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Gli insetticidi, dal DDT alla lotta biologica: una grande sfida per la chimica

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di François Burgay
Articolo partecipante alla 1° ed. del concorso Parlar di Chimica

applicazione di insetticidi in fruttetoINTRODUZIONE

Prevenire, distruggere, respingere o controllare organismi non desiderati.   Questo è il ruolo dei pesticidi i quali stanno diventando sempre più importanti in un mondo che conta più di 7 miliardi di persone.   Come sarebbe possibile sfamare tutta la popolazione umana prescindendo dal loro utilizzo?
Sulla base di questi presupposti illustreremo come e dove agiscono gli insetticidi e quali sono le sfide per il futuro. Nell’impossibilità di elencare e di descrivere tutte le classi di pesticidi esistenti, abbiamo selezionato quelle più conosciute e famose in una scelta del tutto arbitraria.

 

I BERSAGLI DEGLI INSETTICIDI

Immaginiamo una serie di canali, uno in fila all’altro, costituiti da una vasca iniziale che prelude a un percorso intervallato da numerose dighe che si aprono e si chiudono in modo da lasciare defluire l’acqua.   All’origine di questi canali abbiamo una cascata (l’impulso nervoso) che, quando serve, riempie d’acqua la prima vasca che entra nel canale (assone) e, grazie alla presenza delle dighe (pompe sodio-potassio), lo attraversa fino alla fine.   Qui si trovano degli operai (acetilcolina) che, muniti di secchi, prendono l’acqua e, dopo un breve tratto, la riversano nella vasca successiva (acetilcolinesterasi). Essendo quest’ultima in comunicazione con un nuovo canale, si svuota, garantendo così la continuità della trasmissione dell’impulso fino a destinazione.

prodotti a base di DDT

vecchi prodotti a base di DDT

Quello che abbiamo appena descritto, in modo molto semplificato, altro non è che la rappresentazione di un neurone dove l’impulso nervoso passa lungo l’assone grazie a una differenza di potenziale (una sorta di “dislivello” rappresentato dalle dighe) e viene trasmesso a un neurone successivo grazie a degli specifici neurotrasmettitori (l’acetilcolina).   Essi sono accolti da un enzima (la vasca dell’acqua dove gli operai svuotano i secchi) che permette all’impulso di raggiungere altri neuroni fino ad arrivare a destinazione, per esempio ai muscoli, causando una contrazione.
Gli insetticidi possono agire su due bersagli:
– sulle “dighe” (il DDT e gli insetticidi piretroidi) bloccandole o lasciandole aperte, determinando quindi o un’interruzione o un’eccessiva trasmissione dell’acqua che causerà siccità o alluvione.   Fuor di metafora l’azione sulle pompe sodio-potassio genererà paralisi o sovra-stimolazione muscolare;
– sulle “vasche” (gli organofosfati), poste a monte del corso d’acqua, impedendo loro di svuotarsi.   L’effetto di questa azione sull’organismo sarà una contrazione permanente dei muscoli, quindi la morte per collasso.
In altre parole gli insetticidi possono cambiare la differenza di potenziale lungo l’assone, impedendo all’impulso di arrivare ai neurotrasmettitori, oppure possono occupare irreversibilmente l’acetilcolinesterasi, causando una costante risposta nervosa con conseguente collasso muscolare.   O si muore per carenza di cibo o di indigestione.
Vedremo nei prossimi paragrafi come sia difficile garantire un’elevata tossicità per gli insetti e una bassa pericolosità nei mammiferi.   Il DDT, a tal proposito, rappresenta un fallimento esemplare.

 

IL DDT, LA GRANDE SPERANZA

Il DDT, nome comune dell’1,1-bis (4-cloro-fenil)-2,2,2-tricoloroetano, fu sintetizzato per la prima volta nel 1874 dal chimico tedesco O. Ziegler, ma le sue straordinarie proprietà insetticide vennero scoperte solo nel 1939 da P. Muller.   Una scoperta che gli valse il premio Nobel per la Medicina nel 1948.
Una sintesi facile, un costo irrisorio e un composto praticamente non tossico per i mammiferi, sembravano essere gli ingredienti per un successo definitivo nella guerra contro i parassiti.

