DOCTORADO EN INGENIERÍA AMBIENTAL

1. UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DOCTORADO EN INGENIERÍA AMBIENTAL TÓPICO ESPECIAL DOCTORAL: ECOTOXICOLOGÍA ACUÁTICA TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA ECOTOXICOLOGÍA Profesor: Dr. Julio César Marín Leal Maracaibo, 2013

2. EQUILIBRIO Definiciones y alcances DIAGNÓSTICO EVALUATIVO (predicción) DEFINICIONES Alteraciones Determinación de dosis Evaluación de la carga Predicción del riesgo Ambiente Ecotoxicología Toxicología ambiental Ecosistema Polución Efectos tóxicos Riesgo Vías de exposición Dosis Letal PARÁMETROS CONTAMINANTES procedencia Clasificación medio receptor impacto Ciclos Distribución en el medio

3. Definiciones y alcances La toxicología en el sentido más amplio ha sido definida como aquella ciencia que se ocupa de los efectos nocivos de agentes químicos y físicos en todos los sistemas vivos (Plaa, 1998). Más específicamente, la toxicología ambiental es un campo de estudio que se ocupa de los efectos potencialmente nocivos de los productos químicos, presentes como contaminantes del medio ambiente, a los organismos vivos (Plaa, 1998). Incorporada en el campo de la toxicología ambiental se encuentra la toxicología acuática. 

4. Definiciones y alcances Toxicología acuática.  ha sido definida como el estudio de los efectos de sustancias químicas fabricadas y otros materiales producidos por y las actividades  naturales y antropogénicos (denominados colectivamente agentes o sustancias tóxicas) sobre los organismos acuáticos en los distintos niveles de organización, desde subcelular a través de organismos individuales a las comunidades y los ecosistemas (Rand y col., 1995).

5. Definiciones y alcances La ecotoxicología es un área de estudio que se ha desarrollado como una extensión de la toxicología ambiental, ya que también se “interesa por los efectos tóxicos de los agentes físicos y químicos sobre los organismos vivos”, pero especialmente en las poblaciones y comunidades dentro de ecosistemas definidos y se sabe que incluyen el estudio de "las vías de transferencia de los agentes y sus interacciones con el medio ambiente" (Plaa, 1998).

6. Definiciones y alcances Since fue el primero en usar a finales de 1970’s el término ecotoxicología, habiéndola definido de forma general como el estudio del efecto de los tóxicos antropogénicos sobre los sistemas ecológicos (Truhaut, 1977). Butler (1978) la definiócomo la rama de la ciencia que estudia y analiza los efectos de agentes químicos y físicos sobre organismos vivos, con particular atención a poblaciones y comunidades de ecosistemas definidos. Sin embargo, posteriormente se consideró como la ciencia de los efectos de los venenos ó tóxicos sobre los ecosistemas (Moriarty 1983).

7. Definiciones y alcances Ecotoxicología acuática: Es el estudio cuali y cuantitativo de los efectos adversos de xenobióticos sobre los ecosistemas acuáticos.

8. Toxicología de sistemas Consiste en un estudio integrado o multidimensional de la respuesta de los organismos frente a los tóxicos, aplicando tanto los métodos tradicionales como los modernos. La toxicología en nuestros días es fundamentalmente mecanística apoyada en los avances de la biología molecular y la Figura 2 refleja la complejidad de la toxicología actual, con las áreas del conocimiento que la sustentan y su derivación a unas áreas fundamentales y unas ramas de aplicaciones prácticas. En la Figura 3 se hace una aproximación de la relación existente entre la ecotoxicología y otras ciencias.

9. Relación de la toxicología con otras ciencias Figura 1. Ciencias básicas, áreas fundamentales y ramas aplicadas de la toxicología actual (Repetto y Repetto, 2009).

