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Gli antibiotici e i loro prodotti di trasformazione nell’ambiente acquatico nel contesto dell’antibiotico-resistenza

Introduzione

I prodotti farmaceutici e per la cura personale (Pharmaceutical and Personal Care Products, PPCP) inclusi gli antibiotici, sono oggi riconosciuti tra i contaminanti emergenti di maggiore interesse nell’ambito della salvaguardia della qualità degli ecosistemi acquatici e per la salute pubblica. La loro diffusione nell’ambiente riflette i modelli di consumo e le modalità di utilizzo in ambito umano e veterinario, nonché l’efficienza, spesso incompleta, dei sistemi di trattamento delle acque reflue.

Negli ultimi anni, i report internazionali hanno evidenziato una riduzione del consumo di antibiotici in ambito veterinario tra il 2014 e il 2019, associata all’implementazione di politiche di stewardship antimicrobica (WOAH, 2023). Tuttavia, un successivo incremento del consumo nel periodo 2019-2021 evidenzia la persistenza del problema su scala globale (WOAH, 2024). Parallelamente l’antibiotico- resistenza (AMR) continua a rappresentare una delle principali minacce sanitarie a livello mondiale, con stime recenti di circa 4,95 milioni di decessi associati a infezioni resistenti nel 2019, di cui 1,27 milioni direttamente attribuibili all’AMR (Antimicrobial Resistance Collaborators, The Lancet, 2022). In questo contesto, il comparto ambientale è sempre più considerato non soltanto come recettore finale dei contaminanti, ma anche come possibile serbatoio e amplificatore della pressione selettiva che favorisce la comparsa e la diffusione di microrganismi resistenti.

Gli antibiotici sono impiegati in medicina umana, negli animali da reddito, in acquacoltura e, in alcuni contesti anche in agricoltura. Dopo la somministrazione, una quota rilevante delle molecole viene escreta tal quale o sottoforma di metaboliti e può raggiungere gli ambienti acquatici attraverso i reflui civili, ospedalieri, zootecnici e industriali. Gli impianti di trattamento delle acque reflue infatti, non sempre garantiscono una rimozione completa di questi composti, favorendone l’immissione nei corpi idrici superficiali e, in alcuni casi, nelle acque sotterranee. Questo fenomeno è di primaria importanza per la sanità pubblica, poiché si colloca all'interfaccia tra l'impiego degli antimicrobici nei comparti ambientale, animale e umano e la catena alimentare, favorendo l'insorgenza e la diffusione dell'antimicrobico-resistenza. La sua complessità impone quindi una lettura integrata, capace di considerare insieme salute umana, salute animale e ambiente secondo l’approccio One Health.

 

Quadro normativo e monitoraggio ambientale

In un contesto tutt’altro che uniforme a livello globale, il monitoraggio dei contaminanti emergenti, inclusi i PPCP nelle acque, trova nell’ Unione Europea, uno dei pochi esempi di sistema regolatorio strutturato. Il quadro generale è costituito dalla Direttiva Quadro sulle Acque 2000/60/CE che ha introdotto il “principio del buono stato ecologico e chimico delleacque superficiali, sotterranee, interne e di transizione”, imponendo agli Stati Membri l’adozione di programmi di monitoraggio e di misure di riduzione dell’inquinamento.  

Nel comparto delle acque superficiali, il quadro normativo europeo è stato ulteriormente rafforzato dalla Direttiva 2013/39/UE, la quale prevede, tra gli altri, il meccanismo della Watch List. Questo strumento di sorveglianza è stato concepito per raccogliere, a livello di Unione Europea, dati di monitoraggio armonizzati relativi a contaminanti emergenti potenzialmente rilevanti per gli ecosistemi acquatici e per la salute umana, ma per i quali le conoscenze disponibili non consentono ancora di definire standard di qualità ambientale giuridicamente vincolanti.

Le sostanze inserite nell’elenco vengono monitorate dagli Stati membri per un periodo di tempo limitato, secondo criteri condivisi, al fine di ottenere dati comparabili sulla loro presenza e distribuzione nell’ambiente. Le informazioni raccolte costituiscono la base scientifica per valutare l’eventuale inclusione di tali sostanze nell’elenco delle sostanze prioritarie e la conseguente adozione di misure regolatorie più stringenti.

