Inquinamento ambientale
Inquinamento ambientale
Per inquinamento s'intende la perturbazione degli equilibri di un ecosistema, mentre si definisce inquinante una qualunque sostanza, di origine naturale o antropica, che non rientri nella composizione della matrice di interesse (o sia presente in essa in concentrazione nettamente superiore ai valori naturali) e che abbia un effetto ritenuto dannoso sull'ambiente. Sin dagli anni Settanta del XX sec., la questione dell'inquinamento ambientale è divenuta di grande interesse pubblico: nel corso degli ultimi decenni, infatti, il fenomeno è in continuo aumento, poiché alle forme classiche di inquinamento chimico e biologico si sono aggiunti anche l'inquinamento acustico, quello termico e quello elettromagnetico. La protezione dell'ambiente, quindi, è una delle maggiori sfide del mondo contemporaneo, poiché coinvolge direttamente il suo futuro. I rifiuti industriali e quelli civili contribuiscono significativamente all'inquinamento ambientale che, con crescente drammaticità, minaccia la salute dell'uomo e dell'ecosistema globale. Da ciò scaturisce l'esigenza di una maggiore attenzione per le tematiche del riciclo, del riuso, della materia prima seconda (cioè degli scarti di una produzione che fungono da materia prima di un altro processo produttivo); per una cultura del risparmio, del bando agli sprechi per un potenziamento di quelle branche della scienza sulle quali si basano le tecnologie pulite, come la chimica verde (green chemistry).
Nel tentare di stabilire l'impatto di un particolare inquinante, generalmente gli analisti valutano soltanto quali danni esso possa arrecare. In realtà, alcuni eventi possono confutare qualsiasi ipotesi di calcolo: può accadere, infatti, che in presenza di altri inquinanti che agiscono sinergicamente o da catalizzatori rispetto al primo, i danni calcolati siano di entità diversa rispetto a quelli reali; inoltre i fattori di accumulazione aumentano i coefficienti di rischio e di inquinamento; per esempio, l'anidride carbonica prodotta ogni anno nei processi di combustione ha un effetto trascurabile sul clima del nostro pianeta; una volta emessa, però, la maggior parte di essa permane nell'atmosfera per un tempo lungo determinando dopo alcuni decenni drammatiche alterazioni nella temperatura terrestre e nella distribuzione delle piogge.
Un altro fenomeno che può modificare i risultati delle previsioni teoriche è quello della riconcentrazione biologica di inquinanti scaricati nell'ambiente a basse concentrazioni. Tale processo può avvenire negli animali e specialmente negli organismi presenti nella lunga e complicata catena alimentare. Una mucca, per esempio, può concentrare nel suo latte tracce di inquinanti presenti nel terreno; tenuto conto che il latte è la componente principale della dieta dei bambini, si comprende come tale fenomeno sia particolarmente pericoloso.
Inquinamento atmosferico
L'atmosfera è composta prevalentemente da azoto, da ossigeno e da alcuni gas nobili (argo, neon, kripto e xeno) la cui concentrazione è essenzialmente costante nel tempo. Accanto a queste specie gassose, denominate perenni o di accumulo, ve ne sono altre cosiddette in tracce, cioè a concentrazioni relativamente basse ma comunque variabili. L'atmosfera è, sostanzialmente, un sistema dinamico ‒ talvolta lo si paragona figurativamente a un gigantesco reattore chimico ‒ con i suoi costituenti che vengono scambiati in continuazione tra materia vivente, oceani, suolo. Tali scambi coinvolgono processi di natura fisica e chimica.
Lo sviluppo industriale, l'urbanizzazione e il livello di benessere che caratterizzano i paesi più industrializzati, richiedono consumi di energia la cui produzione è legata a processi di combustione che comportano l'immissione nell'aria di materiali di scarto, più o meno nocivi, che alterano gli equilibri naturali preesistenti e determinano il fenomeno denominato inquinamento atmosferico. Quest'ultimo, quindi, può essere definito come l'accumulo nell'aria di sostanze inquinanti in concentrazioni tali da portare a una modificazione della composizione naturale dell'aria stessa. La presenza di tali sostanze può provocare danni temporanei o permanenti agli ecosistemi.
