Ecotoxicología 4

Universidad Nacional de San Martín - Carrera de Especialización en Evaluación de Contaminación Ambiental y su Riesgo Toxicológico.

1

6. Bioacumulación, bioconcentración y biomagnificación

¿Qué se entiende por bioacumulación ? Bioacumulación: es la acumulación neta de un contaminante en y sobre un organismo a partir de todas las fuentes, agua, aire, fases sólidas (alimento, suelo, sedimento, partículas en suspensión en aire y agua). Se define el Factor de bioacumulación como la relación entre la concentración del contaminante en el organismo y la concentración del contaminante en la potencial fuente (agua, alimento) ¿Qué se entiende por bioconcentración? Bioconcentración: acumulación neta de un contaminante en y sobre un organismo a partir del agua.

Se define el Factor de bioconcentración como la relación entre la concentración del contaminante en el organismo y la concentración del contaminante en el agua. biomagnificación? ¿Qué se entiende por biomagnificación? Biomagnificación: aumento en la concentración de un contaminante en un nivel trófico respecto del nivel trófico anterior, debido a la acumulación a través del alimento. Por ejemplo, desde presa a predador.

La Concentración del contaminante en el organismo: masa de contaminante/masa contaminante/ masa de organismo, ej, 25 µg Pb/g de tejido Carga de contaminante en el cuerpo (body burden) : masa de contaminante/individuo,

ej, 2.500 µg Pb por individuo. Es la cantidad total de contaminante en el cuerpo de un organismo. Para dos organismos que tengan la misma concentración de contaminante, contaminante, la carga será mayor para el organismo de mayor tamaño. La bioacumulación es el balance resultante de los procesos de captación, y eliminación de un contaminante en un organismo. ¿Cómo se determina el factor de bioconcentración para un determinado compuesto? BCF (estado estacionario): estacionario): Co/Ca ( o también K1/K2) K1/K2) donde Co: concentración del compuesto en el organismo en el estado estacionario Ca: concentración del compuesto en el agua K1: velocidad de asimilación del compuesto por el organismo K2: velocidad de eliminación del compuesto por el organismo

Estado estacionario: se refiere a una concentración constante del compuesto en un

organismo que resulta de los procesos de captación y eliminación. 1


2

El equilibrio no se alcanza inmediatamente cuando se produce la exposición. La concentración en el estado estacionario es entonces: a) máxima concentración esperada para un determinado contaminante y un organismo b) no depende del tiempo c) resulta de procesos de captación y eliminación. eliminaci ón. En un ensayo para la determinación del factor de bioacumulación realizado con organismos vivos, se considera que se ha alcanzado el estado estacionario cuando los resultados de tres análisis consecutivos, realizados a intervalos de dos días, no presentan diferencias de más de un 20% (Norma IRAM 29012-parte 16, Guía para el bioensayo de muestras) Qué factores condicionan la bioacumulación de un contaminante? 1. El contaminante (forma química a la cual está presente en el ambiente, la biodisponibilidad, la posibilidad de ser biotransformado y eliminado). 2. El organismo: Las características fisiológicas, bioquímicas y genéticas determinan la capacidad del organismo para la captar, biotransformar y eliminar el contaminante. contaminante. Por ejemplo, - la cantidad de lípidos en el organismo influye sobre la acumulación de contaminantes lipofílicos - los Hidrocarburos aromáticos polinucleares se acumulan en mejillones porque estos organismos no pueden biotransformarlos - las hembras de los grandes mamíferos marinos suelen tener menor carga de contaminantes que los machos, ya que eliminan una cantidad importante del contaminante a través de la leche. La leche en estos mamíferos es muy densa y con alto contenido graso. La hembra se libera del contaminante pero lo transfiere a la cría. comportamiento y la ecología determinan las rutas de exposición y la eficacia de El comportamiento captación desde una fuente potencial. Por ejemplo, un predador está expuesto a través de su presa, una especie que vive en la parte superficial de un cuerpo de agua no está expuesta a un contaminante asociado a sedimentos. (Relacionar con los conceptos de Hábitat y nicho ecológico)

3. Las condiciones ambientales : - afectan la especiación y la asociación a fases del contaminante (biodisponibilidad) - afectan el funcionamiento de los organismos (temperatura, ( temperatura, pH, salinidad). Las condiciones del microambiente en el sitio de interacción son tan importantes important es como las del ambiente general: ej, la química de las aguas de poro que rodean a una especie que vive en sedimentos afecta fuertemente la captación.

2


3

6.1 Bioacumulación de contaminantes inorgánicos

La bioacumulación depende de la velocidad de excreción del contaminante: por ejemplo, la bioacumulación del cadmio en animales es relativamente más elevada que para la mayoría de los otros metales dado que es asimilado rápidamente y excretado lentamente. La bioquímica de un organismo influye sobre el factor de bioconcentración: por ejemplo, los animales con esqueleto calcáreo o los moluscos pueden acumular plomo y estroncio en mayor medida que aquellos que no lo poseen puesto que ambas sustancias siguen una vía metabólica similar a la del calcio para la cual los organismos han desarrollado una alta eficiencia de asimilación. 6.1.1 Biodisponibilidad - las formas metiladas son captadas más rápidamente que las no metiladas (ej, metil -

-

mercurio) pH del medio, a pH reducido, algunos metales son más solubles que otros, por lo tanto se encuentran más biodisponibles. Una descarga de un efluente con pH ácido puede poner en solución metales inmovilizados en sedimentos. metales unidos a sedimentos, menor biodisponibilidad (ej, sulfuro de mercurio)

Figura 14. Concentración del mercurio desde el zooplancton, el camarón que se alimenta de zooplancton (Mysis relicta ), peces que se alimentan del camarón hasta la trucha de lago (S a lv e l in u s n a m a y c u s h ). La estructura trófica se ha determinado mediante la cuantificación 15 de la proporción de un isótopo del nitrógeno ( δ N) respecto del nitrógeno 14 en el tejido 15 de los organismos. La proporción del δ N aumenta aproximadamente un 3.4 x 1000 con cada intercambio trófico. Se evidencia una clara relación entre la concentración de mercurio y el nivel trófico de los individuos, indicando el fenómeno de biomagnificación. Smelt (O s m e r u s m o r d a x ), Alewife (A l o s a p s e u d o h a r e n g u s ), Sculpin (M y o x o c e p h a l u s thompsoni ), Cisco (Coregonu s artedii ) Fuente. - Newman, M. (Fundamentals of Ecotoxicology).

