La porzione organica del materiale particolato atmosferico è costituita da un’infinità di sostanze e può rappresentare dal 20 al 70% del materiale particolato totale (J.H. Seinfeld and J.F. Pankow, 2003). Di esso si stima che una frazione pari a ca. il 20 % sia di origine biologica; essa è costituita da particelle aereodisperse viventi, trasportatrici di organismi viventi o rilasciate da essi come: funghi, batteri, virus, pollini, detriti cellulari e biofilm (Jones and Harrison, 2004). La sua abbondanza nell’aria ambiente dipende dal sito preso in esame, dall’estensione della vegetazione e dalle attività umane presenti. Alcuni studi hanno inoltre riportato la capacità di batteri e funghi aerodispersi di essere trasportati per lunghe distanze, rendendo in alcuni casi complicata l’identificazione delle sorgenti di emissione (Mandrioli, 1998). La frazione di particolato di origine biologica, oltre a dare un contributo alla tossicità dell'aerosol e ad influenzare il clima, causa aumenti di concentrazione del materiale particolato atmosferico totale frequentemente registrati nel nostro Paese. Le condizioni meteo-climatiche tipicamente osservate in Italia possono infatti favorire l’occorrenza di contributi rilevanti di bioaerosol primario al PM.
Lo studio della composizione della componente biologica del materiale particolato, per quanto riguarda la frazione fungina e batterica è stata affrontato già dai primi anni ‘70 tramite l’utilizzo di biomarkers, cioè composti chimici da correlare alla presenza di specie batteriche e fungine.Occorre sottolineare che al momento nessuno di essi considerato singolarmente può considerarsi pienamente affidabile. Solo la determinazione simultanea di diversi biomarkers in campagne di monitoraggio intensive potrebbe dare un’ affidabile valutazione della componente batterica e fungina presente nel materiale particolato atmosferico, permettendo lo studio delle condizioni ambientali che influenzano le concentrazioni dei singoli contributi. Le metodiche analitiche finora proposte riguardano infatti la determinazione dei singoli biomarkers e, a causa di tempi e costi analitici particolarmente elevati e delle ridottissime quantità di campione disponibili, non risultano applicabili a campagne di monitoraggio. Un altro gruppo di sostanze di interesse è quello dei fosfolipidi, componenti strutturali e funzionali delle membrane cellulari in tutti i sistemi biologici. I fosfolipidi sono stati ampiamente studiati ed utilizzati fin dagli anni ‘80 come traccianti delle biomasse nella caratterizzazione di suoli, sedimenti e acque naturali, mentre un solo lavoro (Womiloju, 2003) ad oggi è riportato per la determinazione dei fosfolipidi mediante HPLC-ESI-MS come traccianti delle componente biogenica del PM, pertanto il loro utilizzo come traccianti necessita di ulteriori approfondimenti.
E' inoltre noto che diverse specie fungine producono metaboliti tossici quali le micotossine, divenute oggetto di numerose ricerche scientifiche. Si è di recente rilevata la loro presenza in atmosfere indoor e outdoor (Hintikka et al., 2009;). Dal punto di vista analitico, sono stati messi a punto metodi di estrazione, purificazione ed analisi (Cavaliere et al., 2005; Jin et al., 2010; Kokkonen et al., 2009) delle micotossine in cibo e mangime animale, ma a nostra conoscenza, non sono presenti studi nei quali si affronta il problema della loro determinazione analitica nel particolato atmosferico.
Un’ulteriore classe di composti che sta ricevendo una crescente attenzione è costituita dalle sostanze organiche azotate. Tra queste, le proteine causano allergie e possono rimanere in sospensione e persistere nell’ambiente per diversi giorni (Rosas et al., 1995; Ormstad, 2000,). Anche in questo caso la bassa concentrazione e la simultanea presenza di diverse proteine, rende difficile il lavoro analitico di speciazione e quantificazione. Studi recenti hanno inoltre dimostrato che in ambiente ossidante le proteine presenti in atmosfera subiscono nitrazioni e il rapporto tra le proteine e i loro omologhi nitrati può essere considerato un indice del potere ossidante dell’atmosfera. Inoltre alle proteine nitrate è anche attribuito un potere allergenico superiore (Franze, 2005).
Inoltre, allo stato attuale, ci sono rarissimi studi finalizzati alla caratterizzazione simultanea delle particelle non-biologiche e biologiche nello stesso ambiente. Risulta quindi di grande interesse mettere a punto nuove metodiche integrate che consentano di affiancare la determinazione della componente biogenica primaria dell'aerosol atmosferico alle tecniche convenzionali di caratterizzazione chimica del PM. La valutazione integrata della massa del PM atmosferico e delle sue componenti principali come massa complessiva e come singole frazioni dimensionali costituisce quindi un importante punto di arrivo sia per la valutazione della forza relativa delle singole sorgenti sia per studiare in maniera più corretta il legame fra particolato atmosferico ed effetti sulla salute e sull'ecosistema.