Nella tab. 1 sono riportati i principali inquinanti, le rispettive sorgenti antropiche riscontrabili in atmosfere non inquinate, le cosiddette concentrazioni di fondo (lontano da fonti immediate di produzione degli inquinanti) e in atmosfere tipiche di un centro urbano.
Una volta immessi nell'atmosfera, gli inquinanti gassosi reagiscono in modo complesso sia termicamente sia fotochimicamente (per azione della radiazione solare) dando luogo alla formazione di numerosi prodotti, tra cui vari acidi in forma gassosa o particelle e aerosol fini. Usualmente gli inquinanti atmosferici vengono distinti in due classi a seconda della loro origine: (a) inquinanti primari, che comprendono le specie direttamente emesse dalle sorgenti, naturali o antropiche (come, per es., SO2, HCN, NO); (b) inquinanti secondari, derivati da due o più inquinanti primari o da reazioni di questi con i costituenti fondamentali dell'aria, per mezzo di trasformazioni chimico-fisiche o della radiazione solare (come, per es., NO2 e O3). Gli inquinanti secondari, a loro volta, possono reagire oppure essere depositati sulla superficie terrestre e quindi originare effetti dannosi per gli ecosistemi naturali.
Alla base dei fenomeni di inquinamento vi sono, in definitiva, quattro processi fondamentali a cui tutti gli inquinanti sono soggetti: (a) emissione da sorgenti naturali e antropiche; (b) eventuali reazioni; (c) diffusione e trasporto per opera del movimento delle masse d'aria; (d) deposizione su organismi e su superfici.
In conseguenza di questi processi risulta chiaro che la concentrazione degli inquinanti risulta essere, inoltre, una funzione complessa della situazione meteorologica, delle caratteristiche dello strato limite planetario (cioè del rimescolamento delle masse d'aria) e delle caratteristiche orografiche del territorio interessato.
Il problema dell'inquinamento atmosferico nelle grandi aree urbane costituisce una delle grandi sfide per la tutela dell'ambiente e, in particolare, per la salute pubblica. La prevenzione e la gestione dell'inquinamento atmosferico a livello dell'Unione Europea sono regolate dalla Direttiva 96/62/CE (direttiva quadro sulla qualità dell'aria) che, attraverso le direttive specifiche per i singoli inquinanti, definisce i limiti di concentrazione, le metodiche, le strategie di misura, la localizzazione dei punti di misura, l'incertezza delle misure e le modalità di informazione al pubblico. La direttiva, recepita in Italia dal DL 351 del 4 agosto 1999 e, per le prime direttive derivate, dal DM 60 del 2 aprile 2002, fissa i limiti per gran parte degli inquinanti di interesse presi in considerazione; fra questi troviamo il biossido di azoto e gli ossidi di azoto, per i quali sono definiti i limiti e gli standard di riferimento che devono essere raggiunti entro un periodo di tempo fissato. Nel caso di NOx, il valore limite per la protezione della vegetazione, è stato già fissato a 30 μg/m3. Per l'NO2, il valore limite annuale per la protezione della salute umana doveva corrispondere a 40 μg/m3. Analogamente, per questo inquinante, il valore limite è di 200 μg/m3 e non doveva essere superato più di 18 volte per anno civile, a partire dal 2001.
Un'analisi condotta sui dati disponibili nella maggior parte delle città italiane indica che, per questi inquinanti, i limiti proposti non possono essere sempre soddisfatti. Ciò in relazione sia all'elevata emissione da parte del traffico e del riscaldamento domestico, sia alla peculiare situazione climatica dell'Italia che favorisce la stagnazione degli inquinanti in prossimità del suolo. Il possibile superamento di questi limiti impone l'adozione di piani di risanamento che incidono sull'economia del paese e si traducono in una serie di inconvenienti per i cittadini, limitando fortemente la mobilità e la fruibilità delle città. Le Amministrazioni sono state costrette a un notevole sforzo economico e normativo per rispettare i limiti imposti a livelli europei.