3


4

15

Figura 15. Correlación entre la concentración de mercurio y la estructura trófica ( δ N) de la trucha de lago en lagos de Canadá; la estructura trófica respecto de la trucha de lago es diferente en los distintos lagos. En algunos lagos no se encuentran los camarones o los peces de los cuales se alimenta la trucha, o ambos, dando lugar a distintas estructuras tróficas. 1: una estructura simple. 2: una estructura sin camarones. 3: una estructura más compleja, como la de la figura 14. En la mitad derecha de la figura están representadas las 15 concentraciones reales de mercurio y los δ N para la trucha de lago de siete lagos canadienses. Nótese que las truchas de estos lagos están en posiciones algo diferentes e intermedias entre los niveles discretos de estructura trófica. Fuente. Newman, M. (Fundamentals of Ecotoxicology).

6.2 Bioacumulación de contaminantes orgánicos 6.2.1 Organismos acuáticos:

En el estado estacionario, el factor de bioconcentración está determinado por la partición del compuesto entre el agua y los componentes hidrofóbicos del organismo. El factor de bioconcentración está en estrecha relación con las características químicas del contaminante en cuestión. En el caso de compuestos no polares (no solubles en agua), con elevada lipofilicidad (solubles en grasas), el compuesto tiende a permanecer en el organismo; si el organismo no puede metabolizarlo y eliminarlo, tiende a bioacumularse. El coeficiente de partición octanol/agua de una sustancia es el modelo utilizado para predecir la distribución de un compuesto orgánico entre el agua y los lípidos del organismo; se ha demostrado que existe una relación entre los factores de bioconcentración para los compuestos orgánicos lipofílicos y el valor del coeficiente de partición octanol/agua (K ow).

4


5

6.2.2 Organismos terrestres.

La vía de ingreso es el alimento y la de eliminación la vía metabólica; a diferencia del medio acuático donde el coeficiente de partición octanol/agua es el modelo utilizado para predecir la bioconcentración, no se han validado modelos predictivos para la bioacumulación a través del alimento. La posibilidad de biomagnificación debe ser considerada siempre en toda evaluación de riesgo ecológico La biomagnificación fue el fenómeno que provocó el cambio en la forma de encarar el cuidado del ambiente (dilución a boomerang) a partir de la tragedia de Minamata y el envenenamiento de pájaros con DDT. En general, los compuestos con alta lipofilicidad, sumado a una baja capacidad metabólica del compuesto por parte de los organismos , determinan su persistencia y bioacumulación (ej, metilmercurio, aldrin, dieldrin, DDT, PCB’s). Los organismos que ocupan los niveles superiores de las cadenas tróficas son los más afectados por el fenómeno de biomagnificación; por ejemplo, los grandes mamíferos marinos dado que las cadenas tróficas marinas son largas (por lo general más largas que las terrestres). Efectos asociados al fenómeno de biomagnificación: En los grandes mamíferos acuáticos, los contaminantes tienden a estar en los depósitos de grasas, pero cuando el organismo metaboliza las grasas en períodos de falta de alimento, los contaminantes pueden circular nuevamente por el organismo; se ha observado que durante veranos muy calurosos, disminuye la cantidad de fitoplancton, y por lo tanto de peces. Los delfines tienen menos alimento disponible y consumen sus tejidos grasos; el contaminante pasa a sangre y ejerce entonces su efecto sobre el organismo. Se han descripto aumento de enfermedades infecciosas sobre delfines (hongos y virus) atribuidas a este efecto. (Dra Marcela Junín, Museo de Ciencias Naturales) La Bioacumulación fue un hecho que marcó un cambio en la forma de enfocar los temas de contaminación y está asociada al surgimiento de la ecotoxicología.

5


6

Figura 16. Amplificación biológica de los PCBs (bifenilos policlorados) en una cadena alimentaria acuática en los Grandes Lagos (América del Norte). La mayoría de estos 209 compuestos orgánicos clorados, sintéticos y oleosos, son insolubles en agua, solubles en grasas y muy resistentes a la degradación química y biológica, propiedades que originan su bioacumulación en los tejidos de los organismos y su amplificación biológica en las cadenas y redes tróficas. Los efectos a largo plazo sobre la salud de las personas expuestas a niveles bajos de PCBs y sus más tóxicas impurezas furánicas, son desconocidas. Sin embargo, en animales de laboratorio, dosis altas de los PCB producen daños hepáticos y renales, trastornos gástricos, defectos congénitos, bronquitis, abortos, lesiones cutáneas, cambios hormonales y tumores. Algunos estudios indican que la mayoría de estos efectos nocivos son ocasionados por dibenzofuranos clorados (comúnmente llamados furanos) que se encuentran como contaminantes en algunos PCB. En Estados Unidos y Canadá, estas sustancias han sido prohibidas desde 1976. Sin embargo, antes de esas prohibiciones, millones de toneladas de estas sustancias químicas fueron liberadas al ambiente, terminando muchas de ellas en los sedimentos del fondo en lagos, corrientes fluviales, mares y océanos.