La Watch List europea è un elenco aggiornato periodicamente di sostanze emergenti da sottoporre a monitoraggio nelle acque superficiali dell’Unione europea.
Il suo obiettivo non è introdurre immediatamente limiti normativi vincolanti, bensì raccogliere dati armonizzati e comparabili tra gli Stati Membri su sostanze che potrebbero rappresentare un rischio per l’ambiente o per la salute umana.
In questo senso, la Watch List rappresenta uno strumento “preparatorio” che consente di individuare precocemente contaminanti di potenziale interesse e di valutarne la diffusione ambientale Le evidenze generate attraverso il monitoraggio supportano le successive decisioni regolatorie, inclusa l’eventuale inclusione di tali sostanze tra quelle soggette a misure di controllo più stringenti.


Un ulteriore elemento qualificante del sistema europeo è la richiesta di metodi analitici con limiti di rilevazione molto bassi, spesso nell’ordine dei ng/L, indispensabili per intercettare contaminazioni diffuse ma presenti a basse concentrazioni.
Al di fuori dell’Unione europea, l’approccio al monitoraggio dei PPCP risulta più frammentato. In diversi Paesi, inclusi Stati Uniti e Cina, queste sostanze non sono ancora pienamente integrate nei programmi di monitoraggio regolatorio delle acque, contribuendo a una significativa disomogeneità nella disponibilità di dati ambientali.

Antibiotici nelle acque superficiali e sotterranee: dove si trovano e cosa sappiamo

Dal punto di vista della distribuzione geografica dei dati disponibili Europa, Asia e America rappresentano le aree maggiormente investigate, mentre Africa e Oceania presentano una significativa carenza di informazioni, evidenziando una marcata disomogeneità nelle conoscenze a livello globale. Parallelamente, si registra un crescente interesse per ambienti remoti, come l’Antartide, considerati sistemi sentinella per lo studio della contaminazione diffusa e per la valutazione della diffusione globale dei determinanti di resistenza.

Le matrici ambientali maggiormente investigate sono le acque superficiali, in particolare i sistemi fluviali, seguite dagli ambienti marini e lacustri. Le acque sotterranee risultano invece meno rappresentate nei programmi di monitoraggio, probabilmente anche a causa della limitata disponibilità di mappature e reti di campionamento dedicate (Jasechko et al., 2024). Per quanto riguarda le classi di antibiotici ricercate e rilevate più frequentemente, la letteratura evidenzia una prevalenza di sulfamidici, macrolidi, chinoloni, diamminopirimidine e tetracicline. Al contrario pleuromutiline, rifamicine, solfoni e aminoglicosidi risultano scarsamente studiati e raramente rilevati. Particolarmente rilevante è la quasi totale assenza di dati relativi a polimixine e carbapenemi, nonostante il loro ampio utilizzo in medicina umana e veterinaria. Le possibili motivazioni di queste carenze possono essere attribuite sia all’assenza di programmi di sorveglianza orientati verso queste molecole sia alle difficoltà analitiche dei laboratori deputati al controllo. Tra le singole sostanze, il sulfametossazolo rappresenta l’antibiotico più frequentemente rilevato a livello internazionale. Il suo ampio impiego in medicina umana e veterinaria, spesso in associazione con il trimetoprim per aumentarne l’efficacia terapeutica, contribuisce verosimilmente alla sua diffusa presenza nelle acque. Anche l’azitromicina, appartenente alla classe dei macrolidi, è stata frequentemente rilevata nei monitoraggi ambientali; tale evidenza potrebbe essere correlata al significativo incremento del suo utilizzo durante la pandemia di COVID-19 (do Nascimento et al., 2026). Di notevole importanza è il contributo della ciprofloxacina, uno degli antibiotici più utilizzati a livello mondiale per il trattamento delle infezioni urinarie e respiratorie, e della tetraciclina. Entrambe le molecole sono considerate contaminanti prioritari nell’ambito degli studi sull’antimicrobico-resistenza, in ragione della loro frequente presenza nell’ambiente e della loro associazione con processi di selezione e mantenimento di batteri resistenti (EFSA and ECDC, 2026).

La Figura 1 riporta la frequenza di rilevazione degli antibiotici maggiormente riscontrati secondo la letteratura nel periodo 2014-2024 (Rosato et al., 2025).

