Analisi del fabbisogno

L’obiettivo generale della proposta è lo studio, la messa a punto e la realizzazione fino al livello prototipale di biosensori destinati alla rivelazione di sostanze di interesse per il controllo ambientale e della sicurezza agro-alimentare.. Questi saranno costituiti da microsistemi realizzati mediante tecnologie di micro fabbricazione, oggi fattore-chiave per fornire i requisiti e le prestazioni necessarie in termini di ridotte dimensioni, peso contenuto, capacità di elaborazione “locale” dei risultati, facilità di uso e di interfaccia, basso costo, cioè proprio quelle caratteristiche che possono garantire un successo “industriale” dell’approccio proposto, una conseguente crescita dell’economia in un settore ad alta tecnologia, uno sviluppo duraturo del mercato del lavoro basato su un forte accrescimento, nonchè un radicamento nel territorio, di nuove conoscenze e competenze scientifiche e tecnologiche.

Queste caratteristiche distintive dei microsistemi in termini di abilità di integrare l’elemento sensibile con l’elettronica, la microfluidica, i sistemi per l’interfaccia e la trasmissione all’esterno delle informazioni ricavate, verranno però ricercate in una logica application driven e non technology push, cioè a dire che lo scopo del progetto è quello di fornire una soluzione a problemi di interesse pubblico diffuso, con marcate condizioni e possibilità di sviluppo competitivo.

I membri della partnership, infatti, oltre all’indirizzamento ed allo sviluppo di questioni “verticali” scientifiche e tecnologiche, sono fortemente interessati ai risultati della ricerca applicata allo scopo di utilizzare i sistemi messi a punto per migliorare la qualità e la sicurezza del cittadino e ridurre i rischi ambientali ed agro-alimentari in Italia, in Europa, ma con prospettive anche nei paesi di recente sviluppo dove ai vantaggi della globalizzazione hanno spesso corrisposto rischi per l’ambiente e per la salute dei cittadini. Il programma si propone perciò anche l’obiettivo di sviluppare e testare i prototipi di biosensori in differenti matrici ambientali.

Matrice alimenti: nonostante una sempre maggiore attenzione da parte degli operatori agricoli alla salubrità dei cibi e alle richieste dei consumatori, molto attenti ormai alla qualità dei prodotti agricoli, proprio uno dei partner del progetto, Legambiente, rileva con il recente dossier “Pesticidi nel piatto” (2010) elaborato su dati Arpa, Asl e Istituti zoo profilattici, una situazione ancora non completamente sotto controllo, con prodotti contaminati da uno o più residui di pesticidi in aumento dal 27,5 al 32,7%, campioni irregolari in aumento (da 1,2 a 1,5%), ed una maggiore presenza di campioni multi residuo (ovvero campioni che presentano contemporaneamente più e diversi residui chimici), a cui fa da contraltare una diminuzione generale dei controlli (il numero dei campioni analizzati, passano dagli 8764 dell’anno precedente a 8560). Allarmante è ad es. il dato percentuale di campioni tra le verdure, regolari in termini di residui con valori entro i limiti imposti dalla normativa, eppure contaminati da uno (22%) o più residui (26,4%), così come la presenza nel 2010, contrariamente al dato 2009 pari allo 0%, di una percentuale (2,7%) di campioni di prodotti derivati (miele, pane, vino, ecc.) addirittura irregolare.

La ricerca proposta si prefigge allora di affrontare 2 specifiche tematiche applicative, rispondendo al contempo proprio ad uno dei maggiori problemi sollevati dal dossier di Legambiente citato, cioè quello della rintracciabilità di pesticidi revocati oltre il termine fissato per lo smaltimento delle scorte, per i quali, non esiste un riferimento specifico nella normativa che stabilisca per i laboratori un termine temporale oltre il quale tracce, anche al di sotto del limite consentito di pesticidi revocati siano da indicare come irregolari.