6


7

Figura 17. Ejemplo de bioacumulación: La concentración de DDT en los tejidos grasos de los organismos se amplificó unas 10 millones de veces. (cadena alimenticia de un estuario adyacente a Long Island Sound, cerca de la ciudad de Nueva York)

7


8

7. Efectos de los contaminantes sobre los organismos. Ensayos de toxicidad.

Muchos estudios en ecotoxicología están basados en ensayos de toxicidad sobre distintos organismos. En qué consiste un ensayo de toxicidad ? Los ensayos de toxicidad consisten en exponer a un grupo seleccionado de organismos a distintas concentraciones de la muestra durante un determinado período de tiempo.

La muestra puede ser una sustancia pura, una mezcla de sustancias, un efluente, agua de río, sedimentos. (Nota: cuando los ensayos se realizan con muestras ambientales, nos referimos a concentraciones y no a dosis como es habitual en toxicología: los organismos son expuestos a una muestra que contiene una determinada concentración del tóxico, por ejemplo 5 mg/l. La dosis es la cantidad de sustancia que se administra al organismo, ej, se inyectan 5 mg de tóxico al organismo) Veamos un ejemplo: Se ha realizado un ensayo de toxicidad con peces en el cual se han expuesto 10 individuos a distintas concentraciones de un efluente industrial, durante 96 horas; al finalizar este período se contó el número de organismos muertos para cada concentración; se han obtenido los siguientes resultados: Concentración de efluente en %

Número de organismos expuestos

Número de organismos muertos

% de organismos muertos

0 6 12 25 50 100

10 10 10 10 10 10

0 0 2 5 8 10

0 0 20 50 80 100

Analizando los resultados de la tabla vemos que cuando los organismos son expuestos a concentraciones muy bajas del efluente (6%) no hay ningún organismo muerto; por el contrario, cuando son expuestos a concentraciones del efluente del 100% todos los organismos mueren. La respuesta de los organismos está en relación con la concentración de las sustancias tóxicas a las cuales son expuestos (en este ejemplo las sustancias tóxicas que se encuentran en el efluente): la exposición a concentraciones mayores causa efecto (en este caso mortalidad) sobre un mayor número de organismos. Veamos otro ejemplo: Se ha realizado un ensayo de toxicidad utilizando semillas de lechuga. Las semillas fueron colocadas en placas de Petri, sobre un papel. Las semillas fueron expuestas a distintas concentraciones de una muestra ambiental; se las incubó durante 5 días a 24 grados y al final de ese período se midió la longitud de las raíces.

8


9

Se obtuvieron los siguientes resultados: Control Agua deionizada

4,5 4,8 4,4 4,2 4,7

Longitud de la raíz (cm) Concentración Concentración Concentración de la muestra de la muestra de la muestra 25% 50% 75%

4,5 4,6 4,1 4,5 4,8

3,2 3,1 3,0 2,8 3,4

1,8 2,1 2,3 1,5 1,4

Concentración de la muestra 100%

0,2 0,4 0,6 0,5 0,6

Observamos que la longitud de la raíz es menor cuando las semillas son expuestas a mayores concentraciones de la muestra. En este caso se evalúa la inhibición de la elongación de la raíz con respecto al control con agua deionizada. También en este caso la respuesta de los organismos está en relación con la concentración de las sustancias tóxicas presentes en la muestra: la exposición a concentraciones mayores causa mayor efecto sobre la variable evaluada (en este caso mayor inhibición de la elongación de raíz). En el caso del ensayo con peces el efecto evaluado fue mortalidad; en el caso de semillas de lechuga, el efecto evaluado fue la inhibición de la elongación de la raíz, las semillas (plantas) no mueren pero su desarrollo se vió afectado por la acción del tóxico. Podemos diferenciar entonces dos tipos de efectos (respuesta): - Letales - Subletales: cambios en procesos fisiológicos como crecimiento, reproducción, comportamiento. 7.1 La relación concentración respuesta.

La relación entre la concentración del tóxico a la cual un organismo está expuesto y la respuesta de los organismos frente a la acción del tóxico está descripta por la relación concentración/ respuesta. Si representamos en un gráfico la concentración en función de la respuesta observada, se obtiene una gráfica de tipo sigmoidea, no rectilínea. A partir de esta relación pueden establecerse parámetros como la Concentración Letal 50, que es la concentración del tóxico que mata al 50% de los individuos expuestos. A continuación, definimos los parámetros que se establecen en los ensayos de toxicidad y que son los más utilizados en ecotoxicología. CE 50 (Concentración efectiva 50) : concentración a la cual se observa efecto sobre el

50% de los organismos expuestos, de acuerdo al criterio de ensayo. Ejemplos: Cuando el criterio seleccionado es letalidad, se determina la CL50, concentración letal 50, concentración a la cual muere el 50% de los organismos expuestos. Cuando el criterio seleccionado es inmovilidad (ej, en el ensayo con Dafnias), se determina la concentración a la cual el 50% de los organismos expuestos está inmóvil. 9


10

NOEC (Concentración para la que no se observa efecto) : es la mayor concentración

de tóxico para la cual no se observa un efecto estadísticamente significativo respecto del control en un determinado tiempo de exposición. NOEC: del inglés, No Observed Effect Concentración LOEC (Menor concentración para la que se observa efecto ): es la menor

concentración de tóxico para la cual se observa un efecto estadísticamente significativo en un determinado tiempo de exposición. LOEC: del inglés Low Observed Effect Concentracion CI 50 (Concentración inhibitoria 50): concentración a de la sustancia que causa un 50%

de inhibición de la variable estudiada con respecto al control (ej, concentración de tóxico que inhibe en un 50% la elongación de raíz, concentración de tóxico que inhibe en un 50% el crecimiento de las algas) ¿Cómo se establecen estos parámetros a partir de los ensayos de toxicidad? Vamos a analizar en forma separada aquellos ensayos de toxicidad en los cuales se evalúan efectos letales de aquellos en los que se evalúan efectos subletales. 7.1.1 Efectos letales.

