Elementi della Tavola Periodica. Cromo, Cr. 2

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Applicazioni

Metallurgia

Il forte aumento della resistenza alla corrosione ha reso il cromo un importante materiale per l’acciaio. Gli acciai per utensili contengono tra il 3 e il 5% di cromo.

Figura 7. Set di posate in acciaio al cromo

L’acciaio inossidabile, la lega metallica resistente alla corrosione primaria, si forma quando il cromo è introdotto nel ferro in concentrazioni sufficienti, di solito superiore all’11%. Per la formazione dell’acciaio inossidabile, il ferrocromo è aggiunto al ferro fuso. Inoltre, le leghe a base di nichel aumentano di resistenza a causa della formazione di particelle di metallo duro stabili ai bordi della lega. Ad esempio, Inconel 718 contiene il 18,6% di cromo. A causa delle eccellenti proprietà ad alta temperatura di queste superleghe al nichel-cromo, sono utilizzate nei motori a reazione e nelle turbine a gas al posto dei comuni materiali strutturali.

La relativa elevata durezza e resistenza alla corrosione del cromo non legato lo rende un metallo affidabile per il rivestimento superficiale; è ancora il metallo più popolare per il rivestimento in lamiera con una durata superiore alla media rispetto ad altri metalli di rivestimento. Uno strato di cromo viene depositato su superfici metalliche pretrattate mediante tecniche galvaniche. Esistono due metodi di deposizione: sottile e spesso. La deposizione sottile comporta uno strato di cromo inferiore a 1 µm di spessore depositato dalla cromatura e viene utilizzata per superfici decorative. Gli strati di cromo più spessi vengono depositati se sono necessarie superfici resistenti all’usura. Entrambi i metodi utilizzano soluzioni di cromato acido o dicromato. Tuttavia, a causa delle normative ambientali e sanitarie sui cromati (cromo esavalente), sono in fase di sviluppo metodi di rivestimento alternativi. L’elevata tossicità dei composti di Cr(VI), utilizzati nel processo di galvanoplastica e il rafforzamento delle norme di sicurezza e ambientali richiedono la ricerca di sostituti del cromo o almeno una modifica che utilizzi composti di cromo (III) meno tossici.

Pigmenti

Il minerale crocoite è stato utilizzato come pigmento giallo poco dopo la sua scoperta. Dopo che un metodo di sintesi divenne disponibile a partire dalla più abbondante cromite, il giallo cromo era, insieme al giallo cadmio, uno dei pigmenti gialli più usati. Il pigmento non fotodegrada, ma tende a scurirsi a causa della formazione di ossido di cromo (III). Ha un colore deciso ed è stato utilizzato per gli scuolabus negli Stati Uniti e per il servizio postale (ad esempio Deutsche Post) in Europa. Da allora l’uso del giallo cromo è diminuito a causa di problemi ambientali e di sicurezza, ed è stato sostituito da pigmenti organici o altre alternative prive di piombo e cromo. Altri pigmenti che si basano sul cromo sono, ad esempio, la tonalità profonda del pigmento rosso cromo, che è semplicemente cromato di piombo con idrossido di piombo (II) (PbCrO4·Pb(OH)2). Il verde cromo è una miscela di blu di Prussia (esacianoferrato (III) di ferro (II), KFe(II)[Fe(III)(CN)6]) e giallo cromo, mentre il verde di ossido di cromo è semplicemente ossido di cromo (III).

Gli ossidi di cromo sono anche usati come pigmento verde nel campo della lavorazione del vetro e anche come smalto per ceramiche. L’ossido di cromo verde è estremamente resistente alla luce e come tale viene utilizzato nei rivestimenti di lamiere. È anche l’ingrediente principale nelle vernici riflettenti agli infrarossi, utilizzate dalle forze armate per dipingere i veicoli e per dare loro la stessa riflettanza agli infrarossi delle foglie verdi.

Altri impieghi

Gli ioni di cromo (III) presenti nei cristalli di corindone (ossido di alluminio) li colorano in rosso; quando il corindone assume questo colore, è noto come rubino.

Figura 8. Rubino (corindone rosso)

Un rubino artificiale di colore rosso può anche essere ottenuto drogando con cromo (III) cristalli di corindone artificiale, rendendo così il cromo un requisito per la produzione di rubini sintetici. Un tale cristallo di rubino sintetico costituiva la base del primo laser, prodotto nel 1960, che si basava sull’emissione stimolata di luce dagli atomi di cromo in tale cristallo.

Figura 9. Componente di un laser a rubino

A causa della loro tossicità, i sali di cromo (VI) sono utilizzati per la conservazione del legno. Ad esempio, l’arsenato di rame cromato (CCA) è utilizzato nel trattamento del legno per proteggerlo da funghi in decomposizione, insetti che attaccano il legno, comprese le termiti e trivellatori marini. Le formulazioni contengono anidride cromica (CrO3) tra il 35,3% e il 65,5%.

I sali di cromo (III), in particolare l’allume di cromo e il solfato di cromo (III), vengono utilizzati nella concia delle pelli. Il cromo (III) stabilizza la pelle legando in modo incrociato le fibre di collagene. Le pelli conciate al cromo possono contenere tra il 4 e il 5% di cromo, che è strettamente legato alle proteine. Sebbene la forma di cromo utilizzata per la concia non sia la varietà esavalente tossica, permane un notevole interesse per il cromo nell’industria conciaria. Recupero e riutilizzo, riciclaggio diretto/indiretto, e concia “senza cromo” sono praticati per gestire meglio il suo utilizzo.

L’elevata resistività al calore e l’alto punto di fusione rendono la cromite e l’ossido di cromo (III) un materiale refrattario ad alta temperatura, come altiforni, forni per cemento, stampi per la cottura di mattoni e sabbie di fonderia per la fusione di metalli. In queste applicazioni, i materiali refrattari sono realizzati con miscele di cromite e magnesite. Tuttavia questo impiego è in calo a causa delle normative ambientali dovute alla possibilità di formazione di cromo esavalente.

Numerosi composti di cromo sono utilizzati come catalizzatori per la sintesi di idrocarburi e plastiche polietileniche.

Ruolo biologico

Gli effetti biologicamente benefici del cromo (III) continuano a essere oggetto di controversie. Alcuni esperti ritengono che riflettano risposte farmacologiche piuttosto che nutrizionali, mentre altri suggeriscono che sono effetti collaterali di un metallo tossico. Il cromo è accettato dal National Institutes of Health degli Stati Uniti come oligoelemento per il suo ruolo nell’azione dell’insulina, un ormone fondamentale per il metabolismo e la conservazione di carboidrati, grassi e proteine. Il preciso meccanismo delle sue azioni nel corpo, tuttavia, non è stato completamente definito, mettendo  in discussione se il cromo è essenziale per le persone sane.

Al contrario, il cromo esavalente (Cr(VI)) è altamente tossico e mutageno quando inalato. L’ingestione di cromo (VI) nell’acqua è stata collegata a tumori allo stomaco e può anche causare dermatite allergica da contatto.

La carenza di cromo, che comporta una mancanza di Cr(III) nel corpo, o forse un suo complesso come fattore di tolleranza al glucosio, è controversa. Alcuni studi suggeriscono che la forma biologicamente attiva di cromo (III) sia trasportata nel corpo attraverso un oligopeptide a basso peso molecolare che legherebbe il cromo (LMWCr), svolgendo un ruolo nel metabolismo dell’insulina.

Il contenuto di cromo degli alimenti comuni è generalmente basso (1-13 microgrammi per porzione) e varia ampiamente a causa delle differenze nel contenuto di minerali nel suolo, nella stagione di crescita, nella cultivar delle piante e nella contaminazione durante la lavorazione. Inoltre, il cromo (e il nichel) penetra negli alimenti cotti in acciaio inossidabile, con effetto maggiore quando le pentole sono nuove. Anche gli alimenti acidi come la salsa di pomodoro che vengono cotti per molte ore aggravano questo effetto.

Vi è disaccordo sul cromo come oligoelemento essenziale. Gli Istituti per la Salute di Australia, Nuova Zelanda, India, Giappone e Stati Uniti considerano il cromo essenziale, mentre l’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA), che rappresenta l’Unione europea, non lo considera tale. Quindi è inutile riportare dosi di assunzione giornaliera raccomandate.

Diffusione nell’ambiente, tossicità e precauzioni

Il cromo è naturalmente presente nell’ambiente in tracce, ma i suoi impieghi industriali contaminano i sistemi acquatici. I fiumi dentro o a valle delle aree industrializzate presentano contaminazioni dai suoi composti. La quantità standard  nell’acqua per il cromo è 0,1 mg/L, ma in alcuni fiumi è anche cinque volte superiore. Lo standard per i pesci destinati al consumo umano è inferiore a 1 mg/kg, ma in molti campioni testati è risultata più di cinque volte superiore. Il cromo, in particolare il cromo esavalente, è altamente tossico per i pesci perché è facilmente assorbito attraverso le branchie, entra rapidamente nella circolazione sanguigna, attraversa le membrane cellulari e si diffonde nella catena alimentare. Al contrario, la tossicità del cromo trivalente è molto bassa, attribuita alla scarsa permeabilità della membrana e alla scarsa biomagnificazione.

L’esposizione acuta e cronica al cromo (VI) influenza il comportamento, la fisiologia, la riproduzione e la sopravvivenza dei pesci. Nei pesci adulti sono stati segnalati danni istopatologici a fegato, reni, muscoli, intestino e branchie.

I composti di cromo (III) insolubili in acqua e il cromo metallico non sono considerati un pericolo per la salute, mentre la tossicità e le proprietà cancerogene del cromo (VI) sono note da molto tempo. A causa dei meccanismi specifici di trasporto, solo una quantità limitata di cromo (III) entra nelle cellule. La tossicità acuta per via orale varia tra 50 e 150 mg/kg.

La tossicità acuta per via orale del cromo (VI) varia tra 1,5 e 3,3 mg/kg. Nel corpo umano, il cromo esavalente è ridotto a cromo (III) già nel sangue prima che entri nelle cellule. Questo viene escreto dal corpo, mentre lo ione cromato viene trasferito nella cellula da un meccanismo di trasporto, attraverso il quale anche gli ioni solfato e fosfato entrano nella cellula. La tossicità acuta del cromo (VI) è dovuta alle sue forti proprietà ossidanti. Dopo che raggiunge il flusso sanguigno, danneggia i reni, il fegato e le cellule del sangue attraverso reazioni di ossidazione. Risultato: emolisi, insufficienza renale ed epatica.

La cancerogenicità della polvere di cromato è nota da molto tempo, già nel 1890 una prima pubblicazione descriveva l’elevato rischio di cancro dei lavoratori in una fabbrica di coloranti.  Sono stati proposti tre meccanismi per descrivere la genotossicità del cromo esavalente. Il primo meccanismo include radicali idrossilici altamente reattivi e altri radicali  prodotti dalla riduzione del cromo (VI) a cromo (III). Il secondo processo include il legame diretto del cromo (V), prodotto dalla riduzione nella cellula, e dei composti di cromo (IV) al DNA. L’ultimo meccanismo ha attribuito la genotossicità al legame con il DNA del prodotto finale della riduzione a cromo (III).

I sali di cromo (cromati) sono anche causa di reazioni allergiche e dermatiti da contatto in alcune persone, specialmente nei lavoratori delle industrie conciarie e tintorie.

Riciclaggio

Il riciclaggio dei rifiuti di lavorazione delle leghe contenenti cromo metallico dell’industria metallurgica e di oggetti scartati da privati perché diventati obsoleti viene generalmente effettuato da ditte specializzate, come ad esempio la tedesca RS-Recycling GmbH. Un report USA non troppo recente riporta che la quantità stimata riciclata era di circa 99 mt di cromo. Gran parte di questo materiale (97 mt di cromo) era contenuto in acciaio inossidabile e superleghe. Quasi tutto il materiale metallurgico è riciclato, in gran parte per il suo contenuto di cromo [1]. Lo stesso report mostra il seguente diagramma di flusso del riciclo (figura 10)

Figura 10. Tipico diagramma di processo e riciclo del cromo [1]

Gli estensori del rapporto sostengono che tale diagramma resterà valido anche nel futuro.

Maggior attenzione viene posta al riciclaggio dei rifiuti di concerie e tintorie che contengono il tossico cromo esavalente (cromo (VI)).

Nel 2005 Vladimír Vašek et al., al XVI Congresso Internazionale dell’IFAC (International Federation of Automatic Control) presentarono la descrizione di un sistema di controllo e monitoraggio computerizzato per un processo tecnologico di riciclaggio di rifiuti liquidi e solidi al cromo per l’industria conciaria [2].

Recentemente Janez Scancar e Radmila Milacic hanno riportato un metodo basato su ossidoriduzioni per lo smaltimento e riutilizzo di materiali di scarto ricchi di cromo [3].

Ancora più recentemente, un gruppo di ricerca dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (EPFL), coordinato da Wendy L. Queen[1], ha sintetizzato strutture molecolari metallo-organiche (MOF) che riducono gli ioni Cr(VI) a ioni Cr(III).

Figura 11. Prof. Wendy L. Queen

Questi materiali funzionano anche da catalizzatori fotosensibili che, se illuminati dalla luce, riducono e rimuovono contemporaneamente l’inquinante cromo esavalente rendendo potabile l’acqua inquinata [4]. Un altro vantaggio è che i MOF sono rigenerabili. In figura 12 è riportato lo schema del metodo.

Figura 12. Schema di funzionamento del MOF sintetizzato all’EPFL [4]

Sebbene i MOF siano costosi, sono molto efficienti nell’eliminazione di questi inquinanti, certamente di più degli usuali materiali porosi come carboni attivi o zeoliti, che soffrono di scarsa selettività e bassa capacità ma sono più economici.

La ricerca di Queen (e di altri gruppi che studiano i MOF) ha ora l’obiettivo di realizzare  materiali che possano rendere attuabile il loro impiego commercialmente vantaggioso per portare acqua pulita alle popolazioni che più ne necessitano. Intendono testare questi materiali sul campo per applicarli ai dispositivi di purificazione dell’acqua utilizzati in tutto il mondo.

Ciclo biogeochimico

Non sono molti gli studi sul ciclo biogeochimico globale del cromo poiché la natura vulcanica dei suoi minerali non ne consente una distribuzione uniforme.

Tuttavia, nel 1991, un dettagliato lavoro di Richmond J. Bartlett aveva stabilito l’interconversione fra Cr(III) e Cr(VI) come la principale nel ciclo del cromo nei terreni e nelle acque naturali [4]. In questa interconversione principale partecipano molti processi che coinvolgono la mobilitazione e ossidazione di Cr(III) e riduzione di Cr(VI). Dice Bartlett: Ci sono lacune nella nostra comprensione dei fattori che controllano questi processi. Se il Cr(III) solubile viene aggiunto a un terreno “medio”, parte di essa verrà immediatamente ossidata dagli ossidi di manganese in Cr(VI). Il resto del Cr(III) può rimanere ridotto per lunghi periodi di tempo, anche in presenza di ossidi di manganese . Tuttavia, questo Cr(III) meno disponibile può essere mobilitato da  composti organici  complessanti a basso peso molecolare e quindi ossidati dove le condizioni redox sono ottimali… [5]

Secondo questi presupposti, ricerche sul campo e analisi di laboratorio, Bartlett giunse a proporre il seguente schema (figura 13)

Figura 13. Schema del ciclo del cromo [5]

Molto recentemente, un gruppo internazionale di ricercatori, coordinati dal Prof. Wei Wei, utilizzando le moderne tecniche di spettrometria di massa, ha identificato un ampio intervallo di concentrazione di isotopi del cromo durante la sua mobilitazione in ambienti terrestri, fluviali e oceanici, utile non solo per tracciare un ciclo biogeochimico attuale, ma anche per ipotizzare il paleo-ambiente [6].

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-9

https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium

Bibliografia

[1] Chromium Recycling, https://www.911metallurgist.com/chromium-recycling/#gsc.tab=0

[2] V. Vašek et al., Control System for Chromium Recycling Technology from Tannery Waste., Proceedings of 16th IFAC, 2005, 139-142.

[3] J. Scancar, R. Milacic, Safe disposal and re-use of chromium rich waste material., in M. J. Balart Murria Ed.: Management of Hazardous Residues Containing Cr(VI), Nova Science Publishers Inc., NY, 2011, Cap 15, pp. 295-317.

[4] B. Valizadeh et al., A novel integrated Cr(VI) adsorption–photoreduction system using MOF@polymer composite beads., Journal of Materials Chemistry A, 2020, DOI: 10.1039/d0ta01046d

[5] R.J. Bartlett, Chromium Cycling in Soils and Water: Links, Gaps, and Methods., Environmental Health Perspectives, 1991, 92, 17-24.

[6] W. Wei et al., Biogeochemical cycle of chromium isotopes at the modern Earth’s surface and its applications as a paleo-environment., Chemical Geology, 2020,  DOI: 10.1016/j.chemgeo.2020.119570

[1] Wendy Lee Queen è Assistant Professor nel Laboratory of Functional Inorganic Materials dell’EPFL di Losanna.

Elementi della tavola periodica. Cromo, Cr. (1)

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Il cromo (ingl. Chromium), simbolo Cr, è l’elemento n. 24 della tavola periodica, primo del 6° Gruppo, 4o periodo prima serie degli elementi di transizione. Si trova al ventunesimo posto per abbondanza nella crosta terrestre con una media valutata in 100 ppm. È un metallo brillante color grigio acciaio. Sebbene rari, esistono depositi di cromo nativo, particolarmente in Russia. Il minerale più importante che lo contiene è la cromite, un ossido misto di ferro e cromo (FeCr2O4) dal quale il metallo viene estratto. Il nome dell’elemento deriva dalla parola greca χρῶμα (chrōma), che significa colore, perché molti composti di cromo sono intensamente colorati.

 

Figura 1. Cromite (a sinistra), cromo nativo (a destra)

Sembra che le punte in bronzo di spade e bulloni di balestra trovati in fosse di sepoltura risalenti alla fine del III secolo a.C. fossero ricoperte con uno strato di ossido di cromo. Le armi trovate nel famoso esercito di terracotta scoperto vicino a Xi’an in Cina, risalente alla dinastia Qin, mostrano un’inaspettata scarsa corrosione, probabilmente proprio perché il bronzo fu rivestito con un sottile strato di ossido di cromo.

I minerali di cromo come pigmenti attirarono l’attenzione dell’Occidente nel XVIII secolo. Nel 1761, il mineralogista germanico Johann Gottlob Lehmann (1719-1767) trovò un minerale rosso arancio nelle miniere di Beryozovskoye negli Urali, che chiamò piombo rosso siberiano. Sebbene erroneamente identificato come composto di piombo con selenio e componenti di ferro, il minerale era in realtà crocoite (cromato di piombo, PbCrO4).

Peter Simon Pallas (1741-1811), zoologo e botanico prussiano, visitò lo stesso sito di Lehmann e trovò un minerale di piombo rosso che scoprì possedere proprietà utili come pigmento nelle vernici. Dopo Pallas, l’uso del piombo rosso siberiano come pigmento per vernici iniziò a svilupparsi rapidamente in tutta la regione. La crocoite sarebbe stata la principale fonte di cromo nei pigmenti fino alla scoperta della cromite molti anni dopo.

Figura 2. Crocoite

Nel 1794, Louis Nicolas Vauquelin[1] ricevette campioni di crocoite con i quali produsse triossido di cromo (CrO3) miscelandoli con acido cloridrico. Nel 1797, Vauquelin scoprì di poter isolare il cromo metallico riscaldando l’ossido in un forno a carbone, è pertanto accreditato come colui che ha realmente scoperto l’elemento. Vauquelin è stato anche in grado di rilevare tracce di cromo in pietre preziose, come il rubino e lo smeraldo.

Figura 3. Louis Nicolas Vauquelin

Durante il diciannovesimo secolo, il cromo era utilizzato non solo come componente delle vernici, ma anche nei sali abbronzanti. Per diverso tempo la crocoite trovata in Russia è stata la fonte principale di questi prodotti abbronzanti. Nel 1827 fu scoperto un grande deposito di cromite vicino a Baltimora, negli Stati Uniti, che soddisfò la domanda di sali abbronzanti molto più adeguatamente della crocoite che era stata utilizzata in precedenza. Ciò rese gli Stati Uniti il ​​maggiore produttore di prodotti di cromo fino all’anno 1848, quando furono scoperti depositi più grandi di cromite vicino alla città di Bursa, in Turchia.

Il cromo era usato per ricoprimenti galvanici già nel 1848, ma questo uso si diffuse solo con lo sviluppo di un processo migliorato nel 1924.

Proprietà fisiche

Il cromo è il quarto metallo di transizione nella tavola periodica e ha una configurazione elettronica di [Ar]3d54s1. È anche il primo elemento nella tavola periodica la cui configurazione elettronica di stato fondamentale viola il principio di Aufbau.

Il cromo è estremamente duro, essendo il terzo elemento più duro dopo il carbonio (diamante) e il boro. La sua durezza è 8,5 (scala di Mohs), il che significa che può graffiare campioni di quarzo e topazio (silicato di alluminio e fluoro), ma può essere graffiato dal corindone (ossido di alluminio). Il cromo è altamente resistente all’aria, proprietà che lo rende utile come metallo che preserva il suo strato più esterno dalla corrosione, a differenza di altri metalli come rame, magnesio e alluminio.

Il cromo ha un punto di fusione di 1907 °C, relativamente basso rispetto alla maggior parte dei metalli di transizione. Tuttavia, ha il secondo punto di fusione più alto tra tutti gli elementi del 4o Periodo. Il punto di ebollizione di 2671 °C è il più basso fra i soli metalli di transizione del 4o periodo, dietro manganese e zinco. La resistività elettrica del cromo a 20 °C è 125 nanoohm-metri.

Il cromo ha un’alta riflettanza rispetto ad altri metalli di transizione. Nell’infrarosso, a 425 μm, il cromo ha una riflettanza massima di circa il 72%, riducendosi a un minimo del 62% a 750 μm prima di risalire al 90% a 4000 μm. Quando il cromo viene utilizzato nelle leghe di acciaio inossidabile e lucidato, la riflessione speculare diminuisce causa l’inclusione degli altri metalli, ma è ancora elevata rispetto ad altre leghe. Tra il 40% e il 60% dello spettro visibile è riflesso dall’acciaio inossidabile lucidato. La spiegazione di questa caratteristica è attribuita alle sue proprietà magnetiche. Il cromo ha proprietà magnetiche uniche nel senso che è l’unico solido elementare che mostra un ordinamento antiferromagnetico a temperatura ambiente o inferiore. Sopra 38 °C, diventa paramagnetico. Le proprietà antiferromagnetiche, che causano la ionizzazione temporanea e del legame degli atomi di cromo con se stessi, sono presenti poiché le proprietà magnetiche della sua struttura cristallina cubica a corpo centrato sono sproporzionate rispetto alla periodicità del reticolo.

Il cromo metallico lasciato per molto tempo all’aria si passiva, forma cioè uno strato sottile, protettivo, di ossido. Questo strato ha una struttura a spinello, con solo pochi strati atomici, molto denso che inibisce la diffusione dell’ossigeno nel metallo sottostante. Al contrario, il ferro forma un ossido più poroso attraverso il quale l’ossigeno può migrare, causando continuamente ruggine. La passivazione può essere rimossa con un forte agente riducente che distrugge lo strato di ossido protettivo sul metallo. Il metallo al cromo così trattato si dissolve facilmente in acidi deboli.

Il cromo, a differenza di metalli come ferro e nichel, non soffre di infragilimento da idrogeno. Tuttavia, soffre di infragilimento da azoto, reagendo con azoto dall’aria e formando nitruri fragili alle alte temperature necessarie per lavorare le parti metalliche.

Il cromo presente in natura è composto di tre isotopi stabili; 52Cr, 53Cr e 54Cr, essendo 52Cr il più abbondante (83,789% di abbondanza naturale). Sono stati caratterizzati 19 radioisotopi, il più stabile dei quali è 50Cr con un’emivita superiore a 1,8 × 1017 anni.

Proprietà chimiche e principali composti

Gli stati di ossidazione del cromo nei suoi principali composti sono +3 e +6. Stati +1, +4 e +5 sono rari, i relativi composti esistono solo occasionalmente.

Composti di cromo (III)

È noto un gran numero di composti di cromo (III), come cloruro di cromo (III), nitrato di cromo (III), acetato di cromo (III) e ossido di cromo (III). Il cromo (III) può essere ottenuto sciogliendo il cromo elementare in acidi come acido cloridrico o acido solforico, ma può anche essere formato attraverso la riduzione del cromo (VI) dal citocromo c7. Lo ione Cr3+ ha un raggio simile (63 pm) a quello di Al3+ (raggio 50 pm) e possono sostituirsi a vicenda in alcuni composti, come l’allume di cromo.

Il cromo (III) tende a formare complessi ottaedrici. L’idrato di cloruro di cromo (III) disponibile in commercio è il complesso verde scuro [CrCl2(H2O)4]Cl. Composti strettamente correlati sono il verde chiaro [CrCl (H2O)5]Cl2 e il viola [Cr(H2O)6]Cl3. Se il cloruro di cromo (III) verde anidro è sciolto in acqua, la soluzione verde diventa viola dopo un po’ di tempo poiché il cloruro nella sfera di coordinazione interna è sostituito dall’acqua. Questo tipo di reazione si osserva anche con soluzioni di allume di cromo e altri sali di cromo (III) idrosolubili.

Il cromo (III) idrossido (Cr(OH)3) è anfotero, si dissolve in soluzioni acide per formare il catione [Cr(H2O)6]3+ e in soluzioni di base per formare l’anione [Cr(OH)6]3-. Per riscaldamento forma l’ossido di cromo verde (III) (Cr2O3), un ossido stabile con una struttura cristallina identica a quella del corindone.

Figura 4. Struttura cristallina del corindone

Composti di cromo (VI) o cromo esavalente

Gli alogenuri di cromo (VI) sono noti e includono l’esafluoruro CrF6 e il cloruro di cromile (CrO2Cl2).

I composti di cromo (VI) sono ossidanti a pH basso o neutro. Anioni cromato (CrO42−) e dicromato (Cr2O72−) sono gli ioni principali in questo stato di ossidazione. Esistono in un equilibrio, determinato dal pH:

2[CrO4]2- + 2H+ ⇌ [Cr2O7]2- + H2O

Il cromato di sodio (K2CrO4) è prodotto industrialmente dalla torrefazione ossidativa del minerale cromite con calcio o carbonato di sodio. Lo spostamento dell’equilibrio per aggiunta di acido è visibile per il passaggio da giallo (colore del cromato) all’arancione (colore del dicromato), come quando si aggiunge un acido a una soluzione neutra di cromato di potassio. A valori di pH ancora inferiori, è possibile un’ulteriore condensazione a ossianioni del cromo più complessi.

Sia l’anione cromato che quello bicromato sono reagenti fortemente ossidanti a basso pH:

Cr2O72- + 14H3O+ + 6e → 2Cr3+ + 21H2O (Eo = 1,33 V)

Tuttavia, si ossidano solo moderatamente ad alto pH:

CrO42- + 4H2O + 3e → Cr(OH)3 + 5OH (Eo = −0,13 V)

I composti di cromo esavalente in soluzione possono essere individuati aggiungendo una soluzione acida di perossido di idrogeno. Si forma il perossido di cromo (VI) blu scuro instabile (CrO5), che può essere stabilizzato come addotto con eteri CrO5·OR2.

L’acido cromico, da cui derivano cromati e dicromati, ha l’ipotetica formula H2CrO4 ed è una sostanza vagamente descritta. L’ossido di cromo (VI) rosso scuro, CrO3, o anidride dell’acido cromico, è venduto industrialmente come “acido cromico”. Può essere prodotto miscelando acido solforico con dicromato di potassio ed è un forte agente ossidante.

Composti organocromici

La chimica degli organocromi è una branca della chimica organometallica che si occupa di composti organici contenenti un legame cromo-carbonio e le loro reazioni. Il campo è di una certa importanza per la sintesi organica. Gli stati di ossidazione rilevanti per i complessi di organocromo comprendono l’intera gamma di possibili stati di ossidazione da –4 nel cromo carbonile di sodio Na4[Cr(CO)4] a +6 in complessi osso-alchilici. Altri complessi di cromo (I) contengono ligandi ciclopentadienilici. È stato anche descritto un legame quintuplo Cr-Cr (figura 5).

Figura 5. Organocromo con legame Cr-Cr

I ligandi monodentati estremamente voluminosi stabilizzano questo composto proteggendo il legame quintuplo da ulteriori reazioni.

Estrazione e produzione

I composti del cromo che si trovano nell’ambiente sono dovuti all’erosione delle rocce che li contengono e possono essere stati ridistribuiti da eruzioni vulcaniche. Le concentrazioni tipiche di cromo sono: atmosfera <10 ng/m3; suolo <500 mg/kg; vegetazione <0,5 mg/kg; acqua dolce <10 μg/L; acqua di mare <1 μg/L; sedimenti <80 mg/kg.

I maggiori produttori del minerale di cromo nel 2013 sono stati il ​​Sudafrica (48%), il Kazakistan (13%), la Turchia (11%), l’India (10%), con diversi altri paesi che hanno prodotto il resto (circa il 18% della produzione mondiale). I depositi di cromite non sfruttati sono abbondanti, geograficamente concentrati in Kazakistan e nell’Africa meridionale. La miniera Udachnaya in Russia produce campioni del metallo nativo. Questa è una riserva di kimberlite, ricca di diamanti, e l’ambiente riducente ha contribuito a produrre sia cromo elementare sia diamanti.

La relazione tra Cr(III) e Cr(VI) dipende fortemente dal pH e dalle proprietà ossidative del luogo. Nella maggior parte dei casi, Cr(III) è la specie dominante, ma in alcune aree, le acque sotterranee possono contenere fino a 39 µg/L di cromo totale, di cui 30 µg/L è cromo esavalente.

Nel 2013 sono state estratte circa 28,8 milioni di tonnellate (Mt) di minerale cromite commercializzabile, convertite in 7,5 Mt di lega ferrocromo.

Figura 6. Produzione mondiale di Cr negli anni

Secondo l’USGS (United States Geological Survey), il ferrocromo è il principale uso finale della cromite, e l’acciaio inossidabile è il principale uso finale del ferrocromo.

I due prodotti principali della raffinazione del minerale sono il ferrocromo e il cromo metallico. Per questi prodotti il ​​processo di fusione dei minerali differisce notevolmente. Per la produzione di ferrocromo, la cromite (FeCr2O4) viene ridotta su larga scala in fornaci ad arco elettrico o in fonderie più piccole con alluminio o silicio in una reazione alluminotermica.

Per la produzione di cromo puro, il ferro deve essere separato dal cromo in un processo di tostatura e lisciviazione in due fasi. Il minerale viene riscaldato con una miscela di carbonato di calcio e carbonato di sodio in presenza di aria. Il cromo viene ossidato nella forma esavalente, mentre il ferro forma l’ossido Fe2O3 stabile. La successiva lisciviazione a temperature più elevate dissolve i cromati e lascia l’ossido di ferro insolubile. Il cromato è convertito in dicromato con acido solforico:

4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 → 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2

2Na2CrO4 + H2SO4 → Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O

Il dicromato è convertito in ossido di cromo (III) per riduzione con carbonio e quindi ridotto in una reazione alluminotermica al cromo:

Na2Cr2O7 + 2C → Cr2O3 + Na2CO3 + CO

Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-9

https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium

(continua)

 

[1] Louis Nicolas Vauquelin (1763 – 1829) è stato un farmacista e chimico francese. Fu lo scopritore sia del cromo sia del berillio.

La chimica del dirigibile.

In evidenza

Mauro Icardi

Il 6 maggio 1937, il dirigibile Hindenburg ( che è ancora oggi il più grande oggetto volante mai costruito al mondo), al termine del volo inaugurale  che prevede di sorvolare l’Oceano Atlantico per collegare la Germania agli Stati Uniti, si incendia pochi minuti prima della manovra di attracco al pilone situato nella base navale di Lakehurst nel New Jersey, destinazione finale della traversata aerea.

L’Hindenburg era partito da Francoforte  tre giorni prima.  In soli 34 secondi l’enorme dirigibile viene completamente distrutto. Nonostante la rapidità dello sprigionarsi delle fiamme, delle 97 persone presenti a bordo (tra passeggeri e membri dell’equipaggio), 62 riuscirono a sopravvivere, anche se alcune furono gravemente ustionate. Le vittime furono 36 (fu coinvolto anche un membro dell’equipaggio dislocato a terra).  La vicenda è, come quella del Titanic, rimasta nell’immaginario collettivo di molti. E nella ricostruzione di questo terribile incidente aereo ci sono anche molti riferimenti alla chimica e alla tecnologia costruttiva di questo gigante del cielo. E anche alla politica internazionale. Una storia quindi che è interessante, anche se termina con un epilogo tragico. E’ una storia che ha ispirato libri, film, e anche la copertina di un disco, quello dell’album d’esordio del gruppo rock inglese Led Zeppelin.

L’Hindenburg che venne così battezzato in onore del secondo presidente della Germania  Paul Von Hindenburg, aveva effettuato il primo volo inaugurale il 4 Marzo 1936 da Friedrichshafen, città sulla sponda settentrionale del lago di Costanza in Germania.

Dopo il primo volo di prova  effettuerà altri 62 voli raggiungendo varie destinazioni tra le quali  Rio de Janeiro. I dirigibili rigidi ideati da Ferdinand Von Zeppelin agli inizi del Novecento, erano stati inizialmente utilizzati a scopo  militare, soprattutto nella prima guerra mondiale. Prima della definitiva affermazione dell’aeroplano,  il dirigibile veniva ancora considerato superiore all’aereo per le capacità di carico e l’autonomia di volo. L’Hindenburg era stato immaginato come una nave da crociera aerea, e in ogni caso utilizzato anche come strumento di propaganda per il regime nazista. La tragedia di Lakehurst ridimensionerà di molto l’utilizzo e la costruzione dei dirigibili.  .

La struttura dei dirigibili Zeppelin era di fatto sempre la stessa, fatte salve le dimensioni. Uno scheletro di alluminio, rivestito esternamente di una tela trattata per renderla resistente e impermeabile.

All’interno di questa struttura erano inserite delle sacche  contenenti il gas di sostentamento degli aeromobili. I motori per muovere il dirigibile erano collocati esternamente all’involucro, la cabina di comando generalmente al di sotto della struttura nella parte anteriore. Una curiosità è che le parti anteriori e posteriori dei dirigibili erano denominate, analogamente a quanto avviene per le navi, con la denominazione di prua e poppa. Anche gli organi di comando per la variazione di rotta e di altitudine erano timoni molto simili a quelli navali.

Lo spazio per i passeggeri era ricavato inizialmente in una parte della gondola di comando. Ma nel caso dell’Hindenburg  si trovava nella parte inferiore dell’involucro.

La costruzione dell’Hindenburg richiese cinque anni di lavoro. I dirigibile era lungo 245 metri, e poteva contenere 200.000 m3 di gas contenuti in 16 sacche.

(Modello di struttura di dirigibile rigido, museo Zeppelin Friedrichshafen)

Analizziamo ora la chimica dell’Hindenburg. L’alluminio è l’elemento che caratterizza l’industria aeronautica ancora oggi. Per alleggerire al massimo la mastodontica struttura, come si può vedere in figura, le barre in alluminio che componevano la struttura erano traforate. Il rivestimento era in tela di cotone, impregnato con ossido di ferro e acetato di cellulosa, miscelato con ossido di alluminio. Questo conferiva all’aeromobile il suo caratteristico colore grigio argento (colore utilizzato negli anni 30 anche per le auto da corsa tedesche).  Il dirigibile pesava a vuoto 118 tonnellate. Poteva trasportare 72 passeggeri e 60 tonnellate di carico.

Il gas di sostentamento utilizzato nell’Hindenburg era idrogeno.

I tedeschi erano a conoscenza dei rischi che l’idrogeno avrebbe potuto provocare. E prendevano tutte le necessarie precauzioni, soprattutto  nei confronti dei passeggeri. Questi dovevano consegnare accendini e fiammiferi all’inizio del volo. Esisteva una speciale sala fumatori  pressurizzata ed isolata con una doppia porta dal resto dei locali del ponte passeggeri. I tedeschi non disponevano di elio, che invece era abbondante negli Stati Uniti, soprattutto quello che proveniva dai giacimenti di gas naturale di Amarillo in Texas. L’elio era già considerato un elemento strategico. Inizialmente proprio per l’industria legata alla costruzione dei dirigibili, ma anche per i successivi usi a cui sarà destinato (per esempio il raffreddamento dei magneti dei superconduttori , ma anche per quelli delle risonanze magnetiche negli ospedali). Per questo gli Stati Uniti proprio ad Amarillo realizzeranno, utilizzando una caverna sotterranea, il deposito federale di Elio.  Tra gli stati Uniti e le Germania di Hitler gli scambi commerciali continueranno fino allo scoppio della seconda guerra mondiale, e anche durante il conflitto. Emblematico a questo proposito il caso della fornitura di macchine calcolatrici da parte della IBM al regime nazista. Macchine usate per la registrazione e la catalogazione degli sventurati ebrei rastrellati e destinati alla deportazione nei lager. Una triste anagrafe dell’olocausto. Ma per l’elio non verrà fatta nessuna deroga o concessione. Nonostante le richieste dei tedeschi che volevano utilizzarlo proprio per far volare i dirigibili, esso non sarà mai esportato  dagli Stati Uniti in Germania.

La ricostruzione più plausibile della causa dell’incidente di Lakehurst è quella di una perdita di idrogeno da una della sacche posteriori del dirigibile, nelle vicinanze della pinna verticale dell’aeronave. La struttura del dirigibile oltre alle barre di alluminio, era completata da fili di spessore di circa tre millimetri in acciaio, che  completavano la struttura del rivestimento esterno. Questi complessivamente raggiungevano la lunghezza di 200 km, e potevano sopportare una tensione di rottura pari a 450 Kg. La rottura di uno di essi è stato ritenuto come la causa del danneggiamento di una delle sacche contenenti l’idrogeno che si è così diffuso all’interno dell’involucro dell’Hindenburg.

Poco prima dell’attracco presso la base di atterraggio, un cambiamento di direzione del vento ha spinto il capitano dell’Hindenburg ad ordinare una brusca virata verso sinistra. Poco dopo è stato impartito l’ordine al timoniere di virare velocemente verso destra, in maniera di allineare il dirigibile al pilone di ormeggio.

Il dirigibile non era adatto a compiere virate strette e ravvicinate nel tempo. Questo modo di governare l’aeronave rischiava di sottoporre ad una tensione troppo elevata la sua struttura interna. E risulta che ciò fosse assolutamente sconsigliato a piloti ed equipaggio durante il loro addestramento presso le officine della Zeppelin. La zona dove la possibile  rottura era ritenuta più probabile era appunto nella parte posteriore del dirigibile dove si trovava il timone di coda. Nei filmati che mostrano l’arrivo dell’Hindenburg a Lakehurst  si nota come il dirigibile fosse inclinato verso poppa. E alcuni testimoni oculari notarono come poco prima dello svilupparsi dell’incendio si notava un tremolio nel rivestimento, sempre vicino alla pinna posteriore. Probabilmente la perdita di idrogeno, che spingeva contro il rivestimento esterno. Oltre a questo sul punto di atterraggio era appena passato un temporale. Nessuno vide un fulmine colpire l’Hindenburg, ma era noto che un dirigibile in volo accumulava elettricità statica sul rivestimento esterno, e sull’intelaiatura. Ma fino a che l’aeromobile rimaneva in volo, questa elettricità non si scaricava a terra. Ma quando vennero mollate le cime di ormeggio dalla parte anteriore del dirigibile, le stesse bagnate dalla pioggia che stava continuando a cadere, permisero il passaggio della carica elettrica dall’intelaiatura verso il suolo. La differenza di potenziale elettrico di quest’ultima si azzerò, mentre il rivestimento esterno di cotone rimase carico di elettricità perché non conduttore. Questa era una condizione che poteva rendere possibile lo svilupparsi di una scintilla, analogamente a quella di un fulmine. Questa scintilla probabilmente incendiò l’idrogeno fuoriuscito, mescolato con l’aria presente nei camminamenti di ispezione dell’involucro del dirigibile. Ultima precisazione: l’idrogeno brucia con fiamma incolore. Le fiamme di colore arancione viste dai testimoni, e ricostruite in alcune immagini ricolorate da quelle originali in bianco e nero, sono quelle dovute alla combustione del rivestimento esterno.

Si chiudeva così l’epopea del mezzo aereo più leggero dell’aria.

Ma i nipoti dell’Hindenburg  solcano ancora i cieli. Più piccoli e tecnologici. Raccolgono l’eredità del loro sfortunato progenitore LZ 129. E finalmente sono stati gonfiati con elio.

In ricordo di Giulio Giorello.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Non.voglio che il nostro blog trascuri di parlare di Giulio Giorello in occasione della sua morte e di celebrarlo come merita. L’ho conosciuto negli anni 80 quando insieme ad altri colleghi firmai una petizione volta ad una ricomposizione culturale dopo la frattura sancita nei decenni precedenti con la formula delle 2 culture.

Giorello si era battuto già prima di noi per lo stesso ideale ed aveva individuato nella volontá colonizzatrice di alcuni settori e nel processo formativo troppo  disarticolato i principali colpevoli. Ricordo che in Europa proprio in quel tempo stava maturando una critica al nostro Paese proprio per questi motivi ed un avvertimento a ricomporre il dualismo scienza/arte. A tal dualismo, che Giorello interpretava più in chiave scienza/umanesimo egli si oppose non solo scrivendo, ma anche facendo pubblicare libri altrui con la collana “Scienza ed idee”.

Diceva Giorello, a proposito della sua disciplina, Filosofia della Scienza, che era uno dei tentativi di superare le due culture perchè la Filosofia non ha confini. Un altro punto che ci univa era la difesa del pluralismo inteso come correzione  del concetto di  relativismo rispetto al contrario assolutismo. La visione olistica dell’ambiente necessaria per interpretarlo e proteggerlo era un bell’esempio pratico, condividemmo insieme in un convegno al CNR.

Un punto ancora ci univa ed era l’etica della Scienza: quando a Roma La Sapienza nacque il Master di Bioetica ne discussi a lungo con lui circa ii migliore ciclo formativo degli allievi giungendo con lui alla conclusione che purtroppo si doveva lavorare su una lavagna che dopo quasi 20 anni di formazione era ancora bianca, mentre l’etica dovrebbe essere insegnata a partire dal primo ciclo.

Ci dividevamo -io sono credente- sul rapporto Scienza/Religione: si definiva un ateo libero di vivere senza Dio; gli contrapponevo la libertà di credere e Giorello mi confutava: religione e libertà si contraddicono, visto che fra le libertà c’é di certo anche quella di non essere religiosi; si tratta di una metodologia coincidente con la filosofia liberale.

Su questa filosofia ci ritrovavamo sempre: Spinoza, Hume, Popper erano il nostro collante. Forse l’aspetto più interessante della sua filosofia è quello sul metodo scientifico: diceva Giorello che non è sufficiente  ipotizzare, sperimentare, verificare; bisogna aggiungere rivedere e che anche con questa aggiunta non tutte le scoperte scientifiche possono essere giustificate. Bisogna parlare piuttosto che di metodo scientifico di atteggiamento scientifico: i tentativi di stabilire una demarcazione fra scienza e non scienza non sono soddisfacenti in quanto l’unico metodo che abbiamo per segnarla, quello della falsificabilità, è di certo imperfetto.

L’alchimia: dal potere della parola alla nascita della chimica

In evidenza

Enrica Gianotti* e Aharon Quincoces**

Questo lungo periodo di confinamento ci ha dato l’opportunità di riflettere su alcuni argomenti che collegano diversi campi del sapere. E così che ci siamo posti una domanda, qual è la relazione tra scienza e lingua? È una domanda nata dalla rilettura del romanzo, Cent’anni di solitudine, di Gabriel Garcia Márquez: “Uno zingaro corpulento, con barba arruffata e mani di passero, che si presentò col nome di Melquíades, diede una truculenta dimostrazione pubblica di quella che egli stesso chiamava l’ottava meraviglia dei savi alchimisti della Macedonia” e poco più avanti “Esplorò la regione palmo a palmo, compreso sul fondo del fiume, trascinando i due lingotti di ferro e recitando ad alta voce l’esorcismo di Melquíades” [1].

La figura dell’alchimista spicca tra le righe legando scienza e parole. Potremmo pensare che si tratti di una risorsa narrativa, tuttavia l’alchimia e l’alchimista furono, nei tempi, proprio il legame tra parola e scienza in nuce. Furono un ponte e segnarono il passaggio tra due visioni del mondo che avevano come materiali di partenza l’uomo e la materia e le reciproche relazioni.

Ma prima di andare oltre dobbiamo fare alcuni passi indietro, in senso storico e cronologico.

Alchimia come protoscienza

Antiche sono le radici dell’alchimia, che possiamo rintracciare nel lontano VI millennio a. C.[2,3]. Un periodo in cui la manipolazione della materia, specialmente nella metallurgia, supponeva, per così dire, una chimica inconsapevole. Non sappiamo di certo come avveniva la trasmissione di un sapere che con ogni probabilità era basato sul fare e sulla ripetizione delle azioni: possiamo ipotizzare ragionevolmente che si trattasse di una trasmissione orale, poiché non abbiamo testi superstiti che diano prova di altro.

Non li abbiamo fino al periodo ellenistico in Egitto (dal 334 a. C.), quella terra che aveva affascinato i greci come culla di saperi segreti. L’Egitto è terra di convivenza tra religioni e saperi diversi, visioni cosmologiche divergenti che trovano il modo di convergere in sintesi. Egitto è anche terra di nascita della medicina e di una visione magica della realtà. Dalla mummificazione ai papiri magici, dalla religione politeista ai nuclei monoteisti del giudaismo passando dalle teorie platoniche e neoplatoniche, Egitto è la terra dell’alchimia. Con questa affermazione non dimentichiamo altre tradizioni alchimiche, cioè basate sulla manipolazione della materia in un stato pre-scientifico, come ad esempio in Cina, ma è la base per la sua diffusione come disciplina in Europa e Medio Oriente.

In Egitto si evolve questa prima consapevolezza pre-scientifica sulla manipolazione della materia in ambito metallurgico e medico, fatto che si può leggere nei primi testi nell’arco che va dal I al IV secolo d.C. Potremo dire che è la prima testimonianza del nesso tra materia e parola; anche se certamente vi è stato un legame con l’oralità, è la parola scritta quella che sancisce un nesso stabile e quasi eterno.

Parola e materia

Proprio dalla commistione tra incipiente ricerca di una più o meno consapevole manipolazione della materia e la sfera ideale rappresentata dall’incrocio tra magia, mistica e filosofia nasce il contatto tra materia e parola. In questo senso l’importanza dei testi veterotestamentari e la mistica che da essi scaturisce risulta determinante, in modo rilevante nell’evoluzione medievale dell’alchimia, fino alla nascita della chimica vera è propria [4].

È importante il nesso tra i concetti ideali di trasformazione della realtà e il potere della parola per capire la nascita e l’impatto dell’alchimia. Infatti la ricerca della trasformazione della materia, nel caso della trasformazione del piombo in oro, o della creazione attraverso la materia, come nel caso della ricerca dell’elisir di lunga vita, non è concepibile senza il nesso con il potere della parola: sono le parole quelle che danno carta d’identità alle cose; il mondo è quando è nominato. Tale è questo potere che le parole non finiscono o nel loro significato immediato, nascondono altri che a loro volta nascondono le chiavi della trasformazione. Molteplicità dei significati e ordine delle parole sono determinanti per scoprire la natura della materia e trasformarla nel senso desiderato: la ri-creazione del mondo avviene nella materia attraverso la potenza delle parole.

Difensore medievale di questa concezione mistica, attraverso le interazioni con la Cabbala [5], è Paracelso, personaggio tardivo ma di grande influenza [6]. Tuttavia è importante segnalare che questa interazione è più presente in ambito cristiano che in quello ebraico, allo stesso modo che prevale l’influenza, mediata, della Cabbala sull’alchimia; interazioni davvero marginali.

Evoluzione dell’alchimia

La perdita del valore propulsivo della parola

Dal XIII secolo a. C. il vincolo di potenza tra parola e trasformazione della materia, sopratutto i metalli, visse anche il progressivo deterioramento che si poteva aspettare dal  numero crescente di insuccessi. L’alchimia acquista maggiore consapevolezza di meccanismi materiali della trasformazione, fatto che determina, correlazione o conseguenza, anche un progressivo depotenziamento della parola. L’allargamento delle osservazioni produsse uno slittamento del quadro complessivo, alterando la prevalenza degli elementi, materia e parola, ma senza rompere ancora il vincolo.

L’alchimista di Pietro Longhi. 1757

Ultimo bastione della potenza della parola sono i colori e la loro relazioni con i metalli, dove i colori sono rappresentanti della caratteristica dei metalli. L’alchimia cerca allora di interpretare la realtà cercando nuovi scenari in cui i metalli (nella fattispecie e in ordine gerarchico verso l’alto, rame, ferro, stagno, piombo, mercurio, argento e oro)  sviluppano una forma gerarchica, pre-scientifica ancora, che rispecchia la struttura gerarchica dei pianeti conosciuti (anche qui in rapporto gerarchico, Venere, Marte, Giove, Saturno, Mercurio, Luna e Sole, questi ultimi pianeti perfetti), in un momento in cui le idee aristoteliche platoniche stanno per subire l’urto di nuove concezioni cosmologiche. Allo stesso tempo, il vincolo con la dimensione mistica del potere della parola è vivo nel rapporto con le emanazioni divine della realtà (7), la cui gerarchia si ordina da minore a maggiore grado di perfezione o avvicinamento alla divinità. Si tratta dunque di un rapporto mediato, interposto, in cui la parola non agisce più in modo diretto, mentre la materia prende forza e s’invola versa una futura, quasi, emancipazione dalla parola. Questa fase è un allineamento dei saperi ancora in una sola sfera o se vogliamo la concezione di un sapere che non è somma di saperi parziali ma un sapere organico che ingloba tutte le forme possibili. La separazione tuttavia è alle porte.

La nascita della chimica, la morte dell’alchimia

Alla fine del XV secolo e inizio del XVI, l’alchimia fece un altro passo in là nella propria evoluzione, vale a dire nella sua dissoluzione come proto-scienza. La chimica, considerata un ramo sussidiario della medicina, acquista autonomia definendo i propri contorni e contenuti. La materia è concepita allora sulla base di nuovi paradigmi. Sono fondamentali la determinazione di quantità, di componenti e di metodi controllati dall’inizio alla fine; così risultano fondativi i lavori, a metà del XVII secolo, di Robert Boyle (1627-1691), con il suo “Il Chimico Scettico” in cui ricusa il concetto greco di elemento e fornisce una nuova definizione di “elemento”  ovvero una sostanza che non si riesce a decomporre in altre sostanze più semplici [7], e di Georg Ernst Stahl (1659-1734) che interpreta la combustione e mette in piedi la teoria del flogisto, che verrà poi confutata successivamente da Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794).  È un quadro mentale in cui la materia si rende indipendente da ogni vincolo. Della parola resta solo l’ombra, fino a cristallizzare, quest’ombra, in simbolo di ogni elemento così come si presenta oggi la tavola periodica. La rottura è totale. L’alchimia muore partorendo la chimica come sapere a sé. Si conclude così una percorso durato secoli che descriveva il sapere come organico e dipendente da una visione teologica, fino a giungere, attraversando il medioevo e il Rinascimento, al pensiero antropocentrico e all’istituzioni di saperi specifici basati su metodi e definizioni di area di competenza. Le scienze e il mondo della lingua ripercorrono da quel momento vie parallele pur condividendo un metodo di lavoro e una meta condivisa di conoscenza sempre maggiore nei relativi campi disciplinari. Questa separazione, dicevamo, tra parola e materia rappresenta la fine di un rapporto e la morte dell’alchimia. Una morte che dà il via alla nascita della modernità. Ciò nondimeno non suppone la morte della parola e del suo potere. Proprio in questo momento nascono anche movimenti mistici ed esoterici che hanno percorso i secoli e che rimangono vivi ancora oggi.

Bibliografia

[1] G. Garcia Marquez, Cent’anni di Solitudine, Feltrinelli.

[2] Eric J. Holmyard, Storia dell’alchimia, Odoya 2019

[3] S. Califano, Storia della Chimica, Bollati Boringhieri, 2010.

[4] R. Patai, Alchimisti ebrei, Ecig 2020 (originale inglese del 1939)

[5] M. Idel, Cabbalà. Nuove prospettive, Giuntina, 1995

[6] Paracelso, Scritti alchemici e magici, Phoenix, Genova, 1981.

[7] R. Boyle, The Sceptical Chymist, The classic 1661 text, Dover Publications INC., 2003

* Professore Associato di Chimica-Fisica preso l’Università del Piemonte Orientale

Si occupa di progettazione, sintesi e caratterizzazione chimico-fisica delle proprietà di superficie e di interfaccia di materiali inorganici o ibridi organico-inorganici funzionalizzati per varie applicazioni.

**Scrittore e Ph.D in Ebraistica

Si occupa di filologia semitica ed ebraismo . Ma ha anche scritto di filologia
ed  è autore di narrativa letteraria con il romanzo
Bite that Fruit, Ediciones Tolstoyevski, Alicante, 2016.

Scrive in spagnolo ed in italiano. In italiano ha scritto, insieme a Ugo Splendore, un romanzo intitolato Santa Marta. Improvvisazioni di vendetta Creativa, Edizioni Compagine 2018.

 

 

Un chimico agli Stati Generali

In evidenza

Come Coordinatore di “Energia per l’Italia” VIncenzo Balzani aveva inviato al Presidente del Consiglio, Giuseppe Conte, un breve documento; è stato invitato alla giornata conclusiva degli Stati Generali, domenica e ci fa il seguente resoconto; in coda l’intervento che ha svolto.

Vincenzo Balzani.

Sono stato, come era previsto,  l’ultimo a parlare della mattinata. Prima di me avevano parlato, con inizio alle 9, ben dodici altre persone: dalla moda alle auto elettriche, dai polimeri degradabili alle industrie manifatturiere. Io ero stato convocato per le 12.  Erano presenti, oltre al presidente Conte, i ministri Gualtieri, Patuanelli, Manfredi e Speranza. Conte mi ha presentato in modo molto gentile e informato e mi dato la parola alle 12.55. In teoria si doveva finire alle 13, perché alle 14 Conte e i ministri dovevano ascoltare scrittori, architetti e altri.  Per ragioni di tempo ho pensato quindi di saltare l’introduzione e una parte della seconda pagina (i virus profughi, la citazione del libro di Wilson, l’enciclica del papa). Nel frattempo mi sono accorto che i ministri stavano attenti e, allora, ho deciso di andare avanti tagliando poco o nulla:  sostanzialmente ho detto tutto quanto mi ero ripromesso di dire. Quando ho finito, Conte mi ha ringraziato e ha detto che era d’accordo sulle rinnovabili, facendo notare però  che quando si prova a svilupparle si trovano sempre gruppi, spesso locali, di gente che protesta per i motivi più vari, e ha aggiunto che  l’Emilia ha fretta di ripartire (sottinteso: anche senza le rinnovabili). I ministri presenti hanno poi avuto 3 minuti ciascuno per un intervento su quello che avevano ascoltato durante tutta la mattinata. Patuanelli ha ripreso il mio discorso sul parco eolico in Adriatico meravigliandosi perché anche questo progetto trova opposizioni. Speranza, ha proposito dell’agire sulle persone anziché sulle “cose”, ha citato il libro La spinta gentile di Richard Thaler da cui avevo tratto i miei ragionamenti e che, però, nel mio intervento non avevo citato  espressamente. Questo mi ha fatto un’ottima impressione.

L’incontro è finito un po’ in fretta perché era tardi, ma sono riuscito a parlare un po’ con Speranza, che è molto favorevole alle nostre proposte,  poi a fermare Conte per il quale avevo preparato un pacchetto, che gli ho consegnato, contenente Energia per l’Astronave Terra, l’ultimo libro che ho fatto (Salvare il pianeta per salvare noi stessi) e una lampada fotovoltaica fatta in Cina e distribuita da SolarAid (associazione inglese) in Africa, così si ricorda meglio di noi. Conte poi mi ha ripetuto che è pronto a considerare documenti che gli giungano entro pochi giorni; poi chiuderà.