C. Cavaliere, G. D’Ascenzo, P. Foglia, E. Pastorini, R. Samperi, A. Laganà. 2005. Determination of type B trichothecenes and macrocyclic lactone mycotoxins in field contaminated maize Food Chemistry 92, 559–568.

T. Franze, M.G. Weller, R. Niessner, U. Pöschl. 2005. Protein Nitration by Polluted Air. Environ. Sci. Technol., 39, 1673-1678

E.-L. Hintikka, R. Holopainen, A. Asola, M. Jestoi, M. Peitzsch, S. Kalso, L. Larsson, K. Reijula and T. Tuomi 2009. Mycotoxins in the ventilation systems of four schools in Finland World Mycotoxin Journal, 2 (4): 369-379.

P.G. Jin, Z. Han, Z.X. Cai, Y.J. Wu and Y.P. Ren 2010. Simultaneous determination of 10 mycotoxins in grain by ultra-high-performance liquid chromatography–tandem mass spectrometry using 13C15-deoxynivalenol as internal standard Food Additives and Contaminants, 27, 12, 1701–1713

A.M. Jones, R.M. Harrison 2004. The effects of meteorological factors on atmospheric bioaerosol concentrations - a review. Science of The Total Environment, 326, 1-3, , 151-180

Meri K. Kokkonen & Marika N. Jestoi 2009. A Multi-compound LC-MS/MS Method for the Screening of Mycotoxins in Grains Food Anal. Methods, 2:128–140

P. Mandrioli Aerobiologla Review Basic aerobiology 14 (1998) 89 94

Heidi Ormstad 2000. Suspended particulate matter in indoor air: adjuvants and allergen carriers Toxicology 152 53–68

I. Rosas, A. Yela, E. Salinas, R. Arreguin, A. Rodriguez-Romero 1995 Preliminary assessment of protein associated with airborne particles in Mexico City Aerobiologia 11, 2, 81-86

J.H. Seinfeld and J.F. Pankow, 2003 Organic Atmospheric Particulate Material Annu. Rev. Phys. Chem. 2003. 54:121–40

Womiloju, T.O., Miller, J.D., Mayer, P.M., Brook, J.R., 2003. Atmos. Environ. 37, 4335-4344

L'obiettivo principale di questo progetto di ricerca è l'approfondimento della conoscenza della composizione e natura della componente biogenica del materiale particolato atmosferico (PM), che rappresenta circa il 20 % della porzione organica.
A tale scopo saranno effettuate campagne di campionamento di PM sia in ambienti outdoor che indoor. La scelta dei luoghi di campionamento sarà effettuata allo scopo di creare una mappatura dei diversi ambienti di vita. Saranno prese in considerazione zone indoor particolarmente umide e zone outdoor di tipo urbano e semirurale. I campionamenti saranno effettuati con campionatori ad alto, medio e basso volume. In uno dei siti urbani sarà effettuato il campionamento delle polveri PM10 suddivise in tredici frazioni granulometriche compresa quella ultrafine.
Successivamente si procederà all'estrazione ed alla purificazione, sullo stesso campione di particolato, del maggior numero possibile di classi di analiti di interesse allo scopo di identificare e quantizzare le sostanze organiche biogeniche.
L’analisi dei traccianti specifici potrà essere impiegata per identificare la presenza delle singole componenti del bioaerosol e per valutare il loro effetto sulla salute, mentre l’analisi di traccianti aspecifici verrà utilizzata per ottenere una stima del contributo di massa complessivo del bioaerosol al particolato atmosferico.
Lo studio riguarderà lo sviluppo e la validazione di opportune metodiche analitiche atte al nostro scopo. In quest'ambito, le attività di tutti i laboratori saranno volte all'analisi di un numero quanto più possibile elevato di diversi traccianti nello stesso campione, minimizzando così i costi ed i tempi analitici. Ciò permetterà anche di ridurre il numero di campionamenti. Poichè la caratterizzazione chimica completa prevede l'analisi di specie idrofiliche ed idrofobiche e di natura chimico fisica diversa, il primo obiettivo sarà quello di ottimizzare una procedura estrattiva sequenziale e/o contemporanea, in grado di estrarre tutte le componenti di interesse da un unico campione solido.

