I neonicotinoidi, sono una classe di insetticidi chimici di sintesi sviluppata per proteggere le colture dagli insetti dannosi. La loro diffusione in agricoltura è iniziata soprattutto a partire dagli anni Novanta, quando si sono introdotte queste sostanze come alternativa ad alcune classi di insetticidi allora ampiamente utilizzate.
Il loro nome deriva dalla nicotina, un alcaloide prodotto naturalmente dalle piante di tabacco come sistema di difesa nei confronti degli insetti. I neonicotinoidi presentano infatti alcune analogie con la nicotina sia nella struttura chimica sia, soprattutto, nel modo in cui interferiscono con il sistema nervoso degli insetti.
La ricerca che portò allo sviluppo dei primi neonicotinoidi coinvolse aziende del settore agrochimico, tra cui Shell e Bayer, a partire dagli anni Ottanta. Il loro impiego si è successivamente esteso a numerose colture, grazie alla loro efficacia contro diversi insetti fitofagi e alla possibilità di applicarli attraverso differenti modalità di trattamento.
La nicotina come insetticida naturale
L’uso della nicotina come insetticida naturale rappresenta uno dei primi esempi storici di lotta chimica agli insetti dannosi. La sostanza è contenuta soprattutto nelle foglie del tabacco (Nicotiana tabacum), dove svolge naturalmente una funzione di difesa della pianta nei confronti degli erbivori.
Per lungo tempo sono stati utilizzati decotti e macerati di foglie di tabacco: la nicotina passava nell’acqua e si applicava il preparato ottenuto sulle piante per contrastare soprattutto afidi e altri insetti. Successivamente si svilupparono formulazioni più concentrate, tra cui il solfato di nicotina, impiegato soprattutto in frutticoltura e nel giardinaggio.
nicotina
La nicotina agisce sul sistema nervoso degli insetti. La sua struttura le permette di interagire con i recettori nicotinici dell’acetilcolina, interferendo con la normale trasmissione degli impulsi nervosi. L’alterazione prolungata dell’attività di questi recettori provoca prima iperstimolazione e successivamente paralisi, fino alla morte dell’insetto.
A differenza dei moderni neonicotinoidi, la nicotina naturale non è un insetticida sistemico della pianta. La sua azione dipende principalmente dal contatto con l’insetto e dall’ingestione del materiale trattato.
Il declino della nicotina come insetticida
Nonostante la sua efficacia, la nicotina presenta una elevata tossicità e problemi legati alla sicurezza degli operatori, degli animali e dell’ambiente. Queste caratteristiche, insieme alla disponibilità di insetticidi più moderni e selettivi, ne hanno progressivamente limitato l’impiego.
Nell’Unione europea la nicotina non è stata inclusa tra le sostanze attive autorizzate per l’impiego nei prodotti fitosanitari; una decisione del 2010 stabilì esplicitamente che, non essendo stata inclusa nella normativa europea sulle sostanze attive, la nicotina risultava vietata per l’uso come pesticida.
Di conseguenza, la nicotina non può essere utilizzata come normale insetticida nelle coltivazioni biologiche dell’UE. Questo rappresenta un esempio significativo di come l’origine naturale di una sostanza non sia sufficiente a determinarne l’ammissibilità in agricoltura biologica.
Lo studio della nicotina ha tuttavia avuto un’importanza fondamentale per la chimica degli insetticidi: proprio dalla conoscenza del suo meccanismo d’azione sui recettori nicotinici si è sviluppata la ricerca che ha portato alla successiva introduzione dei neonicotinoidi, composti di sintesi progettati per conservare alcune caratteristiche dell’azione della nicotina migliorandone altre proprietà.
Proprietà dei neonicotinoidi
Attività insetticida e azione sui recettori nicotinici dell’acetilcolina
A livello molecolare, i neonicotinoidi agiscono principalmente come agonisti dei recettori nicotinici dell’acetilcolina (nAChR) presenti nel sistema nervoso degli insetti. Questi recettori sono proteine di membrana che funzionano come canali ionici attivati da un ligando e partecipano alla trasmissione degli impulsi nervosi.
Meccanismo d’azione dei neonicotinoidi sui recettori nicotinici dell’acetilcolina
In condizioni normali, il neurotrasmettitore acetilcolina (ACh) si lega ai nAChR provocando l’apertura del canale e il passaggio di ioni attraverso la membrana della cellula nervosa. Il cambiamento del potenziale di membrana permette la trasmissione del segnale. L’acetilcolina viene quindi rapidamente idrolizzata dall’acetilcolinesterasi, interrompendo lo stimolo.
