Effetto di alcuni farmaci per uso umano sulla qualità ecosistemica del Fiume Arbia (SI)

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1. INTRODUZIONE 
L'acqua non è un prodotto commerciale al pari degli altri, bensì un patrimonio che va 
protetto, difeso e trattato come tale. Questa è la considerazione di principio che 
Parlamento Europeo e Consiglio dell’Unione Europea esprimono in apertura della 
direttiva quadro 2000/60/CE per l’azione comunitaria in materia di acque. La natura di 
bene primario, di risorsa insostituibile e inalienabile dell’elemento acqua prescinde, 
infatti, da qualunque considerazione e azione di tipo politico o economico e come tale è 
avvertita da qualunque essere vivente sin dalla nascita. Altrettanto salda nei principi di 
chiunque di noi è la necessità di salvaguardare tale patrimonio tanto da inutili sprechi 
quanto da imperdonabili alterazioni ecologiche e depauperamento. Le fonti 
d’inquinamento, ben presenti nella percezione comune del problema, vanno 
dall’industria con i suoi scarichi, all’agricoltura intensiva con i suoi pesticidi ed erbicidi, 
all’uso diffuso di prodotti e sostanze di utilità quotidiana. Le campagne di 
sensibilizzazione ad opera di enti e amministrazioni contribuiscono ad aumentare 
conoscenza e consapevolezza dei rischi e delle misure di buon senso e responsabilità 
che possano ridurne il pericolo; le normative comunitarie, nazionali e locali indicano le 
prescrizioni e definiscono obiettivi di qualità da perseguire.  
Uno dei più diffusi elementi di potenziale rischio per la qualità delle acque e di 
conseguenza di tutto l’ecosistema è però tanto presente nella vita di ognuno quanto in 
gran parte trascurato da opinione pubblica e normative di settore: i farmaci e i loro 
metaboliti. 
1.1 I farmaci e le loro fonti  
In Italia, l’Osservatorio sull’Impiego dei Medicinali ha rilevato nel decennio 2000-2009 
un aumento del consumo di farmaci del 60%, con una media annua del 5% circa, e un 
ulteriore incremento delle quantità prescritte nei primi nove mesi del 2010, con 954 dosi 
ogni mille abitanti (Gruppo di lavoro OsMed, 2010a; Gruppo di lavoro OsMed, 2010b). 
A questi vanno aggiunti i farmaci senza obbligo di prescrizione (SOP) e quelli per 
automedicazione o da banco (OTC). Parte di questa enorme mole di prodotti resta 
inutilizzata e – se indesiderata o scaduta – è smaltita nella maggior parte dei casi in 
maniera impropria, nella spazzatura o negli scarichi domestici. Lo smaltimento 
improprio è una fonte di contaminazione di sicura rilevanza ma la cui significatività 
relativa è ancora scarsamente compresa; non è noto, infatti, quale percentuale di un
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principio attivo (p.a.) rinvenuto nell’ambiente possa derivare dallo smaltimento, e le 
potenziali fonti sono troppe e troppo disperse (Ruhoy & Daughton, 2008). In realtà la 
principale fonte di contaminazione ambientale da farmaci è il paziente in terapia. La 
maggior parte dei farmaci è metabolizzata dall’organismo per reazioni di Fase I e Fase 
II. La Fase I comprende reazioni di ossidazione, riduzione e idrolisi, e i prodotti sono 
spesso più reattivi e tossici dei composti originari. La Fase II implica reazioni di 
coniugazione, risultanti nell’inattivazione della sostanza. Questa strategia metabolica 
crea prodotti più polari e quindi più idrofili dei composti originari, al fine di favorirne 
l’escrezione (Halling-Sorensen et al., 1998; Daughton & Ternes, 1999). In realtà, una 
volta esplicati gli effetti terapeutici, i medicinali sono escreti tramite urine e feci in 
forma di miscela di metaboliti, oppure come sostanza inalterata, o ancora come 
molecole coniugate, legate ad un sostituente inattivante. L’esito è funzione delle 
proprietà chimico-fisiche della sostanza e della sua farmacologia (Halling-Sorensen et 
al., 1998). In alcuni casi, le dosi di farmaco effettivamente assunte sono eliminate 
dall’organismo quasi totalmente in forma di composto parentale; è il caso, ad esempio, 
di farmaci quali furosemide e idroclorotiazide (diuretici), escreti per più del 90% della 
dose in forma originaria (Calamari et al., 2005). Più in generale, i farmaci sono spesso 
escreti nella loro forma originaria o come metaboliti attivi (Heberer et al., 2002a; 
Zuccato et al., 2005).  
