1 ECOTOXICOLOGÍA Este apunte está basado en el documento producido por la Dra. Estela Planes del INTI. 1. ECOTOXICOLOGÍA. La ecotoxicología, como su nombre lo indica, surge de la fusión de dos disciplinas científicas, la ecología y la toxicología. El término “ecotoxicología” fue definido por primera vez por René Truhaut, un toxicólogo francés durante un encuentro en 1969 del International Council of Scientific Unions, del cual Truhaut era miembro. Truhaut, en un artículo publicado en 1977, definió a la Ecotoxicología como “la rama de la toxicología que comprende el estudio de los efectos tóxicos causados por los contaminantes, naturales o sintéticos, sobre los componentes de los ecosistemas, animales (incluyendo al hombre), vegetales y microorganismos, en un contexto integrado”. La definición dada por Truhaut fue aceptada por los toxicólogos, que reconocieron la importancia del efecto de los contaminantes químicos sobre organismos vivos distintos del hombre y las consecuencias sobre la salud humana de la presencia de estos compuestos en el ambiente. La ecotoxicología fue concebida por Truhaut como una extensión natural de la toxicología: la toxicología estudia los efectos de las sustancias sobre los organismos individuales, la ecotoxicología estudia los efectos de los contaminantes sobre los ecosistemas. Moriarty (1983), un ecólogo, definió la ecotoxicología como “el estudio de los efectos de los contaminantes en los ecosistemas” Qué estudia la ecotoxicología? La investigación dentro del campo de la ecotoxicología comprende la emisión, la distribución, el transporte, la transformación (química y biológica), la acumulación y el efecto de los contaminantes sobre organismos, poblaciones y ecosistemas. Dentro de qué contexto surgió la ecotoxicología como disciplina? Desde por lo menos 1930, los ecólogos establecieron una relación entre la contaminación de origen industrial y ciertos efectos observados sobre las plantas y los animales. Por ejemplo 2 - estudios realizados en Dinamarca en 1932 demostraron una disminución de la diversidad (número de especies) en comunidades acuáticas por efecto de lluvia ácida. - en las islas británicas se realizaron estudios sobre las poblaciones de una mariposa que habita en los bosques. (Nota: una población es un conjunto de individuos que habitan en un área determinada y pertenecen a la misma especie) Algunos ejemplares de estas mariposas son de color claro (formas claras) y otros son pigmentados, de color oscuro (formas melánicas); la pigmentación está genéticamente determinada. Las mariposas tienen hábitos nocturnos y durante el día permanecen inmóviles sobre los troncos de los árboles, especialmente de los de abedul que son de color claro. Antes de 1850, las formas claras eran las dominantes y las formas oscuras aparecían raramente en la población. A partir de 1850, se registró un cambio en la frecuencia de las formas de color claro y oscuro de las mariposas: las formas oscuras (melánicas) eran las más frecuentes en las regiones urbanas y las formas claras, en zonas rurales. Este cambio en la frecuencia de una y otra forma en la población fue asociado con la contaminación del aire con productos de combustión, y coincide en el tiempo con la industrialización en la región. Los productos de combustión provocaron un oscurecimiento de los troncos de los árboles en las áreas urbanas: las mariposas de color claro eran vistas con mayor facilidad por los pájaros que se alimentaban de estas mariposas. Como consecuencia, las formas claras tenían mayor probabilidad de servir de alimento a los pájaros que las formas oscuras, disminuyendo así la frecuencia de estos individuos en la población. En las zonas rurales, no se producían modificaciones en la frecuencia de formas claras y oscuras, dado que no se habían modificado las condiciones del medio. La población de mariposas se adaptó a su ambiente, por un mecanismo de selección natural; se produjo un cambio en el componente genético de la población. Si bien la relación entre la contaminación y los efectos sobre los ecosistemas había sido establecida, como hemos visto en los dos ejemplos anteriores, el surgimiento de la ecotoxicología está vinculado al desarrollo de la industria química y de la agricultura luego de la segunda guerra con el consiguiente aumento del uso de sustancias y productos químicos. Las sustancias aparecen en el ambiente luego de su uso, a través de su descarga a cuerpos de agua, al aire y suelos, en algunos casos en forma deliberada (pesticidas) y en otros casos como consecuencia de actividades industriales o de la presencia de poblaciones humanas. El surgimiento de la ecotoxicología ha sido relacionado con algunos episodios ligados a efectos de la contaminación. 