Las respuesta en este caso es mortalidad; al finalizar el ensayo de toxicidad, vamos a contar el número de individuos muertos en cada concentración. La variable en este caso es de tipo cuantal, la variable solo puede tomar determinados valores, 1,2,3,4, etc. (Comparar más adelante con efectos subletales y con variables métricas) Los métodos más utilizados para analizar la relación concentración/respuesta para el caso de respuestas cuantales están basados en el concepto de dosis efectiva individual o tolerancia individual. Se asume que la tolerancia a los tóxicos varía entre los individuos de una población; aún cuando la población que se utiliza para realizar los ensayos de toxicidad en el laboratorio es homogénea (por ejemplo, se emplean organismos de la misma edad y tamaño, en algunos casos se emplean clones) existen diferencias entre los organismos que hacen que la tolerancia a los tóxicos de cada uno de ellos sea diferente. Según este concepto, la dosis efectiva individual ( Individual Effective Dose, IED en inglés) es la dosis que se necesita para matar a un individuo particular y es característica de ese individuo. Analizamos ahora la parte superior de la figura 18. Entre los 35 peces expuestos a un tóxico, cuál es la distribución de la tolerancia individual al tóxico dentro de la población? En el gráfico están representadas 7 concentraciones del tóxico, 1 a 7 (menor a mayor concentración). Cuando los organismos son expuestos a la concentración 1, no muere ninguno, es decir la concentración del tóxico no es suficiente para matar ningún individuo dentro de la población. Cuando los organismos son expuestos a la concentración 2, mueren 5, es decir que dentro de un grupo de 35 individuos, hay 5 individuos para los cuales la concentración 2 es suficiente para matarlos.

10


11

Cuando los organismos son expuestos a la concentración 3, mueren 11 más, es decir esa concentración es suficiente para matar 16 individuos (11 más los 5 que murieron a la concentración 2). Podemos seguir analizando qué ocurre con las restantes concentraciones; la representación gráfica de la distribución de los valores de IED dentro de la población en función de la concentración da como resultado una curva asimétrica, mostrando que dentro de la población el número de organismos muy tolerantes es pequeño. En resumen: - en una misma población vamos a encontrar organismos más tolerantes y otros menos tolerantes a la acción del tóxico - cuando se grafica el número de organismos afectados en función de las concentraciones de exposición se obtiene una distribución asimétrica con pocos organismos muy tolerantes.

Figura 18. Fuente: Newman, M. (Fundamentals of Ecotoxicology)

Analicemos ahora la parte inferior de la figura 18: En la esta figura, se ve la curva concentración/respuesta de forma sigmoidea obtenida a partir de un ensayo de toxicidad realizado con peces provenientes de la misma población. 7 muestras de 10 peces cada una, fueron expuestas a las mismas concentraciones del tóxico que en el ejemplo anterior. Se obtiene una curva de tipo log-normal; la forma más común de analizar los datos dosis o concentración respuesta para el caso de respuestas cuantales es transformando los 11


12

valores de las concentraciones a logaritmos y expresando los datos de mortalidad en unidades probit. -

concentración: tranformación logarítmica ( log concentración) proporción afectada: los datos de mortalidad se expresan en unidades probit (ver

tabla) Tabla %

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

----

2.67

2.95

3.12

3.25

3.36

3.45

3.52

3.59

3.66

10

3.72

3.77

3.82

3.87

3.92

3.96

4.01

4.05

4.08

4.12

20

4.16

4.19

4.23

4.26

4.29

4.33

4.36

4.39

4.42

4.45

30

4.48

4.50

4.53

4.56

4.59

4.61

4.64

4.67

4.69

4.72

40

4.75

4.77

4.80

4.82

4.85

4.87

4.90

4.92

4.95

4.97

50

5.00

5.03

5.05

5.08

5.10

5.13

5.15

5.18

5.20

5.23

60

5.25

5.28

5.31

5.33

5.36

5.39

5.41

5.44

5.47

5.50

70

5.52

5.55

5.58

5.61

5.64

5.67

5.71

5.74

5.77

5.81

80

5.84

5.88

5.92

5.95

5.99

6.04

6.08

6.13

6.18

6.23

90

6.28

6.34

6.41

6.48

6.55

6.64

6.75

6.88

7.05

7.33

----

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

99

7.33

7.37

7.41

7.46

7.51

7.58

7.65

7.75

7.88

8.09

Por ejemplo, cuando la proporción de organismos afectados es del 50%, el valor en escala probit es de 5. Otro ejemplo, cuando la proporción es de 36%, el valor en escala probit es de 4,64. Con los datos del ejemplo anterior (página 8): Concentración de efluente en %

0 6 12 25 50 100

Concentración de efluente Log 10

Proporción de organismos muertos (%)

0,78 1,08 1,39 1,69 2

0 0 20 50 80 100

Proporción de organismos muertos en escala probit

4,16 5 5,84

12


13

El índice más empleado es la concentración que causa un efecto sobre el 50% de los organismos expuestos, en un intervalo de tiempo determinado; cuando el efecto es mortalidad se establece la Concentración Letal 50. El valor de la CL50 se obtiene a partir la relación concentración respuesta, sea mediante métodos gráficos o por cálculo. Los datos que se utilizan para el cálculo corresponden a mortalidades parciales, no utilizan para el cálculo los valores de mortalidad del 100% ni del 0%. En el ejemplo analizado anteriormente, la concentración de la muestra que causa la mortalidad del 50 % de los peces (CL 50) expuestos es cercana al 25%.