Un'altra soluzione più blanda e in linea con il concetto di sostenibilità (concetto sempre più importante nei provvedimenti che interessano il risanamento ambientale), che possa servire a limitare livelli di concentrazione di NO2 e NOx, consiste nel forzare la loro deposizione sulle superfici, aumentando la reattività delle stesse.
La velocità di deposizione degli inquinanti atmosferici è un processo complesso che si riduce, in definitiva, nel trasferimento delle specie inquinanti su opportune superfici dalle quali vengono assorbite in modo irreversibile. Esempi di deposizione sono molto frequenti e comuni. Tra questi, possono essere citati quelli dell'ozono sulle superfici vegetali, con conseguenti danni al tessuto vegetale, oppure di sostanze di natura acida sulle superfici basiche, come il marmo, che ne provocano la corrosione.
Da questa constatazione nasce l'idea di impiegare superfici aventi una reattività dovuta alla fotocatalisi e di utilizzare la luce come acceleratore di deposizione. Tra i materiali fotocatalitici più studiati e usati, il biossido di titanio (TiO2) presenta caratteristiche molto peculiari che lo rendono adatto alla preparazione di rivestimenti che possono trovare immediata applicazione nell'edilizia urbana, sia come rivestimento, sia come sostanza da applicare su superfici preesistenti. Di conseguenza, la nuova superficie costituisce uno strumento che, in modo semplice e diretto e senza nessun particolare intervento tecnologico, può fornire un importante contributo alla soluzione del problema dell'inquinamento atmosferico nelle grandi aree urbane.
Uno degli obiettivi della ricerca attuale è quello di individuare un parametro capace di descrivere quantitativamente la reattività per i vari materiali disponibili.
Inquinamento dell'acqua
Il problema dell'inquinamento dell'acqua potabile e dell'ambiente acquatico, ha suscitato un interesse crescente in conseguenza del notevole incremento del fenomeno in seguito all'espansione industriale degli ultimi due secoli: vengono smaltite nelle acque elevatissime quantità di scarichi contenenti sia sostanze di natura organica biodegradabili (che compromettono ulteriormente le capacità autodepurative delle acque), sia di natura organica e inorganica non biodegradabili, estremamente dannose per i cicli biologici, anche in piccole quantità. L'utilizzazione sempre più diffusa di sostanze artificiali in agricoltura aumenta la quantità degli inquinanti e la possibilità di contaminare le acque superficiali e profonde. Il prelievo eccessivo delle risorse idriche, riduce ancor più la capacità di autodepurazione del corpo idrico.
I diversi inquinanti, a seconda della loro natura, possono produrre tre tipi di inquinamento idrico o l'insieme di questi: (a) inquinamento chimico, nel caso di immissione di sostanze chimiche organiche e inorganiche che modificano le caratteristiche chimiche dell'acqua; (b) inquinamento fisico, per notevoli variazioni di portata, di aggiunta o sottrazione di calore, di immissione di sostanze grossolane che modificano le proprietà fisiche dell'acqua, quali colore, trasparenza, temperatura; (c) inquinamento biologico, a seguito di immissione di organismi patogeni quali batteri, virus, parassiti.
Restringendo l'analisi all'inquinamento chimico (tab. 2), le specie inquinanti si suddividono in inorganiche e organiche. Le prime sono più pericolose poiché sono costituite dai metalli pesanti (Pb, Cd, Hg, ecc.) ‒ che in particolari condizioni ambientali possono variare la loro solubilità raggiungendo livelli tossici in soluzione ‒ dai complessati e infine dagli acidi e dalle basi. Tra le specie organiche, invece, le più importanti sono gli idrocarburi, i pesticidi, gli insetticidi, i composti cloroderivati e nitroderivati, i farmaci e tutti quei composti di sintesi che hanno una spiccata tendenza all'accumulo biologico e una difficile biodegradabilità.