1) Dos episodios de envenenamiento con metales pesados a partir de alimentos contaminados ocurrieron en Japón. en 1950, el mercurio volcado a las aguas de la bahía de Minamata fue transferido (como metilmercurio) a través de la cadena trófica (*) marina, teniendo lugar un proceso de biomagnificación; el consumo de los peces contaminados con mercurio provocó el envenenamiento de cientos de personas (enfermedad de Minamata). 3 (*) el término cadena trófica aparece explicado más adelante Nota : 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. en la región de Toyama, las personas sufrieron el envenenamiento por consumir arroz contaminado con cadmio; esta contaminación fue relacionado con la irrigación de los cultivos con agua contaminada con desechos de la actividad minera. La enfermedad producida es conocida con el nombre de itai-itai. 2.) Durante las décadas del 50 y 60, algunos plaguicidas de uso agrícola manifestaron su efecto sobre la fauna silvestre. La preocupación por el efecto sobre especies distintas del hombre fue creciendo; los pesticidas clorados, como el DDT, aldrin, dieldrin, se acumularon en especies silvestres hasta concentraciones que causaron efectos letales y efectos subletales sobre los animales afectados. Desde 1957 a 1960 se documentaron muertes de pájaros en California como resultado de la acumulación de DDT a lo largo de la cadena trófica acuática. El DDT y su producto de degradación el DDE, compuestos de relativa baja toxicidad para humanos, actúan inhibiendo las enzimas en la glándula productora de la cáscara de huevo (ATPasa Ca dependiente); la acumulación de este compuesto en los tejidos causó el afinamiento de la cáscara de los huevos de pájaros, con el consiguiente aumento del riesgo de quebrarse la cáscara antes de finalizar el período necesario para el nacimiento de las crías. El DDT y el DDE son muy resistentes a la degradación y tienden a acumularse en lípidos. Esta característica hace que su concentración aumente con cada paso a través de la cadena trófica. El éxito reproductivo de aves predadoras y aves que se alimentaban de peces se vio disminuido, tanto en América del Norte como en Europa. Dado que los pesticidas son esparcidos deliberadamente en el ambiente y no actúan solamente sobre las plagas, no era quizás sorprendente que pudieran ejercer efectos sobre otros organismos. Pero sí fue inesperado que se produjera la biomagnificación del contaminante a través de la cadena trófica, alcanzando así el contaminante concentraciones en los organismos mucho más elevadas que las concentraciones ambientales. Estos hechos (Minamata y declinación de las poblaciones de aves rapaces por efecto de la bioacumulación de pesticidas clorados) fueron una advertencia acerca de los peligros potenciales sobre la salud humana y la fauna silvestre que representa la presencia de contaminantes en los ecosistemas. Estos efectos sobre el ambiente, ignorados previamente desde un enfoque antropocéntrico, pusieron de relieve las consecuencias de ignorar qué sucedía con los contaminantes en los ecosistemas El paradigma de la dilución (la solución para la polución es la dilución) fue reemplazado por el de boomerang (lo que usted tira puede volver y lastimarlo). Una evaluación desde el punto de vista ecotoxicológico del DDT antes de utilizar el producto en gran escala hubiera advertido sobre los riesgos que involucraba su uso y no hubiera sido utilizado en la escala en que se usó. Podría pensarse que estos problemas descriptos (Minamata, efectos del DDT) fueron errores que no se volverían a repetir; esto no sucedió así, ya que los problemas ambientales continúan a pesar de una mayor conciencia y de la existencia de legislación sobre estos temas. 4 Ejemplos: Contaminación con mercurio (actividad minera en Sud América) Derrames de petróleo Uso de pesticidas (la cantidad usada se ha incrementado) Contaminantes que se transportan a través de la atmósfera (CFC’s, lluvia ácida). Esta lista de problemas no implica que el avance tecnológico sea incompatible con el ambiente y la salud humana. Indica dos cuestiones: 1. Hace 50 años, el paradigma de la dilución fracasó, con consecuencias inaceptables sobre salud humana y el ambiente. 2. Se hace necesario el punto de vista ecotoxicológico para determinar los costos y beneficios de las decisiones tecnológicas e industriales. En la toma de decisiones se deben considerar los servicios provistos por la naturaleza, por ejemplo la producción de alimento, el reciclado del agua, la asimilación de desechos, la purificación del aire, etc. Algunos de estos procesos están organizados y controlados por humanos (ej, sistemas agrícolas), pero muchos son naturales y están conducidos por energía solar u otras energías naturales. El valor de estos servicios están estimados en montos que igualan al PBI de muchos países tomados en conjunto. El cumplimiento de leyes y reglamentaciones pueden ayudar a salvar vidas y conducir a un cuidado responsable del ambiente. (Odum, en Newman 2001) Retomemos ahora la definición de ecotoxicología de Moriarty: el estudio de los efectos de los contaminantes sobre los ecosistemas” En primer lugar, qué entendemos por contaminante? Contaminante: agentes físicos, químicos o biológicos que: - se encuentran en el ambiente (agua, aire, suelo, biota) en concentraciones superiores a las consideradas normales para un determinado ambiente - son potencialmente capaces de alterar, modificar o interferir en forma negativa con los elementos del ambiente siendo factor de riesgo para el hombre y los seres vivos. La ecotoxicología estudia el efecto de los contaminantes químicos sobre los ecosistemas. 