Figura 19. Método gráfico para el cálculo de la concentración letal 50. En abscisas las concentraciones en escala logarítmica, en ordenadas las proporciones afectadas en escala probit. El valor del log10 de la CL50 corresponde a un valor de probit de 5. El intervalo de confianza para la concentración letal 50 puede estimarse en forma aproximada entre los valores correspondientes a probit 4 y 6. Fuente: Newman, M. (Fundamentals of Ecotoxicology)

Este método para analizar los datos obtenidos en los ensayos de toxicidad se aplica no solamente cuando la respuesta es la mortalidad de los organismos, sino en todos los casos en los cuales la variable analizada es de tipo cuantal, por ejemplo: -

-

en el ensayo de toxicidad sobre dafnias, el efecto evaluado es inmovilidad; para cada concentración se cuenta el número de dafnias inmóviles. Se establece la Concentración efectiva 50 , la concentración que causa efecto sobre el 50% de los organismos expuestos, en este caso inmovilidad. en el ensayo de inhibición de la germinación en semillas, para cada concentración se cuenta el número de semillas no germinadas. Se establece la Concentración efectiva 50 , la concentración que causa efecto sobre el 50% de las semillas expuestas, en este caso inhibición de la germinación.

13


14

7.1.2 Efectos subletales

La respuesta de los organismos puede manifestarse como la inhibición de algún parámetro, ej: elongación de raíz, crecimiento de algas, emisión de luz por bacterias luminiscentes. La variable analizada en este caso es de tipo métrica, puede tomar todos los valores dentro de un intervalo. Para el caso de aquellos ensayos de toxicidad en los que se evalúan por ejemplo la inhibición de parámetros como crecimiento, reproducción, elongación de raíz, (variables métricas) las respuestas se analizan mediante test de hipótesis. Los datos se analizan para determinar si la respuesta en cada concentración ensayada es significativamente diferente de la obtenida para el control. (ver figura 20) Se determina por ejemplo el valor de NOEC (Non Observed Effect Concentration). NOEC: es la máxima concentración de la muestra para la cual la respuesta de los organismos no es significativamente diferente del control. Para el ejemplo del ensayo de inhibición de la elongación de raíz (ver página 9), el valor de NOEC es del 25%. Los datos pueden ser empleados para un análisis de regresión; puede determinarse la concentración inhibitoria 50 , que es la concentración de muestra para la cual el efecto medido es en promedio 50% menor que en el control.

Figura 20. Los resultados obtenidos en los ensayos de toxicidad en los cuales se evalúan efectos subletales se analizan utilizando test de hipótesis. Una serie de recipientes que reciben concentraciones crecientes de un contaminante se emplean para estimar la respuesta para cada concentración; se incluye en el ensayo recipientes sin tóxico (control).

14


15

Con los datos obtenidos se realizan los tests de hipótesis para determinar si la respuesta a cada concentración difiere significativamente respecto del control. En el gráfico del centro, el asterisco (*) indica aquellas concentraciones de exposición con efectos que resultaron significativamente diferentes al control. Las respuestas para las 5 concentraciones superiores fueron significativamente diferentes del control, pero las diferencias no fueron significativas para la menor concentración. Estos datos pueden utilizarse también para realizar un análisis de regresión y establecer una relación concentración efecto (gráfico inferior). Fuente: Newman, M. (Fundamentals of Ecotoxicology)

Resumiendo:

¿En qué consiste un ensayo de toxicidad? Exponer un - grupo de organismos seleccionados a - distintas concentraciones de la sustancia a ensayar - durante un determinado tiempo - evaluar luego el efecto causado. El efecto de las sustancias químicas sobre los organismos depende de la concentración de la sustancia en el ambiente a la cual el organismo está expuesto (exposición) y de la toxicidad de la sustancia. La toxicidad se evalúa mediante un ensayo de toxicidad: la toxicidad que se evalúa en el ensayo biológico es el resultado de la interacción entre la sustancia y el sistema biológico.; los organismos pueden mediante reacciones metabólicas transformar al contaminante y hacer que éste resulte menos tóxico o eliminarlo. La toxicidad, capacidad de una sustancia de ejercer un efecto nocivo sobre un organismo, solamente puede evaluarse mediante un ensayo con materia viva. No se han desarrollado otros instrumentos para medir toxicidad. 7.2 Ensayos crónicos y agudos

Según al duración del ensayo, los mismos pueden clasificarse en: -

agudo: diseñados para medir los efectos de los tóxicos sobre organismos durante un

período corto de su ciclo de vida. Respuesta rápida de los organismos al efecto del tóxico. Normalmente el efecto es mortalidad, o alguna otra manifestación, como por ejemplo, inmovilidad en dafnias. También se evalúan efectos subletales (ej, inhibición de la emisión de luz en bacterias luminiscentes) -

crónico: período de exposición al tóxico más prolongado (por convención el ensayo

crónico debe cubrir al menos 10% del período de vida del organismo), por lo general se evalúan efectos subletales (crecimiento, reproducción, comportamiento). Estos efectos son observados en situaciones en las que la concentración del tóxico permite la sobrevida del organismo, pero se afectan algunas de sus funciones biológicas. En general, los efectos agudos de los agentes tóxicos sobre los organismos acuáticos han sido observados luego de una aplicación inadecuada de pesticidas, accidentes, y situaciones donde los efluentes sin tratar son volcados al cuerpo receptor (Ej: mortandades de peces).