Le specifiche tematiche applicative relative alla matrice alimenti sono i Fitofarmaci (CRA-CAT) e gli Allergeni (CRA-ORT):

– I fitofarmaci sono tutte le sostanze che, da sole o in miscela, sono impiegate per prevenire, controllare, o mitigare il danno dei patogeni e parassiti delle colture agrarie. La riduzione dell’uso di questi presidi fitosanitari è uno degli obiettivi della moderna agricoltura, sia per ridurre i costi di produzione, ma soprattutto per ridurne i residui che possono essere presenti nelle derrate alimentari. Oggi, la grande distribuzione organizzata (GDO) impone come requisito indispensabile ai produttori agricoli il rispetto dei limiti dei residui di fitofarmaci nei prodotti da acquistare e commercializzare. In molti casi, i contratti di acquisto tra GDO ed organizzazioni dei produttori (OP) prevedono la presenza nei prodotti di un limitato numero di principi attivi ed anche il livello dei residui deve essere ad un livello inferiore a quelli previsti dalle leggi vigenti. Si aggiunga a questo che nelle diete, siano esse ipocaloriche o semplicemente equilibrate, il consumo di frutta e verdura è sempre più incoraggiato per cui sono aumentate le possibilità di ingerire molecole xenobiotiche. Per questi motivi sia le GDO sia le OP devono sempre più operare controlli stringenti sulle produzioni prima di commercializzarle. Nuovi metodi basati sulla cattura enzimatica o per forma e dimensione come la Quartz Crystal Microbalance (QCM) si propongono di rendere meno costosa, più veloce e routinaria l’analisi dei residui in modo da superare molti dei problemi propri delle metodologie tradizionali. La messa a punto di un metodo rapido e poco costoso potrebbe completare la conoscenza del contenuto in sostanze xenobiotiche dei nostri alimenti.

– Le allergie alimentari sono forme specifiche di ipersensibilità ad alimenti o componenti alimentari che attivano il sistema immunitario. L’incidenza delle allergie agli alimenti è aumentata drasticamente negli ultimi dieci anni, sia tra i bambini che tra gli adulti. Le allergie a cereali e ortaggi rappresentano più del 72% di tutte le allergie alimentari: in particolare, frumento, sedano, frutta fresca e secca, con i loro prodotti derivati, sono considerati alimenti ad alto rischio di allergie (Direttiva 2003/89/EU sull’etichettatura degli alimenti, annex IIIa). L’allergia alimentare rappresenta oggi un’emergenza sanitaria in ragione del crescente aumento dei soggetti affetti: le stime più recenti indicano che circa l’8% dei bambini (con picchi del 20% in popolazioni infantili con dermatiti atopiche) ed il 3% degli adulti è colpito da disturbi. Le reazioni allergiche si manifestano dopo inalazione, contatto o ingestione degli allergeni presenti negli alimenti. I sintomi possono variare, e comprendono eruzioni cutanee lievi o severe e disturbi gastrointestinali o respiratori a manifestazione immediata o ritardata; sono stati inoltre riportati casi di grave anafilassi sia tra i bambini che tra gli adulti. Al di là della varietà delle manifestazioni cliniche, la maggior parte delle forme di allergie alimentari sono mediate dalle immunoglobuline E (IgE). Negli individui sensibili, le IgE mostrano reattività ad un’ampia gamma di proteine presenti negli alimenti di origine vegetale o animale.

Poiché controllare la presenza di queste proteine nelle matrici alimentari è, di fatto, l’unica strategia per difendere il consumatore dall’ingestione accidentale di allergeni, autorità di tutela e industria alimentare stanno ponendo crescente attenzione in materia di sicurezza alimentare. La cosiddetta direttiva allergeni (direttiva della UE 2006/142/EC) impone, infatti, di specificare in etichetta la possibile presenza di sostanze aventi un potenziale allergenico. Durante i processi di lavorazione degli alimenti, ad esempio nel caso in cui l’impianto non sia stato adeguatamente sanitizzato prima della conversione, è possibile che alcune particelle residue (definite allergeni occulti) possano contaminare il prodotto, trasformandolo in un potenziale rischio per la salute di chi è allergico. È dunque necessario prendere in considerazione la problematica relativa all’identificazione degli allergeni alimentari nascosti.

Matrice acqua: sorgenti esterne di inquinamento sono spesso fonte di contaminazione nei sistemi di circolazione delle acque potabili, specialmente in quelle aree che sono rifornite da sorgenti di acque superficiali, o da pozzi freatici situati vicino insediamenti industriali o terreni coltivati. Tali aree risultano particolarmente a rischio di inquinamento da pesticidi (oltre che da altri prodotti chimici). A tal proposito basti ricordare i casi di inquinamento da pesticidi (atrazina) in alcune regioni del nord Italia, durante gli ultimi quattro anni, che hanno provocato seri problemi all’approvvigionamento di acqua potabile, ed enfatizzando la necessità di un monitoraggio costante in tali territori. Bisogna anche considerare che la composizione geologica del sottosuolo influenza la qualità ed il livello di contaminazione delle acque sotterranee. Ad esempio, in presenza di depositi alluvionali (cioè quegli strati di materiale detritico eroso, trasportato e depositato durante le ere geologiche), che sono rapidamente permeabili dalle acque di scolo superficiali, si può verificare una rapida penetrazione di inquinanti nell’acqua freatica che alimenta sistemi di distribuzione urbana delle acque. Il raggiungimento, spesso rapido, delle acque del suolo da parte di pesticidi è stato spiegato per mezzo del concetto di movimento preferenziale dell’acqua e dei soluti attraverso il suolo [G. Shalit e T. Steenhuid, A simple mixing layer model predicting solute flow to drainage lines under preferential flow. Journal of Hydrology 183, 139-149 (1996)].

