Tossicità di inquinanti ambientali correlati ai processi di incenerimento dei rifiuti solidi urbani: studio dei meccanismi molecolari su cellule del tratto respiratorio

The demands of our society generate wastes that tend to increase in quantity as the standard of living increases. The most effective means of dealing with this problem is to reduce the amount of wastes generated (McKay, 2002). Solid waste incinerators reduce the volume and the mass of wastes, but emissions could contain highly toxic components. Major problems regarding the operation of incineration are by-products, especially the lightest fraction (Fly Ash), that contains the highest amount of volatile heavy metals, such as Cd, Pb and Zn, and polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (Yao et al., 2012). Particulate air pollution (PM) is an important environmental health risk factor for many different diseases. This is indicated by numerous epidemiological studies on associations between PM exposure and occurrence of acute respiratory infections, lung cancer and chronic respiratory and cardiovascular diseases (de Kok et al., 2006). The pulmonary epithelium represents a primary barrier preventing the entry of inhaled compounds into the body. As a consequence, lung epithelial cells are also a primary target of many inhaled noxious substances (Ovrevik et al., 2009). Fly Ash collected from the electrostatic precipitator of Bozen’s municipal solid waste incinerator was taken as an example for real particles with complex composition released into the atmosphere to study the mechanism of early biological responses of BEAS-2B and A549 human lung epithelial cells. Furthermore, some different air samples were collected in Bozen area and their cellular effects were studied. Chemical and physical analysis identified and quantified the pollutants, and in vitro cellular assays were used to estimate some toxic effects of Fly Ash (Total Fraction) and air samples. The studies include also the effects of Water-soluble, Water-insoluble and DMSO-soluble Fractions of the Fly Ash. The Total Fraction induced a concentration-dependent reduction on cell viability (mostly on BEAS-2B cells, as compared with A549 cells) and increased ROS generation. The Fly Ash-induced oxidative stress was correlated with diminution of tGSH content and induction of heme oxygenase-1. Data confirmed a strong correlation between samples’ composition and their biological effects, in fact Total and Water-insoluble Fractions were the most toxic and responsive, instead Water and DMSO-soluble Fractions were less active. Fly Ash was also able to induce inflammatory responses through NF-kB activation, followed by enhancement of IL-6 and IL-8 levels. ROS generation, tGSH reduction and IL secretion were markedly inhibited by preincubation of the cells with the anti-oxidant N-acetylcysteine, which confirmed the involvement of oxidative stress in Fly Ash toxicity. The study of the toxicity of air samples revealed that there was a significant diminution of cellular viability only after 72 hours of exposition. The sample containing the incinerator’s chimney emissions increased ROS production and IL-6 and IL-8 secretion. This underlined that oxidative stress was probably related to the inflammatory responses and cleared how the cellular response is closely linked with the content of toxic substances of the samples.

I moderni stili di vita portano alla produzione di una grande quantità di rifiuti, che tende costantemente ad aumentare (McKay, 2002). Il modo più efficace per tentare di risolvere questo problema è quello di ridurne il volume. Gli odierni inceneritori di rifiuti solidi urbani sono in grado di diminuire il volume e la massa dei rifiuti, ma le sostanze che vengono emesse possono essere altamente tossiche. I sottoprodotti che si formano, in particolare la frazione più leggera delle ceneri (Fly Ash), possono contenere alte quantità di metalli pesanti volatili, come Cd, Pb e Zn, oltre a diossine e furani (Yao et al., 2012). Il particolato atmosferico (PM) è un importante fattore di rischio ambientale e per la salute. Molti studi epidemiologici hanno infatti evidenziato una correlazione diretta tra l’esposizione al PM e l’insorgere di infezioni respiratorie acute, tumore polmonare e malattie croniche del tratto respiratorio e del sistema cardiovascolare (de Kok et al., 2006). Il Fly Ash, raccolto dal filtro a manica dell’inceneritore dei rifiuti solidi urbani di Bolzano, è stato utilizzato come modello di miscela di particelle a composizione complessa rilasciata in atmosfera, al fine di studiare il meccanismo delle risposte biologiche precoci di cellule epiteliali polmonari umane BEAS-2B e A549. Sono stati inoltre studiati alcuni campioni ottenuti da filtri di aria posti in diverse posizioni della città di Bolzano. Le analisi chimico-fisiche hanno permesso di identificare e quantificare gli inquinanti presenti, mentre i test in vitro di valutare gli effetti tossici del Fly Ash (Frazione Totale) e dei campioni d'aria. Gli studi hanno riguardato anche gli effetti di alcune frazioni derivate dal Fly Ash: Frazione Idrosolubile, Non-Idrosolubile e DMSO-solubile. L’esposizione alla Frazione Totale ha indotto una riduzione concentrazione-dipendente della crescita cellulare (in modo particolare delle cellule BEAS-2B) e un’aumentata produzione di ROS. Lo stress ossidativo indotto è stato confermato anche dalla diminuzione del contenuto di tGSH e dall’induzione dell’eme ossigenasi-1. Inoltre è in grado di innescare risposte infiammatorie con attivazione di NF-kB e aumento dei livelli di IL-6 e IL-8. I dati hanno confermato una forte correlazione tra la composizione dei campioni e i loro effetti biologici, infatti le frazioni Totale e Non-Idrosolubile si sono rivelate quelle più tossiche, mentre le frazioni Idrosolubile e DMSO-solubile sono quelle meno attive. Il pre-trattamento delle cellule con l'antiossidante N-acetilcisteina inibisce nettamente la produzione di ROS, la riduzione dei livelli di tGSH e la secrezione di IL, confermando così il coinvolgimento dello stress ossidativo nei meccanismi di tossicità indotti dal Fly Ash. I risultati ottenuti studiando alcuni campioni ottenuti da filtri di aria posti in diverse posizioni della città, sottolineano innanzitutto la buona efficienza dei sistemi di filtrazione dei fumi dell’inceneritore, in grado di diminuire notevolmente la quantità di IPA, diossine e soprattutto metalli emessi in atmosfera e quindi di limitarne i possibili danni. Tra i campioni studiati, influenzati in maniera più o meno importante dalla presenza di diverse fonti di emissione, tra cui l’inceneritore, solo quello ottenuto dal filtro posto a camino dell’impianto è in grado di attivare un’importante risposta ossidativa e infiammatoria, indicando un significativo contributo delle emissioni, in ogni caso inferiori ai limiti imposti dalle vigenti normative.