Con i miei colleghi di energiaperlitalia abbiamo pensato di inviargli entro domani sera: 1) il mio intervento scritto; 2) un breve documento separato che raccolga idee che io ho trascurato e, soprattutto, che descriva in modo più approfondito un numero maggiore di interventi urgenti/subito fattibili, descrivendoli meglio di come ho fatto io brevemente nel mio testo . 3) dopo quanto ha detto Conte nella conferenza stampa di ieri sera (utilizzo da parte di ENI del metodo CSS (Carbon Sequestration and Storage ) per sequestrare e immagazzinare CO2 nelle caverne lasciate libere dal metano estratto a Ravenna), ho anche  pensato di mandargli anche un breve documento riservato con qualche commento personale sulla politica di ENI.

Stati Generali 21 giugno 2020

Energia e ambiente

Intervento di Vincenzo Balzani (Università di Bologna)

 

In una famosa fotografia della NASA, scattata dalla sonda spaziale Cassini quando si trovava a una distanza di 1,5 miliardi di chilometri dalla Terra, il nostro pianeta appare come un puntino blu-pallido nel buio cosmico. Molto interessante e anche istruttivo guardare le foto della Terra prese da molto lontano, perché ci si rende conto di quale sia la nostra condizione: siamo passeggeri di una astronave che viaggia nell’infinità dell’Universo. Si tratta di  un’astronave del tutto speciale che non potrà mai atterrare da nessuna parte, non potrà mai attraccare a nessun porto per far rifornimento o scaricare rifiuti. E se qualcosa non funziona o si rompe dobbiamo ripararla da soli, senza neppure scendere. Penso che si dovrebbe mostrare questa foto in cui la Terra appare come un puntino e si dovrebbe commentare questo concetto della Terra come Astronave in tutte le scuole e, ancor più, nei corsi universitari che aprono alla carriera politica.

Ritorno alla normalità?

Recentemente sul nostro pianeta si è diffuso un virus, il coronavirus responsabile della malattia Covid-19, che ha provocato una crisi sanitaria dalla quale stiamo uscendo a fatica. Man mano che la crisi si attenua, si sente sempre più frequentemente auspicare un “ritorno alla normalità”, cioè alla situazione precedente allo sviluppo della pandemia.

Molti dimenticano che la cosiddetta normalità era caratterizzata da altre due crisi: la crisi ecologica e la crisi sociale. Due crisi certamente non meno gravi di quella sanitaria provocata dal virus, che ha causato circa 190 mila morti in Europa e 35 mila in Italia. Cifre che hanno impressionato l’opinione pubblica, almeno quella parte di opinione pubblica che non sa che l’inquinamento causa in Europa ogni anno circa 650 mila morti, quindi più di 3 volte quelli provocati dal virus. In Italia, le vittime della pandemia, circa 35 mila, sono state meno della metà di quelle, circa 80 mila, causate in media annualmente dall’inquinamento.

La pandemia certamente sta facendo anche molti danni sociali, ma ricordiamo che prima della pandemia, cioè nella situazione di normalità a cui molti dicono di voler tornare, in Italia c’erano 5 milioni di persone in povertà assoluta e altri 9 milioni in povertà relativa, e che l’1% più ricco possedeva quanto il 70% più povero.

Non ha senso, poi, tornare alla cosiddetta normalità anche perché è scientificamente accertato che sono proprio le due crisi ecologica e sociale che causano e propagano le pandemie. Secondo gli scienziati, infatti, il virus è passato da animali selvatici all’uomo a causa dei nostri errori nel rapporto con la Natura: degradazione dell’ambiente, cambiamento climatico, esagerata antropizzazione del suolo, perdita di biodiversità, abbattimento delle foreste, sproporzionato uso delle risorse, crescente consumo di prodotti animali, anche animali selvatici da parte dei più poveri.

I virus sono in qualche modo “profughi” della distruzione ambientale causata dalla progressiva occupazione dell’uomo di tutti gli ambienti naturali. Stavano bene nelle foreste e nei corpi di alcuni animali selvatici, li abbiamo costretti ad uscire dai loro habitat e hanno colto l’occasione per moltiplicarsi nei nostri corpi. Ricordo che in un suo recente libro un grande scienziato, Edward Wilson, propone provocatoriamente di lasciare metà della Terra alla Natura se vogliamo vivere bene in questo pianeta.

Tutto questo ci dice che dobbiamo cogliere l’uscita dalla pandemia come un’opportunità per cercare di rimediare alle crisi ecologica e sociale, per correggere cioè il nostro modello di sviluppo e per avviarci verso l’imprescindibile obiettivo della sostenibilità, ecologica e sociale.

Infatti, come ha scritto papa Francesco nell’enciclica Laudato si’: «Non ci sono due crisi separate, una ambientale e un’altra sociale, bensì una sola e complessa crisi socio-ambientale che va affrontata con una visione unitaria dei problemi ecologici ed economici».

Le tre necessarie transizioni

Per uscire dalla crisi ecologica e sociale dobbiamo compiere tre passi concreti in avanti, verso il futuro: come ci ricordano Greta e gli altri ragazzi di Fridays for Future, è un dovere che abbiamo nei confronti dei nostri giovani. I tre passi che dobbiamo fare sono tre transizioni volte a  correggere il nostro modello di sviluppo: la transizione energetica dai combustibili fossili alle energie rinnovabili, la transizione economica dall’economia lineare alla economia circolare e infine, la transizione culturale dal consumismo alla sobrietà.

La transizione energetica

I  combustibili fossili sono molto comodi da usare, ma da più di 30 anni ci siamo accorti che il loro utilizzo causa due gravi problemi: l’inquinamento, a cui si è già accennato, e il cambiamento climatico.

Oggi nel mondo consumiamo, ogni secondo che passa, e i secondi passano in fretta, 250 tonnellate di carbone, 1000 barili di petrolio e 105.000 metri cubi di gas metano producendo, sempre ogni secondo, 1000 tonnellate di anidride carbonica, CO2. Questo gas, immesso nell’atmosfera, avvolge il globo terrestre come un mantello che permette ai raggi solari di raggiungere il suolo, ma poi impedisce al calore di uscire. L’accumulo di anidride carbonica attorno alla Terra provoca quindi un effetto serra che produce il cambiamento climatico.

Nel dicembre 2015, dopo 25 anni di discussioni, 196 Paesi riuniti sotto l’egida dell’ONU hanno elaborato un accordo, noto come Accordo di Parigi, con il quale si riconosce nel cambiamento climatico il pericolo più grave per l’umanità. Come è ben noto, il cambiamento climatico causa lo scioglimento dei ghiacci, l’innalzamento del livello dei mari, l’avanzamento della siccità in molte regioni del mondo, eventi metereologici violenti e, se non lo fermiamo, causerà danni irreversibili al pianeta nell’arco di pochissimi anni.

Sempre sotto l’egida dell’ONU si è  formato da tempo anche un panel di scienziati, il famoso IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), che studia l’andamento del cambiamento climatico e suggerisce ai politici cosa si dovrebbe fare per fermarlo. Nell’enciclica Laudato si’, scritta con la consulenza di molti bravi scienziati, papa Francesco afferma con forza che “I combustibili fossili devono essere sostituiti senza indugio, ma che la politica e l’industria rispondono con lentezza, lontane dall’essere all’altezza delle sfide

Abbandonare l’uso dei combustibili fossili, dai quali otteniamo gran parte (circa 80%) dell’energia che usiamo, può sembrare un problema che non ha soluzione; la soluzione, invece c’è: consiste nello sviluppare e utilizzare, al posto dei combustibili fossili, le energie rinnovabili fornite dal Sole, dal vento e dalla pioggia. Queste energie non producono CO2 e neppure inquinamento; per di più, forniscono direttamente energia elettrica, una forma di energia molto più efficiente del calore generato dai combustibili fossili e sono diffuse e distribuite equamente sul nostro pianeta. Gli scienziati hanno dimostrato che non solo questa transizione si può fare, ma anche che, oltre ad eliminare inquinamento e frenare il cambiamento climatico, è molto vantaggiosa per altri motivi. Stime concordi di molti economisti, fra i quali il premio Nobel J. Stiglitz, valutano infatti che le energie rinnovabili, a parità di capitale investito, creano 3 volte più occupati delle fonti fossili, per cui gli investimenti nelle energie rinnovabili sono anche i più efficaci per il rilancio dell’economia. Un gruppo della Università di Stanford ha svolto un’indagine dettagliata sui benefici che la transizione porterà in vari Paesi. Per quanto riguarda l’Italia, lo studio afferma che l’energia necessaria al nostro Paese si può ricavare essenzialmente da eolico, fotovoltaico e idroelettrico, con un piccolo contributo di geotermico. Ha anche valutato che per la costruzione degli impianti necessari si occuperà non più dello 0,26% del territorio e che si creeranno 138.000 posti di lavoro per la costruzione degli impianti e altri 140.000 per il funzionamento.

La transizione energetica dai combustibili fossili alle energie rinnovabili è però fortemente ostacolata dalla lobby dei combustibili fossili (in Italia, da ENI). Per cui siamo in una strana situazione in cui il futuro, cioè le energie rinnovabili, è già presente, ma il passato, cioè i combustibili fossili, non vuole passare. Il passato non vuole passare perché ci sono in gioco enormi interessi, non solo economici. Poiché non c’è spazio per entrare nei dettagli, si ricorda solo che l’attuale AD di ENI, nelle numerose interviste rilasciate ai giornali anche nelle ultime settimane, insiste sul fatto che le energie rinnovabili non sono ancora mature, per cui, secondo lui, bisognerà andare avanti ancora per molti decenni con i combustibili fossili. Per smentire questa favola delle energie rinnovabili non mature, basta fare un semplice confronto: la fotosintesi naturale converte l’energia solare in energia chimica con un’efficienza energetica dello 0,2%, mentre il fotovoltaico converte l’energia solare in energia elettrica con un’efficienza del 20%, cioè 100 volte maggiore! A ciò si può aggiungere un altro numero: attualmente gli impianti fotovoltaici installati nel mondo generano una quantità di elettricità pari a quella generata da 170 centrali nucleari, senza produrre scorie radioattive e senza produrre anidride carbonica. Quindi, per favore, l’AD di Eni smetta di dire che le energie rinnovabili non sono mature; si renda conto, piuttosto, che il fotovoltaico è un formidabile successo dell’ingegno umano e un’innovazione veramente grande che contribuirà ad eliminare l’uso dei combustibili fossili.

Italia e Europa, prima della pandemia, non si sono mostrate particolarmente attive nel promuovere la transizione energetica. Il nostro gruppo energiaperlitalia ha pubblicamente criticato il PNIEC (Piano Nazionale Integrato Energia e Clima) perché, pur contenendo elementi positivi, è formulato in modo che i combustibili fossili rimarranno la fonte prevalente di energia in Italia non solo al 2030, ma anche fino al 2040. E’ evidente che nella stesura di questo piano energetico del Governo ci sono state forti pressioni della lobby dei combustibili fossili.

Ora le cose, almeno a livello europeo, sono cambiate. E’ stato lanciato un piano ben finanziato, il Green Deal europeo, che è una strategia articolata per azzerare le emissioni climalteranti entro il 2050, ridurre l’inquinamento, proteggere il pianeta e far sì che la transizione energetica sia socialmente giusta ed inclusiva. L’Italia non deve perdere questa occasione che, fra l’altro, può fare emergere le grandi potenzialità della nostra industria manifatturiera perché fotovoltaico, eolico, sistemi di accumulo dell’energia elettrica e tutto quello che riguarda le energie rinnovabili si basa proprio su questo tipo di industria, in cui noi siamo maestri.

Abbiamo visto con piacere in questi giorni che è stato presentato un progetto per la costruzione di un parco eolico nell’Adriatico al largo di Rimini: 59 pale alte 125 metri capace di generare 330 MW. Un ottimo progetto, al quale naturalmente si oppongono i conservatori che non sanno vedere la bellezza delle pale eoliche e ai quali, comunque, va detto che se non vogliono le energie rinnovabili dovranno tenersi i combustibili fossili con inquinamento e cambiamento climatico, oppure vivere al buio. A questo proposito ricordiamo che oggi l’eolico a livello mondiale fornisce al mondo una quantità di energia elettrica pari a quella che sarebbe generata da 270 centrali nucleari.

Quindi, il suggerimento di energiaperlitalia è questo: il Governo per rilanciare l’economia e aumentare i posti di lavoro deve favorire e sviluppare la produzione e l’uso delle energie rinnovabili. In Europa dovremo opporci, come dice il segretario dell’ONU, ad ogni tentativo che gli aiuti post corona-virus vadano alle industrie e alle attività che inquinano. Naturalmente, questo dovremo farlo anche noi in Italia. Ricordiamo che, secondo dati del Ministero dell’Ambiente, nel 2018 i sussidi e le agevolazioni a fonti energetiche con dannoso impatto ambientale (essenzialmente i combustibili fossili) ammontavano a 16,9 miliardi, mentre quelli a favore di fonti con impatto ambientale favorevole (cioè le energie rinnovabili) erano di 13,7 miliardi. Quindi siamo all’assurdo che i combustibili fossili, responsabili dei danni alla salute e del cambiamento climatico, sono addirittura maggiormente incentivati rispetto aelle energie rinnovabili che, invece, dovranno salvarci da queste sciagure. Riteniamo anche che nel Green Deal europeo l’Italia deve assumere un ruolo di leader, se non altro perché abbiamo molto più Sole di quello che hanno gli insopportabili “paesi frugali”.

La transizione economica

Dall’economia lineare all’economia circolare

Un altro punto da mettere all’ordine del giorno nel rilancio dell’economia post-virus è la transizione dall’economia lineare, caratterizzata dall’usa e getta, all’economia circolare. Non è possibile continuare con «l’usa e getta» perché è un sistema ecologicamente insostenibile: porta da una parte all’esaurimento delle risorse e dall’altra all’accumulo di quantità enormi di rifiuti, sempre dannosi. Senza soffermarsi su questo punto che dovrebbe essere stato discusso nei giorni scorsi, si vuole solo sottolineare due aspetti del problema. Il primo è che per il successo dell’economia circolare non è sufficiente la raccolta differenziata; è infatti necessario intervenire anche nella fase di progettazione affinché gli oggetti a fine uso siano facilmente disassemblabili, così da poter riciclare più facilmente gli elementi di ogni singolo componente. Il secondo aspetto, invece, è che la differenza fondamentale fra economia lineare e economia circolare riguarda l’energia: l’economia lineare è alimentata dai combustibili fossili, mentre l’economia circolare deve utilizzare l’energia solare e le altre fonti di energia (eolica, idrica) ad essa collegate. Ecco quindi che la seconda transizione, quella dall’economia lineare alla economia circolare, non può realizzarsi completamente se non si porta a termine la transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili.

La crescita

Riguardo all’economia, c’è anche un problema più generale su cui facciamo solo una breve considerazione.

La situazione pre-virus era caratterizzata dalla parola crescita, collegata al PIL. Nei piani di rinascita si ricomincia a parlare di crescita in modo sempre più insistente. Tutto deve crescere perché tutto quello che cresce fa aumentare il PIL. Se consideriamo che il pianeta, l’unico luogo dove possiamo vivere, ha risorse limitate, non dovrebbe essere difficile capire che una crescita senza limite di tutte le produzioni è semplicemente impossibile.

Quindi, non bisogna tornare semplicemente alla crescita, ma ogni volta che qualcuno pronuncia la parola crescita bisogna interrogarsi: è necessaria? è possibile? che conseguenze comporta per la salute del pianeta? che conseguenze comporta per  la società? Se la crescita non rispetta l’ambiente e non riduce le disuguaglianze, che sono i due punti deboli della nostra società, quella crescita non è progresso e quindi non bisogna perseguirla. Esempi: la crescita del PIL connessa all’acquisto (es. aerei Tornado) o alla vendita (es. navi militari all’Egitto) di armi non va assolutamente perseguita, così come non si deve favorire l’estensione delle autostrade a scapito delle linee ferroviarie, perché l’energia rinnovabile sarà elettrica e quindi i trasporti, particolarmente delle merci, dovranno prevalentemente avvenire su ferrovia e non su strada.

La Terra come limite

C’è un altro concetto importante da chiarire quando si parla di energia. Le energie rinnovabili primarie, quelle del Sole, del vento e dell’acqua, per essere utili devono essere convertite in energie di uso finale, cioè elettricità. Per far questo è necessario costruire congegni e strutture materiali (pannelli fotovoltaici, pale eoliche, dighe, ecc.) usando le risorse minerali che ci può fornire la Terra. Ma nella Terra c’è quello che c’è, non quello che noi vorremmo ci fosse. Possiamo fare l’esempio del Neodimio, un elemento che forse molti non sanno cosa sia, ma che è importantissimo per il buon funzionamento delle pale eoliche. In Italia di Neodimio non ce n’è: è quasi tutto in Cina. Da questo fatto dobbiamo trarre la lezione che nessuno può fare da solo, sono importantissimi tutti gli scambi commerciali per giungere alla sostenibilità ecologica globale.

C’è poi un’altra lezione da imparare. Il nostro limite per le risorse è la Terra, la limitata disponibilità e la non uniforme distribuzione delle risorse materiali di cui abbiamo bisogno. Degradare il pianeta vuol dire ridurre le risorse disponibili.  Alla scarsità di materiali si potrà ovviare, in parte, con il riciclo (economia circolare). Ma è molto probabile che con le energie rinnovabili non sarà possibile produrre tutta l’energia che vorremmo, per poi sprecarla e, certamente, saremo ancora una volta di fronte al problema della disuguaglianza fra le varie nazioni, con tutto ciò che essa comporta.

Transizione culturale

Dal consumismo alla sobrietà

Nel tentativo di risolvere, o almeno attenuare i problemi della relativa scarsità di risorse materiali e delle disuguaglianze, possiamo porci una domanda limitandoci sempre al tema dell’energia, anche se il ragionamento può essere facilmente esteso ad altre risorse.

La domanda è: di quanta energia abbiamo effettivamente bisogno? Sappiamo bene che nei paesi ricchi gran parte dell’energia viene sprecata e d’altra parte indagini e statistiche rivelano che il benessere delle persone non è direttamente proporzionale all’energia che consumano. Vediamo allora qualche numero. Ogni cittadino americano impiega mediamente l’equivalente di 12.000 watt di potenza, il doppio di un cittadino europeo (6.000 watt). Indagini dimostrano che il benessere delle persone negli Stati Uniti non è maggiore di quello delle persone in Europa. Non solo, ma nel 1960 ai cittadini europei bastavano 2.000 watt pro-capite per vivere bene. Partendo da queste considerazioni scienziati svizzeri hanno stimato che 2000 W rappresentano una quantità sufficiente di energia per vivere in modo confortevole e il Governo svizzero ha quindi proposto una legge per ridurre a 2000 W il consumo di energia per persona entro il 2050. Tale legge è stata sottoposta a referendum e approvata dalla maggioranza dei cittadini svizzeri nel 2017. Quindi, si può star bene consumando meno energia.

A questo punto rimane un problema sottile. Come si può fare a ridurre il consumo di energia quando si è abituati a sprecarla? Chi studia questo problema indica due strategie: la prima è agire sulle cose, cioè aumentare l’efficienza energetica di tutte le apparecchiature che usiamo. Quindi: automobili e lampadine che consumano meno, infissi che impediscono l’uscita del calore dalle abitazioni, ecc. L’esperienza dimostra, tuttavia, che l’aumento dell’efficienza delle «cose» spesso non porta a una riduzione sostanziale del consumo di energia per diversi motivi, fra cui il cosiddetto «effetto rimbalzo». Può accadere, infatti, che un aumento dell’efficienza energetica incoraggi un maggiore utilizzo dei servizi energetici. Ad esempio, quando una persona sostituisce una vecchia auto con una meno inquinante spesso finisce per usarla più di quella vecchia.

Se si vuole realmente consumare meno energia per contribuire alla sostenibilità ecologica e sociale bisogna agire sulle persone, prima che agire sulle cose. Bisogna partire dal concetto di sufficienza e convincere, sollecitare gentilmente (si veda La spinta gentile, di Richard Thaler) e, in casi estremi, obbligare le persone con leggi e sanzioni, a ridurre l’uso non necessario dei servizi energetici. Per risparmiare realmente energia non basta «fare con meno», bisogna «fare meno»: minor consumo di prodotti inutili, minor velocità in autostrada, meno viaggi non strettamente necessari e così via. Se poi la “cosa” che si usa, dopo aver adottato la strategia della sufficienza, è più efficiente si avrà un risparmio ancora maggiore: è il «fare meno (sufficienza) con meno (efficienza)». Questi concetti possono essere applicati a qualsiasi risorsa, poiché tutte le risorse della Terra sono, più o meno, limitate.

Ecco allora la terza transizione da attuare per raggiungere la sostenibilità (ecologica, sociale ed economica): dal consumismo al risparmio, alla sufficienza, o, meglio, alla sobrietà. Senza adottare stili di vita ispirati alla sobrietà non si potrà andare molto lontano.

Conclusione

E’ chiaro che le tre transizioni di cui si è parlato richiedono un forte impegno e grandi investimenti. Ma intanto si può iniziare dalle piccole cose, ma pur sempre significative.

Ad esempio:

– eliminare gli ostacoli alla diffusione delle energie rinnovabili, consentendo ai consumatori di unirsi in comunità, come già accade in Europa, per condividere l’energia prodotta da fonti rinnovabili a livello di condominio o di quartiere o di gruppi di imprese

– eliminare i sussidi e le agevolazioni ai fossili, passandoli alle energie rinnovabili.

– dismettere le 8 centrali elettriche a carbone, cosa che il Governo ha promesso di fare entro il 2025, senza rimpiazzarle con centrali a gas.

 

Gli inceneritori possono diffondere i PFAS, non eliminarli

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Sui prodotti per- e polifluoroalchillici (PFAS), sulla loro pericolosità per la salute e per l’ambiente sono stati pubblicati diversi post su questo blog. Fra i vari impieghi di queste sostanze uno dei principali è come schiume antincendio.

Nuovi dati provenienti dagli USA suggeriscono che lo smaltimento dei rifiuti dei PFAS negli inceneritori non decompone questi prodotti persistenti, anzi li diffonde nelle aree circostanti (C. Hogue, Incinerators may spread, not break down PFAS, c&en news, april 27, 2020).

Nella cittadina di Cohoes (Stato di New York, 17000 abitanti) è attivo un inceneritore (gestito dalla società Norlite, produttrice di materiali ceramici), che brucia schiume antincendio a base di PFAS.

L’inceneritore di rifiuti pericolosi Norlite confina con un complesso residenziale abitato da 70 famiglie a Cohoes, NY. Credit: David Bond/Bennington College

All’inizio di marzo, una gruppo di professori e studenti del Bennington college[1] (Stato del Vermont), ha viaggiato per i circa 50 km che separano il campus fino a Cohoes, dove hanno raccolto campioni di suolo e acque superficiali vicino all’inceneritore. I campioni sono stati analizzati da un laboratorio indipendente (Eurofins Eaton Analytical[2]) per rilevare la presenza di PFAS, che ha stilato un dettagliato rapporto [1].

I PFAS trovati nei campioni sono gli stessi prodotti chimici precedentemente utilizzati nelle schiume antincendio, in particolare l’acido perfluoroottanoico (PFOA), ha comunicato David Bond[3], coordinatore del gruppo di Bennington.

I nuovi dati suggeriscono che l’incenerimento della schiuma contenente PFAS nell’inceneritore di Cohoes non sta distruggendo i prodotti chimici persistenti ma “ridistribuendoli nei vicini quartieri poveri e della classe operaia”, afferma Bond.

“È folle cercare di continuare a bruciare i PFAS perchè in base alle loro  proprietà sono resistenti al degrado termico”, afferma Bond.

Il campionamento faceva parte di una più ampia ricerca che la pandemia COVID-19 ha interrotto. I ricercatori hanno trovato i primi risultati allarmanti e significativi per la salute pubblica, quindi hanno deciso di comunicarli prima di pubblicarli su una rivista scientifica ambientale. “Non reputo etico ignorare dati come quelli contenuti nel rapporto di Eurofins Eaton Analyticals “, dice Bond.

David Bond

Ovviamente ne è nata una polemica, e Tradebe, una società di servizi ambientali affiliata a Norlite, sottolinea che la società ha bruciato la schiuma contenente PFAS in conformità con le autorizzazioni dell’EPA e del Dipartimento per la conservazione ambientale dello Stato di New York.

Tuttavia Norlite ha smesso di accettare l’incenerimento di schiume antincendio, in attesa di ricerche più approfondite da parte della United States Environmental Protection Agency (EPA federale).

Bibliografia

[1] Eurofins Eaton Analytical, Laboratory Report

https://www.bennington.edu/sites/default/files/sources/docs/Norlite%20Water%20Results%204.25.20.pdf

[1] Il Bennington College è un college privato di liberal arts a Bennington, nel Vermont, fondato nel 1932. In origine un college femminile, divenne co-educativo nel 1969. Fu il primo college a includere arti visive e dello spettacolo come partner paritario nel curriculum di liberal arts. Liberal Arts è il termine dato a programmi contemporanei di educazione che includono aree di studio in discipline umanistiche, scienze sociali, scienze naturali e arti.

[2] Eurofins Eaton Analytical è uno dei principali laboratori di analisi delle acque negli Stati Uniti, offre una gamma di test e servizi di supporto per la conformità e il monitoraggio di acqua potabile, acqua in bottiglia, acqua nella produzione alimentare e acqua per il riutilizzo.

[3] David Bond, direttore associato del Center for the Advancement of Public Action, insegna scienze ambientali e metodologia dell’azione pubblica. Formatosi come antropologo, Bond studia in particolare le fuoriuscite di petrolio e il loro impatto nell’ambiente e nella sua tutela.

Covid-19 come occasione.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

In questi giorni in più sedi e con approcci diversi si è parlato della faccia positiva della covid-19: recupero di alcuni valori persi, solidarietà, impegno sociale, riappropriazione da parte della natura degli spazi occupati dall’uomo, nuovi stili di vita e di organizzazione del lavoro.Riflettendo sul mio caso ho pensato ad un altro ritorno: la chimica é disciplina a prevalente conoscenza induttiva, affidata perciò alla sperimentazione.
I chimici sia nella ricerca che nell’industria rispondono a tale visione ed eccellono nel programmare e realizzare esperienze complesse e finalizzate, molte volte raccogliendo dati preziosi ed innovativi. Spesso proprio per l’entusiasmo generato dai risultati si mettono in cantiere altre esperienze rinunciando, nella logica della ottimizzazione del tempo disponibile, all’estrazione dai dati ottenuti del massimo possibile di nuove conoscenze.
Ecco la covid-19 fermando l’attività in laboratorio e di conseguenza l’arrivo di nuovi dati ci ha obbligato a puntare sul lavoro di selezione, sintesi ed analisi  dei risultati in precedenza conseguiti. Questa fase ha consentito di arricchire le banche dati, di contribuire al patrimonio dei big data, di aprire nuove strade scientifiche. Questa situazione ha svolto un ruolo anche educativo sul piano sociale: sperimentare costa ed allora estrarre dalle esperienze il massimo di conoscenza ha un significato anche economico.
Questo fine si può ottenere innanzitutto con esperienze significative rispetto alle risposte  attese, con trattazioni statistiche adeguate, ma anche con prove certificate, materiali e processi di riferimento, strumentazione calibrata.

https://www.youtube.com/watch?v=HCUIC0UL9nA

Questi momenti di riflessione, gli ultimi prima della ripresa in laboratorio, servono a dare una nuova cultura della misurazione e dell’elaborazione matematica e modellistica dei risultati sperimentali ottenuti. La pausa forzata non è tempo perso: molti di noi ne stanno anche approfittando per concludere articoli che stavano scrivendo e non erano riusciti a finalizzare. Un ulteriore aspetto riguarda la riflessione sulla ricaduta delle proprie ricerche in settori diversi da quello originario. Un esempio molto interessante con riferimento all’attualità  è rappresentato dalla ricerca in oncologia, in particolare dagli studi sul sistema immunitario così importanti rispetto ai test per la ricerca di anticorpi contro il coronavirus. Si può quindi concludere che fare ricerca anche quando il lab è chiuso dipende solo da noi e dal nostro amore per la scienza!

La più lunga catena di polisaccaridi finora sintetizzata

In evidenza

Rinaldo Cervellati

I polisaccaridi – lunghe catene di zuccheri semplici – svolgono un ruolo centrale nei sistemi biologici, incluso il supporto della struttura cellulare, la conservazione dell’energia chimica e la regolazione del riconoscimento cellulare. Ma sintetizzare i polisaccaridi in laboratorio è un compito molto arduo. Un gruppo di ricercatori, coordinato dal Prof. Peter H. Seeberger[1] ha sintetizzato la catena di polisaccaridi più lunga mai sintetizzata finora, e lo ha fatto in tempi record, utilizzando la tecnica automated synthesis[2]. Ne dà notizia Fernando Gomollón-Bel, su C&EN newsletter del 27 maggio scorso (Automated synthesis creates longest polysaccharide to date, special to C&EN, May 27, 2020).

Il gruppo di Seeberger ha prodotto un polimero zuccherino lungo 100 unità in meno di 200 ore, ottenendo una resa complessiva dell’8% [1]. I ricercatori hanno anche creato un polimero ramificato con 151  unità monomeriche, dimostrando che con il loro approccio automatizzato si possono realizzare strutture più complicate.

Peter H. Seeberger

Carolyn Bertozzi[3], con un tipico modo di dire americano, afferma che questo lavoro ”ha letteralmente cambiato le carte in tavola”. In effetti, spiega Bertozzi: “Per molto tempo, i chimici hanno cercato di creare lunghe catene di zucchero usando le classiche strategie di sintesi organica. I polisaccaridi sono stati più difficili da sintetizzare [rispetto ad altri biopolimeri] perché hanno strutture di collegamento molto diverse. I polisaccaridi possono avere molti rami e stereocentri, quindi i ricercatori che li sintetizzano devono considerare variazioni nella regiochimica e nella stereochimica per ogni connessione di monomeri. Preparare anche un breve oligosaccaride in questo modo potrebbe richiedere diverse settimane.

Carolyn R. Bertozzi

In effetti, il precedente più grande policarboidrato sintetico è una molecola di 92 unità costruita unendo insieme blocchi più corti, un risultato che ha richiesto più di 2 anni [2].

Nel 2001, Peter H. Seeberger al Max Planck Institute of Colloids and Interfaces  iniziò ad adattare i metodi automatizzati in fase solida, che fino a quel momento erano stati usati solo per produrre peptidi e acidi nucleici, per sintetizzare polisaccaridi. In questo processo, le molecole vengono attaccate covalentemente a una resina con un linker (legante). Quindi la molecola viene accresciuta passo dopo passo tramite una serie di reazioni di glicosilazione. Dopo che i polisaccaridi hanno raggiunto la lunghezza desiderata, vengono staccati dalla resina e purificati. Una macchina automatizzata esegue i numerosi cicli di reazioni necessari per giungere al prodotto finale (fig 1[1]).

Figura 1. Schema del metodo automatizzato per sintetizzare lunghi polisaccaridi di mannosio. Credit: J. Am. Chem. Soc.

Al gruppo di Seeberger ci sono voluti circa vent’anni per ottimizzare il processo, aumentando l’efficienza di ogni passaggio. “Abbiamo davvero spinto i limiti per rendere le reazioni le più veloci e ad alto rendimento possibile“, dice Seeberger e continua: “Abbiamo studiato ogni singolo passaggio.” Ciò ha incluso la ricerca di un linker alla resina in fase solida in grado di resistere a centinaia di reazioni di accoppiamento ma che tuttavia fosse facile da eliminare una volta realizzate le molecole desiderate. I ricercatori hanno anche dovuto migliorare le tecniche di purificazione e spettrometria di massa in modo da poter caratterizzare accuratamente i polisaccaridi estremamente lunghi durante la realizzazione.

La capacità di produrre polisaccaridi sintetici aiuterebbe gli scienziati a comprendere le loro funzioni biologiche in contesti normali e patologici, afferma Bertozzi. Seeberger è fiducioso che, con lievi modifiche, l’apparecchiatura robotica potrebbe essere messa in grado di sintetizzare polisaccaridi ancora più lunghi e in tempi molto più brevi. La metodologia attuale utilizza solo un tipo di unità di zucchero: il mannosio. Dato che probabilmente ci sono milioni di strutture polisaccaridiche in natura, i prossimi passi tenderanno a produrre strutture con componenti monomeri i più diversi.

Bibliografia

[1] A. A. Joseph, A. Pardo-Vargas, P. H. Seeberger, Total Synthesis of Polysaccharides by Automated Glycan Assembly, J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c00751

[2] Wu, Y., Xiong, D., Chen, S. et al. Total synthesis of mycobacterial arabinogalactan containing 92 monosaccharide units. Nat. Commun., 2017, 814851.

[1] Peter H. Seeberger è uno dei direttori dell’Istituto Max Planck su Colloidi e Interfacce di Golm, vicino a Potsdam (Germania), dove è a capo del Dipartimento Sistemi Biomolecolari. È uno specialista nell’area della glycomics. La Glycomics è lo studio dell’intero comparto degli zuccheri, liberi o presenti in molecole più complesse di un organismo, compresi aspetti genetici, fisiologici, patologici e altri.

[2] Automated synthesis (sintesi automatica) è un insieme di tecniche che utilizzano apparecchiature robotiche per eseguire la sintesi chimica in modo automatizzato.

[3] Carolyn Ruth Bertozzi è un chimico americano, professore ordinario alla Stanford University. Nota per aver fondato un nuovo campo della chimica, la chimica bioorthogonal. La chimica bioorthogonal è un settore della biochimica che consente ai ricercatori di modificare chimicamente le molecole nelle cellule viventi senza interferire con i naturali processi biochimici.

Sul Ripassone di Scienze di ENI.

In evidenza

Vincenzo Balzani, Margherita Venturi e Claudio Della Volpe

ENI ha pubblicato un documento web, chiamato il Ripassone di Scienze, che ha lo scopo di aiutare gli studenti a superare l’esame di maturità. Anche se siamo in netto contrasto con le politiche energetiche di ENI e con il suo modo ingannevole di fare pubblicità, un documento del tipo il Ripassone di Scienze potrebbe essere utile per gli studenti e quindi l’abbiamo accolto con favore. In fin dei conti, ENI è la nostra maggiore industria chimica e quindi è giusto che fornisca agli studenti un mezzo che, nel contempo, possa aiutarli a superare l’esame di stato e, soprattutto, indurli a scegliere corsi universitari nell’ambito scientifico. Per far questo, ad esempio, nel caso della Chimica sarebbe stato utile ricordare che solo per mezzo della Chimica si potranno risolvere i 4 problemi più importanti per l’umanità: salute, cibo, energia, e materiali.

Ma il Ripassone non parla di argomenti importanti. Presenta semplicemente una serie di 200 domande, con risposte a quiz, su 68 argomenti di 4 materie: Biologia, Chimica, Fisica e Scienze della Terra.

Inoltre, abbiamo constatato che il Ripassone non solo non è scientificamente educativo, ma ha anche gravi lacune come strumento puramente mnemonico e in alcuni casi introduce addirittura concetti sbagliati.

(Nota 1)1˜

Per ragioni di spazio ricordiamo solo alcuni esempi.

Chimica; argomento: il pH; domanda n.ro 2:

La domanda è assurda in sé perché diluendo (con acqua) una soluzione acida non si può mai arrivare a pH 9. Ma andiamo ad esaminare la risposta corretta, che è detta essere la C:

Intanto questa non è la risposta al quesito. In secondo luogo, la risposta è in sé assurda perché diluendo un acido con acqua, come caso estremo di diluizione all’infinito, si resta con acqua pura, che ha pH = 7 in quanto dissociandosi l’acqua produce lo stesso numero di ioni H+ e OH, con una costante di equilibrio [H+ ] ´ [OH] = 10-14, e quindi con [H+ ] = 10-7, cioè pH = 7; mentre la risposta “corretta” secondo ENI è pH = 9.

Quindi è sbagliata la domanda perché non è possibile in alcun modo per semplice diluizione trasformare una soluzione acida in una basica, e, fatalmente è sbagliata la risposta perché non ci sono risposte corrette a domande senza senso. Per di più la non risposta confonde le idee con un esempio non pertinente . (Nota 2).2•

Passiamo a un’altra domanda che, come diremo sotto, è della massima importanza non solo in Chimica, ma anche in tutte le altre scienze:

Chimica; argomento: i legami chimici; domanda n.ro 5:

Anche in questo caso la domanda ha due gravissimi errori: anzitutto non si dice di quali molecole si tratti, ma si mostrano solo formule di struttura. Nella formula C ogni atomo di idrogeno è legato all’ossigeno con un simbolo che sembra un doppio legame: è, infatti, esattamente uguale a quello che lega i due atomi di ossigeno nella formula B e i due atomi di ossigeno al carbonio nella formula A (in questi due casi il legame è effettivamente doppio). Gli studenti e forse anche alcuni professori saranno colpiti da un dubbio: ma C di che molecola è mai la formula? Anche alle elementari si sa che l’idrogeno forma sempre solo un legame singolo. Probabilmente si tratta di una sorta di bastoncino generico per tutte e tre le fomule, ma l’ambiguità rimane. Quindi nasce l’idea che la domanda parli di C come di uno schema su cui ragionare in confronto a A e B. Ad esempio, se consideriamo semplicemente le formule A, B e C come sono mostrate, quale è polare? Oppure: se qualche pazzo teorico ultimamente, a nostra insaputa, avesse trovato evidenza per doppi legami dell’ossigeno con l’idrogeno, quale è polare? Con questi dubbi, che la formula C giustifica, si può pensare che si tratti di una domanda tranello e che quindi la risposta giusta sia “nessuna”. Naturalmente ogni persona sensata può anche pensare che C sia, anche se non le assomiglia, la normale molecola d’acqua, con legami semplici, e che è angolare e, quindi, polare.

Non era più giusto fare una domanda del tipo: quale fra queste tre molecole, CO2, O2 e H2O è polare?

Che la domanda fosse assurda probabilmente lo hanno capito gli stessi autori e questo è forse il motivo per cui nella risposta rimandano ad una lezione di Scienza in classe del sito eniscuola (http://scienzeinclasse.eniscuola.net/corsi/Corso88/story_html5.html?lms=1) dove, dopo aver mostrato la formula angolata della molecola d’acqua, in una pagina successiva introducono il legame a idrogeno così: Questo legame è causato dalla concentrazione della carica negativa del dipolo in un atomo molto piccolo, come quello dell’ossigeno dell’acqua, avente coppie di elettroniche libere. Questa maggiore densità di carica positiva (?) rende l’attrazione fra una molecola e l’idrogeno di una molecola adiacente più intensa rispetto ad altre interazioni dipolo-dipolo. Quel “positiva” dovrebbe essere negativa, ma questo è chiaramente un lapsus.( http://scienzeinclasse.eniscuola.net/corsi/Corso88/story_html5.html?lms=1)

E ora veniamo alla Fisica con qualche esempio

E questa è la risposta (la B se schiacciate, ossia 5.3), ma….:

Lasciamo stare il punto interrogativo, casomai dipende dal browser, ma anzitutto la seconda risposta è 5.3m/s non 0.58m/s; inoltre come mai la lunghezza di una singola circonferenza viene divisa per 3 e non moltiplicata per 3 dato che i giri al secondo sono 3? 2𝜋 x 0.28 x 3=5.3 m/s.

Errori del genere possono anche essere formali, ma generano negli studenti tanta confusione.

Un uomo corre con una accelerazione costante di 72 km/h?

Ma (a parte il valore numerico) questa è una velocità non una accelerazione!

Un altro errore che può essere solo formale, ma certamente, ancora una volta crea un’enorme confusione.

Insomma, un pasticcio questo Ripassone; l’idea di partenza è buona, però ci sono troppi errori formali e sostanziali capaci di destabilizzare gli studenti. Rimaniamo, quindi, dell’idea manifestata anche in altri post, che il mestiere dell’insegnante debba essere svolto da chi è insegnante e nelle materie di cui si è effettivamente esperti. Non a caso il mestiere dell’insegnante è il più difficile del mondo, come quello del genitore: ha la grande responsabilità di formare i cittadini del futuro.

Note di approfondimento.

1

Nota 1.

Di ENI  e della sua pubblicità ingannevole abbiamo parlato più volte contestandone la natura non corretta, una cosa che d’altronde è stata riconosciuta anche da organi istituzionali, come abbiamo raccontato nel nostro blog; ENI si è presentata come chi difende l’ambiente con le sue scelte, chi vende combustibili più puliti, ma è poi risultato che non è vero, chi è scelto dai presidi per illustrare le scelte della sostenibilità, ma poi non abbandona i fossili; qui sotto una lista dei nostri ultimi commenti.

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2020/05/02/il-futuro-non-aspetta-e-allora-la-scuola-lo-affida-a-eni/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2020/03/06/eni-e-dintorni/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/07/22/eni-e-prima-ma-anche-ultima/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/06/16/la-pubblicita-di-eni-2-quanto-e-verde-la-chimica-verde/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/06/09/la-pubblicita-di-eni-il-metano-ci-da-una-mano-o-no/

2•Nota 2. Per approfondire il tema supponete il caso più semplice di un acido forte monoprotico, come HCl, dunque completamente dissociato; questo significa che per avere un pH = 5 occorre preparare una soluzione di HCl 10-5 M; se la diluite arriverete velocemente in una condizione in cui non potete trascurare l’equilibrio di dissociazione dell’acqua e dovete allora allargare la rappresentazione del sistema considerando questa dissociazione oltre alla diluizione dell’acido forte; a mano a mano che si diluisce la concentrazione di H+ prodotta dall’acido diventa paragonabile e, poi, perfino inferiore a quella che l’acqua produce spontaneamente; sotto a quel valore, pari a 10-7 M, non riuscite a scendere affatto.

Il problema numerico si affronta aggiungendo una seconda equazione a quella scritta nel testo [H+] ´ [OH] = 10-14: la somma delle cariche positive e negative deve essere sempre uguale perché in caso di eccesso di una delle cariche le forze elettriche repulsive sarebbero così forti da disgregare la materia stessa.

[H+] =[OH] + [Cl]

Ora lo ione cloruro se lo diluite 10.000 volte arriverà effettivamente a 10-9 M, ma lo stesso non avverrà per gli idrogenioni a causa del contributo della dissociazione dell’acqua.

Ed ecco che varrà: [H+] = [OH] + 10-9.

Il sistema di due equazioni in due incognite si può risolvere sostituendo nell’equazione [H+] ´ [OH] = 10-14 l’espressione di [H+] sopra riportata e, quindi, risulta: [OH] ´ ([OH] + 10-9) = 10-14

Ed eccovi con una equazione di secondo grado in OH la cui unica soluzione fisica, positiva è 0.995 ´ 10-7. La concentrazione di H+ sarà dunque (a causa dell’equilibrio di dissociazione) 1.005 ´ 10-7 M, che corrisponde a un pH di pochissimo inferiore a 7.

In definitiva se diluite un acido forte a pH = 5 di diecimila volte avrete un’acqua quasi pura, ma NON UNA BASE!!

Con un acido debole la situazione è identica nel senso che se diluite un acido debole, quello si dissocerà ancor più e si comporterà in pratica come un acido forte molto diluito, ma non potete in alcun modo per semplice diluizione trasformare una soluzione acida in una basica.

Sperimentare è bello, ma in sicurezza

In evidenza

Margherita Venturi

Presidente della Divisione di Didattica della Società Chimica Italiana

La Chimica è una disciplina scientifica sperimentale e il suo fascino deriva proprio dal fatto che è possibile “toccare con mano” praticamente tutto ciò che si legge nei testi scolastici; la Chimica, infatti, è colore, luce, odore, effervescenza e molti altri tipi di manifestazioni stimolanti.

Quanto sia bello “sperimentare”, ma anche quanto sia importante dal punto di vista didattico, è ben sottolineato in un articolo della letteratura chimica americana[1] di cui è protagonista il giovane Ira Remsen, diventato poi un autorevole chimico ben noto per la sintesi della saccarina, e di cui una libera traduzione è qui di seguito riportata.

Leggendo un testo di Chimica arrivai alla frase “l’acido nitrico agisce sul rame”. Mi stavo stancando di leggere cose così assurde e allora decisi di vedere quale fosse il significato reale di quella frase. Il rame era per me un materiale familiare, perché a quei tempi le monete da un centesimo erano in rame. Avevo visto una bottiglia di acido nitrico sulla tavola dell’ufficio del dottore dove mi mandavano per passare il tempo. Non sapevo le proprietà dell’acido nitrico, ma ormai lo spirito di avventura era sceso su di me. Così, avendo rame e acido nitrico, potevo imparare cosa significassero le parole “agisce sul”. In questo modo, la frase “l’acido nitrico agisce sul rame” sarebbe stata qualcosa di più che un insieme di parole. Al momento, lo era ancora. Nell’interesse della scienza ero persino disposto a sacrificare uno dei pochi centesimi di rame che possedevo. Ne misi uno sul tavolo, aprii la bottiglia dell’acido, versai un po’ di liquido sulla monetina e mi preparai ad osservare quello che accadeva.

Ma cos’era quella magnifica cosa che stavo osservando? Il centesimo era già cambiato e non si poteva dire che fosse un cambiamento da poco. Un liquido verde-blu schiumava e fumava dalla moneta e l’aria tutt’intorno si colorava di rosso scuro. Si formò una gran nube disgustosa e soffocante. Come potevo fermarla? Provai a disfarmi di quel pasticcio prendendolo con le mani per buttarlo dalla finestra. Fu così che imparai un altro fatto: l’acido nitrico “agisce” non solo sul rame, ma anche sulle dita. Il dolore mi spinse ad un altro esperimento non programmato. Infilai le dita nei calzoni e scoprii un altro fatto: l’acido nitrico “agisce” anche sui calzoni. Tutto considerato, quello fu l’esperimento più impressionante e forse più costoso della mia vita. Fu una rivelazione e mi spinse a desiderare di imparare di più su quel rimarchevole “agisce sul”.Al di là del desiderio di conoscere di più che ha fatto nascere in Remsen, cosa importante e positiva, l’esperimento è stato sicuramente impressionante, per usare le parole dell’autore, e non ha avuto serie conseguenze, forse perché è stata usata solo una monetina, forse perché l’acido versato era in piccole quantità, ma anche e soprattutto perché è stato possibile aprire subito una finestra per arieggiare il luogo dell’esperimento. Insomma, Remsen è stato fortunato! Per la sua futura carriera di chimico questo esperimento gli ha di certo insegnato che non si mescolano “cose” senza prima conoscere le loro proprietà e riuscire a prevedere eventuali conseguenze.

Uno, a questo punto, potrebbe dire: una cosa del genere, però, non può succedere se si usano i prodotti comuni che si trovano in casa. Nulla di più sbagliato! I maggiori incidenti domestici, anche gravi, si devono proprio all’incauto mescolamento, ad esempio, di detersivi per la pulizia della casa. Con l’idea che se un prodotto pulisce, due fanno meglio, molte persone, soprattutto donne, finiscono al pronto soccorso per aver creato cocktail micidiali. Quello più comune, cioè il più gettonato dalle casalinghe, è ottenuto mescolando candeggina (NaClO) e acido muriatico (HCl, contenuto in molti prodotti anticalcare): oltre al calore, in questo caso, si sviluppa cloro (Cl2), un gas molto tossico che attacca soprattutto le vie respiratorie.

Quindi, prima di qualsiasi incauta operazione e per un uso corretto di questi prodotti, è importante leggere le informazioni riportate sull’etichetta della confezione. Conoscere ciò che si usa è fondamentale, lo sarebbe stato per Remsen e lo è per chi si appresta a pulire la propria casa, particolarmente nell’attuale emergenza da COVID-19, poiché fra le importanti raccomandazioni che vengono date vi è quella di mantenere igienizzati gli ambienti domestici.Sempre il solito interlocutore potrebbe chiedersi la ragione di tutto questo sproloquio. Il motivo è che, proprio considerata l’emergenza COVID-19 e la chiusura della scuola, i nostri studenti sono stati stimolati ad imparare la Chimica facendo esperimenti a casa. È una sollecitazione giusta, in linea di principio, perché stare tutto il giorno davanti al computer ascoltando i docenti può diventare noioso: come dicevo prima, “toccare con mano” i fatti della Chimica è, invece, molto più stimolante. Però, sono molte le raccomandazioni da dare e le cautele da prendere, tenuto conto che questi ragazzi non sono sotto gli occhi dei docenti.

Per esempio, è sbagliato dire agli studenti di provare a fare esperimenti a casa, giusto per fare qualcosa di manuale: gli esperimenti devono avere un fine educativo e, quindi, vanno pianificati e discussi con il docente in ogni dettaglio prima della loro esecuzione.

Visto che non si può andare in laboratorio, è corretto usare quello che si può trovare in casa, ma anche in questo caso, come dicevo prima, è fondamentale chiedere ai ragazzi di leggere prima le etichette dei prodotti eventualmente da usare e prevedere ciò che può succedere con un loro possibile mescolamento: in fin dei conti l’ipotesi è il primo passo del metodo scientifico!

In internet si trova di tutto e di più e i nostri studenti sono dei famelici consumatori della rete: uno dei compiti fondamentali dei docenti è quello di sviluppare nei ragazzi un senso critico nei confronti di quello che trovano e leggono e, quindi, a monte, bisognerebbe consigliare siti affidabili, magari mostrando quante notizie false o informazioni sbagliate e pericolose circolano in internet.

Ci tengo, comunque, a sottolineare che io ho una grande stima dei nostri docenti e sono sicura che il loro comportamento è ineccepibile e perfettamente in linea con quanto ho appena scritto.

Mi preoccupano, invece, gli studenti che potrebbero farsi prendere la mano e incorrere in gravi incidenti, come ha riportato la cronaca di questi giorni. A questo proposito consiglio di ascoltare il video del Prof. Giorgio Cevasco “Chimica al tempo del COVID-19” sul Canale YouTube della SCI (accedervi è molto facile: basta andare nella parte sinistra della home page del sito web della SCI www.soc.chim.it e cliccare il link canale YouTube. Ritengo, inoltre, importante iscriversi e anche questo è facilissimo: nella home page del canale YouTube è visibile un rettangolo rosso a destra con la scritta “Iscriviti”. Basta cliccarci sopra e si è automaticamente iscritti).

In conclusione, la raccomandazione che mi sento di fare ai docenti è: state “addosso” agli studenti; ora che siete lontano da loro è molto più necessario di quando erano a scuola sotto i vostri occhi vigili.

[1]   B.Z. Shakhashiri, Chemical Demonstrations – A handbook for the teachers of Chemistry, The University of Wisconsin Press, 1983, vol. 1, p. xiv.

Don Bosco e il colera.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Giá in un altro post ho parlato di Don Giovanni Bosco, la cui vita da me scoperta per caso mi ha affascinato per gli eventi straordinariamente precursori del nostro tempo. Avevo parlato della promozione, da parte di Don Bosco, della prima raccolta differenziata, in anticipo rispetto al presente di oltre 150 anni.

Voglio oggi parlare delle portentose precauzioni da lui suggerite contro le epidemie: anche in questo caso si è trattato di precorrere l’evento drammatico di questi giorni. Il riferimento è alle epidemie di colera degli anni dal 1860 al 1890 che  colpirono in particolare l’Italia nel triennio 1865-1867. Nel solo 1865 i decessi furono 11 mila: Don Bosco sospese le funzioni religiose e si dichiarò disponibile ad accogliere gli orfani dei genitori colpiti dalla malattia. Nel 1866 la seconda ondata di contagi trovò ancora Don Bosco vigile e disponibile, consigliando ed impegnandosi per limitazioni della libertà di movimento, una sorta di distanziamento sociale.

Terni, C., & Galli, M. (1896). Die Choleraepidemieen in der Provinz Bergamo. Zeitschrift Für Hygiene Und Infectionskrankheiten, 22(1), 209–227. doi:10.1007/bf02288377 

Ma il dramma più grande doveva ancora venire: nel 1867 con oltre 130.000 morti, con Bergamo (come oggi!) la citta più colpita Don Bosco ripeteva la sua raccomandazione :limitare gli spostamenti e mantenere l’unità delle cellule lavorative, in un certo senso finalizzando i ridotti spostamenti ad una prosecuzione ed intensificazioni dei lavori in corso con equipe confinate in se stesse. Questi suggerimenti ed intenzioni divennero nel 1884,quando ancora il colera infuriava, una direttiva di misure preventive da adottare dalla sua comunità rappresentata dalle case salesiane. Questa direttiva si basava su 4 parole: prudenza (limitare i contatti, proteggersi con sistemi schermanti), carità verso i malati (di certo praticata   oggi  da medici ed infermieri), igiene nei limiti delle possibilitá, condivisione dei mezzi, degli accorgimenti, delle conoscenze preziose per contrastare l’epidemia Sembrano parole scritte oggi, ma Don Bosco-come per la raccolta differenziata -le ha scritte oltre 150 anni fa.

 

Giornata mondiale dell’ambiente 2020

In evidenza

Claudio Della Volpe

Questo blog dalla sua fondazione persegue l’obiettivo della discussione, della presa di coscienza, dell’azione e delle proposte concrete sui temi della chimica e dell’ambiente; siamo pienamente coscienti che viviamo un’epoca, l’Antropocene, in cui l’azione umana nei confronti della Natura ha raggiunto un peso insostenibile, che rischia di danneggiare irreversibilmente la rete della natura con riflessi importanti anche su noi stessi.

La crisi è generale, fu denunciata già decenni fa da gruppi isolati di scienziati (si pensi a Limits to growth e ad Aurelio Peccei,  a Rachel Carson, a Barry Commoner e in Italia a Giorgio Nebbia, a Enzo Tiezzi, a Francesco Dondi, a Guido Barone) ed oggi è divenuta consapevolezza comune grazie alle prese di posizione di grandi istituzioni come l’ONU o la Chiesa cattolica.

Noi sappiamo oggi che una crescita economica continua (inclusa quella della popolazione) e votata al raggiungimento del massimo profitto è sbagliata e deve essere cambiata; la produzione lineare che accumula nella biosfera gas di scarico delle combustioni (ossidi di carbonio, azoto e zolfo), prodotti di sintesi non degradabili (POPs, metalli pesanti), che altera tutti i cicli degli elementi distruggendone il delicato equilibrio globale, che fa scomparire decine di specie all’anno sottraendo o inquinando territorio per i bisogni di una sola specie, la nostra, non è compatibile con la sopravvivenza della rete naturale e con la nostra stessa sopravvivenza.

Il riscaldamento globale, la pandemia del coronavirus, l’inquinamento delle acque e dell’aria sono la prova di quanti limiti naturali sono stati violati; la situazione di degrado ha superato ogni livello di guardia. Le centinaia di migliaia di morti da coronavirus non sono un fulmine a ciel sereno ma il risultato combinato di distruzione e abuso delle zone selvatiche, di consumi eccessivi di carne e di riduzione o inesistenza dell’assistenza sanitaria pubblica.

Ovviamente c’è bisogno di cambiamenti tecnici: energie rinnovabili e riciclo dei materiali sono certamente necessari e urgenti; ma c’è soprattutto bisogno di cambiare obiettivi di vita, modi di produzione e riproduzione della nostra vita materiale, organizzazione sociale ed economica; molte delle regole attuali sono incompatibili con il controllo di questi fenomeni, non solo la tecnologia dominante, la combustione dei fossili; a partire da un mercato che è libero solo per i grandi profittatori e speculatori. Il mercato moderno è sostanzialmente incompatibile con la sostenibilità.

Non basta cambiare tecnologia; un mondo sostenibile non è un mondo votato al massimo profitto, alla crescita continua ma che usa le rinnovabili, l’auto elettrica e fa il riciclo. No, non bastano.

E’ un mondo diverso, dove le diseguaglianze sono ridotte o assenti, dove si produce per i bisogni non per il profitto, dove la Scienza è uno strumento di conoscenza e di condivisione , non di potere.

Ecco perché, pur solidali con i contenuti dei documenti che sono stati prodotti dalle tante associazioni ambientaliste dobbiamo distanziarci dai titoli e da certo linguaggio usato.

Quando per esempio Legambiente titola: La chimica che inquina l’acqua https://www.legambiente.it/h%E2%82%82o-la-chimica-che-inquina-lacqua/

un rapporto certamente condivisibile e ben fatto; ma ci sono due cose da ricordare:

non è la chimica come tale che inquina l’acqua, cioè l’uso di sostanze prodotte  industrialmente e basta; ma è un uso smodato e scorretto delle medesime da parte di organizzazioni produttive che non sono sufficientemente controllate e che hanno come obiettivo non soddisfare bisogni ma fare soldi; la chimica si può usare diversamente per esempio per produrre i materiali che poi costituiscono l’ossatura delle energie rinnovabili, ma  anche i processi che servono a depurare l’acqua di scarico e ricondurre sotto controllo il ciclo principale messo fuori uso dall’uomo: il ciclo dell’acqua.