DDT is good for me- Pubblicità su LIFE Magazine (1946)

Figura 1 – Pubblicità su LIFE Magazine (1946)

Le campagne pubblicitarie promosse specialmente negli Stati Uniti al termine della Seconda Guerra Mondiale sono emblematiche: “DDT is Harmless for Humans” (1946) (“Il DDT è innocuo per l’uomo”), “DDT, so safe you can eat it” (1947) (“DDT, così sicuro che lo puoi mangiare”).   In quest’ultimo spot un volontario mangia cucchiaiate di DDT asserendo che non ci sono problemi per la salute umana.
Una sfrontatezza testimoniata anche da alcuni video dell’epoca in cui questo insetticida viene spruzzato in direzione di tavolate con bambini intenti a gustarsi un panino, oppure verso dei bagnanti.
Fu il libro “Silent Spring” (Primavera Silenziosa) scritto dall’attivista americana Rachel Carson nel 1962, a scuotere gli animi dell’opinione pubblica.   Il libro sosteneva la tesi che un uso incontrollato di pesticidi (in primis il DDT) potesse causare la morte non solo di animali o uccelli, ma anche degli esseri umani.   Dieci anni più tardi il DDT fu ritirato dal mercato americano e in breve fu bandito dalla maggior parte dei Paesi.   Con la fine dell’era del DDT muoiono le speranze di disporre di uno strumento efficace e sicuro nella guerra contro gli insetti nocivi.
1,1-bis (4-cloro-fenil)-2,2,2-tricoloroetano (DDT)Quali sono le ragioni per le quali questo composto è tossico?   Ne possiamo individuare due: l’assoluta insolubilità in acqua, quindi un accumulo nei grassi, e la grande stabilità che determina una difficile degradazione sia nell’ambiente sia nell’organismo.
Considerando poi che il rivestimento delle cellule, comprese quelle nervose, è costituito da grassi e essi rappresentano una fondamentale riserva energetica, risulta chiaro quanto questo insetticida fosse pericoloso.
La tossicità del DDT nei confronti dell’uomo non è diretta (esso è poco assorbito attraverso la pelle), ma avviene attraverso un processo che prende il nome di biomagnificazione, cioè attraverso la catena alimentare.   Gli animali si nutrono di mangimi trattati con DDT e lo accumulano nei loro grassi, in seguito noi mangiamo la loro carne condita con un po’ del potente insetticida.   La nota attivista e cantante americana, Malvina Reynolds, scrisse e cantò una canzone dal titolo emblematico: “DDT on my brain”.   Su un ritmo facilmente orecchiabile le parole di condanna: “They spray the wheat the chickens eat, It’s in my eggs, It’s in my meat” – (“Lo spruzzano sul grano che mangiano i polli.   E’ nelle mie uova, è nella mia carne”).
Durante gli anni cinquanta negli USA furono prodotte circa 100 000 tonnellate di DDT l’anno; quanto ne fu assunto dagli esseri umani?   Non lo sapremo mai.

Grafico che mostra l'aumento dei casi di malaria al diminuire dell'uso di DDT

Figura 2 – Grafico che mostra l’aumento dei casi di malaria al diminuire dell’uso di DDT

