I ricercatori del Biosignal Research Center dell'Università di Kobe hanno sviluppato con successo piante che possono essere utilizzate per rilevare inquinanti organici, come i policlorobifenili e le sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino, che contaminano il suolo e l'acqua.

La squadra era composta da Petya Stoykova, destinatario di una borsa di studio post-dottorato per la ricerca in Giappone della Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) (ora ricercatore presso l'AgroBioInstitute bulgaro), Il Professore Emerito dell'Università di Kobe OHKAWA Hideo e il Professor INUI Hideyuki.

Prossimo, sperano di utilizzare le piante per sviluppare una tecnologia conveniente e poco costosa per il monitoraggio della tossicità.

Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati online in due articoli, che è apparso separatamente nel Journal of Plant Physiology il 29 giugno e il Chemosfera il 22 luglio.

Vari tipi di inquinanti organici esistono nel nostro ambiente circostante. Esempi ben noti includono i policlorobifenili (PCB) che sono stati utilizzati nelle luci fluorescenti e nella carta da copia autocopiante, composti organofluorati che vengono utilizzati per rendere le cose resistenti all'acqua e all'olio da cucina, come imballaggi per alimenti e utensili da cucina, e alchilfenoli, utilizzati come precursori per detersivi e altri prodotti. Questi inquinanti organici sono stati rilasciati nell'atmosfera, fiumi e suolo, e gli elementi resistenti alla decomposizione sono stati ingeriti dai pesci, bestiame e colture, con conseguente accumulo di questi inquinanti all'interno dei nostri corpi mentre i loro livelli sono aumentati in altre specie. L'aumento della concentrazione all'interno del corpo provoca vari effetti nocivi come il cancro, anomalie fetali e immunotossicità.

Al fine di evitare che gli inquinanti ingeriti attraverso il cibo si accumulino all'interno del corpo umano, è necessario monitorare i livelli di contaminanti nell'ambiente, compresi i sistemi idrici (fiumi, laghi, oceani), specie ittiche, l'atmosfera, suolo e colture. I risultati consentono di comprendere il tipo e la concentrazione di inquinanti in un'area. Ciò consentirà di mettere in atto misure appropriate; ad esempio l'evitare la coltivazione di colture in cui si rileva l'inquinamento del suolo e la conduzione di test di contaminazione sui pesci catturati nei fiumi che risultano inquinati. In altre parole, ciò consentirà di scegliere e attuare misure per mitigare gli effetti negativi degli inquinanti sull'uomo.

Il monitoraggio ambientale è l'indagine del tipo e della concentrazione di inquinanti in un campione ambientale; questo comporta più processi. Per esempio, per indagare su un campione di suolo, è necessario aggiungere un solvente organico e quindi estrarre la sostanza chimica dal campione di terreno dopo averlo riscaldato per una notte. Prossimo, il solvente organico integrato e la sostanza chimica vengono rimossi dal terreno e viene aggiunto acido solforico concentrato per rimuovere la pigmentazione. La concentrazione di inquinanti organici nel campione è molto bassa, quindi è necessario condensare la sostanza estratta in modo che raggiunga una concentrazione che sia possibile analizzare. Successivamente, questo condensato viene processato attraverso più colonne di separazione e i contaminanti vengono eluiti dalle colonne utilizzando solventi organici che corrispondono alle proprietà dei contaminanti specifici. Prossimo, è necessario rimuovere le impurità dal campione per estrarre solo l'inquinante target. Questa si chiama purificazione. Questa serie di passaggi (estrazione, concentrazione e purificazione) è chiamato collettivamente pretrattamento, e deve essere eseguita per analizzare tracce di inquinanti organici in un campione.

Infine, Al campione pretrattato vengono applicate tecniche di chimica analitica come la gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS) e la cromatografia liquida-spettrometria di massa (LC-MS). Analizzando i dati spettrali risultanti che indicano la presenza di sostanze contaminanti, è possibile determinare il tipo (specificazione) e la concentrazione (quantità fissa) degli inquinanti nel campione.

Il monitoraggio ambientale viene effettuato secondo i metodi analitici ufficiali di ciascun Paese e questo svolge un ruolo fondamentale nell'identificazione e quantificazione degli inquinanti organici. Però, le fasi di pretrattamento richiedono l'utilizzo di grandi quantità di acido solforico e vari tipi di solventi organici volatili, e questa esposizione è pericolosa per chi esegue i processi.

È quindi necessaria una tecnica più efficace per trasformare le minuscole quantità di contaminanti trovate nei campioni ambientali (che hanno subito un pretrattamento complesso) in campioni che possono essere analizzati. Per di più, l'uso di apparecchiature costose come GC/MS e LC/MS (che possono costare da centinaia di migliaia a milioni di dollari USA) aumenta il costo del processo analitico. Al fine di ottenere una valutazione accurata dell'entità della contaminazione, è necessario ottenere numerosi campioni ambientali. Però, è possibile analizzare solo alcuni campioni rappresentativi a causa dei costi proibitivi dei metodi attuali. Sebbene l'analisi strumentale sia adatta a determinare il tipo e la concentrazione di ciascun inquinante in un campione ambientale, questo metodo non può dirci quanto sia tossico ciascun inquinante, né la tossicità complessiva di più inquinanti in un singolo campione.