10. Toxicología de sistemas Figura 2. Relación de la ecotoxicología con otras ciencias

11. Conceptos generales Tóxico: cualquier sustancia que causa un efecto perjudicial (o adverso) cuando está en contacto con un organismo vivo a una concentración tal que resulte nociva (Williams y col., 2000). Tóxico ambiental: Sustancia potencialmente nociva para los organismos vivos que se encuentra diseminada en los ecosistemas. Efecto tóxico: Cambio biológico que es producido en un organismo como resultado de la exposición a un agente. Estos efectos se deben a la interacción de los agentes con los sistemas biológicos o a las modificaciones de los mecanismos de defensa del organismo que se deben a dichos agentes.

12. Conceptos generales Toxina: cualquier sustancia tóxica producida por un organismo (fauna o flora, incluyendo bacterias), es decir, sustancias tóxicas producidas naturalmente. Un ejemplo serían las piretrinas, que son pesticidas naturales producidas por las flores de piretro (es decir, ciertos crisantemos) que sirven como modelo para el hombre hacer insecticidas de clase piretroides (Williams y col., 2000).

13. Conceptos generales Toxicidad: En términos generales puede decirse que la toxicidad de una sustancia es su capacidad para causar una lesión en un organismo vivo. Una sustancia muy tóxica causará daño a un organismo si se administra en cantidades muy pequeñas; una sustancia de baja toxicidad sólo producirá efecto cuando la cantidad sea muy grande. En consecuencia, no se puede definir la toxicidad sin hacer referencia a la cantidad de sustancia administrada o absorbida (dosis), la vía de administración de esa cantidad (por ejemplo, inhalación, ingestión o inyección entre otras) y su distribución en el tiempo (por ejemplo, dosis única o dosis repetidas), el tipo y la gravedad de la lesión, y el tiempo necesario para producirla.

14. Conceptos generales Toxicidad (continuación) Para que la toxicidad se manifieste se requiere la interrelación de tres elementos: un agente químico capaz de producir un efecto, un sistema biológico con el cual pueda interactuar para producir el efecto, un medio a través del cual el agente y el sistema biológico puedan entrar en contacto e interactuar.

15. Conceptos generales Toxicante El término “toxicante” hace referencia a sustancias que son producidas por las actividades humanas o son derivadas de estas.

16. Factores que afectan la toxicidad Dosis: Es la cantidad real de una sustancia química que ingresa al cuerpo y produce una determinada respuesta. La dosis determina el tipo y magnitud de la respuesta biológica y éste es un concepto central de la toxicología. Por lo tanto, es crítica para determinar si el tóxico producirá efectos crónicos o agudos. Generalmente, a mayor dosis, más severa es la respuesta y está condicionada por la concentración del tóxico en el blanco En ecotoxicología acuática tienen especial interés la relación dosis - tiempo de exposición y dosis – respuesta.

17. Factores que afectan la toxicidad Dosis (continuación) El efecto adverso o daño es una función de la dosis y de las condiciones de exposición (vía exposición, duración y frecuencia de las exposiciones, tasa de contacto con el medio contaminado, etc.).

18. Factores que afectan la toxicidad Duración y frecuencia de la exposición Atendiendo a estos factores podemos considerar: • Exposición aguda: una exposición durante menos de 24 h • Exposición subaguda: exposición repetida durante 1 mes o menos. • Exposición subcrónica: exposición repetida durante 1 a 3 meses. • Exposición crónica: exposición repetida durante más de 3 meses.

19. Relación dosis (concentración) – efecto (respuesta) La correspondencia entre la cantidad de tóxico y la magnitud del efecto es lo que se conoce como la relación dosis - efecto o dosis - respuesta(uno de los conceptos centrales de la toxicología). La relación entre el tipo de respuesta y la dosis suministrada fue analizada desde los tiempos de Paracelsus, quien en 1493 expresó que todos los remedios son venenos y la diferencia entre remedio y veneno es la dosis correcta. Dosis - efecto sugiere que una dosis, o un período de exposición (a una sustancia química, fármaco o sustancia tóxica), producirá un impacto (efecto) en el organismo expuesto.