15


16

Cuando los efluentes líquidos, aún tratados, son descargados en forma continua en el ambiente acuático pueden producirse efectos crónicos dado que los organismos están expuestos a bajas concentraciones de contaminantes durante largos períodos de tiempo. Si estos contaminantes son degradables, permanecen corto tiempo en el ambiente y a una cierta distancia del punto de descarga cesarán los efectos, pero el trecho de río o el área donde se produce el vuelco y donde tiene lugar el proceso de degradación se verá afectada. Si entre los contaminantes se encuentran sustancias persistentes o sustancias bioacumulables, pueden producirse efectos a largo plazo sobre las poblaciones expuestas. 7.3. Métodos para evaluar el efecto sobre los organismos (laboratorio)

En el laboratorio se realizan diferentes ensayos de toxicidad, evaluando al finalizar los mismos distintas variables. Ejemplos: - relación entre el número de huevos puestos por un organismo/concentración del tóxico (contaminante) - relación entre el número de crías viables/ concentración del tóxico (contaminante) - relación mortalidad/ concentración del tóxico (contaminante) - relación luminiscencia/ concentración del tóxico (contaminante) - relación velocidad de crecimiento de algas unicelulares/ concentración del tóxico (contaminante) - relación inmovilidad de dafnias/ concentración del tóxico (contaminante) - relación elongación de raíz/ concentración del tóxico (contaminante) - relación germinación de semillas/ concentración del tóxico (contaminante) Qué procedimientos se utilizan para realizar los ensayos de toxicidad?

Los procedimientos para la realización de estos ensayos están descriptos en normas ISO, EPA, CEE, AFNOR, AENOR, CETESB, OECD, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, ASTM, etc. Se busca obtener resultados reproducibles y que puedan ser comparados. En Argentina, el IRAM es el organismo de normalización; dentro del IRAM, el grupo de trabajo de ecotoxicología está redactando las normas para la realización de los ensayos de toxicidad. Qué especies se utilizan para la realización de los ensayos de toxicidad?

Vamos a enumerar algunas especies que se utilizan para los ensayos de toxicidad. 7.3.1. Especies utilizadas

Medio acuático Productores primarios: • Inhibición de crecimiento de algas ( Selenastrum capricornutum , Scenedesmus subpicatus, Chlorella vulgaris ) Consumidores primarios: • Inmovilización de microcrustáceos ( Daphnia magna , Dahnia pulex , Ceriodaphnia dubia) • Efectos sobre la reproducción ( Ceriodaphnia dubia) • Mortalidad en Artemia salina Consumidores secundarios: • Mortalidad en peces (trucha arcoiris). 16


17

- estático, sin renovación del medio durante el ensayo - semi-estático, con renovación periódica del medio - continuo, con renovación continua del medio Microorganismos (descomponedores): • Inhibición de la luminiscencia en bacterias ( Vibrio fischeri = Microtox) • Inhibición de la respiración en bacterias ( Pseudomonas aeruginosa ) • Inhibición del crecimiento de microorganismos • Inhibición del consumo de oxígeno (cultivos mixtos) • Inhibición de la nitrificación Sedimentos • Mortalidad y crecimiento en larvas de chironómidos (dípteros) ( Chironomus tentans ), que habita en sedimentos • Mortalidad y crecimiento, reproducción en anfípodos ( Hyalella azteca), que habita sobre los sedimentos. • Ensayo con oligoquetos ( Tubifex tubifex ), un organismo que vive en parte en el sedimento y en parte en el agua. • Inhibición del crecimiento de algas (representativo de productores primarios, el ensayo se realiza con eluídos o agua de poro del sedimento) • Inhición de la bioluminiscencia (ensayo Microtox) Suelos • Mortalidad y reproducción en lombrices ( Eisenia foetida ). Las lombrices juegan un rol importante en el suelo y es un ensayo relativamente sencillo de realizar. • Inhibición de la germinación en vegetales ( Lactuca sativa, Avena sativa ) • Inhibición de la elongación de raíz ( Lactuca sativa, Avena sativa ) • Inhibición de la reproducción en colémbolos Cuáles son los criterios utilizados para la selección de especies para la realización de bioensayos? - los organismos son sensibles a las sustancias químicas - pueden obtenerse fácilmente y son fáciles de criar - tienen un ciclo reproductivo breve (para ensayos crónicos) 7.4. Descripción de ensayos de toxicidad 7.4.1 Determinación de la inhibición de la movilidad de D a p h n i a m a g n a S t r a u s s

(Cladocera, Crustacea) (Norma IRAM, Número 29130, “Determinación de la inhibición de la movilidad de Daphnia magna Strauss (Cladocera, Crustacea)”, 2004) Las especies del género Daphnia son muy utilizadas como organismos de ensayo. La facilidad de cultivo en el laboratorio, la reproducción partenogenética (lo que asegura la homogeneidad del grupo de organismos expuestos), el corto ciclo de vida y la producción de un alto número de crías hacen que este grupo posea las condiciones ideales para realizar los ensayos. Cómo se lleva a cabo el ensayo? Las hembras se mantienen en laboratorio, en agua dura, a una temperatura de 21 +/- 2ºC, y con un fotoperíodo de 16 h luz/8 h oscuridad. PH del agua 7,6 –8. Las dafnias son alimentadas con algas. El ensayo de toxicidad se realiza con individuos de menos de 24 hs de edad.

17


18

10 individuos son expuestos en recipientes a distintas concentraciones de la muestra a ensayar, durante un período de 48 horas. Cada concentración se ensaya por triplicado. Se ensaya un control: este control (llamado también control negativo) se realiza en las mismas condiciones del ensayo, sin el agregado de la muestra que se está ensayando. También se ensaya un control positivo con un tóxico de referencia (puede ser dicromato de potasio) para evaluar la sensibilidad de los organismos en el momento de realización del ensayo. Luego de 48 hs se cuentan en cada recipiente el número de organismos inmóviles. Por qué se evalúa inmovilidad y no mortalidad? Porque en el caso de las dafnias es difícil determinar cuando una dafnia inmóvil está muerta. Cómo se expresan los resultados? Se calcula la CE 50 (Concentración efectiva 50 concentración a la cual se observa efecto sobre el 50% de los organismos expuestos) utilizando el método descrito en 7.1.1. 7.4.2 Determinación de la inhibición de la elongación de raíz en semillas de lechuga (L a c t u c a s a t i v a )