Il rapporto di Legambiente è giusto ma almeno il titolo è sbagliato insomma; e direi anche il trascurare che c’è una chimica positiva che aiuta, che pulisce, che depura, che ricicla.

Tutto è chimica, compresa l’acqua! dunque non è possibile che sia la chimica COME TALE che inquina, sono gli uomini che la usano male, sono gli speculatori, quelli che mettono avanti a tutto l’economia e il profitto, che inquinano, quelli che si nascondono dietro una risciacquatura verde, ma in realtà fortemente ingannevole come l’ENI la principale industria nazionale di fossili  che invece di cambiare registro continua a sostenere che il metano ci da una mano (ma sfortunatamente è un gas serra di molto peggiore della CO2) e che si maschera dietro le finestre fotovoltaiche a bassa efficienza, dietro il ripassone di scienze  per addomesticare i futuri consumatori; ma quei consumatori sono soprattutto futuri cittadini a cui noi chimici, svincolati dal ricatto delle grandi industrie dominanti il mercato e spesso la ricerca, dobbiamo dire la verità: cambiare la tecnologia, cambiare il modo di produrre, tenere a freno la crescita della popolazione e l’occupazione di territorio, riequilibrare i cicli degli elementi a partire dal carbonio, lasciare liberi il mare ed i selvatici per un mondo effettivamente sostenibile; produrre per vivere meglio e non vivere per produrre sempre più.

Michael Faraday e la scoperta del Benzene.

In evidenza

Roberto Poeti

E’ il 1825 quando Michael Faraday (1791-1867) pubblica nella rivista Philosophical Transactions of the Royal Society l’articolo “Su nuovi composti del carbonio e idrogeno, e su certi altri prodotti ottenuti durante la decomposizione dell’olio con il calore “. Nell’articolo è contenuta la descrizione degli esperimenti condotti da Faraday nel laboratorio al seminterrato della Royal Institution nell’arco di molti mesi o forse anni che lo portano alla scoperta del Benzene e altri idrocarburi. La traduzione completa dell’articolo è disponibile in:

  https://www.robertopoetichimica.it/michael-faraday-e-la-scoperta-del-benzene/#more-11837

Ma chi era Faraday in quel momento della sua vita scientifica e in quale contesto fa queste ricerche? Michael Faraday, terzo figlio di un fabbro, nacque nel 1791 in un quartiere alla periferia di Londra. La sua prima educazione fu molto semplice basandosi su poco più che i rudimenti della scrittura, della lettura e dell’aritmetica. Una formazione equivalente pressappoco alla nostra scuola elementare. A tredici anni si impiegò come fattorino presso un rilegatore e libraio, che lo promosse poco dopo come apprendista. Negli anni che seguirono Faraday ebbe modo di leggere i libri che gli venivano affidati per la rilegatura.

Si appassionò così tanto alla scienza, chimica in particolare, che ottenne il permesso di installare in un angolo del negozio un piccolo laboratorio dove era solito passare il suo tempo libero per fare esperimenti. Nel 1812 un cliente del negozio gli dette un biglietto per andare a sentire le ultime quattro lezioni di un corso tenuto da Humphry Davy alla Royal Institution. Davy era un eminente personaggio, poeta e chimico, che presiedeva anche la Royal Institution. Quest’ultima era stata fondata dallo scienziato e statista americano Benjamin Thompson conosciuto anche come Conte Rumford. Era divenuta un centro di divulgazione delle conoscenze scientifiche, e per opera di Davy, che succedette a Rumford, il laboratorio al seminterrato della R.I. divenne tra i più belli e meglio attrezzati al mondo. Faraday rimase affascinato dalle lezioni di Davy. Prese una quantità incredibile di appunti, li riscrisse e li rilegò. Spedì gli appunti a Davy accompagnati da una lettera, nella quale chiedeva un aiuto per poter iniziare una attività al servizio della scienza. Davy colpito dal tono confidenziale e dall’ardore di Faraday, lo convocò per un colloquio agli inizi del 1813. Il colloquio ebbe esito felice. Faraday iniziò a lavorare come assistente di Davy. Dopo aver accompagnato Davy in un lungo viaggio in Europa dove conobbe eminenti scienziati del tempo come Gay – Lussac, Ampere, Arago, Volta, al rientro a Londra nel 1815 riprese a lavorare alla R.I. e poco dopo prese possesso, nello stesso edificio, dell’appartamento in cui visse per i rimanenti anni. Già nel 1819 era ritenuto il principale chimico analitico della Gran Bretagna, era richiesto come consulente tecnico in molte cause. Nel 1820 scoprì e stabilì la composizione di due nuovi composti del carbonio, tetracloroetene e esacloroetano. Nel 1821 mostrò che un filo metallico attraversato da corrente elettrica poteva essere costretto a ruotare intorno ad un magnete fisso e viceversa. Questa scoperta, antesignana del motore elettrico, gli fece guadagnare fama internazionale. I suoi interessi, la sua curiosità spaziavano dalla chimica alla fisica e Faraday si definiva un filosofo naturale. Nello stesso periodo le attenzioni di Faraday si rivolgono verso il gas di città. L’ ingegnere William Murdock, che lavorava nell’ officina di motori a vapore di James Watt a Birmingham, alla fine dell’800 compì lavori pioneristici sulla gassificazione del carbon fossile e sulle proprietà illuminanti del gas prodotto. Le sue scoperte portarono all’utilizzo del gas per l’illuminazione pubblica nelle strade londinesi a partire dal 1814. La dimensione degli impianti di produzione e distribuzione del gas crebbe rapidamente. Nel 1818 erano già installate qualche centinaio di storte (distillatori) distribuite tra tre centrali di produzione, e nel 1820 erano state poste 200 Km di tubazioni e venivano alimentate 30000 lampade nelle strade. Il problema dell’illuminazione interna delle abitazioni

venne risolto da una compagnia, la Portable Gas Company, che distribuiva il gas compresso in robusti contenitori metallici, ricaricabili una volta esauriti. L’operazione di compressione avveniva in un recipiente principale, a cui arrivava il gas da un gasometro (Il gas era ottenuto dalla piroscissione di oli di origine animale o vegetale). Il gas era compresso alla pressione di 30 atm e trasferito in bombole portatili. Faraday era stato colpito da un fenomeno che accadeva quando il gas veniva compresso. Si formava un liquido che rimaneva tale dopo che veniva prelevato dal contenitore. La domanda che si poneva era quale poteva essere la composizione del liquido. La composizione del gas era già stata indagata da tempo, si sapeva costituito tra l’altro di metano, etilene, ma nulla si sapeva sulla natura del liquido. L’articolo è un resoconto dettagliato delle sue osservazioni, degli esperimenti che compie, dei risultati che ottiene, tra cui la scoperta del benzene. E’ un lavoro certosino, dove domina la prudenza e l’accuratezza dello sperimentatore. Seguiamolo nel suo racconto.

«Il liquido viene aspirato sul fondo aprendo una valvola conica: dapprima esce generalmente una parte di acqua, quindi il liquido. Esso da effervescenza mentre esce… L’effervescenza cessa immediatamente; e il liquido può essere facilmente trattenuto in normali bottiglie sigillate o anche tappate; una fiala di vetro sottile è sufficientemente forte per confinarlo. Penso che 1000 piedi cubici [n.d.t. circa 28 m3] di buon gas producono quasi un gallone [n.d.t. circa 4,5 litri] del liquido…La sostanza appare come un fluido leggero sottile a volte trasparente e incolore, altre volte opalescente, essendo giallo o marrone per luce trasmessa, e verde per luce riflessa. Ha lo stesso odore del gas. Quando la bottiglia che lo contiene viene aperta, si svolge rapidamente vapore dalla superficie del liquido, e possono essere viste dalle striature nell’aria mentre il vapore l’attraversa. A volte in tali circostanze bolle se la temperatura della bottiglia e del suo contenuto è aumentata di alcuni gradi. Dopo poco tempo questa abbondante formazione del vapore cessa e la parte liquida rimanente è poi relativamente stabile».

 Faraday dopo aver descritto in modo meticoloso diverse proprietà chimiche e fisiche come solubilità, reattività, peso specifico ecc. compie una prima separazione.

 «Questo fluido è una miscela di vari corpi che sebbene si assomiglino l’un l’altro nell’essere altamente combustibili e nell’emettere molto fumo quando bruciati con una grande fiamma, possono ancora essere separati l’uno dall’altro per la loro differente volatilità… fu, quando portata a casa, messo in un pallone e distillato, e la sua temperatura fatta aumentare con la mano. Il vapore che si è formato, e che ha causato la comparsa di una ebollizione, fu fatto passare attraverso un tubo di vetro a C , e quindi condotto nella vasca di mercurio; ma è passato poco  vapore non condensato, non più di tre volte la massa del liquido; una parte di liquido raccolta nel tubo freddo evaporava e bolliva quando si lasciava aumentare la temperatura; e la grande massa  di liquido rimasta può ora essere portata ad un punto relativamente alto di temperatura prima che entri in ebollizione».

La separazione per distillazione semplice era condotta in storte di vetro, senza l’uso del refrigerante di Liebig che sarà introdotto nella pratica dei laboratori diversi anni dopo. La separazione di una miscela richiedeva lunghe, defaticanti e ripetute distillazioni.

Per la condensazione dei vapori si potevano usare anche miscele frigorifere, la cui temperatura scendeva sotto gli 0°C. E’ quello che impiega Faraday quando descrive la successiva operazione di distillazione.

«Con la speranza di separare alcune sostanze diverse da questa evidente miscela, ne veniva distillata una certa quantità e i vapori condensati a una temperatura di 0°F [-18°C] in porzioni separate, cambiando il recipiente di raccolta ad ogni aumento di 10°F [5,5°C] nella storta, mantenendo il liquido in uno stato di ebollizione incipiente. In questo modo si ottenne una successione di prodotti; ma non erano affatto costanti; per la porzione, ad esempio, che si otteneva quando il liquido stava bollendo da 160°F a 170 °F [71°C a 76,7°C], quando ridistillata, iniziò a bollire a 130°F [54,4°C] e una parte rimase che non superò 200 °F [93,3°C]. Rettificando ripetutamente tutte queste porzioni e mettendo insieme frazioni simili, sono stato in grado di ridurre queste differenze di temperatura, e finalmente portarle più vicino ad assomigliare a una serie di sostanze di diversa volatilità. Durante queste operazioni ho avuto occasione di notare che il punto di ebollizione era più costante a, o tra 176°F e 190°F [80°C e 87,7°C], rispetto a qualsiasi altra temperatura; si potevano distillare grandi quantità di liquido senza alcun cambiamento di temperatura; mentre in altre parti della serie la temperatura era in costante aumento.

 

 Questo mi ha indotto a cercare nei prodotti ottenuti tra questi punti [n.d.t. 80°C e 87,7°C] una qualche sostanza definita, e alla fine sono riuscito a separare un nuovo composto di carbonio e idrogeno, che posso anticipatamente distinguere come bi-carburo di idrogeno».

 L’attenzione di Faraday si rivolge quindi alle frazioni distillate tra 80 – 87,7°C. Per ottenere una separazione ulteriore ricorre alla cristallizzazione frazionata. Raffreddando le provette fino a 0°F (-17,7°C) ottiene una parte solida e una liquida. La parte solida è maggiore in quelle contenenti le frazioni che ha raccolto a 85 e 87°C. Procede poi alla separazione della parte solida.

 «Una bacchetta di vetro freddo veniva introdotta in una di queste provette, la massa all’interno resisteva a una notevole pressione; ma rompendola, la parte solida fu spinta sul fondo della provetta, mentre il fluido rimase sopra: il fluido fu versato via, e in questo modo la parte solida parzialmente purificata. Il contenuto della provetta è stato quindi lasciato fondere, fu introdotto in una provetta più grande e più forte, fornito di un’altra provetta che entrava liberamente al suo interno, essendo entrambi naturalmente chiusi all’estremità inferiore; quindi abbassando di nuovo la temperatura del tutto a 0 °F[-17,78°C], fu introdotta la carta assorbente, e pressata sulla superficie della sostanza solida della provetta grande fino all’ estremità inferiore di quella più piccola. In questo modo molto fluido fu rimosso da successive porzioni di carta e rimase una sostanza solida, che non divenne fluido fino a quando la temperatura non fu elevata a 28 ° F o 29 ° F [-2,2 o -1,7 °C]. Per completare la separazione della parte permanentemente fluida, la sostanza è stata lasciata sciogliere, quindi fatta cadere in uno stampo di stagnola, e pressata tra molti fogli di carta assorbente in una pressa idraulica Bramah, avendo cura di raffreddare la carta, foglio di stagnola, flanella, pannelli e altre cose usate, il più vicino possibile a 0 ° F [-17,78°C], per impedire la fusione della sostanza solida nella parte fluida [n.d.t. permanente, da separare]. Alla fine fu distillata su calce caustica, per separare l’acqua che poteva contenere».

 Una separazione e una purificazione come si vede lunga e laboriosa.

«Il bicarburo di idrogeno appare comunemente come un liquido trasparente incolore che ha un odore simile a quello del gas e prende anche quello di mandorle amare…Quando viene raffreddato a circa 32° F [0°C] si cristallizza, diventando solido; e le porzioni che si trovano alle pareti del vetro presentano forme dendritiche. Usando provette contenenti sottili strati solidi della sostanza in acqua ghiacciata e permettendo alla temperatura di aumentare lentamente, il suo punto di fusione è risultato essere molto vicino a 42 ° F [5,5°C]».

 Faraday fa un lungo elenco delle proprietà del liquido e rammenta anche questa:

«Il cloro a contatto della sostanza in una storta esercita una scarsa azione fino a quando non è posto alla luce del sole, si formano allora fumi densi, senza lo sviluppo di molto calore; e alla fine fu prodotto molto acido muriatico e altre due sostanze, una un corpo cristallino solido, l’altra un fluido denso.»

Abbiamo un esempio qui dell’impiego della luce solare come mezzo per far avvenire le reazioni chimiche. Sono i primi esempi di fotochimica preparativa che Faraday poco tempo prima aveva impiegato anche per la sintesi del tetracloroetene e dell’esacloroetano. Passa poi alla determinazione della composizione della sostanza.

 «Per quanto riguarda la composizione di questa sostanza, i miei esperimenti tendono a dimostrare che è un composto binario di carbonio e idrogeno, due proporzioni del primo elemento essendo uniti al secondo. L’assenza di ossigeno è dimostrata dall’inerzia del potassio e dai risultati ottenuti quando è fatto passare attraverso un tubo rovente. Quanto segue è un risultato ottenuto quando è fatto passare come vapore su ossido di rame riscaldato. 0,776 grani [0,0503 g] della sostanza producevano 5,6 pollici cubici [92cm3] di gas di acido carbonico, a una temperatura di 60°F [15,5°C] e una pressione di 29,98 pollici [761mmmHg]; e furono raccolti 0,58 grani d’acqua [0,037g]. 5,6 pollici cubi di gas equivalgono a 0, 711704 grani di carbonio e i 0,58 grani di acqua a 0,064444 di idrogeno».

 Carbonio          0,711704   or 11.44

 Idrogeno          0,064444   or 1.

Faraday utilizza per il carbonio il peso atomico sei. Il risultato sperimentale è approssimato in modo da ottenere numeri interi.

 « Considerando ora che la sostanza deve, secondo il modo in cui è stata preparata, conservare ancora una porzione del corpo che bolle a 186°F [85,5°C], ma rimanendo fluido ad 0°F [-17,7°C], e la quale sostanza ho trovato, come si vedrà in seguito, contenere meno carbonio rispetto al composto cristallino, (solo circa 8,25 rispetto a 1 di idrogeno) si può ammettere, penso, che il costante ma piccolo deficit di carbonio riscontrato negli esperimenti sia dovuto alla porzione così trattenuta; e che il composto cristallino produrrebbe, se puro, 12 di carbonio per ogni 1 di idrogeno; o due proporzionali del primo elemento e uno del secondo.

Dietro questa scelta c’è la convinzione che in un composto le” proporzioni “con cui si legano tra loro gli elementi sia espresso da numeri interi (Anche Gay-Lussac ottiene la sua legge sulla combinazione tra volumi arrotondando i dati sperimentali a numeri interi). Faraday chiama il benzene che ha isolato bicarburo di idrogeno perché usando il peso atomico o il proporzionale del carbonio uguale a sei, la formula diventa C2H.

Tuttavia Faraday non si esprime con le formule, ma solo che “due proporzioni di C si combinano con una proporzione di H “.

Faraday non usa mai la parola atomo. Al momento della sua comparsa la teoria atomica di Dalton aveva guadagnato grande popolarità tra molti chimici ma assai meno tra filosofi sperimentali con inclinazione fisica. E Faraday non era per niente convinto e in nessuno dei suoi scritti egli trovò la necessità di invocare l’esistenza degli atomi. A questa sua impostazione di scienziato sperimentale si deve anche il fatto, che a differenza dei suoi contemporanei, non ricorse mai al concetto di “forze vitali”, le quali si riteneva a quel tempo (soprattutto influenzati dalle idee del grande scienziato svedese Berzelius) governassero il comportamento dei composti organici.

L’articolo prosegue con la descrizione di un secondo procedimento di analisi per la conferma dei risultati raggiunti con la prova precedente. Faraday prepara una miscela del vapore della sostanza con aria nel rapporto 1/20,6. La miscela viene fatta esplodere in un eudiometro.

 «7 volumi di questa miscela sono stati fatti esplodere in un tubo eudiometrico da una scintilla elettrica e sono diminuiti di conseguenza quasi a 6,1: questi, trattati con potassa, sono stati ulteriormente ridotti a 4, che erano ossigeno puro. Risulta quindi che sono 3 i volumi di miscela che sono realmente esplosi, di cui quasi 0,34 erano vapore della sostanza e 2,65 ossigeno».

7 volumi passano a 6,1 perché nel complesso l’acqua formatisi condensa, e contribuisce a causare la diminuzione di volume. Il volume che rimane è il gas CO2 formatosi, che viene assorbito dalla potassa. Alla fine ciò che resta è l’ossigeno in eccesso che non ha reagito. Se nella miscela di partenza 1/20,6 sono di vapore della sostanza, nei 3 volumi che sono esplosi risulteranno 7 volumi x 1/20,6 = 0,34 volumi della sostanza mentre l’ossigeno che ha partecipato sarà dato da 3 volumi – 0,34 volumi = 2,65 volumi.

«L’acido carbonico che ammontava a 2,1 volumi [N. d.t. 6,1 volumi – 4 volumi] deve aver consumato una uguale quantità di ossigeno gassoso [N.d.t. per 1V di O2 si forma 1V di CO2]; in modo che 0,55 rimangano come la quantità di ossigeno che si è combinata con l’idrogeno per formare l’acqua e che con lo 0,34 di vapore fa quasi diminuire di 0,9 il volume  [N.d.t .per passare inizialmente da 7 volumi a 6,1 volumi, abbiamo avuto una contrazione di 0,9 volumi che è dovuta alla formazione di 0,55 volumi di vapore acqueo che si condensa e al consumo di 0,34 volumi di vapore della sostanza dovuto alla combustione] . Si vedrà subito che l’ossigeno richiesto per il carbonio è quattro volte quello dell’idrogeno [N.d.t. 2,1 ≈ 0,55×4]; e che il risultato è poco diverso da quella teorico, dedotto in parte dagli esperimenti precedenti, secondo i quali 1 volume di vapore della sostanza richiede 7,5 volumi di ossigeno per la sua combustione [N.d.t. 0,34 : 2,65 = 1 : x , con x = 7,7 otteniamo il volume di ossigeno per un volume di sostanza. L’approssimazione a 7,5 porta a rapporti tra le proporzioni di C e H espressi da numeri semplici e interi]; 6 volumi di ossigeno si combinano con il carbonio per formare 6 volumi di acido carbonico e gli altri 1,5 volumi si combinano con l’idrogeno per formare l’acqua [N.d.t. 1,5 è un quarto di 6]. L’idrogeno presente quindi in questo composto equivale a 3 volumi, [N.d.t. 2V di H2 si combinano con 1V di O2] sebbene condensato in un volume in unione con il carbonio; e di questo ultimo elemento sono presenti sei proporzionali, o 36 in peso. Un volume del vapore della sostanza contiene»

Carbonio                        6 x 6 =     36

Idrogeno                        1 x 3  =      3

                                                     ―

                                                     39

e il suo peso o la densità sarà 39, l’idrogeno essendo 1. Altri esperimenti dello stesso tipo hanno dato risultati in accordo con questi».

Il risultato a cui giunge Faraday è notevole. Se scriviamo l’equazione della reazione di combustione del benzene abbiamo

                                                         C6H6 + 7,5O2 → 6CO2 + 3H2O

                                                          1V      7,5V         6V         3V

La reazione si svolge tra componenti aeriformi, quindi Faraday utilizza le relazioni tra volumi per arrivare a stabilire una relazione tra gli atomi o tra proporzionali come lui dice. Assegnando all’idrogeno il valore uno e al carbonio il valore sei (come era ritenuto da Dumas e Gay-Lussac) determina la composizione in peso del composto o meglio le quantità in un volume. Il peso ottenuto risulta la metà del peso della molecola del benzene. Se l’idrogeno fosse stato considerato biatomico e al carbonio fosse stato assegnato il peso atomico 12 (ma ci vollero altri trentacinque anni) si sarebbe ottenuto come peso 78 che è il peso della molecola del benzene.

Carbonio         12x 6 =72

Idrogeno          2 x 3 =   6

                                    ―

                                     78

E se trasformiamo le proporzioni di Faraday in atomi abbiamo la formula del benzene C6H6!

Ci fermiamo qui ma l’articolo di Faraday prosegue. Viene riportata la scoperta di altri due idrocarburi, tra cui il cicloesene e il butene.

La grande abilità con cui Faraday aveva condotto la caratterizzazione del Benzene provocò l’ammirazione di Jacob Berzelius a Stoccolma, considerato la massima autorità della chimica in Europa. Nel suo Trattato di Chimica Tomo III 1833 riporta in modo dettagliato le esperienze descritte nel suo articolo da Faraday, si permetterà soltanto di correggere la formula minima C2H di Faraday del Benzene con CH, avendo scelto per il carbonio peso atomico 12.

                                            ————————————————————–

Bibliografia

 “Michael Faraday – La storia romantica di un genio” John Meurig Thomas, Firenze University Press

“On new compounds of carbon and hydrogen and on certain other products obtained during the decomposition of oil by heat” M.Farady, Philosophical Transactions of the Royal society of London 1825

“Oli pirogenati volatili condensati da una forte pressione”, Trattato di Chimica di J.J. Berzelius Tomo III, P.II, Chimica Organica, pag. 650

https://www.robertopoetichimica.it/faraday-e-la-royal-institution/

SARS-COV-2. 2. Ma cosa sono i virus e come si riproducono?

In evidenza

Claudio Della Volpe

La prima parte di questo post è stata pubblicata qui

Il virus è una struttura supramolecolare, come quelle che studia Vincenzo Balzani o quelle che hanno portato al Nobel Jean-Marie Lehn nel 1987, Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa ”for the design and synthesis of molecular machines” nel 2016.

(Giusto al volo sarebbe da ricordare che il premio Nobel per la Chimica nel 2017 è andato a Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson per la microscopia crio-elettronica che sta aiutando a svelare i dettagli dei legami delle spikes virali con le belle immagini che vi ho riportato nella prima parte di questo post).

Bene il virus è dunque  un oggetto chimico a tutti gli effetti anche se oggi viene studiato o discusso essenzialmente da biologi e medici, da virologi; ma la chimica che esso sottende non può essere ignorata. E’ un oggetto chimico autoassemblante tenuto insieme da forze deboli.

Conosciamo vari aspetti chimico-fisici del virus; per esempio come il virus attacca una cellula, stiamo parlando del punto di vista chimico-fisico. Non è che in letteratura si trovi molto.

(articolo del 1995, 25 anni fa)

Per esempio conosciamo il valore della costante di dissociazione del Receptor Binding Domain della spike protein per hACE2; sappiamo che sotto una certa concentrazione di virus e relativa proteina la dose non é sufficiente a “fare il veleno” ossia ad infettare la cellula, e questo appare un risultato eccezionale che spiega perché la presenza di particelle virali non sempre si coniuga con l’infezione, oppure fa capire meglio lo strano concetto (secondo me da aggiornare)  del virus vivo; già i virologi usano questo strano concetto: virus vivo. Termine ambiguo come vedremo.

La definizione formale è “infectious activity” o “actively replicating viral particles”. Ma comunemente si usare dire virus vivo (live virus) per distinguerlo dalle particelle di virus inattivato, che sono compromesse/incapaci di replicare. Il fatto è che non devono essere per forza compromesse ma basta che siano sotto la concentrazione utile a legarsi efficacemente.

Noi sappiamo che l’associazione fra il virus e il suo potenziale recettore sulla superficie cellulare è analizzato usando i medesimi concetti dell’associazione proteina -ligando IN SOLUZIONE.

Si usa un processo a due stadi:

L+P=LP

dove L è il ligando, P la proteina e LP il complesso, tutti sono solubili ed hanno una concentrazione ed una attività Kd = [ L ] [ P ] /[ LP ]

La costante di dissociazione  Kd    è la costante di equilibrio per il processo di dissociazione (le parentesi quadre ovviamente indicano la concentrazione molare) e si può anche scrivere all’equilibrio come il rapporto fra le due velocità di dissociazione ed associazione indicate in genere come koff e kon: Kd=koff/kon

A questo punto diventa semplice dire che la costante di dissociazione (in genere riportata in unità di concentrazione) è pari al valore di concentrazione (o attività) [L] quando [P]=[LP] ossia metà dei siti del recettore sono occupati.

Nel caso del virus e del recettore ACE2 si usa la stessa logica, solo che adesso il virus è il ligando, il recettore ACE2 la proteina P ed entrambi sono difficilmente considerabili “in soluzione”. Dai valori nella figura per esempio si vede che a 14.7 nM di virus solo metà dei virus è legato al recettore ACE2. 14.7nM sono circa un carico virale di 8.85 x 1015 virioni per litro.

In chimica peraltro le costanti sono adimensionali dato che sarebbero rapporti di attività, mentre qua si usano le concentrazioni, sostituzione permessa quando il coefficiente di attività è unitario.

Considerare sia virus, sia il recettore che il loro complesso come “solubili” ha varie conseguenze; noi chimici nel caso del prodotto di solubilità dove il risultato della reazione è un solido, gli assegnamo attività unitaria e la equazione dell’equilibrio diventa un prodotto di solubilità

Se i due ioni hanno un prodotto delle concentrazioni che è sotto il limite non precipiteranno anche se sono entrambi presenti. Così qui se entrambi i fattori i virus e i siti di legame cellulare hanno un prodotto delle concentrazioni che sta sotto un certo valor limite non ci saranno strutture legate e dunque nessuna infezione.

Una situazione di questo genere potrebbe esserci anche per questo coronavirus; si discute se i Sars-cov-2 che si trovano nelle feci siano infettivi o no; la questione è che la loro concentrazione in quel contesto è molto più bassa che nei tessuti polmonari e allora, nonostante si possano fotografare al SEM o se ne possa rilevare l’RNA il virus non infetta, ma potrebbe non dipendere dal fatto che è “inattivo” perché danneggiato, ma solo dal fatto che la sua concentrazione è molto bassa.

Comunque sia al momento la teoria di queste cose è secondo me indietro e si ragiona senza considerare la chimica.

Molto recentemente un gruppo italiano ha fatto notare che il SARS-cov-2 si attacca anche ai recettori  sialici oltre che a quelli hACE2; non abbiamo i dati di costante di legame fra virus e questi siti; esistono per il SARS-cov-1(NATuRe STRuCTuRAL & MoLeCuLAR BioLoGY | VOL 26 | JUNE 2019 | 481–489 | www.nature.com/nsmb)

https://arxiv.org/pdf/2003.11107.pdf

Questa osservazione è importante perché è stato chiarito che la costante di binding del sito hACE2 è praticamente la stessa per entrambi i virus; ma allora perché la situazione clinica è così diversa? Potrebbero esserci altri siti di legame? E dunque altre vie di attacco per il virus? Questa dell’acido sialico insieme a quella che abbiamo citato nella prima parte del post (il recettore DDP4) potrebbero essere due strade alternative da bloccare con opportuni farmaci.

http://www.unife.it/scienze/lm.biomolecolare/insegnamenti/virologia/materiale-didattico/1-Introduzione%20virologia.pdf

Una nota al volo: in questi ultimi giorni si discute di una riduzione del carico virale e della sua relazione con una diminuita insorgenza di casi gravi, la concentrazione del virus è la gravità della malattia sembrano in stretta relazione.

https://www.scienzainrete.it/articolo/perch%C3%A9-si-muore-sempre-meno-di-covid/luca-carra/2020-05-25

Ci sono idee alternative sui virus e vale la pena di accennarne un momento qui; la visione dominante del virus come non vivente è quella di cui abbiamo discusso finora, ma nel 1983 uno studioso della Georgia University, di origine Rumena, Claudiu I. Bandea (J. theor. Biol. (1983) 105, 591-602) propose un diverso punto di vista. Dice Bandea:

Faccio un tentativo di delimitare i concetti di vita e di organismo e di integrare i virus in questo quadro. I virus sono presentati come organismi che passano nel loro ciclo ontogenetico attraverso due fasi fenotipiche distintive: (1) la fase vegetativa e (2) la fase della particella virale o dell’acido nucleico. Nella fase vegetativa, qui considerata come la fase ontogeneticamente matura dei virus, le loro molecole componenti sono disperse all’interno della cellula ospite. In questa fase il virus mostra le principali proprietà fisiologiche di altri organismi: metabolismo, crescita e riproduzione.

 Ed ancora:

In sintesi, i virus dovrebbero essere considerati come organismi che sviluppano intracellularmente la loro fase vegetativa morfologicamente dispersa, fisiologicamente attiva e che riproducono i virioni attraverso forme morfologiche unitarie inerti.

L’idea è stata poi ripresa ed ulteriormente chiarita da Patrick Forterre, uno dei più famosi virologi francesi  (Orig Life Evol Biosph (2010) 40:151–160 ) in un articolo dal titolo: Definire la vita: il punto di vista dei virus in cui Forterre tenta di dare una ambiziosa definizione di vita.

Suggerisco qui di definire la vita (un processo storico) come la modalità di esistenza degli organismi che codificano i ribosomi (cellule) e degli organismi che codificano capsidi (virus) e dei loro antenati. Ho proposto di definire un organismo come un insieme di organi integrati (molecolari o cellulari) che producono individui in evoluzione attraverso la selezione naturale. L’origine della vita sul nostro pianeta corrisponderebbe alla creazione del primo organismo corrispondente a questa definizione.

Secondo questo punto di vista quello che noi chiamiamo virus viene ridefinito come virione, mentre il virus è quello che noi vediamo come la cellula infettata dal virus. L’oggetto supramolecolare che chiamiamo virus viene ridefinito in questa ipotesi come virione, una sorta di “spora” del virus vero e proprio.

Dunque il sistema virus-virione apparirebbe da questo punto di vista come il ciclo di un organismo che attraversa due fasi: una di attesa, che chiamiamo virus ma che questi autori rinominano come virione, una spora molto meno resistente delle vere spore batteriche tradizionali, tenuta insieme da forze deboli; tanto deboli che in molti casi basta la luce del sole ad inattivarle; questo è un risultato recente sul coronavirus.

https://academic.oup.com/jid/advance-article/doi/10.1093/infdis/jiaa274/5841129

Se la spora riesce a legarsi a qualche proteina di superficie  della cellula ed a mimare l’ingresso di una sostanza utile allora il virione diventa virus, ossia mette la cellula sotto controllo e si fa costruire copie di se stesso; il virus in questa nuova denominazione è la cellula infettata che smette di essere se stessa e diventa un’altra cosa, un virus appunto, che produce nuovi virioni e così via.

Questo approccio ha a che fare con il tentativo di modellare non solo l’origine dei virus ma di modellare la vita stessa. Si considerano qui vari fatti come le relazioni fra i virus dei tre tipi di cellule viventi che conosciamo: procariote, eucariote ed archea, tutte discendenti da un medesimo progenitore: LUCA, ossia Last Universal Common Ancestor, un organismo ipotetico che viveva vicino ai soffiatori neri nelle profondità oceaniche, anaerobio, capace di fissare la CO2, di usare l’idrogeno (con il cosiddetto meccanismo di Wood–Ljungdahl ) e l’azoto e anche termofilo. Per ciascuno di questi tipi  di cellule ci sono specifici virus  e questo fa pensare che i virus siano antichi come  e più delle cellule e risalgano al tempo di LUCA.

Ultima cosa da notare e che lega la chimica (in particolare la chimica-fisica) ai virus è che le moderne teorie sulle transizioni di fase , come quelle proposte da Ricard V. Solè (un biofisico, Phase Transitions, Oxford University Press, 2011) considerano le infezioni virali come un buon esempio da analizzare, come nel più moderno libro scritto con Elena ed usano come default l’idea del virus “vivente”, ossia del ciclo virus-virione come contesto interpretativo.

(continua)

Scienza, dissenso ed opinione.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

La covid 19 ci ha fatto vivere momenti veramente drammatici, ancora non del tutto superati, ma -come é stato più volte rilevato da più parti – ci ha anche insegnato qualcosa: che si può vivere senza inquinare, che abbiamo rubato troppo alla natura, che l’ambiente migliore ci fa apprezzare di più il fantastico mondo in cui viviamo, che la solidarietà ed il rispetto per gli altri sono basi irrinunciabili del vivere civile, che la messa a comune delle conoscenze consente di ridurre i danni di situazioni drammatiche come quelle attuali. La domanda che mi pongo è ora questa: la covid19 ha cambiato il rapporto del cittadino con la scienza? La salute, l’alimentazione, la sicurezza, la stessa economia sono valori che il cittadino percepisce bene, la scienza lo è parimenti?

Il metodo scientifico è metodo, non contenuto dei risultati delle applicazioni del metodo stesso: questo vuol dire che se il metodo è rispettato i risultati e/o la loro interpretazione possono essere diversi da fonti diverse. Parto da questa affermazione perchè è strettamente legata alla domanda: in genere quando il metodo produce conclusioni diverse da parte di scienziati diversi la scienza per il cittadino cessa di essere un oracolo?

All’inizio della pandemia la paura e l’emergenza hanno stimolato nel cittadini un atteggiamento di grande fiducia nella scienza, una sorta di convinzione della infallibilitá della scienza che ci avrebbe salvato e delle sue capacita a risolvere anche le situazioni più difficili. Quando la paura si è attutita, quando lo spazio concesso alla scienza dai massmedia é cresciuto come mai con.epidemiologi e virologi continuamente presenti sugli schermi-TV e soprattutto quando sono emerse differenze fra le loro comunicazioni questa fiducia é sembrata incrinarsi.

Si é cioè riprodotta nella contingenza la situazione che contraddistingue il rapporto fra scienza e cittadino nella vita di tutti giorni: la scienza è diffusore di verità o soltanto di opinioni?

Viene dimenticato nell’accezione comune che il dissenso fra scienziati non è manifestazione patologica, ma fisiologica del lavoro scientifico, capace anzi di alimentare il pensiero scientifico e stimolare la ricerca di nuove conoscenze.

Ma questo atteggiamento critico rispetto al crollo di una certezza è la palese dimostrazione di un analfabetismo scientifico di cui si soffre e questo ci riporta al tema vecchio, ma irrisolto, relativo al rapporto nella formazione dei giovani fra cultura umanistica e cultura scientifica che non può trovare una giustificazione nel rapporto fra grandi artisti.e grandi scienziati per il nostro Paese. La scuola e l’universitá devono contrastare questo analfabetismo che comporta pregiudizi e sedimentazioni che frenano la comprensione.di cosa realmente significhi metodo scientifico, integrazione fra conoscenza induttiva e conoscenza deduttiva,  fra teoria ed esperienza, ma anche integralità delle conoscenze per divenire cultura e per superare la fase della semplice primitiva informazione, impalpabile ed evanescente.

In assenza di questa formazione passare da un estremo all’altro nei confronti della scienza e degli scienziati diviene comprensibile. Da parte degli scienziati si contribuisce a questo vizio perseguendo atteggiamenti di colonizzazione di alcuni settori da parte di alcune discipline nella logica di una disarticolazione culturale che contribuisce a mantenere quello stato di analfabetismo

Mescolare i detersivi per la casa è molto pericoloso

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Sono purtroppo più frequenti di quanto si possa pensare gli incidenti domestici, anche gravi, dovuti all’incauto mescolamento di detersivi per la pulizia della casa, in particolare di bagni e cucina. Io stesso, da poco laureato, fui testimone di una disavventura di un’amica, per giunta studentessa di chimica, che per pulire la vasca o il lavandino usò insieme varechina e acido muriatico, rimanendo intossicata dai vapori del cloro sviluppatisi dalla miscela. Fortunatamente l’intervento immediato del suo ragazzo le evitò un guaio molto serio, se la cavò con un breve ricovero al reparto medicina del lavoro dell’Ospedale Sant’Orsola di Bologna.

Ancora più attenzione deve essere fatta nell’attuale emergenza da COVID-19, poiché fra le importanti raccomandazioni vi è quella di mantenere puliti e igienizzati gli ambienti domestici.

Set di detergenti domestici

Mi è quindi sembrato molto opportuno l’articolo di David Bradley, apparso sulla newsletter settimanale di Chemistry World[1]: Why is mixing cleaning chemicals such a bad idea, del 27 aprile 2020. Ne riporto qui un adattamento in italiano.

Vediamo anzitutto quali sono i principali “principi attivi” contenuti nei comuni detersivi per la casa, spesso in soluzione con altri componenti.

Candeggina (varechina)

Esistono molti prodotti per la pulizia chiamati “candeggina”. In generale contengono una soluzione acquosa di ipoclorito di sodio (NaOCl) a varie concentrazioni, con in aggiunta tensioattivi, antischiuma e fragranze. L’ipoclorito di sodio è corrosivo e può danneggiare pelle e occhi ed essere letale se ingerito.

Ammoniaca

L’ammoniaca (NH3) viene utilizzata in soluzione acquosa con concentrazioni dal 5% al 10%. È ampiamente usata per pulire vetro, porcellana e acciaio inossidabile, nonché per rimuovere i depositi di grasso dai forni. È corrosiva e tossica.

Idrossido di sodio (soda caustica)

L’idrossido di sodio solido (NaOH) e le sue soluzioni acquose sono ampiamente usate per eliminare i depositi di grasso negli scarichi e nei forni. La soda caustica è corrosiva e può danneggiare pelle e occhi se ne viene a contatto. Anche i fumi della reazione con i grassi sono pericolosi se vengono inalati.

Acido cloridrico (acido muriatico) e altri acidi (nitrico, fosforico)

Oggi l’acido cloridrico in soluzione (acido muriatico) è meno usato di un tempo nei detergenti domestici ma è contenuto in quelli commerciali. Inoltre, le soluzioni di due o più acidi vengono anche vendute come spray per la pulizia del bagno per evitare la necessità di un lungo risciacquo. Sono corrosivi e tossici.

Nelle etichette dei detergenti sono normalmente indicati i componenti e di solito sono evidenziati i rischi di incaute miscelazioni. Pertanto, come prima norma, sarebbe importante leggere le informazioni sull’etichetta sull’uso corretto di questi prodotti. Tuttavia, come riportato all’inizio, non sono infrequenti gli incidenti dovuti a incauta miscelazione.

Con un poco di chimica vediamo insieme cosa può accadere.

Parte del problema è che la miscelazione spesso genera molto gas e calore, che possono rompere o bruciare contenitori sigillati. Esiste anche il problema della decomposizione che si verifica spontaneamente durante l’uso normale e prima di qualsiasi miscelazione deliberata o involontaria di detergenti. Tale decomposizione può generare specie come l’acido ipocloroso (HOCl) che può alimentare ulteriori reazioni con altri prodotti per la pulizia.

La decomposizione della candeggina dipende dalle condizioni di conservazione e dall’uso; si decompone alla luce del sole, al riscaldamento, al contatto con i metalli, oltre a produrre piccole quantità di acido cloridrico:

NaOCl + H2O → NaOH + HOCl

2HOCl → 2HCl + O2

L’acido cloridrico può a sua volta reagire con l’ipoclorito per formare piccole quantità di cloro gas:

NaOCl + 2HCl → Cl2 + NaCl + H2O

E’ quindi evidente che se si mescola candeggina e acido muriatico si sviluppa cloro gassoso con le conseguenze descritte per tutto l’apparato respiratorio. Pertanto: mai mescolare questi prodotti.

Anche la miscelazione dell’ipoclorito con ammoniaca genera acido ipocloroso e quindi acido cloridrico. Questo reagirà quindi con più ipoclorito per rilasciare cloro gassoso, già pericoloso di per sé ma che può reagire ulteriormente con l’ammoniaca formando clorammine corrosive e tossiche (R2NCl). L’odore caratteristico delle piscine è il risultato dell’ipoclorito che reagisce con i composti azotati presenti nel sudore e nelle urine formando clorammine organiche volatili.

In ambiente domestico la reazione più probabile è:

NH3 + NaOCl → NH2Cl + NaOH

Se l’ammoniaca è particolarmente concentrata, ciò può portare alla formazione di idrazina (N2H4), i cui vapori tossici sono esplosivi all’aria e possono causare ustioni e lesioni oculari. Fortunatamente, questa reazione ha poche probabilità di verificarsi nell’ambiente casalingo perché richiede una concentrazione elevata di ammoniaca e un’alta temperatura (> 100 °C).

Se la candeggina viene miscelata con prodotti contenenti alcol etilico (C2H5OH) si corre il rischio di formare cloroformio (CHCl3), un potente anestetico. La reazione è molto complicata, ma può essere semplificata così:

C2H5OH + 4NaOCl + 2NaCl + H2O → 2CHCl3 + 6NaOH

La miscelazione di un acido con candeggina genera pure un forte agente ossidante, che reagirà ulteriormente con l’ipoclorito per formare una miscela gassosa contenente cloro

Si potrebbe supporre che mescolando una soluzione di idrossido di sodio (soda caustica) con acido cloridrico avvenga l’usuale reazione che produce sale e acqua. Ma in forma concentrata, la miscelazione rapida genera molto calore e fumi, che potrebbero contenere cloro o gas contenenti cloro a seconda dell’acido.

Quindi, cosa fare se si mescolano accidentalmente prodotti per la pulizia?

I primi segni potrebbero essere un sibilo, un gorgogliamento, la formazione di vapori o emanazione di calore. Se il volume della miscela è piccolo, il consiglio è di diluire immediatamente la miscela aggiungendo una quantità abbondante di acqua. Si dovrebbe anche assicurare una maggiore ventilazione se possibile oppure abbandonare il posto per evitare di respirare i vapori. Attendere quindi che i segni visibili di qualsiasi reazione scompaiano, indossare guanti e smaltire i rifiuti in un opportuno scarico. Se c’è qualche segno che la reazione è ancora in corso, aggiungere più acqua ma mai tentare di “neutralizzare” la miscela con altri prodotti chimici.

Tuttavia, se i prodotti per la pulizia reagiscono a volumi elevati e in luoghi di difficile accesso, ad esempio nelle profondità dei tubi del lavandino, i consigli potrebbero essere leggermente diversi. Il consiglio di base è di evacuare l’area e, se è sicuro farlo, aprire prima le finestre per ventilare.

In caso di inalazione di vapori, se i sintomi sono lievi si dovrebbero placare dopo pochi minuti all’aria aperta, per sintomi gravi, come quelli che ebbe la mia amica, va subito effettuata una chiamata di emergenza al pronto soccorso.

[1] Chemistry World è la rivista ufficiale della britannica Royal Society of Chemistry, un tempo nota come Chemistry in Britain.

Disinfezione e Covid.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

La disinfezione, a maggior ragione nell’attuale emergenza che coinvolge non solo gli operatori professionali, ma tutti i cittadini, va vista ormai come un’attività integrata che deve coinvolgere la quotidianitá.

Tutto quello che si tocca può infettarci,  perchè le mani sono un veicolo per trasferire germi dalle superfici che ci circondano a noi e da noi a chi ci sta intorno: tavoli, scrivanie, sedie, maniglie, interruttori, telefono, tablet, dispositivi touch screen, tastiere, lavandini, wc.

E’ importante inoltre la disinfezione di luoghi di aggregazione come negozi, palestre, scuole, comunità. Per ridurre la possibilità di infezione e contaminazione microbica in un mondo sempre più affollato di persone e di oggetti, è quindi necessario riesaminare la nostra quotidianità.

 I luoghi nei quali l’utilizzo di prodotti disinfettanti risulta ormai fondamentale sono molteplici, in primis ospedali, case di cura, resort per anziani, ma anche palestre, centri benessere, circoli sportivi. Bisogna prestare la massima attenzione a quegli oggetti che sono utilizzati e toccati più volte al giorno, agli oggetti neonatali che vengono portati alla bocca dai bambini ed anche ai servizi igienici. Per quanto riguarda covid19 risultano particolarmente efficaci i formulati alcolici e le soluzioni di sodio ipoclorito, che possono risultare attive anche ai fini della protezione ambientale e che nelle formulazioni più recenti ed innovative hanno perduto qualsiasi possibilità di  nuocere agli utilizzatori e le sgradevoli caratteristiche organolettiche. I prodotti vengono registrati come presidi medico chirurgici o dispositivi medici a seconda del campo di impiego dal Ministero della Salute a differenza dei comuni detergenti ed igienizzanti. La registrazione viene accordata dopo la valutazione di congrua documentazione che dimostri l’efficacia del prodotto su microorganismi specifici,  la sua stabilità nel tempo, il tipo di pericolo per l’uomo. I test sono regolati da norme internazionali e devono comprovare l’efficacia del prodotto alle condizioni d’uso nei confronti di microorganismi patogeni, di batteri, di virus,  di funghi, di muffe. Circa il metodo di somministrazione del prodotto sanificante la sanificazione a volume ultrabasso (cosiddetta ULV)  mediante nebulizzazione è tra le più applicate, soprattutto nel caso di derivati del cloro o dell’acqua ossigenata, disinfettanti  dichiarati dall’OMS, in grado di distruggere il virus del covid.

https://www.radiobombo.com/news/86897/trani/coronavirus-sanificazione-del-comune-di-trani-e-dell-infopoint-turistico

La nebulizzazione ULV viene effettuata con particolari erogatori che nebulizzano la miscela in particelle micrometriche che possono essere irrorate da distanze fino ed oltre 10m, saturando e disinfettando quindi completamente l’ambiente considerato. Durante la sanificazione e per le successive ore gli ambienti devono essere lasciati ad esclusiva disposizione degli operatori. Oggi la sanificazione d’emergenza si può condurre agendo con miscele che rilasciano nel tempo acido peracetico oppure con ozono prodotto dalle scariche elettriche su ossigeno. Questa soluzione è. particolarmente sostenuta, come é ovvio, dalla SIOOT (Societá Italiana di Ossigeno ed Ozono Terapia).  In passato venivano impiegati comuni ossidanti, dal cloro alla clorammina, dallo iodio al permanganato, all’acqua ossigenata o alternativamente soluzioni acquose di formaldeide, fenolo, alcool etilico.

https://www.iss.it/detergenti-disinfettanti-e-disinfestanti

Alcuni dei sanificanti agiscono combinandosi con le sostanze proteiche dei batteri modificandoli o alterandoli. Le proprietá richieste che vengono  talora sacrificate sono la stabilità e l’innocuità, il mancato potere corrosivo nei confronti dei materiali comuni. Anche mezzi fisici sono stati applicati come il calore secco, l’aria calda, il vapore acqueo, anche sotto pressione, aggiunto di formaldeide o carbonato sodico. Una soluzione ulteriore è fornita dalle malte, vernici ed asfalti fotocatalitici, utilizzati anche per la Galleria di Roma che li ha resi famosi: si tratta di materiali nei quali il materiale di base è additivato con diossido di titanio ed un attivatore elettronico capaci di produrre sotto l’azione della luce UV del sole (ma anche di luce artificiale opportuna) radicali liberi a partire dalle molecole di ossigeno ed acqua presenti in ambiente. I radicali liberi prodotti provvedono con la loro elevata reattività a distruggere composti chimici tossici e microorganismi. Nel caso di sanificazioni ambientali non in condizioni di emergenza si può intervenire facendo circolare con continuità sotto aspirazione l’atmosfera dei locali da bonificare attraverso filtri ossidanti.

Proposte recenti sono tornate su un vecchio tema che parte da esperienze datate parecchie decine di anni fa relative all’azione antibatterica, antimicrobica, anti virale della radiazione UV con riferimento alla scelta della lunghezza d’onda selettiva nei confronti del microorganismo da abbattere. La selettivitá è richiesta tenuto conto dell’azione nociva per l’uomo di alcuni intervalli di lunghezza d’onda nel campo spettrale dell’ulltravioletto.

Un aspetto di certo correlato alla esigenza di sanificazione ambientale è quello dell’igiene personale a partire dalla super-raccomandazione per il lavaggio ripetuto delle mani. Il lavaggio con acqua si è già rivelato da guardare con prudenza ed attenzione visto che dalla comparsa del virus e dalle sollecitazioni a lavarsi le mani il consumo di acqua, una risorsa non solo preziosa, ma in certi casi purtroppo non disponibile, è cresciuto di circa il 40%.

Una delle massime funzioni della pelle è fare da barriera e protezione del nostro organismo dall’ambiente esterno. Lo strato più esterno della pelle, l’epidermide, è normalmente abitata e colonizzata da microorganismi, soprattutto batteri, ma anche funghi e virus che formano la flora batterica, comunemente distinta in residente e transitoria. Mentre la prima difficilmente porta ad infezioni, anzi grazie alla sua presenza ostacola la crescita di batteri patogeni, entrando con essi in competizione, la seconda deriva da contatti con persone e cose infettate da germi patogeni. La frequenza di tali contagi è maggiore di quanto si possa credere: in Italia si attestano circa 500.000 casi di infezioni ospedaliere da contatto con altri malati, medici, personale paramedico o direttamente da oggetti contaminati. Le mani di una persona ospitano in media 300 specie diverse di microorganismi con una densità di popolazione che va da 40.000 a 500.000 batteri per centimetro quadrato. Per ovvie ragioni le mani, anche a prescindere dal covid 19, sono quindi da considerare importanti veicoli di trasmissione di germi da una persona all’altra.

I principali fattori che influenzano la trasmissione di infezioni sono la carica di microorganismi  patogeni e le caratteristiche delle superfici contaminate, in particolare il loro livello di umiditá che al crescere facilita il passaggio dalla superficie alle mani di un maggior numero di batteri, fino a 1000 volte di più. Alla ricerca di sostituti dell’acqua per il lavaggio delle mani potenzialmente contaminate sono state proposti come soluzioni l’alcool, i tensioattivi cationici, i gel disinfettanti a composizione variabile a seconda della marca, la clorexidina (un bis-biguanide), alcuni tensioattivi anionici e neutri a forte azione detergente: tutti prodotti testati in situazioni diverse,  in particolare per la disinfezione di ospedali, case di cura, scuole, asili, caserme.

Un’ultima nota riguarda i dispenser che contengono i prodotti disinfettanti e che non vengono mai considerati, sbagliando, come fonti di contaminazione. Questi dispositivi sono toccati da mani sporche, venendosi cosi a creare le condizioni ideali per il trasferimento di microorganismi. Ciò dovrebbe spingere verso  l’adozione di dispenser no touch, evitando il contatto fra mani e distributore.

Una nuova frontiera per i vaccini anti-COVID-19?

In evidenza

 Rinaldo Cervellati

I laboratori biochimici di mezzo mondo stanno scommettendo che i primi vaccini per la COVID-19 potrebbero essere realizzati con virus geneticamente modificati. I virus ingegnerizzati, chiamati vettori adenovirali, sono progettati per trasportare nei nostri corpi un gene da SARS-CoV-2 (il coronavirus che causa la malattia), dove le nostre cellule lo riconosceranno producendo le proteine ​​di superficie (spike protein) del coronavirus.

Figura 1. (sopra) Sezione trasversale del virus SARS-CoV-2. (sotto) Struttura 3D della proteina di superficie.

Come per tutti i vaccini, l’idea è di indurre il nostro corpo a pensare che sia stato infettato. Le proteine ​​di superficie autoprodotte addestrerebbero i nostri corpi a rilevare l’infezione da SARS-CoV-2. La tecnica è nota da oltre 3 decenni, ma causa la pandemia da COVID-19 sta per essere messa alla prova per un vaccino.

Appena la sequenza genetica di SARS-CoV-2 è stata identificata e resa nota a gennaio, tre gruppi hanno iniziato a lavorare in modo indipendente sui vaccini vettoriali adenovirali per COVID-19: CanSino Biologics[1], l’Università di Oxford e Johnson & Johnson (J&J)[2]. Tutti e tre i gruppi annoverano veterani nello studio sui vaccini e i loro programmi anti-COVID-19 hanno attirato l’attenzione globale per la loro portata e velocità.

Molti scienziati ritengono che sarà necessario un vaccino per fermare la diffusione del coronavirus e porre fine alla pandemia, che finora ha causato centinaia di migliaia di vittime. Negli ultimi 4 mesi, oltre 100 gruppi hanno aderito alla corsa per sviluppare vaccini anti-COVID-19. I loro sforzi coprono una gamma di tecnologie, inclusi virus inattivi convenzionali e nuove tecnologie non provate come i vaccini RNA messaggero (mRNA).

Al contrario, i vaccini vettoriali adenovirali[3] hanno la particolarità di essere efficaci in primo luogo sugli umani.

La sperimentazione sull’uomo del vaccino vettoriale adenovirale della CanSino è iniziata in Cina nel marzo scorso. Nello stesso mese, il governo degli Stati Uniti ha stanziato oltre 500 milioni di dollari per supportare J&J al fine di preparare fino a un miliardo di dosi del suo vaccino, che dovrebbe iniziare i test clinici nel prossimo settembre. L’Università di Oxford, nel frattempo, sta adottando l’approccio più ambizioso: alla fine di aprile ha avviato una sperimentazione su 1.100 persone per dimostrare la sicurezza del suo vaccino cercando nel contempo prove del suo funzionamento. L’obiettivo è completare questo studio in appena un mese e quindi iniziare una fase III di sperimentazione su 5.000 persone in giugno. Se avesse successo, il programma di Oxford scavalcherebbe tutti gli altri vaccini anti-COVID-19 in fase di sviluppo.

“Hanno la cronologia più rapida di qualsiasi gruppo”, afferma Thomas G. Evans, direttore scientifico di Vaccitech, una società fondata nel 2016 per commercializzare la tecnologia vettoriale adenovirale di Oxford.

Thomas G. Evans

Ad aprile, Vaccitech[4] e la grande azienda farmaceutica AstraZeneca[5] hanno annunciato un accordo per sviluppare e commercializzare il vaccino. “È probabile che Oxford abbia i primi dati al mondo sull’efficacia di un vaccino anti-COVID-19, probabilmente già in agosto, il che significa che la distribuzione potrebbe iniziare in autunno”, sostiene Evans.

Alcuni scienziati affermano che i vaccini vettoriali adenovirali, e in particolare il vaccino di Oxford, potrebbe essere la migliore possibilità per tornare alla completa normalità.

“Da quello che ho potuto costatare, i vaccini vettoriali adenovirali sono probabilmente la piattaforma più promettente”, afferma Hildegund Ertl, che studia questi vaccini presso il Wistar Institute di Filadelfia.

Rispetto ad alcune delle più recenti tecnologie sperimentali – come il vaccino mRNA di Moderna[6], che è stata la prima a effettuare studi clinici sull’uomo negli Stati Uniti – i vettori adenovirali sono considerati un approccio più promettente. J&J definisce la sua piattaforma vettoriale adenovirale una tecnologia “comprovata”. Mentre i vettori adenovirali sono stati testati in più soggetti rispetto ai vaccini mRNA, la tecnologia è oggi utilizzata in un solo vaccino commerciale contro la rabbia, utilizzato per immunizzare gli animali selvatici. Finora, tuttavia, nessun vaccino vettoriale adenovirale ha dimostrato di poter prevenire questa malattia negli umani.