20. Factores a considerar cuando se quiere determinar la relación “ dosis- respuesta” de un determinado xenobiótico sobre un organismo definido Selección del tipo de respuesta para ser monitoreada en términos cuantitativos. Definición del organismo de prueba (sistema biológico). Período de experimentación o duración del ensayo. Serie de dosis a probar: dosis simple (lo que generalmente implica un estudio de toxicidad aguda); dosis repetitiva a corto plazo (toxicidad subaguda); dosis repetitiva a largo plazo (toxicidad crónica). Vía de administración.

21. Relación dosis (concentración) – efecto (respuesta) El conocimiento de la relación dosis – efecto permite: • Establecer causalidad: es decir que el químico ha inducido los efectos observados. • Establecer la dosis más baja con la cual ocurre un efecto inducido.

22. Curva dosis - respuesta Expresión gráfica de la relación entre la dosis y la proporción (%) de los individuos de una población que experimentan o no un efecto determinado. La relación dosis-respuesta está basada en datos observados de estudios en animales de experimentación, o estudios celulares.

23. Curva dosis - respuesta Si se obtiene una respuesta de una magnitud definida para cada dosis, dentro de un rango de dosis, se dice que la respuesta es “gradual”. Es decir que a diferentes dosis, D1, D2,...Dn, se observan los efectos, E1, E2,...Ei, que varían en forma continua y tienen un valor único para cada dosis (dentro de la variabilidad normal que siempre se observa cuando se hacen bioensayos). Lo importante es que el efecto sea medible con el tóxico bajo estudio y tener un valor “0” cuando la dosis es 0.

24. Curvas Dosis-Efecto: efectos definidos. Ej : tejidos o células expuestas Efecto Máximo (Emax): representa el grado de toxicidad Efecto Dosis (mg/ Kg) ) La curva dosis-efecto se construye graficando en las ordenadas los Efectos (E) causados en el organismo expuesto a un tóxico y en las abscisas las Dosis (D) o Concentraciones (C) a las que fue expuesto.

25. Curvas Dosis-Efecto: efectos no definidos Ej: organismo expuesto. Dentro de una población se observa una distribución de respuestas para cada dosis. En este caso no se mide el efecto sino que el % de población expuesta que presenta una respuesta determinada. Este efecto se llama “cuantal”.

26. Curvas Dosis-Efecto: efectos no definidos

27. Curvas Dosis-Efecto: efectos no definidos En general los efectos cuantales se representan por curvas dosis-respuesta que son curvas sigmoídeas porque resultan de la transformación del eje X a log. En la mayoría de los casos, las dosis pequeñas no son tóxicas. La primera dosis en la cual aparece toxicidadse conoce comodosis “umbral”.

28. Curvas Dosis-Respuesta: efectos no definidos log • NOAEL:No observed adverse effect level. • LOAEL:Lowest observed adverse effect level.

29. Curvas Dosis-Respuesta: efectos no definidos Respuesta acumulada (el término respuesta se aplica al % de población en que se manifiesta un efecto).

30. Exposición y efecto Exposición. Situación en la cual una sustancia puede incidir, por cualquier vía, sobre una población, organismo, órgano, tejido o célula diana. Efecto tóxico Se define como efecto tóxico o respuesta tóxica, cualquier desviación del funcionamiento normal del organismo que ha sido producida por la exposición a sustancias tóxicas.

31. Tolerancia y resistencia. Tolerancia: Es la capacidad natural heredable de un organismo para experimentar exposición a dosis nocivas de una sustancia sin sufrir efectos adversos, pudiendo sobrevivir y reproducirse luego de la aplicación. La particularidad de las especies tolerantes es que nunca antes fueron expuestas a dichas sustancias.

32. Tolerancia y resistencia. Resistencia es la disminución de la sensibilidad al efectotóxico de un químico como consecuencia de la exposición anterior a dicha sustancia o a otra estructuralmente similar. Surge por ejemplo, como resultado de la selección ejercida por el uso repetido de un herbicida o de herbicidas que comparten el mismo mecanismo de acción y/o la misma ruta de degradación metabólica o incluso que tengan en común algún proceso que impida su acumulación en el sitio activo.