2. Toxicología y ecotoxicología La toxicología estudia los efectos de las sustancias químicas sobre los organismos individuales; la dosis es el criterio que determina el efecto tóxico de una sustancia sobre un individuo. La toxicidad de una sustancia química se refleja en su capacidad para producir efectos nocivos sobre un organismo vivo cuándo éste está expuesto a una determinada concentración de la sustancia durante un cierto tiempo. Este efecto nocivo puede manifestarse de diferentes formas, enfermedad, muerte, daño genético, inhibición del crecimiento, y otros. La toxicología estudia las interacciones nocivas entre las sustancias químicas y los seres vivos. Los toxicólogos están interesados en determinar de qué manera los compuestos químicos pueden dañar a los organismos: el objeto de estudio de la toxicología son los INDIVIDUOS. 5 La ecotoxicología estudia los efectos de los contaminantes químicos sobre los ecosistemas; el objeto de estudio de la ecotoxicología son los ECOSISTEMAS. Los ecotoxicólogos están interesados en evaluar de qué manera los contaminantes afectan el funcionamiento de los ecosistemas. Desde ese punto de vista, la ecotoxicología también se dirige indirectamente al bienestar y supervivencia del hombre, ya que los contaminantes nocivos pueden degradar los ecosistemas hasta un nivel que no puedan cubrir las necesidades humanas básicas. Los ecotoxicólogos trabajan en el ecosistema con distintas poblaciones (plantas, animales, microorganismos) que no solamente muestran una gran variedad en la sensibilidad a una sustancia, sino que pueden estar expuestos a la misma en diferentes grados. Por ejemplo, las sustancias más solubles en lípidos que en agua se encuentran asociadas a sedimentos; por lo tanto aquellos organismos que se alimenten de sedimentos (ej. sábalos, bagres) tendrán más probabilidades de estar expuestos al contaminante que los que vivan en la columna de agua. Por otra parte, el efecto nocivo de un contaminante sobre los organismos va a estar en función de la biodisponibilidad del contaminante en un ambiente particular. Por ejemplo, la biodisponibilidad de los metales pesados que se encuentran asociados a sedimentos arcillosos en suelos o en forma de sulfuros es relativamente baja Una medida única de la concentración de la sustancia en el ambiente no es suficiente por sí misma para evaluar el stress sobre el ecosistema. La biodisponibilidad es un factor muy importante al determinar la cantidad de un contaminante en el agua, o en el sedimento, que podrá ser absorbida por los organismos, influyendo así sobre su fisiología. Normalmente en los ecosistemas los organismos están expuestos a más de una sustancia al mismo tiempo, que excepto en los episodios de contaminación (ej, derrames, aplicación inadecuada de pesticidas), se encuentran en bajas concentraciones en el ambiente. Retomemos ahora la definición de ecotoxicología de Moriarty: el estudio de los efectos de los contaminantes en los ecosistemas” La ecotoxicología estudia el efecto de los contaminantes químicos sobre los ecosistemas. Qué significa que un contaminante sea tóxico? que tiene la capacidad de producir efectos nocivos sobre los organismos vivos, cuando éstos son expuestos a una concentración, durante un determinado tiempo. Este efecto nocivo puede manifestarse de diferentes formas, enfermedad, muerte, daño genético, inhibición del crecimiento, y otros. La toxicidad de una sustancia química se refleja en su capacidad para producir efectos nocivos sobre un organismo vivo cuándo éste está expuesto a una determinada concentración de la sustancia durante un cierto tiempo. La toxicología estudia las interacciones nocivas entre las sustancias químicas y los seres vivos. Los toxicólogos están interesados en determinar de qué manera los compuestos químicos pueden dañar a los organismos: el interés de la toxicología está centrado sobre los INDIVIDUOS. Qué significa que un contaminante sea “ecotóxico”? que dependiendo de las condiciones de exposición puede ejercer efectos nocivos sobre los ecosistemas. Es decir, el objeto de estudio de la ecotoxicología son los ECOSISTEMAS. 