Inquinanti emergenti e normati
Dallo sviluppo di metodi analitici allo studio dei processi ambientali
Nonostante l'isolamento geografico e la limitata presenza di insediamenti umani, le aree polari sono fortemente influenzate da fenomeni di trasporto a lunga distanza che portano alla dispersione in questi ambienti di inquinanti emessi nelle basse e medie latitudini, oltre che su scala locale. La ricerca scientifica ha permesso di raccogliere serie temporali di dati a lungo termine sulla presenza di metalli pesanti e contaminanti organici persistenti (POPs) in Artico; tuttavia, non esistono ancora programmi di monitoraggio sistematico di tali composti in Antartide.
Più recentemente, l’attenzione si è focalizzata su nuove classi di contaminanti, definiti emergenti, in quanto non ancora inclusi nelle attuali normative ed i cui effetti sugli organismi e sull’ambiente non sono del tutto noti. La determinazione della presenza di tali sostanze nell’ambiente e la valutazione dei loro effetti sugli ecosistemi costituisce un’importante sfida scientifica, considerando la continua produzione di nuovi formulati e le diverse proprietà chimico-fisiche che li caratterizzano. Poiché molti di essi sono molecole bioattive con possibili effetti dannosi sugli organismi e sull’ambiente anche a basse concentrazioni, lo sviluppo di adeguati programmi di monitoraggio risulta di cruciale importanza. Il Programma di Monitoraggio e Valutazione dell'Artico (AMAP) ha indicato che il rischio dovuto alla presenza di inquinanti chimici emergenti ma anche dei più studiati POPs e mercurio ai poli è ancora molto elevato. Pertanto, risulta di interesse prioritario approfondire lo stato di conoscenza di tale tematica nelle aree polari.
Le principali attività di ricerca riguardano:
• Ottimizzazione, standardizzazione di metodi analitici per l’analisi di inquinanti normati (es. IPA, PCB, PBDE, pesticidi organo-clorurati etc.), emergenti (es. residui farmaceutici, fragranze, composti perfluorurati, pesticidi di nuova generazione etc.) e loro metaboliti/prodotti di trasformazione. Analisi suspect screening (eseguita quando vi sono prove/informazioni che una data struttura potrebbe essere presente nei campioni) e non-target screening (analisi di tutte le componenti rilevate, quando non sono disponibili informazioni preliminari).
• Sviluppo di metodi di speciazione chimica per l’identificazione di specie biologicamente attive o di specie prodotte da reazioni fotochimiche.
• Monitoraggio in continuo e a lungo termine di contaminanti organici e inorganici trasportati dalle correnti atmosferiche e oceaniche tramite piattaforme permanenti.
• Studi di bioconcentrazione/biomagnificazione nella rete trofica (screening assessment); valutazione dei profili di suscettibilità agli antibiotici di ceppi batterici isolati da acqua/sedimento.
• Monitoraggio, in situ e in real-time di inquinanti organici e inorganici attraverso l’utilizzo di biosensori.
• Sviluppo e applicazione dell’analisi metabolomica in matrici ambientali per lo studio dei processi degradativi che determinano la produzione di metaboliti potenzialmente inquinanti; tale approccio permette di identificare la presenza di inquinanti non noti e di metterli in relazione con i processi biologici in atto nel sistema.
• Studi in scala di laboratorio (microcosmo e batch) per valutare i processi di degradazione (calcolo del DT50) biotica e abiotica (chimica e fisica), formazione di metaboliti e prodotti di trasformazione, e bioaccumulo in organismi target (specie vegetali ed animali).
• Ottimizzazione, standardizzazione e validazione di biotecnologie innovative per il bio-risanamento e la bio-mitigazione di matrici ambientali impattate da differenti tipologie di inquinanti (organici e inorganici) direttamente in situ.