Figura 1. Antibiotici maggiormente rilevati (numero di osservazioni ≥ 30) nelle acque superficiali e sotterranee a livello internazionale tra il 2014 e il 2024

Destino ambientale degli antibiotici e prodotti di trasformazione

La valutazione ambientale degli antibiotici si concentra spesso sul composto “progenitore”, sebbene una quota rilevante della contaminazione può essere associata ai prodotti di trasformazione (Transformation Products, TP), generati sia a livello metabolico degli organismi, sia durante i processi di trattamento delle acque reflue. Gli impianti di depurazione convenzionali infatti, non garantiscono una completa rimozione dei residui di antimicrobici, creando, in alcuni casi, le condizioni adatte alla trasformazione delle molecole originarie in altre forme chimiche.

Una volta immessi nell’ambiente, gli antibiotici possono andare incontro processi fisici, chimici e biologici, tra cui: adsorbimento, migrazione e degradazione. I prodotti di trasformazione che ne derivano possono esibire effetti nocivi simili alle molecole progenitrici ed esercitare effetti tossici su piante e animali rappresentando un rischio per la stabilità degli ecosistemi. Inoltre possono contribuire indirettamente alla pressione selettiva sui microrganismi ambientali, inibendo la crescita e l’attività di alcune specie e favorendone altre, sostenendo cosi la diffusione della resistenza antimicrobica.

Gli antibiotici possono andare incontro a diversi processi di trasformazione e degradazione nell’ambiente, sia di natura abiotica sia microbiologica. Tra i principali meccanismi si possono distinguere:

  • Idrolisi: composti come i beta-lattamici, amfenicoli e macrolidi, caratterizzati da buona solubilità in acqua, risultano frequentemente suscettibili a reazioni di idrolisi una volta immessi nell’ambiente acquatico.
  • Fotolisi: gli antibiotici possono subire fenomeni di fotolisi nelle acque superficiali o quando legati al sedimento. La fotodegradazione diretta consiste nella rottura dei legami chimici attraverso transizioni elettroniche attivate dalle radiazioni ultraviolette e nello spettro del visibile. Dati di letteratura hanno evidenziato che molecole come il sulfametossazolo e la sulfadiazina presentano elevata tendenza alla fotodegradazione; di conseguenza, le concentrazioni rilevate nei monitoraggi ambientali potrebbero non riflettere pienamente la reale presenza ambientale, a causa della rapida trasformazione dei composti. La fotodegradazione indiretta mediata da fotosensibilizzatori naturali, quali humus, materia organica algale, che assorbendo energia luminosa, generano specie reattive dell’ossigeno e radicali liberi che possono reagire con le molecole di antibiotico, accelerandone la trasformazione.
  • Trasformazione biologica: negli impianti di depurazione a fanghi attivi, i microorganismi contribuiscono alla trasformazione degli antibiotici attraverso reazioni enzimatiche, tra cui processi di N-ossidazione (ad esempio per chinoloni e sulfamidici) e l’idrolisi degli anelli macrolidici.

La migrazione e la trasformazione dei composti nell’ambiente sono inoltre fortemente influenzate da fattori ambientali, come temperatura e mobilità dell’acqua, pH e intensità luminosa (Zhang et al., 2025).

Le conoscenze attualmente disponibili riguardo la diffusione e il grado di rischio per la salute umana dei TP sono ancora limitate e derivano prevalentemente da studi condotti in ambito europeo. Questo rappresenta una criticità importante, perché i TP sono spesso esclusi dalle attività di sorveglianza routinaria, pur potendo contribuire in misura significativa al rischio ecotossicologico e alla selezione di resistenze. Löffler e collaboratori, in uno studio pubblicato nel 2023, hanno stimato il rischio di sviluppare AMR associato a 32 TP appartenenti a diverse classi di antibiotici, tra cui lincosamidi, macrolidi, nitroimidazoli, penicilline, sulfamidici e tetracicline. La valutazione, basata sulle concentrazioni rilevate nelle acque superficiali raccolte in studi pubblicati tra il 2002 e il 2021, ha evidenziato come in molti casi i livelli di rischio stimati per i prodotti di trasformazione risultano comparabili a quelli dei rispettivi composti progenitori. Per alcuni TP della tetraciclina e del metronidazolo il rischio stimato è risultato addirittura superiore a quello del composto progenitore, mentre per l’amoxicillina stata osservata la tendenza opposta, con prodotti di trasformazione caratterizzati da un rischio inferiore rispetto alla molecola originaria. Un limite rilevante dello studio riguarda l’assenza di valori specifici di PNEC-AMR (Predicted No-Effect Concentration for Antimicrobial Resistance), per i prodotti di trasformazione. Questo parametro rappresenta la concentrazione al di sotto della quale non si ritiene probabile l’insorgenza di una pressione selettiva significativa in grado di favorire la comparsa o il mantenimento della resistenza antimicrobica. In mancanza di tali valori, la valutazione del rischio è stata effettuata mediante approcci indiretti basati sulla similarità strutturale tra il prodotto di trasformazione e il corrispondente composto progenitore.