In risposta, questo gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo di monitoraggio completamente diverso dai metodi precedenti, che richiedono pretrattamenti e costose apparecchiature per determinare il tipo e la concentrazione di inquinanti in un campione ambientale.

Gli animali hanno proteine ​​chiamate recettori chimici, che riconoscono e intercettano le sostanze chimiche che penetrano nelle cellule dall'esterno del corpo. Quando un recettore si lega a una sostanza estranea all'interno della cellula, attiva la trascrizione di un gene specifico. La funzione regolare della proteina creata da questo gene è quella di reagire con la sostanza estranea ed espellerla dal corpo.

Un esempio di questo tipo di recettore è l'AhR (Aryl hydrocarbon receptor). Dentro le cellule, AhR si lega alle diossine e ai PCB degli alimenti contaminati. Quindi crea un enzima che può trasformarli in sostanze che si dissolvono facilmente in acqua, favorendo così la loro escrezione dal corpo. Perciò, L'AhR svolge un ruolo importante nell'indicare se diossine e PCB sono tossici o meno per gli animali.

Inoltre, il recettore degli estrogeni (ER) risponde agli ormoni creati all'interno del corpo di un animale ed è coinvolto nell'espressione di importanti geni per la morfogenesi e la crescita. L'ER si lega all'ormone femminile estradiolo e regola rigorosamente i tempi e la quantità di attivazione della trascrizione genetica per la proteina che dovrebbe essere prodotta in risposta all'ormone. Però, se ER invece si lega a una sostanza chimica che interferisce con il sistema endocrino che è entrata nel corpo attraverso il cibo o l'acqua, quindi questo interrompe i tempi e il livello di attivazione della trascrizione genica, con conseguenti effetti dannosi.

Impianti, d'altra parte, non sono in grado di muoversi una volta che hanno messo radici, così le loro radici si estendono sotto terra per ottenere i nutrienti necessari per la crescita. Sono in grado di assorbire nutrienti sufficienti anche quando le concentrazioni sono basse perché continuano ad estendere le loro radici. In altre parole, le piante hanno la capacità di accumulare sostanze chimiche che vengono assorbite dal terreno attraverso le loro radici.

Questo gruppo di ricerca ha avuto l'idea di un metodo per monitorare la contaminazione ambientale, che comporta l'introduzione di recettori chimici di origine animale in una pianta, e utilizzarli per rilevare gli inquinanti assorbiti dalla pianta. Hanno creato un impianto AhR per il monitoraggio dei PCB e un impianto ER per il monitoraggio delle sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino. Quando queste piante venivano coltivate in terreno e colture che contenevano i rispettivi contaminanti, gli inquinanti assorbiti dalle radici legati ai recettori all'interno delle cellule, attivando la trascrizione del gene reporter. Così è possibile monitorare gli inquinanti rilevando questo reporter.

Gli impianti AhR possono rilevare CB126, qual è il PCB più tossico, così come altri tipi (CB77, CB118). D'altra parte, Le piante ER possono rilevare l'ottilfenolo (OP, un tipo di alchilfenolo) oltre all'ormone femminile 17ß-estradiolo, gli insetticidi fipronil e imidacloprid, e l'acido perfluoroottansolfonico organofluorurato (PFOS). È noto che queste sostanze chimiche stanno contaminando il suolo e i sistemi idrici. Il team di ricerca ha scoperto che queste piante hanno mostrato albinismo e anomalie strutturali come radici più corte quando erano presenti inquinanti. Ciò indica che è possibile rilevare gli inquinanti in un modo osservabile che è persino più semplice del rilevamento dei reporter.

I risultati di questa ricerca mostrano che non è necessario raccogliere grandi campioni ambientali per il monitoraggio e che è possibile rilevare i contaminanti utilizzando piccole quantità di terreno (pochi grammi) o acqua (circa 10 millilitri circa). Per di più, è possibile indagare se un campione ambientale contiene sostanze chimiche tossiche con il metodo di monitoraggio che utilizza recettori chimici per indicare la tossicità.

Per il monitoraggio ambientale degli inquinanti organici, è fondamentale raccogliere il maggior numero possibile di campioni per comprendere con precisione l'entità dell'inquinamento. Però, non è possibile analizzare numerosi campioni con gli attuali metodi ufficiali a causa della quantità di tempo e denaro che ciò richiederebbe. Il metodo che questo gruppo di ricerca ha sviluppato è molto più semplice, e richiede semplicemente che le piante vengano coltivate con un piccolo campione di terra e acqua, e la presenza di inquinanti da valutare tramite rilevamento reporter e osservazione della crescita delle piante. Per di più, consente inoltre di valutare la tossicità di inquinanti non contemplati da metodi ufficiali. Perciò, questo nuovo metodo sarebbe adatto per lo screening di numerosi campioni ambientali prima della conferma del tipo e della concentrazione di inquinanti secondo metodi analitici ufficiali.

In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile monitorare PCB e ormoni ambientali introducendo AhR ed ER nelle piante. Però, gli animali hanno molti altri recettori chimici oltre ad AhR e ER. Ciò dovrebbe quindi consentire di applicare tale metodo al monitoraggio della tossicità di altre sostanze chimiche introducendo nelle piante diversi tipi di recettori.