C’è un altro potenziale problema. Proprio come i corpi umani sviluppano risposte immunitarie alla maggior parte delle infezioni virali reali, i nostri corpi sviluppano anche l’immunità ai vettori adenovirali. Per esempio, dopo una seconda vaccinazione, il corpo umano potrebbe scatenare un attacco di anticorpi contro il vaccino stesso. E poiché i vettori adenovirali sono basati su virus naturali cui alcune persone potrebbero essere già state esposte, i vaccini potrebbero non funzionare per tutti.

Anche se vaccini basati su vettori adenovirali potrebbero prendere le luci della ribalta nella lotta alla pandemia da coronavirus, essi hanno un passato fallimentare in un altro campo, quello della terapia genica.

Quando gli scienziati iniziarono a costruire vettori adenovirali negli anni ’80, la maggior parte lavorò con un particolare tipo di adenovirus, chiamato Ad5, quello che provoca nell’uomo il comune raffreddore. I ricercatori eliminarono da Ad5 i geni necessari per replicarsi e li inserirono in linee cellulari geneticamente modificate. Ciò ha assicurato che i virus modificati potevano essere coltivati ​​solo in queste cellule speciali in laboratorio. Molti scienziati speravano di usare l’Ad5 per fornire un gene umano in grado di correggere rare mutazioni genetiche, un approccio chiamato appunto terapia genica. Questi sforzi si arrestarono nel 1999 quando un adolescente con una rara malattia genetica del fegato morì dopo trattamento con terapia genica basata su Ad5, progettata in un laboratorio dell’Università della Pennsylvania. La grande dose di virus modificati provocò al paziente un’infiammazione diffusa in tutto il corpo, mandando in tilt il suo sistema immunitario. In seguito a questo grave insuccesso, gli scienziati smisero per lo più di utilizzare i vettori adenovirali per la terapia genica, in cui la dose deve essere elevata per raggiungere tutte le cellule del corpo.

Tuttavia gli esperti di vaccini considerarono l’infiammazione indotta dall’adenovirus come una risorsa. Come ebbe a dire Luk Vandenberghe, un virologo della Harvard Medical School:  “una terapia genica fallita può fornire un buon vaccino”. Una vantaggio interessante è infatti che,  causa gli effetti infiammatori degli adenovirus, nei vaccini a base di questi non deve essere aggiunto nulla.  Al contrario, nei vaccini convenzionali devono essere aggiunti adiuvanti, cioè molecole che indirizzino il sistema immunitario sulla proteina virale, tramite un processo infiammatorio, talvolta anche con sintomi febbrili. Nel caso dei vettori antivirali, sono gli adenovirus stessi che guidano l’infiammazione, tenuta sotto controllo somministrando i vaccini a basse dosi.

E tutti i vaccini genetici – vaccini DNA, vaccini mRNA e vaccini vettoriali adenovirali – imitano un’infezione virale naturale costringendo i nostri corpi a produrre proteine ​​virali all’interno delle nostre cellule. Ciò stimola le cellule T[7] del nostro sistema immunitario ad attaccare queste cellule vaccinate e, nel processo, apprendono a cercare e distruggere le cellule infettate da un’eventuale futura infezione del virus reale.

I vaccini tradizionali, ottenuti da virus indeboliti o proteine ​​virali, stimolano le cellule B a produrre anticorpi contro il virus. Questi anticorpi si attaccano ai virus invasori e impediscono loro di entrare nelle nostre cellule.

Il problema è che una volta che il virus si infiltra nelle nostre cellule, gli anticorpi di un vaccino tradizionale sono inutili. È a quel punto che le cellule T devono entrare in azione. I vettori di adenovirus “sono i migliori di tutti i vaccini per indurre una risposta delle cellule T”, afferma H. Ertl del Wistar Institute[8].

Ecco il motivo per cui alcuni ricercatori di vaccini si rivolsero ai vettori adenovirali nei primi anni 2000 per affrontare malattie come l’AIDS, la malaria e la tubercolosi. Tuttavia un vaccino a base di Ad5 si rivelò inefficace contro il virus dell’HIV mettendo a rischio un sottogruppo di soggetti con preesistente immunità all’Ad5. La ricerca sugli adenovirus cessò per 5 anni. Nel 2009, il National Institute for Health, decise di procedere con una versione modificata della sperimentazione di un vaccino contro l’HIV, a condizione che i partecipanti non avessero l’immunità preesistente all’Ad5. I risultati dello studio su 2.500 persone mostrarono che il vaccino era sicuro, ma ancora non funzionava. Questo studio di caso frenò ancora l’entusiasmo per Ad5, senza però eliminarlo del tutto.

La società CanSino ha sviluppato un vaccino a base di Ad5 per l’Ebola durante l’epidemia del 2014 e uno studio di Fase II ha mostrato che il vaccino ha indotto una risposta anticorpale 4 settimane dopo il trattamento.

Nel 2017, la Cina ha approvato il vaccino, ma solo per l’uso di emergenza e lo stoccaggio nazionale. Ciò lo ha reso il primo, e ancora unico, vaccino vettoriale adenovirale approvato per gli umani, con ’ avvertimento che i livelli di anticorpi sono diminuiti drasticamente entro 6 mesi dalla vaccinazione. La maggior parte dei partecipanti aveva un’immunità preesistente all’Ad5, che secondo alcuni scienziati potrebbe aver ridotto la capacità del vaccino di indurre una risposta immunitaria più duratura.

L’esperienza Ebola dell’azienda le ha permesso di passare rapidamente a un vaccino anti-COVID-19 usando Ad5. Il 16 marzo CanSino è diventata la prima azienda a iniziare una sperimentazione clinica di questo vaccino. Lo studio sulla sicurezza di Fase I su 108 persone è stato completato, sebbene i risultati non siano ancora stati comunicati. È in corso uno studio di fase II su 500 persone.

Alcuni scienziati hanno messo in dubbio le possibilità di successo di CanSino, ma i veterani del settore affermano che l’immunità preesistente all’Ad5 può essere superata con una dose più elevata del vaccino, che richiederà un monitoraggio più rigoroso degli effetti collaterali.

Il già nominato Evans sottolinea che “I cinesi hanno una possibilità migliore in questo studio rispetto a chiunque altro perché hanno una grande esperienza, un enorme impianto di produzione, e il sostegno finanziario e di manodopera del governo cinese. Ignorando CanSino si commetterebbe un grosso errore”.

CanSino Biologics ha iniziato una sperimentazione clinica del suo vaccino COVID-19 basato su Ad5 il 16 marzo. Credit CanSino Biologics

Anche diverse aziende più piccole stanno sviluppando vaccini contro COVID-19 basati su Ad5. Uno di questi è ImmunityBio, che utilizza i vettori Ad5 con ulteriori modifiche geniche. L’amministratore delegato Patrick Soon-Shiong afferma che la modifica riduce drasticamente le risposte immunitarie tossiche del corpo al virus e consente persino di dosare il vettore più volte. L’azienda ha testato il vettore su circa 200 persone in diversi piccoli studi clinici.

Altre società, tra cui Altimmune, Stabilitech BioPharma e Vaxart, ritengono di poter eludere l’immunità preesistente ad Ad5 nel flusso sanguigno somministrando i loro vaccini come spray o pillole nasali anziché con iniezioni. Le formulazioni sperimentali potrebbero anche essere più facili da fabbricare, conservare, distribuire e utilizzare.

Alternative ad Ad5

Anche prima del fallimento sull’HIV, alcuni scienziati ritenevano che l’immunità preesistente all’Ad5 sarebbe stato un problema, quindi hanno cercato in natura gli adenovirus meno comuni cui sarebbero state esposte meno persone. La società di vaccini olandese Crucell Holland e Dan Barouch[9], presso il Beth Israel Deaconess Medical Center e la Harvard Medical School, hanno utilizzato uno dei virus naturali più promettenti, chiamato Ad26, per creare un nuovo vettore adenovirale.

J&J, che ha acquisito Crucell nel 2011, ha continuato a sviluppare più vaccini basati su Ad26 per virus come HIV, virus respiratorio sinciziale (RSV), virus Zika e virus Ebola.

Da allora J&J ha somministrato migliaia di dosi del suo vaccino sperimentale contro l’ebola a persone nella Repubblica Democratica del Congo e in Ruanda. Il vaccino è in fase di revisione da parte delle agenzie del farmaco in Europa, il che significa che potrebbe diventare il primo vaccino vettoriale adenovirale commerciale che ha mostrato di prevenire una malattia nell’uomo.

A gennaio, Barouch ha iniziato a lavorare con J&J su un vaccino anti-COVID-19 basato su Ad26. Sebbene J&J non avvierà studi del suo vaccino sull’uomo fino al prossimo autunno, ha un vantaggio nella capacità di produzione. Oltre ai propri impianti di produzione, ha reclutato Emergent BioSolutions e Catalent[10] per contribuire a produrre fino a 1 miliardo di dosi del vaccino.

Ma il vaccino di J&J ha potenziali svantaggi. I vaccini contro Ebola, HIV e RSV dell’azienda utilizzano tutti un vaccino a base di Ad26 più un richiamo a un altro vaccino. Questa combinazione rende difficile fare confronti con il vaccino anti-COVID-19, che utilizza solo Ad26. E Barouch ha scoperto che circa la metà degli adulti in alcuni paesi dell’Africa sub-sahariana e del Sud-est asiatico hanno un’immunità preesistente all’Ad26, il che significa che il vaccino potrebbe non funzionare bene per queste persone.

Alcuni laboratori hanno cercato di evitare del tutto il problema dell’immunità preesistente usando adenovirus che normalmente non infettano l’uomo ma infettano i nostri parenti più stretti, le scimmie. All’inizio degli anni 2000, James M. Wilson[11] e il suo gruppo della Pennsylvania State University iniziarono a cercare adenovirus di scimpanzé, che i ricercatori isolarono dalle feci dell’animale. Poco dopo Wilson iniziò la collaborazione con Ertl, del Wistar Institute (v. nota 8), per studiare gli adenovirus di scimpanzé come nuovo vettore adenovirale.

Anche Stefano Colloca, già ricercatore della Merck a Roma, co-fondatore dell’impresa italiana Okairos, che ha sconfitto l’ebola sui macachi, si concentrò sullo sviluppo di vettori adenovirali di scimpanzé che assomigliavano molto all’Ad5 umano, instaurando una collaborazione con il Jenner Institute di Oxford. Il gruppo di Oxford ha utilizzato uno dei vettori derivati ​​dallo scimpanzé di Okairos per sviluppare un vaccino contro la malaria, che è diventato il primo vettore derivato da scimpanzé a essere testato sull’uomo.

Nel 2012, il gruppo di Oxford ha sviluppato il vettore chiamato ChAdOx1, basato su un adenovirus scoperto proprio nelle feci di scimpanzé. Nel 2016, il team di Oxford insieme all’affiliata compagnia Vaccitech (v. nota 4) ha sviluppato vaccini sperimentali per una serie di malattie, tra cui AIDS, malaria, tubercolosi e la sindrome respiratoria del medio oriente, causata dal coronavirus MERS-CoV[12].

Nel 2018 è stato condotto un piccolo studio sulla sicurezza del vaccino MERS. I risultati, pubblicati ad aprile, hanno mostrato che la maggior parte delle 24 persone coinvolte nello studio di caso avevano ancora cellule T che colpivano il virus MERS 12 mesi dopo una singola iniezione del vaccino. Avevano anche livelli elevati di anticorpi un anno dopo. Ma solo circa la metà delle persone che hanno ricevuto la dose più alta del vaccino aveva anticorpi che hanno neutralizzato il virus MERS negli esperimenti di laboratorio.

Il lavoro sul MERS ha permesso al gruppo di Oxford di muoversi rapidamente per un vaccino anti-COVID-19, che essenzialmente scambia le istruzioni genetiche per la proteina di superficie del virus SARS-CoV-2. Per migliorare il processo di produzione del suo vaccino, Oxford ha richiesto l’aiuto di MilliporeSigma, che fornirà attrezzature a più produttori a contratto che potrebbero sviluppare collettivamente decine di milioni di dosi del vaccino.

Ricercatori dell’Università di Oxford e di MilliporeSigma al lavoro per migliorare il vaccino vettoriale adenovirale di scimpanzé per COVID-19. Credit Millipore Sigma

Nel luglio 2019, Okairos, trasformatasi in una società chiamata ReiThera[13], di cui Stefano Colloca[14] è responsabile dello sviluppo tecnologico, ha in programma di avviare una sperimentazione clinica del proprio vaccino anti-COVID-19, basato su un adenovirus scoperto nelle feci di gorilla.

Stefano Colloca

Il più grande svantaggio dei vaccini vettoriali adenovirali da grandi scimmie potrebbe essere la loro mancanza di test precedenti sull’uomo. Prima della pandemia da coronavirus, il vettore ChAdOx1 di Oxford era stato somministrato solo a circa 320 persone e il nuovo vettore derivato da gorilla di ReiThera non era mai stato testato sull’uomo.

Sebbene l’immunità preesistente possa limitare l’efficacia dei vaccini basati su Ad5 e Ad26, almeno i genetisti hanno un’idea migliore sulla sicurezza dei loro vettori.

Tuttavia, mentre la maggior parte degli studiosi sul vaccino concorda sul fatto che i vaccini vettoriali adenovirali sono molto efficaci per stimolare l’immunità delle cellule T, non sono d’accordo su quanto sarà importante per prevenire la COVID-19. La maggior parte della ricerca si è concentrata sulla risposta anticorpale del sistema immunitario al virus. I vaccini vettoriali adenovirali possono indurre risposte anticorpali, ma di solito non sono così efficaci come quelli provocati da vaccini più tradizionali.

Gli scienziati seguiranno da vicino gli studi sui vaccini vettoriali adenovirali nei prossimi mesi per vedere come si confrontano con i vaccini mRNA e DNA per la COVID-19. Se i risultati preliminari saranno promettenti e tutto procederà alla perfezione, un numero limitato di vaccini potrebbe essere disponibile per gruppi selezionati – come gli operatori sanitari – già in autunno. Molte aziende sperano che un numero maggiore di vaccini sarà disponibile per tutto il 2021.

*Adattato e ampliato da: Ryan Cross, Adenoviral vectors are the new COVID-19 vaccine front-runners. Can they overcome their checkered past?, C&EN news, May 12, 2020

[1] CanSino Biologics Inc. (Tianjin, Cina) è una società biofarmaceutica innovativa dedicata all’esplorazione delle migliori soluzioni per la prevenzione delle malattie attraverso la ricerca e lo sviluppo all’avanguardia, la produzione avanzata e la commercializzazione di prodotti vaccinali innovativi per uso umano in tutto il mondo.

[2] Johnson & Johnson è una multinazionale americana fondata nel 1886 che sviluppa farmaci, dispositivi medici, prodotti per automedicazione e igiene personale. Molto nota per i suoi prodotti destinati all’igiene della prima infanzia.

[3] I vettori virali sono supramolecole comunemente usate dai biologi molecolari per trasportare materiale genetico nelle cellule. Questo processo può essere eseguito in coltura cellulare (in vitro) o all’interno di un organismo vivente (in vivo).  Gli adenovirus (Adenoviridi) sono una famiglia di virus di dimensioni medie il cui genoma è costituito da DNA lineare a doppio filamento, e i cui membri presentano simmetria icosaedrica e sono privi di rivestimento lipidico (analogamente al SARS-CoV-2).

[4] Vaccitech è un’azienda commerciale spin-out sviluppata dal Jenner Institute dell’Università di Oxford, uno dei più prestigiosi centri di ricerca al mondo sui vaccini.

[5] AstraZeneca è un’azienda globale biofarmaceutica britannica operante nella ricerca scientifica, nello sviluppo e nella commercializzazione di farmaci con obbligo di prescrizione medica per patologie cardiovascolari, metaboliche, respiratorie, infiammatorie, autoimmuni, oncologiche, infezioni e disturbi del sistema nervoso centrale.

[6] Moderna Inc. è una società di biotecnologia con sede a Cambridge (Massachusetts, USA) specializzata nella scoperta e nello sviluppo di farmaci basati sull’RNA messaggero

[7] Le cellule T sono un tipo di linfociti, che si sviluppano nella ghiandola del timo (da cui il nome) e svolgono un ruolo centrale nella risposta immunitaria. Sono distinti dagli altri linfociti, quali i linfociti B, per la presenza di uno specifico recettore presente sulla loro superficie chiamato recettore delle cellule T (T cell receptor, TCR).

[8] Il Wistar Institute è un istituto di ricerca indipendente senza scopo di lucro nella scienza biomedica, con una competenza specifica in oncologia, immunologia, malattie infettive e ricerca sui vaccini. Situato nell’University City di Filadelfia.

[9] Dan Barouch è un medico, immunologo e virologo americano. È noto per il suo lavoro sulla patogenesi e l’immunologia delle infezioni virali e lo sviluppo di strategie vaccinali per le malattie infettive globali.

[10] Entrambe multinazionali per la produzione e la distribuzione di prodotti farmaceutici.

[11] James M. Wilson, professore di Medicina alla Penn Stat University è ricercatore biomedico con esperienza nella terapia genica.

[12] La sindrome respiratoria mediorientale (dall’inglese Middle East Respiratory Syndrome) è una patologia causata dal coronavirus MERS-CoV.

[13] ReiThera è un consorzio europeo costituito con la tedesca Leukocare di Monaco e Univercells di Bruxelles, dedicato allo sviluppo e alla produzione di prodotti biofarmaceutici basati su tecnologie geniche per terapie avanzate, al fine di prevenire e curare diverse malattie gravi o potenzialmente letali.

[14] Stefano Colloca ha decenni di esperienza nella ricerca e sviluppo dei virus genetici, con pubblicazioni su Nature Medicine ed England Journal of Medicine, e inventore, in collaborazione con il National Institute of Health americano, del brevetto del vaccino contro Ebola, quando l’azienda si chiamava Okairos.

Elementi della tavola periodica. Boro, B.

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Il boro (ingl. Boron), simbolo B, è l’elemento n. 5 della tavola periodica, primo del 13° Gruppo. La sua abbondanza nella crosta terrestre è valutata in 10 ppm. Non si trova libero in natura, è contenuto in particolare nel minerale borace e nei soffioni boraciferi[1], famosi quelli di Lardarello, in Toscana.

Figura 1. Varietà di borace (alto), soffione boracifero a Sasso Pisano (basso)

Il minerale borace fu usato in Cina per la fabbricazione degli smalti dal 300 d.C., e alcuni campioni grezzi di borace raggiunsero l’Occidente, dove l’alchimista persiano-arabo Jābir ibn Hayyān lo menzionò attorno al 700 d.C. Marco Polo riportò alcuni smalti in Italia nel 13° secolo. Agricola[2], nel XVI secolo, riporta l’uso del borace come fondente nella metallurgia. Nel 1777 l’acido borico fu riconosciuto nelle sorgenti calde (soffioni) e divenne noto come sal sedativum, con usi principalmente medici. Il minerale sassolite, meno comune del borace, si trova a Sasso Pisano.

Figura 2. Sassolite

La sassolite fu la principale fonte di acido borico in Europa dal 1827 al 1872, quando fonti americane la sostituirono. I composti di boro sono stati usati relativamente poco fino alla fine del 1800, quando la società Pacific Borax Company li rese popolari, producendoli in quantità a basso costo.

Il boro non è stato riconosciuto come elemento fino a quando non fu isolato da Sir Humphry Davy[3], Joseph Louis Gay-Lussac[4] e Louis Jacques Thénard[5]. Nel 1808 Davy osservò che la corrente elettrica inviata attraverso una soluzione di borati produceva un precipitato marrone su uno degli elettrodi. Nei suoi successivi esperimenti, usò il potassio per ridurre l’acido borico invece dell’elettrolisi. Produsse abbastanza boro da confermare il nuovo elemento che chiamò boracio.  Gay-Lussac e Thénard usarono il ferro per ridurre l’acido borico ad alta temperatura. Ossidando il boro con aria, dimostrarono che l’acido borico è un prodotto di ossidazione del boro. Il famoso chimico Jöns Jacob Berzelius identificò il boro come elemento nel 1824.

Proprietà fisiche

Il boro elementare è un non-metallo che si trova in piccole quantità nei meteoriti. Industrialmente il boro purissimo viene prodotto con difficoltà a causa della contaminazione da carbonio o altri elementi. Esistono due principali allotropi di boro: il boro amorfo è una polvere marrone; il boro cristallino è argenteo virante al nero, estremamente duro (circa 9,5 sulla scala di Mohs) e cattivo conduttore elettrico a temperatura ambiente.

Figura 3. Boro elementare: amorfo (alto), cristallino (basso)

L’uso principale del boro elementare è in filamenti, con applicazioni simili alle fibre di carbonio in alcuni materiali ad alta resistenza.

Il boro infatti è simile al carbonio nella capacità di formare reti molecolari con legami covalenti. Anche il boro amorfo (nominalmente disordinato) contiene minuscoli cristalli icosaedrici che, tuttavia, sono legati casualmente tra loro senza un ordine regolare.

Il boro cristallino ha un punto di fusione superiore a 2000 ° C. Possiede diverse forme polimorfe: α- e β-romboedrica, γ- e β-tetragonale. La compressione del boro sopra 160 GPa produce una fase del boro con una struttura ancora sconosciuta, superconduttrice a temperature molto basse, 6–12 K. Nel 2014 sono state descritte le molecole di borosfene (B40, simile al fullerene) e borofene (con struttura simile a quella del grafene).

Figura 4. Struttura del borofene

Proprietà chimiche

Il boro elementare è poco studiato perché è estremamente difficile da preparare al giusto stato di purezza. La maggior parte degli studi sul boro elementare utilizza campioni che contengono piccole quantità di carbonio. Il comportamento chimico ricorda quello del silicio più dell’alluminio, che è l’elemento successivo del 13° Gruppo. Il boro cristallino è chimicamente inerte e resistente all’attacco di acido fluoridrico o cloridrico anche bollenti. Se diviso finemente, viene attaccato lentamente dall’acqua ossigenata concentrata calda, dall’acido nitrico concentrato caldo, dall’acido solforico caldo.

Il boro non reagisce con l’aria a temperatura ambiente, ma a temperature più elevate brucia per formare triossido di boro, B2O3. Il tasso di ossidazione dipende dalla cristallinità, dalla dimensione delle particelle, dalla purezza e dalla temperatura.

Nei composti più usuali, il boro ha stato di ossidazione III. Questi composti includono ossidi, solfuri, nitruri e alogenuri.

I trialogenuri hanno struttura trigonale planare. Questi composti sono acidi di Lewis poiché formano facilmente addotti con donatori di coppie di elettroni, chiamate basi di Lewis. Ad esempio, lo ione fluoruro (F) e il trifluoruro di boro (BF3) si combinano per dare l’anione tetrafluoroborato, BF4. Gli alogenuri reagiscono con l’acqua per formare acido borico, H3BO3.

Più di cento minerali di boro contengono l’elemento nello stato di ossidazione +3. Questi minerali assomigliano in qualche modo ai silicati, sebbene l’atomo di boro si trovi non solo nella configurazione tetraedrica con quelli dell’ossigeno, ma anche in quella trigonale planare. A differenza dei silicati, i minerali di boro non contengono mai il boro con un numero di coordinazione maggiore di quattro. Un esempio tipico è dato dagli anioni tetraborato nel comune minerale borace (figura 5).

Figura 5. Struttura dell’anione tetraborato (atomi di boro in rosa, di ossigeno in rosso)

La carica negativa formale del boro nel borace tetraedrico è bilanciata da cationi metallici, come il sodio (Na+).

Con l’idrogeno forma composti chiamati borani, con formula generica BxHy, che non esistono in natura. Molti borani si ossidano facilmente a contatto con l’aria, alcuni in modo violento. Il capostipite, chiamato borano, ha formula BH3, ma si forma solo allo stato gassoso, dimerizzando per formare diborano, B2H6. I borani superiori sono tutti costituiti da ammassi poliedrici, alcuni dei quali esistono come isomeri.

I composti del boro con l’azoto, chiamati nitruri di boro, sono notevoli per la varietà di strutture che esibiscono, analoghe a quelle degli allotropi del carbonio, come grafite, diamante e nanotubi. La struttura a forma di diamante, chiamata nitruro di boro cubico (nome commerciale Borazon) è utilizzato come abrasivo poiché ha una durezza paragonabile al diamante (le due sostanze sono in grado di produrre graffi l’una sull’altra).

Sono noti numerosi composti organoboranici, in gran parte utilizzati nella sintesi organica. Molti sono prodotti a partire dal diborano, B2H6. Questi composti hanno generalmente geometria tetraedrica o trigonale planare, ne sono esempi il tetrafenilborato, B(C6H5)4 e il trifenilborano, B(C6H5)3. Tuttavia, più atomi di boro che reagiscono tra loro hanno la tendenza a formare nuove strutture dodecaedriche e icosaedriche composte completamente di atomi di boro, o con un numero variabile di eteroatomi di carbonio.

Un composto importante è il carburo di boro, formalmente B4C, un prodotto ceramico molto duro a struttura complessa con proprietà semiconduttrici.

Figura 6. Struttura complessa del carburo di boro

Il boro ha due isotopi naturali stabili, 11B (80,1%) e 10B (19,9%). Esistono 13 isotopi artificiali di boro.

L’isotopo stabile 10B ha un’elevata sezione di cattura neutronica e viene quindi usato nei reattori nucleari. L’industria nucleare arricchisce il boro naturale a quasi 10B puro. Il sottoprodotto meno prezioso, il boro impoverito, è quasi tutto 11B.

Produzione

Le fonti economicamente importanti di boro sono le varietà di borace colemanite (borato idrato di calcio), kernite, tincal (due varietà di borato idrato di sodio) e ulexite (borato idrato di sodio e calcio). Insieme costituiscono il 90% del minerale estratto contenente boro. I maggiori depositi mondiali di borace conosciuti, molti ancora non sfruttati, si trovano nella Turchia centrale e occidentale. Le riserve globali accertate per l’estrazione mineraria superano il miliardo di tonnellate, contro una produzione annua di circa quattro milioni di tonnellate.

La Turchia e gli Stati Uniti sono i maggiori produttori di boro. La Turchia produce circa la metà della domanda annuale globale, tramite Eti Maden İşletmeleri, una società di estrazione mineraria e chimica di proprietà statale turca focalizzata sui prodotti al boro. Nel 2012 deteneva una quota del 47% della produzione globale di minerali di boro, davanti al suo principale concorrente, il gruppo Rio Tinto (dal nome della miniera situata vicino alla città chiamata Boron, in California) che detiene quasi un quarto (23%) della produzione globale di boro.

Applicazioni

La maggior parte del minerale estratto è destinata al raffinamento in acido borico e sodio tetraborato pentaidrato. Quest’ultimo è utilizzato per la produzione di vetro e ceramica. Il principale uso su scala industriale globale dei composti di boro è nella produzione di fibre di vetro per isolanti. Il boro è aggiunto al vetro sotto forma di tetraborato o ossido di boro, per influenzare la resistenza delle fibre di vetro. Un altro 10% della produzione globale di boro è per il vetro al borosilicato utilizzato nella vetreria ad alta resistenza. Circa il 15% del boro globale è utilizzato nella ceramica al boro, compresi i materiali super duri. L’agricoltura consuma l’11% della produzione mondiale e circa il 6% è utilizzato nell’industria di sbiancanti e detergenti.

Le fibre di boro (filamenti di boro) sono materiali leggeri e ad alta resistenza che vengono utilizzati principalmente in strutture aerospaziali, nonché per attrezzi sportivi di produzione limitata come mazze da golf e canne da pesca. Le fibre sono prodotte mediante deposizione chimica di vapori di boro su filamenti di tungsteno.

La vetroresina è un polimero rinforzato con fibre di plastica e di vetro. Tutti i manufatti in vetroresina contengono silice o silicati, con quantità variabili di ossidi di calcio, magnesio e talvolta boro. Il boro è presente come borosilicato, borace o ossido di boro e viene aggiunto per aumentare la resistenza del vetro o come agente per ridurre la temperatura di fusione della silice.

Il vetro al borosilicato, composto in generale da 12-15% B2O3, 80% SiO2 e 2% Al2O3, ha un basso coefficiente di espansione termica, e viene utilizzato nella produzione di vetreria scientifica. I marchi Duran di Schott AG e Pyrex di Owens-Corning sono i due principali marchi di questo vetro, utilizzato anche per pentole e oggetti da forno, principalmente per l’alta resistenza agli shock termici.

In metallurgia, il boro è aggiunto agli acciai a livello di alcune parti per milione per aumentare la temprabilità.

Il borace raffinato è utilizzato in vari prodotti per la pulizia della biancheria e della casa. Il perborato di sodio funge da fonte di ossigeno attivo in molti detergenti per bucato e prodotti per la pulizia.

Il boro è un drogante utile per semiconduttori come silicio, germanio e carburo di silicio. Il metodo tradizionale per introdurre il boro nei semiconduttori è attraverso la sua diffusione atomica ad alte temperature.

Il boro è un componente dei magneti al neodimio, che sono tra i più potenti tipi di magneti permanenti. Questi magneti si trovano in una varietà di dispositivi elettromeccanici ed elettronici, come i sistemi di imaging medica a risonanza magnetica.  Anche i lettori di HDD (hard disk), CD (compact disc) e DVD (digital versatile disk) per computer utilizzano magneti al neodimio per fornire un’intensa potenza rotante in un contenitore straordinariamente compatto. Nei telefoni cellulari i magneti “Neo” forniscono il campo magnetico che consente a piccoli altoparlanti di fornire una potenza audio apprezzabile.

L’acido borico ha proprietà antisettiche, antimicotiche e antivirali e per questi motivi viene usato come depuratore nel trattamento delle acque nelle piscine.  Soluzioni di acido borico a bassa concentrazione sono state usate come antisettici oculari.

Ruolo biologico

Il boro è un nutriente essenziale per le piante, necessario principalmente per mantenere l’integrità delle pareti cellulari. Tuttavia elevate concentrazioni, superiori a 1,0 ppm nel suolo, comportano necrosi marginale e delle punte delle foglie e diminuzione complessiva di crescita. Quasi tutte le piante, anche quelle più tolleranti al boro, mostrano alcuni sintomi di tossicità quando il contenuto di boro nel suolo è superiore a 1,8 ppm. Quando questo contenuto supera 2,0 ppm, alcune piante potrebbero non sopravvivere.

Si pensa che il boro abbia diversi ruoli essenziali negli animali, compreso l’uomo, ma l’esatto ruolo fisiologico è ancora poco compreso. Uno studio sull’uomo pubblicato nel 1987 riferiva di donne in postmenopausa inizialmente carenti di boro e poi trattate con 3 mg/die. L’integrazione ha ridotto notevolmente l’escrezione urinaria di calcio ed elevato le concentrazioni di 17 beta-estradiolo e testosterone nel siero.

L’Institute of Medicine degli USA non ha confermato che il boro sia un nutriente essenziale per l’uomo, quindi non è stata stabilita né una dose giornaliera raccomandata (RDA) né un’assunzione adeguata. L’assunzione nella dieta degli adulti è stimata tra 0,9 e 1,4 mg/die, con circa il 90% assorbito. Ciò che è assorbito viene escreto principalmente nelle urine. Il livello di assunzione superiore tollerabile per gli adulti è di 20 mg/die.

Esistono diversi noti antibiotici naturali contenenti boro. Il primo trovato fu la boromicina, isolata dagli streptomyces.

La distrofia endoteliale congenita di tipo 2, una rara forma di distrofia corneale, è collegata alle mutazioni del gene SLC4A11 che codifica un trasportatore che regola la concentrazione intracellulare di boro.

Riciclaggio

In rete si possono trovare vari studi su processi efficienti per il recupero del boro e composti da materiali di scarto o obsoleti. Per esempio Hong-Yo Shim e collaboratori hanno recentemente proposto un processo per recuperare il boro dalle sostanze chimiche contenute nel sistema di accensione di vecchi motori a propulsione [1]. Il sistema è composto da ossidanti, composti di boro e leganti. Per estrarre i composti del boro sono stati impiegati un solvente organico e/o trattamenti acquosi, seguiti da un processo di sinterizzazione. I risultati hanno mostrato che complessivamente, è stato raggiunto un recupero di boro del 79,7%. Il livello di purezza del boro recuperato è stato del 94%, sufficiente per soddisfare le specifiche richieste dai sistemi di accensione dei motori a propulsione.

Particolare attenzione è stata posta al recupero degli scarti delle miniere per il riutilizzo dei composti di boro nell’industria della ceramica, specialmente in Turchia, il maggior produttore dell’elemento e composti. Haluk Celik ha studiato un possibile riutilizzo dei rifiuti di borace (BW, Boron Waste) dell’unità di dissoluzione della miniera di Kirka,Turchia [2].  Questi BW sono stati impiegati in diverse quantità come sostituzione parziale del marmo al fine di ottenere una composizione ottimale del rivestimento ceramico. Sono state preparate una serie di formulazioni di piastrelle con il 2, 4, 6 e 9% in peso di incorporo del rifiuto boraceo opportunamente pressato. I risultati complessivi hanno indicato una prospettiva di utilizzo dei BW come materia prima fino al 4% in peso per la produzione del rivestimento ceramico.

Un altro composto del boro, il carburo di boro, ha visto un crescente consumo come abrasivo. Di conseguenza sono prodotte grandi quantità di rifiuti di carburo di boro, che possono e devono essere recuperati e riutilizzati. Shuaibo Gao e collaboratori hanno sviluppato un processo economico e rispettoso dell’ambiente per riutilizzare questi rifiuti nell’industria ceramica [3]. Il processo consiste nell’aggiunta di una certa quantità di polvere di alluminio agli scarti per sinterizzare una ceramica composita B4C/Al. Dopo ottimizzazione con idrossipropilmetilcellulosa allo 0,4%, il prodotto sinterizzato ha mostrato prestazioni soddisfacenti: buona porosità densità e resistenza alla compressione e alla flessione.

Una dettagliata review sul riciclaggio del boro e composti è stata recentemente pubblicata da Hakan Caglar e Oguzhan Y. Bayraktar [4].

Ciclo biogeochimico

Un primo studio sul ciclo biogeochimico globale del boro fu pubblicato da Haewon Park e William H. Schlesinger nel 2002. Successivamente, nel 2016, lo stesso Schlesinger, insieme a Avner Vengosh, della Duke University (USA), hanno revisionato la ricerca in base a dati più recenti [5].

In questo lavoro rivisto e aggiornato del ciclo biogeochimico del boro sulla superficie terrestre, i flussi più grandi sono associati all’iniezione di aerosol di sale marino nell’atmosfera (1,44 Tg B/ anno), alla produzione e combustione di combustibili fossili (1,2 Tg B/anno), alla deposizione atmosferica (3,48 Tg B/a), all’estrazione di minerali di boro (1,1 Tg B/a) e al trasporto di materia disciolta e sospesa nei fiumi (0,80 Tg B/anno). Le nuove stime mostrano che la mobilità antropogenica di boro dalla crosta continentale supera i processi naturali, determinando flussi sostanziali verso l’oceano e l’idrosfera. La componente antropogenica contribuisce all’81% del flusso nei fiumi.

In figura 7 è riportato lo schema del ciclo biogeochimico tratto dal rif. [5].

Figura 7. Il ciclo globale del boro. Sono enfatizzati i flussi principali, omettendo quelli biologici negli ecosistemi terrestri e marini. I valori di flusso sono in Tg B/anno (= 1012 gB/anno)

I due scienziati concludono che l’aumento della CO2 atmosferica dall’ultimo periodo glaciale (~ 200 ppm) al tempo preindustriale moderno (280 ppm) è associato con una diminuzione dell’isotopo11B dal 21,3‰ al 20,7‰. Di conseguenza, essi prevedono che i futuri cambiamenti climatici e l’acidificazione degli oceani modificheranno la distribuzione delle specie di boro nell’oceano facendo diminuire il 11B dai carbonati coprecipitati in condizioni di pH inferiore.

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-6

https://en.wikipedia.org/wiki/Boron

Bibliografia

[1] Yong-Ho Shim et al., Boron Recycling from Obsolete Propulsion Engine., Waste Biomass Valor2019, doi.org/10.1007/s12649-019-00918-0

[2] H. Celik, Recycling of Boron Waste to Develop Ceramic Wall Tile in Turkey., Transactions of the Indian Ceramic Society, 2015, 74, 108-116.

[3] S. Gao e al., An economic and environment friendly way of recycling boroncarbide waste to prepare B4C/Al composite ceramic., International Journal of Applied Ceramic Technology, 2018, DOI: 10.1111/ijac.13129

[4] H. Caglar, O. Y. Bayraktar, Reuse of Concrete and Boron Waste from Recycling Point of View: Literature Review., International Journal of Scientific and Technological Research, 2018, 4, 103-108.

[5] W.H. Schlesinger, A. Vengosh, Global boron cycle in the Anthropocene., Global Biogeochemical Cycles, 2016, 30, 219-230. DOI: 10.1002/2015GB005266

[1] I soffioni boraciferi sono emissioni violente e continue di vapore acqueo, acido borico e ammoniaca ad alta pressione e temperatura, che fuoriescono da spaccature del suolo o perforazioni artificiali. Sono strutture legate al vulcanismo secondario che si sviluppano durante la fase di stasi tra un’eruzione e la successiva oppure durante le ultime fasi di vita del vulcano.

[2] Georg Bauer, latinizzato Agricola (1494 – 1555). Filologo, medico e metallurgista tedesco, studiò a Bologna e Padova, si dedicò allo studio dei minerali e della loro utilizzazione. È considerato il fondatore della moderna metallurgia. Fra le sue numerose opere, scritte in latino, il De re metallica, dove tratta diffusamente della metallurgia.

[3] Sir Humphry Davy (1778 – 1829) è stato un chimico e inventore della Cornovaglia, ricordato per aver isolato, usando l’elettricità, una serie di elementi: potassio e sodio nel 1807, calcio, stronzio, bario, magnesio e boro l’anno successivo, oltre ad aver scoperto la natura elementare di cloro e iodio.

[4] Joseph Louis Gay-Lussac (1778-9 – 1850) chimico e fisico francese. È noto soprattutto per la sua scoperta che l’acqua è composta da due parti di idrogeno e una parte di ossigeno, per due leggi relative ai gas e per il suo lavoro sulle miscele di acqua e alcol, che ha portato alla scala Gay- Lussac per la misura del grado alcolico.

[5] Louis Jacques Thénard (1777 – 1857) è stato un chimico francese. Collaboratore di Louis Joseph Gay-Lussac, scoprì l’acqua ossigenata (H2O2) nel 1818, il boro e fornì una prima classificazione degli elementi metallici.

L’ antropocene è senz’altro molto urbano.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Le cittá sono divenute la realtà predominante capaci di produrre l’80% della materia di provenienza domestica e di instaurare una rete commerciale mondiale. Le citta possono essere definite come un complesso di progresso ed innovazione, di cultura e benessere, ma anche di stratificazione sociale e di accentramento della popolazione (50% del totale in corrispondenza del 3 % dello.spazio occupato) che di certo ostacola un utilizzo più razionale degli spazi.

Le previsioni sono per un ulteriore aggravamento della situazione : nel 2050 più dei 2/3 della popolazione mondiale vivrà nelle città, cioè 2.5 miliardi in più di abitanti attratti dalla promessa di benessere e prosperità.

Questo sviluppo impetuoso e non controllato ha comportato la necessità di muoversi in regime di emergenza trascurando aspetti vitali, a partire da un’economia basata sulle risorse fossili. Le  città sono affamate di energia e consumano molto producendo quantità insostenibili di rifiuti, circa 2 miliardi di tonnellate l’anno. Questa economia lineare produce circa 4 milioni di morti l’anno  a causa dell’inquinamento ed il 70% delle emissioni di CO2.

Questi dati hanno però un’altra faccia: le cittá rappresentano un territorio di sfida per il cambiamento sul quale competono anche oggi associazioni, cittadini, reti sociali globalmente diffusi, rimediando alla difficoltà di coesione e collegamento al livello ufficiale dei Paesi.

Da questo punto di vista le città del Nord Europa si sono dimostrate particolarmente attive meritandosi riconoscimenti e premi.

Oslo aspira ad essere “carbon neutral” (cioè capace di farsi carico dei propri impatti ambientali e di rendere le proprie attività non impattanti sul clima) nel 2050, ma a quella data Copenhagen lo dovrebbe essere già da 25 anni e Stoccolma e Reykjavik da 10. Purtroppo il resto del mondo si muove a ben altra velocità.

Il 90 % dei 2.5 miliardi di cittadini urbani attesi nel 2050 saranno localizzati in Africa ed Asia: si tratta di Paesi ad impronta ecologica molto inferiore ad 1, con accesso non affidabile al cibo, scarsità di acqua e di elettricità, problemi sanitari e di ingiustizia sociale. Il problema però non deve essere limitato alla riduzione delle emissioni, nel senso che la vivibilità delle città dovrebbe essere una condizione irrinunciabile, intendendo con ciò la compatibilità fra l’urbanizzazione e la disponibilità di spazio: esattamente il contrario di quanto avviene nell’emisfero meridionale con aggregazioni costipate ed insediamenti selvaggi.

Diventa così difficile, quasi impossibile, dotare le comunità di infrastrutture e servizi rendendole più vulnerabili ai cambiamenti climatici. Degli obbiettivi delle citta nordiche, presenza di traffico veicolare limitato alla  trazione  elettrica, sistemi di smaltimento dei rifiuti centralizzati, verde verticale, nelle città del Sud neanche si parla allontanando i benché minimi traguardi di resilienza ai cambiamenti climatici.  Nei pochi casi in cui vengono programmate città nuove lo sono in funzione di interessi economici e di investimento dei detentori dei capitali in resort di prestigio che di certo non saranno accessibili alla popolazione povera di quei Paesi.

Ho parlato di emisfero meridionale come di un sistema omogeneo: in effetti non è cosi. Si tratta di un insieme di Paesi incredibilmente diversi nei quali molte delle sfide sono simili, ma in contesti diversi. Per affrontarle è necessaria la cooperazione fra i Paesi del Sud del mondo, ma anche il trasferimento delle conoscenze dal Nord al Sud. Le città saranno la guida di questo processo verso un futuro sostenibile, ma la battaglia sarà vinta o persa nelle città che si espandono nel Sud del mondo e non nei centri super-connessi delle centri del Nord.

Non è una guerra

In evidenza

 Salvatore Coluccia

Non è una guerra. Pochi resistono a questa tentazione iperbolica. In guerra, e noi siamo generazioni fortunate in questa parte del mondo, puoi essere ucciso da altri uomini e tu stesso puoi trovarti nella necessità di farlo. Qui è diverso, e non basta evocare il “nemico invisibile” per chiamarla guerra. Per quanto possa apparire inessenziale e leziosamente nominalistico, si deve riconoscere che è cosa diversa, altrimenti si rischia di deviare l’attenzione dalla ricerca delle cause e dalla costruzione di percorsi utili a ridurre i danni e, persino, attivare processi virtuosi.

È una epidemia, anzi, per la sua estensione, una pandemia scatenata da un virus che ha fatto un salto di specie passando da animali selvatici all’uomo. Ciò è avvenuto infinite volte. Quasi tutte le epidemie derivano da questi processi da sempre presenti in natura, da prima che apparisse l’uomo, trasferimenti di virus e batteri tra le specie esistenti nelle varie fasi di sviluppo e diversificazione delle forme di vita.

Tutto questo è noto ed è stato descritto molto bene da tanti scienziati e anche da alcuni giornalisti, e non saprei dire di più. E’ confortante la attenzione crescente alle informazioni scientifiche, fatto, finora, purtroppo inconsueto nel nostro Paese.

Voglio soffermarmi solo su alcuni aspetti, che rendono più comprensibile il presente e fanno pensare che il futuro potrebbe essere diverso.

Gli eventi epidemici sono prevedibili, e sono stati previsti, come segnalato infinite volte dai virologi. Non si può prevedere quando e dove, ma si sa che di queste epidemie in questi ultimi decenni ne sono scoppiate molte, con cadenze che tendono a ravvicinarsi. Alcune con sintomi e letalità spaventose, ma non sempre, fortunatamente, con grande capacità di trasmissione.

Proprio per questo l’Organizzazione Mondiale della Sanità e tutte le agenzie nazionali hanno, con regolarità, emesso delle linee guida per indicare alle autorità (Governi in primo luogo) preposte alla salute pubblica come attrezzarsi, indicando quali scorte di presidi sanitari predisporre, i comportamenti sociali e individuali da adottare, l’organizzazione delle strutture sanitarie ospedaliere e territoriali.

Tutto questo non eviterebbe le epidemie, ma ne ridurrebbe l’impatto garantendo reazioni tempestive.

Tutte le raccomandazioni sono state disattese in tutti i Paesi (con pochissime eccezioni), anche in Italia, e ciò si è aggiunto a un progressivo pluridecennale de-finanziamento del sistema della Sanità Pubblica, che tuttavia ancora in queste circostanze si è dimostrato l’unico presidio possibile in emergenze di queste dimensioni.

Così come non credo alla guerra, non credo agli eroi. I nostri operatori ospedalieri e territoriali sono stati “semplicemente” straordinari, così come lo sono stati in tutti questi anni di tagli dissennati, evitando il collasso del sistema e garantendo, nonostante tutto, un diritto universale quale è la Salute.https://sbilanciamoci.info/gli-investimenti-pubblici-nella-sanita-italiana-2000-2017/

Ma se questo è quanto è avvenuto, come può essere il futuro?

Fra i tanti, due aspetti meritano attenzione.

Il primo è un effetto purtroppo certo di questa pandemia: l’aumento delle diseguaglianze. Aumenteranno i disoccupati, i poveri, le differenze a scuola penalizzando chi non ha accesso alle tecnologie digitali e ha nella scuola anche un luogo, magari l’unico, di sicurezza e assistenza.

Il secondo è l’enorme quantità di risorse finanziarie che ora vengono messe in campo per garantire una adeguata capacità di spesa delle famiglie e una possibile ripresa di attività produttive. In altri paesi pare che siano ancora maggiori, ma comunque qui in Italia sono certamente grandi.

Sembra quasi che si stia o si intenda ora riversare nei vari settori e in vari modi quanto negli anni passati era stato sottratto alla Sanità, alla Scuola, alla Sicurezza Sociale, alle Opere Pubbliche per infrastrutture materiali (trasporti, strade, edilizia scolastica e ospedaliera, ecc.) e immateriali (accesso alle reti digitali), protezione del Territorio e Ambiente. Forse finalmente possiamo farci un’idea concreta di quanto ci sono costati quei presunti “risparmi” che, in realtà, altro non erano che alcuni tra gli strumenti di redistribuzione di ricchezza e di sua concentrazione in fasce sempre più ristrette di popolazione. Ricordiamolo, l’Italia è tra i Paesi in cui il divario tra ricchi e poveri è tra i più drammatici ed è crescente.

Non si può fare un corto circuito tra questi due temi, diseguaglianze e destinazione delle risorse? Certamente si può, e già si comincia forzatamente a farlo. L’assunzione di decine di migliaia di medici e infermieri, gli annunciati concorsi per insegnanti nelle scuole sono ottimi segnali. Permetteranno di immettere giovani appena formati e stabilizzare dipendenti che da anni sono in situazioni di demotivante precarietà. E’ questa la strada giusta.

Scuola, Formazione, Università e Ricerca

Salute

Ambiente e Territorio

Infrastrutture Materiali e Digitali

non sono solo Beni Comuni e di Valore Universale, sono anche le grandi occasioni di creazione di posti lavoro, le sole che potranno stabilmente accrescere l’occupazione e contemporaneamente dare concrete motivazioni per una coesione sociale che si è progressivamente smarrita a causa della precarietà delle condizioni di vita, colpevolmente aggravate da scellerate e divisive politiche del lavoro.

Queste sono scelte che si può decidere di adottare.

Ma sono appunto scelte, e come tali non includono tutto. Includono giustizia, solidarietà, parsimonia, sviluppo sostenibile.

Escludono avidità, ma includono un possibile Futuro, quasi certamente l’unico Futuro possibile.

Disinfezione finale di acque reflue: nuove problematiche e nuovi approcci.

In evidenza

Mauro Icardi

L’amico e collega di redazione Rinaldo Cervellati mi ha inviato un interessante articolo pubblicato su Chemical & Engineering News.  L’articolo tratta della disinfezione finale dei reflui degli impianti di depurazione, ed è estremamente interessante sotto molti punti di vista.

https://cen.acs.org/environment/water/peracetic-acid-changing-wastewater-treatment/98/i15

Per prima cosa occorre ricordare che  l’acqua depurata, destinata ad essere recapitata in un corpo idrico, dovrebbe non solo rispettare i limiti imposti per normativa, ma anche non peggiorare lo stato ecologico dello stesso. Come ho già avuto modo di far notare in passato, la situazione di molte acque superficiali sta diventando critica. La portata dei fiumi, anche di quelli più importanti  si sta riducendo, per effetto della marcata variazione del regime delle precipitazioni atmosferiche. Questo comporta spesso il verificarsi di situazioni di asciutta prolungata. In alcuni casi ancora abbastanza rari, il corpo idrico risulta alimentato solo dagli scarichi di impianti di depurazione. E’ questa è una situazione decisamente anomala, e purtroppo poco conosciuta, se non dagli addetti al settore.

Altro problema è quello di utilizzare una tecnica che permetta di ottenere una disinfezione ottimale, a costi ragionevoli, e che non produca sottoprodotti di disinfezione tossici per l’habitat acquatico.

Terzo problema è quello che ci assilla oggi. Una disinfezione efficiente è anche un modo per contenere il diffondersi dell’epidemia di coronavirus.  O per meglio dire, impianti di depurazione e di potabilizzazione efficienti sono indispensabili per mantenere un livello adeguato di igiene, e impedire il diffondersi di malattie virali e batteriche legate all’indisponibilità di acqua di qualità.

Per quanto riguarda la depurazione dei reflui ,la sezione di disinfezione assicura l’eliminazione dei microrganismi batterici e virali potenzialmente patogeni, che sono transitati indenni  dalle precedenti fasi di trattamento.  Occorre precisare che alcuni tipi di microrganismi come i virus possono già subire una parziale diminuzione di infettività dovuta alla competizione a cui sono sottoposti dagli altri microrganismi colonizzanti il fango biologico. Anche l’effetto della luce solare contribuisce inertizzarli. Ma la disinfezione finale è assolutamente indispensabile.Posso assicurare che la gestione di una sezione di disinfezione finale richiede la necessità di adottare un protocollo attento e rigoroso di controlli.

Leggendo l’articolo che  parla della gestione dell’impianto di trattamento delle acque reflue, mi ha colpito subito il fatto che per decenni  la città di Memphis,  non abbia disinfettato le sue acque reflue.

O per meglio dire smise di disinfettare le acque reflue per il timore che il cloro residuo potesse danneggiare la vita acquatica e per  problemi legati alla suo dosaggio e gestione. Si affidò invece alla decantazione, alla filtrazione e alla digestione anaerobica per ridurre la carica batterica.

Questa preoccupazione è abbastanza comune tra gli addetti al settore della depurazione.  L’uso dell’ipoclorito di sodio si è diffuso capillarmente negli anni per ragioni principalmente dovute alla convenienza economica.  L’ipoclorito di sodio ha una storia lunga. Intorno al 1785 il francese Berthollet  produsse  agenti di candeggianti liquidi basati sull’ipoclorito di sodio.

Nell’utilizzo come agente disinfettante per la depurazione delle acque reflue esso ha sempre avuto buona efficacia.  Ma può diventare problematico se per qualunque ragione viene a contatto con una concentrazione di sostanza organica troppo elevata. Detto in parole più semplici, se viene dosato su acqua non sufficientemente  depurata, oppure se nella vasca di disinfezione avvengono trascinamenti di fango o solidi sospesi. Non solo l’efficacia di disinfezione cala drasticamente, ma si sviluppano come sottoprodotti di disinfezione le clorammine.  Queste si formano per reazione tra l’ammoniaca presente nei reflui, ed il cloro sviluppato dall’ipoclorito dosato.   Queste ultime sono anch’esse dei potenziali composti ad azione disinfettante, ma tendono a permanere nell’acqua più a lungo. E se sono scaricate troppo presto sono tossiche per la fauna acquatica, potendo anche provocare morie di pesci.  Normalmente i tempi di ritenzione idraulica di una sezione di disinfezione finale si aggirano su valori di circa 30 minuti. In questo lasso di tempo l’ipoclorito diminuisce la carica batterica reagendo con essa, e contestualmente  riduce il valore di cloro libero residuo al di sotto di 0,2 mg/L. (Limite di normativa in Italia). Questo tempo di ritenzione è del tutto insufficiente per le clorammine.

La rimozione delle clorammine, eventualmente formatesi come sottoprodotti indesiderati della sezione di disinfezione, si può ottenere  tramite passaggio su filtri a carbone attivo.

Per queste ragioni i colleghi di Memphis, ma anche molti altri in Italia, hanno cominciato a valutare ed utilizzare acido peracetico.  L’acido peracetico (C2H4O3) è una miscela di acido acetico (CH3COOH) e perossido di idrogeno (H2O2) in soluzione acquosa.  L’acido peracetico può essere applicato per la disattivazione di una grande varietà di microorganismi patogeni. Inoltre disattiva i virus e le spore. L’attività dell’acido peracetico è molto meno influenzata  dai composti organici che possono essere presenti nell’acqua.

 L’acido peracetico è più efficace quando il livello di pH è più vicino alla neutralità, che a valori leggermente basici. Normalmente l’acqua reflua in uscita ha valori di pH leggermente superiori a 7. Ma l’efficacia di disinfezione non ne  risente significativamente. Quindi l’acido peracetico può essere una valida alternativa all’utilizzo di ipoclorito o cloro gassoso.  Non è noto che crei sottoprodotti di disinfezione nocivi. E poiché l’acido peracetico si decompone rapidamente in acido acetico, ossigeno e acqua, non è necessario rimuoverlo o neutralizzarlo prima che l’acqua venga scaricata nei corsi d’acqua.

Negli Stati Uniti il maggior ricorso all’utilizzo di acido peracetico ne sta riducendo il costo, rendendolo maggiormente concorrenziale rispetto all’ipoclorito di sodio.

Per mia esperienza personale, suffragata anche da quanto letto nell’articolo di Chemical & Engineerinng, non esistono soluzioni precostituite ed ottimali su quale tipo di prodotto usare per la disinfezione. Le valutazioni adatte si ottengono con un controllo accurato e continuo delle condizioni impiantistiche e di processo. Nonché della conoscenza accurata della composizione chimica dell’acqua da depurare. Tutte queste condizioni possono variare nel tempo. E di conseguenza le scelte di gestione del processo di trattamento possono e devono  essere modificate se necessario.

Sempre restando in ottica di disinfezione è in uso da tempo anche la disinfezione con lampade UV.

Anche questo tipo di tecnica ha, come ovvio, i suoi vantaggi e svantaggi: costi maggiori come installazione che possono essere ammortizzati nel corso degli anni. Ma anche in questo caso è fondamentale che siano tenute sotto controllo le sezioni a monte. In particolare quella di sedimentazione secondaria per evitare trascinamenti di fango che producendo biofilm sulle lampade ne compromettano l’efficacia di funzionamento . Anche reflui fortemente colorati (tipicamente quelli da industrie tessili) possono ridurre l’efficacia delle lampade , impedendo la piena trasmissione della luce UV.

La probabile tendenza a ridurre i limiti allo scarico sia della carica batterica, che di alcuni parametri chimici, o di quelli non ancora oggetto di normazione rendono indispensabile la possibilità di progettare impianti molto modulari, e di modificare quelli esistenti in tal senso.

Negli Stati Uniti si è valutata  l’efficacia di disinfezione che si può ottenere combinando una disinfezione con acido peracetico e lampade UV ((Environ. Sci. Technol. Lett. 2018, DOI: 10.1021/acs.estlett.8b00249).

Gli UV disinfettano danneggiando il DNA e l’RNA di microbi e virus.  La luce UV stimola anche l’acido peracetico per produrre ulteriori specie reattive dell’ossigeno. Questo ne aumenta l’efficacia permettendo l’ossidazione degli inquinanti che l’acido peracetico non può normalmente ossidare, come i prodotti farmaceutici. Ma c’è bisogno di più lavoro per capire la cinetica, la reattività e la selettività di questi sistemi.