I neonicotinoidi possono legarsi agli stessi recettori e attivarli in modo anomalo e prolungato. La stimolazione persistente altera la normale trasmissione nervosa e può provocare ipereccitazione, perdita della coordinazione motoria, paralisi e infine morte dell’insetto.
Elevata efficacia e selettività
Una caratteristica importante dei neonicotinoidi è la loro elevata attività insetticida a basse dosi. La loro azione è legata alla particolare affinità per i nAChR degli insetti e alle differenze strutturali tra questi recettori e quelli presenti nei vertebrati.
La struttura molecolare dei neonicotinoidi comprende gruppi fortemente elettron-attrattori, come gruppi nitro o ciano, che contribuiscono alle proprietà elettroniche della molecola e alla sua interazione con il sito recettoriale. La selettività verso gli insetti, tuttavia, non dipende da un singolo gruppo funzionale, ma dall’insieme delle differenze strutturali e farmacologiche tra i recettori degli insetti e quelli dei vertebrati.
Questa differenza contribuisce alla maggiore sensibilità degli insetti all’azione insetticida rispetto ai mammiferi, pur non significando che i neonicotinoidi siano privi di effetti sugli organismi non bersaglio.
Proprietà sistemiche, assorbimento e distribuzione nella pianta
Molti neonicotinoidi possiedono proprietà sistemiche, che permettono alla sostanza attiva di essere assorbita dalla pianta e successivamente trasportata nei suoi tessuti. Questa caratteristica li distingue da numerosi insetticidi che agiscono prevalentemente sulla superficie della pianta.
L’assorbimento può avvenire attraverso le radici, quando il prodotto è applicato al terreno, oppure attraverso altre parti della pianta, in funzione della sostanza e della modalità di applicazione. I neonicotinoidi utilizzati per la concia delle sementi possono essere assorbiti durante la germinazione e la crescita della pianta.
Una volta assorbiti, alcuni di questi composti vengono traslocati prevalentemente attraverso lo xilema, il tessuto vascolare che trasporta acqua e sali minerali dalle radici verso le parti aeree. La sostanza attiva può quindi raggiungere foglie, germogli e altri tessuti in crescita.
La sistemicità costituisce un importante vantaggio agronomico, perché permette di proteggere parti della pianta non direttamente interessate dal trattamento. Tuttavia, la presenza della sostanza attiva o dei suoi metaboliti in polline e nettare può determinare l’esposizione di insetti impollinatori, rappresentando uno degli aspetti maggiormente studiati nell’ambito della sicurezza ambientale dei neonicotinoidi.
Persistenza e stabilità dei neonicotinoidi
La persistenza dei neonicotinoidi varia considerevolmente in funzione della struttura chimica della singola molecola, della matrice ambientale e delle condizioni di esposizione.
La stabilità alla luce, all’idrolisi e alla degradazione microbica non è infatti uguale per tutti i composti. Alcuni neonicotinoidi possono persistere per periodi relativamente brevi, mentre altri possono rimanere nel suolo per periodi più lunghi, soprattutto quando le condizioni ambientali rallentano i processi di degradazione.
Il tempo di dimezzamento nel suolo può quindi variare da settimane a molti mesi e, in determinate condizioni, anche oltre. La persistenza può prolungare l’effetto protettivo sulle colture, ma può anche aumentare la durata dell’esposizione degli organismi non bersaglio e favorire la presenza dei residui nell’ambiente.
Per questo motivo, la valutazione delle proprietà dei neonicotinoidi deve considerare contemporaneamente efficacia insetticida, sistemicità, stabilità e destino ambientale.
Principali neonicotinoidi
La famiglia dei neonicotinoidi comprende diverse molecole che possono essere distinte anche in base alla natura del gruppo funzionale elettronegativo coinvolto nell’interazione con i recettori nicotinici dell’acetilcolina. Le differenze nella struttura chimica influenzano proprietà come solubilità in acqua, sistemicità, persistenza, attività insetticida e comportamento ambientale.
Imidacloprid
imidacloprid
L’imidacloprid, sviluppato da Bayer negli anni Ottanta e commercializzato a partire dal 1991, è uno dei primi neonicotinoidi ad avere avuto un’ampia diffusione commerciale. La molecola appartiene al gruppo dei cloronicotinili e presenta un anello piridinico contenente cloro, associato a un gruppo nitroimmidazolidinico.