In tutti i Paesi industrializzati le politiche idriche stanno progressivamente cambiando. In passato si perseguiva in prevalenza il rispetto, a volte solo formale, di una serie di standard predefiniti, mentre attualmente si afferma l'esigenza di una gestione complessa, qualitativa e quantitativa, della risorsa improntata alla salvaguardia e alla coerente assunzione dei principî dello sviluppo sostenibile. Inoltre, è ormai noto che in Italia e nei Paesi del Mediterraneo ci si trova sempre più di fronte a situazioni di vera e propria carenza di acqua e comunque di una sua distribuzione ineguale, inefficiente e irrazionale, in corrispondenza di zone anche molto diverse tra loro dal punto di vista pluviometrico, con aree crescenti che subiscono un reale rischio di desertificazione. Data l'importanza globale del problema dell'inquinamento delle acque, la Comunità Europea prima e l'Unione Europea poi hanno adottato una politica ambientale di prevenzione emanando una serie di direttive, che sono state accolte in modo unanime dal Consiglio dei ministri dei paesi dell'Unione.
Per esempio, gli obiettivi della Direttiva 2000/60/CE del Parlamento europeo e del Consiglio dell'Unione Europea, che istituisce un quadro per l'azione comunitaria in materia di acque, si inseriscono in quelli più generali della politica ambientale dell'UE che riguarda anche l'uso sostenibile dell'acqua, come formulato nei principali documenti internazionali, quali la Conferenza di Dublino del 1992, il V Programma quadro di azione ambientale dell'UE, il Convegno di Johannesburg del 2002, fino al Forum mondiale sull'acqua di Kyoto del 2003.
Uno dei nuovi progetti europei, il WSSTP (Water supply and sanitation tecnology platform) prevede lo studio di tutto il ciclo dell'acqua e dei metodi di sanificazione e riutilizzazione al fine di seguire e controllare l'intero percorso idrico. Un'altra importante direttiva europea che riguarda il trattamento delle acque reflue urbane è la Direttiva 1991/271/CE che è nata con l'obiettivo di limitare l'inquinamento dovuto allo scarico di acque urbane e industriali, migliorando la rete fognaria e gli impianti di depurazione.
Un ruolo importante, nel garantire normative che tutelino il patrimonio idrico ambientale, è esercitato inoltre da organismi internazionali ‒ agenzie e associazioni ‒ tra i quali l'EPA (Environmental Protection Agency), che svolge un'azione mirata alla definizione dei limiti di tolleranza di molti inquinanti, in particolare dei pesticidi.
Per quanto riguarda le leggi italiane sull'inquinamento delle acque ci sembra interessante fare un breve excursus storico a partire dagli anni Settanta. Prima del 13 giugno 1976 la tutela qualitativa delle acque, sia sotto il profilo della sicurezza e della sanità pubblica, sia sotto quello della salvaguardia del patrimonio ittico, era garantita da alcune disposizioni, disorganiche e frammentarie, contenute nel Codice penale, nel Testo unico delle leggi sanitarie (RD 27 luglio 1934 n. 1265) e nel Testo unico delle leggi sulla pesca (RD 8 ottobre 1931 n. 1604).
L'entrata in vigore della Legge n. 319 del 1976, nota come legge Merli, è stato un evento di grande rilievo, poiché si trattava della prima legge organica nazionale sulla tutela delle acque dall'inquinamento. In fase di attuazione pratica la legge Merli ha però incontrato innumerevoli ostacoli, a causa sia della mancanza di finanziamenti per opere pubbliche (protrattasi fino al 1980), sia delle ripetute proroghe concesse agli inquinatori per l'adeguamento dei propri scarichi. Inoltre, è da sottolineare come la legge Merli presentasse alcuni limiti di fondo: (a) mancanza di un trattamento differenziato per le diverse tipologie di scarico; (b) mancata considerazione della capacità ricettiva del corpo idrico; (c) forte frammentazione delle competenze fra i vari enti.