Oggi che siamo alle prese con il coronavirus, è sempre più necessario uno sforzo coordinato. Che parte dalla ricerca, ed arriva fino alla gestione degli impianti di trattamento delle acque. Non credo sia fuori luogo arrivare a considerare un impianto di trattamento delle acque, come un’estensione del sistema sanitario.  La ricerca già da tempo sta confrontandosi con i gestori, per trovare soluzioni ai molti problemi emergenti. Non esiste solo il coronavirus.  La resistenza antibiotica rischia di diventare un problema enorme. E quindi non rimane che accostarsi a tutte queste problematiche con coraggio e con una visione complessiva. Destinare le risorse economiche adeguatamente, sapendo che ci possono garantire acqua di qualità e anche un buono stato di salute. Non posso dire che sarà una cosa semplice. Ho potuto sperimentarlo personalmente. Spesso il dialogo tra politica, tecnici e ricerca è un dialogo tra sordi. Lo vediamo anche in questi giorni, convulsi e densi di ansietà. Non credo però che sia molto saggio  pensare di non muovere un primo passo, che notoriamente è sempre quello più faticoso , verso un modo del tutto nuovo di considerare i nostri beni comuni.  E l’approccio anche mentale che ognuno di noi ha verso di essi.

https://cen.acs.org/environment/water/peracetic-acid-changing-wastewater-treatment/98/i15?utm_source=NonMember&utm_medium=Newsletter&utm_campaign=CEN

Recensione. “Chimica al femminile” di Rinaldo Cervellati

In evidenza

Margherita Venturi

Recensione. Chimica al femminile, Rinaldo Cervellati, ed. Aracne, 2019 p.308 euro 21 (il solo pdf euro 12)

Conosco Rinaldo Cervellati praticamente da sempre e, praticamente da sempre, apprezzo il suo rigore nella ricerca scientifica e la sua sensibilità nei rapporti umani. Ebbene questo è il Rinaldo autore di “Chimica al femminile”: appare evidente il suo rigore nella ricerca delle fonti, dei dati riportati e del contesto storico e traspare ovunque il suo coinvolgimento emotivo quando descrive la vita delle scienziate. Non sembra quasi un libro scritto da un uomo e questo, detto da una donna, è un gran complimento.

Il mondo della scienza, e in particolare della chimica, è un mondo popolato fondamentalmente da uomini, o meglio è così che deve apparire, vuoi per retaggi storici, vuoi per pregiudizi che stentano a morire.

Ai miei studenti universitari, maschi e femmine più o meno in numero uguale e frequentanti una laurea magistrale in chimica, da alcuni anni racconto la seguente storiella. Un bambino è in macchina con il padre; avviene un tremendo incidente e il padre muore, mentre il bambino, in condizioni disperate, viene portato all’ospedale; deve essere operato d’urgenza, ma il chirurgo di turno, dopo aver guardato il bambino, con angoscia dice: non lo posso operare, è mio figlio! Alla fine della storia domando: come è possibile? Ricevo le risposte più fantasiose, maliziose e stravaganti (il padre non è morto; l’uomo morto non è il vero padre del bambino) e ben difficilmente la risposta più banale: il chirurgo è la madre del bambino. Il motivo deriva dal fatto che lo stereotipo è quello di un chirurgo necessariamente uomo e anche le donne ne sono convinte, come dimostra l’eterogeneità del mio pubblico di studenti, fra l’altro già grandi e con una buona preparazione scientifica alle spalle.

Un altro esempio eclatante, sempre riferito alla mia esperienza personale, riguarda la Tavola Periodica parlando della quale spesso chiedo: chi ha contribuito a popolarla? Chi ha scoperto gli elementi ordinati in questo documento? Ci sono donne scienziate che hanno lavorato in quest’ambito? Oltre al nome di Marie Curie, a cui a volte si aggiunge quello di Marguerite Perey, non viene fuori null’altro. E non potrebbe essere diversamente, perché le tante donne che hanno contribuito a far crescere la Tavola Periodica non sono state riconosciute, o peggio sono state volutamente dimenticate.

Il libro di Rinaldo è un omaggio proprio alle scienziate dimenticate e a quelle che hanno subito gravi torti. Sono in totale 41 storie, una più bella e triste dell’altra, anche se in ciascuna emergono la determinazione e la forza di volontà che caratterizzano il sesso femminile (immeritatamente chiamato sesso debole, ma forse questa è un’invenzione degli uomini). Nonostante avessi già avuto modo di leggere alcune delle monografie che ritroviamo nel libro, proprio in questo blog nella serie “Scienziate che avrebbero dovuto vincere il premio Nobel”, a cura di Rinaldo, il piacere della lettura è rimasto intatto e il coinvolgimento è stato sempre molto forte.

Come dicevo, si tratta di una carrellata di “eroine” della chimica e ogni storia ha suscitato in me sentimenti diversi.

Per esempio, ammirazione e tenerezza è ciò che ho provato per Julia (Yulija) Vsevolodovna Lermontova; ammirazione per i primati che è riuscita a raggiungere (è stata la prima donna russa e la terza donna europea ad aver ottenuto il dottorato), ma anche per i suoi interessi di ricerca: siamo nella seconda metà del 1800, le donne non sono ben accette, eppure lei si dedica ad una chimica “pesante”, ancora oggi appannaggio quasi esclusivo degli uomini, come la sintesi di idrocarburi, la composizione del petrolio caucasico e le tecnologie per migliorare la fertilità del suolo. La tenerezza, invece, l’ho provata leggendo che i genitori, benché non capissero la sua scelta di dedicarsi alle scienze, non la ostacolarono e permisero a Julia di aver accesso alla letteratura specializzata e di compiere esperimenti in casa (mi ha ricordato l’atteggiamento dei miei genitori e un pezzo della mia infanzia quando facevo i primi esperimenti in casa usando il Piccolo Chimico).

E poi, ancora, ammirazione e stima sono stati i sentimenti che ho provato per Ida Noddak, che lavorando assieme a Walter Noddack (direttore dell’istituto e suo futuro marito), riempì la casella 75 della Tavola Periodica con l’elemento renio. Ammirazione per i molti ostacoli che Ida dovette superare, sia dal punto di vista accademico (sempre all’ombra del marito), che da quello economico (in Germania le donne sposate non potevano aver uno stipendio); stima per la determinazione con cui osò criticare Fermi, quando nel 1934 annunciò di aver ottenuto l’elemento 93, bombardando con neutroni l’uranio. Ida suggerì che si trattasse della rottura del nucleo dell’uranio, ma la comunità dei fisici la stroncò, giudicando questa ipotesi inaccettabile e addirittura ridicola (tanto ridicola e inaccettabile da rivelarsi cinque anni dopo assolutamente vera) e, molto probabilmente, fu proprio per questa sfrontatezza che la Noddak, nonostante fosse stata candidata la Premio Nobel quattro volte, non lo ebbe.

Ammirazione e rabbia sono, invece, le sensazioni contrastanti che ha suscitato in me la storia di Lise Meitner; l’ammirazione è dovuta, oltre ai traguardi raggiunti (è stata la seconda donna in Austria ad ottenere il dottorato in Fisica e la prima donna in Germania a ricoprire la cattedra di Fisica), alla grande fermezza con cui ha portato avanti la sua ricerca; a Berlino, appena arrivata, dovette lavorare, spesso senza stipendio, in una carpenteria adattata a laboratorio per misure di radioattività, dal momento che le donne non potevano frequentare gli istituti universitari; poi dovette esiliare in Svezia a causa delle leggi razziali, ma anche qui proseguì instancabile i suoi studi sul processo di fissione dell’uranio, stabilendone le basi teoriche e continuò, seppure da lontano, la collaborazione con Otto Hahn, cominciata ai tempi di Berlino. Lise ebbe sempre un grande affetto e stima per Hahn; la cosa, però, non fu reciproca, perché quando Hahn ebbe il premio Nobel “per la sua scoperta della fissione dei nuclei atomici pesanti” non ebbe neanche il buon gusto di citare l’importante contributo della Meitner a questa scoperta. La rabbia che provo è per i veri motivi che hanno portato all’esclusione della Meitner dal premio (emersi quando i documenti a lungo secretati dei lavori del Comitato Nobel divennero pubblici): pregiudizi disciplinari, ottusità politica, ignoranza e fretta. La Meitner, quindi, fu esclusa perché era donna e perché era ebrea; sugli ultimi due punti preferisco non esprimermi (la rabbia raggiunge le stelle).

La storia di Clara Immerwahr, moglie di Fritz Haber, e quella di Rosalind Franklin mi hanno invece lasciato in bocca un’amara tristezza, perché sono le due “eroine” di questo libro più fragili, vittime di uomini egoisti e ambiziosi.

Clara è stata sopraffatta dal marito che, interrompendo la sua carriera scientifica, l’ha relegata al ruolo di collaboratrice silenziosa; il silenzio, infatti, ha accompagnato tutta la breve vita di Clara che, non avendo il coraggio di dire al marito che la sua ricerca sui gas nervini era una “perversione degli ideali della scienza”, ha preferito suicidarsi.

Anche Rosalind ha avuto una vita breve e, come Clara, non è riuscita ad imporsi e a dichiarare pubblicamente il grande sopruso subito. I suoi dati cristallografici sono stati, infatti, usurpati da tre colleghi, Watson, Crick e Wilkins, che li hanno usati per risalire alla struttura a doppia elica del DNA. Certamente una scoperta importantissima da Premio Nobel e, infatti, i tre colleghi hanno avuto il premio e sono diventati famosi; peccato che si siano dimenticati di citare il lavoro fondamentale di Rosalind. Solo di recente questa triste storia è stata resa nota, quando Rosalind era morta: non solo non ha condiviso il Nobel, ma non ha neanche avuto il piacere di ricevere il giusto tributo dalla comunità scientifica; un grande e incolmabile debito che la scienza avrà sempre nei confronti di questa ricercatrice.

E potrei andare avanti, ma è giusto che scopriate da soli le tante storie raccontate da Rinaldo.

Concludo dicendo che questo libro dovrebbe essere letto fondamentalmente dagli “uomini” per metterli di fronte ad una realtà che può apparire scomoda, ma che bisogna conoscere: chi ignora la storia rischia sempre di ripeterla, ha detto giustamente il nostro autore.

Però, poiché mi piace essere giusta, aggiungo una considerazione; in ambito accademico le cose stanno leggermente migliorando e le donne cominciano ad avere un timido riconoscimento del loro valore (io sono una delle fortunate perché ho lavorato in “un’isola veramente felice”, dove la discriminazione di sesso non è mai esistita). Quindi ci sono anche uomini “illuminati”; ce ne sono stati in passato, ad esempio Mendeleeev si è adoperato per aprire l’istruzione alle donne, e ce ne sono oggi, ad esempio Roald Hoffman, premio Nobel per la Chimica nel 1981 ha detto: amo troppo la scienza per privarla dell’intelligenza delle donne.

Complessi di attinidi per il trattamento e smaltimento di scorie nucleari?

In evidenza

Rinaldo Cervellati.

Come noto, l’Italia interruppe l’utilizzo dell’energia nucleare per la trasformazione in energia elettrica con il referendum del 1987, ribadito nel 2011, dopo un dibattito sull’eventuale reintroduzione di impianti elettronucleari [1].

Tuttavia la “corsa al nucleare” non si è mai fermata in altre nazioni come riportato in una indagine del 2011, secondo la quale le centrali nucleari attive nel pianeta sono 442, di cui 148 in Europa [2].

La stessa indagine ci informa che il primato mondiale per numero di reattori nucleari in funzione spetta agli Stati Uniti con 104, seguiti da Francia (58), Giappone (54) e Federazione Russa (32). A distanza si trovano Corea (21), India (20), Gran Bretagna (19), Canada (18), Germania (17), Ucraina (15), Cina (13), Svezia (10). Al di sotto si trovano: Spagna (9), Belgio (7), Repubblica Ceca e Taiwan (6 ciascuno) e Svizzera (5). Chiudono l’elenco Finlandia, Ungheria e Slovacchia (4 reattori ciascuno), Argentina, Brasile, Bulgaria, Messico, Pakistan, Romania e Sudafrica (2). Ai reattori già attivi ne vanno aggiunti 65 in fase di costruzione. La terza generazione è al nastro di partenza in Europa, con una centrale in Finlandia e una in Francia, e inoltre in Cina, Giappone e Corea.

Preoccupante è il dato che i reattori attivi hanno un’età media compresa fra 24 e 31 anni. Dei 442 attivi, 33 stanno funzionando da 27 anni e 32 da 26 [2].

Accanto ai problemi sulla sicurezza degli impianti, non solo quella intrinseca, ma anche quella estrinseca, per esempio terremoti o altri estremi eventi atmosferici, c’è l’altrettanto grave problema del trattamento del combustibile nucleare esausto, le tristemente note “scorie nucleari”.

A questo proposito, Sam Lemonik, sul numero del 9 aprile scorso (aggiornato il 14) di Chemistry & Engineering news, riporta la notizia che i legami chimici in alcuni complessi degli elementi del gruppo degli attinidi[1] potrebbero migliorare la gestione delle scorie nucleari (New bonds predicted in actinide complexes – Phi and delta orbital interactions could improve nuclear waste management., C&EN news, 98, 14).

Una delle maggiori sfide nella gestione delle scorie nucleari consiste nella separazione degli elementi pesanti che si formano durante la reazione di fissione.

La scienziata e chimico teorico Ping Yang[2], insieme ai suoi colleghi del Los Alamos National Laboratory, hanno stabilito che i legami delta e phi nei metallocicli degli attinidi possono modificare la forza dei legami metallo-ligando in un modo che potrebbe consentire ai chimici di separare gli elementi attinidi da altri metalli pesanti [3].

Ping Yang

I legami delta e phi sono legami covalenti che coinvolgono rispettivamente quattro e sei lobi orbitali[3]. È noto che si verificano tra metalli e ligandi, ma tutti gli esempi precedenti sembravano molto diversi. Questi coinvolgono entrambi i lobi degli orbitali p del ligando sovrapponendosi alla forma a ventaglio degli orbitali f del metallo, oppure si sovrappongono da un lobo all’altro.

Negli ultimi anni, altri ricercatori hanno sintetizzato complessi  metallociclici di torio e uranio che collocano gli atomi di metallo e ligando sullo stesso piano, consentendo alle estremità degli orbitali del metallo di incontrare i lati degli orbitali del ligando (end to side), oppure per gli orbitali atomici f e p di incontrarsi fianco a fianco (side to side), in accordo con i calcoli del gruppo di Yang.

Per comprendere l’effetto di questo nuovo tipo di legame sulle proprietà di tali composti, Yang e collaboratori hanno simulato gli stessi complessi metallociclici con gli elementi attinidi protattinio, nettunio e uranio (figura 1).

Figura 1. I metallocicli consentono interazioni orbitali delta e phi end-to-side (sinistra) e side-to-side (destra) Credit: Morgan Kelley and Ivan Popov

Poiché i raggi atomici degli attinidi diventano più piccoli spostandosi da sinistra a destra attraverso il gruppo(v. nota 1), le lunghezze dei legami metallo-ligando nei complessi degli attinidi diminuiscono in genere con l’aumentare del numero atomico. Ma i ricercatori hanno scoperto che queste nuove interazioni delta e phi invertono questa tendenza. Ad esempio, in un complesso ciclopropenico, la distanza tra il protattinio e l’atomo di carbonio più vicino è 2,26 Å, ma sostituendo il plutonio la distanza aumenta a 2,34 Å.

Yang spiega che i legami più o meno lunghi indicano interazioni metallo-ligando più forti o più deboli nei diversi complessi. Ritiene che la messa a punto di questi nuovi legami delta e phi potrebbe aiutare i chimici a legare preferenzialmente determinati elementi, obiettivo che lei e il suo gruppo perseguono da molto tempo in vista di gestire la separazione dei metalli nelle scorie nucleari. Sottolinea inoltre che, poiché i legami phi e delta sembrano essere possibili solo con gli orbitali 5f e non nei 4f a causa delle dimensioni più grandi dei 5f, si potrebbero separare gli attinidi dai  lantanidi, che possono essere contenuti nel materiale nucleare. “Se utilizziamo questa chimica in modo intelligente, potremmo progettare alcuni ligandi per migliorare la separazione nella gestione delle scorie”, afferma Yang.

Rebecca Abergel, scienziata nucleare dell’Università della California a Berkeley e del Lawrence Berkeley National Laboratory, afferma che la ricerca potrebbe aiutare in “aree problematiche di vecchia data tra cui separazione, ricondizionamento e gestione delle scorie”.

Rebecca Abergel

Il suo collega LBNL, Stefan Minasian, afferma che i chimici potrebbero persino usare queste interazioni per creare legami attinide-attinide, che finora esistono solo in teoria.

Yang dice che non vede l’ora di vedere i chimici sperimentali sintetizzare i composti con i nuovi legami delta e phi.

Tuttavia, a nostro avviso il problema delle scorie nucleari accumulatesi nei decenni (e stoccate chissà dove…) sarà praticamente impossibile da risolvere.

Bibliografia

[1] https://it.wikipedia.org/wiki/Energia_nucleare_in_Italia

[2]https://www.ansa.it/scienza/notizie/rubriche/energia/2011/04/13/visualizza_new.html_902468013.html

[3] M.P. Kelley et al., δ and φ back-donation in AnIV metallacycles., Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038 / s41467-020-15197-w

[1] Fra gli attinidi vi sono gli elementi transuranici con numero atomico da 93 (nettunio, simbolo Np) a 103 (laurenzio, simbolo Lr). Appartengono agli attinidi anche il capostipite attinio (Ac) e torio (Th), praseodimio (Pa) e uranio (U).

[2] Ping Yang è stata nominata vicedirettore del G.T. Seaborg Institute for Transactinium Science, al Los Alamos National Laboratory.

[3] I legami delta (legami δ) sono legami chimici covalenti, in cui quattro lobi di un orbitale atomico coinvolto si sovrappongono a quattro lobi dell’altro orbitale atomico. Questa sovrapposizione porta alla formazione di un orbitale molecolare con due piani nodali che contengono l’asse internucleare e coinvolge entrambi gli atomi. La notazione δ fu introdotta da Robert Mulliken nel 1931. Il primo composto identificato come avente un legame δ fu ottaclorodirenato di potassio (III) K2 [Re2Cl8] nel 1965 da Frank Albert Cotton (1930-2007). I legami phi (legami φ) sono legami chimici covalenti, in cui sei lobi di un orbitale atomico coinvolto si sovrappongono a sei lobi dell’altro orbitale atomico. Questa sovrapposizione porta alla formazione di un orbitale molecolare con tre piani nodali che contengono l’asse internucleare e coinvolge entrambi gli atomi. Fino al 2020, nessuna molecola era nota per avere sicuramente legami phi.

Il fosforo dalle stelle agli organismi terrestri

In evidenza

Diego Tesauro

E’ noto come il fosforo sia un elemento essenziale per la vita sulla Terra. La sua abbondanza nell’universo e la sua evoluzione chimica costituiscono ancora degli enigmi non risolti.

La nucleosintesi del fosforo, secondo i modelli che descrivono la formazione degli elementi chimici, avviene durante le esplosioni di supernova con processi di cattura neutronica dall’isotopo 28Si formando il 29Si e 30Si fino ad ottenere il 31P.  Nelle condizioni in cui si forma il fosforo può catturare un protone e per decadimento alfa generare di nuovo 28Si per cui la sua ricerca nello spazio è un oggetto di studio da parte degli astronomi.

A queste problematiche si affianca un’altra relativa alla sua evoluzione chimica nel sistema solare fino alla sua presenza negli organismi viventi presenti sulla Terra.  Dopo l’ossigeno , il  carbonio, l’idrogeno, l’azoto, il calcio, il fosforo è il sesto elemento per abbondanza in massa nell’uomo fino a raggiungere l’1.2% dell’intera massa corporea. Il fosforo è presente nello stato di ossidazione +5, come ione fosfato, nell’idrossiapatite Ca3(PO4)2.Ca(OH)2, sia nello scheletro che nei denti. Ma anche si ritrova come fosfato organico in tutte le cellule, con un atomo di ossigeno legato al carbonio negli amminoacidi delle proteine in modifiche post-traduzionali, nei fosfolipidi, che costituiscono le membrane cellulari, nell’ATP permettendo reazioni termodinamicamente non permesse nella biochimica degli organismi, nei nucleotidi del DNA ed RNA consentendo la formazione delle lunghe catene. Quindi il fosforo gioca un ruolo essenziale per tutte le forme di vita, proprio perché coinvolto nell’informazione genica e nella costituzione della parete della cellula stessa. Nello studio della genesi della vita sulla Terra ci si è posti l’interrogativo su come questo elemento sia stato coinvolto, fin dalle forme primordiali di vita presenti nei fondali degli oceani. Sulla crosta terreste la presenza del fosforo, per lo 0.1% della massa della crosta, è per la maggior parte confinata nelle apatiti, una famiglia di minerali insolubili in acqua. Quindi, da dove proveniva il fosforo necessario ai primi organismi viventi posto che questi hanno avuto origine nell’acqua? Questa domanda non ha una risposta certa, ma negli ultimi decenni si sono avanzate ipotesi molto plausibili, che il fosforo presente negli organismi viventi, abbia, almeno inizialmente, un’origine extraterrestre a seguito della caduta di meteoriti o comete sulla Terra. Le meteoriti sideriti, cioè quelle costituite da metalli per la maggior parte da una lega ferro-nichel, contengono anche un minerale, rinvenuto in Slovacchia alla metà del XIX, la schreibersite

un fosfuro di Ferro e Nichel (Fe,Ni)3P .

La schreibersite reagisce in acqua rilasciando composti del fosforo negli stati di ossidazione +3 e +1, come il fosfito HPO32− e l’ipofosfito  H2PO2 (1). Entrambi gli anioni sono significativamente più solubili dei fosfati a pH neutro ed in presenza dei cationi Ca2+ e Mg2+,come si verifica nella composizione dei moderni mari. Queste condizioni si sono verificate negli eoni Adeano ed agli inizi dell’Archeano, circa 4 miliardi di anni fa, per cui negli oceani doveva esserci un’elevata presenza di fosforo ridotto. Una verifica sperimentale è stata condotta analizzando sedimenti carbonati marini dell’Archeano, dimostrando l’effettiva presenza di fosfiti. In questa ipotesi, per distinguere il fosforo terrestre da quello di provenienza extraterrestre non è d’aiuto la composizione isotopica, contrariamente ad altri elementi, in quanto di tutti gli isotopi del fosforo, solo uno è stabile il fosforo-31 per cui in tutto l’universo è presente al 100% 31P.  L’origine però non poteva essere se non meteoritica, data la ridotta possibilità di ottenere quantità significative quantità di fosfiti nel Archeano con altre reazioni geochimche o a carico di microarganismi  (2). Inoltre la schreibersite, in soluzione acquosa, reagisce in presenza di glicerolo, anche esso presente nelle meteoriti, come dimostrato per la meteorite di Murchison (Figura),  in condizioni termiche modeste generando glicerol-fosfato, precursore dei fosfolipidi. Un’altra ipotesi avanzata è che gli ossoacidi di fosforo (III) non si siano formati sulla Terra, ma che vengano direttamente dalle meteoriti.

Meteorite di Murchinson è un meteorite di tipo carbonaceo, caduto il 28 settembre 1969 nello stato di Victoria in  Australia.

Nella stessa meteorite di Murchison, vero scrigno di molecole prebiotiche, sono stati ritrovati degli acidi alchilfosfonici (RPO(OH)2). Si potrebbe quindi ipotizzare che gli ossoacidi si siano formati nei ghiacci interstellari di acqua e biossido di carbonio alla temperatura di 5K dalla fosfina (PH3). La stessa reazione potrebbe avvenire nelle comete come la 67P/Churyumov Gerasimenko, oggetto della missione Rosetta.

67P/Churyumov-Gerasimenko è una cometa periodica con  periodo orbitale di 6,45 anni terrestri. È stata raggiunta nell’agosto del 2014 dalla sonda Rosetta, dell’Agenzia Spaziale Europea. La sonda, il 12 novembre del 2014, ha rilasciato il lander Philae, che ha raggiunto la superficie della cometa

La presenza della fosfina è stata più volte dimostrata nelle atmosfere di Giove e Saturno, ma anche negli inviluppi circumstellari di stelle di carbonio, dove il fosforo è legato, formando semplici molecole, al carbonio, all’azoto e all’ossigeno. Proprio alla ricerca di composti del fosforo nello spazio interstellare, recentemente un nuovo studio si è concentrato sul monossido di fosforo (3). Questa molecola è stata osservata con il radiotelescopio ALMA nella nube di stelle in formazione della costellazione del Perseo Afgl 5142.

L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) è un radiointerferometro situato nel deserto di Atacama in Cile. È un progetto sviluppato in collaborazione tra Europa, Nord America, Asia orientale e Repubblica del Cile. Lo strumento è utilizzato nello studio in onde millimetriche e submillimetriche delle nubi di gas e polveri nei dischi stellari e nelle galassie

Flussi di gas da stelle giovani e massicce scavano cavità nelle nubi interstellari e sulle pareti della cavità, attraverso l’azione combinata di urti e radiazioni UV della giovane stella si formano molecole. Fra tutte quelle contenenti fosforo, il monossido è il più abbondante. Se quindi la nube collassa per formare una stella come il Sole, il monossido di fosforo può congelarsi e rimanere bloccato nei grani di polvere ghiacciata andando quindi ad accumularsi nelle comete. Questa ipotesi è stata confermata dall’osservazione della cometa 67P/Churyumov Gerasimenko mediante lo spettrometro di massa ROSINA presente nel veicolo spaziale. Anche nella cometa la forma prevalente del fosforo è il monossido di fosforo, circa dieci volte superiore al nitruro idi fosforo. Pertanto il monoossido di fosforo potrebbe essere il precursore del fosforo biotico sulla Terra a seguito della caduta di comete sul nostro pianeta. Da questi recenti scoperte astronomiche, verifiche sperimentali e simulazioni di laboratorio si rende sempre più plausibile un arrivo del fosforo  dallo spazio, anche se la forma dalla quale si sono originati le molecole biologiche che lo contengono resta incerta ed aperta a nuove investigazioni.

1 M.A. Pasek,  D.S. Lauretta Aqueous corrosion of phosphide minerals from iron meteorites: A highly reactive source of prebiotic phosphorus on the surface of the early Earth. Astrobiology 2005, 5(4),515–535.

2 M.A. Pasek, et al. Evidence for reactive reduced phosphorus species in the early Archean ocean  PNAS  2013, 110( 25), 10089–10094. https://doi/10.1073/pnas.1303904110.

3 V. M. Rivilla, et al. “ALMA and ROSINA detections of phosphorus-bearing molecules: the interstellar thread between star-forming regions and comets“Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020, 492(1), 1180–1198. https://doi.org/10.1093/mnras/stz3336

 

 

 

 

Coronavirus e luce UV.

In evidenza

questo commento è stato inviato come lettera a La Repubblica.

La luce ultravioletta può far male al virus (ma anche alle persone)

un commento di* Valentina Rapozzi, Alberto Credi, Marina Venturini, , Massimo Trotta e Maurizio D’Auria.

Abbiamo accolto con favore l’articolo del collega Marco Tedesco, Ecco la luce (ultravioletta) che può far male al virus del 30 aprile, perché contiene numerosi spunti sulle possibili modalità di contrastare la diffusione del SARS-CoV-2. Bene fa l’autore a sottolineare di fare attenzione alle bufale. Vogliamo, tuttavia, fornire qualche ulteriore precisazione che completi le informazioni raccontate nell’articolo per garantire una quadro completo ai lettori di Repubblica.

   

Nell’articolo Marco Tedesco descrive la ricerca del gruppo del Prof. Brenner della Columbia University Medical Center di New York. I risultati mostrano che basse dosi (2 mJ/cm2) di radiazione UV-C alla lunghezza d’onda di 222 nanometri inattivano particelle di virus dell’influenza A (H1N1) presenti nell’aria. I risultati ottenuti in esperimenti in vitro su cellule epiteliali umane e su animali da laboratorio, suggeriscono la possibilità di utilizzare questa radiazione in luoghi pubblici, anche in presenza di pubblico. Questo stretto intervallo di lunghezze d’onda non comprometterebbe la salute dell’uomo.

Le radiazioni ultraviolette (UV) sono radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d’onda compresa tra 100 e 400 nm (nm = nanometro), inferiori di quelle della luce visibile e superiori ai raggi X. L’energia della radiazione UV è più alta di quella visibile, ma più bassa dei raggi X. La principale fonte di radiazione UV è la luce solare, che la rende il principale agente cancerogeno ambientale a cui gli esseri umani sono abitualmente esposti.

La radiazione UV è classificata come UV-A (320-400 nm), UV-B (280-320 nm) e UV-C (100-280 nm), in base agli effetti biologici delle diverse lunghezze d’onda. Gli UV-C hanno un’energia più elevata degli UV-A e UV-B e sono pertanto potenzialmente più pericolosi. Fortunatamente l’ossigeno e l’ozono dell’atmosfera ci proteggono completamente dalla radiazione UV-C e quasi totalmente da quella UV-B, lasciando passare soltanto una parte di quella UV-A. Anche quest’ultima causa al pari della radiazione UV-B, rischi per l’uomo associati a malattie cutanee derivanti da una sovraesposizione al sole senza adeguata protezione, quali eritema di vario grado fino all’ustione solare, fotodermatiti, tumori cutanei e fotoinvecchiamento cutaneo.

 

È d’altro canto noto che le radiazioni UV-C artificiali hanno un effetto germicida; purtroppo la gran parte delle lunghezze d’onda ha anche effetti dannosi su organi come la cute e l’occhio umano. La sovraesposizione a queste radiazioni può infatti produrre effetti che vanno da una moderata irritazione della pelle o degli occhi a eritemi e a dolorose fotocheratiti. Questi effetti sono fortunatamente transitori, poiché soltanto le cellule più superficiali della pelle e della cornea ne sono significativamente colpite, ma il naturale turnover di tali epiteli ne garantisce la rapida rigenerazione.

L’elevatissimo assorbimento della radiazione UV-C da parte delle molecole biologiche come proteine e collagene è il punto cruciale della proposta della Columbia University. Poiché lo strato più esterno (lo strato corneo costituito da cellule considerate “morte” poiché prive di nucleo e quindi di DNA) della pelle assorbe la radiazione UV-C; solo una parte residuale di essa penetra quindi fino allo strato germinativo (basale) dell’epidermide. Il rapporto n.187 della Commissione internazionale per l’illuminazione ha infatti evidenziato che il rischio di cancro da esposizione alle lampade germicide è estremamente ridotto. Il lavoro di Brenner e di altri scienziati dimostra che la luce ultravioletta compresa fra 207-222 nm, a dosi opportune, inattiva efficacemente virus e batteri senza danneggiare la pelle esposta del mammifero. Queste radiazioni vengono assorbite (cioè bloccate) dagli strati più esterni della pelle e degli occhi, mentre possono penetrare nei batteri e nei virus, che hanno dimensioni micrometriche, e inattivarli. Basta spostarsi di soli 32 nanometri più in alto perché la luce UVC utilizzata diventi pericolosa. A 254 nm la situazione cambia drasticamente e, come riportato dagli stessi autori, si possono sviluppare tumori alla pelle e cataratta a causa del danno provocato dalla luce alle molecole del DNA.

 

Certamente promettente, questa intuizione richiede ulteriori approfondimenti per stabilire se i risultati ottenuti sul virus dell’influenza H1N1 – un virus a RNA, ma non appartenente alla famiglia dei coronavirus – nelle condizioni sperimentate da Brenner e collaboratori siano ripetibili sul famigerato SARS-CoV-2.

 

Va infine ricordato che questi dati molto incoraggianti andranno comunque verificati in condizioni reali come gli ambienti chiusi in cui la concentrazione del virus nelle goccioline emesse da tosse e starnuti di soggetti affetti potrebbe rendere necessario un aumento delle dosi e dei tempi di irradiazione previsti dal protocollo di Brenner, aumentando conseguentemente la quantità di UVC a cui potrebbero essere esposti soggetti che transitano in tali ambienti.

Infine, va sottolineato che l’innocuità della radiazione fra 207 e 220 nm è vera in condizioni di cute normale sana, ma è da verificare se possa esserlo in condizioni, fisiologiche o patologiche, che determinano assottigliamento cutaneo, quali nella cute del bambino o dell’anziano, nel caso di atrofie cutanee patologiche o indotte da farmaci.

*Chi sono gli autori:

Valentina Rapozzi, presidente della Società Italiana di Fotobiologia

Alberto Credi, presidente del Gruppo Italiano di Fotochimica

Marina Venturini, coordinatore del Gruppo di studio di Fotodermatologia della Società Italiana di dermatologiamedica, chirurgica, estetica e malattie sessualmente trasmesse (SIDeMaST)

Massimo Trotta,  Presidente della Education and Training Committee della Società Europea di Fotobiologia

Maurizio D’Auria, Presidente della Società Europea di Fotochimica

Nota del Blogmaster: breve bibliografia

https://www.repubblica.it/dossier/scienze/rep-scienze/2020/04/30/news/ecco_la_luce_ultravioletta_che_puo_far_male_al_virus-255127091/

http://www.columbia.edu/~djb3/Far%20UVC.html

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21613571

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1568461X01800454

https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrimidine_dimer

https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/pyrimidine-dimer

https://www.nature.com/articles/srep11808

 

Il futuro non aspetta e allora la scuola lo affida a ENI!

In evidenza

Margherita Venturi

e-mail: margherita.venturi@unibo.it

Sono la Presidente della Divisione di Didattica della SCI e faccio parte della redazione di questo blog; quindi, sono sensibile a tutti i temi che riguardano il rapporto della chimica con la società in senso lato (formazione insegnanti e studenti; rispetto per l’ambiente e l’umanità, sostenibilità, economia circolare, ecc.). In questo momento, presa dall’emergenza della didattica a distanza all’interno della ben più drammatica emergenza sanitaria, mi sono persa una notizia che ho visto solo qualche giorno fa e, in merito alla quale, vorrei esprimere il mio sconfortato parere condividendolo con i lettori di questo blog.

In un articolo apparso, su “La Repubblica” il 24 febbraio di quest’anno dal titolo roboante “Il futuro non aspetta”, si annuncia una serie di seminari per la formazione sulla sostenibilità e l’ambiente organizzata congiuntamente da ENI e dall’Associazione Nazionale Presidi (ANP). Ora, non sono contraria a seminari sulla sostenibilità, anzi sostengo a spada tratta che una formazione in quest’ambito, perfettamente in linea con gli obiettivi dell’Agenda 2030, sia importantissima per i nostri studenti, che saranno i cittadini del futuro, ma mi domando: perché ENI, dal momento che esistono tante persone esperte di sostenibilità e “moralmente pulite” alle quali l’ANP si sarebbe potuta rivolgere? E mi domando ancora: che concetto/idea/messaggio di sostenibilità può veicolare ENI?

Screenshot_2020-05-02 IL FUTURO NON ASPETTA LA FORMAZIONE ANP-DIRSCUOLA-ENI SOSTENIBILITÀ E AMBIENTE ALL’INTERNO DELL’EDUCA[...](1)

Mi pongo queste domande perché l’ENI, a mio parere, non ha l’onestà intellettuale (non mi esprimo sulla competenza scientifica) necessaria per tenere dei corsi di educazione ambientale per la scuola “seri e formativi”; sono sufficienti queste poche considerazioni (ce ne sarebbero altre) per capirlo.

  • L’ENI è uno dei maggiori gruppi al mondo che appoggia ancora oggi l’impiego di fonti energetiche fossili con un sempre più massiccio contributo alla produzione di gas serra e, se questo non bastasse, sta avviando anche nell’Artico la perforazione di pozzi per la ricerca di petrolio e gas.
  • In un’intervista rilasciata a “La Repubblica” (29/02/20) Descalzi spaccia come rivoluzionario il fatto di abbandonare l’estrazione del petrolio entro il 2050 e di ricorrere al gas naturale (“il metano ti dà una mano”); peccato che Descalzi dimentica di dire che l’uso del metano produce CO2; certo, un po’ meno rispetto agli altri combustibili fossili, ma non risolve sicuramente il problema del riscaldamento globale. Non lo risolve anche perché il metano è un potente gas serra e perdite nei gasdotti sono inevitabili. In poche parole, la rivoluzione energetica di ENI altro non è che la transizione dai combustibili fossili (petrolio) … ai combustibili fossili (metano).
  • L’ENI ha tentato di promuovere il suo biodiesel, ottenuto dall’olio di palma, come carburante “green” compiendo un palese falso e, infatti, è stata sanzionata dall’Antitrust con una multa da 5 milioni di Euro per “pubblicità ingannevole”.

Date queste premesse, mi sembra che da un punto di vista formativo ci sia poco da sperare da un Ente come ENI.

Screenshot_2020-05-02 Pubblicità ingannevole Il green diesel fa male a clima e ambiente Antitrust multa ENI per 5 milioni d[...]

https://valori.it/diesel-green-eni-multa-milionaria-antitrust/

Aggiungo anche che, a volte, ho l’impressione che l’educazione ambientale venga sentita come un qualcosa capitato sulla testa della scuola: non si sa perché e neanche dove inserirla nel curriculum scolastico. Allora basta fare poche e veloci azioni di facciata che impegnino il meno possibile.

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/08/23/il-metano-rema-contro/

Nulla è più sbagliato, perché sui concetti di sostenibilità e di economia circolare si dovrà basare lo sviluppo futuro, se vogliamo che l’umanità abbia qualche speranza di sopravvivere. Anche la pandemia del corona virus, che stiamo faticosamente combattendo, ha messo a nudo tutti i limiti e le distorsioni del nostro attuale modo di vivere. Allora è estremamente importante fare educazione ambientale a scuola, per impartire i giusti insegnamenti scientifici, etici e sociali agli studenti nelle mani dei quali lasceremo il pianeta. Come e a chi affidare questo fondamentale compito? Secondo me e in accordo con quanto aveva previsto l’ex ministro Fioramonti, instituendo insegnamenti ad hoc, affidati all’intero corpo docente. Per affrontare un tema così complesso come quello dell’educazione ambientale, c’è infatti bisogno di competenze e conoscenze che riguardano tutti i campi del sapere e che vanno, quindi, dall’ambito scientifico e quello umanistico. Ovviamente, il corpo docente deve essere formato bene e seriamente.

https://www.facebook.com/divisionedidatticachimica/

Screenshot_2020-05-02 Home didattica Società Chimica ItalianaLa Divisione di Didattica della Chimica, con i suoi iscritti, è pronta a dare una mano: se la scuola chiama, noi rispondiamo. Ad esempio, in questo momento di emergenza didattica, per supportare i docenti che si sono dovuti attrezzare dalla sera alla mattina per fare lezioni a distanza, la Divisione di Didattica ha istituito un Tavolo Tecnico dal titolo “Insegnare durante l’emergenza Covid-19: una grande sfida per i docenti”. L’obiettivo di questo tavolo è quello di raccogliere materiale in grado di aiutare i docenti di chimica (e in genere di discipline scientifiche) che, oltre al problema di fare lezioni on-line efficaci, hanno anche quello di far entrare, ora purtroppo solo virtualmente, gli studenti in laboratorio.

Quindi la Divisione c’è e la scuola, invece di rivolgersi per le sue necessità ad enti esterni spesso inadeguati, basta che mi contatti.

Non tutto il male vien per nuocere

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI
Aule virtuali più affollate delle tradizionali, lauree via Skype; abilitazione anticipata per i medici: tutte modalità nuove della vita universitaria in difesa dalla pandemia da coronavirus.
Oltre all’interazione diretta telematica fra docenti e discenti si utilizzano anche i MOOC, materiale interattivo scaricato dagli studenti che poi si confrontano con il corpo docente. Questo cambiamenti ha riguardato tutto il nostro Paese con gli Atenei che da Nord a Sud hanno saputo attrezzarsi.
Questa contingenza ha avuto una ricaduta importante per 1000 infermieri che hanno potuto laurearsi a favore della richiesta pressante degli ospedali di disporre di forze lavoro aggiuntive per rispondere all’emergenza.
Si sta sperimentando una nuova forma di comunità universitaria che ci fa scoprire potenzialitá mai viste prima. Il rischio è che Internet finisca per superare e sostituire la forza sociale generata dalla frequentazione fisica degli atenei con la discussione ed il confronto.
Bisogna perciò avere la capacità di integrare l’aula fisica con quella virtuale: questa è la prospettiva futura per raggiungere anche chi non può essere presente fisicamente per un qualsiasi impedimento dando all’università strumenti preziosi di socialitá. La pandemia lascia questa innovazione in ereditá: sta a noi non farla spengere.
Se saremo buoni studenti il covid19 oltre a tanti morti e tanti infettati ci avrà insegnato qualcosa.
Basta vedere anche l’abbattimento dell’inquinamento,la riappropriazione da parte degli animali della natura, la drastica diminuizione del rumore per comprendere quali trasformazioni positive stiamo vivendo in questi giorni oltre la tristezza, il dolore e la preoccupazione.
La visione spaziale della nostra terra ed in particolare del nostro Paese fornisce nelle meteomappe colori sempre più vicini al verde blu e sempre più lontani dal temuto giallo e dal temutissimo rosso. In corrispondenza l’aria della pianura padana è anomalmente trasparente, nelle nostre città sono arrivati gli animali in cerca di cibo: li vediamo passeggiare nel silenzio delle nostre strade dove fino a due mesi fa dominavano il traffico, la confusione, il frastuono.
Nel porto di Cagliari sono ricomparsi i delfini, nei parchi milanesi le lepri, nella laguna di Venezia i pesci che nuotano.
E’recente l’immagine di una famiglia di paperi a passaggio per una Firenze silenziosa e rarefatta.
Lo stesso fenomeno si registra nel resto del mondo: cervi nelle città giapponesi, tacchini nelle città californiane, i procioni sulle spiagge panamensi, perfino elefanti in città cinesi.
Avremo imparato la lezione? Le lepri, i procioni, le papere c’erano pure prima, ma noi abbiamo negato loro qualsiasi spazio al di fuori delle loro tane: vorremo riprenderci gli spazi prestati dimostrando di non avere capito la lezione?
A proposito del prima e del dopo riflettevo alcuni giorni fa alla realtà del prima a confronto di questa fase della nostra vita, pensando anche al dopo. Eravamo immersi in una realtá sempre più fluida con cambiamenti continui, provvisorietà di legami e situazioni, mancanza di certezze e di riferimenti.
Dinnanzi alla precarietà del quotidiano anche noi siamo diventati liquidi, ci siamo adattati ad ogni situazione e contingenza e riciclati in lavori diversi e spesso estemporanei che diluiscono emozioni e sentimenti.
Anche i valori e gli ideali così divengono effimeri ed inconsistenti sovrastati da una scelta verso la flessibilità e la velocità di adattamento; tutto ciò che ci lega alla nostra identità ed alle nostre radici viene considerato un ostacolo al cambiamento ed un fardello di cui liberarsi.
Questo era il prima: non posso credere, anche se mi farebbe piacere pensare che sia vero, che la pandemia abbia rimesso le cose a posto, ma di certo è stato un sano bagno nei valori della solidarietà, dell’amore per la nostra terra, della famiglia, della responsabilità sociale, del lavoro per gli altri. Speriamo anche in questo caso che il dopo non sia uguale al prima.

Ancora coronavirus ed acque di scarico.

In evidenza

Rinaldo Cervellati.

L’amico ed esperto Mauro Icardi ha già affrontato in dettaglio questo argomento sul blog, (https://ilblogdellasci.wordpress.com/2020/04/15/monitoraggio-del-coronavirus-delle-acque-reflue/ ed ancora https://wp.me/p2TDDv-4vU).

Ora anche negli USA arriva la notizia che il virus SARS-CoV-2, responsabile del COVID-19, è stato trovato nelle acque reflue, pertanto l’epidemiologia basata sulle acque reflue potrebbe essere un modo efficace per valutare l’estensione del contagio in una popolazione (Celia H. Arnaud, Novel coronavirus found in surprisingly high levels in sewage, Chem. & Eng. News, 20 aprile 2020).

L’epidemiologia delle acque reflue è comunemente usata per monitorare l’uso di droghe in una comunità, ma può anche fornire informazioni sulla diffusione di un’infezione quando i test vengono opportunamente impiegati. Un gruppo di ricerca, coordinato da Eric J. Alm del Massachusetts Institute of Technology e Biobot Analytics[1] hanno utilizzato la reazione a catena della polimerasi per trascrizione inversa (RT-PCR) per monitorare il virus SARS-CoV-2 nelle acque di un impianto di trattamento delle acque reflue nel Massachusetts.

Eric J. Alm

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sul server di prestampa medRxiv (2020, DOI: 10.1101/2020.04.05.20051540 [1]), quindi lo studio non è stato ancora sottoposto a revisione (peer review).

Il gruppo di ricerca ha analizzato quattro campioni prelevati antecedentemente al primo caso statunitense noto di COVID-19 e tutti sono risultati negativi per il virus. Per contro, i 10 campioni prelevati tra il 18 marzo e il 25 marzo sono risultati positivi per SARS-CoV-2, a livelli superiori a quelli previsti dai ricercatori in base al numero di casi confermati. Essi hanno usato il sequenziamento diretto del DNA per verificare che i prodotti RT-PCR provenissero effettivamente dal SARS-CoV-2. Ma sono necessarie ulteriori informazioni, come la quantità di virus nelle feci di pazienti positivi nel corso della malattia, per interpretare appieno i risultati.

Kevin Thomas, un epidemiologo dell’Università del Queensland (Australia) afferma “l’analisi delle acque reflue “potrebbe essere utilizzata per stabilire se COVID-19 ha infettato una comunità e valutare il momento in cui la comunità sarà relativamente libera dal virus, l’approccio dovrebbe comunque essere usato in combinazione con test individuali”.

Kevin Thomas e il suo gruppo di ricerca.

Secondo Marianna Mathus, Amministratore Delegato di Biobot, la Compagnia sta ricevendo campioni settimanali da oltre 100 impianti di trattamento negli Stati Uniti.

[1] https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.05.20051540v1

Al link si trova subito l’avviso: Questo articolo è una prestampa e non è stato sottoposto a revisione. Riporta nuove ricerche mediche che devono ancora essere valutate e quindi non dovrebbero essere utilizzate per la pratica clinica.

[1] Biobot Analytics è una Società di epidemiologia delle acque reflue che sta trasformando le sue infrastrutture in osservatorio di sanità pubblica.

Ciclo idrico e coronavirus: qualche informazione in più

In evidenza

Mauro Icardi

L’epidemia di coronavirus sta occupando le prime pagine dei giornali e dei media. Il gran flusso di informazioni a cui siamo sottoposti, gli ancora tanti interrogativi legati a questa situazione, purtroppo possono generare un diffuso senso di incertezza, se non propriamente di ansia.

L’Istituto superiore di Sanità, ha pubblicato sul proprio sito alcuni rapporti tecnici, che possono aiutare a comprendere la situazione. L’iniziativa certamente opportuna può essere un argine al consueto dilagare di inesattezze e fake news.

Flusso dei patogeni potenziali nel ciclo idrico integrato.

Un semplice schema a blocchi del ciclo idrico è questo:

1 Le acque destinate al consumo umano vengono sottoposte ad una serie di processi di trattamenti fisico-chimici per rimuovere i contaminanti, compresi i virus potenzialmente presenti in captazione. L’analisi di rischio effettuata secondo il modello “Water safety plan” esamina preventivamente gli eventi pericolosi e i pericoli in ogni fase del trattamento.

2 Dopo l’utilizzo per gli usi domestici consueti, i virus escreti con feci, urine, vomito, saliva o secrezioni respiratorie entrano nel sistema fognario.

3 I virus vengono trasportati attraverso il sistema fognario verso l’impianto di trattamento delle acque reflue, dove l’esposizione attraverso aerosol è limitata a operatori professionali adeguatamente protetti attraverso dispositivi di protezione individuale (DPI). C) I virus che entrano nell’impianto di depurazione vengono generalmente inattivati dai processi di trattamento fisici, biologici

4 I trattamenti delle acque reflue generano fanghi di depurazione che vengono smaltiti nel rispetto delle normative vigenti. L’esposizione in fase di gestione e movimentazione fanghi è limitata a operatori professionali protetti.

I virus trasmissibili per via idrica sono principalmente virus e che sono stati rilevati, monitorati e studiati in passato, e sono quelli del genere Adenovirus, Enterovirus , Virus dell’epatite (di solito di tipo A e B).

Negli ultimi decenni, l’attenzione si è rivolta anche ai virus, responsabili prevalentemente di malattie respiratorie. Questi virus, al contrario dei virus “nudi”, presentano un involucro esterno, composto da un doppio strato di fosfolipidi e glicoproteine. I due gruppi principali di virus che potrebbero rappresentare motivo di preoccupazione per il ciclo idrico integrato appartengono alle famiglie Orthomyxoviridae (virus dell’influenza) e Coronaviridae (SARS e MERS coronavirus).

Per questo tipo di virus non vi sono ad oggi evidenze di una trasmissione per via idrica. Ne è però accertata e dimostrata la presenza nelle feci, urine ed escreti dei pazienti con infezione.

La sopravvivenza di questi tipi di virus con rivestimento esterno, è significativamente inferiore rispetto ai virus non provvisti di rivestimento esterno ( i cosiddetti virus “nudi”).

Al momento non esistono ancora dati specifici sulla sopravvivenza del virus SARS-CoV-2 nelle acque, ma l’ipotesi è che il virus possa disattivarsi in tempi significativamente più rapidi rispetto ai virus enterici a tipica trasmissione idrica. Questi ultimi da sempre sono adeguatamente gestiti nell’ambito della filiera dell’intero ciclo idrico. Studi per valutare la reale sopravvivenza del virus nelle acque reflue, sono in fase di attivazione proprio in questi giorni.

In base agli studi effettuati sul SARS-CoV , responsabile dell’epidemia di SARS del 2003 ,si è visto che questi tipi di virus restavano infettivi fino a 2 giorni a temperatura ambiente (20°C) nei reflui urbani, nei reflui ospedalieri e nell’acqua di rubinetto declorata, mentre potevano persistere fino a 14 giorni in queste matrici a 4°C. Ciò porta a considerare che la temperatura possa avere un ruolo significativo sulla stabilità del virus negli ambienti idrici.

Considerazioni generali e tecniche.

I regolamenti dei servizi idrici integrati prevedono che le acque provenienti da ospedali e case di cura siano generalmente sottoposte, su indicazione delle Autorità competenti, ad adeguati trattamenti preliminari prima di confluire in fognatura per evitare il diffondersi di eventuali patogeni.

Quando il virus è collettato in impianti di depurazione centralizzati, subisce normalmente fenomeni di competitività tramite antagonismo con gli altri microrganismi presenti nel fango attivo.

Alcuni studi riportano inoltre in che misura il SARS-CoV-1 è suscettibile ai disinfettanti (cloro e biossido di cloro) che si dimostrano in grado di disattivare completamente il virus a concentrazione e in tempi inferiori (es. 10 mg/L di cloro per 10 minuti; cloro libero residuo 0,5 mg/L) a quelli richiesti per abbattere le concentrazioni dei tradizionali indicatori batterici di contaminazione fecale (Escherichia coli), utilizzati per la valutazione della qualità microbiologica delle acque secondo le normative attualmente in vigore. Quindi il trattamento di disinfezione terziario è adatto ad eliminare il virus.

Relativamente al trattamento dei fanghi per essere ritenuto efficace deve garantire una sostanziale riduzione di densità dei patogeni presenti e l’assenza di fenomeni di ricrescita microbica. La riduzione microbica conseguita dal trattamento dipende da fattori di processo quali la temperatura, disponibilità di acqua libera e il pH. Per i virus, i fattori che maggiormente influenzano la sopravvivenza sono l’esposizione al calore, il livello di disidratazione, l’antagonismo microbico, l’irraggiamento e il pH. Pertanto, per l’inattivazione del materiale virale infetto, sono particolarmente efficaci trattamenti quali la digestione termofila, la pastorizzazione, il trattamento con calce, il trattamento termico.

Su questa strada si stanno muovendo molte delle aziende di gestione del ciclo idrico. Su questo blog se ne è parlato molto.

Considerazioni conclusive.

In base alle conoscenze disponibili si può ragionevolmente supporre che il ciclo idrico sia in grado di continuare a fornire acqua di qualità, a depurare efficacemente le acque reflue, e a minimizzare i rischi di probabile diffusione del virus. Sostanzialmente utilizzando al meglio le tecnologie esistenti, e implementando i piani di sicurezza delle acque, in costante coordinamento con le autorità preposte, tra cui proprio l’istituto superiore di sanità.

Lo stesso Istituto nelle conclusioni del suo rapporto tecnico dedicato alle acque destinate al consumo umano, sintetizza alcune criticità e propone valutazioni, che a suo tempo avevo già sottolineato nei miei articoli. Dico questo non per un malinteso senso di superbia, ma semplicemente perché questo tipo di valutazioni mi nascono dall’esperienza di lavoro.

Per questa ragione voglio riportare integralmente queste conclusioni dal rapporto tecnico dell’Istituto Superiore di Sanità, evidenziando i temi che ritengo prioritari. Non solo per la gestione dell’emergenza odierna, ma anche per la gestione ordinaria del futuro. Con l’intento anche di fornire delle informazioni a chi non è del mestiere. La gestione del ciclo idrico è definita attività di pubblico servizio, non interrompibile. Fornire informazioni fa parte dei doveri di chi svolge questo lavoro.

Conclusioni

Sulla base delle evidenze attualmente disponibili in merito alle condizioni di emergenza dovute alla diffusione del virus SARS-CoV-2, acqua e servizi igienico-sanitari possono essere desunti alcuni elementi conclusivi, da aggiornare comunque sulla base dell’evoluzione dello stato delle conoscenze:

Per quanto attualmente noto, le acque destinate a consumo umano sono sicure rispetto ai rischi di trasmissione di COVID-19, sulla base delle evidenze note per virus maggiormente resistenti del SARS-CoV-2, e delle misure di controllo multibarriera (protezione delle risorse idriche captate, trattamento delle acque, disinfezione, monitoraggio e sorveglianza) validate nella filiera idro-potabile. Il virus non è mai stato ad oggi rilevato in acque destinate al consumo umano.

Nell’ambito della filiera idro-potabile esistono tuttavia alcuni rischi indirettamente correlati all’emergenza pandemica e al lockdown che potrebbero avere un impatto sulla qualità dell’acqua e la continuità dell’approvvigionamento e dovrebbero essere affrontati aggiornando i modelli di prevenzione dei piani di sicurezza dell’acqua da parte dei gestori e delle autorità di prevenzione e controllo. Alcune di queste misure di prevenzione sono applicabili anche agli altri sistemi del ciclo idrico integrato, in particolare per fognatura e depurazione. Di particolare criticità sono gli incrementi dei consumi locali che, in sinergia con la straordinaria siccità in corso che sta compromettendo la ricarica di molti acquiferi, può configurare restrizioni di approvvigionamento idrico e turnazioni di servizio in alcune aree con impatti anche sanitari, soprattutto con il perdurare del lockdown.

Virus in forma infettiva è stato rivelato nelle feci di pazienti di COVID-19. In considerazione delle evidenze epidemiologiche occorse per il SARS-CoV (2003), un rischio di trasmissione fecale-orale, può sussistere in circostanze in cui le reti di fognatura siano inadeguate e, soprattutto, in possibile connessione con sistemi a rischio di dispersione di aerosol. Rischi specifici si potrebbero ravvisare in particolare in condizioni di pompaggio e spurgo di reflui, quando si configura esposizione di soggetti diversi dagli operatori professionali, come pure in circostanze in cui le reti di acque reflue possano contaminare l’acqua potabile, ad esempio, per rotture delle tubature. Gli eventi di rotture, soprattutto in reti non in pressione, risultano particolarmente critici e devono essere rapidamente intercettati (anche grazie alla “distrettualizzazione” delle reti) e gestiti in sicurezza, anche con aumenti dei trattamenti di disinfezione, ove necessario.

Le correnti pratiche di depurazione sono efficaci nell’inattivazione del virus, dati i tempi di ritenzione che caratterizzano i trattamenti, uniti a condizioni ambientali che pregiudicano la vitalità dei virus (luce solare, livelli di pH elevati, attività biologica). La fase finale di disinfezione consente inoltre di ottimizzare le condizioni di rimozione integrale dei virus prima che le acque depurate siano rilasciate nell’ambiente. Disposizioni specifiche sono state anche elaborate per la gestione dei fanghi di depurazione nell’ambito della fase emergenziale di pandemia.

Le disposizioni e le pratiche correnti rispetto alla protezione per l’esposizione sia degli operatori dei servizi di gestione del ciclo idrico integrato che per la sorveglianza sono adeguati anche rispetto ai possibili rischi infettivi per COVID-19.