6 Vamos a describir entonces brevemente un ECOSISTEMA. Tomemos un pequeño lago como ejemplo de un ecosistema, qué elementos reconocemos? - el medio fisico (el agua, elementos químicos disueltos en el agua, los sedimentos, el sol) - distintos tipos de organismos (algas, peces, crustáceos, insectos, bacterias y hongos, etc) que viven en el medio físico. Vamos a describir en forma muy general el funcionamiento de este ecosistema. Consideremos en primer lugar a las algas. Las algas son organismos capaces de sintetizar los compuestos orgánicos que forman sus células a partir de dióxido de carbono y agua utilizando la energía del sol, mediante el proceso de fotosíntesis. Consideremos ahora otros organismos, por ejemplo pequeños insectos y crustáceos acuáticos: estos organismos se alimentan de algas y a su vez sirven de alimento a otros organismos, por ejemplo a peces. Los peces sirven de alimento a peces más grandes y a aves. Finalmente encontramos a los microorganismos, bacterias y hongos, que utilizan la materia orgánica de los organismos muertos y la materia orgánica disuelta en el agua liberando sustancias minerales nuevamente al medio. Los organismos que poseen pigmentos fotosintéticos (ej, clorofila) son los únicos capaces de utilizar la energía del sol para sintetizar sus componentes celulares. La gran mayoría del resto de los organismos utilizan los compuestos que sintetizan las plantas verdes, sea alimentándose directamente de ellas (ej, herbívoros) o consumiendo organismos que se alimentan de plantas (carnívoros). Todos obtienen finalmente su energía y nutrientes de organismos fotosintéticos que atraparon la energía de la luz. La transferencia de energía y materia en forma de alimento desde las plantas a través de una sucesión de organismos, cada uno de los cuales come al que le precede y es comido por el que sigue se denomina cadena trófica. Los niveles tróficos se refieren a la posición que ocupan los organismos en la cadena trófica: las algas y plantas verdes constituyen el primer nivel trófico, los herbívoros el segundo nivel trófico, los carnívoros que se alimentan de herbívoros el tercer nivel trófico y así sucesivamente. Un ecosistema puede ser caracterizado como la unidad que incluye la totalidad de los organismos vivos (esto es la comunidad) de un área determinada interactuando con el medio físico (ej, fotosíntesis, respiración) y entre los organismos entre sí (ej, predación). El objeto de estudio de la ecotoxicología es el ECOSISTEMA. Veamos ahora dos ejemplos. Ejemplo 1) Un río recibe la descarga de efluentes industriales que contienen concentraciones elevadas de zinc (Loez, 1998). Se han realizado estudios acerca de la cantidad (biomasa: peso vivo por unidad de volumen) y la composición del fitoplancton en tramos del río no contaminados y en tramos del río contaminados con zinc. Qué resultados se obtuvieron? en los tramos del río contaminados con zinc disminuía la diversidad de especies de algas (desaparecían algunas especies), pero aumentaba la “biomasa” de algas con respecto al tramo no contaminado. Las conclusiones fueron las siguientes: - el zinc afectaba a algunas especies de algas y no a otras (algunas especies son más sensibles que otras a la acción del zinc) 7 - - se observaba un aumento en el número de individuos por unidad de volumen respecto del tramo no contaminado de aquellas especies de algas que no se veían afectadas por el zinc la presencia de zinc causó un efecto sobre el ecosistema, ya que se modificó su estructura (composición de especies de algas en el fitoplancton) y el funcionamiento del ecosistema (aumento de la masa de algas producida). ¿Cómo actuó el zinc? causó un efecto tóxico sobre los individuos pertenecientes a ciertas especies de algas, las más sensibles al efecto del zinc. ¿Cuál fue el efecto sobre el ecosistema? se produjo un cambio en la composición de especies de la comunidad de algas; como consecuencia del efecto del zinc sobre los organismos, todos o la mayoría de los individuos pertenecientes a las especies sensibles a la acción tóxica del zinc desaparecieron y los individuos pertenecientes a las especies más resistentes aumentaron su número. Ejemplo 2) Se produjo la descarga de un efluente con una elevada carga orgánica en un río. Los microorganismos presentes se desarrollaron rápidamente consumiendo el oxígeno disuelto, lo que causó una mortandad de peces. Cómo actuaron estos contaminantes? La carga orgánica favoreció el desarrollo de los microorganismos, los cuales consumieron el oxígeno disuelto en el agua. Cuál fue el efecto sobre el ecosistema? se produjo una mortandad de peces, (y probablemente de otros organismos que necesitan oxígeno). El contaminante modificó el medio físico (mediante un aporte de nutrientes) y esto causó un efecto sobre el funcionamiento del ecosistema. Si comparamos ambos ejemplos vemos que en el caso del zinc, el contaminante produce un efecto tóxico directamente sobre las células de algas y como consecuencia de esto se produce un efecto sobre el ecosistema. En el segundo caso, las sustancias orgánicas no actúan directamente sobre los organismos sino que modifican el medio físico, y esto causa un efecto sobre el funcionamiento del ecosistema. En el primer caso los contaminantes ejercen efectos directos sobre los organismos, en el segundo caso los contaminantes actúan sobre el medio físico con consecuencias sobre la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas (efectos indirectos). Los ecotoxicólogos trabajan en el ecosistema con distintas poblaciones (plantas, animales, microorganismos) que no solamente muestran una gran variedad en la sensibilidad a una sustancia, sino que pueden estar expuestos a la misma en diferentes grados. 