probabilmente ci sono molti modi in cui compromette la salute di un animale. La prima ipotesi era che la sostituzione del selenio con lo zolfo negli amminoacidi, quali sono gli elementi costitutivi delle proteine, e ha causato un funzionamento improprio delle proteine. Ora sappiamo che il metabolismo del selenio provoca anche stress ossidativo. In entrambi i casi, il selenio è un teratogeno, il che significa che a determinati livelli di esposizione può causare deformità.

Con contaminanti che inducono deformità, la tempistica dell'esposizione nel corso del ciclo di vita di un organismo è fondamentale perché periodi specifici sono più sensibili alle alte concentrazioni di selenio. Brandt afferma che l'eccessiva esposizione al selenio è particolarmente preoccupante per gli animali che depongono le uova come uccelli o pesci perché le proteine ​​​​ricche di zolfo che alla fine diventano proteine ​​del tuorlo sono prodotte nel fegato della femmina adulta prima della deposizione delle uova. Se le femmine adulte sono esposte ad alti livelli di selenio nella loro dieta, un alto tasso di sostituzione del selenio per lo zolfo in queste proteine ​​precursori del tuorlo si tradurrà in alti livelli di esposizione al selenio per gli embrioni. Questa esposizione precoce può causare deformità e mortalità. A scala di popolazione, la scarsa sopravvivenza di giovani pesci e uccelli può causare il crollo delle popolazioni,

"Lo abbiamo visto in modo drammatico a Belews Lake (North Carolina) e nel Kesterson Reservoir in California negli anni '70 e '80 e da allora abbiamo lavorato per prevenire conseguenze simili in altri ecosistemi".