In conclusione, l’analisi di rischio di esposizione a SARS-CoV-2 attraverso l’acqua e i servizi igienici indica che sussistono allo stato attuale elevati livelli di protezione della salute.

Tuttavia, analogamente a quanto si osserva per la contaminazione dovuta a altri agenti chimici e patogeni, gli eventi pericolosi critici correlati alla possibile diffusione dell’infezione COVID-19 attraverso l’esposizione a matrici idriche (acque reflue, acque superficiali usate per la balneazione o per fini irrigui, approvvigionamenti idrici autonomi) vanno individuati nelle circostanze di mancanza o inefficienza dei servizi di depurazione che potrebbero comportare la diffusione di SARS-CoV-2 nell’ambiente.

Le autorità di sorveglianza dovranno quindi incentrare ogni attenzione sulla possibile esistenza di emissioni e scarichi illeciti di reflui da abitazioni e nuclei urbani.

La mia conclusione personale è questa: ho scritto decine di volte che occorreva vedere i problemi in un’ottica complessiva. Che era necessario avere coscienza dei problemi interconnessi nella gestione dell’acqua. Problemi ambientali e di scarsità. Problemi di approccio per quanto possibile affrontati con razionalità e criterio. Non è noto sapere quanto tempo impiegheremo ad uscire dalla fase acuta dell’emergenza. Ma mi auguro davvero che dopo questa vicenda inizieremo ad avere approcci totalmente diversi ai veri problemi che incidono sulla nostra vita, ancor più ed ancor prima che del nostro benessere. Che dovremo pensare come un benessere di vita, e non di consumismo acritico ed esasperato. Dovremo davvero ripensare alle nostre priorità. L’acqua è un bene universale, l’acqua è vita, restano slogan vuoti, se non sono accompagnati da un’azione ed uno sforzo costanti. In passato si sono migliorate le condizioni igienico sanitarie di metropoli come Londra e Parigi proprio con lo sviluppo dei moderni sistemi fognari. Abbiamo capito che il virus non ci permette nessuna distrazione, nessuna superficialità. Proprio per la sua stessa natura. Adattamento significa anche questo. Non penso che sarà facile per svariate ragioni. Alcune più antropologiche, che tecniche. Legate alla nostra intrinseca inerzia, alla scarsa capacità di pensare e pianificare oltre il “proprio particulare” di guicciardiniana memoria. Ma non possiamo più temporeggiare. Oltre a questo auspico che si dia il giusto peso e i necessari finanziamenti alle attività di ricerca. Perché la conoscenza è l’approccio più razionale che possiamo avere. E lo dico da tecnico, e non da ricercatore.

Per approfondimenti consiglio la lettura dei rapporti tecnici sul sito dell’Istituto superiore di Sanità.

https://www.epicentro.iss.it/coronavirus/sars-cov-2-rapporti-tecnici-iss

La piastra Petri e il suo ideatore

In evidenza

Rinaldo Cervellati

In questa emergenza coronavirus compaiono quotidianamente immagini di laboratori con ricercatori che immettono o prelevano quantità di liquidi da recipienti piatti in vetro di forma cilindrica di diametro 50 -100 mm e altezza 15 mm. Questi recipienti sono importanti strumenti di lavoro in molti campi di microbiologia e biochimica per la crescita di colture cellulari e perché permettono di osservare a occhio nudo eventuali cambiamenti nelle colture in seguito all’aggiunta di opportune sostanze. I recipienti vengono chiamati piastre (o capsule o piatti) Petri, dal nome del microbiologo che le inventò nel 1877 [1].

Julius Richard Petri nacque a Barmen (Germania) il 31 maggio 1852. Dopo aver completato gli studi superiori, dal 1871 al 1875 studiò medicina presso l’Accademia Kaiser Wilhelm Academy per Medici Militari, abilitandosi nel 1876. Continuò i suoi studi all’ospedale Charité di Berlino e rimase attivo come medico militare fino al 1882, proseguendo poi come riservista.

Julius Richard Petri

Dal 1877 al 1879 fu assegnato al Kaiserliches Gesundheitsamt (Ufficio Imperiale per la Salute) di Berlino, dove divenne assistente di Robert Koch[1]. Su suggerimento di Angelina Hesse, moglie di un altro assistente di Koch, Walther Hesse, il laboratorio Koch iniziò a coltivare batteri su piastre di agar, un gelificante naturale. Petri inventò quindi la piastra di coltura standard e sviluppò ulteriormente la tecnica della coltura in agar per purificare o clonare colonie batteriche derivate da singole cellule. Questo progresso ha permesso e permette tutt’oggi di identificare in modo rigoroso batteri responsabili delle malattie.

Set di piastre Petri

Oltre alla piastra che porta il suo nome, Petri ha sviluppato e migliorato numerosi processi e attrezzature di lavoro, tra cui un filtro a sabbia e recipienti ancora oggi utilizzati per l’invio di campioni di feci e urine.

Petri ha pubblicato molti lavori, inclusi alcuni trattati di igiene e microbiologia. Scrisse su diverse tematiche riguardanti tecniche microbiologiche, malattie infettive, analisi delle acque, descrizione e uso di strumenti analitici.

Nel 1900 si ritirò e assunse la direzione del centro medico Brehmer a Görbersdorf per tre anni. Apparentemente per motivi di salute, tornò a Berlino nel 1904.

Si spense a Zeitz il 20 dicembre 1921.

Le piastre di Petri vengono principalmente utilizzate per studi di microbiologia. Il piatto è parzialmente riempito con un liquido caldo contenente agar e una miscela di ingredienti specifici che possono includere nutrienti, sangue, sali, carboidrati, coloranti, indicatori, aminoacidi e antibiotici. Dopo raffreddamento, l’agar gelifica e una piastra è pronta per ricevere un campione di cellule sane mentre in una seconda le cellule sono inoculate con il microorganismo che si vuole studiare. Per le colture di virus è necessaria un’inoculazione in due fasi: i batteri vengono coltivati ​​per primi per fornire successivamente a questi “ospiti” l’inoculo virale.

Spesso, le piastre di Petri vengono ricoperte con un coperchio di vetro per ridurre il rischio di contaminazione causata dalla sedimentazione di particelle sospese nell’aria e per prevenire l’accumulo della condensa dell’umidità nelle colture.

Sebbene la piastra Petri faccia parte dell’attrezzatura standard di ogni laboratorio batteriologico, Julius Richard Petri non viene ricordato con la dovuta importanza dalla comunità scientifica.

Tributo a J. R. Petri

Opere consultate

https://en.wikipedia.org/wiki/Julius_Richard_Petri

https://www.deutsche-biographie.de/ppn117702536.html

https://www.microbiologiaitalia.it/guru-della-microbiologia/julius-richard-petri/

https://www.historiadelamedicina.org/petri.html

Bibliografia

[1] R.J. Petri, Eine kleine Modification des Koch’schen Plattenverfahrens (A small modification of Koch’s plate method), Centralblatt für Bakteriologie und Parasitenkunde1877, 1, 279–280.

[1] Heinrich Hermann Robert Koch (1843–1910) è stato un medico, batteriologo e microbiologo tedesco. Descrisse per la prima volta il ruolo di un agente patogeno all’insorgere di una malattia. Nel 1882 scoprì l’agente eziologico della tubercolosi e in seguito ne sviluppò l’estratto antigenico che poteva dimostrare l’avvenuta infezione in un organismo ospite, compreso l’organismo umano. Nel 1905 è stato insignito del Premio Nobel per la Medicina. Robert Koch è ritenuto, assieme Louis Pasteur, il fondatore della moderna batteriologia e microbiologia.

50° giornata della Terra.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Il coronavirus ha di certo cambiato la nostra vita e la sua organizzazione. Fabbriche temporaneamente chiuse, voli ridotti al minimo, costruzioni che procedono a rilento e molto altro ancora: il risultato è un declino nelle emissioni che in una ventina di giorni ha permesso di risparmiare una quantità di anidride carbonica pari a quella che lo stato di New York immette nell’atmosfera nel corso di un intero anno. Quando avremo superato la pandemia tutto tornerà come prima o sapremo fare tesoro dei migliormenti involontariamente perseguiti cercando di mantenerli? La terra, intesa ora come il suolo, ci insegna nella sua circolarità fra le stagioni come il susseguirsi del tempo può essere anche una crescita continua se si è capaci di mettere a frutto il passato. Le coltivazioni su un suolo si devono succedere secondo logiche che garantiscono l’arricchimento della terra dando al concetto di circolarità, comunemente applicato all’economia, un valore più generale.

Mi piace mettere a fuoco questo concetto in occasione proprio della giornata della terra di domani mercoledì 22 aprile.

Una giornata che deve farci riflettere nell’emergenza attuale sui valori e sul patrimonio di cui non siamo proprietari ma fortunati fruitori. Il coronavirus ha messo in ginocchio la salute di molti,anche l’ambiente può essere minacciato. La medicina giustamente guarda all’uomo ed a come proteggerlo: mi chiedo se l’ambiente trova corrispondenti valide difese al pari di quelle che virologi, infettivologi, epidemiologi, microbiologi stanno offrendo ai nostri organismi. Il virus attraverso sistemi fognari inadeguati potrebbe dai rifiuti industriali passare alle acque reflue e da quelle superficiali nel terreno: lo studio della dinamica e cinetica di questo processo in relazione alla stabilità del virus nelle diverse condizioni dovrebbe essere perseguito in una visione globalmente open della ricerca.

La giornata della terra di quest’anno è anche l’occasione per lanciare una  sfida, la Earth Challenge 2020, la più grande campagna scientifica per cittadini. L’iniziativa integra i progetti di citizen science già esistenti e dà la possibilità di crearne di nuovi. Utilizzando la tecnologia mobile ed i dati scientifici open Earth Challenge 2020 consente alle persone di tutto il mondo di monitorare e mitigare le minacce alla salute dell’ambiente nelle rispettive comunita, grazie alla app Earth Challenge 2020 che è possibile scaricare dal 1 aprile dagli  app store Android o Apple.

Il data base risultante dalle osservazioni dei cittadini verrà visualizzato su una mappa pubblica e reso disponibile open per i ricercatori di tutto il mondo. Si tratta di un altro importante contributo alla Open Science,alla cultura come patrimonio universale,alla conoscenza globalizzata. E’ importante che questo passo in avanti venga realizzato non sulla base di accordi editoriali o di convenzioni pagate, ma affidato alla società civile, prima fruitrice delle ricadute della ricerca sulla qualità della vita

SARS-COV-2. 1. Come è fatto, come agisce …..

In evidenza

Claudio Della Volpe

Il Coronavirus SARS-COV-2. 1.

Come è fatto, come agisce sulla cellula e quanto resiste sulle superfici

Qualche riflessione guardando la letteratura che è spesso libera, come dovrebbe essere sempre ed in continua evoluzione.

La struttura del Coronavirus

https://www.unisr.it/news/2020/3/viaggio-al-centro-del-virus-come-e-fatto-sars-cov-2

Glicoproteina S (“spike”): il virus mostra delle proiezioni sulla propria superficie, della lunghezza di circa 20 nm. Tali proiezioni sono formate dalla glicoproteina S (“spike”, dall’inglese “punta”, “spuntone”). Tre glicoproteine S unite compongono un trimero; i trimeri di questa proteina formano le strutture che, nel loro insieme, somigliano a una corona che circonda il virione. Le differenze principali di questo nuovo Coronavirus rispetto al virus della SARS sembrano essere localizzate proprio in questa proteina spike. La glicoproteina S è quella che determina la specificità del virus per le cellule epiteliali del tratto respiratorio: il modello 3D infatti suggerisce che SARS-CoV-2 sia in grado di legare il recettore ACE2 (angiotensin converting enzyme 2), espresso dalle cellule dei capillari dei polmoni e di altri organi. Ogni monomero della proteina S trimerica è di circa 180 kDa e contiene due subunità, S1 e S2, rispettivamente l’attacco mediatore e la fusione di membrana.

  • Proteina M: la proteina di membrana (M) attraversa il rivestimento (envelope) interagendo all’interno del virione con il complesso RNA-proteina
  • Dimero emagglutinina-esterasi (HE): questa proteina del rivestimento, più piccola della glicoproteina S, svolge una funzione importante durante la fase di rilascio del virus all’interno della cellula ospite
  • Proteina E: l’espressione di questa proteina aiuta la glicoproteina S (e quindi il virus) ad attaccarsi alla membrana della cellula bersaglio
  • Envelope: è il rivestimento del virus, costituito da una membrana che il virus “eredita” dalla cellula ospite dopo averla infettata (il suo materiale è complesso si veda il link appresso)
  • RNA e proteina N: il genoma dei Coronavirus è costituito da un singolo filamento di RNA a polarità positiva di grande taglia (da 27 a 32 kb nei diversi virus); non sono noti virus a RNA di taglia maggiore. L’RNA dà origine a 7 proteine virali ed è associato alla proteina N, che ne aumenta la stabilità.

https://www.cusabio.com/2019-novel-coronavirus.html

Il virus ha un diametro da 75 a 160 nanometri e il genoma del virus è un RNA lineare continuo a singolo filamento lungo attorno a 30kbasi (dato che una base pesa 100-150 Da, abbiamo più di 3 MDa) ci sono in media una sessantina di spike per ogni virione ed ogni spike pesa attorno a  600 KDa; dal solo volume il peso molecolare totale del virus è stimabile attorno a 50-60 MDa. Stiamo parlando dunque di un totale di 10-16 g che stanno mettendo in crisi tutto il pianeta umano.

Si veda anche:

https://virologyj.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12985-019-1182-0  per la struttura dell’envelope che è costituito da specifiche associazioni di due delle proteine del virus almeno fino ai SARS conosciuti prima del SARS-COV-2, ma che potrebbe contenere residui della membrana cellulare; questa struttura è soggetta all’attacco dei disinfettanti e del sapone.

Come il coronavirus SARS-COV-2 attacca la cellula:

https://www.hopkinsmedicine.org/health/conditions-and-diseases/coronavirus/coronavirus-facts-infographic

https://virologyj.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12985-019-1182-0

Fig. 1 Struttura di 2019-nCoV S nella conformazione di prefusione.(A) Schema della struttura primaria 2019-nCoV S colorata per dominio. I domini che sono stati esclusi dal costrutto dell’espressione ectodominio o che non è stato possibile visualizzare nella mappa finale sono di colore bianco. SS, sequenza di segnali; S2 ′, S2 ′ sito di scissione proteasi; FP, peptide di fusione; HR1, ripetizione heptad 1; CH, elica centrale; CD, dominio connettore; HR2, ripetizione heptad 2; TM, dominio transmembrana; CT, coda citoplasmatica. Le frecce indicano i siti di scissione della proteasi. (B) Viste laterali e dall’alto della struttura di prefusione della proteina 2019-nCoV S con un singolo RBD nella conformazione superiore. I due protomeri verso il basso RBD sono mostrati come densità crio-EM in bianco o grigio e il protomero verso l’alto RBD è mostrato in nastri colorati corrispondenti allo schema in (A).

https://www.nature.com/articles/nsmb1123

Il recettore cellulare principale, e forse non unico, sembra il cosiddetto ACE2; cosa è questo recettore presente sulla membrana delle cellule polmonari?

Anzitutto non è da confondere con il recettore ACE; entrambi sono coinvolti nel sistema renina-angiotensina-aldosterone che regola la pressione sanguigna, il volume plasmatico circolante (volemia) e il tono della muscolatura arteriosa attraverso diversi meccanismi. L’angiotensina I viene convertita in angiotensina II dall’enzima di conversione dell’angiotensina (ACE (dall’inglese angiotensin-converting enzyme) presente nei capillari polmonari. L’angiotensina II è un potente peptide vasocostrittore che provoca un restringimento dei vasi sanguigni, con conseguente aumento della pressione sanguigna. Il recettore ACE2 è un enzima attaccato alla superficie esterna (membrane cellulari) delle cellule dei polmoni, delle arterie, del cuore, dei reni e dell’intestino che invece abbassa la pressione sanguigna catalizzando la scissione dell’angiotensina II (un peptide vasocostrittore) in angiotensina (un vasodilatatore). ACE2 funge anche da punto di ingresso nelle cellule di alcuni coronavirus. La versione umana dell’enzima viene spesso definita come hACE2.

https://link.springer.com/article/10.1007/s00134-020-05985-9

https://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_renina-angiotensina-aldosterone

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15562-9

Dunque l’attacco del SARS-COV-2 blocca un recettore basico nel controllo di uno dei punti chiave dell’organismo e dato che il nostro organismo è un sistema non una macchina, è ricco di meccanismi di retroazione NON di causa-effetto, esattamente come avviene nella biosfera, e dunque piccole cause hanno grandi effetti.

In una maggioranza dei pazienti (80%) il sistema immunitario si scatena rapidamente in modo specifico bloccando l’invasore e riducendo velocemente gli effetti; mentre in una minoranza di pazienti (20%), con più malattie o con problemi congeniti  l’organismo non è in grado di reagire bene in modo specifico e la situazione evolve verso effetti drammatici; solo in ritardo l’organismo è in grado di produrre una risposta efficace e questa risposta invece di seguire le strade dell’apparato immunitario specifico segue quelle più primitive dell’infiammazione cosiddetta adattativa; queste strade infiammatorie aspecifiche sono molto pericolose, in quanto la risposta è potente ma difficilmente controllabile e l’organismo va in crisi (la cosiddetta “tempesta delle citochine”) i polmoni si riempiono di liquido e si rischia la morte in una elevata percentuale di casi, a causa della risposta dell’organismo.

Dal grafico si vede che la concentrazione del virus diventa alta in ritardo nei pazienti “severi”; questo potrebbe essere un segno diagnostico della crisi in atto.

Recentemente è stata anche scoperta una seconda strada di attacco del virus: è il recettore Dpp4, una serratura molecolare che il virus usa per invaderle. E’ su tutti i tipi di cellule umane ed è lo stesso su cui agiscono molti farmaci anti-diabete; ciò indica che gli stessi farmaci potrebbero essere usati contro Covid-19, almeno nei casi più lievi. Questa notizia è troppo recente per commentarla adeguatamente (https://www.diabetesresearchclinicalpractice.com/article/S0168-8227(20)30375-2/fulltext).

La riproduzione del virus: una polimerasi specifica:

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/09/science.abb7498

La struttura della polimerasi del virus nsp-12 a livello atomico è stata pubblicata il 10 aprile su Science, incorporando la zona di attacco del farmaco remdesivir che sembra stia dando buoni risultati.

Quanto sopravvive il coronavirus  sulle superfici esterne?

https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2004973

Attenzione alla interpretazione del grafico: esso vi dice come varia la concentrazione del virus sui vari materiali nel tempo; su ogni materiale diverso dalla cellula il virus si degrada; dunque è vero che rimane sulla plastica fino a 80 ore MA la sua concentrazione nel frattempo è diminuita di 1000 volte; dunque nessuna tragedia.

La scala dei tempi è molto più stretta nel caso dell’aria, dunque attenti ai paragoni. La scala verticale è logaritmica, si tratta di un decadimento esponenziale.

Intervista alla prof. Carolyn Machamer, della JHU, una biologa cellulare specializzata nei coronavirus.( trad. C. Della Volpe)

https://hub.jhu.edu/2020/03/20/sars-cov-2-survive-on-surfaces/

Quanto può sopravvivere il virus che causa COVID-19 sulle superfici?

Di Samuel Volkin

Secondo un recente studio pubblicato sul New England Journal of Medicine, SARS-CoV-2, il virus che causa COVID-19, può vivere nell’aria e sulle superfici tra diverse ore e diversi giorni. Lo studio ha scoperto che il virus è praticabile fino a 72 ore su plastica, 48 ore su acciaio inossidabile, 24 ore su cartone e 4 ore su rame. È anche rilevabile nell’aria per tre ore.
Carolyn Machamer, professore di biologia cellulare il cui laboratorio presso la Johns Hopkins School of Medicine ha studiato per anni la biologia di base dei coronavirus, si è unito a Samuel Volkin, candidato MPH / MBA di Johns Hopkins, per una breve discussione di questi risultati e del loro significato nel proteggere dalla diffusione del virus. La conversazione è stata modificata per lunghezza e chiarezza.
Volkin: Secondo questo rapporto, sembra che il virus COVID-19 viva potenzialmente sulla superficie da giorni. Quanto dovremmo preoccuparci del nostro rischio di essere infettati semplicemente toccando qualcosa con cui una persona infetta era in contatto giorni fa?
Machamer: Ciò che sta ricevendo molta stampa e che viene presentato fuori dal contesto è che il virus può durare sulla plastica per 72 ore, il che sembra davvero spaventoso. Ma ciò che è più importante è la quantità di virus che rimane. È inferiore allo 0,1% del materiale virale iniziale. Infezione è teoricamente possibile ma improbabile ai livelli rimanenti dopo alcuni giorni. Le persone hanno bisogno di saperlo.

Cosa hai bisogno di sapere
Centro informazioni COVID-19
Risorse e aggiornamenti per la comunità Johns Hopkins, tra cui guida di viaggio, informazioni sulle operazioni universitarie e suggerimenti per prevenire la diffusione della malattia
Mentre lo studio del New England Journal of Medicine ha scoperto che il virus COVID può essere rilevato nell’aria per 3 ore, in natura, le goccioline respiratorie affondano a terra più velocemente degli aerosol prodotti in questo studio. Gli aerosol sperimentali utilizzati nei laboratori sono più piccoli di quelli che escono da una tosse o da uno starnuto, quindi rimangono nell’aria a livello del viso più a lungo di quanto sarebbero le particelle più pesanti in natura.
Qual è il modo migliore in cui posso proteggermi, sapendo che il virus che causa COVID-19 vive sulle superfici?
È più probabile catturare l’infezione attraverso l’aria se ci si trova accanto a qualcuno infetto piuttosto che al di fuori di una superficie. La pulizia delle superfici con disinfettante o sapone è molto efficace perché una volta che lo strato superficiale oleoso del virus è disattivato, non è possibile che il virus infetti una cellula ospite. Tuttavia, non ci può essere una sovrabbondanza di cautela. Niente di simile è mai successo prima.
Le linee guida del CDC su come proteggersi includono:
• Pulire e disinfettare le superfici con cui molte persone entrano in contatto. Questi includono tavoli, maniglie delle porte, interruttori della luce, controsoffitti, maniglie, scrivanie, telefoni, tastiere, servizi igienici, rubinetti e lavandini. Evitare di toccare le superfici ad alto contatto in pubblico.
• Lavati spesso le mani con acqua e sapone per almeno 20 secondi immediatamente quando torni a casa da un luogo pubblico come la banca o il negozio di alimentari.
• Quando sei in uno spazio pubblico, metti una distanza di sei piedi tra te e gli altri.
• Soprattutto, rimanere a casa se si è malati e contattare il medico.
Si è ipotizzato che una volta che la stagione estiva arriverà e il tempo si riscalderà, il virus non sopravviverà, ma non sappiamo ancora se sia vero. Il tempo o la temperatura interna influiscono sulla sopravvivenza del virus COVID-19 sulle superfici?

Johns Hopkins risponde a COVID-19
Copertura di come la pandemia COVID-19 sta influenzando le operazioni presso la JHU e in che modo gli esperti e gli scienziati Hopkins stanno rispondendo allo scoppio
Non ci sono prove in un modo o nell’altro. La vitalità del virus nell’esposizione al caldo o al freddo non è stata studiata. Ma sottolinea che lo studio del New England Journal of Medicine è stato condotto a temperatura ambiente, 21-23 gradi Celsius.
In che modo il virus che causa COVID-19 si confronta con altri coronavirus e perché stiamo vedendo tanti altri casi?
SARS-CoV-2 si comporta come un tipico coronavirus respiratorio nei meccanismi di base di infezione e replicazione. Ma diverse mutazioni gli consentono di legarsi più stretto al suo recettore ospite e aumentare la sua trasmissibilità, che si pensa lo renda più contagioso.
Lo studio del New England Journal of Medicine suggerisce che la stabilità della SARS-CoV-2 è molto simile a quella della SARS-CoV1, il virus che ha causato l’epidemia globale di SARS 2002-2003. Ma i ricercatori ritengono che le persone possano trasportare alte cariche virali di SARS-CoV-2 nel tratto respiratorio superiore senza riconoscere alcun sintomo, consentendo loro di liberarsi e trasmettere il virus mentre sono asintomatici

(Continua)

Monitoraggio del coronavirus dalle acque reflue.

In evidenza

Mauro Icardi

Il settore del trattamento delle acque reflue, è da sempre molto attento alla gestione del rischio biologico.

Gli addetti al settore sono sottoposti ad una attenta sorveglianza sanitaria perché già nel 1976 la rivista “Lancet” pubblicò un articolo riguardante la “Sewage worker’s syndrome”  (in Italia tradotta mio parere discutibilmente  come la malattia del fognaiolo)  Si pose molta attenzione alla possibilità degli addetti di contrarre malattie indotte dal contatto accidentale con acque reflue, o aerosol batterici provenienti da alcune fasi di trattamento.  I lavoratori di un impianto di trattamento delle acque reflue di Göteborg, in Svezia, soffrivano occasionalmente  di attacchi acuti di freddo, febbre e malessere. Un’indagine clinica e di laboratorio vene condotta  su 30 dei lavoratori insieme a 16 soggetti di controllo.

Circa la metà dei lavoratori aveva occasionalmente attacchi di febbre qualche ora dopo il lavoro. Nel gruppo di controllo non vennero segnalati  casi di febbre.   Le quantità di immunoglobuline sieriche erano più elevate nel gruppo esposto, anche l’emocromo era più alto e gli anticorpi sviluppati contro Escherichia coli  erano significativamente aumentati.   Noi che ci occupiamo di questo particolare tipo di lavoro, tra le varie precauzioni che dobbiamo adottare abbiamo l’obbligo della doccia a fine di ogni turno di lavoro, oltre all’utilizzo di mascherine nelle zone a rischio biologico. Abitudine che ora diventerà  per le note e tristi ragioni, un patrimonio comune. Non saremo più i soli a doverla indossare.

Ma come scritto da un articolo pubblicato sulla rivista “Nature” il 3 Aprile,  (e avevamo scritto qualcosa anche sul blog ): https://ilblogdellasci.wordpress.com/2018/05/11/i-controlli-sulle-acque-reflue-come-monitoraggio-sanitario/    il monitoraggio delle acque reflue potrebbe servire anche  per stimare il numero totale di infezioni in una comunità, visto che al momento non tutte le persone riescono ad essere sottoposte ai tamponi di verifica, e soprattutto esiste il grosso problema delle persone che pur contraendo la sars covid 19, non sviluppano sintomi, e possono diventare  involontariamente propagatori dell’epidemia.

Più di una dozzina di gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno iniziato ad analizzare le acque reflue per verificare la presenza e la resistenza del virus in questa particolare matrice.  Finora i ricercatori hanno trovato tracce del virus nei Paesi Bassi, negli Stati Uniti e in Svezia . Anche l’impianto di depurazione di Varese ha già iniziato a fornire campioni medi di ingresso impianto all’Istituto Mario Negri di Milano, per le stesse finalità.  Soprattutto su impianti di medie-grandi potenzialità questa operazione potrebbe  fornire stime migliori di quanto sia diffuso il virus. Gli studi hanno anche dimostrato che il virus SARS-CoV-2 può comparire nelle feci entro tre giorni dall’infezione, cioè molto prima del tempo necessario alle persone per sviluppare sintomi abbastanza gravi, tali da attivarne il ricovero  in ospedale – fino a due settimane – e ottenere una diagnosi precisa e confermata. Il monitoraggio delle particelle virali nelle acque reflue potrebbe dare ai funzionari della sanità pubblica un vantaggio nel decidere se introdurre, o reintrodurre  misure come l’isolamento e il distanziamento sociale. Stabiliti i giusti protocolli di analisi, per esempio scoprire quanto RNA virale è escreto nelle feci, ed estrapolare il numero di persone infette in una popolazione da concentrazioni di RNA virale in campioni di acque reflue, occorrerà stabilire delle priorità, e destinare le risorse. E’ intuitivo che se i reagenti per la determinazione del virus cominciassero a scarseggiare, la loro fornitura dovrà essere destinata agli ospedali e alle strutture sanitarie.

Per quanto riguarda la rappresentatività del campione, questo sarà un compito più semplice ed affidato ai gestori. I normali autocampionatori refrigerati presenti negli impianti possono essere programmati adeguatamente, in funzione delle variazioni di portata influente.

Per quanto riguarda invece le acque scaricate al termine del trattamento sono sottoposte ad un fase di disinfezione. O con reagenti chimici (acido peracetico, ipoclorito di sodio, raggi uv). Questo va ribadito, per evitare l’insorgere di timori, comprensibili ma da affrontare con razionalità. Non posso escludere, ma questa è solo una mia opinione personale, che in futuro i limiti della carica batterica all’uscita degli impianti di depurazione, possano essere rivisti.  Il coronavirus ci sta insegnando molte cose. Saranno ovviamente gli organi competenti  (OMS, ISS) a doverlo eventualmente stabilire.

L’epidemia di coronavirus può essere affrontata anche con questo tipo di approccio. E questo è un esempio di quella collaborazione tra vari soggetti, di cui ho spesso scritto su questo blog. Ci aspetta un futuro nel quale, quando l’emergenza sarà passata, o almeno circoscritta dovremo fare riflessioni molto profonde. E mi auguro che non ci siano più remore, o intralci a destinare risorse  alla ricerca. E allo stesso modo a capire la necessità di completare in maniera decisa il progetto di unificazione a livello provinciale della gestione idrica. Con tutte le puntualizzazioni che ho già più volte ribadito. Acqua come bene comune. Ma con approcci razionali, trasparenti, ma mi auguro non demagogici.

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00973-x

I ricercatori dovranno anche assicurarsi che stiano esaminando un campione rappresentativo di ciò che viene escreto dalla popolazione.
Ed è importante che la sorveglianza delle acque reflue, se possibile, non sottragga risorse ai test destinati ai singoli individui.

.

L’intelligenza artificiale e gli antibiotici.

In evidenza

Rinaldo Cervellati

L’intelligenza artificiale identifica molecole che uccidono i batteri, ma sarebbero buoni antibiotici?

Questo è il titolo della notizia data da Sam Lemonick il 26 febbraio per il numero di Chemistry & engineering news del 4 marzo scorso. In realtà i ricercatori dell’articolo riportato da Lemonick hanno utilizzato la tecnica dell’apprendimento automatico (machine learning, ML), una branca dell’intelligenza artificiale che si occupa della messa a punto di algoritmi e modelli statistici che i sistemi informatici elaborano per eseguire un compito specifico senza utilizzare istruzioni esplicite, basandosi invece su schemi e inferenze.

L’interrogativo è chiarito nel sottotitolo: “Gli esperti lodano l’approccio rimanendo scettici sul fatto che le molecole identificate possano trovare applicazioni cliniche”.

Come ormai noto, i farmaci antibiotici in circolazione, anche a causa del loro abuso, hanno prodotto ceppi batterici antibiotico resistenti minacciando di compromettere la nostra capacità di combattere le infezioni fatali, stimolando la ricerca di nuovi farmaci.

Il chimico computazionale Regina Barzilay e il bioingegnere James J. Collins, entrambi del Massachusetts Institute of Technology (MIT), e collaboratori, hanno progettato un metodo di apprendimento automatico per trovare nuovi antibiotici. Combinando questo metodo con la sperimentazione in vitro su colture cellulari e in vivo su piccoli modelli animali, i ricercatori affermano di aver identificato diverse molecole che potrebbero essere efficaci antibiotici [1].

Regina Barzilay  James J. Collins

 Hanno progettato i loro algoritmi per riconoscere le caratteristiche strutturali di diverse molecole – non solo antibiotici – e per prevedere se una data struttura potesse inibire la crescita del batterio Escherichia coli. Inizialmente hanno lasciato il loro modello libero di cercare nel Drug Repurposing Hub, un database di circa 6.000 molecole note per essere utilizzate contro varie malattie. Ciò ha portato a identificare un composto con bassa tossicità e elevata attività antimicrobica contro E. coli, diverso dagli antibiotici noti, che è stato verificato in laboratorio come inibitore della crescita di E. coli. Questa molecola, chiamata SU3327, è un inibitore dell’enzima c-Jun chinasi N-terminale, bersaglio per il diabete e altre patologie. Il gruppo ha ribattezzato la molecola halicin in riferimento al computer HAL del famoso film “2001: Odissea nello spazio” (1968, di Stanley Kubrick e Arthur C. Clarke).

Uno studio inedito del 2017 aveva già identificato l’attività antibiotica di questa molecola, sotto valutazione dalla Food and Drug Administration statunitense, ma Jonathan M. Stokes del MIT, coautore del nuovo studio, afferma che il gruppo non era a conoscenza di questa precedente ricerca fino al 2 marzo di quest’anno[1].

Nel nuovo studio, i successivi test di laboratorio hanno dimostrato che la molecola può eliminare una serie di ceppi batterici resistenti. I ricercatori pensano che uccida i batteri interrompendo il movimento dei protoni attraverso la membrana cellulare, bloccando la capacità del betterio di muoversi o immagazzinare energia. Nei topi, halicin ha sanato le ferite cutanee infettate con Acinetobacter baumannii e le infezioni intestinali dal Clostridium difficile.

Il gruppo ha anche usato il suo algoritmo di apprendimento automatico per cercare molecole con caratteristiche antibiotiche fra i più di 100 milioni di molecole del database ZINC15, trovandone 8 diverse dagli usuali antibiotici, ma potenzialmente attive, fra cui ZINC000100032716, ma su queste non sono stati effettuati test di laboratorio.

Günter Klambauer, direttore del laboratorio di scoperta di farmaci con l’intelligenza artificiale (computer-aided drug design) presso l’Università Johannes Kepler a Linz (Austria), afferma che questi risultati mostrano “quello che si può ottenere quando lavorano insieme professionisti esperti e ricercatori sull’apprendimento automatico“. Ha però criticato il gruppo del MIT per aver indirizzato i propri algoritmi soltanto su un paio di migliaia di molecole del database e solo su alcuni effetti biologici. Secondo Klambauer il modello avrebbe potuto essere più efficiente con una programmazione più ampia che tenesse conto di molteplici effetti.

Anche da parte di esperti di antibiotici sono arrivati elogi per il metodo usato ma non vi è stata molta impressione per halicin. Diversi hanno affermato che i risultati non suggeriscono che il composto sia il tipo di antibiotico necessario in terapia. Il gruppo nitroaromatico nella molecola assomiglia alle strutture di noti antibiotici ad ampio spettro, suggerendo che il modo in cui i ricercatori hanno programmato l’algoritmo era troppo limitato e non ha permesso di trovare strutture veramente nuove. Richard E. Lee, un ricercatore sugli antibiotici presso il St. Jude Children’s Research Hospital (USA) afferma: “Abbiamo bisogno di nuovi chemiotipi antibatterici che potrebbero essere difficili da trovare attraverso questo approccio”. Shahriar Mobashery, biochimico dell’Università di Notre Dame (USA), sostiene che i gruppi nitroaromatici possono essere tossici per i pazienti umani, così come il meccanismo d’azione associato alla membrana che i ricercatori descrivono. Tuttavia Mobashery ha affermato che il punto di forza del lavoro sta nella metodologia.

James Collins, co-responsabile della ricerca replica che se è giusto sottolineare le somiglianze delle loro molecole con gli antibiotici esistenti, va sottolineato che uno dei principali vantaggi nell’utilizzo dell’apprendimento automatico è la sua velocità nella ricerca di molecole simili agli antibiotici. “Il nostro modello ha impiegato circa 4 giorni per valutare oltre 100 milioni di molecole”, afferma.

Richard Lee ha anche detto che probabilmente halicin non è un farmaco praticabile. Sostiene che c’è necessità di antibiotici efficaci contro le infezioni sistemiche, non per quelle della pelle o dell’intestino. Tuttavia, replica Collins, è necessario un trattamento topico efficace per A. baumannii.

John H. Rex, capo dello staff medico presso la Compagnia di Biotecnologie anglo-austriaca F2G ha fatto eco a questa critica. Rex, già redattore della rivista Antimicrobial Agents and Chemotherapy, afferma che il lavoro non ha soddisfatto gli standard per l’annuncio di nuovi farmaci antibiotici. Oltre alle sue preoccupazioni circa la loro efficacia contro i batteri più pericolosi, Rex ha affermato che i test del gruppo sulla tossicità di halicin non sono stati sufficienti. Dice che i ricercatori avrebbero dovuto testare la sua tossicità contro le cellule di mammifero, il che potrebbe fornire un quadro più chiaro del fatto che l’halicin potrebbe risultare tossico nel flusso sanguigno umano.

Comunque Rex plaude a che l’articolo sia stato pubblicato. Afferma che il lavoro “potrebbe aprire un nuovo spazio chimico per individuare antibiotici efficaci, tuttavia il gruppo non ha trovato un candidato soddisfacente.

Lynn Silver, esperta di antibiotici che ha lavorato presso Merck & Co. per vent’anni dice: “È abbastanza facile uccidere i batteri, anche quelli difficili, con agenti tossici – e abbastanza facile trovarli’, ma afferma che trovare i farmaci è molto più difficile: “Anche antibatterici ben studiati falliscono negli studi clinici a causa della loro tossicità”.

James Collins afferma che il gruppo sta cercando di stabilire collaborazioni per continuare la valutazione preclinica di halicin e delle altre molecole. Regina Barzilay dice che hanno anche in programma di migliorare il loro modello nella speranza di prevedere il meccanismo antibatterico delle molecole oltre alla loro attività, cosa che sarebbe utilissima per trovare farmaci più mirati. E stanno aggiungendo un componente al modello che dovrebbe consentirgli di progettare molecole completamente nuove, piuttosto che trovare possibili antibiotici da database di composti esistenti.

Bibliografia

[1] J.M. Stokes et al., A Deep Learning Approach to Antibiotic Discovery., Cell, 2020, 180, 688–702; DOI: 10.1016/j.cell.2020.01.021

[1] Il lavoro è stato pubblicato su Cell il 20 febbraio 2020. Molti dettagli sono apparsi lo stesso giorno sul quotidiano inglese The Guardian col titolo Powerful antibiotic discovered using machine learning for first time.

Un provvidenziale ultimo avviso

In evidenza

Vincenzo Balzani

pubblicato nel Blog universitario  parliamoneOra 2020

Più che aver paura del corona virus, oggi dobbiamo avere paura che cessata l’emergenza sanitaria si torni alla situazione di prima

In una famosa fotografia, scattata dall’astronauta della NASA William Anders il 24 dicembre 1968 durante la missione Apollo 8, si ammira lo straordinario spettacolo del sorgere della Terra visto dalla Luna. Contemplando la scena che stava fotografando, Anders disse: «We came all this way to explore the Moon, and the most important thing is that we discovered the Earth». Da questa e altre simili foto della Terra prese da lontano ci si rende conto di quale sia la nostra situazione: viaggiamo nell’infinità dell’universo su un’astronave. Un’astronave che non potrà mai “atterrare” da nessuna parte, non potrà mai attraccare a nessun porto per caricare risorse o scaricare rifiuti. Le risorse su cui possono contare i quasi otto miliardi di passeggeri sono i materiali che costituiscono l’astronave e la luce del Sole.

Da qualche mese sull’astronave Terra è in circolazione un virus pericoloso e molto contagioso, il Covid-19. In attesa di combatterlo con un vaccino, ci difendiamo alla meglio con l’odiosa arma del distanziamento sociale. Secondo gli scienziati il virus è passato da animali selvatici all’uomo a causa di uno o più dei seguenti errori nel nostro rapporto con la  Natura: esagerato uso delle risorse, degradazione dell’ambiente, cambiamento climatico, crescente consumo di prodotti animali, esagerata  antropizzazione del suolo, perdita di biodiversità e ricerca di cibo selvatico da parte delle popolazioni più povere. I virus sono in qualche modo “profughi” della distruzione ambientale causata dalla nostra aggressività. Stavano bene nelle foreste e nei corpi di alcuni animali, gli abbiamo offerto l’occasione di moltiplicarsi.

Molti fra i cittadini dei ricchi paesi dell’Occidente sono preoccupati per la crisi sanitaria, ma sembra non si siano mai accorti delle crisi ecologica e sociale. Sono terrorizzati da qualche decina di migliaia di morti causati dal virus nel mondo, ma forse non sanno che a causa dall’inquinamento atmosferico ogni anno muoiono circa un milione di persone in Cina, 650.000 nell’Unione Europea e 80.000 nella sola Italia.

Già da parecchi anni gli scienziati ammoniscono che non stiamo custodendo il pianeta e i sociologi avvertono che le enormi disuguaglianze economiche e sociali stanno diventando insostenibili. Il vigente modello di sviluppo, il consumismo, basato sull’usa e getta, ha instaurato una cultura dello scarto che porta al degrado ambientale e si estende alla vita delle persone. Nell’enciclica Laudato si’ qualche anno fa papa Francesco aveva scritto «Non ci sono due crisi separate, una ambientale e un’altra sociale, bensì una sola e complessa crisi socio-ambientale che va affrontata con una visione unitaria dei problemi  ecologici ed economici». E nella benedizione Urbi et orbi impartita il 18 marzo nella spettrale Piazza San Pietro deserta il papa ha aggiunto: “Abbiamo proseguito imperterriti, pensando di rimanere sani in un mondo malato”.

Stiamo vivendo, dunque, uno dei peggiori periodi della nostra storia, attanagliati da una crisi che ha tre aspetti fra loro intrecciati: ecologico, sociale e sanitario. Ma non dobbiamo perderci d’animo: la storia stessa insegna che ogni crisi offre l’opportunità di un cambiamento verso una situazione migliore. Poiché l’astronave Terra è l’unico luogo dove possiamo vivere, non possiamo farci sfuggire questa occasione. Dobbiamo vedere nel Covid-19 un provvidenziale ultimo avviso. Più che aver paura del virus, oggi dobbiamo avere paura che cessata l’emergenza sanitaria si torni alla insostenibile situazione di prima. Tutti dobbiamo adoperarci perché ciò non accada.

Perché il cambiamento avvenga nella direzione giusta, per prima cosa dobbiamo far capire a politici e economisti che una crescita illimitata è impossibile. Non possiamo pretendere che il pianeta Terra si adatti alla nostra megalomania; dobbiamo essere noi ad adattarci alla sua realtà. L’unico obiettivo che forse possiamo raggiungere, non senza difficoltà, è quello della sostenibilità: cioè vivere lasciando un pianeta vivibile anche per le prossime generazioni.

Perché ciò accada dovremo utilizzare in modo più saggio le limitate risorse dell’astronave Terra e sfruttare il più possibile l’abbondante energia che ci viene dal Sole. Dovremo diminuire l’estrazione di materiali dalla Terra (92 miliardi di tonnellate all’anno, pari a 35 kg al giorno per ciascuno degli abitanti del pianeta) e abbandonare l’uso dei combustibili fossili per abbattere l’inquinamento atmosferico e ancor più le emissioni di CO2 (37 miliardi di ton all’anno), il gas serra che provoca il cambiamento climatico.

Dovremo sostituire i motori a combustione con motori elettrici alimentati dall’energia del Sole. La scarsità delle risorse non ci permetterà più di possedere le “macchine” che utilizziamo (ad esempio, l’automobile); dovremo accontentarci di usare “macchine” condivise. Dovremo capire bene cosa ci serve e cosa non ci serve. Se ci avessimo pensato prima, ad esempio, non avremmo speso 14 miliardi per gli F-35 (aerei da guerra che, per fortuna, non useremo mai), ma avremmo investito questo denaro nella sanità e nell’istruzione.

Più in generale, dovremo sostituire il verbo consumare col verbo risparmiare. Per ridurre i consumi, studi scientifici dimostrano che non serve molto “agire sulle cose”, cioè aumentare il rendimento dei processi di produzione e l’efficienza dei vari tipi di macchine che usiamo; bisogna “agire sulle persone”, sollecitarle cioè a praticare stili di vita ispirati alla sobrietà.

C’è ancora parecchio da fare, ma sappiamo bene quale è la strada per raggiungere la sostenibilità ecologica. Siamo invece molto lontani dall’obiettivo della sostenibilità sociale che richiede, anzitutto, una ridistribuzione della ricchezza. Non può esserci sostenibilità sociale in un mondo dove i duemila più ricchi posseggono più di 4,6 miliardi di persone e neppure un paese come l’Italia dove l’1% più ricco possiede quanto il 70% della popolazione. Non può esserci sostenibilità sociale se, come scrive papa Francesco nell’enciclica Laudato si’: “… non ci accorgiamo più che alcuni si trascinano in una miseria degradante, mentre altri non sanno nemmeno che farsene di ciò che possiedono”.

Dobbiamo fare in modo che la pandemia del Covid-19, dalla quale stiamo faticosamente uscendo, porti in primo piano il problema della sostenibilità. Sarà necessario utilizzare con cura le risorse del pianeta e l’energia del Sole e anche sviluppare la scienza e la tecnologia nelle direzioni opportune. Ma sarà ancor più importante sfruttare le nostre preziose fonti di energia spirituale: saggezza, creatività, responsabilità, collaborazione, amicizia, sobrietà e solidarietà. Quando avremo fatto tutto questo, ricorderemo questa pandemia come una salutare lezione impartitaci dalla Natura.

Disinfettanti per le mani contro il coronavirus.

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Sui disinfettanti per le mani e sulla loro efficacia ha scritto Laura Howes su Chemistry & Engineering news del 23 marzo scorso (What is hand sanitizer, and does it keep your hands germ-free? C&EN news). Qui ne riporto una traduzione adattata.

Nei primissimi mesi del 2020, con la diffusione del nuovo coronavirus, SARS-CoV-2, le vendite di disinfettanti per le mani hanno iniziato a crescere. L’11 marzo, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha ufficialmente dichiarato l’epidemia una pandemia globale. Le Organizzazioni Sanitarie di tutto il globo hanno raccomandato alle persone di astenersi dal toccarsi il viso e di pulirsi le mani dopo aver toccato le superfici pubbliche come maniglie, corrimano, ecc.

Il primo caso statunitense di COVID-19, la malattia causata da SARS-CoV-2, è stato rilevato il 20 gennaio scorso. Secondo la società di ricerche di mercato Nielsen, le vendite di disinfettanti per le mani negli Stati Uniti sono cresciute del 73% a fine febbraio.

Sulle porte dei negozi in tutto il pianeta sono comparsi avvisi per avvertire che i disinfettanti per le mani erano esauriti. Di conseguenza le grandi ditte, come ad esempio il gigante chimico BASF, ma anche studenti di chimica di diverse università, stanno cercando di produrre nuovi disinfettanti.

Ma la popolarità dei disinfettanti per le mani è giustificata? Anche se la maggior parte dei funzionari sanitari afferma che il sapone e l’acqua sono il modo migliore per pulire le mani da eventuali contaminazioni, quando questo non è possibile, gli esperti affermano che i disinfettanti per le mani sono il presidio migliore. Per ottenere il massimo beneficio da questi, le istituzioni sanitarie raccomandano di utilizzare un prodotto che contenga almeno il 60% di alcol, coprire tutta la superficie delle mani e strofinarle insieme fino ad asciugarle.

Ancor prima che gli scienziati sapessero che esistevano i germi, i medici stabilirono il legame tra lavaggio delle mani e salute. Il riformatore medico americano Oliver Wendell Holmes[1] e l’ungherese, Ignaz Philipp Semmelweis (detto “Salvatore delle madri”)[2], collegarono la scarsa igiene delle mani con un aumento dei tassi di infezione postpartum nel 1840, quasi 20 anni prima che il famoso biologo francese Louis Pasteur pubblicasse le sue prime scoperte sulla teoria dei batteri.

Nel 1966, mentre era ancora una studentessa di infermieristica, Lupe Hernandez (1941-2017) brevettò, per gli ospedali, un gel disinfettante per le mani contenente alcol.

Lupe Hernandez

Nel 1988, l’azienda Gojo[3] ha introdotto Purell®, il primo disinfettante in gel contenente alcol.

Sebbene alcuni dei disinfettanti per le mani venduti non contengano alcol, esso è l’ingrediente principale nella maggior parte dei prodotti che attualmente vengono letteralmente strappati dagli scaffali di negozi e supermercati. Questo perché l’alcol è un disinfettante molto efficace e sicuro da applicare sulla pelle.

La caratteristica dell’alcol è di rompere i rivestimenti esterni di batteri e virus.

Il coronavirus SARS-CoV-2 è noto come un “virus avvolto”. Alcuni virus si proteggono solo con una gabbia costituita da proteine. Ma quando i virus avvolti lasciano le cellule che hanno infettato, si avvolgono in una membrana composta di pareti a base lipidica delle cellule e di alcune delle loro stesse proteine. Secondo il chimico Pall Thordarson dell’Università del Nuovo Galles del Sud (Australia), i doppi strati lipidici che circondano virus avvolti, come SARS-CoV-2, sono tenuti insieme da una combinazione di legami a idrogeno e interazioni idrofobiche. Come i lipidi che proteggono questi microrganismi, gli alcoli hanno una regione polare e una non polare, quindi afferma Thordarson: “l’etanolo (alcol etilico) e altri alcoli interrompono queste combinazioni di legami, dissolvendo efficacemente le membrane lipidiche”. Tuttavia, aggiunge, è necessaria una concentrazione abbastanza elevata di alcol per rompere velocemente il rivestimento protettivo degli organismi, motivo per cui l’americano Center for Disease Control (CDC) consiglia di utilizzare disinfettanti per le mani con almeno il 60% di alcol.

Pall Thordarson

Tuttavia strofinare alte concentrazioni di alcol sulla pelle non è piacevole. L’alcool può rendere rapidamente la pelle secca perché distrugge anche il suo strato protettivo untuoso. Ecco perché i disinfettanti per le mani contengono normalmente anche un agente idratante che contrasta la secchezza.

L’OMS offre due semplici formulazioni per produrre in proprio liquidi disinfettanti per le mani in aree remote o con risorse limitate, in cui i lavoratori non hanno accesso a lavandini o altre strutture per la pulizia delle mani. Una di queste formulazioni utilizza l’80% di etanolo e l’altra il 75% di alcol isopropilico. Entrambe le ricette contengono una piccola quantità di perossido di idrogeno per prevenire la crescita di batteri nel disinfettante e un po’ di glicerolo per aiutare a idratare la pelle e prevenire eventuali dermatiti. Altri composti idratanti che si possono trovare nei disinfettanti liquidi per mani includono glicole polietilenico o glicole propilenico. Quando un disinfettante per le mani a base alcolica viene strofinato sulla pelle, l’etanolo evapora, lasciando dietro di sé i composti lenitivi.

Nelle cliniche, liquidi disinfettanti per le mani come quelli che si possono fare con le ricette dell’OMS vengono facilmente trasferiti nelle mani di pazienti, medici, infermieri e visitatori da distributori a parete.

Per i consumatori, i gel disinfettanti in flacone sono molto più comodi da trasportare e utilizzare anche in viaggio perché è semplice spremere il gel senza versarlo ovunque. I gel rallentano anche l’evaporazione dell’alcool, garantendo che si abbia il tempo di coprire le mani e lavorare contro i microrganismi che potrebbero essere presenti.

Le persone che provano a produrre in proprio disinfettanti per le mani a base di gel dovrebbero sapere che i classici agenti gelificanti come la gelatina o l’agar non formano un gel stabile alle alte concentrazioni di alcol necessarie per uccidere virus e batteri, perché i gruppi alcolici polari interrompono i legami intermolecolari. I produttori aggirano questo ostacolo usando polimeri acrilici ad alto peso molecolare. I legami crociati covalenti aiutano a creare un gel viscoso resistente all’alcol.

Mentre la maggior parte dei disinfettanti per le mani contengono alcol etilico o isopropilico, sono anche in vendita disinfettanti per le mani senza alcool. Questi di solito contengono composti antimicrobici come il benzalconio cloruro che forniscono una protezione duratura contro i batteri. Ma i prodotti senza alcool non sono raccomandati dalle Istituzioni Sanitarie per combattere il nuovo coronavirus SARS-CoV-2, in quanto non è ancora stabilito che possano essere usati con successo contro esso.

Secondo Rachel McCloy, esperta di scienze comportamentali all’Università di Reading, UK, l’acquisto massiccio di disinfettanti, dovuto al panico, consente alle persone di avere una sensazione di controllo, ma quando le persone hanno paura, spesso non prendono decisioni razionali o proporzionate ai rischi. “È fondamentale ascoltare gli esperti di salute pubblica sulle azioni più efficaci da intraprendere in qualsiasi momento”, afferma McCloy. E l’opzione migliore è ancora lavarsi le mani.

Rachel McCloy

Acqua e sapone sono ancora l’opzione migliore per l’igiene delle mani, sottolinea Thordarson. Le molecole di sapone non solo interrompono le interazioni non covalenti che tengono insieme virus e pareti cellulari batteriche ma possono anche circoscrivere ed eliminare i batteri dalla pelle. I disinfettanti per le mani non possono rimuovere i microbi dalla pelle e non sono efficaci contro tutti i microrganismi. Ad esempio, i norovirus non hanno un rivestimento di membrana lipidica che può essere spezzato dall’alcol e le spore del Clostridium difficile hanno un rivestimento duro di cheratina che può proteggerli per anni. Inoltre, l’alcool non funziona in modo efficace su mani sporche o unte.

Infine, sostiene Thordarson: “I prodotti a base di alcol funzionano”, ma niente batte il sapone”.

Credit: Flashpop/Getty

[1] Oliver Wendell Holmes (1809-1894), statunitense, è stato medico, insegnante poeta e scrittore, vissuto a Boston.

[2] Ignaz Philipp Semmelweis (1818-1865) è stato un medico e scienziato ungherese, noto come uno dei primi pionieri delle procedure antisettiche.

[3] La GOJO Industries, Inc., è un’azienda privata di prodotti per l’igiene delle mani e la cura della pelle fondata nel 1946, in Ohio, USA.

Lavarsi le mani.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

La giornata dell’ acqua del recente 22 marzo, caduta in piena pandemia, mi ha fatto riflettere su un aspetto che non era al centro della giornata, che quest’anno era invece  dedicata ai cambiamenti climatici: mi riferisco al rapporto fra acqua ed epidemie.
Più presenza in casa, più lavaggi per  contrastare il Covid-19 avranno un effetto deleterio sulla bolletta dell’acqu, di qui l’impegno rafforzato ad evitare gli sprechi.
Secondo una stima ENEA infatti i consumi domestici di acqua sono aumentati di oltre il 50% da quando l’emergenza ha riempito le abitazioni e svuotato scuole ed uffici.
Un aumento che si traduce in un consumo aggiuntivo di 48 litri a persona .Questo studio rientra nell’ambito della Giornata Mondiale dell’Acqua del 22 marzo, prendendo in considerazione diverse variabili, come consuetudini personali e tipo di rubinetto e partendo da un consumo medio pro capite di 120 litri al giorno. E’questo un valore probabilmente superato e di molto in molte città: si pensi che in una statistica di 10 anni fa i valori medi di consumo pro capite pro giorno oscillava per le grandi e piccole città fra 300 e 600 litri.
Dinnanzi a questi valori e nella contingenza di questi tempi  deve fare riflettere e molto il fatto che la mancanza di acqua abbia riacceso in alcuni paesi malattie che sembravano estinte; sono il colera, il tifo, l’epatite A  e  le malattie tropicali trascurate come tracoma o parassitosi intestinale e la diarrea, causa ogni anno di morte di quasi 300.000 bambini sotto i 5 anni di età.
Sono i paesi sottosviluppati, soprattutto nel continente africano a pagare questo dazio, rendendo ancora più stringente la lotta che le Nazioni Unite attraverso l”obiettivo 6 dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile, sta conducendo da tempo. Si tratta di un programma rivolto alle persone ed a tutto il nostro pianeta che vuole assicurare entro 10 anni acqua e servizi igienici a chi non li ha.
E’una corsa contro il tempo, che però risulta già in grave ritardo ai tempi previsti.La popolazione mondiale cresce e  con essa ovviamente cresce la domanda di acqua,accelerandol’esaurimento delle risorse naturali ed i danni ambientali. Per rispondere a questo programma la prima azione da fare è un uso responsabile dell’acqua, da cui deriva la riduzione dell’emissione di gas serra e degli eventi meteo estremi, che viceversa rendono l’acqua una risorsa sempre piùscarsa, imprevedibile ed inquinata.
Le Nazioni Unite nelle direttive per questo uso sostenibile pongono al primo posto una sorta di economia circolare dell’acqua basata sul riciclo dell’acqua di scarto e sul riutilizzo di quella piovana e delle acque reflue, il cui primo impiego potrebbe avvenire in agricoltura, tenuto conto che l’irrigazione consuma il 70 % dell’acqua consumata.
A proposito di agricoltura un’ulteriore raccomandazione riguarda la modulazione delle colture rispetto al territorio, tenendo conto della loro maggiore o minore richiesta idrica in relazione alle disponibilità di acqua del territorio.
Un ultimo punto che possiamo ancora collegare al momento drammatico che viviamo: ci viene raccomandato di lavarci ripetutamente le mani per combattere il Covid-19: pensiamo che a più di 3 miliardi di persone (circa il 50 % del totale) sulla nostra terra questo è precluso, per mancanza di acqua e di sapone e pensiamo a quali rischi queste persone, cittadini della Terra,come noi, siano esposte!