8 3. Efectos de los contaminantes sobre organismos: ensayos de toxicidad con organismos pertenecientes a una misma especie. Cómo se realiza un ensayo de toxicidad? En un ensayo de toxicidad, se expone 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 % 0 6 12 25 50 100 Número de organismos expuestos 10 10 10 10 10 10 Número de organismos muertos 0 0 2 5 8 10 % de organismos muertos 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 9 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. Se obtuvieron los siguientes resultados: 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 Control Agua deionizada 4,5 4,8 4,4 4,2 4,7 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. 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. 10 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 el 50% de los organismos expuestos muere. En el ejemplo, la concentración de la muestra que causa la mortalidad del 50 % de los peces (CL 50) expuestos es cercana al 25% (el valor de la CL50 se obtiene a partir la curva concentración respuesta, sea mediante métodos gráficos o por cálculo) Cuando el criterio seleccionado es inmovilidad (ej, en el ensayo con Dafnias), el efecto evaluado es inmovilidad; se establece la Concentración efectiva 50, concentración que causa efecto sobre el 50% de los organismos expuestos. Se determina la concentración a que causa inmovilidad sobre el 50% de los organismos expuestos. En aquellos ensayos de toxicidad en los que se evalúa la inhibición de un parámetro, ej, crecimiento, reproducción, elongación de raíz, puede determinarse: - la concentración efectiva 50, que es la concentración de muestra para la cual el efecto medido es en promedio 50% menor que en el control. - NOEC: es la mayor concentración de tóxico para la cual no se observa un efecto estadísticamente significativo respecto del control en un determinado período de exposición. NOEC: del inglés, No Observed Effect Concentración 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) Vamos a describir el ensayo de inhibición de la elongación de raíz, un ensayo muy utilizado. Cómo se realiza el ensayo? 1. se selecciona un grupo de semillas, ej. semillas de lechuga, que sean de tamaño homogéneo y cuyo poder germinativo y sensibilidad a tóxicos de referencia han sido evaluados previamente. 2. la muestra a ensayar, (ej, una sustancia química, un elutriado de suelo posiblemente contaminado o un lixiviado de un residuo) se coloca en placas de Petri sobre papel poroso. Se debe asegurar que las semillas posean suficiente humedad para poder 11 germinar y desarrollarse (en las placas de Petri de 10 cm de diámetro, un volumen de agua de 4-5 ml). Se seleccionan las concentraciones de la muestra a ensayar. 3. las semillas se colocan en las placas de Petri, en un número igual por cada placa (ej, 5 semillas por placa). 4. Las semillas y la 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 evaluar la sensibilidad del organismo de ensayo. ¿Qué evalúa un tóxico de referencia? La sensibilidad de los organismos en el momento de realización del ensayo Veamos ahora un ejemplo donde podemos aplicar este ensayo de toxicidad. Supongamos que hemos recolectado muestras de suelo en un sitio supuestamente contaminado, así como una muestra del mismo tipo de suelo, cercana al sitio, pero en una ubicación donde sabemos que no se ha producido contaminación (esta muestra será nuestro control). En este caso los organismos son expuestos a los elutriados de las muestras sin diluir, el objetivo es comparar el efecto de cada una de las muestras sobre la elongación de raíz (En este caso no se establecerá la relación concentración-respuesta). Realizamos un ensayo de toxicidad, inhibición de la elongación de raíz, para cada una de las muestras recolectadas, y obtenemos los siguientes resultados: Control (suelo no contaminado) 4,5 4,8 4,4 4,2 4,7 Longitud de la raíz (cm) Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 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 0,2 0,4 0,6 0,5 0,6 Calculamos ahora para cada muestra la media y el porcentaje de inhibición de la elongación de raíz con respecto al control. Control 4,5 Muestra 1 4,5 Muestra 2 3,1 Muestra 3 1,8 Muestra 4 0,5 Longitud de raíz promedio (cm) % inhibición de la elongación - 0% 31% 60% 88% Qué podemos conocer acerca de las muestras a partir de estos resultados? 