La storia del DDT non è però soltanto tragica.   In effetti il suo contributo è stato fondamentale nello sconfiggere la malaria in Italia, dov’era commercializzato come Flit, e in moltissimi paesi a clima temperato.   A titolo di esempio il grafico in figura mostra come, al diminuire del suo utilizzo (linea segmentata), i casi di malaria (rettangoli grigi) siano aumentati da 0 nel 1972 a più di 60 000 nel 1996 in Brasile, Colombia, Ecuador, Perù e Venezuela.   Un altro esempio è rappresentato dal Sud Africa che nel 1995 ha abbandonato il DDT a favore di una nuova classe di insetticidi più costosi.   Proprio a causa del prezzo elevato, il loro utilizzo è calato e i casi di malaria registrati sono passati da 5 000 nel 1995 a 120 000 nel 1999.   Nel 2001 il DDT è stato reintrodotto.
Sebbene sia in corso un acceso dibattito [1] sulla pericolosità di questo prodotto, resta evidente che al momento il DDT è, forse, il trattamento più efficace per il debellamento della malaria.
Il DDT ha lasciato eredi?   Certo e sono moltissimi, tra i quali citiamo l’Aldrin, l’Endrin e il Dieldrin, che hanno detenuto la palma di insetticidi più potenti prima dell’introduzione di un’altra classe di composti, i piretroidi.   Essi però sono ancora più tossici rispetto al loro capostipite.   Infatti è sufficiente circa 1 g [2] di Endrin per uccidere un uomo di 70 kg: meno di una buccia di una mela.   Per questa ragione l’utilizzo di questi pesticidi negli USA è severamente vietato, sebbene la produzione per l’esportazione sia ancora legale e praticata.
L’unico derivato del DDT che è ancora utilizzato e commercializzato è l’Endosulfan che ha il grande pregio, oltre che essere poco tossico, di essere metabolizzato rapidamente, quindi non permane nell’ambiente.
In generale però i cloroderivati, quei composti che, come il DDT, contengono atomi di cloro nella loro struttura, si sono rivelati una grande delusione: troppo tossici, anche per l’uomo.
Un’altra triste storia è rappresentata dagli organofosfati: altre speranze, altre delusioni…

 

GLI ORGANOFOSFATI: NON SOLO INSETTICIDI

Silenzioso, inodore, letale. Questo è il Sarin, il gas nervino che uccise 12 persone e ne intossicò più di 6 000 la mattina del 20 Marzo 1995 nella metropolitana di Tokyo.   Il composto, della famiglia degli organofosfati, come abbiamo visto impedisce la corretta trasmissione dell’impulso nervoso, bloccando i neurotrasmettitori acetilcolina sul sito attivo dell’enzima acetilcolinesterasi. Sfruttando nuovamente la metafora iniziale si impedisce che la vasca all’origine del corso d’acqua si svuoti, determinando nella realtà una continua sovra-stimolazione muscolare.   Tokyo non fu l’unico caso in cui un derivato degli insetticidi fu usato a scopi terroristici o comunque contro l’uomo.   Un altro esempio rappresentativo, che esula dalla categoria degli organofosfati, è l’Agent orange, una miscela di due molecole, ricche di atomi di cloro, che come struttura ricordano il DDT.   Un defoliante usato durante la guerra in Vietnam dalle truppe americane per disboscare il manto vegetale sotto il quale si nascondevano i Vietcong.   Durante queste missioni militari l’insetticida fu spruzzato anche contro i civili vietnamiti. Recenti stime calcolano che furono circa cinquanta milioni i litri irrorati sugli alberi del Vietnam e quasi cinque milioni gli indigeni e i soldati statunitensi che vennero a contatto con questo gas considerato cancerogeno e teratogeno [3].
Confronto tra Sarin (attivo), Malathion (inattivo) e Malaoxon (attivo)Tornando agli organofosfati, da una rapida analisi della struttura possiamo individuare la sorgente della pericolosità del composto: il legame doppio Fosforo (P) = Ossigeno (O). La struttura di questi prodotti assomiglia molto a quella dell’acetilcolina, la differenza sostanziale risiede proprio nel fatto che il neurotrasmettitore presenta un doppio legame Carbonio (C) =Ossigeno (O), facilmente idrolizzabile, cioè rompibile.   Al contrario, il legame P=O risulta particolarmente difficile da rompere con il risultato che l’enzima si blocca determinando la morte per collasso respiratorio.
Un’approfondita conoscenza dei meccanismi biologici tipici degli insetti, ha permesso di scoprire due insetticidi molto particolari: il Malathion e il Parathion (e simili).   Guardando la struttura di questi fitofarmaci ci possiamo domandare che fine abbia il legame incriminato: dov’è P=O?   Esso è stato sostituito da un legame Fosforo (P)=Zolfo (S): perdita di efficacia? Tutt’altro: guadagno in sicurezza per i mammiferi! In effetti gli insetti presentano un particolare enzima che è in grado di convertire il sistema P=S, innocuo, nel mortale P=O.   Un enzima totalmente assente nell’uomo.   Molti insetti sono però in grado di degradare il Malathion (che contiene P=S) prima che si trasformi in Malaoxon, l’effettivo agente tossico.   Questo avviene in animali sessualmente maturi, nei quali, probabilmente, l’attività dell’enzima incaricato nello smantellamento del composto è più efficace rispetto agli individui più giovani.   Sebbene questo insetticida non abbia un’attività pesticida molto elevata, possiede un campo d’azione molto vasto e presenta una limitata tossicità nei confronti dell’uomo che, non potendo convertire il legame P=S a P=O è salvo da ogni complicanza tipica dei composti di questa classe.   Nonostante tutto, è stato di recente scoperto che tale prodotto può provocare tumori, tant’è che è stato messo al bando dalla Comunità Europea [4] anche se negli Stati Uniti rimane il pesticida più comunemente usato [5].
Ad ogni modo è stimolante vedere come, modificando un semplice atomo (dall’ossigeno allo zolfo), possano cambiare così tanto le proprietà di una molecola.   L’approfondimento delle attività biochimiche dei parassiti sarà sicuramente una strada da seguire per la sintesi di analoghi del Malathion dalla tossicità estremamente selettiva.