Prospettive e conclusioni

L’antibiotico-resistenza rappresenta un fenomeno complesso e multidimensionale, in cui il comparto ambientale svolge un ruolo sempre più riconosciuto, non solo come recettore finale dei contaminanti, ma anche come possibile elemento di mantenimento e diffusione della pressione selettiva.

In questo contesto, il monitoraggio dei residui di antibiotici e dei relativi prodotti di trasformazione nelle matrici acquatiche costituisce uno strumento essenziale per migliorare la comprensione dei percorsi di esposizione e per identificare aree e condizioni ambientali potenzialmente critiche. L’integrazione di dati ambientali con quelli clinici e veterinari rappresenta un passaggio chiave per una valutazione più completa del rischio associato all’AMR.

Le attuali evidenze mostrano tuttavia una marcata disomogeneità nelle strategie di sorveglianza, sia in termini geografici sia metodologici, che limita la comparabilità dei dati e la costruzione di scenari globali affidabili. A ciò si aggiunge la necessità di ampliare il campo di osservazione oltre i soli composti progenitori, includendo in modo sistematico anche i prodotti di trasformazione, ancora scarsamente caratterizzati.

Il rafforzamento dei programmi di monitoraggio ambientale, l’armonizzazione dei protocolli analitici e lo sviluppo di indicatori condivisi rappresentano quindi elementi prioritari per migliorare la capacità di intercettare precocemente segnali di rischio e supportare politiche di mitigazione più efficaci. In ultima analisi, un approccio integrato coerente con la prospettiva One Health risulta fondamentale per affrontare in modo strutturale la sfida dell’antibiotico-resistenza, riducendo l’incertezza scientifica e rafforzando le strategie di protezione degli ecosistemi acquatici e della salute pubblica.

 

Bibliografia

  1. WOAH (World Organization for Animal Health), 2023. Annual report on antimicrobial agents intended for use in animals-7th report
  2. WOAH (World Organization for Animal Health), 2024. Annual report on antimicrobial agents intended for use in animals-8th
  3. Antimicrobial Resistance Collaborators, 2022. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis. Lancet 399 (10325), 629-655
  4. Jasechko, S., Seybold, H., Perrone, D., Fan, Y., Shamsuddhua, M., Taylor, R.G., Fallatah, O., Kirchner, J.W. “Rapid groundwater decline and some case of recovery in aquifers globally” Nature 625, 715-721, 2024
  5. Birelli do Nascimento, B., Belline Silva, B.G., Aparecido de Souza, L., Bilizario Nogueirol Andrade, J.C., de Sá Del Fiol, F. “From Widespread Use to Loss Effectiveness: The Consequences of Inappropriate Azithromycin Prescriptions During the COVID-19 Pandemic - A Systematic Review and Meta-Analysis” International Journal of Microbiology 8643896, 1-8, 2026
  6. EFSA (European Food Safety Authority), ECDC (European Centre for Disease Prevention), 2026. The European Union Summary Report on Antimicrobial Resistance in zoonotic and indicator bacteria from humans, animals and food in 2023–2024. EFSA Journal 2026; 24:e9887
  7. Rosato, R., Castellani, F., Ricci, M., Manucci, A., Di Simone, V., Scortichini, G., Saluti, G. “Antibiotics in the aquatic environment. A deep voyage across chemical occurence data, socio-economic relationships and international policies on antimicrobial consumption and resistance within 2014-2024” Science of the Total Environment 1002, 180543, 2025
  8. Zhang, Y., Jiang, J., Feng, M., Ye, C. “Transformation products of antibiotics: overlooked drivers for enhancing the environmental spread of antibiotic resistance” Journal of Environmental Exposure Assessment 4, 10, 2025
  9. Löffler, P., Escher B.I., Baduel, C., Virta, M.P., Yin Lai, F. “Antimicrobial Transformation Products in the Aquatic Environment: Global Occurence, Ecotoxicologiacl Risks, and Potential of Antibiotic Resistance” Environmental Science & Technology 57, 9474-9494, 2023.

Giorgio Saluti
Istituto Zooprofilattico Sperimentale dell'Abruzzo e del Molise "G. Caporale", Bromatologia e Residui dei Farmaci

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