Popular weed killer demasculinizes frogs, disrupts their sexual development, UC Berkeley study shows
04 April 2002
By Robert Sanders, Media Relations
Berkeley The nation’s top-selling weed killer, atrazine, disrupts the sexual development of frogs at concentrations 30 times lower than levels allowed by the Environmental Protection Agency (EPA), raising concerns about heavy use of the herbicide on corn, soybeans and other crops in the Midwest and around the world.
 An African clawed frog, Xenopus laevis |
A restricted herbicide, atrazine is used primarily on crops, not around the home, and can be purchased and applied only by certified applicators.
In un articolo nel numero del 16 aprile dei Proceedings of the National Academy of Sciences, l’Università della California, Berkeley, l’endocrinologo dello sviluppo Tyrone B. Hayes, professore associato di biologia integrativa, e i suoi colleghi riferiscono che l’atrazina a livelli spesso trovati nell’ambiente demasculinizza i girini e li trasforma in ermafroditi – creature con caratteristiche sessuali sia maschili che femminili. L’erbicida abbassa anche i livelli dell’ormone maschile testosterone nelle rane maschio sessualmente mature di un fattore 10, a livelli inferiori a quelli delle rane femmine normali.
Come Hayes ha poi scoperto, molti stagni contaminati dall’atrazina nel Midwest contengono rane leopardo native con le stesse anomalie.
“Le rane esposte all’atrazina non hanno sistemi riproduttivi normali”, ha detto. “I maschi hanno ovaie nei testicoli e organi vocali molto più piccoli”, che sono essenziali per chiamare potenziali compagne.
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Non è chiaro se queste anomalie portano ad una ridotta fertilità. Hayes ora sta cercando di determinare come le anomalie influenzino la capacità delle rane di produrre prole.
“L’uso di atrazina nell’ambiente è fondamentalmente un esperimento incontrollato – sembra non esistere un ambiente privo di atrazina”, ha detto Hayes. “Poiché è così diffusa, gli ambienti acquatici sono a rischio”.
Perché l’erbicida è in uso da 40 anni in circa 80 paesi, il suo effetto sullo sviluppo sessuale nelle rane maschio potrebbe essere uno dei molti fattori del declino globale degli anfibi, ha aggiunto.
Le scoperte arrivano in un momento in cui l’EPA sta rivalutando i livelli consentiti di atrazina nell’acqua potabile, che oggi sono di 3 parti per miliardo (ppb), e ha redatto nuovi criteri per la protezione della vita acquatica, limitando l’esposizione media di quattro giorni a 12 ppb. Hayes ha trovato ermafroditismo nelle rane a livelli di 0,1 ppb. Anche con i limiti di oggi, livelli di 40 ppb di atrazina sono stati misurati nell’acqua piovana e di sorgente in alcune parti del Midwest, mentre l’atrazina nel deflusso agricolo può essere presente a diverse parti per milione.
L’erbicida contamina anche le forniture di acqua potabile in molte comunità del Midwest, portando alcuni gruppi ambientalisti a esprimere preoccupazione per i suoi effetti su bambini, neonati e feti. Francia, Germania, Italia, Svezia e Norvegia sono tra i paesi che hanno vietato l’uso dell’atrazina.
“Questo è un lavoro molto importante ed elegante”, ha detto Theo Colborn, PhD, uno scienziato senior del World Wildlife Fund e un esperto riconosciuto a livello internazionale sulle sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino. “Il lavoro di Tyrone dimostra la necessità di fare ricerca sulla sicurezza delle sostanze chimiche nel campo in cui gli animali vivono e ai livelli a cui sono esposti. I cambiamenti che ha trovato nelle gonadi non sono stati scoperti con i tradizionali esperimenti con atrazina ad alte dosi usati in passato. Inoltre, l’esame al microscopio degli organi interni delle rane è necessario per individuare gli effetti nascosti dell’esposizione a basse dosi”.
Fino ad oggi, gli effetti dell’atrazina su mammiferi e anfibi sono stati testati solo a grandi dosi, non a dosi che si trovano comunemente nell’ambiente.
Nel loro articolo, Hayes e i suoi colleghi scrivono: “Le dosi efficaci nello studio attuale … dimostrano la sensibilità degli anfibi rispetto ad altri taxa, convalidano l’uso degli anfibi come sensibili monitor/sentinelle ambientali, e sollevano preoccupazioni reali per gli anfibi in natura”.
Hayes dubita che l’atrazina abbia effetti così gravi sugli esseri umani, perché l’erbicida non si accumula nei tessuti e gli esseri umani non passano la loro vita in acqua come fanno le rane. Tuttavia, gli effetti dell’atrazina sulle rane potrebbero essere un segno che l’erbicida sta influenzando sottilmente anche gli ormoni sessuali umani, interferendo con gli androgeni, come il testosterone, che controllano le caratteristiche sessuali maschili.
