Biosensori innovativi per il rilevamento di erbicidi e distruttori endocrini e la promozione dell'agricoltura biologica

Millions of tons of pesticides are applied annually in agriculture. As a consequence of their massive use, just a little amount reaches the target, whereas the rest can contaminate soils, surface and ground waters with severe toxic effects on humans. Many of these compounds, such as triazinic and ureic herbicides, are endocrine disruptors (EDCs) and act selectively on the reproductive system of animals and humans with consequences often irreversible. Product quality monitoring is therefore extremely important, both in conventional agricultural practices and organic farming. The Drinking Water Directive 98/83/EC, along with the EC Regulation 396/2005 have defined a fully harmonized set of rules for the control of pesticide residues in water and in products of plant/animal origin, respectively. The Maximum Residue Levels (MRLs) accepted by the EU are always very low (for water MRLs are 0.1 ?g/l for individual pesticides and 0.5 ?g/l for total pesticides). Satisfying such stringent regulations means that highly sensitive analytical techniques are needed but, most of them, are expensive and time consuming, especially in the case of routine analyses. For this reason, on the basis of results collected over many years of experience in the field of photosynthetic organisms, our research group, in collaboration with Biosensor Company, designed a set of biosensors, based on photosynthetic organisms, and intended for the easy, low cost and fast pre-screening of photosynthetic herbicides and EDCs. Biosensors are portable and easy-to-use analytical devices, exploiting the selectivity of certain biological elements towards specific pollutants, to convert the biochemical response coming from the interaction bioelement-pollutant, in an electrical signal proportional to the analyte concentration. The transduction systems used in the biosensor field for the conversion of the biochemical signal into an electrical one, are various, and the choice presupposes the full knowledge of the phenomena resulting in the biochemical signal. The developed biosensors (see Fig.1) combine the potentialities of amperometric and optical transduction systems, and are based on the reaction chain which starts in photosynthetic organisms after light stimulation. These reactions, known as Photosynthesis, are fully or partially inhibited by herbicides and this inhibition can be rightly seen by amperometry or fluorescence. The biosensors here presented have proven to be highly sensitive (limits of detection: 10-10-10-9M, respectively). They exploit the in vivo ability of the unicellular algae Chlamydomonas reinhardtii of recognizing and binding photosynthetic herbicides, giving a prompt response in terms of current decrease or light-induced fluorescence increase, depending on the method applied (Fig.2). The great power of the realized devices is that, using genetically modified algae strains with specific selectivity toward certain herbicides, they can be applied for qualitative analysis, besides quantitative ones, so allowing a full quality control of the products of agricultural origin.

Migliaia di tonnellate di pesticidi vengono applicate nel mondo ogni anno nella pratica agricola convenzionale. A seguito di questo massiccio impiego, solo una piccola porzione raggiunge il bersaglio, mentre il resto può contaminare il suolo e quindi le acque di superficie e di falda, producendo gravi effetti tossici nell'uomo. Molti di questi composti, come gli erbicidi triazinici ed ureici, sono di fatto interferenti endocrini (EDC) ed agiscono selettivamente sul sistema riproduttivo degli animali e dell'uomo, con conseguenze spesso irreversibili. Il monitoraggio della qualità dei prodotti è quindi, di estrema rilevanza non solo nell'agricoltura convenzionale, ma anche nel controllo e certificazione dei prodotti dell'agricoltura biologica. La direttiva 98/83/CE e la Normativa 396/2005 hanno consentito la definizione di un chiaro quadro regolamentare per il controllo di residui di pesticidi, rispettivamente, nell'acqua destinata al consumo umano e nei prodotti alimentari di origine animale e vegetale. I livelli di residuo massimo (MRL) accettati dalla UE sono sempre estremamente bassi (per l'acqua, gli MRL sono pari a 0.1 ?g/l per i pesticidi singoli, e di 0.5 ?g/l per i pesticidi totali). Soddisfare normative così stringenti significa disporre di tecniche analitiche altamente sensibili, che però generalmente, oltre ad essere molto costose, richiedono lunghi tempi di analisi, soprattutto nel caso di analisi di routine. Per questa ragione, sulla base dei dati accumulati in molti anni di esperienza nel campo degli organismi fotosintetici, il nostro gruppo di ricerca, in collaborazione con Bionsensor srl, ha progettato un set di biosensori, basati appunto sull'uso di organismi fotosintetici, in grado di operare un pre-screening facile, rapido ed economico di campioni contenenti erbicidi. I biosensori sono dispositivi analitici portatili e di semplice uso, che sfruttano la specificità di riconoscimento di alcuni elementi biologici nei confronti di taluni inquinanti, per convertire la risposta biochimica proveniente dall'interazione elemento biologico-inquinante, in un segnale elettrico proporzionale alla concentrazione dell'analita. I sistemi di trasduzione impiegati in ambito biosensoristico, per la conversione del segnale biochimico in segnale elettrico, sono numerosi e la scelta dell'uno rispetto all'altro (sempre fatta a priori), presuppone l'esatta conoscenza dei fenomeni dai quali il segnale biochimico ha origine. I biosensori da noi sviluppati (vedi Fig.1) combinano le potenzialità dei sistemi di trasduzione amperometrico ed ottico, e si basano sulla catena di reazioni che si innescano, negli organismi fotosintetici, a seguito di uno stimolo luminoso. Tali reazioni, note nel complesso come Fotosintesi, sono del tutto o in parte inibite dalla presenza di erbicidi e ciò può appunto essere evidenziato sia per via amperometrica, che per via ottica. I biosensori qui presentati hanno mostrato elevata sensibilità a diverse classi di erbicidi, con valori di detection limits pari a 10-10 (metodo amperometrico) e 10-9M (metodo ottico). Tali biosensori sfruttano la capacità in vivo dell'alga unicellulare Chlamydomonas reinhardtii di riconoscere e legare gli erbicidi fotosintetici dando, a seconda del metodo impiegato, un'immediata risposta in termini di riduzione di corrente o aumento della fluorescenza luce-indotta (Fig.2). La grande potenzialità dei biosensori realizzati, consiste nel fatto che l'impiego di ceppi mutati di C.reinhardtii dotati di selettività nei confronti di specifici erbicidi, rende possibile l'impiego di tali biosensori per analisi di tipo qualitativo, oltre che quantitativo, assicurando un completo controllo della qualità dei prodotti derivanti dalle pratiche agricole.