Gli enzimi coinvolti nel metabolismo dei fitofarmaci

Gli enzimi coinvolti nel metabolismo dei fitofarmaci

L'utilizzo di sostanze di sintesi chimica per la lotta contro gli agenti nocivi alle colture agricole ha rappresentato uno dei più potenti mezzi di affermazione dell'agricoltura moderna, praticata soprattutto nella seconda metà del '900, e che ha permesso il raggiungimento di ingenti rese produttive, tali da sostenere il trend progressivamente crescente della popolazione mondiale, in particolare nei paesi industrializzati che ne sono stati, ovviamente, i maggiori beneficiari. Con fitofarmaco (o antiparassitario, o fitosanitario), si definisce una categoria di sostanze a composizione chimica diversa. Tali composti inorganici, organici naturali e di sintesi, sono formulati commercialmente per combattere, prevenire e/o curare, attraverso svariati meccanismi di azione, le infezioni causate ai vegetali da organismi nocivi quali funghi, batteri, insetti, acari, nematodi, virus, ecc. nonché a contrastare o eliminare specie vegetali indesiderate (infestanti).

Il suolo è un sistema biologico in equilibrio precario, ed ogni disturbo dell'ambiente, può determinare modificazioni dell'attività della microflora, e di conseguenza della fertilità del terreno. Il crescente uso dei fitofarmaci, sebbene con l'intento di proteggere le colture, altera per azione diretta o indiretta questo equilibrio per tempi brevi, medi o lunghi, a seconda che il prodotto agisca rapidamente o persista per parecchio tempo nella sua forma iniziale (o nelle sue forme metaboliche). Una volta introdotta nell'ambiente, la molecola del fitofarmaco è sottoposta a processi di degradazione abiotica (quando entra a contatto con la luce solare) e/o biotica (dovuta all'azione dei microrganismi del suolo). La velocità della degradazione microbica dei pesticidi in pieno campo dipende in gran parte dall'interazione con le condizioni climatico ambientali.

I principali processi coinvolti nel metabolismo dei fitofarmaci sono:

v    Reazioni di ossidazione; sono tra i processi più importanti, ed avvengono in ambiente aerobico. I catalizzatori sono le monossigenasi, diossigenasi, laccasi e perossidasi; pertanto l'ossigeno è un reagente d'obbligo. I prodotti che si ottengono manifestano una maggiore polarità, di conseguenza riescono a rendersi solubili in acqua, e, in questo modo possono essere biodegradati e più facilmente immobilizzati covalentemente su sostanze umiche. Nei processi di idrossilazione, poi, ad opera di idrolisi, monossigenasi e ossigenasi miste, alla molecola del pesticida viene aggiunto un gruppo ossidrilico che rende il composto più polare. L'idrossilazione può avvenire sia sull'anello aromatico, che in compositi alifatici, in tutti i casi vi è comunque la necessità di O₂ e di NADH in modo da rendere le ossigenazioni capaci di aggredire il composto (molti fitofarmaci presentano uno o più anelli aromatici, pertanto il loro completo metabolismo è legato alla possibilità di rottura dell'anello; mentre alcuni microrganismi sono in grado di rompere l'anello del benzene, è stato visto che i pesticidi con anelli aromatici che presentano diversi sostituenti, sono molto più resistenti all'attacco microbico, in funzione del tipo di legame, dello specifico sostituente, della posizione dei sostituenti e del loro numero).

v    Reazioni di riduzione; sono quelle che maggiormente si riscontrano nei terreni asfittici (ad esempio nei suoli allagati, oppure ovunque vi siano ambienti anaerobici). A queste, tuttavia, sono correlati altri processi, tra i quali la saturazione dei doppi legami, o la riduzione ad alcool di gruppi aldeidici e/o chetonici.

v    Reazioni di idrolisi; queste, possono avvenire in assenza o in presenza di ossigeno, e durante il loro corso, il gruppo ossidrilico viene introdotto nella molecola del pesticida ad opera dell'acqua. Si tratta di reazioni che non richiedono la presenza di cofattori, pertanto, vengono catalizzate da enzimi intracellulari, oppure extracellularmente ad opera delle idrolisi escrete dagli organismi viventi nell'ambiente circostante.

v    Reazioni di sintesi; sono maggiormente rappresentate dalle reazioni di coniugazione in cui si verifica l'unione di più molecole; infatti, per mezzo delle fenolossidasi e delle perossidasi, i microrganismi del suolo sono in grado di operare reazioni di sintesi legando residui di fitofarmaci alla sostanza organica del suolo.

Poiché i microrganismi sono i maggiori responsabili dell'attività enzimatica del suolo, quest'ultima può essere distinta in diverse categorie, infatti:

le attività enzimatiche sono correlate a specifiche reazioni, e pertanto non possono riflettere lo stato nutriente totale di un suolo o di tutta l'attività metabolica dei microrganismi;

l'attività enzimatica del suolo, poi, in quanto dipendente anche dall'attività degli enzimi extracellulari immobilizzati sui colloidi, può non essere così sensibile ai fattori  ambientali come l'attività microbiologica;

l'applicazione dei fertilizzanti può incrementare la produzione così come l'attività microbiologica, ma essi possono diminuire le attività enzimatiche.

Nelle reazioni citate, vengono impiegati diversi tipi di enzimi: intracellulari, associati alle membrane cellulari, associati alla sostanza umica, secreti dalle cellule, legati alle cellule morte o a detriti cellulari. Occorre comunque considerare le complesse relazioni esistenti tra i fitofarmaci e la popolazione microbica, tra i fitofarmaci e gli enzimi, tra i fitofarmaci e i colloidi del suolo; perché i risultati non sono mai gli stessi! Infatti se un fitofarmaco inibisce l'attività di un enzima, questo effetto può perdurare fino a che la concentrazione del fitofarmaco è sufficientemente tale da permettere ancora una sua interazione con l'enzima.

L'attività microbiologica di un suolo può essere determinata nel suo complesso, con diverse metodologie, tra cui: la respirazione, i cambiamenti nel contenuto di acidi nucleici e calcolo della carica negativa, le attività enzimatiche specifiche. L'evoluzione della CO₂ e l'assorbimento di O₂, rappresentano solo alcune delle tecniche impiegate per la valutazione degli effetti dei pesticidi sull'attività metabolica globale della popolazione microbica. Il quantitativo di CO₂ sviluppata come respirazione basale della biomassa microbica, viene indicato, infatti, come quoziente metabolico, pur essendo un parametro variabile in funzione dello stato fisiologico e della composizione della biomassa stessa. Un incremento di questo quoziente, indica un effetto deprimente dei pesticidi sui microrganismi, i quali, sono costretti ad utilizzare una gran parte della loro energia per mantenersi agli stessi livelli, riducendo così l'attività di mineralizzazione.

Negli ultimi anni sono stati messi a punto nuovi metodi in grado di prevedere il comportamento di un pesticida nel suolo, ma anche il suo destino e la durata di persistenza. Il primo tentativo fatto da questi ricercatori è stato quello di simulare in laboratorio alcune condizioni che possono verificarsi nel microambiente legato ai microrganismi, mediante variazioni delle condizioni di temperatura e di umidità.