Cómo se realiza el ensayo? 1. se selecciona un grupo de semillas de lechuga, que sean de tamaño homogéneo y cuyo poder germinativo y sensibilidad a tóxicos de referencia han sido evaluados previamente. 2. las distintas concentraciones de la muestra a ensayar, (ej, una sustancia química, un extracto acuoso de un suelo posiblemente contaminado) se colocan en las placas . Se debe asegurar que las semillas posean suficiente humedad para poder germinar y desarrollarse (en las placas de Petri de 10 cm de diámetro, un volumen de agua de 4 ml). 3. las semillas se colocan en placas de Petri, sobre papel poroso, en un número igual por cada placa (ej, 10 semillas por placa). 4. Las placas (semillas + muestra) se incuban durante 5 días a temperatura controlada (24°C) 5. se mide la longitud de la raíz al finalizar el período de incubación. Se comparan los datos obtenidos para la muestra con los obtenidos en el control. Se evalúa la inhibicón de la elongación de la raíz (% respecto del control) ¿Qué es un tóxico de referencia? compuesto químico utilizado para medir la

sensibilidad del organismo de ensayo. ¿Qué evalúa un tóxico de referencia? sensibilidad de los organismos en el momento

de realización del ensayo Algunos comentarios respecto de la interpretación de los resultados obtenidos en los ensayos de toxicidad.

En el comienzo de la ecotoxicología, el criterio más importante para la selección de un organismo era su mayor sensibilidad frente a los tóxicos; se consideraba que si se determinaba el valor de la concentración umbral para la especie más sensible del ecosistema en condiciones de laboratorio, ese valor de concentración sería adecuado para proteger a todas las otras especies del ecosistema. Esto no es así, ya que: 1. dependiendo de la sustancia ensayada, puede ser una u otra especie la que presente la mayor sensibilidad. Existen diferencias en la toxicidad de un mismo contaminante

18


19

sobre distintas especies, por lo tanto no es posible encontrar una especie que sea la más sensible frente a todos los contaminantes. 2. El hecho de no detectar efecto tóxico sobre una especie, no implica que esto sea válido para todas las otras especies. Los efectos observados en los ensayos de toxicidad, realizados en condiciones controladas de laboratorio, no pueden ser extrapolados en forma directa y decir que estas sustancias provocarán un efecto similar sobre los ecosistemas. Sin embargo, un efecto nocivo detectado mediante estos ensayos puede alertar acerca de peligros potenciales sobre los ecosistemas como consecuencia de la exposición a estas sustancias (Norma IRAM 29012).

7.5. Ensayos en campo, monitoreo biológico

El efecto de los contaminantes sobre los organismos es difícil de predecir a partir de conocer las concentraciones del compuesto en el ambiente abiótico. Distintos factores afectan la biodisponibilidad de una sustancia o compuesto; incluyen a la temperatura, las interacciones con otros contaminantes, el tipo de suelo y sedimento, pH y salinidad. Los organismos autóctonos en los cuerpos de agua (algas, peces, invertebrados) completan la mayor parte de su ciclo de vida en el agua y pueden ser indicadores de la calidad del agua o de la presencia de determinadas sustancias. El monitoreo biológico (biomonitoreo) es el estudio de la biota en el ecosistema (acuático o terrestre). Los bioindicadores son organismos o grupos de especies cuya presencia, comportamiento o hábito se encuentra estrechamente correlacionado con factores ecológicos definidos y que pueden servir como indicadores directos del estado, stress o cambios en el ecosistema. Modificaciones en la estructura de la comunidad, o desaparición de especies y aparición de especies oportunistas están indicando que las descargas en el cuerpo receptor han causado efectos sobre el ecosistema. Este tipo de estudios no especifica el origen del daño sino que evidencia el impacto cuando éste ya ocurrió. El monitoreo biológico in situ puede realizarse: 1. presencia o ausencia de especies en un sitio, cambios en la composición de las especies, presencia o ausencia de especies clave, biomasa, crecimiento. 2. determinación de la concentración de contaminantes en especies indicadoras. Los indicadores de acumulación más conocidos son las algas, moluscos, también tejidos grasos de mamíferos marinos. Algunas sustancias, metales pesados e hidrocarburos clorados, se encuentran en los organismos en concentraciones significativamente mayores que en el medio, facilitando el análisis químico. 3. parámetros bioquímicos, fisiológicos y morfológicos pueden ser usados como biomarcadores (ej, inducción de metalotioneínas/cadmio, afinamiento de la cáscara del huevo/DDT-DDE, inducción de monooxigenasas/PAH, patologías o parasitación de las poblaciones) 4. detección de poblaciones genéticamente diferentes que han desarrollado resistencia en respuesta a contaminantes (ej, plantas resistentes a metales pesados, insectos resistentes a pesticidas) 19


20

Los ciclos de vida de las distintas especies son de distinta duración; aquellos organismos de vida breve y alta capacidad reproductiva pueden ser “indicadores tempranos” de contaminación mientras que las especies de vida larga pueden actuar como indicadores para compuestos bioacumulables. Este tipo de estudios evidencia el impacto cuando éste ya ocurrió. 7.6. Ensayos a nivel semi-campo

Combinan las ventajas de los ensayos realizados en laboratorio (estandardización y reproducibilidad) y los ensayos de campo (condiciones reales). Los ensayos se realizan en condiciones controladas por ejemplo en un invernadero (microcosmos) o en un área delimitada en el campo (mesocosmos). -

Microcosmos: sistemas que pueden ser controlados y reproducidos en el laboratorio,

invernadero, o cámaras climáticas para simular los procesos e interacciones de un segmento elegido del ambiente. Se emplean para estudiar tanto el destino de los contaminantes en el ambiente como el efecto sobre los organismos. El tamaño varía de varios cm hasta aproximadamente 1m 3. -

Mesocosmos : área delimitada en el campo que queda expuesta a las condiciones

ambientales normales, el tamaño varía de 1 m 3 hasta varios cientos de m 3. Para el medio acuático, pueden colocarse organismos en bolsas porosas o pequeñas jaulas en el río y observar el efecto de los contaminantes. Para el medio terrestre, se utilizan lisímetros para la investigación de la movilidad de contaminantes: consisten en columnas de suelo que se construyen en el campo y se utilizan para evaluar el lixiviado de un contaminante y de sus metabolitos en condiciones reales, durante largos períodos de tiempo.