Principali settori ERC:
• PE4_5 - Analytical chemistry
• PE4_7 - Chemical instrumentation
• PE4_9 - Method development in chemistry
• PE4_18 - Environment Chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry
• PE10_17 - Hydrology, hydrogeology, engineering and environmental geology, water and soil pollution
Progetti
• A-PAW
• BEOI
• BC14
• BIP - Benthic filter-feeding Invertebrates from the Arctic as accumulators of Pollutants and tolerant bacterial communities
• CIRCE - SearChIng for EmeRging Contaminants in Sub-Arctic rivErs
• ECO AS:TRA - Emerging COntaminants in Antarctic Snow: sources and TRAnsport
• ImpAct - Input Pathways of persistent organic pollutants to AntarCTica
• LASAGNE
• PHARMASVALBARD
• PROPOSE
• ROss'n'Roll Ross Sea ecosystem and emerging contaminants: new challenges and potential threats in a changing world
• SNOW-BALL - Mercury concentration and tolerant microorganisms in Arctic SNOW: new Bioremediation chALLenges
• TUNU - Euro-Arctic marine fishes – diversity and adaptation
Micro/Nano plastiche
Inquinamento da plastiche: distribuzione ed impatto sull'ambiente e sul biota
I polimeri plastici sono inquinanti ubiquitari, poiché sono stati osservati in diversi comparti ambientali e in vari taxa, e persistenti, perché possono frammentarsi in particelle sempre più piccole. Si parla infatti di macroplastiche (>20 cm), mesoplastiche (20 cm - 5 mm) microplastiche (5 mm -1 µm) e nanoplastiche (<1 µm). Le microplastiche sono state osservate negli oceani di tutto il mondo, ma anche nei suoli, nell’aria, negli organismi, dalle larve di insetti acquatici ai pesci, e anche in alcuni mammiferi marini. Particelle plastiche sono state osservate a qualsiasi latitudine, dall’equatore al Polo Nord e all’Antartide. I loro percorsi di trasporto possono essere influenzati dalla densità apparente e, soprattutto, dalle dimensioni dei polimeri. Particelle di dimensioni più piccole (<100 µm), denominate small microplastics, possono essere trasportate molto lontano dalla fonte di rilascio. Il tempo di permanenza in ambiente non solo ne condiziona le dimensioni, perché le particelle possono diventare sempre più piccole per effetto della fotodegradazione, dell’azione delle correnti marine e atmosferiche, ma anche la densità apparente, cosicché anche le particelle di polimeri a bassa densità possono affondare lungo la colonna d’acqua accumulandosi nei sedimenti. Poiché non esistono metodi standardizzati per l’analisi, sono necessari studi approfonditi per comprendere il destino ed i percorsi di queste particelle, che possono avere un ruolo pivotale anche nel cambiamento climatico. Infatti, le microplastiche possono fungere sia da nuclei di condensazione per le nubi sia da ice nucleating particles, con impatto sull’albedo e sulla radiazione solare e sullo scioglimento del ghiaccio. Le microplastiche e le nanoplastiche attraverso ingestione possono entrare nella rete trofica e raggiungere l’uomo. Piccoli invertebrati come anfipodi artici o bivalvi (es. mitili) possono ingerire le small microplastics, favorendone la potenziale biomagnificazione lungo la rete trofica, fino a rappresentare un rischio anche per la salute umana. Le small microplastics e le nanoplastiche possono anche essere inalate e, per le loro dimensioni, possono raggiungere organi come i polmoni o il cervello, causando stati infiammatori cronici. La tossicità delle micro e nanoplastiche può essere messa in relazione con la presenza di additivi plastici, quali plastificanti, vulcanizzanti, antiossidanti, ecc.; alcuni di questi composti possono subire leaching durante la rottura delle particelle ed essere rilasciati nell’ambiente. Inoltre, diversi inquinanti persistenti, emergenti e normati, possono essere adsorbiti su particelle plastiche, entrando nella rete trofica con più facilità attraverso la loro ingestione. Particolare interesse è rivolto anche al ruolo di micro- e nanoplastiche come potenziali vettori di comunità microbiche ad esse adese (plastisfera); batteri patogeni (es. vibrioni) e virus trasportati dalle particelle plastiche possono, una volta ingeriti, costituire un rischio per la salute animale. Inoltre, l'inquinamento da polimeri plastici può danneggiare il metabolismo delle comunità microbiche autoctone coinvolte nei cicli biogeochimici con impatti sulla funzionalità degli ecosistemi acquatici e/o terrestri.