1.2 I farmaci negli impianti di depurazione 
Principi attivi e metaboliti fanno dunque il loro ingresso, in urine e feci, nelle acque di 
scarico destinate ad essere raccolte e convogliate negli impianti di trattamento dei reflui 
urbani o depuratori (Sewage Treatment Plants, STP), prima dell’immissione nei corsi 
d’acqua naturali (Fig. 1).
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Fig. 1 – Schema del destino ambientale dei farmaci (Ternes, 1998). 
Le finalità del trattamento a cui le acque reflue sono sottoposte in un impianto di 
depurazione sono, secondo la definizione dell’Istituto Superiore per la Protezione e la 
Ricerca Ambientale (ISPRA):  
- separare dal liquido le sostanze inquinanti, concentrandole sotto forma di fanghi; 
- provvedere ad un trattamento dei fanghi, includendo preferibilmente anche una 
stabilizzazione, in modo da consentirne un corretto smaltimento. 
La depurazione avviene in comparti (linee) diversi dell’impianto per acqua e fanghi, 
mediante trattamenti di natura fisica, chimica e biologica. A loro volta, i processi operati 
sulle due linee possono essere suddivisi in fasi. 
In un impianto tipico, la linea depurativa delle acque prevede le fasi di: 
- Trattamento preliminare (o pretrattamento): 
è finalizzato alla rimozione di parti grossolane (detriti, rifiuti solidi), sostanze 
abrasive, sabbie e oli, in grado di recare danno all’impianto e quindi non ammissibili 
ai trattamenti successivi. I reflui sono sottoposti a grigliatura su setacci di diverse 
dimensioni e geometria, a dissabbiatura per sedimentazione e a disoleazione 
mediante insufflazione d’aria; 
- Trattamento primario:
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ha l’obiettivo di rimuovere per sedimentazione i solidi sospesi mediante processi 
fisici o chimico-fisici a seguito dei quali il BOD5 e i solidi sospesi totali (SST) siano 
ridotti rispettivamente di almeno il 20 e il 50%; 
- Trattamento secondario: 
cosiddetto a fanghi attivi, è finalizzato all’abbattimento della sostanza organica 
biodegradabile e dei solidi in forma colloidale non sedimentabili, ovvero non 
separabili con trattamenti di tipo fisico. I reflui subiscono un processo ossidativo 
biologico con flocculazione e sedimentazione secondaria; 
- Trattamento terziario: 
perfeziona la depurazione riducendo il carico di elementi nutrienti (principalmente 
azoto e fosforo) ed eliminando i solidi disciolti biorefrattari ancora presenti dopo il 
trattamento secondario; 
- Disinfezione: 
abbatte la carica di microrganismi patogeni delle acque reflue in uscita 
dall’impianto, riducendola a valori di concentrazione residua accettabili sotto 
l’aspetto del rischio sanitario e ambientale. Le tecniche maggiormente in uso in uso 
nei depuratori urbani prevedono l’uso di agenti chimici (cloroderivati, ozono, acido 
peracetico) o fisici (raggi UV). 