Tale diffusione di inquinanti attraverso i depositi alluvionali può essere così rapida da non essere rivelata dai normali controlli a campione della qualità dell’acqua che vengono normalmente effettuati dalle autorità locali. Al contrario, se la falda acquifera risulta contenuta all’interno di due strati di argilla impermeabili, allora l’acqua di approvvigionamento dell’acquedotto risulta meno esposta alla contaminazione da parte di acque superficiali inquinate. Per le motivazioni sopraelencate quegli insediamenti e quei territori che, per ragioni geologiche, risultino maggiormente esposti a rischi di contaminazione delle acque del sottosuolo, dovrebbero essere equipaggiati con reti dedicate di monitoraggio della qualità delle acque, in grado di allertare se i livelli di contaminanti dovessero eccedere dei valori di soglia fissati. Inoltre, parecchie sorgenti di acqua potabile per insediamenti umani isolati non appartengono alla rete di distribuzione delle acque o ad acquedotti (come nel caso di comunità montane, fattorie, pozzi isolati, sorgenti, etc.). Generalmente tali sorgenti non sono sottoposte al controllo di autorità persino nel caso in cui l’acqua fornita da esse sia usata per bisogni umani. In molti casi la possibilità di un controllo frequente è semplicemente impedita dalla difficoltà di raggiungere tali siti.

In senso ancor più generale, il fatto che i sistemi di approvvigionamento delle acque potabili in Europa ed in Italia siano considerati come “sicuri” dalla maggior parte di coloro che ne usufruiscono non vuol dire che le operazioni ed il controllo del sistema di distribuzione delle acque siano totalmente adeguati. La sicurezza delle acque è normalmente garantita da analisi chimiche e batteriologiche ma, essendo la qualità delle acque una variabile dinamica, e non potendo i sistemi di analisi operare in modo continuo, tale sicurezza risulta strettamente dipendente dalla loro locazione e dalla frequenza dei campionamenti essendo la frequenza di campionamento normalmente collegata all’ampiezza del bacino di utenza servito.

Ciò comporta che il sistema di analisi delle acque in una rete di distribuzione municipale non sia concepito come un sistema di allarme in caso di infiltrazione di sostanze inquinanti o tossiche (come ad esempio pesticidi o metalli pesanti), ma semplicemente come un sistema di campionamento a frequenze prefissate, ed in verità neanche tanto ravvicinate (nei migliori dei casi, peraltro abbastanza rari, una volta ogni una/due settimane). Quando l’allarme parte, gli agenti inquinanti sono già nelle condotte degli acquedotti e nei serbatoi domestici. La condizione è addirittura peggiore nel caso di sorgenti e/o di fonti di acqua per fattorie o case rurali, dove la frequenza dei controlli è molto bassa.

Ma anche nei sistemi municipali di controllo delle acque la rete di condotte principali con serbatoi di stoccaggio, stazioni di pompaggio e linee di servizio pone seri problemi. Generalmente tutte le arterie e le condotte secondarie sono chiuse in circolo (looped) ed interconnesse, in modo da eliminare estremità a fondo cieco e da permettere la circolazione delle acque. Nonostante ciò, in alcuni casi non è possibile eliminare del tutto tali condotte a fondo cieco, ad esempio in quelle aree ai limiti del processo di urbanizzazione, dove esso è solo pianificato, ma non ancora in atto.

Solitamente, la presenza di condotti a fondo cieco produce una degenerazione della qualità e del sapore dell’acqua potabile, che è in relazione alla presenza di materia animale vegetale e/o animale in decadimento. Tale fenomeno, frequente in tutte quelle situazioni nelle quali sia presente dell’acqua stagnante, viene solitamente affrontando inducendo una ricircolazione di acqua fresca all’interno di quella stagnante, in modo da indurre un processo di ossigenazione.