Le attività di ricerca riguardano:
• Messa a punto di metodi di pretrattamento mild per l’estrazione simultanea di microplastiche, in particolare small microplastics, e additivi plastici da diverse matrici ambientali
• Messa a punto di metodi analitici (via Micro-FTIR e pirolisi-GC/MS)
• Simultanea quantificazione e caratterizzazione dei polimeri e degli additivi plastici (Micro-FTIR)
• Cross-validazione della caratterizzazione dei polimeri (pirolisi-GC/MS)
• Identificazione di bioindicatori
• Analisi quali- e quantitativa delle comunità batteriche associate a detriti plastici e del loro metabolismo in diverse matrici ambientali (acqua, sedimento, neve)
• Identificazione di biomarkers di stress
Principali settori ERC:
• LS8_12 - Microbial ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology
• PE4_5 - Analytical Chemistry
• PE4_9 - Method development in chemistry
• PE4_17 - Characterization methods of materials
• PE4_18 - Environment Chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_4 - Terrestrial Ecology
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)
Progetti
• MICROTRACER - Small MICROplastics bioindicaToRs in the changing ArctiC EnviRonment
Fonti, Trasporto e dinamiche ambientali
I contaminanti possono essere trasportati nelle regioni polari dalle più basse latitudini attraverso correnti marine, atmosferiche e animali migratori. Sebbene esistano prove indiscutibili che il trasporto atmosferico a lungo raggio di contaminanti organici e metalli avvenga su scala globale, permangono delle incertezze sul meccanismo dettagliato e sull’estensione di questo fenomeno, nonché sulle proprietà chimico-fisiche degli aerosol che facilitano questo trasporto anche verso gli ambienti polari. Nel valutare il potenziale di trasporto di una sostanza a lunga distanza, la maggior parte degli organi preposti alla regolamentazione si basa attualmente sul monitoraggio dei dati da località remote. Questo metodo di valutazione ha delle limitazioni, in quanto la raccolta dei dati di monitoraggio tende ad essere a posteriori anziché a priori, rispetto alla sua immissione. Pertanto, è possibile che una sostanza abbia un effetto dannoso sull’ambiente prima che possa essere intrapresa qualsiasi azione per regolamentarla o vietarla. Pertanto, questa area tematica si focalizza sia sullo studio delle sorgenti che sui meccanismi di diffusione dei contaminanti, al fine di modellizzare e predire il trasporto a lunga distanza di sostanze esistenti e nuove ancor prima della loro fabbricazione e utilizzo.
Il riscaldamento globale sta influenzando tali processi, alterando così il trasporto a lungo raggio e la distribuzione ambientale dei contaminanti. L'aumento della fusione dei ghiacciai e dello scioglimento del permafrost sta rimobilizzando negli ecosistemi inquinanti precedentemente intrappolati nella criosfera, rendendo le aree polari non più solo un “serbatoio” ma anche una sorgente di inquinamento su scala locale. È stato infatti riscontrato un aumento di vecchi contaminanti (la cui produzione è stata vietata molti anni fa) in tali regioni. Inoltre, il cambiamento climatico ha favorito una maggior presenza umana in queste aree remote, con conseguente sviluppo di attività di pesca, turismo crocieristico, commerciali ed estrazione di risorse (petrolio, gas e minerali), e quindi una maggiore contaminazione su scala locale e regionale. Ulteriore preoccupazione, riguarda l’assenza di appropriate tecnologie di abbattimento disponibili negli impianti di trattamento delle acque. Infine, la presenza, persistenza e distribuzione dei contaminanti è fortemente influenzata dalle peculiari caratteristiche di tali regioni, quali estreme variazioni stagionali di luce, basse temperature, stagioni di crescita brevi e disponibilità limitata di nutrienti.