 

L’ETERNA SFIDA CONTRO IL PUNTERUOLO ROSSO: QUANDO GLI INSETTICIDI FALLISCONO

Ha percorso più di 10 000 km in 38 anni, durante i quali ha mietuto centinaia di migliaia di vittime.   Lungo appena 5 cm è arrivato in Italia nel 2004 e ha già ucciso 40 000 alberi.   Nome in codice: punteruolo rosso.   Vittime preferite: le palme delle Canarie.

punteruolo rosso della palma

punteruolo rosso della palma

Il Rhynchophorus ferrugineus, originario dell’Asia meridionale, è comparso per la prima volta in Italia, in Toscana trasferendosi rapidamente in altre regioni come la Sicilia, la Campania, la Puglia e il Lazio.   L’insetto depone circa 300 uova all’interno della palma per garantire le migliori condizioni ambientali alle larve.   Una volta schiuse, le giovani larve si nutrono dei tessuti interni dell’albero indebolendolo, finché, dopo pochi mesi dall’invasione, la pianta muore.
Questo caso rappresenta un efficace esempio di come la strategia insetticida come quella discussa fino a ora non sia sempre la migliore, e ci permette di capire quali sono le nuove astuzie in campo biotecnologico per combattere le pesti.
Il progetto sviluppato dai ricercatori dell’ENEA prevede la cattura del maggior numero possibile di coleotteri attraverso un segnale chimico, un feromone di aggregazione.   Gli individui isolati sono poi sottoposti a radiazioni gamma per ottenerne la sterilizzazione, quindi vengono cosparsi del suddetto feromone e di un batterio sporigeno, il Bacillus thuringiensis, che determina la morte per paralisi dell’insetto [6] liberando tossine che interagiscono specificatamente con l’intestino del punteruolo.   Una volta liberati nell’ambiente “i coleotteri trasmetteranno l’infezione, determinando un impatto sulla popolazione ad ampio spettro”, spiega il Dott. Massimo Cristofaro, ricercatore Agri – ECO ENEA [7] che aggiunge: “Sarà una lotta lunga e che deve trovare dei sistemi che lavorando insieme determinino un trend negativo provocando una decrescita della popolazione dei punteruoli rossi fino a una completa eradicazione”.