Alcuni studi in cultura cellulare indicano una possibile spiegazione biochimica per gli effetti osservati sugli organi sessuali degli anfibi. John P. Giesy, professore di zoologia alla Michigan State University di East Lansing, e i suoi colleghi hanno scoperto l’anno scorso che, a grandi dosi, l’atrazina aumenta la produzione dell’enzima aromatasi, che converte gli ormoni androgeni in ormoni estrogeni. Estrapolando questi risultati dalle cellule dei mammiferi agli anfibi, Hayes sostiene che l’atrazina potrebbe femminilizzare le rane maschio promuovendo la conversione degli ormoni maschili in ormoni femminili. L’abbassamento degli androgeni interferirebbe con lo sviluppo della laringe, mentre l’aumento degli estrogeni promuoverebbe le ovaie all’interno dei testicoli.
Più di 60 milioni di libbre dell’erbicida sono state applicate l’anno scorso nei soli Stati Uniti. Il produttore Syngenta stima che gli agricoltori usano l’erbicida per controllare le erbacce su circa due terzi di tutta la superficie di mais e sorgo degli Stati Uniti. In media, migliora la resa del mais di poco più del quattro per cento. Il composto è generalmente considerato sicuro, tuttavia, perché si decompone rapidamente nell’ambiente e, essendo solubile in acqua, viene rapidamente escreto dal corpo.
La vita acquatica, tuttavia, nuota e si riproduce nel deflusso dei campi contaminati dall’atrazina. Sebbene studi precedenti abbiano mostrato deformità e anomalie negli anfibi adulti solo a dosi molto alte, nessuno aveva esaminato in dettaglio i livelli ormonali nelle rane o gli effetti sui girini, lo stadio larvale delle rane.
Sollecitata dall’EPA, Syngenta si è rivolta ad Hayes, un esperto di ormoni degli anfibi, per scoprire se l’atrazina altera gli ormoni sessuali negli anfibi. Ha sviluppato diversi test molto sensibili per rilevare le sostanze chimiche che influenzano gli ormoni, compreso un test per sostanze chimiche simili agli estrogeni che potrebbero indurre il cancro al seno umano.
Anche se Hayes ha inizialmente ricevuto fondi da Syngenta per gli studi, tutti gli attuali studi pubblicati sono stati condotti indipendentemente da Syngenta.
Per i suoi test di laboratorio, ha usato la rana africana artigliata, Xenopus laevis, un popolare soggetto di ricerca che, come molte rane, è molto sensibile agli ormoni che imitano l’effetto dei loro stessi ormoni sessuali. Se allevati in uno stagno con estrogeni, per esempio, tutti i girini di Xenopus si trasformano in femmine. In presenza di androgeni, le rane sviluppano casse acustiche più grandi, o laringi.
In esperimenti di laboratorio a varie concentrazioni di atrazina, utilizzando due popolazioni separate di rane allevate in tre vasche separate – esperimenti replicati 51 volte – hanno trovato l’atrazina per influenzare lo sviluppo sessuale delle rane a concentrazioni di 0,1 ppb e superiori. Questo è 30 volte inferiore al limite consentito di 3 ppb nell’acqua potabile e 120 volte inferiore al limite di esposizione cronica proposto per la vita acquatica, 12 ppb.
A queste concentrazioni, ben il 16% degli animali aveva più del numero normale di gonadi – compreso un animale con sei testicoli – o aveva sia organi maschili che femminili (testicoli e ovaie). Nessun animale di controllo aveva queste anomalie.
Inoltre, mentre i maschi normali alla metamorfosi hanno organi vocali più grandi delle femmine, gli organi di oltre l’80% dei maschi esposti a 1 ppb o più di atrazina erano più piccoli della media. I maschi sessualmente maturi hanno mostrato una diminuzione di 10 volte dei livelli di testosterone, portandoli al di sotto dei livelli trovati nelle femmine normali. Questo suggerisce che l’atrazina agisce interrompendo la sintesi degli ormoni sessuali, il che potrebbe anche spiegare le laringi più piccole e le gonadi anormali.
“… i dati attuali sollevano nuove preoccupazioni per gli anfibi per quanto riguarda l’atrazina”, hanno scritto i ricercatori nel loro documento. “Se tali effetti si verificano in natura, gli animali esposti soffrirebbero di una ridotta funzione riproduttiva.”
Infatti, Hayes e i suoi colleghi hanno successivamente condotto una ricognizione degli stagni contaminati da atrazina nel Midwest per vedere se tali anomalie riproduttive si verificano nelle rane in natura. Hanno trovato molte rane leopardo native (Rana pipiens) con problemi simili, e ora stanno testando gli animali catturati per determinare se questi cambiamenti sono dovuti all’atrazina.
“L’atrazina sta ovviamente colpendo le rane”, ha detto Hayes. “Abbiamo dimostrato gravi effetti sul loro sviluppo sessuale. Dobbiamo porci le domande: “Quali sono i costi ambientali dell’uso dell’atrazina? Quale diversità abbiamo perso?”.
Hayes ha condotto lo studio con l’aiuto del recente destinatario del dottorato Nigel Noriega, del ricercatore associato Aaron Vonk e degli ex studenti universitari o attuali Atif Collins, Melissa Lee, Magdelena Mendoz e A. Ali Stuart, che sono tutti elencati come coautori del documento. Gli studi sono stati sostenuti dalla National Science Foundation.
Informazioni aggiuntive:
- Profilo su Tyrone Hayes