Le attività di ricerca riguardano:
• Studio delle sorgenti primarie e secondarie di contaminazione nonché dei processi di trasporto a medio e lungo raggio dei contaminanti principalmente mediante lo studio dell’aerosol atmosferico anche grazie all’ osservatorio atmosferico di Gruvebadet.
• Ricostruzione degli andamenti temporali a lungo termine e dell’impatto umano negli archivi ambientali e climatici, quali carote di ghiaccio, sedimento e permafrost.
• Studio dell’influenza della meteorologia locale nella distribuzione spaziale e nell’andamento temporale dei contaminanti, e di come tale effetto possa variare nel tempo.
• Studi in scala di laboratorio (microcosmo e batch) per valutare i processi di degradazione (calcolo del DT50) biotica e abiotica, simulando le reali condizioni ambientali (radiazione, temperatura, umidità, presenza/assenza di comunità microbiche autoctone).
Principali settori ERC:
• PE4_12 - Chemical reactions: mechanisms, dynamics, kinetics and catalytic reactions,
• PEA4_18 - Environment Chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_3 - Climatology and climate change
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry
• PE10_16 - Ozone, upper atmosphere, ionosphere
• PE10_17 - Hydrology, hydrogeology, engineering and environmental geology, water and soil pollution
• PE10_18 - Cryosphere, dynamics of snow and ice cover, sea ice, permafrosts and ice sheets
• PE10_21 - Earth system modelling and interactions
Progetti
• BEOI
• BETHA-NyÅ - Boundary layer Evolution Through Harmonization of Aerosol measurements at Ny-Ålesund research stations
• ICEtoFLUX - HydrologIcal changes in ArctiC Environments and water-driven biogeochemical FLUXes
• PHARMASVALBARD
• TRANSFER
Inquinamento acustico
Rumore sottomarino e impatto sugli organismi polari
L’aumento del rumore acustico associato al traffico marittimo e all’utilizzo di sorgenti sonore ad alta intensità per l’esplorazione dei fondali rappresenta un elemento di notevole impatto sugli ecosistemi marini. L’incremento delle attività antropiche nelle aree Polari sta determinando un costante aumento dei livelli di rumore acustico diffuso introdotto in ambiente marino. Se è infatti noto che negli ultimi 60 anni, in alcuni oceani (ad esempio nel Pacifico), si è assistito ad un raddoppio dei livelli di rumore all’incirca ogni dieci anni, possiamo presumere che la crescita nei livelli di questo contaminante in ambiente sottomarino sia stata e sia notevolmente più rapida nelle aree Polari. 
Gli effetti dell’innalzamento del rumore diffuso sono ampiamente documentati per diverse specie terrestri e marine, dall’innalzamento dei livelli di stress, all’indebolimento fisiologico e alle difficoltà nella comunicazione acustica intra- e interspecifica, con conseguenti alterazioni nel dispendio energetico e abbassamento della risposta immunitaria. Simili effetti sono già stati osservati a tutti i livelli della rete trofica marina ed in particolare in numerose specie di mammiferi marini, di crostacei, molluschi e pesci. La valutazione degli effetti del rumore diffuso a breve e lungo termine a livello di popolazioni, di specie e di ecosistema resta tuttavia di complessa definizione, tenuto conto anche della difficoltà di valutare l’effetto cumulativo dell’esposizione al rumore, associato allo stato fisico, fisiologico e alla sensibilità del singolo individuo, e dell’assenza, per molte aree geografiche, di serie di dati storiche. In questo contesto, e grazie alla disponibilità di osservatori sottomarini e di infrastrutture di ricerca come SIOS in Artide e eLTER in Antartide, ISP sta lavorando per acquisire serie storiche di dati acustici sottomarini nelle aree Polari. I ricercatori coinvolti in questa Area Tematica sono impegnati nella raccolta e analisi di tali dati per caratterizzare le differenti componenti acustiche che insistono nelle aree oggetto di monitoraggio, per stabilire i livelli medi di rumore nei diversi siti di misura e per valutare l’impatto degli stessi sugli ecosistemi. In tale contesto, la raccolta di dati acustici ambientali avviene attraverso l’impiego di registratori autonomi sottomarini operativi fino a 1000 metri di profondità e con autonomia sino ad un anno in funzione del duty cycle adottato.