33. Tolerancia y resistencia. El fenómeno de resistencia tiene un sustrato genético intrínseco o adquirido que se expresa fenotípicamente por mecanismos bioquímicos. De esta manera puede observarse la resistencia desde el ambiente biológico y otro el bioquímico.

34. Tipos de resistencia Resistencia en sentido estricto (Resistencia natural): Mecanismos permanentes determinados genéticamente, no correlacionables con el incremento de dosis del tóxico. Un organismo es resistente a un factor externo cuando evita que este factor entre en su interior. Resistencia plástica o adquirida. aparece por cambios puntuales en el DNA (mutación) o por la adquisición de éste (plásmidos, trasposones, integrones). La existencia de mecanismos reparadores en los organismos vivos para evitar daños provocados por factores externos hace que aumente la resistencia. Tenemos que tener presente el tiempo. No es lo mismo un estrés aplicado durante un corto período de tiempo que un stress prolongado de días, meses ó años.

35. Figura 1. Respuesta de los organismos al estrés en función del tiempo

36. Efectos de los tóxicos Los efectos pueden manifestarse a diferentes niveles, desde estructuras subcelulares o sistemas de enzimas, hasta organismos completos, poblaciones o comunidades. Por tanto, la toxicidad será la capacidad de una sustancia para ejercer un efecto nocivo sobre un organismos o la biocenosis, y dependerá tanto de las propiedades químicas del compuesto como de su concentración, según sea la duración y frecuencia de la exposición al tóxico, y su relación con el ciclo de vida del organismo; las pruebas podrán ser de tipo agudo o crónico (Díaz - Baéz y col., 2004).

37. Efectos de los tóxicos Figura 2. Orden de respuesta al estrés de contaminantes

38. Figura 3. Efectos de los tóxicos

39. Figura 4. Mecanismos de actuación de un tóxico a través del organismo y de los diferentes niveles de organización biológica (modificado de Lloyd, 1991)

40. Otras definiciones Absorción (biológica): Proceso de entrada o transporte, activo o pasivo, de una sustancia al interior de un organismo; puede tener lugar a través de diferentes vías. Activación metabólica: Biotransformación de una sustancia de toxicidad relativamente baja, en un derivado tóxico. Acumulación: Sucesivas retenciones de una sustancia en un organismo diana, un órgano o una parte del ambiente, que conducen a un aumento de la cantidad o concentración de la sustancia en los mismos (OMS, 1989).

41. Otras definiciones Bioacumulación: Incremento progresivo de la cantidad de una sustancia en un organismo o parte de un organismo, que ocurre porque la velocidad de captación excede la de eliminación. Bioconcentración: Proceso que conduce a una concentración mayor de una sustancia en un organismo que en el ambiente en el que es expuesto. Biomagnificación: Proceso por el que se consiguen concentraciones más altas de una sustancia en los organismos de los niveles superiores de la cadena trófica del ecosistema; de una forma más simple, es el proceso por el cual la concentración de una sustancia es mayor en un organismo que en su alimento.

42. Otras definiciones Biodisponibilidad: Facción de cualquier sustancia que está inmediatamente disponible para su absorción por los seres vivos. Diana (biológica): Población, órgano, tejido, célula o constituyente celular sobre el que ejerce su acción un agente físico, químico o biológico (OMS, 1979). Tolerancia: Es la disminución de la sensibilidad al efecto tóxico de una sustancia que se produce como consecuencia de una exposición anterior a dicha sustancia o a otra estructuralmente semejante.

43. Consideraciones sobre las pruebas de toxicidad Pruebas o ensayos de toxicidad Determinación del efecto de una sustancia tóxica sobre un grupo de organismos seleccionados bajo condiciones definidas. Mide las proporciones de los organismos afectados o el grado de efecto luego de la exposición a la muestra.