Un inibitore della proteasi del coronavirus.

In evidenza

Rinaldo Cervellati

In questo periodo di emergenza per la pandemia provocata dal coronavirus SARS-CoV-2, che provoca la grave malattia nota come COVID-19, mentre ai cittadini viene raccomandato di restare a casa, ricercatori nei laboratori di tutto il globo stanno lavorando per trovare farmaci antivirali efficaci per combattere l’infezione.

Laura Howes, il 24 marzo scorso, su Chemical & Engineering News, ci informa che due gruppi di chimici organici farmaceutici (medicinal chemists) stanno utilizzando approcci diversi per cercare nuovi inibitori di una parte fondamentale del meccanismo di autoreplicazione del virus (L. Howes, Crystal structures of the novel coronavirus protease guide drug development, C&En news, 24/3/2020).

Matthew Todd[1], un esperto di progettazione dei farmaci (drug discovery) all’University College di Londra, non coinvolto in alcuno dei due progetti, afferma che non ci sono molti bersagli per farmaci anticoronavirus perché il virus non produce molte proteine. Ma un target per i chimici farmaceutici è stata la principale proteasi del virus nota come Mpro o 3CLpro. Questo enzima elabora una catena di poliproteine ​​codificata dall’RNA del virus, tagliando la catena in proteine ​​funzionali che il virus utilizza per assemblare se stesso e moltiplicarsi. L’inibizione di questo componente chiave del meccanismo di auto-replicazione del virus potrebbe arrestarne lo sviluppo e fermare l’infezione. Questa proteasi è essenziale per il virus, ma non ha omologhi umani, quindi i suoi inibitori hanno meno possibilità di colpire una proteasi umana, aggiunge Todd.

Mattew Todd

Per cercare di sviluppare inibitori della Mpro, due diverse collaborazioni internazionali hanno utilizzato la radiazione X di sincrotrone per ottenere strutture ad alta risoluzione della proteasi con potenziali inibitori legati. Mentre gli approcci adottati dai due gruppi sono diversi, i ricercatori desiderano sottolineare che essi sono complementari e che i composti prototipo che stanno sviluppando sono ancora lontani dall’essere utilizzati su pazienti affetti da COVID-19.

All’università di Lübeck (Nord Germania), Rolf Hilgenfeld studia i coronavirus da anni. Durante l’epidemia di sindrome respiratoria del Medio Oriente nel 2013, causata da un coronavirus chiamato MERS-CoV, il gruppo di Hilgenfeld ha iniziato a lavorare sugli inibitori della proteasi, avendo così un ottimo punto di partenza nella ricerca sul nuovo SARS-CoV-2.

Rolf Hilgenfeld

All’inizio di quest’anno, un gruppo internazionale, coordinato da Hilgenfeld ha usato la radiazione X di sincrotrone ad alta intensità per ottenere una struttura cristallina ad alta risoluzione della Mpro del nuovo virus e ha usato tali informazioni per ottimizzare un inibitore α-chetoamidico sviluppato per combattere altri coronavirus [1]. La sintesi dei nuovi inibitori è stata ritardata dalla quarantena in Cina, a seguito dell’epidemia, ma recenti test di laboratorio hanno dimostrato che uno di questi composti ottimizzati può legarsi e inibire la proteasi (figura 1).

Figura 1. In alto: la molecola dell’inibitore; in basso: struttura del dimero della proteasi principale di SARS-CoV-2 legato a un inibitore (in giallo) Credit© H. Tabermann /HZB

Test su topi sani suggeriscono anche che la molecola potrebbe essere somministrata per inalazione, infatti essa è stata ben tollerata e i topi non hanno mostrato alcun effetto avverso, indicando che in questo modo sarebbe possibile l’invio diretto del composto ai polmoni. Il gruppo di Hilgenfeld conclude che da questi risultati farmacocinetici favorevoli, la ricerca fornisce un quadro utile per lo sviluppo degli inibitori contenenti piridone per farmaci anti-coronavirali.

Hilgenfeld spera che questo composto prototipo venga sviluppato da un consorzio istituito dall’Unione Europea per combattere COVID-19.

Nel frattempo, un altro consorzio di scienziati sta cercando di accelerare il processo di sviluppo di un inibitore della proteasi virale con una grande iniziativa di sviluppo collettivo (crowdsourcing). All’inizio di marzo, i cristallografi della Diamond Light Source[2] hanno anche risolto la struttura ad alta risoluzione della proteasi principale del SARS-CoV-2. Hanno quindi completato un grande fragment screen, trattando i cristalli proteici con piccole molecole che rappresentano frammenti di possibili farmaci per vedere quali di essi si legano all’enzima.

Sulla base di questi dati, il gruppo ha avviato l’iniziativa di crowdsourcing per combinare l’esperienza di più laboratori e ricercatori in tutto il mondo al fine di elaborare il maggior numero possibile di strutture di inibitori della proteasi. I chimici sono invitati a progettare nuovi composti, o presentare quelli esistenti, che potrebbero legarsi alla proteasi, su un sito web creato da una start-up di chimica medicinale che utilizza una tecnica di apprendimento automatico[3] chiamata PostEra. Le strutture inviate avranno la priorità in base a fattori come la facilità di sintesi e la possibile tossicità prima che un’azienda farmaceutica di sintesi produca le molecole. I ricercatori quindi selezionano le molecole in base alla loro capacità di legarsi alla proteasi del virus.

“L’obiettivo del progetto è trovare un antivirale che possa raggiungere la fase clinica il più presto possibile”, spiega Alpha Lee, co-fondatore di PostEra, che fa parte del gruppo che coordina l’iniziativa.

Alpha Lee

La strategia, dice, è quella di trovare diversi candidati e utilizzare i loro algoritmi di apprendimento automatico per suggerire opportuni cambiamenti alle molecole accelerando così lo sviluppo di farmaci.

Todd descrive i due approcci come “entrambi progetti interessanti”. Ma avverte che trovare candidati promettenti è solo una fase del processo. Il collo di bottiglia sta spesso nell’individuare quei candidati trasformabili in farmaci utilizzabili e, dice, “è difficile trovare le condizioni giuste”.

“È sempre fondamentale sviluppare diverse cose contemporaneamente”, aggiunge Nir London, il cui laboratorio è coinvolto nello screening di frammenti di crowdsourcing. “Penso che entrambi gli approcci siano richiesti e necessari e che possiamo imparare gli uni dagli altri.”

“Penso che questa possa essere una sveglia per ricordare al mondo che le malattie infettive sono state a lungo trascurate e SARS-CoV-2 ci avvisa che occorre assolutamente invertire questa tendenza”, afferma Lee. Hilgenfeld è d’accordo. Lo sviluppo di farmaci antivirali dovrebbe essere disaccoppiato dalle epidemie ricorrenti, afferma, in modo da poter garantire lo sviluppo sostenibile dei farmaci antivirali.

Opere consultate

Struktur der Hauptprotease aufgeklärt

https://www.uni-luebeck.de/aktuelles/nachricht/artikel/coronavirus.html

Bibliografia

[1] L. Zhang et al., Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improved α-ketoamide inhibitors., Science 10.1126/science.abb3405 (2020).

 

[1] Matthew Houghton Todd (1973-) è un chimico britannico, professore ordinario di Drug Discovery nella School of Pharmacy dell’University College di Londra. È il fondatore di Open Source Malaria (OSM) e la sua ricerca si concentra sulla scoperta e lo sviluppo di farmaci per questa malattia. Recentemente ha esteso le sue ricerche a altre malattie infettive.

[2] La Diamond Light Source o Diamond è la struttura nazionale britannica per la radiazione di sincrotrone, utilizzata per la ricerca scientifica in varie discipline

[3] La tecnica dell’apprendimento automatico (machine learning, ML), è una branca dell’intelligenza artificiale che si occupa della messa a punto di algoritmi e modelli statistici che i sistemi informatici elaborano per eseguire un compito specifico senza utilizzare istruzioni esplicite, basandosi invece su schemi e inferenze.

La svolta del 1872: Kekulè teorizza la “delocalizzazione”

In evidenza

Roberto Poeti

Kekulè nel 1865 pubblicò il suo articolo fondamentale “Sulla costituzione delle sostanze aromatiche”, nel quale sono contenute per la prima volta i principi su cui si fonda la struttura del nucleo del benzene. La teoria guadagnò prima lentamente poi in un crescendo rapido l’attenzione e il consenso di molta parte della comunità dei chimici. Vennero sintetizzate centinaia di derivati del benzene e studiate in generale le sostanze aromatiche. Accanto alle adesioni nacquero anche le critiche che si risolsero nella produzione di una serie di strutture del benzene alternative a quella concepita da Kekulè. I postulati su cui si fondava la teoria erano i seguenti (da ”Sulla costituzione del benzene” nella rivista Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 1869)

1) Tutte le sostanze aromatiche hanno in comune un nucleo che è costituito da sei atomi di carbonio.

2) Questi sei atomi di carbonio sono legati tra loro in modo che ancora rimangono sei legami da completare.

3) I carboni possono stabilire relazioni con questi legami con altri elementi, che a loro volta possono introdurne altri nel composto, così vengono create le sostanze aromatiche.

4) I numerosi casi di isomeria tra i derivati del benzene si spiegano con la diversa posizione relativa degli atomi che si legano al nucleo dei carboni.

5) Si può pensare al tipo di legame tra i sei atomi di carbonio nel nucleo esavalente del benzene, cioè la struttura di questo nucleo, supponendo che i sei atomi di carbonio siano combinati alternativamente con uno e due legami per formare una catena chiusa a forma di anello.

Il punto su cui si focalizzarono maggiormente le critiche era il quinto. L’alternanza del legame semplice e doppio tra gli atomi di carbonio presupponeva un numero di isomeri diverso rispetto a quelli trovati sperimentalmente. Le formule proposte in alternativa si ponevano l’obbiettivo di eliminare i doppi legami, conservando in generale la geometria esagonale.

Sia nel primo articolo, sia nei successivi lavori di Kekulè, pubblicati in diverse riviste scientifiche, che avevano come oggetto il benzene e le sostanze aromatiche, non compare mai in modo esplicito un esagono regolare con i carboni ai vertici e la struttura cicloesatrienica fino all’anno 1869, ben quattro anni dopo la pubblicazione della sua teoria. In quell’anno Kekulè rompe il lungo silenzio con un breve articolo” Sulla costituzione del benzene” nella rivista Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft dove riassume lo stato dell’arte sulla costituzione del nucleo benzenico. Ritiene che il quinto punto della sua teoria sia quello più problematico:

«I primi quattro punti sono stati a lungo accettati da quasi tutti i chimici; al momento della loro formulazione, hanno seguito direttamente i fatti noti all’epoca e trovarono ulteriore sostegno in tutte le osservazioni fatte da allora. Il quinto punto è più ipotetico degli altri; sembra difficilmente in grado di essere confermato dall’esperimento; è stato oggetto di discussione per molto tempo. Non ho alcun bisogno di assicurare che io stesso non ho mai considerato l’ipotesi dimostrata, e che sono molto consapevole che in un gruppo esavalente composto da sei atomi di carbonio, gli atomi possono essere legati anche in altri modi»

Nel presentare e commentare brevemente le strutture che ritiene più probabili, ammette che:

«Innanzi tutto, confesso che anch’io sono stato particolarmente attratto per molto tempo dalla struttura numero 3 e che in seguito, anche se da un altro punto di vista rispetto a Ladenburg, ho trovato molte cose interessante nella numero 5. Ma devo spiegare che, per il momento, la struttura 1 mi sembra ancora la più probabile»

Alla luce di quanto afferma sui dubbi che ha nutrito sul suo nucleo esagonale a legami semplici e doppi alternati, si comprende come la struttura cicloesatrienica non sia mai comparsa nei suoi lavori precedenti, un fatto che apparirebbe altrimenti inspiegabile. Questa immagine che è divenuta un’icona della chimica appare invece, nello stesso periodo che consideriamo, 1865-1869, negli articoli dei suoi assistenti, collaboratori o sostenitori della sua teoria. Il tratto saliente con cui Kekulè si esprime nell’articolo del 1869 è un atteggiamento prudente, quasi modesto.

Kekulè presentò un altro articolo nel 1872 “Considerazioni teoriche e note storiche sulla costituzione del benzene” in Annalen der Chemie und Pharmacie nel quale metteva nuovamente a confronto ma in modo circostanziato il suo modello di benzene con quelli presentati da altri chimici e alla fine, dopo aver introdotto una sorta di “delocalizzazione” del doppio legame, scioglieva ogni riserva e affermava la preminenza della sua proposta di struttura.

L’articolo del 1872 è per chiarezza espositiva, sintesi e larghezza di vedute un saggio scientifico molto bello. La prudenza e la modestia dell’articolo del 1869 sono sostituite da un pacato ma fermo convincimento. Kekulè confuta in modo argomentativo e incalzante le proposte alternative. Non espongo qui le ragioni che porta a sostegno della sua struttura, accompagnate da puntuali critiche alle strutture alternative, perché si può leggere il suo articolo completo che ho tradotto dal tedesco al seguente indirizzo:

https://www.robertopoetichimica.it/11324/

La novità assoluta contenuta nell’articolo è l’introduzione di un concetto del tutto nuovo che sintetizzo così: “delocalizzazione del legame chimico”. Il tentativo di Kekulè è superare il problema della presenza di legami semplici e alternati nella struttura cicloesatrienica del benzene. Leonello Paoloni e Roald Hoffmann (premio Nobel nel 1981) spendono poche righe sul tentativo che fa Kekulè. Qualche commento in più gli dedica Colin Archibald Russell in History of Valency. Nel suo Corso di Storia delle Scienze Sperimentali del 2011-2012 il prof. Luigi Cerruti dà invece rilievo al tentativo di Kekulè:

«La formula proposta con i doppi legami ‘fissi’ poneva dei problemi, in particolare lasciava prevedere una diversa reattività per i composti orto, a seconda che fra i due atomi con l’idrogeno sostituito ci fosse un legame singolo o un legame doppio. Kekulé risolse in modo magistrale il problema [N.d.A. la sottolineatura è mia], proponendo un modello dinamico per la molecola del benzene, in cui gli atomi di carbonio formano un doppio legame in una certa unità di tempo quando hanno una maggiore frequenza d’urto, per poi subito dopo, nella successiva unità di tempo, formare un legame semplice quando la frequenza d’urto diminuisce…»

Anche a me sembra che il tentativo di Kekulè meriti più attenzione. Vediamo, tradotto dal tedesco, la parte del suo articolo che è centrale nella sua ipotesi:

«Nei sistemi che chiamiamo Molecola, gli atomi devono essere considerati in costante movimento. Questa visione è stata espressa molte volte da fisici e chimici ed è già stata discussa ripetutamente nella prima parte del mio trattato. Per quanto ne so, nessuno ha ancora commentato la forma dei movimenti atomici intramolecolari. In ogni caso, la chimica dovrà ora esigere che tale ipotesi meccanica tenga conto della legge del concatenamento degli atomi che essa ha riconosciuto. Pertanto non è permesso un movimento planetario degli atomi; in ogni caso, il movimento deve essere tale che tutti gli atomi del sistema rimangano nella stessa disposizione relativa, cioè ritornino sempre in una posizione di equilibrio centrale. Se tra le numerose ipotesi che potremmo formulare, si seleziona quella che tiene più conto dei requisiti chimici e segue più da vicino l’idea che la fisica di oggi si è formata sul tipo di movimento della molecola, allora il seguente presupposto può essere considerato il più probabile. I singoli atomi del sistema rimbalzano uno sull’altro in un movimento sostanzialmente rettilineo per allontanarsi l’uno dall’altro come un corpo elastico. Ciò che è noto in chimica per valenza (o atomicità) sta ora acquisendo un significato più meccanico: la valenza è il numero relativo di urti che un atomo subisce nell’unità di tempo da parte di altri atomi. Nello stesso tempo in cui gli atomi monovalenti di una molecola biatomica si scontrano una volta, alla stessa temperatura, gli atomi bivalenti di una molecola biatomica allo stesso modo si scontrano due volte. Nelle stesse condizioni, nell’unità di tempo, per una molecola composta da due atomi monovalenti e un atomo bivalente, il numero di collisioni per l’atomo bivalente è 2, per ciascuno degli atomi monovalenti è 1. Due atomi di carbonio tetravalenti si urtano quando sono legati da un unico legame in un certo intervallo di tempo, nel momento in cui tre idrogeni monovalenti si muovono   nella loro traiettoria verso ciascun carbonio nello stesso intervallo di tempo. Gli atomi di carbonio che sono legati da un doppio legame si urtano due volte nello stesso intervallo di tempo, mentre sono urtati due volte dagli altri atomi, sempre nello stesso intervallo di tempo. Se uno applica questa visione al benzene, la formula del benzene che propongo appare come espressione della seguente idea: ogni atomo di carbonio si scontra tre volte nell’unità di tempo con altri carboni, vale a dire con altri due atomi di carbonio contemporaneamente, una volta con uno e due volte con l’altro. Nello stesso tempo urta anche l’idrogeno, che copre il suo percorso una volta nello stesso tempo. Se ora si rappresenta il benzene usando la nota formula esagonale e prendiamo in considerazione uno qualsiasi dei sei atomi di carbonio, ad esempio quello etichettato 1:

gli urti che sperimenta nella prima unità di tempo possono essere espressi da:

  • 2,6, h,2,

dove h significa idrogeno.

Nella seconda unità di tempo, lo stesso atomo di carbonio, che viene da 2, si muove verso il carbonio 6. I suoi urti nella seconda unità di tempo sono:

  • 2,6, h,6,

Mentre gli urti della prima unità di tempo sono espressi dalla formula precedente, gli urti della seconda unità di tempo sono espressi dalla formula seguente:

 

Lo stesso atomo di carbonio è quindi nella prima unità di tempo legato con doppio legame con uno dei due atomi di carbonio adiacenti, mentre nella seconda unità di tempo il legame è doppio con l’altro atomo di carbonio. La media più semplice di tutte le collisioni di un atomo di carbonio è la somma delle collisioni delle prime due unità temporali, che poi si ripetono periodicamente:

                                                               2, 6, h, 2, 6, 2, h, 6,

e quindi si vede che ogni atomo di carbonio urta con gli altri due atomi di carbonio adiacenti lo stesso numero di volte, vale a dire che ha la stessa relazione con i carboni adiacenti. La solita formula del benzene esprime naturalmente solo le collisioni che si verificano in una unità di tempo, vale a dire una fase, e quindi si è portati a pensare che i derivati del benzene 1,2 e 1,6 debbano necessariamente essere diversi. Se l’idea appena espressa è considerata corretta, ne consegue che questa differenza è solo apparente, ma non reale. Per quanto verosimile possa sembrare la formula del benzene, da me inizialmente proposta, dopo tutte queste considerazioni, non si può ignorare che una soluzione finale alla questione della costituzione interna del benzene difficilmente può essere ottenuta se non per via sperimentale. Ad un esame superficiale potrebbe sembrare che una questione del genere non sia affatto accessibile all’esperimento. Uno sguardo più attento mostra, tuttavia, che la soluzione non è impossibile».

In genere nei libri di testo viene sottovalutata o presentata in modo non corretto la sua proposta. Si afferma che egli immagina il benzene come due strutture distinte ma in equilibrio chimico che si convertono rapidamente in una forma e nell’altra. L’idea di un equilibrio chimico attribuita a Kekulè appare impropria, fuori contesto storico. Il benzene di Kekulè è una sola molecola, nella quale la valenza, intesa come legame tra due atomi, si modifica nel tempo, oscillando tra valenza semplice e doppia. Poiché la valenza è intesa come frequenza di collisioni tra due atomi, ciò che si ridistribuisce sono le collisioni tra coppie di atomi adiacenti. La soluzione che propone Kekulè fa venire alla mente il modello proposto dalla teoria della risonanza. La sua proposta si fonda su basi scientifiche non corrette, ma è geniale la sua soluzione se pensiamo che ciò di cui dispone Kekulè è il solo concetto di atomo, ancora malfermo nella comunità scientifica, e di una visione della struttura molecolare, ancora dibattuta nella stessa comunità. Egli utilizza in modo coraggioso e originale il modello cinetico mutuato dai fisici e lo adatta alle condizioni della chimica. Se gli elettroni sono al di là da venire, tuttavia tenta una interpretazione del legame chimico e del significato di valenza. Il risultato è un legame non localizzato.

Nella tabella ho elencato le corrispondenti caratteristiche tra il modello di legame di Kekulè e come viene interpretato oggi.Kekulè precorre il suo tempo, mettendo in discussione una concezione del rapporto reciproco tra atomi che è testimoniata dalla posizione critica espressa da Ladenburg nel suo articolo “Sulla costituzione del benzene“ nello stesso anno, 1872, in Berichte der Deutchen Chemischen Gesellschaft zu Berlin:«È un modo essenzialmente nuovo di vedere le cose che Kekulé introduce. Kekulé consente di applicare due formule allo stesso composto, anche se solo in un caso speciale in cui vi è una grande somiglianza tra le due formule… Ma poi la questione della costituzione di un corpo assume un aspetto completamente nuovo: la visione della stabilità del rapporto reciproco degli atomi, un dogma a nostro avviso, viene abbandonata».Bibliografia

  • A.Kekulè Bulletin de la Société Chimique de Paris, 1865, vol.3, 98
  • A.Kekulè Bulletin de l’Accademie Royale des Sciences, Ser.2: t.19, 1865, 551
  • A.Kekulè Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft,1869, Volume 2, 362
  • A.Kekulè Annalen der Chemie und Pharmacie,1866, Vol. CXXXVII, 129
  • A.Kekulè ZEITSCHRIFT FÜR CHEMIE,1867, Vol.10,214
  • A.Kekulè Lehrbuch der Organischen Chemie, Vol.2, 493
  • A.Kekulè Chemie der Benzolderivate oder der aromatischen Substanzen,1967, Volume 1, 180, 252
  • Leonello Paoloni “Stereochemical Models of Benzene, 1869-1875”, Bulletin for the History of Chemistry, number 12, 1992
  • Leonello Paoloni “I contesti della scoperta della struttura molecolare. Un caso esemplare: la rappresentazione del benzene 1865-1932”. La Chimica nella Scuola, 2007
  • Roald Hoffmann, “Le molte forme di aromaticità “, American Scientist, 2015

11.Luigi Cerruti, Corso di storia delle scienza sperimentali, Università di Torino, 2011-2012

  • Colin Archibald Russell, “The History of Valence”, Humanities Press, 1971

Elementi della Tavola periodica. Selenio, Se. seconda parte

In evidenza

Rinaldo Cervellati

la prima parte di questo post è publicata qui

Ruolo ed evoluzione in biologia

Sebbene sia tossico a dosi elevate, il selenio è un micronutriente essenziale per gli animali, uomo compreso. Nelle piante, si presenta come un minerale estraneo, a volte in proporzioni tossiche nel foraggio in quanto alcune piante possono accumularlo proprio come difesa contro il consumo da parte di animali; altre piante, come le fabacee, richiedono selenio per la loro crescita il che indica la presenza di selenio nel suolo (Fig. 5).

  Figura 5. Accumulo di selenio in una pianta

Il selenio è un componente degli aminoacidi selenocisteina e selenometionina. Nell’uomo, il selenio è un oligoelemento nutriente che funziona come cofattore per la riduzione degli enzimi antiossidanti, come la glutatione perossidasi, e alcune forme di tioredossina reduttasi, presenti anche negli animali e in alcune piante.

La famiglia delle glutatione perossidasi (GSH-Px) catalizza alcune reazioni che rimuovono le specie reattive dell’ossigeno come il perossido di idrogeno e gli idroperossidi organici.

La ghiandola tiroidea e ogni cellula che utilizza l’ormone tiroideo usano il selenio, che è un cofattore per i tre dei quattro tipi noti di deiodinasi, che attivano e disattivano vari ormoni tiroidei e i loro metaboliti.

Il selenio può inibire la malattia di Hashimoto, in cui le cellule tiroidee del corpo vengono attaccate come se fossero estranee.

L’aumento del selenio nella dieta riduce gli effetti della tossicità del mercurio, sebbene sia efficace solo a dosi basse o modeste di mercurio. Prove scientifiche suggeriscono che i meccanismi molecolari della tossicità del mercurio includono l’inibizione irreversibile dei selenoenzimi necessari per prevenire e invertire il danno ossidativo nel cervello e nei tessuti endocrini.

Evoluzione biologica

Il selenio è contenuto in diverse famiglie di selenoproteine ​​procariotiche nei batteri, e negli eucarioti come selenocisteina, dove proteggono le cellule batteriche ed eucariotiche dai danni ossidativi. Le famiglie di selenoproteine ​​di GSH-Px e le deiodinasi delle cellule eucariotiche sembrano avere un’origine filogenetica batterica. La forma contenente selenocisteina si presenta in specie diverse come alghe verdi, diatomee, ricci di mare, pesce e polli. Un altro enzima, tioredossina reduttasi, contenente selenio, presente in alcune piante e negli animali, genera tioredossina ridotta, un ditiolo che funge da fonte di elettroni per le perossidasi e anche l’importante riduzione dell’enzima ribonucleotide reduttasi, precursori del RNA e del DNA.

Gli elementi in traccia coinvolti nelle attività degli enzimi GSH-Px e superossido dismutasi, ovvero selenio, vanadio, magnesio, rame e zinco, potrebbero essere carenti in alcune aree terrestri. Gli organismi marini mantenevano e talvolta espandevano i loro selenoproteomi, mentre quelli di alcuni organismi terrestri erano mancanti o sensibilmente ridotti. Questi risultati suggeriscono che, ad eccezione dei vertebrati, la vita acquatica favorisce l’uso del selenio, mentre gli habitat terrestri portano a un uso ridotto di questo oligoelemento. I pesci marini e le ghiandole tiroidee dei vertebrati hanno la più alta concentrazione di selenio e iodio. Da circa 500 milioni di anni fa, le piante d’acqua dolce e terrestre hanno lentamente ottimizzato la produzione di “nuovi” antiossidanti endogeni come l’acido ascorbico (vitamina C), i polifenoli (inclusi i flavonoidi), i tocoferoli, ecc.

Gli isoenzimi della deiodinasi costituiscono un’altra famiglia di selenoproteine ​​eucariotiche con funzione enzimatica identificata. Le deiodinasi sono in grado di estrarre elettroni dagli ioduri e gli ioduri dalle iodotironine. Sono pertanto coinvolti nella regolazione dell’ormone tiroideo, partecipando alla protezione dei tirociti dai danni causati dall’H2O2 prodotto dalla biosintesi dell’ormone tiroideo.

Alcune specie di piante sono considerate indicatori di alto contenuto di selenio nel terreno perché per prosperare ne richiedono alti livelli. Le principali piante indicatrici di selenio sono le specie di Astragalus (incluse le fabacee).

Fonti nutrizionali di selenio

Il selenio nella dieta proviene principalmente da carne, pesci, noci, cereali, funghi, frutta e vegetali (Fig. 6).

Figura 6. Alimenti contenenti selenio

L’apporto dietetico raccomandato negli Stati Uniti per adolescenti e adulti è di 55 µg/giorno. Il selenio come integratore alimentare è disponibile in molte forme, inclusi integratori multivitaminici minerali, che in genere contengono 55 o 70 µg/porzione. Gli integratori specifici al selenio contengono in genere 100 o 200 µg/porzione (Fig. 7).

Figura 7. Capsule e compresse di integratori al selenio

Si ritiene che il contenuto di selenio nel corpo umano sia compreso tra 13 e 20 milligrammi.

Tossicologia

Sebbene il selenio sia un oligoelemento essenziale, diviene ovviamente tossico se assunto in eccesso. Il superamento del livello di assunzione di 400 microgrammi al giorno può portare alla selenosi. Questo livello si basa principalmente su uno studio del 1986 su cinque pazienti cinesi che hanno mostrato segni evidenti di selenosi e un successivo controllo medico sulle stesse cinque persone nel 1992.

Segni e sintomi di selenosi includono odore di aglio nell’alito, disturbi gastrointestinali, perdita di capelli, distensione delle unghie, affaticamento, irritabilità e danni neurologici. In casi estremi di selenosi si possono riscontrare cirrosi epatica, edema polmonare o morte.

Il selenio elementare e la maggior parte dei seleniuri metallici hanno tossicità relativamente basse a causa della bassa biodisponibilità. Al contrario, selenati e seleniti hanno un modo d’azione ossidante simile a quello del triossido di arsenico e sono molto tossici. La dose tossica cronica di selenito per l’uomo è di circa 2400-3000 microgrammi di selenio al giorno. Il seleniuro di idrogeno è un gas estremamente tossico e corrosivo. Anche i composti organici, come dimetilselenuro, selenometionina, selenocisteina e metilselenocisteina, tutti con elevata biodisponibilità, sono tossici a dosi elevate.

L’avvelenamento da selenio dei sistemi idrici può verificarsi ogni volta che nuovi deflussi agricoli attraversano terreni normalmente asciutti e non coltivati. L’inquinamento da selenio delle vie navigabili si verifica anche quando il selenio viene lisciviato dalle ceneri del carbone, dalle miniere e dalla fusione dei metalli, dalla lavorazione del petrolio greggio e dalle discariche. Si è scoperto che i conseguenti alti livelli di selenio nei corsi d’acqua causano disturbi congeniti nelle specie ovipare, inclusi uccelli acquatici e pesci.

Nei pesci e altri animali selvatici, il selenio è necessario per la vita, ma tossico a dosi elevate. Per il salmone, la concentrazione ottimale di selenio è di circa 1 microgrammo di selenio per grammo di peso corporeo intero. Molto al di sotto di quel livello, i giovani salmoni muoiono per carenza; molto più in alto, muoiono per eccesso.

L’amministrazione per la sicurezza e la salute sul lavoro USA ha fissato il limite di esposizione consentito per il selenio sul posto di lavoro a 0,2 mg/m3 in un giorno lavorativo di 8 ore. A livelli di 1 mg/m3, il selenio è immediatamente pericoloso per salute e la vita.

La carenza di selenio può verificarsi in pazienti con funzionalità intestinale gravemente compromessa, in quelli sottoposti a nutrizione parenterale totale e in quelli di età avanzata (oltre 90 anni). La carenza di selenio, definita da bassi (<60% del normale) livelli di attività del selenoenzima nei tessuti cerebrali e endocrini, si verifica solo quando un basso livello di selenio è collegato a uno stress aggiuntivo, come elevata esposizione al mercurio o aumento dello stress ossidativo da carenza di vitamina E.

Riciclaggio

Il selenio utilizzato in metallurgia e nell’industria del vetro viene usualmente recuperato da ditte specializzate come Umicore e Vital Materials.

Nel 2014 un gruppo di ricercatori svedesi ha messo a punto un metodo per recuperare il selenio dal diseleniuro di rame, indio e gallio (CIGS) dalle celle fotovoltaiche esauste dei pannelli solari [1].

Il processo consiste anzitutto nell’ossidazione del materiale a elevata temperatura. Durante questa fase si forma diossido di selenio gassoso che viene separato dagli altri elementi, che rimangono allo stato solido. Per raffreddamento, il diossido di selenio sublima e viene raccolto sotto forma di cristalli. È stato osservato che dopo un’ora a 800 ° C tutto il selenio si separa dal materiale CIGS. Sono quindi stati testati due diversi metodi per la riduzione del diossido di selenio a selenio metallico. Nel primo metodo è stato utilizzato un composto organico come agente riducente in una reazione di Riley[1]. Nel secondo metodo è stata utilizzata anidride solforosa (biossido di zolfo). Entrambi i metodi hanno prodotto selenio di elevata purezza. Gli autori affermano che il procedimento di separazione del selenio messo a punto può diventare un sistema di riciclaggio per la completa separazione e recupero degli elementi da CIGS a elevata purezza.

Per il recupero del selenio dalle acque reflue è possibile usare prodotti chimici che trasformano il selenio disciolto in selenio solido, ma uno svantaggio è che il metodo non è selettivo: le sostanze presenti nel precipitato delle acque reflue si trasformano in una miscela di molti composti diversi. S.P.W. Hageman e collaboratori, della Wageningen University & Research, hanno proposto un metodo più sottile e selettivo che consiste nell’utilizzare i microrganismi [2]. Le acque reflue contengono selenio disciolto in due principali forme ossidate: selenato e selenito. I microrganismi possono convertire la prima forma direttamente, seppur lentamente, in selenio che precipita sotto forma di particelle di dimensioni nanometriche amorfe. A causa delle loro dimensioni, queste particelle sono piuttosto difficili da recuperare, ma Hageman e coll. hanno scoperto che le condizioni di reazione, come temperatura e pH, influenzavano la dimensione delle particelle di selenio precipitate. Aumentando la temperatura a 50 °C e mantenendo un pH elevato, intorno a 8 o 9, si formano cristalli di selenio relativamente grandi. Queste particelle di selenio più grandi e cristalline possono essere recuperate più facilmente e rendono economicamente fattibile la separazione.

Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno trovato un processo ancora migliore per il recupero del selenio. Il selenato è molto stabile e non facile da trasformare. L’altra forma, selenito, è altamente reattiva e può essere più facilmente convertita in selenio. Gli scienziati sono riusciti a scoprire le condizioni specifiche del reattore in cui quasi tutto il selenato viene trasformato in selenito: ciò si è verificato a una temperatura di 30 ° C e pH neutro. I microrganismi presenti nei fanghi convertono successivamente il selenito in solfuro e selenio solido. Il selenio così recuperato ha una struttura cristallina, con particelle visibili e relativamente grandi, dell’ordine dei micrometri.

Secondo Hageman, questa via indiretta attraverso il selenito per recuperare il selenio, è più promettente della conversione microbiologica diretta dal selenato al selenio. La temperatura richiesta è più bassa, risparmiando energia, mentre il solfuro viene continuamente riciclato durante la reazione. Hageman afferma che il passo finale sarà testare il metodo in un contesto industriale[2].

Ciclo biogeochimico

Esiste una stretta relazione fra i livelli essenziali, benefici e quelli tossici di selenio per gli organismi, che variano notevolmente con la speciazione dell’elemento, così come col tipo dei viventi. Pertanto, sono cruciali per monitorare la sua speciazione in fase solida e in soluzione, i livelli di esposizione e i percorsi verso gli organismi viventi.

Diviene quindi indispensabile valutare il ciclo biogeochimico del selenio che alla fine influenza lo stato dell’elemento nell’uomo.

Sulla base della letteratura pertinente disponibile, un gruppo internazionale di ricercatori ha recentemente pubblicato una dettagliata review che traccia un collegamento plausibile tra: (1) livelli di selenio, fonti, speciazione, biodisponibilità ed effetto delle proprietà chimiche del suolo sulla biodisponibilità /speciazione del selenio nel suolo; (ii) ruolo dei diversi trasportatori di proteine ​​nel trasferimento di Se-suolo-radice-parti aeree; e (3) speciazione, metabolismo, fitotossicità e disintossicazione del Se all’interno delle piante [3].

In figura 8 è riportato lo schema di ciclo biogeochimico, tratta dal rif. [3]

Figura 8. Ciclo biogeochimico del selenio [3]

La review delinea anche l’accumulo di selenio in parti di piante commestibili da terreni contenenti livelli diversi dell’elemento e delucida disturbi o rischi associati alla salute dovuti al consumo di alimenti carenti o ricchi in Se.

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-28

https://en.wikipedia.org/wiki/Selenium

Bibliografia

[1] Anna M.K. Gustafsson et al., Recycling of high purity selenium from CIGS solar cell waste materials.,Waste Management, 2014, 34, 1775-1782.

[2] S.P.W. Hageman et al., Efficient selenium recovery from waste streams, https://www.wur.nl/en/newsarticle/Efficient-selenium-recovery-from-waste-streams-.htm

[3] N. Natasha et al., A critical review of selenium biogeochemical behavior in soil-plant system with an inference to human health., Environmental Pollution, 2018, 234, 915-934.

[1] La reazione di Riley consiste nell’ossidazione di un gruppo metilico o metilenico attivato da un doppio legame adiacente, carbonile, aromatico, ecc. usando biossido di selenio come ossidante, riducendosi infine a metallo.

[2] Continuo a pensare che usare microorganismi potrebbe alla lunga rivelarsi pericoloso (NdR)

Spillover, antropocene e mascherine.

In evidenza

Claudio Della Volpe

La grande paura del contagio rende tutti noi poco capaci di riflettere sui tempi lunghi e sulle cause lontane dei fenomeni che stiamo vivendo.

E invece dobbiamo sforzarci di riflettere proprio su questo; non si tratta di un “cigno nero” un fenomeno non prevedibile e misterioso. Al contrario!
Questa pandemia era stata prevista ampiamente; ho letto in questi giorni un libro scritto da un grande giornalista scientifico, David Quammen: Spillover, (grazie a Oca Sapiens del suggerimento) che scriveva nel 2012 proprio che un coronavirus era uno dei più probabili candidati al “Big One” un salto di specie in grado di infettare l’intera umanità con una infezione potenzialmente dannosa.

L’avevo citato in un post precedente , ma non l’avevo ancora letto tutto; l’ho fatto e vi dico che vale la pena che tutti noi lo leggiamo; è la storia dei numerosi spillover, ossia salti di specie, che hanno caratterizzato buona parte dell’Antropocene, del periodo che non sappiamo bene quando inizia ma che ci vede protagonisti.

Qui sotto vedete quel che ragionevolmente è accaduto per la SARS-COV-2.covid1

I virus, in particolare quelli a RNA, ma non solo, sono una entità che abbiamo scoperto da poco più di cento anni; infatti fu solo nel 1892 che Dmitri Iosifovich Ivanovski, un botanico russo ne ipotizzò l’esistenza (il virus del mosaico del tabacco). Ma si rintracciano fin quasi all’origine della vita.

I virus si riproducono con fantastica velocità sfruttando i meccanismi delle cellule batteriche ed animali; nel fare questo, come i batteri, sono in grado di mutare velocemente; nella maggior parte dei casi le mutazioni, ossia gli errori che sopravvivono al controllo enzimatico, non sono granchè utili, ma a volte lo sono. Si stabilisce una storia dunque di mutazioni e reciproci adattamenti fra i virus e le cellule, le cui leggi non sono banali affatto.

Noi uomini siamo un ottimo terreno di coltura virale, devono solo stare attenti a non ammazzarci troppo velocemente; se lo facessero non riuscirebbero a diffondersi bene; un esempio è la rabbia, una zoonosi che uccide il 100% degli infettati umani se non curata in tempo; malattia pericolosa ma di poco successo come pandemia. (ovvio non ci sono progetti virali è solo casualità).

covid2David Quammen, Spillover Adelphi, 11.90 o ebook 5.90

Siamo l’unico animale vertebrato che è stato in grado, sulle terre emerse, di raggiungere il numero strabiliante di quasi 8 miliardi di esemplari; la nostra biomassa è ormai (insieme a quella dei nostri animali) la più appetibile sorgente di cellule da riproduzione virale.

Il nostro outbreak, ossia la nostra esplosiva crescita che in poche decine di mila anni ci ha portati dai mille individui all’epoca dell’esplosione catastrofica di Toba ad 8 miliardi, ci ha anche reso un ottimo terreno di coltura per i virus.

Come abbiamo scritto altrove la massa nostra e dei nostri animali copre il 98% (il novantotto per cento) della massa dei vertebrati terrestri; da quando ci siamo noi Sapiens Sapiens (sapienti al quadrato, ma saggi affatto, la sapienza non è saggezza!) la biomassa terrestre complessiva si è dimezzata.

Se fossimo un insetto sarebbe una invasione, una piaga biblica, ma dato che siamo “i padroni del creato” nessuno o quasi si lamenta.

Ora attenzione non è che gli spillover non ci siano stati in passato; ce ne sono stati sicuro anche preistorici, ce ne sono stati che ci hanno lasciato ricordini che sono ancora in corso (molte importanti malattie moderne come il morbillo ci sono venute per salto di specie dagli animali e casomai alcune si sono adattate a noi, senza conservare alcun serbatoio di riserva, il vaiolo che abbiamo appena eliminato proprio e solo per questo); ogni tanto qualche virus o batterio fa il salto e se gli offriamo le condizioni opportune il salto riesce e diventa epidemia o pandemia.

Negli ultimi 100 anni per esempio il salto è avvenuto per il virus dell’immunodeficienza degli scimpanze (SID) che si è trasformato in uno dei virus dell’AIDS, l’HIV-1, questo salto è avvenuto nel 1908, ma solo grazie ai mutamenti del nostro modo di vivere si è poi trasformato in una pandemia globale ed inarrestabile, risalendo da una sconosciuta valle africana verso Leopoldville e poi aiutata dalle pratiche scorrette delle prime vaccinazioni (che venivano fatte senza sterilizzare gli aghi) fino ad esplodere in Centro Africa e di lì al resto del mondo.

Quammen elenca tutti gli ultimi casi importanti in un crescendo formidabile; e nell’elenco non ci sono solo paesi lontani come il centro Africa e le residue foreste dell’Asia, ma anche i moderni capannoni per l’allevamento delle capre in Olanda (Brabante) (il caso della C. Burnetii, la febbre Q, 2007, un particolare batterio) o gli allevamenti di cavalli in Australia (virus Hendra, dai pipistrelli ai cavalli e agli uomini).

Noi uomini invadiamo senza sosta ogni lembo di Natura incontaminata, per esempio entriamo a centinaia nelle caverne occupate dai grandi pipistrelli  africani, sapete il turismo è una “necessità” e la conseguenza di un contatto con feci contaminate sono febbri incurabili; oppure raccogliamo senza alcun tipo di controllo igienico la linfa delle palme di cui sono ghiotti sempre alcuni giganteschi pipistrelli o altri animali, o ancora alleviamo in uno strato di deiezioni le caprette anche nei paesi più “moderni” e la conseguenza è un infezione batterica che dalla placenta secca delle caprette si trasmette per via aerea in zone tecnologicamente avanzate d’Europa.

Oh! perché i pipistrelli?  i pipistrelli sono mammiferi come noi, chirotteri antichi che volano anche per decine di chilometri, ricercati come cibo se abbastanza grandi; sono il secondo più numeroso gruppo di specie nell’ambito dei mammiferi dopo i roditori; dunque non è che ci sia alcuna maledizione se sono un comune e ottimo serbatoio di lancio per i virus verso altri mammiferi.

Ora non sempre la situazione è così drammatica come il SARS-COV-2, ma che i virus ad RNA (singolo filamento, dotati della maggiore velocità di mutazione) fossero i candidati perfetti ad uno spillover tragico era nelle cose; dopo tutto questa è la terza ondata di SARS, mica la prima.

Concludendo il libro merita e apre la mente.

SARS-CoV-2  è il settimo coronavirus capace di infettare esseri umani; SARS-CoV, MERS- CoV and SARS-CoV-2 possono causare malattie severe, mentre HKU1, NL63, OC43 and 229E sono associate con sintomi lievi.

Ma la storia del coronavirus ha altri addentellati interessanti.

Le scelte iperefficienti di un modo di produrre in cui tutto è merce diventano tombe: le mascherine le fanno solo alcuni paesi, (sapete è il just in time) dunque adesso ci servono ma non le abbiamo, le fanno altrove non più qua; oppure la maledetta sanità pubblica, così costosa che molti paesi ne fanno a meno proprio; è così “efficiente” la sanità privata con i suoi posti letto ridotti al minimo indispensabile per ridurre i costi di quegli scialacquatori di medici ed infermieri e dei troppi vecchiotti che si ammalano. Lei è assicurato signore? No e allora mi spiace i tamponi costano, sa e se no il PIL non cresce e il deficit pubblico cresce. E adesso siamo senza terapie di urgenza.

Non basta.

Le mascherine, i guanti, le sovrascarpe, le tute sono tutte di plastica (odiata plastica!) e per giunta usa-e-getta e per noi tutti reduci da una stagione di lotta all’usa e getta sembra questa un vendetta di Montezuma della plastica!

L’usa e getta non è sostenibile, lo abbiamo scritto e ripetuto, ma In tempi di emergenza come questi l’usa e getta è indispensabile; pensare di riciclare le mascherine disinfettandole in forno o in alcool è una pia illusione; in forno il trattamento superficiale che rende così efficace il tessuto-non tessuto del filtro si danneggia irreparabilmente, perché l’adsorbimento non è una questione meccanica ma di forze di adesione di cui abbiamo parlato di recente. Ci ho lavorato parecchio sulle superfici dei materiali e vi assicuro che se andate sopra la Tg del polimero (di solito PET o PBT) il suo trattamento superficiale va a farsi friggere.

E’ vero che alcuni filtri (ma sono i meno performanti) sono basati su un meccanismo “elettretico”, ossia su un materiale polimerico in cui sono “congelati” al momento della produzione dei blocchi dipolari che rendono la superficie del materiale una sorta di condensatore; in questo caso il materiale è fatto di PES-BaTiO3, dove il titanato di bario ha una elevatissima costante dielettrica o di stearato. Ma anche qui occorre capire che “ripulire” il filtro non è banale e probabilmente non si può fare adeguatamente anche se la carenza di mascherine stimola l’ingegno (e le fregature).

La vendetta dell’usa e getta dicevo; ma è come per altri settori; non ci sono soluzioni tecniche e basta che conservino un modo di produrre insensato.covid3

https://www.nature.com/articles/s41591-020-0820-9.pdf   

Faccio un parallelo: dobbiamo passare alle rinnovabili certo, alla mobilità elettrica, è ovvio; ma non possiamo conservare i livelli di spreco attuali; un miliardo o più di auto elettriche PRIVATE è solo poco meno devastante che un miliardo di auto fossili PRIVATE, altera altri cicli degli elementi finora quasi intatti.

Così come pensare che dato che abbiamo la tecnologia degli antibiotici o degli antivirali, possiamo non preoccuparci: non ci salvaguardano dagli spillover o dalle malattie infettive resistenti.

La tecnologia da sola non può vincere; la Scienza lo può, ma solo nel senso che essa riconosce alla Natura che siamo una sua costola, non i suoi dominatori, che non si tratta di “vincere” ma di adattarsi.

L’arma del sapone, uno dei primi prodotti di sintesi di massa rivela in queste circostanze tutto il suo enorme potenziale igienico di civiltà; sapone comune ottenuto dalle nostre nonne dal grasso di maiale e dalla lisciva delle ceneri del legno; ovvio che poi sono venuti decine di altri prodotti chimici di sintesi o meno che sono potentissimi disinfettanti: alcol etilico, ipoclorito di sodio, sali di alchilammonio, acqua ossigenata (robe che i chemofobi odiano, ma senza di essi oggi non si vive).

Senza l’apporto della Chimica la medicina è oggi ridotta all’osso: distanziamento sociale stare da soli, violare la nostra natura profonda di esseri sociali, che diventa l’unica arma disponibile in attesa di un vaccino. Si capisce allora la ricerca spasmodica di una nuova pallottola magica, un antivirale che consenta di controllare le conseguenze più drammatiche del virus.

Questa pallottola arriverà certamente nelle prossime settimane grazie al lavoro combinato (e sottolineo combinato) di chimici, fisici, biologi e medici.

Ma ricordiamo che la questione base è quella che possiamo esprimere come “one health”; la salute dell’uomo dipende dal vivere in ambienti sani, che siano in equilibrio, un uomo in reciproco adattamento con gli ambienti naturali e che dunque si minimizzino gli effetti dell’evoluzione virale, dei salti di specie, l’opposto dell’attuale continua aggressione ad ogni foresta, ogni lembo di natura, ogni selvatico, sulla terra e sul mare. L’opposto anche della continua crescita di velocità in ogni contatto, ritrovare la lentezza che è tipica dell’adattamento; i tempi umani e i tempi biologici devono ritrovarsi. Ricordiamo l’ammonimento di Enzo Tiezzi.

Mentre con lo schiudersi del nuovo millennio la scienza celebra i fasti di risultati fino a ieri semplicemente inimmaginabili, è nello stesso tempo davanti agli occhi di tutti una crisi radicale nel nostro rapporto con la natura. C’è il rischio concreto di un abbassamento della qualità della vita, di una distruzione irreversibile di fondamentali risorse naturali, di una crescita economica e tecnologica che produce disoccupazione e disadattamento»(Tempi storici e tempi biologici, Donzelli editore, 1987!!! lo trovate solo usato; guardate questa è quasi preveggenza, certo è saggezza)

La Natura non è estranea a noi che pensiamo di dominarla, noi siamo parte della Natura stessa e dobbiamo comprenderla e salvaguardarla NON assoggettarla a meccanismi economici insensati: crescere SEMPRE, la crescita infinita di popolazione e ricchezze è IMPOSSIBILE in un mondo finito, la nostra piccola astronave Terra, come l’hanno chiamata Vincenzo Balzani e Nicola Armaroli.

Le nostre discariche atmosferiche di gas da combustione sono sature e ci hanno portato al global warming; abbiamo violato ogni ciclo presesistente (carbonio, azoto, fosforo, zolfo) e, per rimediare, ci avviamo a fare lo stesso con gli altri elementi della tavola periodica (le tecnologie rinnovabili usano molti elementi mai usati prima, dunque il riciclo spinto è indispensabile, ma è sufficiente?); ma anche la Natura violata ed “affettata” delle grandi foreste tropicali ai margini di enormi città da milioni di uomini, per il fatto stesso di avere dimensioni ridotte diventa un appoggio, una interfaccia per ogni salto di specie virale o batterico: ricordate che i virus non rimarranno rispettosamente confinati nel “loro” fazzoletto di foresta.  A questo danno una mano

-la caccia ai residui animali selvatici (il 2%) che spesso nei paesi poveri è l’unico modo di procurarsi proteine o soldi vendendo peni di prede vietate a qualche ricco impotente,

-l’allevamento intensivo condotto in modo inumano dappertutto, il consumo di carne che deve crescere ogni anno e che ingloba sempre nuove specie, sulla terra e nel mare;

-il commercio dei wet market, i negozi della tradizione asiatica dove animali, piante e persone si ammassano in modo insensato, scambiandosi ogni tipo di tessuti, fluidi e (ovviamente) virus e batteri.

– la distruzione del tessuto forestale che secondo le associazioni ambientaliste viaggia a centinaia o migliaia di metri quadri al secondo

Ci sono limiti da non superare. Ma la nostra hubris non ha tema. Noi siamo i dominatori del mondo, crescete e moltiplicatevi.  OK, andava bene 5-6000 anni fa ma al momento non c’è più spazio.

Ovviamente sono importanti e vanno bene le tecnologie delle rinnovabili e del riciclo, ma, ATTENZIONE, non sono un toccasana; lo sono sempre e SOLO se condite e accompagnate dal rispetto; servono se riconoscono il nostro far parte di una rete naturale di cui siamo uno dei nodi non l’unico né il dominante. Non sono garanzia di crescita ulteriore. Servono solo se sono lo strumento di una vita più SOBRIA!

La Natura è l’unica a sapere il fatto suo e l’intelligenza dopo tutto non è che UNA delle strategie naturali e invece di esser un punto di arrivo potrebbe non essere quella vincente (specie se condita di mercato), potrebbe essere un vicolo cieco

 

da leggere:

https://ilmanifesto.it/david-quammen-questo-virus-e-piu-pericoloso-di-ebola-e-sars/

Elementi della Tavola Periodica. Selenio, Se. Parte prima.

In evidenza

Rinaldo CervellatiIl selenio (ingl. Selenium), simbolo Se, è l’elemento n. 34 della tavola periodica, collocato al 16° Gruppo, 5° Periodo, dopo lo zolfo e prima del tellurio. Fa dunque parte della famiglia dei calcogeni, la sua abbondanza nella crosta terrestre è stimata in 0,05 ppm, almeno dieci volte quella del tellurio, di cui abbiamo parlato in un precedente post. Va subito ricordato che è un micronutriente, necessario per il corretto funzionamento delle funzioni cellulari in tutti gli organismi viventi, compreso l’uomo e gli altri animali. Il pubblico probabilmente ricorderà la pubblicità di una varietà di patata a pasta gialla “fonte” di selenio.

Il Selenio fu scoperto nel 1817 dal famoso chimico Jöns Jacob Berzelius[1] e da Johan Gottlieb Gahn[2]. Entrambi possedevano un impianto chimico vicino a Gripsholm, in Svezia, che produceva acido solforico con il processo delle camere al piombo[3]. La pirite della miniera di Falun (Svezia) aveva formato un precipitato rosso nelle camere di piombo che si presumeva fosse un composto di arsenico, quindi l’uso di questa pirite per la produzione dell’acido fu interrotto. Berzelius e Gahn osservarono che il precipitato rosso emanava un odore di rafano quando veniva bruciato. Questo odore non era tipico dell’arsenico, ma un simile odore era noto emanare dai composti del tellurio. In una prima lettera al collega Alexander Marcet, Berzelius affermava che si trattava di un composto di tellurio. Tuttavia, la mancanza di composti del tellurio nei minerali della miniera di Falun alla fine condusse Berzelius a rianalizzare il precipitato rosso, e nel 1818 scrisse una seconda lettera a Marcet descrivendo un nuovo elemento simile allo zolfo e al tellurio. A causa della sua somiglianza con il tellurio, così chiamato dal nome latino per la Terra, Berzelius nominò il nuovo elemento selenio, dal greco σελήνη (selene) che significa Luna.

Il selenio si trova raramente nella sua forma nativa (cioè elementare), è un minerale raro, che di solito non forma cristalli, ma quando si trova in forma cristallina ha abito romboedrico o aciculare (fig. 1).

Figura 1. Selenio nativo su arenaria

Il selenio si presenta naturalmente in una serie di forme inorganiche, tra cui selenito, selenato e seleniuro, ma questi minerali sono rari. Si trova più comunemente come impurezza, sostituendo una piccola parte dello zolfo nei solfuri di molti metalli, in particolare piriti.

L’isolamento del selenio è spesso complicato dalla presenza di altri composti ed elementi.

Proprietà fisiche

Il selenio può presentarsi in diverse forme allotropiche che si trasformano le une nella altre variando la temperatura, anche secondo la velocità della variazione. Se preparato tramite reazioni chimiche, il selenio si presenta solitamente come una polvere amorfa, rosso mattone. Se fuso rapidamente, passa alla forma vitrea nera. La struttura del selenio nero è irregolare e complessa ed è costituita da anelli polimerici con un massimo di 1000 atomi per anello (Fig. 2). Il Se nero è un solido fragile e brillante, leggermente solubile in solfuro di carbonio CS2. Riscaldato a 180 oC, si converte in selenio grigio; la temperatura di trasformazione è ridotta dalla presenza di alogeni e ammine.

Figura 2. Campioni di selenio nero e rosso

Le forme rosse α, β e γ si formano da soluzioni di selenio nero, variando la velocità di evaporazione del solvente (solitamente CS2). Hanno tutte simmetrie cristalline monocline contenenti anelli Se8, come nello zolfo. L’impacchettamento è più denso nella forma α. Altri allotropi di selenio possono contenere anelli Se6 o Se7.

La forma più stabile e densa di selenio è grigia e ha un reticolo cristallino esagonale costituito da catene polimeriche elicoidali. Il Se grigio si forma per lieve riscaldamento di altri allotropi, o per lento raffreddamento del Se fuso o dalla condensazione del vapore di Se appena sotto il punto di fusione (Fig. 3).

Figura 3. Selenio grigio e sua struttura cristallina

Mentre altre forme di Se sono isolanti, il Se grigio è un semiconduttore che mostra una fotoconduttività apprezzabile. A differenza degli altri allotropi, è insolubile in CS2. Resiste all’ossidazione in aria e non è attaccato dagli acidi non ossidanti. Con forti agenti riducenti forma poliseleniuri.

Grazie al suo uso come fotoconduttore nei rivelatori di raggi X a schermo piatto, le proprietà ottiche dei film sottili di selenio amorfo (α-Se) sono state oggetto di intense ricerche.