Bacillus thuringiensis e suoi preparati commerciali

Bacillus thuringiensis e suoi preparati commerciali

Il successo o meno di questa strategia sarà determinante per lo sviluppo di nuove tecniche di lotta biotecnologica che si basano sull’impiego di organismi endomopatogeni, cioè selettivi verso una data specie, per debellarla. Tecniche che appaiono sicure sia per l’ambiente sia per l’uomo e che paiono surrogare efficacemente la lotta chimica convenzionale. Diversi sono però gli interrogativi: quali sono i possibili campi di applicazione? E’ economicamente vantaggioso?  E’ efficace?  Lo sapremo alla pubblicazione dei risultati ottenuti in Sicilia dove si sta seguendo questa strada.

 

CONCLUSIONE

La scarsità di informazioni e una minore sensibilità culturale legate all’impatto ambientale di numerosi composti chimici, tra i quali il DDT, ha determinato gravi problemi per la salute umana e non solo.   Con l’aumento delle conoscenze scientifiche e di una maggiore attenzione verso il Pianeta, si sono sviluppati nuovi fitofarmaci più selettivi e meno tossici per gli organismi viventi.   L’ultima frontiera è rappresentata dai derivati piretroidi: gli insetticidi maggiormente utilizzati al giorno d’oggi, estratti dal crisantemo (Chrysanthemum cinerariaefolium), il popolare fiore usato per commemorare i defunti.
Dalla scoperta del suo potere insetticida, gli estratti di questo fiore sono stati modificati chimicamente negli anni, fino ad arrivare [8] alla sintesi della Deltametrina, un insetticida molto potente e ad ampio spettro che può essere applicato alle coltivazioni con una concentrazione di appena 2,5-12,5 g per ettaro.   A questa straordinaria efficacia si affiancano l’assoluta sicurezza di questo composto per i mammiferi, l’impenetrabilità nei tessuti dei vegetali e l’economicità.
Non sappiamo se, nel futuro, sarà la lotta biotecnologica o gli insetticidi piretroidi a proteggere i raccolti dai parassiti, ma quello che è certo è che la ricerca in questo ambito diventerà cruciale: il mondo si potrebbe altrimenti sfamare in maniera “biologica”?   E si potrà davvero fare a meno di un aiuto “chimico”?

 

piretroidi naturali e di sintesi

piretroidi naturali e di sintesi

[1] C. Marla – “Should DDT Be Used to Combat Malaria?” – Scientific American – 2009
[2] www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg060.htm
[3] Rapporto HR 2634 IH del Congresso Americano del 25 Luglio 2011
[4] Il principio attivo è stato vietato mediante la decisione 2007/389/CE
[5] Bonner MR, Coble J. Blair A. “Malathion Exposure and the Incidence of Cancer in the Agricultural Health Study” (2007)
[6] Manachini B., Arizza V., Parrinello D., Parrinello N. – “Hemocytes of Rrynchophorus ferrugineus and their response to Saccharomyces cerevisiae and Bacillus thuringiensis” – Journal of Invertebrate Pathology – Vol. 106 #3 , Marzo 2011, pagg 360-365
[7] Da un servizio di Superquark andato in onda l’11/08/2011
[8] S-bioalletrina (1949), Tetrametrina (1964), Bioresmethrin (1966) e Fenvalerato (1973) tra i più importanti

 

BIBLIOGRAFIA

Bate, R., “Without DDT, malaria bites back”, http://www.spiked-online.com, 2001
Carson, R. (1963) Primavera silenziosa, Milano, Feltrinelli Editore
Marla, C. (2009), “Should DDT Be Used to Combat Malaria?”, Scientific American, 4 Maggio
Murakami H. (2003) , Underground. Racconto a più voci dell’attentato alla metropolitana di Tokyo, Torino, Einaudi