Nel 1999 è avvenuto un importante cambiamento: il nuovo DL 152/99, Disposizione sulla tutela delle acque, ha sostituito la precedente legge Merli che, se da una parte aveva avuto il merito di limitare l'impatto negativo degli scarichi urbani sull'ambiente, tuttavia non era riuscita a imporre seri cambiamenti. Invece, la nuova normativa combinava sia la tutela delle acque sia quella dell'ambiente, attenuando così il livello di inquinamento di mari e fiumi conseguente a scarichi: i limiti allo scarico sono più restrittivi, ponendo l'accento sull'impianto per l'abbattimento di SST (Solidi sospesi totali), BOD (Biochemical oxygen demand) e COD (Chemical oxygen demand).
In questo decreto, inoltre, vengono fissati limiti molto severi per la presenza nelle acque di sostanze inquinanti, quali pentaclorofenolo, esaclorobenzene, aldrin, dieldrin, e così via, ma anche i più classici mercurio e cadmio. Il 18 agosto 2000 è stato emanato un ulteriore DL 258/00, in materia di tutela delle acque dall'inquinamento a chiarimento del 152/99, contenente una precisazione sull'inquinamento provocato da nitrati provenienti da fonti agricole.
Tra i decreti più recenti si ricordano il DL n. 31 del 2 febbraio 2001 (relativo alla qualità delle acque destinate al consumo umano) e il DL n. 29 del 23 novembre 2001 (sugli scarichi nelle acque).
Le tecnologie usate per l'abbattimento delle sostanze inquinanti devono essere rapide, sensibili, economiche e, naturalmente, devono assicurare la distruzione delle sostanze tossiche e non produrre intermedi di reazione tossici o mutageni. Tradizionalmente sono usate tecniche basate sul trasferimento di fase come l'adsorbimento su carbonio attivo che, però, non sono in grado di assicurare una rapida eliminazione di molte sostanze organiche, oppure si usano tecniche come l'ozonizzazione, l'abbattimento biologico o l'idrolisi chimica che purtroppo risultano essere piuttosto costose e/o lente.
Altri trattamenti, che hanno lo scopo di eliminare le sostanze organiche volatili o VOCs (Volatile organic compounds), utilizzano aria compressa, acqua ossigenata, ultrasuoni, microrganismi, precipitazione e flocculazione. Vanno inoltre menzionati trattamenti che impiegano metodi elettrochimici per la depurazione di acque reflue da inquinanti organici, in particolare degli AOP (Advanced oxidation processes) che agiscono in seguito all'azione combinata di potenti ossidanti e radiazioni come quelle UV (ultraviolette).
A titolo d'esempio, uno di questi metodi è la fotocatalisi eterogenea che utilizza sospensioni acquose di semiconduttori sottoposte a illuminazione con luce di lunghezza d'onda adatta. L'effetto della radiazione sulle particelle del conduttore fa transire un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione, promuovendo, in presenza di un opportuno ossidante, l'ossidazione della molecola organica. Il meccanismo di fotocatalisi è quindi il processo per cui il semiconduttore opera una trasformazione di energia elettromagnetica in energia chimica che nel caso specifico permette l'eliminazione della sostanza inquinante.
Tra i semiconduttori più usati, il più interessante è il biossido di titanio perché è facilmente reperibile, poco costoso, ha un'elevata fotosensibilità per cui può essere riutilizzato e non presentare tossicità ambientale.
Processi di ossidazione chimica tout court che, per esempio, prevedono l'uso dell'ozono o del cloro, non sono ancora in grado di operare con un impatto quantitativo veramente rilevante e, con l'uso del cloro in particolare, non è possibile evitare la formazione d'intermedi cancerogeni. La degradazione microbica, seppure estremamente economica e sicuramente pulita, non è ancora una tecnica ad ampio spettro, almeno fino a quando la ricerca genetica non fornirà un numero tale di ceppi microbici da permettere la degradazione di qualunque categoria di sostanze. L'adsorbimento su granuli di carbonio attivo o su resine polimeriche, infine, risolve la problematica dello smaltimento solo in parte, visto che al termine del processo resta comunque la necessità di eliminare le resine stesse.