La sua elevata attività insetticida e le proprietà sistemiche ne hanno favorito l’impiego in numerose colture, attraverso trattamenti al terreno, applicazioni fogliari e soprattutto concia delle sementi. È stato utilizzato, tra l’altro, in colture come mais e barbabietola per il controllo di diversi insetti fitofagi.
L’imidacloprid ha trovato applicazione anche in medicina veterinaria, dove il principio attivo è stato utilizzato in prodotti destinati al controllo delle pulci e di altri parassiti esterni degli animali domestici.
Clothianidin
Il clothianidin è un neonicotinoide appartenente al gruppo dei tianicotinili. La sua struttura comprende un anello tiazolico contenente cloro e un gruppo nitroguanidinico a catena aperta.
La molecola è caratterizzata da un’elevata attività insetticida e da proprietà sistemiche, che ne hanno favorito soprattutto l’impiego nel trattamento delle sementi e del terreno. È stata utilizzata in particolare per la protezione delle colture nelle prime fasi dello sviluppo, quando le giovani piante possono essere esposte agli insetti presenti nel terreno.
Il clothianidin è inoltre un importante metabolita attivo del thiamethoxam: la trasformazione del thiamethoxam può infatti portare alla formazione di clothianidin, contribuendo all’attività biologica complessiva del trattamento.
Thiamethoxam
thiamethoxam
Il thiamethoxam, sviluppato da Ciba-Geigy e successivamente commercializzato da Syngenta, è stato introdotto alla fine degli anni Novanta. Appartiene ai tianicotinili e presenta un anello tiazolico clorurato associato a una struttura contenente un anello ossadiazinanico, caratterizzato dalla presenza di un atomo di ossigeno.
Una delle caratteristiche più importanti del thiamethoxam è la sua elevata solubilità in acqua, associata a una marcata attività sistemica. Dopo l’assorbimento, la sostanza può essere trasportata all’interno della pianta, raggiungendo diversi tessuti.
Queste proprietà ne hanno favorito l’impiego in numerose colture, tra cui cereali, cotone, ortaggi e altre colture agricole, attraverso applicazioni al terreno, trattamenti fogliari e concia delle sementi.
Thiacloprid
Il thiacloprid, sviluppato da Bayer e introdotto sul mercato nei primi anni Duemila, appartiene anch’esso ai cloronicotinili, ma presenta alcune importanti differenze strutturali rispetto all’imidacloprid.
La molecola contiene un anello piridinico clorurato e un gruppo cianoimminico, associato a una struttura eterociclica. La presenza del gruppo ciano contribuisce alle caratteristiche elettroniche della molecola e al suo comportamento nei confronti dei recettori nicotinici.
Il thiacloprid è stato utilizzato soprattutto nella protezione di frutteti, colture orticole e colza, contro diversi insetti fitofagi, tra cui afidi e coleotteri. Rispetto ad alcuni altri neonicotinoidi, presenta una tossicità acuta relativamente più bassa per le api, anche se la valutazione del rischio per gli impollinatori dipende dalla dose, dalla modalità di esposizione e dalle condizioni d’impiego.
Acetamiprid
L’acetamiprid, sviluppato dalla giapponese Nippon Soda e introdotto sul mercato negli anni Novanta, è un altro neonicotinoide appartenente ai cloronicotinili.
A differenza di imidacloprid e di altri composti caratterizzati da strutture cicliche più complesse, l’acetamiprid presenta una struttura aciclica nella porzione farmacofora e contiene un gruppo cianammidico.
Le sue proprietà hanno consentito un ampio impiego nella difesa di colture orticole, frutticole e ornamentali, soprattutto contro insetti come afidi e aleurodidi. La presenza del gruppo ciano è associata a una minore tossicità acuta per le api rispetto ad alcuni neonicotinoidi nitro-sostituiti, pur non rendendo la sostanza priva di effetti sugli impollinatori.
Nell’Unione europea l’acetamiprid occupa una posizione particolare perché, a differenza di diversi altri neonicotinoidi, il suo impiego è rimasto possibile anche in determinate applicazioni all’aperto, nel rispetto delle condizioni e delle autorizzazioni previste dalla normativa.
Dinotefuran
Il dinotefuran, sviluppato da Mitsui Chemicals e introdotto negli anni Duemila, presenta caratteristiche strutturali differenti rispetto ai neonicotinoidi contenenti anelli piridinici o tiazolici clorurati.
