Dottorato in SCIENZE DELLA TERRA

Titolo della tesi: Dissolution in simulated lung fluids and surface reactivity of mineral fibres of environmental and health interest

La tossicità delle fibre minerali deriva da un processo complesso e multistadio, controllato dall’interazione tra le caratteristiche fisiche, chimiche e strutturali delle fibre, tra cui morfologia, composizione chimica, reattività superficiale e biodurabilità. A causa di questa complessità, i meccanismi molecolari alla base della tossicità e della cancerogenicità delle fibre non sono ancora pienamente compresi e restano oggetto di dibattito. Questa tesi affronta tale problematica attraverso un approccio multi-analitico integrato di tipo mineralogico e geochimico. L’obiettivo è fornire una comprensione più approfondita di come le caratteristiche cristallochimiche, strutturali e morfologiche delle fibre minerali controllino i meccanismi di alterazione in soluzioni che simulano fluidi fisiologici, e in che modo tali alterazioni possano influenzare la loro reattività chimica superficiale (reazioni di Fenton). Oltre ai campioni di amianto (crocidolite, tremolite e crisotilo), particolare attenzione è stata dedicata all’antigorite fibrosa, la cui potenziale patogenicità è ancora poco definita, nonostante la vasta diffusione e rilevanza ambientale. L’ultima parte del lavoro riguarda la caratterizzazione mineralogica di ABs presenti in tessuto polmonare di ex lavoratori esposti ad amianto, tramite tecniche a sorgente di luce di sincrotrone, con l’obiettivo di chiarire i loro meccanismi di formazione e il possibile ruolo nella tossicità dell’amianto. I risultati sperimentali principali sono sintetizzati di seguito. Il comportamento di dissoluzione e le modificazioni superficiali dei minerali fibrosi sono stati studiati mediante esperimenti in batch in due fluidi fisiologici simulati: artificial lysosomal fluid (ALF, pH 4.5), rappresentativo dell’ambiente acido dei lisosomi nei macrofagi, e Gamble’s solution (GS, pH quasi neutro), rappresentativa del fluido interstiziale del polmone profondo. Per valutare in modo più accurato la biodurabilità dell’antigorite rispetto ai campioni di amianto, sono stati condotti anche test in condizioni di flusso continuo. Il rilascio di elementi in soluzione è stato quantificato tramite ICP-OES, mentre le eventuali modificazioni di morfologia, struttura e chimica superficiale (inclusa la speciazione del Fe) sono state esaminate con FE-SEM, XRPD e XPS. Gli esperimenti in ALF e GS hanno mostrato che tutti i campioni si dissolvono in modo incongruente in entrambe le soluzioni, con rilascio preferenziale dei cationi localizzati nei siti ottaedrici delle strutture degli anfiboli e dei serpentini. Tuttavia, in ambiente acido gli anfiboli hanno mostrato una biodurabilità nettamente superiore rispetto ai serpentini, riflettendo le loro differenti strutture cristalline. Per quanto riguarda i serpentini fibrosi, antigorite e crisotilo hanno evidenziato tassi di dissoluzione simili. Nonostante ciò, l’antigorite è destinata a persistere più a lungo in vivo rispetto al crisotilo, una volta tenuto conto della sua area superficiale inferiore. È interessante notare che il tasso di dissoluzione del crisotilo a pH quasi neutro risulta inaspettatamente paragonabile a quello della crocidolite, suggerendo che il crisotilo può essere eliminato in modo efficiente dal polmone solo se inglobato all’interno dei fagolisosomi acidi. La modulazione della reattività superficiale (reazioni di Fenton) a seguito dell’incubazione nei fluidi fisiologici simulati è stata valutata monitorando la generazione di radicali •OH tramite spettroscopia EPR. I risultati ottenuti hanno mostrato che, nonostante le alterazioni superficiali, la capacità dei campioni di catalizzare la produzione di •OH non viene mai soppressa e rimane sostenuta nel tempo. Ciò vale anche per il crisotilo, che in ambiente acido va incontro a marcata alterazione e amorfizzazione, indicando che il minerale può esercitare, analogamente agli anfiboli, un’azione dannosa cronica fino alla completa disgregazione da parte dei macrofagi. Inoltre, i risultati evidenziano il ruolo cruciale del ringiovanimento superficiale guidato dalla dissoluzione nel potenziare la reattività Fenton della crocidolite UICC. L’antigorite ha mostrato una resa radicalica paragonabile a quella dei campioni di amianto. Di conseguenza, i siti NOA contenenti vene di antigorite fibrosa devono essere considerati potenziali sorgenti di fibre tossiche nell’ambito delle valutazioni di rischio. La caratterizzazione mineralogica degli ABs è stata condotta tramite fluorescenza di raggi X e spettroscopia di assorbimento di raggi X alla soglia K del ferro. Le analisi hanno mostrato che gli ABs sono costituiti principalmente da ferriidrite e goethite in proporzioni variabili. La goethite rappresenta probabilmente il principale prodotto cristallino della trasformazione della ferriidrite in condizioni acide generate dai ripetuti tentativi di fagocitosi. La ferriidrite, sebbene metastabile, può persistere per decenni nel tessuto polmonare, probabilmente grazie alla sua capacità di legare silicati e incorporare elementi esogeni che ne stabilizzano la struttura. È rilevante osservare che la goethite è tra gli ossidi di ferro più citotossici e genotossici, e la sua presenza nel rivestimento degli ABs suggerisce un possibile contributo al mantenimento dello stress ossidativo e alle patologie asbesto-correlate. I risultati di questo lavoro rappresentano un contributo significativo per futuri studi volti a chiarire i meccanismi alla base della tossicità a lungo termine delle fibre minerali.