 

  

ERRATA CORRIGE (a cura dell’Autore)

I BERSAGLI DEGLI INSETTICIDI

 
Immaginiamo una serie di canali, uno in fila all’altro, costituiti da una vasca iniziale che prelude a un percorso intervallato da numerose dighe che si aprono e si chiudono in modo da lasciare defluire l’acqua.   All’origine di questi canali abbiamo una cascata (l’impulso nervoso) che, quando serve, riempie d’acqua la prima vasca che entra nel canale (assone) e, grazie alla presenza delle dighe (pompe sodio-potassio), lo attraversa fino alla fine.   Qui si trovano degli operai (acetilcolina), che, muniti di secchi prendono l’acqua e, dopo un breve tratto, la riversano nella vasca successiva (recettori colinergici).   Essendo quest’ultima in comunicazione con un nuovo canale, si svuota, garantendo così la continuità della trasmissione dell’impulso fino a destinazione.   Quello che abbiamo appena descritto, in modo molto semplificato, altro non è che la rappresentazione di un neurone dove l’impulso nervoso passa lungo l’assone grazie a una differenza di potenziale (una sorta di “dislivello” rappresentato dalle dighe) e viene trasmesso a un neurone successivo grazie a degli specifici neurotrasmettitori (l’acetilcolina).  Essi sono accolti da un recettore (la vasca dell’acqua dove gli operai svuotano i secchi) che permette all’impulso di raggiungere altri neuroni fino ad arrivare a destinazione, per esempio ai muscoli, causando una contrazione.   Al termine di questo processo l’acetilcolina si distacca dal recettore e viene captata da un enzima denominato acetilcolinesterasi.   Esso ha il compito di degradarla, in caso contrario l’acetilcolina continuerebbe a riattivare il recettore causando una sovra stimolazione muscolare.   Metaforicamente parlando, possiamo dire che l’enzima controlla il flusso degli operai tra una vasca e la successiva.
Gli insetticidi possono agire su due bersagli:
– sulle “dighe” (il DDT e gli insetticidi piretroidi) bloccandole o lasciandole aperte, determinando quindi o un’interruzione o un’eccessiva trasmissione dell’acqua che causerà siccità o alluvione.   Fuor di metafora l’azione sulle pompe sodio-potassio genererà paralisi o sovra-stimolazione muscolare;
– sul “flusso di operai ” (gli organofosfati), generando un apporto di acqua superiore alla norma.   L’effetto di questa azione sull’organismo sarà una contrazione permanente dei muscoli, quindi la morte per collasso.
In altre parole gli insetticidi possono cambiare la differenza di potenziale lungo l’assone, impedendo all’impulso di arrivare ai neurotrasmettitori, oppure possono occupare irreversibilmente l’acetilcolinesterasi, causando una costante risposta nervosa con conseguente collasso muscolare.   O si muore per carenza di cibo o di indigestione.
Vedremo nei prossimi paragrafi come sia difficile garantire un’elevata tossicità per gli insetti e una bassa pericolosità nei mammiferi.  Il DDT, a tal proposito, rappresenta un fallimento esemplare.
 

GLI ORGANOFOSFATI: NON SOLO INSETTICIDI

Silenzioso, inodore, letale.   Questo è il Sarin, il gas nervino che uccise 12 persone e ne intossicò più di 6 000 la mattina del 20 Marzo 1995 nella metropolitana di Tokyo.   Il composto, della famiglia degli organofosfati, come abbiamo visto impedisce la corretta trasmissione dell’impulso nervoso, sostituendosi irreversibilmente all’acetilcolina sul sito attivo dell’enzima acetilcolinesterasi.   Sfruttando nuovamente la metafora iniziale possiamo dire che si va a turbare il flusso di operai tra una vasca e l’altra provocando un maggior afflusso di acqua.   Questo si traduce in una continua sovra-stimolazione muscolare.

   

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