12 Las muestras 2, 3, 4 y 5 causan una inhibición de la elongación de la raíz. Aún sin poseer información acerca de su composición química, podemos decir que estas muestras contienen compuestos que en conjunto causan un efecto de inhibición sobre la elongación de la raíz. Qué podemos concluir acerca de los sitios de dónde han sido obtenidas las muestras? Los sitios de donde fueron extraídas las muestras 2, 3 y 4 contienen sustancias que causan un efecto nocivo sobre los organismos. Qué información proporcionan estos ensayos respecto del efecto de estas sustancias sobre el ecosistema? 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). 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. 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 (ver lista de normas publicadas en la bibliografía). 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 13 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). 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. 4. La ecotoxicología en la legislación ambiental: efluentes y suelos contaminados. Cuál es el aporte de la ecotoxicología cuando se establece la legislación ambiental? Se sabe que muchas sustancias químicas causan impacto sobre los organismos acuáticos y terrestres y afectan la estructura y funcionamiento de los ecosistemas cuando son volcadas al ambiente; por este motivo existe legislación que establece para muchas de esas sustancias concentraciones máximas que puedan volcarse al ambiente. Estos límites de emisión están fijados con el objetivo de proteger sistemas biológicos, ej, vida acuática, vida silvestre, y también la salud humana. En la mayoría de los casos los límites se expresan en forma de una medición química numérica (ej, mg/l de cromo en un efluente), pero, a partir de qué información fueron fijados estos valores? (ej, concentraciones máximas de cromo, plomo, cobre o pesticidas en efluentes)? A partir de los estudios acerca de: - los efectos de los compuestos químicos sobre los organismos - información acerca de la persistencia de los compuestos químicos en el ambiente - información acerca del potencial de bioacumulación de esos compuestos. Cuánto más tóxico sea un determinado compuesto, menor será la concentración de este compuesto permitida en el ambiente; la persistencia del compuesto en el ambiente y su potencial de bioacumulación son también considerados en el momento de fijar las concentraciones ambientales que no representen un riesgo para los organismos y los ecosistemas. 14 Los ensayos de toxicidad con organismos acuáticos y terrestres que hemos visto en el punto anterior, han sido incorporados a distintas legislaciones, para: - control de efluentes - caracterización de suelos y sitios contaminados - clasificación de sustancias y productos químicos. 4.1 Los ensayos de toxicidad para el control de efluentes Las descargas de efluentes industriales y domésticos sin un tratamiento previo adecuado, pueden producir impactos negativos sobre los ecosistemas. Algunas legislaciones (Estados Unidos, Francia, Brasil, Alemania) han incorporado los ensayos de toxicidad para controlar las descargas de efluentes industriales y cloacales a cuerpos de agua. Veremos ejemplos de la legislación de EEUU y de Brasil. La ley de agua limpia de EEUU, Clean Water Act, establece como política nacional prohibir la descarga de contaminantes tóxicos en cantidades tóxicas. Para lograr este objetivo, se propone controlar la descarga de compuestos tóxicos. La EPA (Environmental Protection Agency) es el organismo gubernamental encargado de aplicar esta legislación. En el marco de esta ley, y en lo que respecta a la protección de la vida acuática, la EPA propone una estrategia integrada, que comprende: 1) un monitoreo químico, control de sustancias específicas (similar al implementado en Argentina en las regulaciones sobre vuelco de efluentes a colectoras cloacales o cuerpos de agua). 2) la evaluación de la toxicidad del efluente como un todo (en inglés, Whole Effluent Toxicity, aparece muchas veces con sus iniciales como WET) 3) un monitoreo biológico, que consiste en la evaluación del cuerpo de agua mediante el estudio de los organismos residentes en él. Nos vamos a referir a la evaluación del efluente como un todo (en inglés, Whole Effluent Toxicity, aparece muchas veces con sus iniciales como WET). Evaluación del efluente como un todo (WET) En la evaluación del efluente como un todo (WET) se evalúa el efecto tóxico del efluente mediante un ensayo de toxicidad. Se estudia de esta forma el efecto sobre los organismos causado por todas las sustancias presentes en el efluente. Cuáles son las ventajas de realizar ensayos de toxicidad sobre efluentes: el ensayo de toxicidad evalúa la toxicidad conjunta de todos los tóxicos presentes (permite detectar efectos sinérgicos, aditivos) evalúa la toxicidad de aquellos tóxicos que se encuentren biodisponibles no se requiere un conocimiento detallado de las sustancias presentes es una herramienta que puede emplearse para prevenir impactos Cuáles son sus limitaciones: no da información sobre la presencia de tóxicos específicos no da información acerca de efectos sobre la salud humana 15 no da información sobre el tratamiento y persistencia de los compuestos que están causando toxicidad Los ensayos de toxicidad se realizan empleando procedimientos normalizados; los más frecuentemente empleados son los que utilizan dafnias, algas, peces y bacterias luminiscentes como organismos para los ensayos. Distintas normas, (ISO, AFNOR, EPA, etc) describen los procedimientos para la realización de estos ensayos. En Argentina, el IRAM (organismo nacional de normalización) ha encarado esta tarea y ha publicado varias normas (ver referencias bibliográficas) Dependiendo de la composición química, algunos efluentes son tóxicos sobre uno u otro organismo ensayado, por lo que se recomienda realizar los ensayos sobre más de una especie; de esta manera se puede emplear el resultado obtenido con la especie más sensible. 5. La ecotoxicología en la gestión de sustancias y productos químicos. Clasificación de sustancias y productos químicos. Las sustancias y productos químicos, durante su producción, manipulación, transporte y uso, constituyen un riesgo para la salud humana y el ambiente. Las personas de todas las edades, desde niños a ancianos, que se comunican en distintos idiomas, que integran diferentes grupos sociales, están en contacto diariamente con productos peligrosos (compuestos químicos, pesticidas, etc). La conferencia de Naciones Unidas sobre Ambiente y Desarrollo en 1992 identificó la necesidad de una armonización internacional de la clasificación y rotulado de sustancias químicas y lo incluyó como un programa dentro de la Agenda 21. El resultado de este trabajo es el “Sistema Globalmente Armonizado para la clasificación y etiquetado de productos químicos” (la sigla en inglés es GHS). El documento, publicado en el 2003, ha sido revisado en el año 2004 y 2006 y la edición luego de la segunda revisión está prevista para el 2007. Los objetivos de una armonización internacional son: Mejorar la protección del hombre y del ambiente proveyendo un sistema comprensible para la comunicación de riesgo Proveer a aquellos países que no tengan un sistema de clasificación un esquema reconocido Reducir la necesidad de ensayar y evaluar las sustancias químicas Facilitar el comercio internacional de aquellos compuestos cuyos peligros han sido apropiadamente ensayados e identificados sobre una base reconocida internacionalmente. Uno de las secciones del Sistema Globalmente Armonizado describe el sistema armonizado para la clasificación de los compuestos químicos desde el punto de vista de su peligrosidad para el ambiente acuático. Los elementos básicos que se toman en cuenta en el sistema armonizado son: • Toxicidad acuática aguda • Potencial de bioacumulación 16 • Degradación (biótica o abiótica) de compuestos orgánicos • Toxicidad acuática crónica Estos datos deben ser obtenidos utilizando normas de ensayo reconocidas internacionalmente; cuando eso no sea posible, se consideran los mejores datos disponibles. Cuál es el fundamento del sistema de clasificación? El sistema de clasificación reconoce que el peligro para los organismos acuáticos está representado por las propiedades intrínsecas de la sustancia, toxicidad aguda y crónica de una sustancia. Los criterios para clasificar una sustancia dentro de una de las tres categorías de toxicidad aguda (1,2 y 3) están definidos solamente por los datos de toxicidad aguda (EC50, LC50). Los criterios para clasificar una sustancia dentro de una de las cuatro categorías de toxicidad crónica combina dos tipos de información: a) datos de toxicidad aguda y b) datos de “destino” en el ambiente de la sustancia (degradabilidad y bioacumulación). Para sustancias que se transportan a granel, que por causa de accidentes o derrames pudiera dar lugar a efectos a corto plazo la toxicidad aguda representa una propiedad clave para definir el peligro. Para sustancias que se transportan envasadas, se considera que el riesgo principal está definido por la toxicidad crónica; se considera que luego del uso normal y disposición de la sustancia es posible que pequeñas concentraciones de la misma estén presentes en el ambiente acuático. Las sustancias que se degradan fácilmente pueden ser removidas rápidamente del ambiente. Los efectos que puedan ocurrir en el caso de un derrame o accidente, serán de corta duración y se mantendrán localizados. Las sustancias no degradables, pueden causar efectos durante un período de tiempo prolongado. 