Il trattamento dei fanghi residui della depurazione delle acque ha l’obiettivo di renderli 
idonei allo smaltimento finale, laddove la destinazione e l’utilizzo finali prevedono 
modalità diverse e dunque diversi requisiti di idoneità. I principali processi di 
trattamento possono essere suddivisi in due categorie: 
- Processi di separazione, che hanno lo scopo di allontanare parte della fase liquida 
dalla frazione solida dei fanghi. Appartengono a questa categoria: 
o l’ispessimento 
o la disidratazione 
o l’essiccamento termico 
- Processi di conversione, finalizzati a provocare modificazioni delle caratteristiche 
dei fanghi per facilitarne i trattamenti successivi. Fanno parte di questa categoria: 
o la stabilizzazione (per digestione o compostaggio) 
o il condizionamento 
o l’incenerimento e la pirolisi 
o la disinfezione.
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I fanghi trattati sono quindi avviati a smaltimento per incenerimento o per stoccaggio in 
discariche controllate, o riutilizzati “ogni qualvolta ciò risulti appropriato” (D. Lgs. n. 
152/1999) per applicazione su suoli – agricoli e non –  e come compost.  
L’efficacia nella rimozione dei farmaci è una risultante di diversi fattori quali, tra gli 
altri, la natura della sostanza, il processo impiegato nel trattamento, le condizioni 
ambientali (Zuccato et al., 2006). I principali meccanismi coinvolti nell’abbattimento di 
questa classe di composti sono sorption su fanghi e biodegradazione (Carballa et al., 
2004; Vieno, 2007), processi in cui sono determinanti proprietà della molecola quali il 
grado di affinità per la materia organica, la capacità di adsorbimento su solido, il grado 
di dissociazione e la biodegradabilità (Vieno, 2007). 
La sorption dei farmaci su fanghi può avvenire per assorbimento o per adsorbimento. 
Nel primo caso, il composto è rimosso per interazione idrofobica con la frazione lipidica 
del refluo o con la membrana cellulare dei microrganismi. La capacità di una sostanza 
di essere absorbita nei fanghi è definita dal suo coefficiente di ripartizione ottanolo-
acqua, K
ow
; secondo una caratterizzazione fatta da H.R. Rogers (Rogers, 1996), il 
potenziale di absorbimento di una molecola può essere classificato come basso, medio o 
alto per valori di logK
ow
 rispettivamente <2.5, 2.5-4.0, >4.0. Inoltre, il citato grado di 
dissociazione influenza il valore di K
ow
 poiché solo le specie non dissociate ripartiscono 
nelle fase lipidica; di conseguenza, risulta rilevante la relazione tra il pH delle acque e la 
costante di dissociazione acida delle molecole (K
a
). Per valori pressoché equivalenti di 
pH e pK
a
, vi sarà in soluzione una miscela di specie ionizzate e non circa uguale; per 
valori di pH = pK
a
 ± 2 vi sarà in soluzione una prevalenza di una delle due specie. 
Dunque i composti ionizzati e quelli indissociati con logK
ow
<2.5 sono poco absorbiti 
dai fanghi di depurazione ed è quindi più verosimile che la loro sorption avvenga con 
meccanismi di adsorbimento, ovvero per interazioni di natura elettrostatica all’interfase. 
La capacità di adsorbimento di una molecola è descritta dal coefficiente di partizione, 
K
D
. L’adsorbimento su fanghi può essere considerato un processo di rimozione rilevante 
per sostanze con valori di K
D
>300 L kg
-1
 (Joss et al., 2005).  
La biodegradazione è considerata per molti principi attivi la principale forma di 
rimozione negli impianti di trattamento dei reflui (Vieno, 2007). La degradazione 
biologica può avvenire per metabolizzazione o per co-metabolizzazione; nel primo caso, 
la molecola è utilizzata dai batteri coinvolti come fonte primaria di carbonio, mentre nel 
co-metabolismo la sostanza non viene utilizzata da un organismo per la crescita, poiché 
viene modificata o parzialmente convertita in presenza di altro materiale organico che 
serve come fonte di carbonio e di energia. La co-metabolizzazione è considerato tra i