20


21

MESOSCOSMOS Artículo publicado en “El País”, 14/06/2006 Nota realizada a José Vicente Tarazona, director del Departamento de Medio Ambiente y del laboratorio de Ecotoxicología del INIA (Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria, Madrid)

El mesocosmos que reproduce una laguna mediterránea en las instalaciones del INIA en Madrid

Cuánto tarda un ecosistema en recuperarse tras un accidente ecológico? ¿Qué efectos tiene a largo plazo la liberación constante de sustancias con actividad biológica, como los medicamentos o los plaguicidas? Las respuestas a estas preguntas no pueden obtenerse en un laboratorio: exigen estudiar numerosas especies y sus interacciones, un grado de complejidad excesivo para un experimento entre probetas. Pero, por otra parte, tampoco es posible recurrir al mundo real, donde los factores desconocidos son demasiados y las condiciones de los experimentos no son controlables. Lo que hace falta es complejidad... pero manejable. Es justo eso lo que proporcionan los mesocosmos, ecosistemas artificiales creados a imagen y semejanza de los naturales, que incluyen miles de especies: un paso intermedio entre el mundo real y el laboratorio. Con uno de estos mesocosmos, el único en el mundo que reproduce una laguna mediterránea, trabajan investigadores del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA), en Madrid, desde hace un año. Uno de sus primeros objetivos es analizar los efectos de la liberación al medio de contaminantes emergentes, como los medicamentos. Mesocosmos significa literalmente mundo medio en latín, y eso es lo que buscan los investigadores, un ambiente con un grado medio de complejidad. En Europa se recurre a ellos desde hace varias décadas, y hay una quincena que reproduce distintos ecosistemas. El mesocosmos del INIA, con sus algas, carrizos, insectos y ranas que no paran de croar podría pasar por una agradable charca para adornar un jardín, de unos 40 metros de largo por 10 de ancho. La instalación se inauguró en octubre de 2003, tras un trabajo

21


22

necesariamente lento. "Recogimos muestras de sedimentos y agua de muchas lagunas de la península Ibérica y luego dejamos que se aclimataran ellos solos durante meses", explica José Vicente Tarazona, director del departamento de Medio Ambiente del INIA y del laboratorio de Ecotoxicología. Éste es, con casi 50 personas, uno de los más grandes de este organismo. El resultado es una laguna artificial representativa, según Tarazona, del ecosistema de una charca mediterránea, lo que comprende también el sur de Francia, Italia y Grecia. La laguna es hoy el hogar de miles de especies. La mayoría de ellas venían en los sedimentos y el agua, y simplemente han ido colonizando el lugar: son los seres unicelulares como los hongos, protozoos y bacterias; los microinvertebrados o las algas. Las plantas vasculares, los anfibios y los macroinvertebrados -crustáceos, insectos- han sido aportados después o han colonizado la laguna de forma natural. Y aunque aún no hay peces, en el mesocosmos sí están representados todos los elementos esenciales de una cadena trófica acuática, incluyendo productores primarios (fotosintetizadores: algas, plantas); consumidores primarios y secundarios; consumidores de detritos, y organismos mineralizadores. "Es un ecosistema muy complejo", explica Tarazona. Sólo unas tuberías que conectan el agua con un cobertizo adyacente contrastan con el ambiente bucólico de la laguna artificial. "Sirven para llevar el agua, por bombeo, a 18 tanques experimentales, que es donde hacemos los experimentos", explica Tarazona. Así, en la laguna en sí no entra nunca un contaminante. Para investigar el efecto de una sustancia sobre el medio los investigadores extraen agua de la charca, la bombean a los 18 tanques experimentales y, tras un periodo de aclimatación del ecosistema, se introduce la sustancia a estudiar; pasado un tiempo se evaluará el estado del ecosistema en cada tanque, en los que se habrá jugado con distintas concentraciones de contaminantes, distintas maneras de liberarlo e incluso con distintos tipos de fondo pedregoso, arenoso y demás-. "El objetivo es estudiar las verdaderas consecuencias de la liberación de contaminantes en el medio. Los ensayos con una sola especie son útiles para las primeras estimaciones, pero no dicen nada del mundo real, hay que ir a los mesocosmos para reproducir el mundo natural", explica Tarazona. Estos ecosistemas artificiales, añade, "permiten medir directamente parámetros ecológicos que afecten a la dinámica de poblaciones, a la biodiversidad, a los ciclos de nutrientes y de energía, a cómo responde la comunidad a los cambios en las especies más sensibles". En especial, estas instalaciones son la única forma de estudiar los efectos indirectos, es decir, los que resultan de las interacciones entre las diferentes especies en los ecosistemas. "Por ejemplo", explica Tarazona, "la recuperación de una especie afectada puede verse condicionada como consecuencia de que otra especie ha ocupado su nicho ecológico, y esto es algo que sólo podremos ver en un mesocosmos". Ahora bien, a la inversa, lo que no pueden hacer los mesocosmos es dar resultados válidos para una especie en concreto

22

Ecotoxicología 4

Recommend Documents