6. La ecotoxicología y la categorización de residuos según el Convenio de Basilea El texto del convenio, así como los documentos de trabajo actualmente en discusión, pueden consultarse en la página: www.basel.int Objetivo del Convenio de Basilea: el manejo y movimiento transfronterizo de residuos sea consistente con la protección de la salud humana y ambiental. Según este convenio, un residuo es considerado peligroso cuando pertenece a alguna de las categorías que aparecen en el Anexo I del convenio (por ejemplo, residuos provenientes de la preparación de tintas, residuos que contienen aceites minerales, residuos que contienen plomo, etc) a menos que no presente las características de riesgo listadas en el Anexo III (por ejemplo, inflamabilidad, corrosividad, toxicidad, ecotoxicidad) (estas categorías son equivalentes a las que aparecen en la ley nacional de residuos peligrosos, 24051) Definición de la categoría H12: ecotóxico “Sustancias o residuos que, si son liberadas, presenten o puedan presentar un impacto adverso inmediato o mediato sobre el ambiente, sea por bioacumulación o/y otros efectos tóxicos sobre los sistemas bióticos” 17 La clasificación es internacional y por lo tanto debe ser independiente de las condiciones locales o regionales. El Convenio de Basilea regula el movimiento transfronterizo de residuos peligrosos y los principios para la evaluación deben estar armonizados para facilitar la aplicación del convenio. El sistema de clasificación internacional se usa en distintos países, con diferentes condiciones ambientales y niveles de desarrollo. Dado que los criterios de clasificación están basados en las propiedades intrínsecas, las cuales no toman en cuenta las situaciones específicas de exposición o las condiciones ambientales específicas, la clasificación es independiente del momento y lugar e indica el potencial impacto sobre los organismos si la sustancia se libera y tiene lugar una exposición. • H12 Ecotóxico se refiere al peligro intrínseco del residuo a causa de las sustancias tóxicas que contiene el residuo. No incluye la evaluación de riesgo o efectos. Los criterios para peligro ecotóxico deben estar basados en las propiedades de las sustancias, tales como toxicidad, degradabilidad y capacidad para bioacumularse (clasificación OECD) • Por el momento, se está trabajando en la propuesta para la evaluación de los residuos a fin de establecer si presentan la característica de peligrosidad ecotóxico (H12). La propuesta está basada en el contenido de sustancias químicas clasificadas como tóxicas para organismos acuáticos que contenga el residuo y en la utilización de ensayos de toxicidad. BIBLIOGRAFÍA Castillo, Gabriela (editor) “Ensayos toxicológicos y métodos de evaluación de calidad de aguas”, Centro Internacional de Investigaciones para el Desarrollo, México, 2004. EPA, Office of Water, Documento 831-S-92_002 “Introduction to Water Quality-based Toxics Control for the NPDES Program”. EPA, Office of water, Documento 505/2-90-001, “Technical support document for water quality-based toxics control”, 1991. 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Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable: www.ambiente.gov.ar Subsecretaría de Recursos Hídricos de la Nación (niveles guía) www.hidricosargentina.gov.ar/ Una vez en el sitio, ir a: calidad de agua, dentro de calidad de agua a niveles guía de calidad, y “desarrollos”. Agencia de protección ambiental de Estados Unidos (EPA): www.epa.gov Agencia de protección ambiental de Estados Unidos (EPA): www.epa.gov Whole effluent toxicity (metodología): www.epa.gov/OST/WET Agencia de protección ambiental de Nueva Zelandia. www.mfe.govt.nz/publications/water/whole-effluent-toxicity (metodología para la realización de ensayos de toxicidad) Institut national de risques industriels et securité. www.ineris.fr (fichas toxicológicas y ambientales) Clasificación internacional de sustancias químicas según riesgos sobre el ambiente www.kemi.se Convenio de Basilea, www.basel.int GHS (Globally Harmonized Sistem of Classification and labelling of Chemicals (GHS). Environmental Hazars, capítulo 4. http://www.unece.org/trans/danger/publi/ghs/ghs_rev01/01files_e.html Legislación española, Real Decreto 9/2005, del 14 de enero del 2005, BOE número 15, N° 895. Normas argentinas publicadas Norma IRAM, Número 29012, Parte 16 “Guía para el bioensayo de muestras”. (2003) Norma IRAM, Número 29130, “Determinación de la inhibición de la movilidad de Daphnia magna Strauss (Cladocera, Crustacea)”, (2004) Norma IRAM, Número 29111, “Método de ensayo de inhibición del crecimiento de algas de agua dulce con Scenedesmus subspicatus y Raphidocelis subcapitata”, (2005) luego a 19 Norma IRAM, Número 29112, “Determinación de la toxicidad letal aguda de sustancias en peces de agua dulce. Método semiestático”. (2008)