Appartiene al gruppo dei furanilnicotinili e contiene un anello tetraidrofuranico, privo di cloro, associato a un gruppo nitroguanidinico. Questa particolare struttura conferisce alla molecola un’elevata solubilità in acqua e una notevole mobilità all’interno della pianta.
Il dinotefuran è stato impiegato in diversi Paesi per la protezione di colture agricole e del tappeto erboso e anche nel controllo professionale di insetti infestanti in ambito urbano. La sua elevata sistemicità ne permette l’assorbimento e la distribuzione nei tessuti vegetali, caratteristica importante per il controllo di insetti che si alimentano della linfa.
Nitenpyram
Il nitenpyram, sviluppato da Takeda e introdotto sul mercato negli anni Novanta, è un neonicotinoide caratterizzato da una struttura aciclica e dalla presenza di un gruppo nitroenamminico.
Rispetto ad altri neonicotinoidi utilizzati in agricoltura, il nitenpyram presenta una persistenza relativamente bassa, caratteristica che ne ha limitato l’impiego come trattamento fitosanitario di lunga durata.
La molecola ha trovato invece un’importante applicazione in medicina veterinaria, soprattutto nei trattamenti sistemici contro le pulci degli animali domestici. Somministrato per via orale, è rapidamente assorbito e raggiunge il circolo sanguigno dell’animale; le pulci che si alimentano del sangue assumono così il principio attivo e sono rapidamente eliminate. La sua azione è relativamente breve, caratteristica che distingue il nitenpyram dai neonicotinoidi impiegati come prodotti fitosanitari persistenti.
Neonicotinoidi e insetti impollinatori
L’impatto dei neonicotinoidi sugli insetti impollinatori è uno degli aspetti più studiati della valutazione ecotossicologica di questi insetticidi. Il problema deriva in particolare dalle loro proprietà sistemiche: dopo l’assorbimento da parte della pianta, alcune di queste sostanze possono essere trasportate nei diversi tessuti e raggiungere anche nettare e polline, creando possibili vie di esposizione per le api e per altri insetti impollinatori. Un’ulteriore via di esposizione è rappresentata dalla guttazione, cioè dalla formazione di goccioline di linfa sulla superficie delle piante. L’EFSA ha preso in considerazione queste diverse modalità di esposizione nelle proprie valutazioni del rischio.
Effetti sul sistema nervoso e sul comportamento
I neonicotinoidi agiscono sui recettori nicotinici dell’acetilcolina del sistema nervoso degli insetti. L’esposizione può quindi interferire con la normale trasmissione nervosa e, a seconda della sostanza, della dose e della durata dell’esposizione, provocare effetti acuti oppure alterazioni subletali.
Tra gli effetti studiati vi sono modificazioni delle capacità motorie, dell’orientamento, dell’apprendimento e del comportamento di foraggiamento. Le alterazioni delle capacità di apprendimento possono, per esempio, interferire con la capacità delle api di associare gli stimoli olfattivi alle risorse alimentari. Anche l’orientamento e la capacità di ritornare all’alveare sono stati oggetto di numerosi studi sperimentali.
È tuttavia importante non attribuire automaticamente ogni alterazione comportamentale osservata in laboratorio a un fenomeno equivalente nelle condizioni naturali. L’entità degli effetti dipende infatti dalla concentrazione raggiunta dall’insetto, dalla durata e dalla modalità di esposizione e dalle caratteristiche della sostanza.
Effetti sulle colonie di api
Gli effetti dei neonicotinoidi non devono essere considerati esclusivamente in termini di mortalità individuale. Per gli insetti sociali, come l’ape mellifera (Apis mellifera), anche alterazioni relativamente modeste del comportamento delle operaie possono avere conseguenze sul funzionamento della colonia.
Sono stati studiati, tra gli altri, possibili effetti sull’attività di foraggiamento, sulla cura della covata, sull’approvvigionamento alimentare e sullo sviluppo della colonia. Per questo motivo le valutazioni del rischio considerano non soltanto la mortalità acuta, ma anche gli effetti cronici e subletali e le possibili conseguenze sulla sopravvivenza e sullo sviluppo della colonia. L’EFSA ha espressamente incluso questi aspetti nelle proprie valutazioni di imidacloprid, clothianidin e thiamethoxam.
Api mellifere, bombi e api solitarie
Il rischio non riguarda esclusivamente l’ape mellifera. Gli studi e le valutazioni ambientali considerano anche altri impollinatori, tra cui bombi e api solitarie, che possono differire notevolmente per comportamento, ciclo vitale, modalità di alimentazione ed esposizione ai pesticidi.