Il selenio ha sette isotopi naturali. Cinque di questi, 74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se, sono stabili, 80Se è il più abbondante (49,6% di abbondanza naturale). Anche il radionuclide primordiale di lunga durata 82Se è presente in natura, con un’emivita di 9,2×1019 anni. Il radioisotopo 79Se si presenta in minuscole quantità nei minerali di uranio come prodotto della fissione nucleare. Il selenio ha anche numerosi isotopi sintetici instabili.

Proprietà chimiche

Il selenio forma due ossidi: biossido di selenio (SeO2) e triossido di selenio (SeO3). Il biossido di selenio si forma dalla reazione del selenio elementare con l’ossigeno:

Se8 + 😯2 → 8SeO2

È un solido polimerico (Fig. 4) che forma molecole monomeriche SeO2 in fase gassosa.

Figura 4. Struttura di SeO2 polimerico

Si dissolve in acqua per formare acido selenioso, H2SeO3. L’acido selenioso può anche essere prodotto direttamente ossidando il selenio elementare con acido nitrico.

A differenza dello zolfo, che forma un triossido stabile, il triossido di selenio è termodinamicamente instabile e si decompone in biossido al di sopra di 185 °C

Il triossido di selenio viene prodotto in laboratorio per reazione fra selenato di potassio anidro (K2SeO4) e triossido di zolfo (SO3).

Il disolfuro di selenio, SeS2, è costituito da anelli a 8 membri. Il disolfuro di selenio è stato usato negli shampoo come agente antiforfora, come inibitore nella chimica dei polimeri, come colorante per vetro e agente riducente nei fuochi d’artificio.

Composti con gli alogeni

Gli ioduri di selenio non sono ben noti. L’unico cloruro stabile è il selenio (I) cloruro; è noto anche il bromuro corrispondente. Il dicloruro di selenio è un reagente importante nella preparazione di composti di selenio. Il selenio reagisce con il fluoro per formare esafluoruro di selenio:

Se8 + 24F2 → 8SeF6

Rispetto al composto analogo dello zolfo (SF6), l’esafluoruro di selenio (SeF6) è più reattivo ed è un irritante polmonare tossico.

Analogamente al comportamento degli altri calcogeni, il selenio forma seleniuro di idrogeno, H2Se. È un gas di odore fortemente sgradevole, tossico e incolore. È più acido dell’acido solfidrico H2S. Lo ione Se2- forma una varietà di composti, inclusi i minerali dai quali il selenio si ottiene commercialmente. Essi includono: seleniuro di mercurio (HgSe), di piombo (PbSe), di zinco (ZnSe) e il diseleniuro di rame indio e gallio (Cu (Ga, In) Se2). Questi materiali sono semiconduttori.

Composti organoselenici

Il selenio, specialmente nello stato di ossidazione II, forma legami stabili con il carbonio, che sono strutturalmente analoghi ai corrispondenti composti organosolfurici. Particolarmente comuni sono i seleniuri (R2Se, analoghi dei tioeteri), i diseleniuri (R2Se2, analoghi dei disolfuri) e i selenoli (RSeH, analoghi dei tioli). Rappresentanti di seleniuri, diseleniuri e selenoli sono ad esempio selenometionina, difenildiseleniuro e benzeneselenolo. Il solfossido nella chimica dello zolfo è rappresentato nella chimica del selenio dai selenossidi (RSe (O)R), che sono intermedi nella sintesi organica.

Estrazione e produzione

Il selenio è comunemente prodotto dal seleniuro contenuto in molti minerali solforati, come solfuri di rame, nichel o piombo. La raffinazione elettrolitica di questi metalli produce selenio come sottoprodotto, spesso ottenuto dal fango anodico delle raffinerie di rame. Il selenio può essere raffinato da questi fanghi con una serie di metodi. Dalla sua invenzione, la produzione di rame per estrazione con solvente ed elettro-estrazione produce una quota crescente della fornitura mondiale di rame. Ciò modifica la disponibilità di selenio perché solo una parte relativamente piccola del selenio nel minerale viene lisciviata con il rame.

La produzione industriale di selenio di solito comporta l’estrazione di biossido di selenio dai residui ottenuti durante la purificazione del rame. La produzione dal residuo inizia quindi con un trattamento con carbonato di sodio per formare biossido di selenio, che viene miscelato con acqua e acidificato per formare acido selenico. Nell’acido selenico viene infine fatto gorgogliare biossido di zolfo che lo riduce a selenio elementare.

Nel 2011 sono state prodotte circa 2.000 tonnellate di selenio in tutto il mondo, principalmente in Germania (650 tonnellate), Giappone (630), Belgio (200) e Russia (140) e le riserve totali sono state stimate in 93.000 tonnellate. Questi dati escludono però i due grandi produttori: Stati Uniti e Cina. Nel 2010 il consumo nei vari settori applicativi è stato il seguente: metallurgia 30%, produzione di vetro 30%, agricoltura 10%, prodotti chimici e pigmenti 10%, ed elettronica 10%. La Cina è il principale consumatore di selenio, con 1.500–2.000 tonnellate /anno.

Applicazioni

Il selenio è usato nell’industria metallurgica poiché l’aggiunta di biossido di selenio riduce la potenza necessaria per far funzionare le celle elettrolitiche, in particolare per l’elettrodeposizione del manganese. È stato usato anche nei diodi raddrizzatori fino agli anni settanta, quando fu sostituito dal silicio in molte applicazioni, diodi per alta tensione compresi.

Per via delle sue proprietà fotovoltaiche e fotoconduttive è largamente impiegato in elettronica, nelle fotocellule e nelle celle fotovoltaiche.

Il selenio è impiegato per decolorare il vetro, poiché neutralizza il colore verde che viene provocato dalle impurità di ferro. Può anche essere usato per dare una colorazione rossa a vetri e smalti.

Il selenio è usato per migliorare la resistenza all’abrasione della gomma vulcanizzata. È usato anche nell’industria della riproduzione per fotocopia.

Un altro impiego è nella fotografia; è commercializzato da numerose marche di prodotti fotografici, fra cui la Kodak. Nella fotografia artistica è usato per estendere il campo di tonalità delle stampe in bianco e nero e per aumentare l’intensità dei toni; può anche essere usato per aumentare la permanenza delle immagini.

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-28

https://en.wikipedia.org/wiki/Selenium

[1] Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), chimico sperimentale e teorico svedese, è stato la massima autorità in campo chimico per tutta la prima metà del XIX secolo.

[2] Johan Gottlieb Gahn (1745 – 1818), chimico e metallurgista svedese, scoprì il manganese nel 1774.

[3] Il processo alle camere di piombo era un metodo industriale utilizzato per produrre acido solforico in grandi quantità. È stato ampiamente soppiantato dal processo di contatto fra SO2 e O2 in presenza di opportuni catalizzatori.

22 Marzo 2020: giornata mondiale dell’acqua ai tempi del coronavirus

In evidenza

Mauro Icardi

(con osservazione finale di Lugi Campanella)

La giornata mondiale dell’acqua quest’anno si celebra in un pianeta in apprensione. Spaventato dall’avanzare dell’epidemia di coronavirus. La celebrazione potrebbe passare in secondo piano, e la cosa non credo debba stupire o indignare più di tanto. La situazione di pandemia che l’OMS ha dichiarato è qualcosa che quasi nessuno di noi aveva immaginato, o che pensava di dover realmente affrontare.

Mi viene immediatamente in mente una prima riflessione, legata sia al virus che all’importanza dell’acqua: la raccomandazione che ci viene ripetuta incessantemente, cioè di lavarci spesso le mani. Questo è il primo collegamento sui cui rifletto. Lavarci le mani e aprire il rubinetto dell’acqua. Gesto abitudinario ed usuale, a cui probabilmente non facevamo più nemmeno troppa attenzione. Certamente qualcuno più attento avrà installato erogatori che permettono il minor consumo di acqua, avrà chiuso il rubinetto mentre si spazzolava i denti. Ma adesso questi gesti ordinari assumono un altro valore. Perché dietro a questi gesti ci sono le persone che continuano a garantirci questo servizio essenziale. Servizio di gestione delle reti e degli impianti idrici, fognari e di depurazione. Mi sembra giusto e doveroso ricordarlo. Senza enfasi o retorica. E ricordare che secondo il rapporto “Progress and drinking water” di OMS e Unicef del 2019, nel mondo, una persona su tre non ha accesso all’acqua potabile sicura. Secondo il Rapporto, circa 2,2 miliardi di persone a livello mondiale non dispongono di servizi per l’acqua potabile, 4,2 miliardi non dispongono di servizi igienici sicuri. Per 3 miliardi di persone, inoltre, non è possibile neppure lavarsi le mani disponendo di acqua e sapone in casa.

Altra riflessione che mi viene in mente è relativa alla definizione di “oro blu” legata all’acqua, e mediata dalla definizione di “oro nero” che era stata coniata per il petrolio. Sono almeno vent’anni che questa definizione è entrata nel nostro lessico. Quindi sottintende qualcosa di prezioso per definizione. E ciò che è prezioso diventa, per un modo ormai radicato di pensare, qualcosa che debba essere mercificato. E sappiamo che questa cosa già accade. In Italia molte persone si sono impegnate per ottenere un referendum che stabilisse che l’acqua non si dovesse mercificare. Che fosse e restasse un diritto pubblico universale, così come stabilito dall’ONU già nel 2010. Ognuno potrà valutare da sé se questo obbiettivo sia stato o no raggiunto. Io su questo tema ho potuto anche vedere molta confusione. L’acqua è diventata per molti un concetto astratto. Che potrei riassumere con un frase non mia, ma del Professor Roberto Canziani del politecnico di Milano, con cui a suo tempo ho collaborato per una sperimentazione sugli impianti MBR. Cioè che “Acqua pubblica non vuol dire acqua gratis, perché altrimenti dovremmo ancora andare a prenderla con il secchio e portarla fino a casa”. E’ una frase sulla quale si può essere d’accordo o meno. Certamente pone il problema degli investimenti da destinare al ciclo idrico, ed alla loro corretta gestione. Investimenti che devono comprendere anche la ricerca. Ci sono molti temi da affrontare, e qui se ne è scritto: inquinanti emergenti e resistenza antibiotica tra i più urgenti. Quanto meno serve a farci capire che l’acqua arriva e se ne va dalle nostre case, tramite le strutture e gli impianti che servono alla sua corretta gestione. Concetto che sembra ancora ignoto a molti.

Su quello che sono i beni comuni credo che già in questi giorni molti stiano facendo delle riflessioni. A partire dalla questione, oggi sotto gli occhi di tutti ,di un altro settore fondamentale e primario, cioè la sanità. L’acqua segue a ruota. Credo che sia un dovere per tutti riflettere a fondo sui beni comuni. Uscire da quelle affermazioni banali che, o per interesse proprio, o per dissonanza cognitiva o percettiva ci portano a considerare tutto il pubblico come qualcosa di inefficiente se non clientelare o parassitario. A pensare che solo la privatizzazione sia sinonimo di efficienza, trasparenza e professionalità. Lo stiamo vedendo anche per l’epidemia in corso. Forse dobbiamo ritornare cittadini, e ricordarci che come mi venne insegnato da mia madre lo Stato non è (o non dovrebbe esserci) estraneo. Lo stato mi diceva, siamo noi.

Esiste a mio parere una dissonanza idrica. Profonda e radicata, quella che ci fa svuotare i supermercati di confezioni di bottiglie d’acqua, che ci induce a considerare a priori che sia negativo bere l’acqua del proprio rubinetto di casa. Un atteggiamento di questo tipo merita un altra riflessione, profonda e doverosa.

Supportata certamente da studio e informazione. Senza superficialità . In tanti anni di lavoro ne ho sentita davvero troppa.

In Italia abbiamo anche permesso che in passato le organizzazioni criminali, come la mafia si sostituissero alle istituzioni fornendo acqua con le autobotti nei momenti di crisi idrica. In Italia dobbiamo tenere a mente un numero: 42. Questo numero non è la risposta che il supercomputer pensiero profondo ,(deep thought) del ciclo di libri “Guida galattica per autostoppisti” fornisce agli uomini che gli domandano cosa ci sia nella vita e nell’universo. Quei libri sono di fantascienza umoristica. In Italia 42% è ancora la quantità di acqua mediamente dispersa nelle reti idriche. Dato rimasto praticamente costante, e in questo caso l’umorismo sarebbe fuori luogo.

Lo sostengo su questo blog praticamente da sempre. Serve l’educazione idrica. Serve la rivalutazione della conoscenza. Della ricerca. I tempi del coronavirus ci hanno fatto capire, e ci stanno mostrando che il futuro, che non si può predire, ma solamente in qualche modo prefigurare, sarà decisamente molto diverso. Ne stiamo facendo esperienza tutti noi, ogni giorno. Il cambio di approccio e di paradigma è vitale.

Mi permetto l’ennesima citazione . Che viene da Primo Levi e anche dai Talmud.

Se non ora, quando?

https://www.who.int/water_sanitation_health/publications/jmp-report-2019/en/

https://www.worldwatercouncil.org/en

http://waterweb.org/

https://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/ew#!recentarticles&adv

https://www.snpambiente.it/category/temi/acqua/

 

Un commento di Luigi Campanella sulla Giornata dell’acqua

Aumentare l’accesso all’acqua pulita e la disponibilità di servizi sanitari nel mondo è un Obiettivo di Sviluppo Sostenibile fissato dall’ONU.

Acqua pulita e igiene sono essenziali per la sopravvivenza e per la produttività economica delle comunità.

In Africa il diritto all’acqua è ancora in gran parte non garantito.

In tutto il continente, escluso il Nord Africa, meno del 25% della popolazione ha eccesso all’acqua potabile, contro una media globale di oltre il 70%.

Nelle aree rurali 339 milioni di persone non hanno accesso ad acqua pulita e sicura.

In 60 anni e oltre di lavoro in Africa abbiamo imparato molto di più di quel che abbiamo insegnato. Gran parte di ciò che abbiamo appreso lo dobbiamo alle donne.

Le donne sono il volano dello sviluppo, sociale, culturale ed economico. Dal 2010 ad oggi, l’Africa Sub-sahariana ha perso in media 95 miliardi di dollari ogni anno, solo per non aver offerto le medesime opportunità e tutele a donne e uomini.

Il parallelismo che suggerisco in questo post del blog tra donne e acqua, richiama alla mente due immagini su tutte: la vita e la forza. Le donne, infatti, sono coloro che hanno il dono di custodire e dare la vita; l’acqua è il bene primario per eccellenza, senza il quale nessuno di noi potrebbe vivere. Che dire invece della forza, quella dei fiumi, degli oceani, quella di una goccia perpetua in grado di scavare la roccia? Eccole le donne.

 

Qualità dell’aria interna.

In evidenza

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Come si valuta la qualità dell’aria negli ambienti interni (indoor,confinati di vita e di lavoro non industriali, in particolare adibitI a dimora, svago, trasporto, lavoro :uffici pubblici e privati, abitazioni, strutture comunitarie,locali destinati ad attività ricreative e sociali, auto, treno,  aereo, nave)?
L’aria negli ambienti indoor  negli ultimi decenni, è andata incontro ad un progressivo cambiamento sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo, con un aumento di sostanze inquinanti e dei relativi livelli in aria. La particolare attenzione che merita il problema deriva dal fatto che l’esposizione ad agenti chimici  con effetti subacuti e cronici, e quindi la dose inalata, non dipende solo dai livelli  riscontrabili nell’armosfera di un certo ambiente, ma anche dal tempo che gli individui trascorrono in quel particolare ambiente.

Da questo punto di vista una recente statistica europea ha evidenziato che la popolazione trascorre in media il 95-97% del suo tempo negli ambienti  interni e  che il 90% dell’inalato è assunto in ambienti interni. Al contrario di quanto avviene in ambito industriale l’inquinamento indoor viene spesso sottovalutato per fattori di natura squisitamente culturale,psicologica o storica. .Un caso poi di particolare rilievo è rappresentato dall’ambiente ospedaliero, dove la possibilità di contrarre varie malattie, anche di tipo professionale, obbliga ad un’attenzione ancora maggiore, rappresentando i frequentatori una fascia debole di utenza.

https://www.insic.it/salute-e-sicurezza/Notizie/Qualita-aria-indoor-dati-Societa-Italiana-Medicina-Ambiental/6955516a-5cc8-436e-b7de-e1c45c095a10

Le sostanze in grado di alterare la qualità dell’aria indoor possono essere classificate come  agenti fisici, chimici, biologici, provenienti in parte dall’esterno, ma molti prodotti da fonti interne. Di queste le principali sono rappresentate da occupanti (uomo, animali), polvere (ricettacolo per  eccellenza di microrganismi), strutture, materiali edili, arredi, prodotti per la manutenzione  e pulizia(detersivi,insetticidi), l’utilizzo degli spazi ed il tipo di attività che vi si svolge (nei laboratori reazioni chimiche, test biologici, riscaldamento di sostanze volatili), impianti (condizionatori, umidificatori, impianti idraulici).

In particolare fra gli agenti chimico-fisici è da considerare il radon, un isotopo della serie dell’uranio 222 che deriva da rocce acide come graniti, tufi e suoli acidi, ma anche per estensione da acque sotterranee e materiali da costruzione e che contribuisce in modo determinante alla dose totale di radiazioni ionizzanti. Gli agenti biologici presenti negli spazi confinati sono rappesentati da particolato organico  aerodisperso (bioaereosol), costituito da microrganismi (virus,batteri, muffe, lieviti, funghi, protozoi, alghe), da insetti (acari, aracnidi) e da materiale biologico da essi derivato o da materiale organico di origine vegetale (polline)
A oggi non esistono in Italia valori di riferimento per la valutazione della qualità dell’aria in interni, a differenza di altri Paesi come Austria, Portogallo, Francia, Germania, Canadà Cina, Corea, Giappone. Questi valori nazionali possono essere considerati per la caratterizzazione del rischio in caso di contaminanti non indagati dall’OMS. Esistono però alcuni riferimenti normativi e metodologie che possono essere applicati. Le norme tecniche sono le Iso 16000 e le  Uni En Iso 16000 riferite a campionamento attivo e passivo, conservazione e preparazione del campione, misurazioni, monitoraggio, differenti composti: dalla CO2 agli NOx, dai VOC alla formaldeide ed altri composti carbonilici,dai PCB alle diossine, dalle ammine ai furani. I valori guida sono quelli raccomandati dall’Organizzazione Mondiale della Sanità per benzene, CO, formaldeide, naftalene, biossido di azoto, benzopirene, radon, tricloroetilene, tetracloroetilene, PM10 e PM2,5  con i relativi tempi di riferimento. Le pericolosità sono espresse per ogni agente chimico considerato come rischio unitario, ovvero il rischio probabilistico di sviluppare una patologia in una popolazione esposta in modo continuativo ad una  concentrazione unitaria.


Il progetto europeo Officair è il più importante e recente studio internazionale in materia. Si è svolto nell’ambito di un network di 8 Paesi (Grecia, Italia, Francia, Portogallo, Olanda, Ungheria,  Spagna, Finlandia) con un approccio integrato per la valutazione della qualità dell’aria e dell’eventuale rischio per la salute. La struttura del progetto è stata caratterizzata da 3 livelli di studio, con gradiente di approfondimento e dettaglio incrementale (in Italia dai 21 siti di osservazione della prima fase ai 4 della seconda ai 2 della terza), da un monitoraggio multiparametrico per tempi prestabiliti e da una parallela sorveglianza sanitaria, anche ampliata a parametri respirometrici e cardiologici, a marcatori di stress ossidativo ed infiammazione nell’esalato condensato. Alcuni interessanti conclusioni sono le seguenti
-peggioramento dello stato di salute associato al numero di occupanti, alla mancanza di finestre apribili, alla presenza di moquette, alle attività di pulizia giornaliera o periodica
-sono stati per la prima volta misurate concentrazioni indoor di alcuni prodotti di ossidazione dei terpeni costituiti da VOC irritanti per le prime vie aree, per i quali nel caso di uso di detergenti ad elevato contenuto terpenico, l’indicatore più fedele sembra essere il d-limonene
-l’indipendenza per quanto riguarda le particelle ultrafini derivanti anche da reazioni di ozonolisi dalla concentrazione di VOC alla loro formazione potenzialmente correlate
-la mediana su 5 gg delle concentrazioni di terpeni, di formaldeide, di ozono, acroleina, pinene e limonene è risultata di assoluta sicurezza
-le concentrazioni medie di benzene, etilbenzene e xileni sono risultate in discesa rispetto a rilevamenti in studi precedenti
-le concentrazioni che più preoccupano perchè superiori in molti casi ai valori raccomandati dall’OMS sono quelle del PM2,5
Circa il monitoraggio c’è da osservare che negli ultimi tempi è emersa una crescente domanda di strumenti portatili in linea con quanto detto più sopra circa la richiesta di conoscenza sulla qualità dell’aria che respiriamo anche in casa.In particolare il mercato offre nuove opportunità  di monitoraggio di CO, CO2, umidità relativa, temperatura, VOC, di sonde multiparametriche applicabili a magazzini ed uffici, ma anche ad ambienti domestici ed industriali leggeri.

Elementi della tavola periodica. Tellurio, Te

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Il tellurio (ingl. Tellurium), simbolo Te, è l’elemento n. 52 della tavola periodica, collocato al 16° Gruppo, 5° Periodo, dopo lo zolfo e il selenio e prima del radioattivo polonio.

La IUPAC lo classifica un semimetallo[1], cioè un elemento con proprietà intermedie fra metalli e non metalli. I semimetalli sono collocati su una diagonale della tavola che suddivide gli elementi in base alle proprietà acido-base dei loro ossidi. La sua abbondanza nella crosta terrestre è valutata fra 0,001 e 0,005 ppm, paragonabile a quella del platino. Si ritiene che questa rarità nella crosta terrestre sia dovuta in parte alla formazione di un idruro volatile, che avrebbe causato la perdita di tellurio nello spazio come gas durante la formazione calda della Terra, e in parte alla bassa affinità per l’ossigeno, che lo induce a legarsi preferenzialmente ad altri calcogeni[2] in minerali densi che si troverebbero nel nucleo.

Il tellurio si trova occasionalmente nella sua forma nativa (elementare), ma più spesso nei minerali calaverite e krennerite (due diverse forme polimorfe di tellururo d’oro, AuTe2), nella petzite e nella silvanite, (tellururi di argento e oro di composizione diversa).

Calaverite                                           Krennerite

Per curiosità, la città di Telluride, in Colorado, è stata chiamata così nella speranza di trovarvi nei suoi dintorni tellururo d’oro (che non si è mai trovato, anche se è stato riscontrato un minerale di metallo dorato).

Sebbene il tellurio si trovi più spesso combinato con oro che in forma elementare, si trova ancora più spesso in telluridi di metalli più comuni (ad esempio la melonite, tellururo di nichel NiTe2).

Melonite

Contrariamente al selenio, il tellurio di solito non sostituisce lo zolfo nei minerali a causa della grande differenza nei raggi ionici. Pertanto, molti comuni minerali solforati contengono notevoli quantità di selenio e solo tracce di tellurio.

Il tellurio (tellus, latino, che significa “terra”) fu scoperto nel XVIII secolo in un minerale d’oro proveniente dalle miniere di Kleinschlatten (oggi Zlatna), vicino alla città di Alba Iulia, in Romania (a quei tempi facente parte dell’impero austro-ungarico). Il minerale era noto come “minerale d’oro a foglia bianca di Faczebaja”, nome tedesco di Fața Băii nella contea di Alba, oggi in Romania, o anche “antimonalischer Goldkies” (pirite d’oro antimonico). Nel 1782 Franz-Joseph Müller von Reichenstein[3], che al tempo era il principale ispettore austriaco delle miniere in Transilvania, concluse che il minerale non conteneva antimonio ma era solfuro di bismuto. L’anno seguente riferì che si era sbagliato, il minerale conteneva infatti principalmente oro e un metallo sconosciuto molto simile all’antimonio. Dopo un’indagine approfondita durata tre anni, che richiese più di cinquanta test analitici, Müller determinò il peso specifico del metallo, notando che quando riscaldato il nuovo metallo emetteva un fumo bianco con un odore simile a quello dei ravanelli e che conferiva un colore rosso all’acido solforico, inoltre quando questa soluzione veniva diluita con acqua si formava un precipitato nero. Tuttavia non fu in grado di identificare il metallo, e gli attribuì il nome di aurum paradoxium (oro paradosso) o metallum problematicum (metallo problematico), perché non presentava le proprietà dell’antimonio.

Franz-Joseph Müller von Reichenstein

Nel 1789, uno scienziato ungherese, Pál Kitaibel[4], scoprì l’elemento indipendentemente, in un minerale scoperto a Deutsch-Pilsen (oggi Nagybörzsöny in Ungheria) che era stato considerato molibdenite argentifera, ma in seguito diede il merito a Müller.

Nel 1798 il nome tellurium gli fu dato da Martin Heinrich Klaproth[5], che in precedenza lo aveva isolato dal minerale calaverite. Klaproth accreditò comunque Müller per la scoperta.

Proprietà fisiche

Il tellurio possiede due forme allotropiche, cristallina e amorfa. Nella prima è bianco-argenteo con lucentezza metallica.

Tellurio cristalli in un flaconcino

È un semimetallo fragile e facilmente polverizzabile. In forma amorfa si presenta come polvere marrone-nera preparabile precipitandola da una soluzione di acido telluroso o tellurico (Te(OH)6). Il tellurio è un semiconduttore che mostra una maggiore conduttività elettrica in determinate direzioni secondo l’allineamento atomico; la conduttività aumenta leggermente quando esposto alla luce (fotoconduttività). Allo stato fuso, il tellurio è corrosivo per rame, ferro e acciaio inossidabile. Fra i calcogeni, il tellurio ha i punti di fusione e di ebollizione più alti, rispettivamente 449,51 e 987,85 oC.

Il tellurio presente in natura ha otto isotopi. Sei di questi isotopi sono stabili, gli altri due, 128Te e 130Te, si sono rivelati leggermente radioattivi, con emivite estremamente lunghe, rispettivamente 2,2 ×1024 e 7,9×1020 anni. L’emivita di 128Te è la più lunga conosciuta fra tutti i radionuclidi. Gli isotopi stabili costituiscono solo il 33,2% del tellurio naturale.

Sono noti ben 31 radioisotopi artificiali di tellurio, con masse atomiche che vanno da 104 a 142, con emivite di 19 giorni o meno.

Proprietà chimiche

Il tellurio presenta gli stati di ossidazione −2, +2, +4 e +6, essendo +4 il più comune.

Nello stato −2 forma tellururi, composti binari con molti metalli come ad es. il tellururo di zinco, ZnTe, prodotto riscaldando il tellurio con lo zinco. ZnTe si decompone reagendo con acido cloridrico sviluppando tellururo di idrogeno (H2Te), analogamente agli idruri degli altri calcogeni, H2O, H2S e H2Se, tuttavia, al contrario di questi H2Te è altamente instabile.

Allo stato di ossidazione +2 forma dialogenuri con gli alogeni, TeCl2, TeBr2 e TeI2, che però non sono stati ottenuti in forma pura perché si decompongono per dare ioni che formare tetraalotellurati ben caratterizzati:

TeX2 + 2X → TeX42−, dove X = Cl, Br, I.

Questi anioni hanno geometrie planari quadrate. Esistono anche specie anioniche polinucleari.

Il fluoro forma due alogenuri con tellurio: Te2F4 a valenza mista e TeF6 con numero di ossidazione +6. Nello stato di ossidazione +6, si riscontrano gruppi strutturali –OTeF5 in alcuni composti, come ad es. HOTeF5 e B(OTeF5)3. Gli altri alogeni non formano alogenuri con tellurio nello stato di ossidazione +6, ma solo tetraalidi (TeCl4, TeBr4 e TeI4) nello stato +4.

Nello stato di ossidazione +4, sono noti anioni clorotellurati, come TeCl62− e Te2Cl102-.

Il monossido di tellurio fu riportato per la prima volta nel 1883 come un solido amorfo nero formatosi dalla decomposizione termica di TeSO3 nel vuoto, sproporzionandosi poi in diossido di tellurio, TeO2 e tellurio elementare per riscaldamento. L’esistenza di TeO, tuttavia, fu messa in dubbio e contestata, sebbene il composto fosse noto in fase vapore.

Il diossido di tellurio TeO2 si forma riscaldando il tellurio nell’aria, dove brucia con una fiamma blu.

Diossido di tellurio in polvere

Gli ossidi di tellurio e gli ossidi idrati formano una serie di acidi, incluso l’acido tellurico (H2TeO3), acido ortotellurico (Te(OH)6) e acido metatellurico ((H2TeO4)n). Le due forme di acido tellurico formano sali ben caratterizzati.

Quando il tellurio viene trattato con acido solforico concentrato, il risultato è una soluzione rossa contenente lo ione Te2+4, chiamato zintl.

Composti organotellurici

Il tellurio non forma facilmente telluroli, contenenti il gruppo funzionale –TeH analogo a quello di alcoli e tioli. Al gruppo funzionale –TeH è attribuito il prefisso tellanyl-. Come H2Te, queste specie sono instabili. I telluroeteri (R–Te–R) sono invece più stabili.

Estrazione e produzione

La principale fonte di tellurio proviene dai fanghi anodici della raffinazione elettrolitica del rame ottenuto dalla weissite, un minerale metallico costituito principalmente da rame e tellurio[6], oltre a impurezze di oro e argento.

I fanghi dell’anodo contengono seleniuri e tellururi di diversi metalli in composti con formula M2Se o M2Te (M = Cu, Ag, Au). Alla temperatura di 500°C i fanghi anodici vengono arrostiti con carbonato di sodio in presenza di aria. Gli ioni metallici sono ridotti a metalli, mentre il tellurio è convertito in tellurito di sodio:

M2Te + O2 + Na2CO3 → Na2TeO3 + 2M + CO2

Il tellurito viene lisciviato dalla miscela con acqua ed è presente in soluzione come ione idrotellurito HTeO3. L’idrotellurito è convertito in diossido di tellurio, TeO2, insolubile, mediante acido solforico:

HTeO3 + OH + H2SO4 → TeO2 + SO42− + 2H2O

Il metallo viene infine ottenuto dal diossido mediante elettrolisi o per riduzione facendolo reagire con anidride solforosa in acido solforico.

I principali produttori di tellurio sono: Stati Uniti (40%), Perù (30%), Giappone (20%) e Canada (10%).

Produzione mondiale di tellurio (2006)

Principali applicazioni

Piccole quantità di tellurio sono impiegate nell’industria metallurgica, in particolare del ferro, acciaio inossidabile, rame e leghe di piombo. L’aggiunta di tellurio all’acciaio e al rame produce una lega più lavorabile. Questa lega serve inoltre a favorire il raffreddamento negli spettrometri di emissione ad arco (Arc (Spark) Emission Spectrometers), dove la presenza di grafite elettricamente conduttiva tende a interferire con i risultati spettroscopici. Nelle leghe al piombo, il tellurio migliora resistenza e durata e diminuisce l’azione corrosiva dell’acido solforico.

Oggi il principale uso del tellurio è nell’industria dei semiconduttori e dell’elettronica, utilizzato nei pannelli solari (PV) al tellururo di cadmio (CdTe). I test di laboratorio del National Renewable Energy Laboratory (USA) hanno mostrato una maggior efficienza dei generatori di energia elettrica alimentati da questi pannelli. Ne è seguita una massiccia produzione commerciale di pannelli solari al CdTe, che ha fatto aumentare significativamente la domanda di tellurio.

Schiera di pannelli solari al CdTe

Sostituendo parte del cadmio in CdTe con lo zinco, producendo (Cd, Zn)Te, si ottiene un rilevatore di raggi X allo stato solido, che fornisce un’alternativa agli usuali dosimetri monouso.

Il materiale semiconduttore sensibile agli infrarossi è una lega di tellurio con cadmio e mercurio (tellururo di cadmio mercurio).

Il monossido (subossido) di tellurio, composto transiente, è utilizzato nello strato multicomponente di dischi ottici riscrivibili, tra cui CD-RW (ReWritable Compact Disc), DVD-RW (ReWritable Digital Video Disc) e ReWritable Blu-ray Disc.

Il diossido di tellurio è utilizzato nei modulatori acusto-ottici (AOTF e AOBS) per la microscopia confocale.

Il tellurio è utilizzato nei nuovi chip di memoria a cambiamento di fase sviluppati da Intel. Il tellururo di bismuto (Bi2Te3) e il tellururo di piombo sono usati negli elementi di funzionamento dei dispositivi termoelettrici. Il tellururo di piombo è utilizzato anche nei rivelatori del lontano infrarosso.

Ruolo biologico

Il tellurio non ha alcuna funzione biologica nota, sebbene i funghi possano incorporarlo al posto dello zolfo e del selenio in amminoacidi come la telluro-cisteina e la telluro-metionina. Gli organismi hanno mostrato una tolleranza molto variabile nei confronti dei composti del tellurio. Molti batteri, come lo Pseudomonas aeruginosa, assorbono la tellurite e la riducono in tellurio elementare, che si accumula e provoca una riduzione caratteristica e spesso drammatica delle cellule. Nel lievito questa riduzione è mediata dal percorso di assimilazione dei solfati. L’accumulo di tellurio sembra spiegare gran parte degli effetti tossici. Molti organismi metabolizzano anche il tellurio in parte per formare dimetil tellururo. A concentrazioni molto basse il dimetil tellururo è stato osservato anche in sorgenti calde.

Tossicologia e precauzioni

Il tellurio e i suoi composti sono considerati moderatamente tossici e devono essere maneggiati con cura, sebbene l’avvelenamento acuto sia raro. L’avvelenamento da tellurio è particolarmente difficile da trattare poiché molti agenti chelanti utilizzati nel trattamento dell’avvelenamento da altri metalli aumentano la tossicità del tellurio. Non sembra che il tellurio sia cancerogeno.

Gli esseri umani esposti a un minimo di 0,01 mg/m3 nell’aria emanano un cattivo odore simile all’aglio noto come “alito di tellurio”. Ciò è causato dal metabolismo che converte il tellurio da qualsiasi stato di ossidazione a dimetil tellururo, (CH3)2Te, composto volatile con un odore agliaceo. Anche se le vie metaboliche del tellurio non sono note, si presume generalmente che assomiglino a quelle del più ampiamente studiato selenio, perché i prodotti metabolici metilati finali dei due elementi sono simili.

Le persone possono essere esposte al tellurio sul posto di lavoro per inalazione, ingestione, contatto con la pelle e con gli occhi. L’Amministrazione per la sicurezza e la salute sul lavoro USA ha stabilito il limite di esposizione ammissibile del tellurio sul luogo di lavoro a 0,1 mg /m3 in un giorno lavorativo di otto ore.

Riciclaggio

Il tellurio degli scarti dei prodotti dell’industria metallurgica viene recuperato dai fanghi anodici che si ottengono da questi residui. Più importante è il recupero di cadmio e tellurio dai pannelli fotovoltaici esausti, generatori termoelettrici e dispositivi elettronici. Soprattutto è fondamentale il recupero del tellurio, causa la sua scarsità e la richiesta in aumento.

Nel 2006, V. Fthenakis e collaboratori, del Brookhaven National Laboratory e della Columbia University, NY (USA) hanno proposto un metodo idrometallurgico per recuperare questi metalli dai PV [1]. Il procedimento consiste in una iniziale frantumazione dei pannelli in frammenti, in seguito sottoposti a un trattamento idrometallurgico coinvolgente lisciviazione, separazione per scambio ionico, precipitazione ed elettroraffinazione. Soluzioni di acido solforico a bassa concentrazione si sono dimostrate efficaci nella separazione totale di cadmio e tellurio dalla matrice di vetro. Sono poi state usate colonne a scambio ionico in serie per separare rame e tellurio dal cadmio in soluzione. Successivamente Cd e Te sono stati isolati dalle corrispondenti soluzioni per elettroraffinazione e precipitazione reattiva rispettivamente. L’elettroraffinazione ha prodotto lastrine di cadmio di purezza 99%. La precipitazione del tellurio in forma metallica è stata ottenuta utilizzando vari agenti riducenti.

Più recentemente, nel 2014, W.D. Bonificio e D.R. Clarke, Università di Cambridge, MA (USA), notando che gli attuali metodi di riciclaggio sono poco efficienti e impiegano prodotti chimici tossici, hanno proposto un’alternativa batterica per il recupero del tellurio da scarti fotovoltaici (tellururo di cadmio, CdTe) e termoelettrici (tellururo di bismuto, Bi2Te3) [2]. Essi hanno mostrato che il ceppo EPR3 del batterio Pseudoalteromonas sp. può convertire i composti del tellurio da un’ampia varietà in ​​tellurio metallico o specie gassose di tellurio. Sperimentalmente, i due ricercatori hanno ottenuto questo risultato incubando le fonti di tellurio con il ceppo EPR3 sia in mezzi liquidi che solidi. Secondo Bonificio e Clarke il loro studio approfondisce la conoscenza dei processi batterici e ha implicazioni importanti per il riciclaggio sostenibile del tellurio[7].

Ciclo biogeochimico

È probabile che il ciclo biogeochimico di questo raro elemento sia simile o accompagni quello del selenio, presente in quantità dieci volte maggiore nella crosta terrestre, di cui parleremo in un prossimo post.

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-31

https://en.wikipedia.org/wiki/Tellurium

Bibliografia

[1] V. Fthenakis et al. Recycling of CdTe photovoltaic modules: recovery of cadmium and tellurium., 2006 https://www.bnl.gov/pv/files/pdf/abs_192.pdf

[2] W.D. Bonificio, D.R. Clarke, Bacterial recovery and recycling of tellurium from tellurium-containing compounds by Pseudoalteromonas sp.EPR3., Journal of Applied Microbiology, 2014, 117, 1293-1304.

[1] Un tempo era in uso il termine metalloide, oggi considerato obsoleto dalla IUPAC.

[2] Gli elementi del Gruppo 16 della tavola periodica sono chiamati calcogeni. È costituito dagli elementi ossigeno (O), zolfo (S), selenio (Se), tellurio (Te) e dal radioattivo polonio (Po). Questo gruppo è anche noto come la famiglia dell’ossigeno. Tuttavia di norma, l’ossigeno viene escluso del termine “calcogeno”, a causa del suo comportamento chimico molto diverso da zolfo, selenio, tellurio e polonio. La parola “calcogeno” deriva dalla combinazione della parola greca khalkόs che significa principalmente rame (il termine usato anche per bronzo e ottone), e dalla latinizzata genēs, che significa nato o prodotto

[3]Franz-Joseph Müller von Reichenstein (1740/1742 – 1825/1826) è stato un mineralogista e ingegnere minerario austriaco. Müller ricoprì diversi incarichi nell’amministrazione imperiale asburgica delle miniere e del conio in Transilvania e in Tirolo. Durante il suo periodo in Transilvania scoprì il tellurio nel 1878.

[4] Pál Kitaibel (1757 – 1817) è stato un botanico e chimico ungherese. Nel 1794 divenne professore e insegnò queste materie a Pest. Oltre a studiare la flora e l’idrografia dell’Ungheria, nel 1789 scoprì l’elemento tellurio, ma in seguito diede il merito a Franz-Joseph Müller von Reichenstein che lo aveva scoperto nel 1783.

[5] Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) è stato un farmacista e chimico tedesco. Dopo il lavoro nella sua importante farmacia si trasferì all’università. Klaproth è stato un importante sistematizzatore della chimica analitica, inventore indipendente dell’analisi gravimetrica. Fu una figura di spicco nel comprendere la composizione dei minerali e caratterizzare gli elementi. Klaproth scoprì l’uranio (1789) e lo zirconio (1789). Fu anche coinvolto nella scoperta o nella riscoperta di titanio (1792), stronzio (1793), cerio (1803) e cromo (1797), e confermò le precedenti scoperte di tellurio (1798) e berillio (1798).

[6] http://www.handbookofmineralogy.com/pdfs/weissite.pdf

[7] NdR. Personalmente starei molto attento con i batteri, potrebbero mutarsi in una specie divoratrice dei manufatti contenenti composti di tellurio…

La penna a sfera e il suo inventore, Laszlo Biro

In evidenza

Rinaldo Cervellati

La penna a sfera, comunemente nota come penna biro, o semplicemente “biro”, è una penna che eroga inchiostro (di solito in forma di pasta) da una punta metallica a forma sferica. Il metallo comunemente usato è acciaio, ottone o carburo di tungsteno. Il modello è stato concepito e sviluppato come un’alternativa più pulita e affidabile alle “cannette” a pennino tuffato nei calamai e alle penne stilografiche, ed è ora lo strumento di scrittura più utilizzato al mondo: ne vengono fabbricati e venduti circa 14 milioni al giorno. L’inchiostro di questa penna di solito penetra attraverso la carta più facilmente rispetto ad altri tipi di penne. Di conseguenza, la biro ha influenzato anche la progettazione grafica dando luogo a un genere di opere d’arte.

Esempio di opera realizzata con penne biro

La penna prodotta dalla Bic ha un posto permanente nella collezione del Museum of Modern Art di New York.

Il concetto di utilizzare una “punta a sfera” all’interno di uno strumento di scrittura come metodo per applicare l’inchiostro sulla carta esisteva fin dalla fine del XIX secolo. In queste invenzioni, l’inchiostro veniva inserito in un tubo sottile la cui estremità era bloccata da una pallina, trattenuta in modo tale da non poter scivolare nel tubo o cadere dalla penna.

Il primo brevetto per una penna a sfera fu rilasciato il 30 ottobre 1888 a John J. Loud[1], che stava tentando di realizzare uno strumento in grado di scrivere su superfici ruvide, come legno, carta da pacchi grossa e altri articoli, che le penne stilografiche non potevano fare. La penna di Loud aveva una piccola sfera d’acciaio rotante, trattenuta da un morsetto. Sebbene potesse essere usata per marcare superfici ruvide come la pelle si rivelò troppo dura per scrivere lettere. Senza fattibilità commerciale, il suo potenziale non fu sfruttato e il brevetto alla fine scadde.

La produzione di penne a sfera economiche e affidabili come quelle odierne sono nate dalla sperimentazione, dalla chimica moderna e dalla capacità di fabbricazione di precisione dell’inizio del XX secolo. I brevetti depositati in tutto il mondo durante i primi sviluppi sono testimoni di tentativi falliti di rendere le penne commercialmente valide e ampiamente disponibili. Le prime penne a sfera non distribuivano uniformemente l’inchiostro; traboccamento e intasamento sono stati tra gli ostacoli che gli inventori hanno dovuto affrontare per sviluppare penne a sfera affidabili. Se la presa sulla sfera era troppo stretta o l’inchiostro troppo spesso, non avrebbe raggiunto la carta. Se la presa era troppo lenta o l’inchiostro fosse troppo sottile, la penna avrebbe avuto perdite o l’inchiostro avrebbe macchiato.

László Bíró, giornalista ungherese, frustrato dalla quantità di tempo che sprecava riempiendo penne stilografiche e ripulendo le pagine macchiate, notò che gli inchiostri utilizzati nella stampa dei giornali si asciugavano rapidamente, lasciando la carta asciutta e senza sbavature. Decise di creare una penna usando un analogo tipo di inchiostro. Bíró chiese l’aiuto di suo fratello György, un chimico, a sviluppare formule di inchiostro viscoso per nuovi modelli di penna a sfera.

L’innovazione di Bíró accoppiò con successo un inchiostro di viscosità giusta con una sferetta metallica e meccanismo a bussola che agivano in modo coordinato per evitare che l’inchiostro si asciugasse all’interno del serbatoio consentendo un flusso controllato. Bíró presentò la sua invenzione alla Fiera Internazionale di Budapest nel 1931 e depositò un brevetto a Parigi nel 1938.

László Bíró

Ma, qual è stata la vita di László Bíró ?

Nacque il 29 settembre 1899 a Budapest, figlio di Mózes Mátyás Schweiger e di Janka, nata Ullmann, entrambi di origine ebraica. Il suo nome di famiglia è in realtà László József Schweiger, successivamente ispanizzato in Ladislao José Biro. Dopo aver intrapreso gli studi medici, il giovane László si interessò di ipnosi, una tecnica che al tempo godeva di grande popolarità, con successo anche economico. László abbandonò gli studi e si dedicò ai lavori più disparati: negli anni venti e trenta fu pilota di automobili, doganiere, agente di borsa, pittore di quadri surrealisti e collaboratore del settimanale Avanti. Nel tempo libero, invece, Bíró si dilettava a progettare e creare congegni insieme al fratello György. Dal sodalizio tra i due fratelli nacquero diverse invenzioni, ad esempio un vetro resistente ad alte temperature, un prototipo di lavatrice, una serratura anti-scassinamento e un cambio meccanico automatico per auto, quest’ultimo venduto nel 1932 alla General Motors.

Nel 1940, i fratelli Bíró e tutta la famiglia fuggirono dalla Francia occupata per evitare le persecuzioni naziste e si rifugiarono prima in Spagna e poi in Argentina, dove László ottenne la cittadinanza e vi restò per tutta la vita. In Argentina, insieme a Juan Jorge Meyne, formarono la “Bíró Pens of Argentina”, producendo un nuovo modello di penna a sfera e depositando il brevetto nel 1943. La loro penna fu venduta in Argentina come “Birome” (acronimo dei nomi Bíró e Meyne).

Pubblicità della Birome

I costi di produzione erano però piuttosto elevati e la penna a sfera risultava essere un prodotto d’élite. Le pionieristiche intuizioni di Bíró, infatti, non furono seguite da un successo industriale e commerciale. Il nuovo modello fu concesso in licenza all’inglese Henry Martin, che produsse penne a sfera chiamandole “biro” per gli equipaggi della RAF. Le penne a sfera risultavano infatti più versatili delle penne stilografiche, specialmente ad alta quota, dove queste ultime erano soggette a perdite di inchiostro.

Disilluso dallo scarso successo del suo prodotto in Argentina, László Bíró vendette il brevetto a Marcel Bich[2], un industriale piemontese naturalizzato francese. Bich ideò un modello di penna pratico ed economico, utilizzando materiali meno costosi e facilitando il passaggio dell’inchiostro dal tubo alla sfera, riuscendo a produrre una penna abbattendo i costi del 90% e avviando la sua produzione in serie. Togliendo la “h” finale del suo nome, a partire dal dicembre 1950 la Société Bic commercializzò la prima penna a sfera in Europa (la penna, chiamata BIC Crystal, costava cinquanta centesimi di franco). Alla fine degli anni cinquanta, Bic deteneva il 70% del mercato europeo. Negli USA la penna di Bíró non era stata brevettata e diverse industrie (Parker, Sheaffer e Waterman) cominciarono a far concorrenza alla penna europea, ma la Société Bic acquistò il 60% delle penne Waterman nel 1958 arrivando al 100% nel 1960. La penna Bic fu quindi commercializzata in tutto il mondo, con uno sfolgorante successo.

Penne a sfera Bic nei 4 colori principali

Bíró, a causa della sua incapacità di gestione imprenditoriale, a differenza di Bich non si arricchì con i guadagni della sua invenzione, e da quel momento in poi condusse una vita modesta. Continuò a dipingere e a progettare nuove invenzioni. Lavorò dapprima per un’altra azienda argentina produttrice di penne a sfera, fondata da un vecchio fornitore della “Bíró Pens of Argentina”, e poi al servizio del governo argentino per conto del quale studiò l’uranio arricchito. Si spense, infine, a Buenos Aires il 24 ottobre 1985. In Argentina si festeggia la «giornata degli inventori» il 29 settembre, giorno della nascita di Biro, gli è stato inoltre dedicato un asteroide (Il 327512) Biro, scoperto nel 2006.

L’inchiostro della penna a sfera è normalmente una pasta contenente circa il 25-40% di colorante. I coloranti sono sospesi in un solvente organico. I solventi più comuni sono l’alcol benzilico o il fenossietanolo, che si mescolano ai coloranti per ottenere una pasta liscia che asciuga rapidamente. I coloranti utilizzati nelle penne a sfera blu e nere sono coloranti a base di triarilmetano e coloranti acidi derivati da composti diazoici o ftalocianina. I coloranti comuni con inchiostro blu (e nero) sono il blu di Prussia, il blu di Victoria, il viola di metile, il viola di cristallo e il blu di ftalocianina. Il colorante eosina è comunemente usato per l’inchiostro rosso.

BIC continua a dominare il mercato anche nel 21° secolo. Parker, Sheaffer e Waterman hanno un piccolo mercato esclusivo di stilografiche e costose penne a sfera. La versione moderna molto popolare della penna di Laszlo Biro, la BIC Crystal, ha un fatturato giornaliero di 14 milioni di pezzi in tutto il mondo. Biro è ancora il nome generico per la penna a sfera usata nella maggior parte del mondo.

Opere consultate

https://en.wikipedia.org/wiki/Ballpoint_pen

https://en.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1szl%C3%B3_B%C3%ADr%C3%B3

https://it.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1szl%C3%B3_B%C3%ADr%C3%B3

La storia di Ladislao José Biro, inventore della penna a sfera

https://www.ilpost.it/2016/09/29/ladislao-jose-biro/

Inventor Laszlo Biro and the Battle of the Ballpoint Pens

https://www.thoughtco.com/ballpoint-pens-laszlo-biro-4078959

[1] John Jacob Loud (1844 – 1916), statunitense, è stato un inventore noto per aver progettato il primo tipo di penna a sfera.

[2] Marcel Bich (1914 – 1994) è stato un imprenditore italiano nato a Torino, naturalizzato francese nel 1930. La sua capacità imprenditoriale spaziò dalla penna a sfera ad accendini, rasoi, calze e collant, windsurf e barche a vela.

I miei primi trent’anni di depurazione

In evidenza

Mauro Icardi

Marzo 2020. Festeggio il traguardo di trent’anni di attività nel settore della depurazione e più ampiamente nel settore della gestione del ciclo idrico. Il bilancio dell’attività di lavoro è ampiamente positivo. Trent’anni significano un discreto bagaglio di conoscenze ed esperienze. Come ho sempre scritto sulle pagine di questo blog, ritengo indispensabile l’attività di formazione continua. Questo perché praticamente in quasi tutti i settori lavorativi le tecnologie cambiano e si modificano. La tecnica consolidata di trattamento delle acque reflue, cioè la depurazione biologica a fanghi attivi è ormai utilizzata dal 1914, quando gli ingegneri inglesi Edward Arden e William T. Locket presentarono questo tipo di tecnologia alla Società inglese di chimica industriale.

Gli inglesi insieme ai francesi ,furono i pionieri di questa tecnica, che permise di risolvere gravi problemi di salute pubblica in città in crescita tumultuosa come Londra e Parigi. La depurazione delle acque moderna è un settore che coinvolge diverse categorie di tecnici e ricercatori. Biologi, Chimici Industriali, Ingegneri sanitari e ambientali. La tecnologia di depurazione a fanghi attivi che è un invenzione sconosciuta ai più, adesso necessita dell’ausilio di altre tecniche che possano essere utilizzate a supporto. Questo perché le nostre acque, sia superficiali che residuali, sono ogni anno di più minacciate da nuove molecole, da nuovi inquinanti che hanno diminuito la funzionalità degli impianti di depurazione esistenti. Il problema non è recentissimo, basti pensare ad esempio alla questione dei tensioattivi, che risale agli anni 70. Il massiccio uso di detersivi sintetici, in sostituzione dei normali saponi che funzionavano meno bene quando venivano utilizzati in acque con grado di durezza particolarmente elevata, riempì i corsi dei principali fiumi italiani di coltri di schiume.

Quando si iniziarono a produrre detergenti totalmente sintetici dopo la seconda guerra mondiale si utilizzò il propilene come materia prima per produrli. Il propilene era un sottoprodotto abbondante e quindi economico dell’industria petrolifera. La reazione di solfonazione del propilene per produrre olefine come materia prima per i detergenti non funzionava però troppo bene (il gruppo solfonato è uno dei solubilizzanti utilizzati nella formulazione dei tensioattivi anionici) .  Produceva una miscela di olefine di difficile utilizzo. Quindi si pensò di utilizzare il benzene come materia prima e di solfonare l’anello benzenico. Le molecole aromatiche come il benzene fanno parte di quel gruppo di molecole chiamate “recalcitranti” alla degradazione da parte dei microrganismi, che non riescono a servirsene come fonte di carbonio per il loro metabolismo. Quando il problema delle schiume allarmò sia le autorità, che la pubblica opinione venne imposto per legge che i tensioattivi fossero resi biodegradabili. In realtà la dicitura fu biodegradabile all’80%, e negli anni 70 ricordo che negli spot di Carosello ne sentivo spesso parlare.

Nella formulazione dei tensioattivi i gruppi aromatici vennero sostituiti, in tutto o parzialmente da gruppi alifatici lineari più “appetibili” per i microrganismi. Negli stessi anni in Italia venne promulgata la legge 319/76 detta “Legge Merli” che ancora oggi viene ricordata, per l’impatto che ebbe a livello sociale, essendo la prima legge ad imporre dei limiti allo scarico per le attività produttive che recapitavano i reflui di depurazione in fognatura pubblica, sia per gli impianti di depurazione centralizzati che si cominciarono a costruire in maniera diffusa, anche se alcuni erano già stati realizzati anche molti anni prima.

Questa legge ebbe però il merito di iniziare un percorso ancora in essere, nel quale si punta a dare regole unitarie, ad imporre limiti via via più restrittivi e regole condivise anche a livello europeo. I nuovi inquinanti che da diversi anni sono venuti alla ribalta (metaboliti di farmaci e droghe, molecole come i PFAS di nulla biodegradabilità), impongono riflessioni e sforzi che non possono né essere procrastinati, né sottovalutati. Questo non è l’unico problema da affrontare. Esiste un problema di modifica del regime delle precipitazioni in Italia come nell’intero pianeta, a causa del riscaldamento globale, (non uso il termine cambiamento climatico, perché potrebbe indurre qualcuno a pensare che non vi sia una responsabilità diretta legata allo smodato uso dei combustibili fossili.) La comunità scientifica è concorde sul fatto che il nostro modo di stare sul pianeta vada nella direzione opposta a quello che le leggi fisiche ci impongono. L’acqua è distribuita in maniera ineguale. Depurarla richiede tecniche nuove e quindi investimenti che devono essere coordinati. L’acqua è un bene comune, su questo sono completamente d’accordo. Fatta questa affermazione di principio, ritengo che dobbiamo educare ed educarci ad averne cura e rispetto. La demagogia, le fake news sono un altro problema sottovalutato. Il web è pieno di soggetti che vendono soluzioni miracolistiche come il Dottor Dulcamara dell’Elisir d’Amore di Donizetti. Dopo trent’anni di “militanza chimica” nel settore (il riferimento ovvio è a Primo Levi, il chimico militante per eccellenza), provo ancora un gran senso di fastidio quando leggo pubblicità di sedicenti prodotti miracolosi, per la depurazione dell’acqua. In questo caso dell’acqua di rubinetto. Acque alcaline, ionizzate ed altre amabili sciocchezze. Per conoscere l’acqua cominciamo a studiare la sua molecola. Ripassiamo la chimica. Poi potremo dedicarci ad altri concetti. Microbiologia, principi basilari di idraulica.

A partire da quest’anno l’impianto dove lavoro subirà un profondo intervento di ristrutturazione. Saranno modificati gli areatori della vasca di ossidazione, sarà dotato di tecnologie a membrana, di un trattamento terziario più efficiente. Il laboratorio dove opero sta iniziando la fase di accreditamento. Provo ovviamente una certa soddisfazione. Come cittadino, ancor prima che come addetto a questo servizio. Non posso però non ricordare che i tempi per arrivare a questo risultato sono stati piuttosto lunghi. Ci è voluto un decennio per costituire il gestore unico a livello provinciale. E la critica alla politica è a mio parere doverosa. Per spronare sia la classe politica stessa, che noi cittadini che in fondo ne siamo lo specchio, a mutare atteggiamento. Le polemiche e i litigi da cortile non portano nessun risultato utile e pratico. Di acqua sento parlare da decenni. Non sempre in maniera corretta. Credo sia il momento di avere un atteggiamento decisamente diverso. Non ci dobbiamo preoccupare solo del ciclo idrico. Abbiamo diverse sfide a livello ambientale e di gestione del territorio e dell’ambiente che si devono necessariamente approcciare in maniera molto concreta.

I miei primi trent’anni da chimico della depurazione li ho raggiunti. Non posso che guardare al futuro. C’è ancora molto lavoro da fare. E molta divulgazione, studio e ricerca necessari. Indispensabili.