44. Consideraciones sobre las pruebas de toxicidad De manera general, los ensayos, también llamados pruebas de toxicidad, pueden ser definidos de acuerdo con: • Su duración: corto, mediano o largo plazo. • El método utilizado para incorporar la muestra al sistema de ensayo: estático, con renovación, de flujo continuo. • El propósito para el cual son utilizados: control de calidad de vertidos, evaluación de compuestos específicos, toxicidad relativa, sensibilidad relativa, etcétera.

46. Estrategias para la evaluación de efectos biológicos de contaminantes tóxicos y su destino Dentro de las ciencias ambientales la Ecotoxicología contempla el estudio de los efectos biológicos de los contaminantes sobre especies representativas de los ecosistemas acuáticos, mediante la realización de ensayos de toxicidad tanto en laboratorio como ensayos en el campo (in situ). Los mismos son útiles como indicadores de las relaciones entre el efecto y la exposición a los tóxicos bajo condiciones definidas, controladas y reproducibles (Adams, 2003). En este sentidos son considerados una importante herramienta de diagnóstico para el estudio del impacto de diferentes contaminantes sobre la biota (Blaise, 2000; Burton y Landrum, 2003).

47. Estrategias para la evaluación de efectos biológicos de contaminantes tóxicos y su destino A partir de la realización de ensayos de toxicidad en laboratorio se puede examinar la toxicidad potencial de una matriz contaminada, por exposición aguda o crónica, de los que se pueden obtener, por ejemplo, medidas de mortalidad, inhibición del crecimiento y efectos en la reproducción de los organismos.

48. Estrategias para la evaluación de efectos biológicos de contaminantes tóxicos y su destino Otra estrategia que se puede utilizar para el estudio de efectos biológicos en el ambiente son los ensayos de toxicidad in situ, con organismos de campo o laboratorio en dispositivos con encierro (jaulas, tubos, etc), emplazados en los sitios de estudio. Los ensayos de toxicidad in situ no cuentan con una metodología estandarizada (Burton y col., 2005), sin embargo poseen la ventaja de reducir las interferencias asociadas al muestreo y manipulación en laboratorio de las muestras de sedimentos por ejemplo y de esta forma reducir la incertidumbre asociada con las extrapolaciones de los resultados de laboratorio, en relación a lo que ocurre en el campo (Chappie y Burton, 2000; Burton y col., 2005).

49. Estrategias para la evaluación de efectos biológicos de contaminantes tóxicos y su destino En tal sentido, hay autores que observaron sensibilidades iguales o mayores en ensayos de laboratorio comparados con sensibilidades in situ (DeWitt y col., 1999; Hose y col., 2006). Esta metodología es utilizada en ambientes donde el cuerpo de agua recibe escorrentías con posibles pulsos de contaminantes, por ejemplo aplicaciones de agroquímicos en cultivos (Matthiessen y col., 1995; Schulz, 2003; Jergentz y col., 2004, 2005). Estos eventos serían muy difíciles de reproducir en laboratorio y extrapolar los resultados al campo.

50. Referencias Bibliográficas • Adams. S. (2003). Establishing causality between environmental stressors and effects on aquatic ecosystems. H. Ecol. Risk Assess. 19, 17-35. • Blaise. C. (2000). Canadian application of microbiotest to assess the toxic potential of complex liquid and solid media. In: New microbiotest for routine toxicity screening and biomonitoring. Kluwer Academic. Plenum publishers, New York. Contribution 1:3-11pp. • Burton. P. y Landrum. P. (2003). Toxicity of sediments. In Enciclopedia of Sediments and Sedimentary Rocks. Middleston, G., Church, M., Corigilo, M., Hardie, L. and Longstaffe, F.J. (eds.) Kuwer Academic Publishers, Dordrecht, pp. 748-751. • Burton Jr. G., Greenberg. M., Rowland. C., Irvine. C., Lavoie. D. & Brooker, J. (2005). In situ exposures using caged organisms: a multi-compartment approach to detect aquatic toxicity and bioaccumulation. Environ. Pullut., 134, 133-144. • Butler. G. (1978). Principles of Ecotoxicology, SCOPE 12, John Wiley and Sons, New York.