I bombi, per esempio, vivono in colonie annuali e possono essere esposti ai residui presenti nelle risorse floreali durante il periodo di attività della colonia. Le api solitarie, invece, non possiedono una struttura sociale paragonabile a quella dell’ape mellifera e dipendono direttamente dal successo riproduttivo delle singole femmine.
Queste differenze rendono necessario valutare il rischio specie per specie, evitando di estendere automaticamente i risultati ottenuti su un determinato impollinatore a tutti gli altri. Proprio la necessità di considerare separatamente api mellifere, bombi e api solitarie è stata sottolineata dall’EFSA nelle proprie valutazioni.
Contaminazione del suolo e delle piante spontanee
L’esposizione degli impollinatori non è necessariamente limitata alla coltura direttamente trattata. La presenza dei neonicotinoidi nel suolo e la loro successiva disponibilità per le piante possono determinare ulteriori vie di esposizione.
Le sostanze presenti nel terreno possono infatti essere assorbite dalle piante e, in determinate condizioni, raggiungere i tessuti che sono utilizzati dagli insetti come fonte di alimento. Anche la vegetazione spontanea presente nelle aree agricole può quindi rappresentare una possibile componente dell’esposizione ambientale.
La persistenza e il comportamento nel suolo, tuttavia, variano considerevolmente tra le diverse molecole e in funzione delle condizioni ambientali. Per questo non è corretto affermare in generale che tutti i neonicotinoidi rimangano per anni nel terreno o che producano necessariamente una contaminazione prolungata.
Nel complesso, la valutazione dell’impatto sui pronubi deve quindi considerare l’intero percorso della sostanza: applicazione, assorbimento da parte della pianta, distribuzione nei tessuti, presenza in nettare e polline, residui nel suolo e modalità di esposizione dell’insetto. Le valutazioni dell’EFSA hanno evidenziato rischi per le api associati a diversi impieghi di imidacloprid, clothianidin e thiamethoxam.
Restrizioni e normativa sull’impiego dei neonicotinoidi
Nell’Unione europea, l’impiego dei neonicotinoidi è stato progressivamente limitato soprattutto per i rischi evidenziati nei confronti delle api e degli altri impollinatori. Nel 2013 si introdussero restrizioni per imidacloprid, clothianidin e thiamethoxam. Nel 2018 la Commissione europea ne ha vietato tutti gli impieghi all’aperto, lasciando possibile l’utilizzo esclusivamente nelle serre permanenti. Le autorizzazioni di queste tre sostanze sono successivamente scadute senza rinnovo.
Anche il thiacloprid non è più approvato nell’UE dal 2020. L’acetamiprid, invece, è tuttora approvato come sostanza attiva, con condizioni d’impiego stabilite dalla normativa europea.
La normativa europea sottopone inoltre i prodotti fitosanitari a valutazioni del rischio per la salute umana e per l’ambiente, mentre i limiti massimi di residui negli alimenti sono disciplinati separatamente dalla legislazione europea.
Alternative ai neonicotinoidi
I neonicotinoidi hanno rappresentato una classe importante di insetticidi grazie alla loro elevata attività, alla sistemicità e alla possibilità di proteggere le piante da numerosi insetti fitofagi anche attraverso il trattamento delle sementi e del terreno. Le loro caratteristiche chimiche e il particolare meccanismo d’azione ne hanno favorito un’ampia diffusione in agricoltura.
Gli studi sugli effetti sugli insetti impollinatori hanno tuttavia portato a una crescente attenzione verso le modalità di impiego, l’esposizione ambientale e la necessità di ridurre i rischi per gli organismi non bersaglio. In Europa questo processo ha determinato importanti restrizioni all’impiego di alcune delle principali molecole della classe.
Nel quadro di un’agricoltura orientata alla sostenibilità, i neonicotinoidi sono quindi considerati all’interno di strategie di difesa sempre più basate sulla prevenzione e sul monitoraggio delle infestazioni. La difesa integrata delle colture permette di combinare metodi agronomici, biologici e, quando necessario, prodotti fitosanitari selezionati in funzione del parassita e delle condizioni della coltura.
Tra le possibili alternative rientrano il controllo biologico, l’impiego di microrganismi e sostanze di origine naturale, le tecniche agronomiche e altri strumenti di gestione integrata. L’obiettivo è mantenere l’efficacia della protezione delle colture riducendo, per quanto possibile, l’impatto sugli ecosistemi agricoli.
