Biological and toxicological effects of contaminated sediments on marine organisms: from risk assessment to management options

Quality assessments are crucial to all activities related to removal and management of sediments. Following a multidisciplinary, weight-of-evidence approach, a new model is presented here for comprehensive assessment of hazards associated to polluted sediments. The lines of evidence (LOEs) considered were sediment chemistry, assessment of bioavailability, sublethal effects on biomarkers, and ecotoxicological bioassays. Logical flow charts were developed within individual modules, with each summarizing the data into four specific synthetic indices, prior to overall hazard evaluation. This model was validated in two case of studies. The first involved the use of European eels (Anguilla anguilla) as bioindicator species, exposed under laboratory conditions to sediments from an industrial site, and caged under field conditions in two harbour areas. The concentrations of aliphatic hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons and trace metals varied greatly between the industrial and harbour sediments. Significant bioaccumulation of chemicals in eel tissues was shown, along with biomarker responses and ecotoxicological effects, with marked differences between conditions seen. Based on comparisons with expert judgment, the presented model efficiently discriminates between the various conditions, both as individual modules and as an integrated final evaluation, and it appears to be a powerful tool to support more complex processes of environmental risk assessment. The second case study concerned the analysis of 5 typologies of sediments collected from Venice lagoon. The results obtained by use single LOEs and from the integrated approach (WOE) were compared whit the classification based on the Protocol of Venice (8 april. 1993) and others Sediment Quality Guideline national (SQGs). The integrative WOE approach greatly increases the scientific value of the investigation and, compared to a pass-fail normative approach provided a greater ability to discriminate between types of sediments based on the hazard to transfer contaminants to the biota and to induce (eco-)toxicological responses in organisms. The possibility of the model to synthesize complex data into simple indices with relative ease of use will contribute to the dissemination of scientific approaches for the assessment of sediment quality that are more rigorous and ecologically representative, and on which to base the choice of the most appropriate management solutions.

Lo studio della qualità dei sedimenti rappresenta un aspetto cruciale in particolar modo per tutte quelle attività di movimentazione che prevedono il dragaggio di matrici sedimentarie e l’individuazione di opportune soluzioni di gestione. Il presente lavoro è incentrato sullo sviluppo di un modello per la valutazione integrata del pericolo associato ai sedimenti contaminati. Il modello è basato su un approccio multidisciplinare di tipo Weight Of Evidence ed ha previsto lo studio di 4 differenti Linee di Evidenza (LOEs): analisi chimiche, misure di biodisponibilità, valutazione degli effetti sub-letali attraverso l’utilizzo di biomarkers e saggi biologici; al fine di ottenere una valutazione dei sedimenti multidisciplinare ed integrata. Ciascun modulo è in grado di esprimere il pericolo associato alla presenza di contaminanti nel sedimento mediante indici sintetici di pericolo. L’impiego di un quinto modulo integrativo basato su un approccio WOE consente di ottenere un indice di pericolo integrato. Il modello è stato validato attraverso la sua applicazione in due casi studio. Il primo caso studio ha previsto l’impiego dell’Anguilla Europea (Anguilla anguilla) come specie bioindicatrice, esposta sia in condizioni di laboratorio a sedimenti fortemente inquinati provenienti da un sito industriale, sia in campo, mediante esperimenti di traslocazione in due aree portuali moderatamente contaminate. La concentrazione di idrocarburi alifatici, idrocarburi policiclici aromatici e di metalli in traccia differiva notevolmente tra le varie diverse tipologie di sedimento. Tali differenze sono state confermate dai risultati delle analisi ecotossicologiche (bioaccumulo, biomarker e saggi biologici), che hanno evidenziato notevoli differenze anche in termini di effetti tossici misurati. Sulla base del confronto tra una valutazione dei dati effettuata mediante l’applicazione del modello e quella effettuata sulla base del solo giudizio esperto, è emerso come il modello sia stato in grado di discriminare in modo efficace le differenze esistenti tra le tipologie di sedimenti, sia mediante l’utilizzo dei singoli moduli sia in fase finale di elaborazione del giudizio integrato. Esso pertanto può essere considerato un utile strumento a supporto di indagini di maggior complessità volte alla definizione del rischio ecologico di ambienti marini. Il secondo caso studio ha riguardato l’analisi di 5 tipologie di sedimento provenienti dalla laguna di Venezia. I risultati ottenuti per mezzo dell’utilizzo dei singoli moduli e attraverso l’integrazione di questi (modulo WOE), sono stati confrontati con lo schema di classificazione dei sedimenti adottato dal Protocollo di Venezia del 93’ (colonna A,B,C e oltre C), e con altre Sediment Quality Guideline (SQGs) adottate a livello nazionale ed internazionale. L’utilizzo dell’approccio integrato proposto, permettendo di considerare anche gli effetti tossici dei sedimenti misurati per mezzo di analisi ecotossicolgiche, ha incrementato il valore scientifico dello studio. Al contrario la classificazione adottata dal protocollo di Venezia, basata esclusivamente sul confronto delle concentrazioni chimiche dei sedimenti con limiti di riferimento, non ha permesso di discriminare in modo approfondito le differenze esistenti tra le 5 tipologie di sedimento. Il modello consente di esprimere in modo sintetico dati complessi, attraverso l’utilizzo di indici di pericolo integrati. L’impiego di approcci multidisciplinari integrati, maggiormente rigorosi e più rappresentativi dal punto di vista ecologico, risulta di fondamentale importanza nella valutazione della qualità dei sedimenti, fornendo inoltre un utile supporto nella scelta di opportune soluzioni di gestione.