La raccolta e la successiva analisi dati mirano in particolare:
• allo studio del soundscape sottomarino per la caratterizzazione spazio-temporale delle componenti biologiche, geofisiche e antropiche e lo sviluppo di metodi automatici per l’identificazione delle diverse sorgenti acustiche nelle aree polari;
• alla definizione dei trend a lungo termine per la valutazione dei cambiamenti ambientali e delle forzanti antropiche;
• alla definizione degli effetti ecologici dell’inquinamento acustico sugli organismi marini ed in particolare la valutazione delle dinamiche di presenza/assenza e spostamento, abbondanza stagionale e comportamento acustico, stime di biodiversità acustica e dei relativi trend temporali in relazione alle diverse forzanti antropiche su popolazioni di mammiferi marini, teleostei e crostacei emettitori.
In aggiunta alla raccolta di dati in campo, vengono svolti studi in ambiente controllato per la definizione delle risposte fisiologiche e comportamentali di esemplari esposti al rumore a cui generalmente sono esposti in ambiente naturale al fine di comprendere e prevedere gli effetti a breve, medio e lungo termine dell’inquinamento acustico generato dalle attività umane.
Elemento fondamentale sia degli studi in campo che di quelli in ambiente controllato è lo sviluppo di strumenti di analisi e previsionali per la comprensione delle alterazioni e degli effetti osservabili a livello di popolazioni, specie ed ecosistema.
Principali settori ERC:
• LS4_8 - Impact of stress (including environmental stress) on physiology
• LS8_2 - Biodiversity
• LS8_5 - Biological aspects of environmental change, including climate change
• LS8_11 - Behavioural ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology
Risposte e adattamenti ecosistemici
In ogni ambiente ed in particolare nelle aree polari, gli ecosistemi tendono a mantenere degli specifici equilibri allo scopo di autoperpetuarsi nel tempo, tendendo sempre allo stato di climax. Questa condizione può venire meno o essere profondamente modificata a causa di perturbazioni negli stessi ecosistemi. Se a volte le perturbazioni possono essere anche benefiche (es. favorendo una maggiore biodiversità), quando si parla di immissioni di inquinanti la situazione muta notevolmente. In questo contesto, a valle e/o simultaneamente alle indagini ed agli obiettivi della sezione relativa agli inquinanti emergenti e normati e di quella relativa alle fonti, trasporto e dinamiche ambientali, si sviluppano le linee di ricerca che si occupano degli effetti che queste perturbazioni provocano all’interno degli ecosistemi.
Questo ambito si occupa di valutare il rischio ecologico e le risposte e/o gli adattamenti degli ecosistemi marini e terrestri polari e sub-polari che possono essere relazionati alla presenza di inquinanti emergenti o normati. Le indagini volgono allo studio della composizione e dell’attività metabolica delle comunità microbiche (tecniche di indagine colturali, microscopiche, biochimiche e molecolari etc.) nonché agli effetti sulla rete trofica dovuti alla presenza di inquinanti. Infine, uno sguardo è rivolto alla selezione di microrganismi che possano essere utilizzati per il biorisanamento e quindi alla decontaminazione degli ambienti (in collegamento con le Aree Tematiche Bioscienze e Cambiamenti dei sistemi polari).