i) studio di traccianti specifici e di sostanze allergeniche (Dott.ssa Francesca Buiarelli e Prof.ssa Renata Jasionowska - Dipartimento di Chimica)
Particolare interesse sarà rivolto alla presenza di specie e sostanze allergeniche e tossiche per la salute umana presenti nel PM quali: batteri, funghi e loro metaboliti, aminoacidi, peptidi e proteine. Tutte le metodiche presenti in letteratura dovranno essere riottimizzate tenendo conto della particolare matrice nella quale si vogliono individuare tali composti e delle bassissime concentrazioni aspettate.
A seguito di risultati particolarmente incoraggianti, già ottenuti nello studio della presenza di funghi tramite l'utilizzo di markers chimici, l'indagine sarà estesa ai batteri. In questo caso i markers chimici presi in considerazione saranno gli acidi muramico e dipicolinico. A tale scopo sarà individuata una metodica analitica adatta alla completa estrazione dell’acido muramico dalla membrana dei batteri e del dipicolinico dalle spore batteriche.
Inoltre sarà messa a punto l’analisi di tali acidi contemporaneamente ad altri composti organici di interesse. Nel presente progetto è anche prevista la determinazione delle micotossine, metaboliti tossici dei funghi, presenti nel PM atmosferico indoor e outdoor. Si procederà prima di tutto alla scelta delle micotossine rappresentative di funghi presenti negli ambienti di vita, nonché agricoli ed industriali e saranno ottimizzati i metodi di estrazione, purificazione e analisi.
Sarà infine affrontato lo studio di aminoacidi,peptidi e proteine anch’essi presenti nel PM atmosferico. Per quanto riguarda le proteine, le metodiche di analisi già pubblicate riguardano essenzialmente campioni alimentari o campioni biologici. L’analisi di esse prevedrà quindi lo studio del più appropriato metodo di estrazione e purificazione dal materiale particolato campionato. L'estratto verrà in un primo tempo analizzato per il contenuto proteico totale a scopo esplorativo per mezzo del Pierce BCA Protein Assay Kit. In caso di esito positivo i campioni verranno analizzati con metodi più specifici.
Per tutte queste classi di composti le tecniche di elezione sono le
tecniche cromatografiche ifenate, tra cui l’HPLC-MS-MS, il GC-MS, e l’elettroforesi capillare. Quest’ultima, grazie alla sua elevata efficienza e versatilità, permette la separazione, in tempi brevi e con ridotto consumo di reattivi, di molecole di varia natura, sia cariche che neutre. Le menzionate tecniche consentono di analizzare con successo non solo analiti di piccole dimensioni, ma anche macromolecole quali proteine, peptidi.

ii) studio di traccianti aspecifici (Prof.ssa Anna Maria Girelli, Prof.ssa Antonella Messina, Dott.ssa Silvia Canepari - Dipartimento di Chimica)

Tenendo in considerazione che tutta la materia vivente presenta un’elevata quantità di azoto e fosforo organico (acidi nucleici, fosfolipidi, monoesteri fosforici, proteine) essi potrebbero rappresentare un parametro indicatore dell’inquinamento atmosferico da bioareosol.
La determinazione del contenuto totale di azoto e fosforo organico è già considerata particolarmente affidabile per la determinazione complessiva delle biomasse in matrici ambientali, quali suoli e sedimenti.
L’attività di questo gruppo sarà quindi incentrata all’ottimizzazione dei parametri operativi per adattare i metodi esistenti ai campioni di particolato atmosferico, nei quali le quantità disponibili di campione sono centinaia di volte inferiori a quelle delle altre matrici ambientali. Inoltre, nel PM sono presenti concentrazioni molto elevate di sali inorganici, che imporranno l’ottimizzazione di estrazioni selettive, non necessarie per suoli e sedimenti.
Per quanto riguarda la determinazione del fosforo, è possibile estrarre selettivamente il P organico utilizzando solventi non acquosi. La necessaria trasformazione del P in orto-fosfato può essere realizzata con un attacco ossidante per i composti organici e per quelli aventi numero di ossidazione inferiore a 5 e con l’idrolisi acida per i polifosfati. A tal fine l’intento della ricerca è di ottimizzare i parametri influenzanti l' estrazione dei componenti fosforici quali per es. i fosfolipidi dal particolato e le condizioni della digestione acida (es. natura del sistema ossidativo: HNO3 o acqua ossigenata…) Per il dosaggio dell’ortofosfato prodotto, si intende utilizzare il metodo spettrofotometrico al blu di molibdeno, usando l’acido ascorbico come riducente.
Per quanto riguarda l’analisi dell’azoto organico, è necessario considerare che sono presenti sia specie solubili sia specie insolubili in acqua. Non si ritiene quindi in questo caso possibile l’ottimizzazione di un’estrazione selettiva della frazione organica totale. Sarà quindi messo a punto un metodo che prevede la determinazione differenziata dei composti azotati in funzione della loro solubilità in acqua. Per quanto riguarda la frazione idrosolubile, sarà necessario migliorare il sistema di separazione tra la frazione organica e quella inorganica, quest'ultima presente nel PM a concentrazioni molto elevate.