I metodi di rimozione devono essere continuamente confrontati con i nuovi inquinanti. Per esempio, i farmaci rappresentavano una componente minore nella composizione dei rifiuti, ma negli ultimi decenni la situazione è cambiata. Le continue scoperte in campo farmacologico, fisiologico e medico e la conseguente continua ricerca di principî attivi sempre più sicuri, specifici, tollerabili e a bassi costi di produzione, fanno della sperimentazione farmaceutica un campo in continuo fermento. Questi presupposti e la grande quantità di farmaci consumata in ogni parte del mondo collocano l'industria farmaceutica tra i maggiori produttori del settore secondario. Basti pensare, in proposito, che i farmaci vengono usati non solo per la medicina umana, ma anche per quella veterinaria e come additivi nelle preparazioni alimentari per animali.
Non va trascurato, inoltre, che mentre l'andamento del mercato mondiale impone all'industria farmaceutica una politica di drastico contenimento delle spese, il problema del rispetto dei regolamenti obbliga le stesse a realizzare interventi significativi, sia per i farmaci scartati al controllo di qualità, sia per quelli scaduti provenienti da giacenze di magazzino, (per es., nel 2000 la GLAXO ha speso 10 milioni di sterline per risolvere questo problema).
Nel contempo, recenti studi condotti in Germania e in Svizzera hanno mostrato che le concentrazioni di farmaci e di loro metaboliti riscontrate nelle acque correnti, superficiali, sotterranee e fluviali sono dell'ordine dei μg/l (paragonabili a quelli di inquinanti classici come pesticidi, tensioattivi ed erbicidi). Per l'omogenea diffusione di tali dati in tutto il territorio, la mancanza di industrie farmaceutiche nelle zone prese in considerazione e considerando anche che la quantità di farmaci prescritti annualmente in Germania è di circa 30t, tale presenza è stata collegata alle immissioni provenienti dagli scarichi municipali. Spiegazioni per tale evidenza sperimentale possono essere trovate sia nel fatto che alcuni principî attivi vengono espulsi dall'organismo senza essere metabolizzati, sia nella mancanza di informazioni sulla tossicità di tali sostanze una volta rilasciate nell'ambiente. L'accumulo di tali sostanze, infatti, non solo può essere nocivo per l'ecosistema ma, nelle aree urbanizzate dove spesso le falde acquifere sotterranee vengono utilizzate come fonte di acqua potabile, può anche arrecare danno all'uomo. Da studi condotti nel 1993 sulle acque delle condotte di 14 diversi distretti di Berlino, le concentrazioni di farmaci arrivava a picchi dell'ordine dei μg/l (ben correlabili con i dati allora ottenuti per le sorgenti sotterranee). Studi più recenti rilevano concentrazioni ben più elevate di oltre 20 sostanze farmacologicamente attive nelle acque di scarico e di superficie (composti come beta-bloccanti, regolatori del colesterolo, analgesici, antireumatici e beta-simpatomimetici) con picchi di 4,5 μg/l nelle acque di scarico e 0,5 μg/l nelle acque di superficie. In passato i rifiuti di questa natura sono stati eliminati sfruttando la possibilità di interrarli e quella di incenerirli. Tali strategie, tuttavia, non sembrano più percorribili, sia perché considerate ormai inaccettabili dal punto di vista ambientale sia per i costi, aumentati considerevolmente in seguito all'introduzione di specifiche tassazioni. Anche tra gli approcci più moderni, purtroppo, è possibile riscontrare problemi e limitazioni tali da non aver permesso a nessuna tecnica in particolare di affermarsi come ottimale.
Risulta chiaro, comunque, come la ricerca di approcci e di soluzioni sempre nuovi e a basso costo al problema evidenziato, sia attualissima e di vitale importanza per le multinazionali farmaceutiche. Per esempio, dalle ricerche più recenti risulta come lo studio dei processi di fotodegradazione si sia indirizzato, fino a oggi, esclusivamente in due campi: la fotolabilità e la fototossicità dei principî attivi, trascurando la fotodistruzione.
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