Le attività di ricerca riguardano:
• Analisi della risposta delle comunità microbiche ai contaminanti in termini di abbondanza e diversità strutturale e funzionale; effetto dei contaminanti sui profili microbici di suscettibilità ai contaminanti.
• Ricerca di specifici geni appartenenti al mondo microbico, deputati alla resistenza agli inquinanti, in matrici abiotiche ed in specifici microrganismi.
• Studi in scala di laboratorio (microcosmo/mesocosmo, batch) per valutare gli effetti di contaminanti selezionati su singoli ceppi microbici e comunità microbiche autoctone (in termini di struttura, funzione, selezione di ARGs etc.) o organismi target (effetti ecotossicologici diretti e indiretti) rappresentativi del comparto acquatico (es. Vibrio fischeri) o terrestre (es. Eisenia fetida).
• Valutazione di rischio ecologico associato alla presenza di contaminanti e potenziale di bioaccumulo (bioconcentrazione / biomagnificazione) in ecosistemi acquatici e terrestri.
• Analisi del pattern metabolomico di organismi al fine di identificare la presenza di stress in relazione alla presenza di inquinanti o al cambiamento delle condizioni ambientali (temperatura, salinità, CO2).
Principali settori ERC:
• LS8_1 - Ecosystem and community ecology, macroecology
• LS8_2 - Biodiversity
• LS8_5 - Biological aspects of environmental change, including climate change
• LS8_12 - Microbial ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology
• LS9_12 - Ecotoxicology, biohazards and biosafety
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry
Progetti
• BIP - Benthic filter-feeding Invertebrates from the Arctic as accumulators of Pollutants and tolerant bacterial communities
• CIRCE - SearChIng for EmeRging Contaminants in Sub-Arctic rivErs
• MICROTRACER - Small MICROplastics bioindicaToRs in the changing ArctiC EnviRonment
• SNOW-BALL - Mercury concentration and tolerant microorganisms in Arctic SNOW: new Bioremediation chALLenges
• TUNU - Euro-Arctic marine fishes - diversity and adaptation
Le attività di ricerca svolte nell’ambito dell’Area Tematica Contaminanti e Ecosistemi sono finalizzate allo studio delle sorgenti, dinamiche di trasporto, diffusione e destino di contaminanti normati ed emergenti, incluse le micro/nano plastiche e gli elementi in traccia, negli ecosistemi polari. Tali ecosistemi sono particolarmente sensibili alle perturbazioni esterne, quali le attività antropiche e il cambiamento climatico. Di fatto, le regioni polari costituiscono il serbatoio finale di molti inquinanti emessi alle medie latitudini e trasportati su scala regionale e globale (a lungo raggio) tramite la circolazione atmosferica, oceanica e gli animali migratori: tutti drivers influenzati dal cambiamento climatico in corso. Il riscaldamento globale ha favorito, inoltre, un crescente impatto antropico nelle aree polari a causa dello sviluppo di attività turistiche, di estrazione mineraria e del traffico marittimo con conseguente incremento dell’input locale di contaminazione, incluso l’inquinamento acustico.
In tale contesto, la multidisciplinarietà delle competenze che convergono in questa Area Tematica costituisce un requisito indispensabile per la comprensione degli effetti dovuti all’impatto antropico e al cambiamento climatico negli ecosistemi polari seguendo un approccio One Health e mirando ad una gestione sostenibile di questi ambienti vulnerabili nel prossimo futuro. 
Nonostante l'isolamento geografico e la limitata presenza di insediamenti umani, le aree polari sono fortemente influenzate da fenomeni di trasporto a lunga distanza che portano alla dispersione in questi ambienti di inquinanti emessi nelle basse e medie latitudini, oltre che su scala locale. La ricerca scientifica ha permesso di raccogliere serie temporali di dati a lungo termine sulla presenza di metalli pesanti e contaminanti organici persistenti (POPs) in Artico; tuttavia, non esistono ancora programmi di monitoraggio sistematico di tali composti in Antartide. 
Le principali attività di ricerca riguardano: 