Purtroppo ci sono molte situazioni nelle quali tale processo di ricircolazione non è possibile o pratico: per esempio nelle summenzionate condotte a fondo cieco, nei serbatoi di stoccaggio, nei serbatoi o vasche di riserva per uso condominiale o familiare, specialmente in quei periodi dell’anno, come ad esempio d’estate, nei quali il flusso di acqua normalmente diminuisce.

In presenza di una decomposizione di materia animale o vegetale normalmente viene prodotta dell’ammoniaca, quindi la maggior parte delle acque contiene come minimo delle tracce di ammoniaca. Essa è anche presente in quelle acque che hanno sofferto di inquinamento da acque di scolo o da effluenti industriali. Come conseguenza di questo naturale processo di decomposizione l’ammoniaca viene trasformata in nitriti e questi ultimi in nitrati per mezzo di un processo di ossidazione di origine batterica. I nitriti tendono ad apparire in quantità minore nelle acque rispetto ai nitrati, essendo un prodotto intermedio di reazione. La presenza di nitrati nelle acque è indicatrice di un possibile precedente inquinamento delle acque da parte di materia organica, che può essere di origine animale o vegetale. Per quanto detto la presenza, o un brusco cambiamento della concentrazione di ammoniaca/nitrati può essere messa in correlazione con la presenza di sorgenti organiche di decomposizione nel sistema di distribuzione/stoccaggio delle acque. In più, la presenza di nitriti rappresenta un chiaro segnale di allarme di un inquinamento in corso di natura organica.

Per quanto detto, altra linea di ricerca risulterà allora essere l’integrazione del predetto sistema sensore per la rilevazione dei pesticidi in un unico sistema multi sensore come unità complessa per l’analisi delle acque anche rispetto ad altri elementi, in particolare gli elementi del ciclo dell’azoto nell’acqua (ammoniaca, nitriti e nitrati), i batteri ed i metalli pesanti.

Dal punto di vista economico, la disponibilità di una strumentazione semplice, miniaturizzata ed a basso costo permetterà la diffusione di sistemi di analisi sull’intera rete di distribuzione urbana delle acque, e sviluppare in tal modo un network di monitoraggio della qualità delle acque in grado di rilevare e segnalare, in tempo reale, la presenza di inquinanti oltre i livelli massimi accettabili.

Tali risultati, oltre a prefigurare un successo commerciale nelle situazioni predette, hanno anche il notevole pregio di poter rappresentare una soluzione di estremo interesse per realtà particolari quali quelle che si rinvengono nei paesi in via di sviluppo, dove la maggior parte delle sorgenti d’acqua, lontano dalle città principali, non sono controllate regolarmente. Tali sorgenti sono particolarmente sottoposte a contaminazione organica ed a fenomeni di inquinamento da decomposizione organica animale o vegetale, e ciò rappresenta uno dei principali veicoli di trasmissione per malattie altamente epidemiche.

Va infine rimarcato come il settore delle biotecnologie venga oggi considerato a livello mondiale come uno dei settori trainanti per la crescita economica e lo sviluppo del mercato del lavoro. In più, le biotecnologie presentano nello scenario attuale applicazioni della ricerca varie ed in continua evoluzione, caratterizzabili per differenti ambiti, quali ad es. ambiente, industria agroalimentare e salute. Tra questi, è proprio il settore agroalimentare quello che lascia intravedere una potenziale sinergia, ancora molto da sviluppare, tra il settore tradizionale e la ricerca biotecnologica mirata, sinergia che intende basarsi su uno sfruttamento congiunto delle applicazioni e dei risultati conseguiti anche e soprattutto attraverso azioni di technology transfer per la cui realizzazione diventa di fondamentale importanza una condivisione ed un trasferimento incrociato di know-how.

In questa ottica la proposta rappresenta allora un importante fattore sotto due rilevanti aspetti:

· il conseguimento di una tecnologia chiave che, nei prossimi anni, determinerebbe una forte spinta commerciale per tutti i partner industriali coinvolti nel progetto, per ognuno anche grazie allo specifico know-how ed alle competenze acquisite a valle della ricerca condotta (elettronica, tecnologie di processo, sensoristica), assicurando altresì un forte ampliamento della rispettiva base occupazionale, a partire dalla integrazione nei propri organici aziendali dei nuovi profili professionali reclutati a differente titolo nelle attività di R&S del progetto

· la potenzialità legata alla realizzazione di un network integrato di competenze, quale appunto risulta essere la partenrship proposta, che garantisce di per sé, grazie ad una forte interdisciplinarità, proprio una larga condivisione di esperienze e conoscenze, nonché di disseminazione dei risultati.